深地震反射剖面揭示的雄安新区及外围地壳精细结构与构造特征

岳航羽，王 凯，王小江，张保卫1,2,，张 凯

(1.中国地质调查局地球物理调查中心，河北 廊坊 065000；2.中国地质调查局地球浅地表探测技术创新中心，河北 廊坊 065000；3.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，河北 廊坊 065000；4.国家现代地质勘查工程技术研究中心，河北 廊坊 065000；5.中国地质大学(北京) 地球物理与信息技术学院，北京 100083)

深地震反射剖面是国际地学界公认的地球深部探测的先锋技术，是地球物理学中的重要研究方向，可获得高分辨、高可信度的地球深部图像，能够有效解决地球深部动力学[1-2]、地壳及岩石圈精细结构[3-5]、大陆构造演化[6-7]、板块碰撞过程[8-10]、成矿成藏规律[11-13]以及地震灾害分析[14-15]等地球科学前沿问题。欧美发达国家和地区在20 世纪七八十年代就已运用深地震反射剖面技术来研究地球内部的精细结构，获得了极为重要的观测结果，为人类研究地球内部结构和整体构造提供了全面支撑[16-22]。我国近些年实施的INDEPTH、SinoProbe 等专项计划，成功地实验了一系列地壳与地幔的探测技术，加速了我国地球深部探测的进度[23-27]。

与石油地震勘探原理基本相同，深地震反射是在反射地震基础上发展而来的，利用比石油地震勘探更长的接收排列长度、更大能量的震源激发，研究上至地表下达莫霍面、上地幔等涉及整个岩石圈尺度的精细结构与构造特征[28-30]。近年来，利用深地震反射剖面技术在我国青藏高原及周缘[31-35]、新疆天山南北缘[36-37]、银川盆地[38-40]、四川盆地及周边[41-43]、长江中下游[44-45]以及东北松辽盆地[46-48]等多个重点区域成功获得地壳精细结构、主要断裂展布和深浅构造关系。此外，深地震反射剖面技术也被应用于华北地区，许多专家学者对此开展过相关研究工作，如北京及三河−平谷地区[49-52]、天津地区[53]、唐山地区[54]、邢台地区[55-56]等，有效刻画不同研究区的地壳结构特征、断裂空间展布及活动性等，为分析和揭示深部孕震环境及构造模式提供了地震学证据。同处华北地区的河北雄安新区，作为千年大计、国家大事[22]，自2017 年4 月设立以来，专家学者通过深地震反射剖面在该地区探讨建立了地热地质模型、优选了深部高温地热井位并深入研究了华北克拉通活化等科学问题[57-59]。

为进一步研究河北雄安新区及外围的地层结构、基底形态、断裂展布以及莫霍面起伏等，笔者通过2018 年采集的一条深地震反射剖面，开展精细地质解译研究，以期为构建世界一流的“透明雄安”基础平台提供数据支撑。

1 研究区概况与剖面位置

研究区位于冀中坳陷的中部，是渤海湾盆地的一部分，其主体处于河北省雄安新区及保定市和廊坊市境内，整体构造呈NE 走向，自NW 向SE 横跨3 个二级构造单元，分别为太行山隆起、冀中坳陷以及沧县隆起。研究区周围顺时针分别与廊固凹陷、霸县凹陷、饶阳凹陷、保定凹陷和徐水凹陷等相接。地层年代由老至新分别是太古代、古元古代、中元古代、古近纪、新近纪和第四纪[60]。

位于华北克拉通东部陆块上的雄安新区及外围，其结晶基底形成年代为太古代−古元古代，随后进入稳定的盖层演化阶段，在中元古代经历陆内裂谷作用并沉积较厚地层。研究区整体升降构造活动发生在新元古代−古生代时期[61]。整个渤海湾盆地近EW 向的构造格局是印支运动时期近SN 向挤压造成的，盆地内发育的一系列NNE 向逆冲构造是受燕山运动早期挤压事件影响并且冀中坳陷西部遭受大量剥蚀。华北克拉通构造机制由近SN 向的收缩变为NWW-SEE的伸展是发生在晚中生代，这一时期蒙古−鄂霍次克洋关闭，古太平洋板块俯冲，华北克拉通东部岩石圈发生大规模减薄，随后该区域发生了强烈的伸展活动持续至古近纪末期。渤海湾盆地的裂后热沉降阶段发生在新近纪−第四纪时期[62]。

