用浅层地震勘探资料研究蓟运河断裂的第四纪活动特征

张文朋, 张春丽, 高武平, 闫成国, 王志胜(天津市地震局, 天津 300201)

0 引言

研究区位于华北断块盆地与燕山断块隆起交汇的天津平原区东部(图1),在地质构造上位于华北平原断裂带和张家口—渤海断裂带的复合、交汇部位,构造运动强烈。蓟运河断裂是研究区内的重要断裂,新构造时期以来,其在区域伸展构造环境的影响下呈正断运动。

图1 研究区地质构造图Fig.1 Geological structure map of the study area

蓟运河断裂位于天津宝坻至宁河一带,是燕山褶皱带和沧县隆起的边界断裂,也是张家口—渤海断裂带的重要组成部分。该断裂西起宝坻东,向南东延伸至宁河东南,倾向SW,长约60 km(图1)。据石油地震勘探资料[注]石油工业部646厂十六大队.津唐地区地震及反射第二层构造图,1970.,蓟运河断裂向下断至古生界,是中生界的沉积边界,新近系明化镇组底界断裂迹线连续、清楚,断距280 m,并向上进入第四系。1970—1983年在蓟运河断裂的南北两端发生了多次5～6级中强地震,1976年唐山7.8级地震的6.9级强余震就发生在该断裂附近,近年来也不断有小震发生。断裂附近频繁的地震活动使其一直被认为是一条全新世活动断裂,但是缺少针对其活动性的探测研究。

蓟运河断裂最早由石油工业部646厂十六大队发现,在《津唐地区地震及反射第二层构造图》中有蓟运河断裂的大致位置①。1980年,马瑾在《唐山地震与地震危险区》[1]中提及张家口宁河断裂,其南段即为蓟运河断裂,文中指出张家口宁河断裂从宁河延至怀柔附近木林一带,在地形、地貌、重力、航磁上均有表现。1981年,天津地质地矿局在其编制的《高导体说明书》中利用李四光地质力学的观念分析,第一次提出了蓟运河断裂的说法[注]天津地质地矿局.高导体说明书,1981.。1992年,天津市地质矿产局在其公开出版的《天津市区域地质志》[2]中认为蓟运河断裂的实际位置不完全沿蓟运河分布,故将其称为宁河—宝坻断裂,指出该断裂走向NW,倾向SW,长约80 km,断开的最高层位是新近系明化镇组,断距40～400 m,断点埋深为300～600 m。2007年,天津市地热勘查开发设计院综合前人资料,在《煤和煤层气资源现状调查基岩地质图》中对蓟运河断裂进行了初步探测[注]天津地热勘查开发设计院.天津市煤和煤层气资源现状调查基岩地质图,2007.。2015年,天津市国土局、天津市地调院等单位综合利用新开展的大地电磁剖面、切片、重力及航磁资料,对蓟运河断裂进行了重新定位[注]天津市国土局.天津市基岩地质构造调查研究及地壳稳定性评价,2015.。

各类资料中蓟运河断裂的空间展布不尽相同,但总体上其展布位置相差不大,形成了一条蓟运河断裂可能展布的区带。在这一区带上多个地质部门曾针对不同目的进行过地球物理探测,通过对探测资料的分析可以大致推测蓟运河断裂的空间展布和活动特征。蓟运河断裂为华北滨海平原区的完全深隐伏断裂,其上为厚层第四系所覆盖。但仅根据航磁、重力解译、大地电磁探测和中深层地震探测资料确定其空间展布,不确定性大、精度低。此外,相关的探测资料集中于宁河一带,其他地区的探测资料过少,且目前的探测成果关注点为中深层信息,难以反映浅层的地质构造信息,无法可靠地判定断裂的上断点位置及其活动性。

浅层地震勘探方法是一种有效探测覆盖区隐伏活动断裂的地球物理探测手段。多个城市活断层探测实践中的浅层地震勘探结果和钻探结果可以相互验证,表明浅层地震勘探方法对第四系覆盖区的活动断裂定位和断裂活动性判定能起到关键性的作用[3-7]。因此,为了确定蓟运河断裂的确切位置及其上断点埋深与活动性,本文在前期研究资料的基础上,通过高分辨率浅层反射地震勘探对该断裂浅部地层进行详细勘测。

1 浅层地震勘探

1.1 勘探设备与采集参数

浅层地震探测时使用的仪器为法国Sercel 428XL遥测数字地震仪器,纵波接收检波器串采用的是EST-20DX系列的60 Hz检波器,频带范围符合勘探深度的要求。根据研究区不同的地质条件、交通条件和道路通过性指标,地震激发震源采用北奥石油物探特种车辆制造有限公司生产的KZ28型大吨位可控震源和T15000型可控震源。在道路通过性等条件允许的情况下尽可能地采用KZ28型可控震源,当地震测线受所处道路狭窄、限高等条件限制时采用T15000型可控震源。

