利用反射地震资料研究华北地块南缘驻马店-淮滨凹陷的浅部构造特征

朱国军 酆少英 袁洪克 侯黎华 秦晶晶 韩 健 武 泉 左 莹

(中国地震局地球物理勘探中心,郑州 450002)

0 引言

近年来世界范围内地震活动频繁,破坏性地震频发,给人民的生命财产造成了巨大损失。大量震例和科学研究表明,活动断层沿线是地震灾害最集中、人员伤亡最严重的部位(徐锡伟,2006; 刘保金等,2009)。为确保社会稳定和经济建设可持续发展,开展城市活动断层探测研究,查明隐伏断裂分布特征及其活动性,及时采取活动断层避让和建筑物加固等措施,对预防和减轻城市地震灾害具有重要意义(徐锡伟等,2002; 张建毅等,2012)。高分辨率浅层地震反射波成像技术具有探测深度大、成像精度高等优势,是地下构造成像和隐伏断裂探测的有效技术方法之一(何正勤等,2001; 刘保金等,2002),目前已被广泛应用于城市活断层探测和地震安全性评价等工作中。

河南省驻马店市位于华北地块南缘(图1),属于华北盆地与秦岭褶皱带的接壤地带,构造复杂,既有华北盆地的剪切拉张构造,又有秦岭褶皱带的挤压逆冲-走滑断裂(朱国军等,2020)。中国地震局地球物理勘探中心在华北地块南缘和秦岭造山带北缘结合部完成的深地震反射剖面揭示了该地区的地壳结构和断裂的深浅构造关系(酆少英等,2020):剖面揭示上地壳断裂控制着盆山构造和地层沉积,将剖面经过区域划分为秦岭北缘逆冲推覆带、驻马店-淮滨凹陷和西平-平舆凸起3个构造单元; 位于驻马店-淮滨凹陷下方、错断下地壳和莫霍面的地壳深断裂FM为深部物质上涌和能量交换创造了条件,调节着地壳内部的物质构成和能量分配; 控制驻马店-淮滨凹陷边界的驻马店-息县断裂F1和宿鸭湖断裂F3是穿过驻马店市城区的主要断裂,深地震反射剖面显示这2条断裂向上错断至新近系底界面附近,向下延伸至上、下地壳分界面,并有可能与地壳深断裂FM相连通(图2)。然而,深地震反射探测以研究深部构造关系为主要目的,获得的深地震反射剖面对新近系以来的构造细节分辨能力有限,断裂的近地表特征并不清楚。已有研究表明,驻马店-淮滨凹陷为一个NW向的低重力异常条带(徐志萍等,2022); 土壤Hg元素含量高点分布于驻马店-息县断裂及其东侧,揭示沿断裂带有深部热能对流(周称称等,2021); 中、浅层地震剖面揭示驻马店-息县断裂控制着凹陷内古近系的沉积,并使其上覆新近纪和第四纪地层发生扭曲变形,可能为中更新世活动断裂(王志铄等,2017)。

图1 研究区前新生界基岩地质图和地震测线位置

图2 深地震反射剖面揭示的驻马店-淮滨凹陷(图1中的黑色虚线段)

深浅反射地震、重力异常、地球化学等研究表明,驻马店-淮滨凹陷的边界断裂可能是向下与地壳深断裂FM相连通、向上使新近纪和第四纪地层发生扭曲变形的中更新世活动断裂,但已有研究并未获得较清晰、完整的驻马店-淮滨凹陷的近地表结构图像和断裂特征。因此,针对驻马店-淮滨凹陷开展探测研究,进一步了解其近地表构造特征和断裂活动性,对驻马店市的防震减灾工作具有重要的指导意义。

1 研究区地质构造概况

驻马店-淮滨凹陷位于华北地块南缘,是秦岭北缘逆冲推覆带和西平-平舆凸起之间的NW向断陷盆地。驻马店-淮滨凹陷以西的低山丘陵为秦岭造山带的桐柏山和伏牛山余脉,组成山体的主要地层为中、新元古界的变质岩和寒武系沉积岩及燕山晚期侵入岩(黄光寿等,2011); 凹陷及其东部为南华北平原,地势平坦。驻马店-息县断裂是秦岭北缘逆冲推覆带和驻马店-淮滨凹陷的边界断裂,是一条走向NW、倾向NE的正断层,断裂的北西端起于舞阳县东南,向SE经遂平县、驻马店市区、正阳县东,止于息县,全长约125km; 宿鸭湖断裂是驻马店-淮滨凹陷和西平-平舆凸起的边界断裂,是一条走向NW、倾向SW的正断层,断裂的北西端起于西平县西南,向SE经遂平县、宿鸭湖水库,止于新蔡县西南,全长约140km。宿鸭湖断裂同时还控制着一系列现代河湖的走向:北段控制了洪河吕店—杨庄段的走向; 中部控制了宿鸭湖水库的长轴方向; 南段控制了汝河近80km的走向。