研究区内断裂构造较为发育，展布方向主要为NNE 和NE 向，其中容城凸起、牛驼镇凸起以及高阳低凸起等构造单元的边界分别为容城断裂、牛东断裂和高阳断裂。在雄安新区中部分布一条NW 向转换断裂，即徐水−牛南断裂，与容城、牛东断裂基本正交，是容城凸起、牛驼镇凸起与保定凹陷的分界线。雄安新区及外围深地震反射剖面长度140 km，由SE 向NW 主要跨过大城凸起、文安斜坡、霸县凹陷、牛驼镇凸起、白洋淀洼陷、容城凸起、容西凸起、徐水凹陷和太行山隆起等九个构造单元，如图1 所示。

图1 横跨雄安新区的深地震反射剖面位置Fig.1 Location of the deep seismic reflection profile spanning across the Xiong’an New Area

2 深地震反射数据采集与处理

深地震反射数据采集和资料处理的质量直接决定后续深部地质解译的可靠性，是揭示雄安新区及外围全地壳尺度精细结构与构造特征的重要保障。

2.1 数据采集

为了更好地探测雄安新区及外围深部地质结构，依据试验结果确定了最佳采集参数(表1)，主要包括：20 m 道间距，1 440 道接收，120 m 炮间距，120 次覆盖，2 ms 采样，30 s 记录，中间放炮、两边接收，即采用了高密度、高覆盖次数、宽频带、长排列(“两高一宽一长”)的方式采集深地震反射数据。同时，采用单井爆破的方式在第四纪覆盖的平原区激发，井深范围32～40 m，炸药质量16～20 kg；采用双井组合的方式在山地硬岩区激发，单井井深范围20～24 m，炸药质量20～24 kg。图2 所示为研究区内典型的深地震反射原始单炮记录，由图2 可知，在不同深度处均可见较为清晰的反射波组，如双程旅行时3.0 s 附近的上地壳反射波组、7.0 s 附近的下地壳反射波组以及11.0 s 附近的壳幔过渡带反射波组等。

表1 雄安新区及外围深地震反射数据采集参数Table 1 Acquired deep seismic reflection data of the Xiong’an New Area and its periphery

图2 添加500 ms AGC 显示的雄安新区及外围深地震反射原始单炮记录Fig.2 Original single-shot records of deep seismic reflection with automatic gain control (500 ms) applied for the Xiong’an New Area and its periphery

2.2 资料处理

通过梳理雄安新区及外围深地震反射资料的特点及难点，归纳总结了该区域5 个方面的数据处理问题，具体为：山区与山前过渡带的静校正问题；低信噪比数据成像问题；浅深兼顾和深层弱信号增强问题；频率差异、线性干扰及高能面波压制问题；偏移速度场的建立问题。

针对上述深地震反射数据处理问题，建立了一套针对雄安新区及外围的数据处理流程(表2)。将从定义观测系统、静校正、叠前噪声衰减、真振幅恢复、反卷积、高精度速度分析、剩余静校正、深层弱信号增强、偏移成像等几个方面着手，逐步在深地震反射数据中剔除干扰噪声、增强有效信号能量、提高信噪比及分辨率，准确还原地下介质的真实面貌。

表2 雄安新区及外围深地震反射数据处理流程Table 2 Processing of deep seismic reflection data of the Xiong’an New Area and its periphery

具体方法技术运用上，(1) 采用2 种静校正方法(高程静校正+层析静校正)相结合的方式消除地形起伏和低降速带影响；(2)利用多域多步叠前噪声衰减方法组合去除干扰噪声，具体包括自适应面波压制、分频噪声衰减、T-X 域滤波、F-K 域噪声衰减、单频噪声压制和随机噪声衰减等方法；(3)从纵向(球面扩散补偿)和横向(地表一致性振幅补偿)两个方面逐步恢复深地震反射数据的真振幅能量；(4)利用多种反卷积(地表一致性反卷积+预测反卷积)组合的方式达到处理深地震反射子波一致性和提高分辨率的目的；(5)通过多轮高精度速度分析(常速扫描+交互分析)并加密控制点，准确建立速度模型；(6)迭代计算剩余静校正量，消除深地震反射数据中残存的中波长和短波长静校正量；(7)经过深层弱信号增强处理，进一步显现深部地质特征；(8)利用有限差分偏移方法，收敛深地震反射中的绕射波和断面波，使其归位到真实的位置上。通过运用以上技术手段，得到清晰的深地震反射剖面，可准确揭示该区域的岩石圈结构和构造特征。