根据以往工作经验,通过试验和综合分析,浅层反射地震测量开通接收道数300道,采用单边或中间激发观测系统。在控制性地震勘探和详勘时采集参数为:道间距3 m,炮间距9 m,覆盖次数不小于50次;在精细浅层地震勘探时采集参数为:道间距1 m,炮间距5 m,覆盖次数不小于30次,偏移距0～9 m,每道采用6个60 Hz检波器单点组合接收(3串2并)。震源激发参数为:扫描频率10～100 Hz或10～120 Hz,输出力70%,扫描长度12 s,垂直叠加次数1～2次。采用Sercel 428地震数据采集系统,仪器接收参数为:采样间隔0.5 ms,记录长度2 s,记录格式SEG-D,前放增益12 dB。

1.2 测线布设及工作方法

在综合前人资料获得蓟运河断裂大致展布的基础上,本次工作横跨断裂布设了9条(其中2条为加密测线)浅层人工地震测线(图2)。测线布设中坚持由已知到未知、先粗后细的原则,先布设控制性探测测线(JYH1～JYH3),测线长度5～8 km;边施工边解译,根据解译成果及以往资料,经过详细踏勘,先后布设另外6条详勘测线(JYH4～JYH9),测线长度根据场地条件1.5～4.5 km不等;最后在探测效果较好的2条测线(JYH1和JYH3)的断裂位置进行了加密的精细探测。各测线具体采集参数列于表1。

图2 推测蓟运河断裂空间展布及测线布设图Fig.2 Spatial distribution and survey line layout of the Jiyunhe fault

编号测线名称长度/km激发震源炮间距/m道间距/m覆盖次数激发方式JYH1林中路8.1KZ28AS9350单边JYH2大辛庄5.5KZ28AS9350单边JYH3裴庄5.8KZ28AS9350单边JYH4九园路4.4T150009350中间JYH5前鲁沽4.4T150009350中间JYH6鸦丰线4.7T150009350中间JYH7南燕窝2.7KZ28AS9350中间JYH8岳庄1.5T150009350中间JYH9苗庄3.0KZ28AS9350中间JYH1-2林中路(加密)1.5T150005130中间JYH3-2裴庄(加密)2.8T150005130中间

1.3 数据处理

浅层地震勘探数据处理采用以色列帕拉代姆(Paradigm)地球物理公司开发的Focus 5.4地震资料处理系统。Focus 5.4具有较高的运行效率和强大的处理过程监控功能,其包含多个模块,能最大限度地保护有效信号并去除噪音。

借鉴以往经验,本次数据处理时对地震资料进行反复试验和精细处理,内容主要包括:解编、编辑、静校正、叠前去噪、速度分析、动校正、叠加、DMO叠加、叠后去噪和偏移等。另外根据现场实际资料,对不同测线数据采取针对性的处理手段和处理模块,如采用小波变换去除面波和随机干扰,采用倾角滤波、T-P变换压制线性干扰,采用高能量压噪去除强能量噪声干扰,采用带陷滤波去除工业电干扰等。最终得到的处理结果完整、精细,完全满足研究需要。

2 典型人工地震反射剖面解释

2.1 地震剖面地层层位标定

天津大部分地区被第四系覆盖,地势平坦,潜水面稳定,表层0 ～ 20 m多为黏土层,具有激发和接收人工地震波的良好地质条件。天津市基岩地层结构与构造调查项目组综合大量地震剖面,总结了天津地区波速换算深度表(表2)及反射波波阻抗特征[注]天津市地质调查研究院.天津市基岩地层结构与构造调查成果报告,2015.:在无古近系时(大城凸起)馆陶组(Ng)底界为基岩面,剖面通常表现为2组连续可追的强反射同相轴。当下伏地层为古近系或中生界时,Ng底界与下伏地层的接触关系主要为角度不整合;当下伏地层为C-P地层时,Ng底部以下地层基本没有连续性较好、可追的同相轴。新近系明化镇组(Nm)与上覆地层以及下伏馆陶组呈区域性整合接触,与新近系以及第四系一样,砂砾岩与泥岩组合成的互层形成反射,但因横向上岩性分布的不均匀性,形成断续的反射波同相轴,难以依据反射波同相轴特征进行辨识,只能依据钻孔对其反射层位进行标定追踪。

表2 天津地区波速换算深度表(2.0 s以内)

