廊固凹陷旧州断裂构造特征

朱坤静，彭远黔

（1. 邯郸市地震监测中心，河北 邯郸 056002；2. 河北省地震局 石家庄 050021）

0 引言

旧州断裂是廊固凹陷内部的次级断层，规模较廊固凹陷周边断层要小些，该断裂以铲形正断层方式向下延伸，终止于结晶基底面上，具有一定的倾滑性。在河北省廊坊市活断层探测与地震危险性评价项目中（2008—2013年），开展了旧州断裂地震勘探探测工作，本文应用Vista地震处理软件对跨旧州断裂的浅层地震勘探数据进行重新处理，获得4条高质量、高信噪比的地震剖面，结合深地震反射剖面、石油地震勘探资料，获取旧州断裂深浅构造特征认识。

1 地质背景

廊坊—固安凹陷（以下简称廊固凹陷）是冀中坳陷北部一个NE走向的箕状断陷，北与大厂凹陷相接，西邻大兴凸起，东南部以牛驼镇凸起与霸县凹陷相接，东以河西务东主断层与武清凹陷相邻。廊固凹陷受NE向断裂构造控制，总体表现为西断东超的箕状断陷特征。凹陷内部发育旧州固安构造带、大柳泉构造带、河西务构造带、凤河营侯尚村构造带以及南部的牛北斜坡构造带等二级构造单元[1]，廊固凹陷构造比较复杂，根据断层规模、活动强烈程度、活动时间等因素，将凹陷中的断层分为3个级别[2]，一级为控凹断层，大兴断层，走向均为NE方向，倾向SE；断层延伸距离长，活动强烈，持续活动时期长；二级为控带断层，主要有桐柏镇断层、河西务断层以及旧州断层，河西务断层，走向均为NE方向，倾向SE；断层延伸距离长，活动强烈，除桐柏镇断层走向为NWW向外，而其他断层的走向均为NE向，延伸距离较长；三级断层规模较小，为控藏油气断层，包括琥珀营、王居、杨税务、刘其营、半截河等断层，走向为NE向（图1）。

1.1 旧州断裂

旧州断裂为廊固凹陷内部规模较大的二级断层，位于廊固凹陷内旧州至柳泉一线，呈NE走向，延伸距离约46 km （图1）。从廊固凹陷NW-SE向地震剖面可见，旧州断裂是倾向SE，铲式正断层，断层断开层位为沙三段以上层系，最大断距达1 000～1 500 m （图2）。在断裂附近发生过1970年1.9级地震、1990年1.6级地震、2008年1.6级地震（图 3）。

1.2 第四系地层划分

第四系地层层序划分是获取浅层地震勘探断层活动时代的重要依据，利用地层层序划分结果与地震勘探时-深转换进行对比，从而确定断层的上断点和最新活动时代。

图 1 廊固凹陷构造及主要断层[3-4]

图 2 廊固凹陷NW-SE向地震解释剖面[5]

廊固凹陷及其附近地区被第四纪地层覆盖，为一套松散的粘土、砂质粘土及砂、砾石堆积等。根据已有石油钻孔、水文钻孔分析，旧州断裂附近第四系厚度290～490 m，据测线附近安20孔、廊1 孔和安1孔第四系分层，并结合廊坊活动断层探测标准孔①中国地质大学(北京). 河北省活断层探测与地震危险性评价项目廊坊市跨断层联合钻孔剖面探测及断层活动性初步鉴定野外工作总结报告[M]. 2011.确定（图3），测线附近第四系地层如下：

全新统(Qh)：以冲积为主，夹有湖沼相沉积，主要由灰黄、灰、灰黑色含淤泥质的亚粘土、亚砂土夹砂、淤泥层及泥炭组成，底界埋深约40 m。

图 3 廊坊地区断裂构造及浅层地震勘探测线位置图

上更新统(Qp3)：为一套冲积、洪积和冲积、湖积为主的沉积物。主要由黄色、棕黄色具黄土状结构的粉质亚砂土、亚粘土夹砂砾石层组成，底界埋深140 m。

中更新统(Qp2)：为一套冲积、洪积与冰川-冰水堆积及冲积、湖积的含砂亚粘土夹砂砾石层的堆积，其中可见明显的长石风化碎屑，顶部以厚度较大的碳酸盐质风化壳与上覆欧庄组分界，底界埋深310 m。