2 浅层地震测线的位置和探测方法

高分辨率浅层地震反射波成像技术是目前探测隐伏断层的主要方法之一。该方法采用“小道距、小炮间距、高覆盖次数”采集技术和高精度数据处理手段,既可以很好地压制干扰波、提高地震资料信噪比,又可以获得直观反映地下构造形态的高分辨率地震剖面,有助于判断断层的位置与形态(何正勤等,2001; 刘保金等,2002)。为研究驻马店-淮滨凹陷近地表构造特征,参考已有的地质资料和深地震反射剖面,在驻马店市遂平县横跨驻马店-淮滨凹陷布设了1条近EW向的高分辨率浅层地震测线L1。受道路走向限制,分为L1W和L1E 2段施工,位置见图1。L1W测线布设于嵖岈山去往遂平县城的遂碴路,西端起于距嵖岈山约12km的阳丰镇东,东端止于西关大道,全长约11.14km; L1E测线布设于希望大道,东端起于常庄镇,西端止于西关大道,全长约11.08km。

为压制过往车辆及沿途居民点等对数据采集产生的干扰,提高地震资料信噪比,使用记录频带宽、动态范围大的Sercel-SN388遥测数字地震仪和固有频率为60Hz的高频检波器,利用激发能量大、重复性能好、抗干扰能力强的M18-612型可控震源激发地震波。为了获得高分辨率地震数据,经现场试验,采用连续变频线性扫描、扫描频带为20～160Hz、扫描长度为12s、垂直叠加12次的地震波激发参数; 采用3m道间距、15m炮间距、18/30m偏移距、180道接收、18次覆盖、单边激发的观测系统; 为确保记录全部有效反射信号,设置采样间隔为1ms、记录长度为2s。表1

表1 浅层地震数据采集和观测系统参数一览表

图3 为L1W测线(图3a,b)和L1E测线(图3c)的3个共炮点的地震记录,可以看出地层反射信息非常丰富、反射波组特征较为清晰。由西向东,地震记录揭示的反射波组从约400ms增加到约700ms,同相轴数目明显增多,经数据处理获得的高分辨率浅层地震时间剖面(图4a)揭示测线经过地区自新近纪以来的沉积地层向E逐渐增厚。

图3 浅层反射地震共炮点的地震记录

图4 L1测线高分辨率浅层地震剖面(a、b)及其地质解释(c)

反射地震数据处理采用共中心点叠加的方法,设计处理方法时以提高地震资料信噪比为重点,处理流程主要包括观测系统定义、废道剔除、静校正、叠前滤波、预测反褶积、速度分析和动校正、剩余静校正、共中心点叠加、叠后去噪等。为了计算时间剖面对应的埋深,本文通过Dix公式和反射波双程走时,参考测线附近钻孔资料,将数据处理获得的叠加速度转换为平均速度,以此作为时深转换的依据,从而得到了高分辨率的浅层地震时间剖面和深度剖面,为研究驻马店-淮滨凹陷近地表精细结构和断裂特征提供了基础。

3 浅层地震剖面揭示的驻马店-淮滨凹陷近地表构造特征

图4 为L1测线的高分辨率浅层地震时间剖面及其地质解释。从图上可以看出,浅层地震测线经过区域的各地层界面反射波丰富,清晰地反映了驻马店-淮滨凹陷近地表的构造变化。为便于分析,在时间剖面上追踪解释了10个特征较清晰、连续性较好的反射波组,并参考测线附近钻孔资料揭示的地层深度,用TQ2、TQ、TN和TE分别标示中更新统底界面、第四系底界面、新近系底界面和古近系底界面的反射。下文将根据剖面反射波组特征,对驻马店-淮滨凹陷的近地表构造和断裂特征进行概述。

3.1 新生代地层的变化特征

从L1测线的高分辨率浅层地震时间剖面上可以看到多组特征明显的地层界面反射,这些地层反射在剖面上表现为横向整体连续、纵向密集成层,具有典型的沉积地层反射特征。与深地震反射剖面特征相似,在浅层地震剖面上驻马店-淮滨凹陷亦表现为明显受断层控制的断陷盆地。