3 地壳精细结构

本次深地震反射剖面获得了NW 起于保定市易县，SE 至廊坊市大城县的横跨雄安新区中部的140 km长度的地壳精细结构，如图3a 所示，有效揭示雄安新区及外围浅至第四纪覆盖层，深达莫霍面的全地壳尺度信息。该深地震反射剖面中反射信息丰富，结构特征明显，双程旅行时5.0～6.0 s、深度15～18 km 的反射震相将地壳划分为上地壳和下地壳，下地壳的整体结构相对上地壳简单，壳幔过渡带位于10.0～11.0 s、深度30～33 km 位置处，其对应的解译结果如图3b 所示。

图3 横跨雄安新区的深地震反射剖面和解译成果Fig.3 Deep seismic reflection profile spanning across the Xiong’an New Area and its interpretation results

3.1 上地壳特征

深地震反射剖面成功揭示研究区内沉积地层和结晶基底的特征。根据图3a 中的时间剖面不难发现，上地壳在横向上可细分为三部分。

第一部分为该深地震反射剖面西北0～40 km 段，该段自上而下反射同相轴较少、反射能量较弱，仅存在一些倾向SE 的反射震相，表现为典型的古老地层特征。

第二部分为该深地震反射剖面中部40～85 km 段，该段具有反射同相轴较多并且反射能量较强，地层及断裂特征明显。根据该段反射形态又可细分为上、下两部分，上部分为双程旅行时小于1.0 s，存在3 套反射震相，反射能量较强，分别为第四系(Q)底界面(TQ)、新近系明化镇组(Nm)底界面和馆陶组(Ng)底界面(TN)，整体呈现倾斜状态，表现为“西北高、东南低”，反射同相轴横向可追踪性强、地层连续性好，沉积特征明显，为典型的新生代沉积地层特征。下部分为双程旅行时大于1.0 s，呈现典型的断陷盆地特征，该部分深地震反射剖面能量较强，地层变形较明显，受构造运动作用，断裂与褶皱较发育，存在多组界面起伏并被断裂切割的反射波组，产状复杂多变，隆凹格局相间，盆地最深处约10 km，地层由浅至深依次包括古近系东营组(Ed)，沙河街组一段(Es1)、二段(Es2)、三段(Es3)、四段(Es4)和孔店组(Ek)。

第三部分为该深地震反射剖面东南85～140 km 段，该段也具有较多的反射同相轴和较强的反射能量，地层及断裂特征也十分明显。延续剖面中部40～85 km段的反射形态，本段亦可划分为上、下两部分。上部分为双程旅行时小于1.5 s，第四系底界面、新近系明化镇组底界面和馆陶组底界面，3 套反射同相轴连续性好，横向可追踪性强，自NW 向SE 贯穿该段。第四系底界面由NW 向SE 整体起伏变化不大，新近纪底界面除了局部有部分起伏外，整体表现为“中间低，两边稍高”的特征。其下部分剖面同相轴连续性好，反射能量强，横向可追踪性强，地层沉积特征较明显。同时，受多期次挤压−伸展构造运动以及剥蚀影响，发育多条断裂和一处不整合界面。不整合界面以上地层反射特征多以SE 倾向为主，呈现“西北高、东南低”的形态，地层多以新生代为主；不整合界面以下的地层反射特征多以向NW 方向倾向为主，地层呈现“西北低、东南高”，地层主要为中生代、古生代及太古代的地层。

此外，上地壳内还存在着结晶基底反射特征(TG)，其形态呈现“两端高、中间低”的下凹态势。在该深地震反射剖面的西北0～40 km 段中，从太行山隆起基底埋深约3 km 处往SE 方向逐渐加深至徐水凹陷内基底埋深约12 km，再向SE 方向延展到霸县凹陷内又开始倾伏。同时，观察发现研究区内断裂构造展布基本都受结晶基底控制，即在结晶基底以上的断裂构造较发育、断层较多，结晶基底以下的断裂构造较少。在上地壳内仅有太行山山前断裂和牛东断裂切穿了结晶基底。

3.2 下地壳特征

在深地震反射剖面西北0～30 km 段，主要是弱反射特征，表现为近似的“空白”区域，因处于太行山隆起区，火成岩较发育，地下介质成层性较差，所以深地震反射波难以成像。在深地震反射剖面中部30～45 km段，有多组呈类似弧形的同相轴，推测可能为太行山地区较为发育的变质核杂岩，其形成应与深部热隆有关，才使得在深地震反射剖面上呈“穹窿状”形态，其盖层形成拆离构造。此外，由于该岩体还位于太行山山前断裂的下方，推测其形成还可能与该断裂有关。