下更新统(Qp1)：为一套冲积、冲洪积与冰川-冰水堆积及冲积、湖积的粘土、亚粘土夹砂砾石层堆积，普遍含铁锰结核，局部粘土含风化长石砂粒，具不明显的混粒结构，底界埋深480 m。

2 旧州断裂浅部构造探测概述

以往对旧州断裂所做的主要工作是油气成藏方面的研究，所关注的是新近系地层底界，从石油勘探剖面中无法获得断裂在近地表的清晰形态，从活动断裂的角度，更关心旧州断裂在近地表的展布及上断点埋深等信息。针对这些问题，在河北省廊坊市活断层探测与地震危险性评价项目中，对旧州断裂进行了地震勘探探测工作。探测工作分2个阶段，即控制性浅层人工地震勘探和浅层地震勘探详细探测。控制性浅层人工地震勘探由中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所承担，布设1条浅层地震测线LF05-2；详细探测由河北省工程地震勘察研究院承担，在初步勘测成果基础上，布设3条测线L06、L07和L08-2。

2.1 测线布设

控制性浅层人工地震勘探测线LF05-2沿廊坊到万庄的公路（廊万路）从东向西敷设，剖面长6 070 m①河北省工程地震勘察研究院. 河北省活断层探测与地震危险性评价项目(廊坊市)技术报告[R]. 2013.；详勘阶段测线L06位于廊坊艾各庄村南，从北向南沿一村间道路布设，剖面长1 390 m；测线L07位于廊坊付家园村东，从南向北沿一土路布设，剖面长2 926 m；测线L08-2位于廊坊西冯家务村西，从南向北沿一土路布设，剖面长1 198 m（图3）。

2.2 数据采集、处理

为探测旧州断裂先后布设了4条地震勘探测线。为了解测区内地震地质条件、有效波和干扰波的发育情况，进行了现场数据采集试验，根据试验结果，选择了最佳激发、接收条件和施工参数。

控制性浅层人工地震勘探，选用单边激发的观测系统，使用美国Geometrics公司StrataVisorNX60地震数据采集系统，采用T-15000车载可控震源激发，60道4个100 Hz检波器组合单点接收，覆盖次数15次，道间距5 m，偏移距30 m，0.5 ms采样，记录长度1 024 ms。

详勘阶段选用单边激发的观测系统，使用美国Geometrics公司StrataVisorNZX96地震数据采集系统，采用70 kg冲击震源激发，单点叠加20次，72道6个60 Hz检波器组合单点接收，覆盖次数12次，道间距4 m、偏移距12 m，0.5 ms采样、记录长度1.0 s。

本文数据处理使用Vista地震处理软件，获得地震时间叠加剖面与时-深剖面图。数据处理主要方法步骤有：真振幅恢复，地表一致性振幅补偿，数字滤波，初至静校正，速度分析、动校正、剩余静校正，叠加，叠后反褶积、滤波、偏移，时-深转换等。

地震波速度是地震勘探中一个十分重要的参数，只有知道了地震波速度值，才能够确定产生反射波的地层深度。本文通过反射波资料处理时的叠加速度（也称NMO速度）和时间剖面上不同界面反射波的双程垂直到时t0，通过迪克斯(DIX)公式计算得到不同地层反射界面以上的平均速度，从而获得每条浅层地震勘探剖面的时-深转换速度参数，此方法进行地震剖面时-深转换是可信的[6]。