以新近系底界面TN和古近系底界面TE为界,浅层地震剖面表现为上、中、下3组明显不同的反射特征,反映了不同构造时期的沉积差异:新近系底界面TN以上的新近纪和第四纪地层反射波的横向连续性较好,整体表现为西高东低的倾斜层状,地层厚度由测线西端约230m向E逐渐增加至约650m,反映了新近纪以来南华北地区整体沉降,沉积了较稳定的新近系和第四系(孙自明,1998; 刘华平等,2014); 新近系底界面TN与下伏古近系明显呈角度不整合接触,反映了渐新世末期南华北地区整体隆升遭受剥蚀形成的新近系与古近系之间沉积间断(徐汉林等,2003); 古近纪地层的反射波同相轴横向起伏较大,古近系底界面TE埋深由凹陷东、西两端的约600m和约300m增加至凹陷中心的1450m以上,反映了古近纪时期华北地块南缘随南华北地区进入断陷盆地的发展阶段,受沉降-隆升剥蚀等构造运动和断裂活动控制而沉积古近纪地层(黄泽光等,2007; 孟庆任,2017); 在剖面东、西两端古近系底界面TE之下的反射波能量弱、同相轴连续性差,推测为早古生代沉积岩和太古代致密变质岩体的波阻抗值高,但波阻抗差较小,故无明显连续反射。

3.2 凹陷内的断裂构造特征

高分辨率浅层地震时间剖面揭示的驻马店-淮滨凹陷近地表构造特征清晰,在对反射波时间剖面进行波组分析对比、追踪解释的基础上,根据同相轴扭曲、错断等现象解释了7条正断层,断层参数见表2。

表2 浅层地震剖面解释断层参数表

驻马店-息县断裂是秦岭北缘逆冲推覆带和驻马店-淮滨凹陷的边界断裂,深地震反射剖面(图2)揭示该断裂向上错断至剖面可分辨的最浅处(新近系底界面TN附近),向下延伸至双程旅行时约4.8s的空白反射处(酆少英等,2020)。在高分辨率浅层地震剖面上该断裂表现为4条视倾向E的正断层,对古近纪沉积有明显的控制作用:位于L1W测线桩号1082m处的断层Fp1表现为上陡下缓的铲式正断层,可分辨上断点埋深约为260m,错断古近系底界面TE约6m; 在断层Fp1的下降盘解释了2条视倾向E的断层Fp2和Fp3,断层两侧存在明显的同相轴错断和产状变化等现象,可分辨上断点埋深分别约为368m、410m,古近系底界面TE的垂直断距分别约为64m、246m,以断层Fp3为界,东侧的古近纪地层明显增厚,深1450m的05-27钻孔未钻穿古近系说明驻马店-淮滨凹陷内沉积了巨厚的古近系; 在L1W测线桩号8830m附近的古近系存在明显的同相轴扭曲变形特征,推测此处存在1条视倾向E的正断层Fp4,可分辨上断点埋深约为408m,受该断层活动影响L1W测线8200～9900m段古近系及以上地层呈微隆形态。浅层地震剖面揭示的驻马店-息县断裂4条断层发育在古近纪地层中,向上均未波及到新近系底界面TN及以上地层,推测其为古近纪末期活动断裂。

断层Fp1—Fp4在古近系底界面TE的垂直断距由西向东逐渐增大(表2),表现为一组层层下掉的断阶带,共同控制着驻马店-淮滨凹陷的西边界。结合浅层地震剖面特征和解释断层位置分析认为,断层Fp1为驻马店-息县断裂主断层在剖面上的反映,断层Fp2、Fp3、Fp4为驻马店-息县断裂的次级断层。由图1所示的新生界基岩地质图可知,该断裂两侧新生界下伏地层分别为早古生界寒武系和中生界白垩系。