蓟运河断裂附近的钻孔及年代测试结果[注]天津市地震灾害防御中心.蓟运河断裂钻孔勘探与地层对比研究专题成果报告,2019.表明该断裂附近的全新统底界埋深19 m左右,上更新统底界埋深70 m左右,中更新统底界埋深140 m左右,下更新统底界埋深300～400 m。

2.2 人工地震剖面特征

结合上述经验及钻探资料对本次地震探测剖面进行层位标定与解译后发现,除了南燕窝测线(JYH7)剖面中未解释出断裂外(受野外施工条件所限,测线长度不足),其余测线都有错断迹象。根据各剖面解释,蓟运河断裂大致表现出2种不同的断裂形态:一种是“Y”字型断裂组,错断特征明显;另一种是直线型断裂,断裂两侧各界面埋深及地层结构差异不明显。

林中路测线(JYH1)解释剖面是“Y”字型断裂组形态的代表剖面(图3)。该剖面横跨蓟运河断裂北部。根据地震反射波组特征,该剖面解释出2组断裂,分别为F1-1和F1-2。2组断裂都向下切穿古近系底界,性质都为正断。断裂上盘古近系底界起伏波动大,古近系错断明显。断裂都呈“Y”字型特征,向上分散成多条断裂,最浅切入上更新统。

图3 JYH1测线解释剖面图Fig.3 The interpretation profile of line JYH1

对JYH1测线显示的断裂异常区进行了加密探测(测线JYH1-2),其剖面更加清晰地反映了断裂浅部地层切割情况[图4(a)]。剖面显示F1-1视倾向S,视倾角约为70°,错断最浅层位埋深约62 m;F1-2视倾向S,视倾角约为63°,错断最浅层位埋深约为80 m。F1-1主断裂上断点附近的联合钻探结果[图4(b)]同样显示了明显的错断,上更新统底部青绿色黏土标志层错断13.12 m,各地层错断情况与人工地震剖面的对应较为一致。

图4 JYH1-2测线解释剖面图及局部放大图Fig.4 The interpretation profile of line JYH1-2 and local enlarged image

苗庄测线(JYH9)解释剖面是直线型断裂形态的代表剖面(图5)。根据地震反射波组特征,该剖面可以解释3组断裂,编号为F9-1、F9-2、F9-3。断裂性质都为正断,都切过第四系底界,但没有上断至上更新统。其中F9-1错断古近系底界,错断迹象不明显,断裂视倾向W,视倾角约为65°,错断最浅层位埋深约100 m。F9-2与F9-1倾向相反,其他特征类似,切割较深,错断迹象不明显,视倾角约为77°,最浅埋深约130 m。F9-3位于测线边缘,深部切割情况不明,视倾向E,视倾角约为50°,错断最浅层位埋深约80 m。

图5 JYH9测线解释剖面图Fig.5 The interpretation profile of line JYH9

对比图3和图5,可见蓟运河断裂总体上具有一致性,均表现为断陷特征,同时也存在明显差异:(1)林中路测线(JYH1)剖面揭示蓟运河断裂断距明显偏大,苗庄测线(JYH9)剖面揭示断裂断距不明显;(2)林中路测线剖面显示蓟运河断裂有多个上断点,这些上断点都分别归并至2条呈铲式正断性质、倾向西的断层上;而苗庄测线剖面显示蓟运河断裂仅有3个上断点,在探测深度上未发现此3个断点相互归并,推测其各自控制一条断层,且各断层的倾向并不一致;(3)林中路测线剖面揭示地层受构造作用形成的构造变形更为清晰,古近系底呈波动起伏状。

3 蓟运河断裂特征分析

本次人工地震测线较均匀地布设在蓟运河断裂沿线,取得的各测线叠加时间剖面较全面地反映了断裂带的发育特征及空间展布(图6)。这些叠加时间剖面共解释出14个断裂(断点),各断裂(断点)特征有一定差异(表3)。通过对比可以看出:

(1) 在地震剖面上解释的各断点切割都较深,深部可识别的反射波组同相轴在断裂发育处均不连续,表明蓟运河断裂切割深度超过探测深度(2 km左右)。

(2) 蓟运河断裂北部5条测线(JYH4、JYH1、JYH5 、JYH6及JYH2)剖面特征相近,南部3条测线(JYH8、JYH9及JYH3)剖面特征相近。因此从空间展布看,蓟运河断裂大致分为2段:北西段和南东段(图6)。断裂北西段由F4-1、F1-2、F5-2、F6-1、F1-1、F5-1及F2-1等7个浅层地震解释断裂(断点)确定。这些解释断裂在剖面上均呈“Y”字形(F5-1由于处于测线边缘,断裂整体形态未揭露,推测也应呈 “Y”字形)。断裂上盘的古近系底界都呈起伏形态(起伏幅度自西向东有递减趋势)。其中,F4-1、F1-2、F5-2及 F6-1的古近系底界断距相对较大,其控制的断裂为主断裂;F1-1、F5-1及F2-1的古近系底界断距相对较小(20～30 m),其控制的断裂为一分支断裂。断裂南东段由F8-1、F8-2、F9-1、F9-2、F9-3、F3-1及F3-2等7个浅层地震解释断裂(断点)确定。这些断裂在剖面上基本呈平直状,解释剖面显示古近系底界平稳,断距相对较小(20～40 m)。这些断裂倾向并不统一,F8-2、F9-1及F3-2三个断裂(断点)都倾向西,推测同属一条断裂。F8-2、F9-2、F9-3及F3-1由于倾向不同,在空间上不能和其他断点相连成一条断裂,推测其各自控制一分支小断裂。

(3) 根据在林中路测线(JYH1)及裴庄测线(JYH3)上的钻孔及年代测试结果,上更新统埋深大致为72 m。断裂北西段的断点除F2-1未揭示最浅埋深外,都错断了上更新统底界,其上断点埋深大多在60～70 m间,表明断裂北西段最新活动时代为晚更新世。断裂南东段的各断点未错断上更新统底界,上断点埋深多在75～130 m间,表明断裂南东段晚更新世以来不活动,其最新活动时代为早-中更新世。

图6 人工地震剖面断点及蓟运河断裂展布图Fig.6 Breakpoints of the artificial seismic profile and distribution of the Jiyunhe fault

序号断点编号测线编号视倾向视倾角/(°)古近系底界断距/m第四系底界断距/m上断点埋深/m上断点断距/m大致形态1F1-1JYH1S703013 6222F1-2JYH1S6310013 683 3F2-1JYH2W70205<100-4F3-1JYH3W554012755 5F3-2JYH3W503012625 6F4-1JYH4S659087057F5-1JYH5S7530106048F5-2JYH5S6080 96539F6-1JYH6S74402060410F8-1JYH8E7020895511F8-2JYH8W7010690812F9-1JYH9W65308100413F9-2JYH9E77206130414F9-3JYH9E50-10806

4 结论与讨论

本次工作首次较系统地取得了蓟运河断裂一系列叠加时间剖面,获得该断裂的空间展布及分段特征,对断裂最新活动时代进行了修正,并得到以下结论:

(1) 蓟运河断裂不是一条南北贯通的断裂,而是大致分为两段:北西段和南东段。断裂北西段存有次级分支断裂,其中主断裂(断点F4-1、F1-2、F5-2及F6-1的连线)自口东镇向东经王卜庄、大米庄、石臼窝镇南,至潮洛窝村后逐渐尖灭,走向NWW-SEE,倾向SSW,长度36 km。北西段分支断裂(断点F1-1、F5-1及F2-1的连线)自康家庄北向南东经观风堆、张窝头,至江娃口南逐渐尖灭,走向NW-SE,倾向SW,长约20 km。断裂南东段总体呈NW-SE向带状分布,存有多个次级分支断裂,主断裂(断点F8-2、F9-1及F3-2的连线)自北岳庄村北向南东经东瓦房港村、苗庄镇东、裴庄村,至黄粟沽村附近止于唐山断裂带,走向NW-SE,倾向SW,长约25 km。在北岳庄村西、苗庄东及阎庄都有分支小断裂,其中北岳庄村西和苗庄镇东的断裂倾向东,阎庄附近的断裂倾向西。由于这些断裂都是仅由单个断点确定,具体走向及展布情况尚不明确。

(2) 蓟运河断裂不是一条全新世活动断裂,其两段的活动时代也不相同:北西段为晚更新世早期断裂,南东段为早-中更新世断裂。

(3) 蓟运河断裂北西段主要呈现断陷特征,切割深、断距大,是燕山褶皱带和沧县隆起的边界断裂;断裂南东段错断不明显,推测以走滑运动为主。

(4) 蓟运河断裂北西段的剖面形态(“Y”字形、花状构造)与宝坻断裂类似,由此推断其可能是宝坻断裂向东延伸的部分。

需要说明的是,根据人工地震探测结果,每条测线都解释出不止一个断点,尤其是在断裂北西段的剖面可解释出多个断点,呈花状构造,这表明蓟运河断裂结构复杂,是一条由多个分支断裂组成的断裂带。论文得到的蓟运河断裂展布结果是通过地震勘探把倾向相同、形态相近的上断点地表投影依次连接得来的,这是蓟运河断裂带中某条断裂展布的一种可能表示方式。另外,蓟运河断裂带南东段地震剖面上的断层迹象不明显,这是否由于断裂以走滑运动为主,需要采取更有针对性的探测手段进行深入研究。