3 浅层地震反射剖面特征

参考上述第四系地层层序划分结果，剖面附近的安20孔、廊1孔所揭示的第四系上更新统、中更新统、下更新统底界（埋深分别为140 m、310 m、480 m），与反射地震剖面揭示的第四系地层反射波T01、T02、TQ埋深变化趋势相吻合（140 m左右、320 m左右、460 m左右），确认反射T01、T02、TQ为上更新统、中更新统、第四系底界反射面。

3.1 LF05-2测线

图4为LF05-2测线的反射地震时间、深度剖面，剖面图显示了较高的信噪比和分辨率，丰富的地层界面反射波组出现在剖面双程反射时间550 ms以上。根据剖面中的反射波震相特征和波组间的关系，解释了3组地层反射，分别是第四系内部反射T01、T02和第四系底界反射TQ。剖面揭示的反射波震相横向分段特征非常明显，整个剖面以CDP741为界，可以分为2个不同的反射区段。

剖面南端点至CDP741（桩号1 850 m）之间，反射波能量较强，波组特征明显，反射波同相轴分段连续性较好，第四系地界TQ的双程反射时间介于剖面中500～530 ms之间，第四系地界TQ在剖面左（南）端埋深约480 m，而在CDP741以北埋深约450 m。

在剖面CDP741附近，T01以下的界面反射同相轴递次扭曲、错动，错断点南（左）侧反射同相轴增多而北（右）侧反射同相轴减少，根据同相轴错断特征，解释为视倾向SE的正断层。断层在460 m深度附近，垂直错断TQ界面30 m，在剖面中显示出断层浅部陡而深部缓的错断特点，可分辨的上断点埋深约155 m，在地面的投影位置位于桩号1 850 m附近。

3.2 L06测线、L07测线、L08-2测线

图5是L06测线经数据处理后的反射地震时间、深度剖面，剖面中显示了较高的信噪比和分辨率，根据剖面中的反射波震相特征和波组关系，在时间剖面中共解释了3组界面反射，分别是第四系内部反射T01、T02和第四系底界反射TQ。

在剖面中，界面T01以浅的反射波能量强，震幅均衡，上前反射波组之间成层性较好，反射波同相轴横向上平行展布，起伏平缓，在整个剖面中可以连续追踪。时间剖面中，TQ反射界面的双程反射时间介于470～540 ms之间，第四系厚度变化范围为450～490 m。剖面控制范围内，地层界面TQ呈南深北浅的起伏趋势。

在CDP341（桩号680 m）附近，除了剖面顶部的T01及以上反射同相轴在整个剖面中能被连续追踪以外，T01以下的反射同相轴错断特征明显。断点两侧同相轴展布形态差异较大，解释为一个视倾向南的正断层，断层下盘（右侧）地层界面由北向南倾伏，而断层上盘（左侧）地层则以近水平状成层沉积，可分辨的上断点埋深约150 m，相应界面TQ被垂直错断40 m。

图6～7为L07测线、L08-2测线经数据处理后的反射地震时间、深度剖面。剖面中显示了较高的信噪比和分辨率，根据剖面中的反射波震相特征和波组关系，在时间剖面中共解释了3组界面反射，在时间剖面中共解释了3组界面反射，分别是第四系内部反射T01、T02和第四系底界反射TQ。

在图6的剖面中，界面TQ以浅的反射波能量强，振幅均衡，上下反射波组之间成层性较好，反射波同相轴横向上平行展布，起伏平缓，剖面中TQ反射界面的双程反射时间介于470～520 ms，第四系厚度变化范围为450～490 m。剖面控制范围内，地层界面TQ呈南深北浅的起伏趋势。在剖面桩号1 560 m附近，T01以下的界面反射同相轴递次扭曲、错动，根据同相轴错断特征，解释为视倾向南的正断层。断层垂直错断TQ界面40 m，可分辨的上断点埋深约150 m，上断点在地面的投影位置位于桩号1 640 m附近。