在深地震反射剖面中部45～70 km 段，整体为弱反射特征，部分区域存在不明显的反射同相轴。上下地壳的分界面为康拉德界面(TC)，也有专家学者认为该处上下地壳分界面为一套壳内滑脱层[59]，是华北地区的易震层。在深地震反射剖面中部70～90 km 段，纵向上双程旅行时5.0～11.0 s 存在多组类似弧形的反射延续至壳幔过渡带的顶部，整体呈现“穹窿状”。除此之外，该处莫霍面还表现为向上隆起的特征，推测其与上地幔热物质上涌有关。而在深地震反射剖面东部90～140 km 段，出现一系列呈交错发育的“叠瓦状”同相轴，同时伴有多条倾向东南的反射条带，推测可能为深部岩浆底侵和堆晶共同作用造成的壳幔过渡带增厚及高速、低速层交互。

3.3 壳幔过渡特征

壳幔过渡带整体较平缓，横向上起伏变化不大，在深地震反射剖面纵向上的持续时间约0.5 s，对应厚度约1.5 km。壳幔过渡带的底界面对应莫霍面(TM)，平均位于双程旅行时11.5 s 附近，对应深度约34 km，莫霍面的隆升和下凹整体较平缓、起伏趋势不大，呈小波浪形状，莫霍面的起伏特征显示了该区域整体构造的稳定状态。

由NW 向SE，莫霍面在深地震反射剖面西北部太行山隆起下方显现为稍微下凹；在太行山山前断裂下方呈现微微隆升；在深地震反射剖面中部又显示出稍微下凹；在深地震反射剖面东南部牛驼镇凸起下方表现为微微隆升。莫霍面最深处位于太行山隆起下方，深约38 km；最浅处位于牛驼镇凸起下方，深约33 km。

4 断裂构造特征

该深地震反射剖面自NW 至SE 表现为“四凸一隆夹三凹一斜坡”的构造格局，主要断裂依次包括太行山山前断裂、容西断裂、容城断裂、容东断裂、牛北断裂以及牛东断裂等，如图4 所示。断裂展布特征详见表3，断裂形态各异，错断深度不同，未发育深大断裂。

表3 雄安新区及外围主要断裂及其特征Table 3 Major faults in the Xiong’an New Area and its periphery and their characteristics

图4 主要断裂深地震反射剖面解译结果Fig.4 Interpretation results of major faults deep seismic reflection profile

5 结论

a.在冀中坳陷内完成了一条横跨雄安新区及外围的全长140 km 的深地震反射剖面，NW 起于保定市易县，SE 终止于廊坊市大城县，有效获得研究区浅至地表覆盖层、深达莫霍面的清晰地壳结构与构造图像。

b.华北地区地壳具有双层地壳结构特征，普遍存在的康拉德界面将研究区地壳结构划分为上地壳和下地壳。康拉德界面深度15～18 km，它的存在有效划分出脆性的上地壳和相对塑性的下地壳。壳幔过渡带所处深度30～33 km，其底界面莫霍面在全区平均深度约34 km。

c.上地壳的“复杂性”与下地壳的相对“透明性”，形成鲜明对比，上地壳整体表现为脆性，下地壳整体显示为韧性。在上地壳内部，以结晶基底为界，又可细分为两部分。基底以上的地层成层性好、结构特征较复杂，基底以下仅存在一些不太连续并且能量较弱的反射特征，说明上地壳整体上是由脆性向脆−韧性过渡。在下地壳内部，除了深地震反射剖面东南部存在较强的“叠瓦状”反射特征外，其他地方相对“透明”，揭示出下地壳的岩体变质程度较高。此外，该地区断裂构造较发育，断裂形态各异，错断深度不同，但均位于上地壳内，不存在深大断裂。

d.在深地震反射剖面的西北部除了少数几处反射层之外，相对“透明”的性质较为明显，上地壳与下地壳分界面、莫霍面基本都呈水平或近水平形态，断裂相对较少，说明这部分地壳的变形相对较弱，结构相对稳定。相反，在剖面的东南部不仅上地壳内反射同相轴较多、断裂较发育，而且下地壳“叠瓦状”反射明显，上、下地壳的分界面反射也呈现弯曲和倾斜形态，揭示这部分地壳的结构相对复杂。这种差异充分说明该区域西北部和东南部受到不同的构造应力作用，反映该区域地壳运动的横向非均质性和局部活跃的特征。