图 5 L06测线地震反射剖面上旧州断裂

图 6 L07测线地震反射剖面上旧州断裂

图 7 L08-2测线地震反射剖面上旧州断裂

在图7的剖面中显示了较高的信噪比和分辨率，丰富的地层界面反射波组出现在剖面双程反射时间550 ms以上，上下反射波组之间成层性较好，反射波同相轴横向上平行展布，起伏平缓，剖面中TQ反射界面的双程反射时间介于490～520 ms，第四系厚度变化范围为470～490 m。在剖面桩号920 m附近，T01以下的界面反射同相轴错动，根据同相轴错断特征，解释为视倾向南的正断层。断层垂直错断TQ界面20 m，可分辨的上断点埋深约130 m，上断点在地面的投影位置位于桩号920 m附近。

3.3 地震勘探结果综合分析

上述为探测旧州断裂而布设的4条浅层地震勘探测线，获得了具有较高信噪比和分辨率的时间、深度剖面。由4条剖面来看，在剖面上都存在有多组反射特征明显的地层界面反射，这为研究测线经过地段内的地层界面展布、判定反射波同相轴的错断提供了可靠基础信息。

从4条反射波剖面来看，第四系底界反射TQ在测区内普遍被揭示，对应界面反射波能量较强，反射同相轴能够可靠追踪。在相应剖面中的起伏变化趋势总体反映为南（或南东）低北（或北西）高，表明剖面控制范围内第四系的厚度总体为南（或南东）厚而北（或北西）薄。

根据各条地震测线的反射剖面特征，共解释了1个断点，参考已有的断裂构造、地层资料，并根据上面解释的断点的断层属性和邻近关系，确认上述4条浅层地震勘探剖面所探测到的断层为旧州断裂，该断裂浅部特征明显，为1条倾向南，视倾角上陡下缓的正断层。参考测区第四系地层层序划分结果和剖面附近安20孔、廊1孔第四系地层资料，认为旧州断裂第四系以来发生过活动，断错了第四系底界，从北向南错断第四系底界的断距为30 m、40 m、40 m、20 m，可分辨的上断点埋深为155 m、150 m、150 m、130 m，位于反射波T01之下，并错断了T02反射界面（对应于中更新世底界），断裂在第四纪以来的活动时间为中更新世。

4 旧州断裂深部构造特征

廊固凹陷西侧为大兴断层，是控制大兴凸起和廊固凹陷发育演化的断裂，具有上陡下缓的犁式正断层特点。旧州断层是廊固凹陷内次级断层，倾向SE，倾角呈上陡下缓状，由上至下倾角由70°变至 45°，断开层位为中深层至浅层，即贯穿沙三段底至明化镇底，最大断距在沙二期，达1 000～1 500 m。

邓婷婷等[1]依据断层活动性、断层两盘的岩性配置关系、断层泥比率、断裂充填物泥质含量和断面力学特征等指标，对旧州断层的封闭性进行了综合分析，认为旧州断层沙三中到东营期活动强烈。

桂宝玲[2]根据前人对廊固凹陷成因机制的分析，结合对廊固凹陷构造的几何学、运动学的分析，认为廊固凹陷的形成过程复杂，是在多个成因模式机理综合作用下形成的凹陷。整个冀中坳陷在8～20 km深度具有一个低速高导层，廊固凹陷及其邻区在早期以该不整合面为滑脱层，大兴断层和河西务断层为边界断层发生的多米诺式运动而形成的。断层为一平直断层，孔店组-沙4段沉积期，在重力翘倾作用下，断层开始以旋转模式运动，形成上陡下缓的犁式断层，断面几何形态至此大致形成。在沙3段以后，廊固凹陷及其邻区块体均以拉张斜剪切模式运动，从而形成滚动背斜。

旧州断裂与河西务断裂之间所夹的琥珀营断裂（旧州断裂的分支）、王居断裂、杨税务断裂等断裂，成雁列式展布向北西倾（图8），以旧州断裂与杨税务断裂为边界，形成的塌陷背斜十分明显。由于旧州断裂以及王居断层之间的地层未发生形变，2条断层并非在伸展构造楔的作用下形成的。在地堑形成的过程中，在拉张环境下，断层两侧地块被拉开，从而形成空间，让上覆地块掉下，但是断层两侧地块并非沿着滑脱层滑动，而是在其自身进行调整[2]。此外，旧州断裂与形成较晚的琥珀营断层，在剖面上呈“y”型相交，产生顶部陷落的地堑构造，控制了柳泉构造带内部的构造形成及次级断层的发育。

图 8 廊固凹陷中部主要断层剖面图[2]

在“城市活断层试验探测”项目和“北京市活断层探测与地震危险性评价”项目中，中国地震局地球物理勘探中心在北京南部完成了一条NWSE向的深地震探测剖面BJ2（图9）。剖面清楚地揭示了廊坊市及其邻区的地壳深部结构和断裂的深浅构造特征（图10），在剖面的东南段存在8条断裂（F6～F13）。在这 8 条断裂中，F6～F12这 7 条断裂为1组（其中F8为旧州断裂），并与倾向SE的F5断裂一起形成了一个断陷盆地。在断陷盆地内，受断裂构造的影响反射同相轴呈现出严重的扭曲、错断等畸变现象。这些断裂都是正断层，它们向上错断到TN地层界面，向下终止于结晶基底TG之上。其中，F7断裂应为宝坻断裂的反映，F12断裂应为牛坨镇断裂的反映。在BJ2剖面中，F8（旧州断裂）断裂在深度3.5 km左右归并到向西倾的断裂F9（杨税务断裂）上，下延深度11～12 km。

图 9 BJ2深地震反射剖面位置图

5 讨论及结论

通过对旧州断裂的浅部地震精细探测资料处理，获得了剖面控制范围内物性界面的分布特征，探查了剖面控制区段内旧州断裂其空间展布形态。根据断层位置、断层属性、断点关系并参考已有的断裂构造、地层资料，获得了旧州断裂的浅层构造特征和活动特征，将中深层石油地震勘探以及BJ2深地震剖面获得的旧州断裂深部延伸特征，将浅部构造与深部构造进行结合，获得了旧州断裂的深浅构造特征。

图 10 北京南部BJ2深地震反射叠加时间剖面图[7]

从图2、图8、图10可以明显地看出，旧州断裂均未错断新近系底界，其主要活动时间是在古近纪[1]。从上述4条浅层地震剖面来看，旧州断裂的上断点位于第四系中，即在第四纪以来发生了再次活动，两者之间存在不一致但并不矛盾。由于地震波的分辨率是有限的，浅层地震探测、中深层地震探测和深地震探测对探测目标的深度和分辨目标大小等技术要求有所不同，而断层的断距从深到浅又存在差异（通常情况下深部断距较大，浅部断距较小），当断层的断距小于地震波的垂向分辨率时，地震剖面上就无法分辨断层的存在。因此，浅层地震剖面、中深层石油地震剖面和深地震反射探测剖面所揭示的同一断层的上断点埋深，三者之间可能会不一致。

通过对跨旧州断裂的4条高信噪比、高分辨率的浅层地震剖面分析，结合测区第四系地层资料和中深层石油地震勘探剖面、深地震反射剖面资料，获得旧州断裂的构造特征。

1）旧州断裂与形成较晚的琥珀营断裂，呈“y”型相交，形成顶部陷落的地堑构造，控制了柳泉构造带内部的构造形成及次级断层的发育。

2）在深反射剖面上旧州断裂和6条正断层为一组，并与倾向SE的一条断裂一起形成断陷盆地，旧州断裂大约在深度3.5 km左右归并到一条向西倾的断裂上，下延深度11～12 km，终止于结晶基底TG之上。

3）旧州断裂在600 m以上的浅部，为一条倾向南，视倾角较陡的正断层，断错下更新统地层底界20～40 m，断错至上更新统底界附近，上断点埋深130～155 m，断裂从北向南上断点埋深逐渐变浅，最新活动时代为中更新世。

致谢 文中所用的浅层地震勘探资料来自廊坊市活动断层探测项目，对该项目的其他参与人员表示衷心感谢!