宿鸭湖断裂是驻马店-淮滨凹陷和西平-平舆凸起的边界断裂,控制着现代河湖的走向。深地震反射剖面(图2)揭示该断裂向上错断新近系底界面TN并延伸至新近系内,向下延伸并消失于上、下地壳分界面处(酆少英等,2020)。在高分辨率浅层地震剖面上该断裂表现为3条视倾向W的正断层:位于L1E测线桩号2848m处的断层Fp6两侧新近纪地层存在明显的同相轴扭曲变形等特征,可分辨上断点埋深约为374m,分别错断新近系底界面TN和古近系底界面TE约7m和48m; 位于L1E测线桩号1517m处的断层Fp7东侧新近系同相轴数目明显减少,可分辨上断点埋深约为382m,分别错断新近系底界面TN和古近系底界面TE约12m和30m; 断层Fp6和Fp7明显错断了新近系底界面TN并向上延伸至新近系内部地层T4界面以上,受2条断层活动影响,L1E测线1500～3000m段新近系底界面TN及以上地层呈微隆形态; 在L1E测线桩号6000m附近古近系反射波同相轴的产状发生明显变化,推测此处存在1条视倾向W的正断层Fp5,可分辨上断点埋深约为610m,受该断层活动、渐新世末期风化剥蚀等影响,L1E测线6000～7800m段的新近系和第四系呈近水平状。浅层地震剖面揭示的宿鸭湖断裂Fp6和Fp7断层明显错断了新近系底界面TN并向上延伸至新近系中上部,新近系内断层两侧的地层错断和扭曲特征明显减弱,说明新近纪以来宿鸭湖断裂的活动性减弱,推测其为新近纪中晚期活动断裂。

结合浅层地震剖面特征和解释断层位置分析认为,断层Fp6为宿鸭湖断裂主断层在剖面上的反映,断层Fp5和Fp7为宿鸭湖断裂的次级断层,共同控制着驻马店-淮滨凹陷的东边界。由图1所示的新生界基岩地质图可知,该断裂两侧新生界下伏地层分别为中生界白垩系和太古界变质岩,受该断裂对近地表的影响,断层Fp5和Fp6附近沙河的流向发生明显变化,呈“几”字形拐弯。

4 驻马店-淮滨凹陷与秦岭北缘逆冲推覆带的关系

秦岭北缘逆冲推覆带是秦岭北缘一系列EW向分段组合、呈带连续分布、自南向北逆冲的推覆构造带,是现今秦岭造山带与华北地块间的地质分界线(张国伟等,1997)。秦岭造山带的演化主要发生在古生代—三叠纪时期的大洋板块俯冲和陆-陆板块碰撞过程中(孟庆任,2017)。中生代受近SN向构造挤压应力的影响,华北与杨子板块持续碰撞,持续的内陆造山运动使华北地块南缘卷入秦岭,从而形成了由南向北的逆冲推覆构造带(酆少英等,2020)。同时,由于受郯庐断裂带大规模走滑活动的影响,南华北地区产生了NW向和NE向深大断裂的走滑活动(朱国军等,2018)。古近纪,内陆造山运动趋于停止,而郯庐断裂带强烈的走滑活动仍在持续,在区域性伸展应力作用下,整个南华北地区和渤海湾盆地进入断陷盆地发展阶段,发育了大量控制古近系箕状断陷盆地边界的正断层(徐汉林等,2003; 孙晓猛等,2004; 黄泽光等,2007)。古近纪末期,受印度板块向欧亚板块之下俯冲远程效应的影响,南华北地区整体抬升并遭受剥蚀夷平,形成了新近系与古近系之间的沉积间断及角度不整合接触(孙晓猛等,2004)。新近纪以来,南华北地区普遍整体下沉,广泛分布新近系和第四系(孙自明,1998)。

通过对横跨驻马店-淮滨凹陷的深、浅反射地震时间剖面的分析认为,古近纪在区域性伸展应力作用下,秦岭造山带北缘逆冲推覆活动基本停止,位于断层下盘的秦岭北部发生抬升(孟庆任,2017),位于上盘的华北地块南缘随南华北地区进入断陷盆地发展阶段,形成了1组走向NW、相向而倾的正断裂——驻马店-息县断裂和宿鸭湖断裂,共同控制着驻马店-淮滨凹陷的边界和凹陷内古近纪地层的发育,并制约了古生界—中生界残余地层的分布。高分辨率浅层地震时间剖面揭示的驻马店-息县断裂和宿鸭湖断裂均为前第四纪活动断裂,但宿鸭湖断裂对第四纪地层的局部变化和现代河湖的走向具有明显影响,建议在驻马店市防震减灾工作中予以重点关注。

5 结论

本文在已有的地质资料和深地震反射剖面的基础上,采用高分辨率浅层地震反射波成像技术跨驻马店-淮滨凹陷完成了1条浅层地震测线,获得了驻马店-淮滨凹陷的近地表精细结构图像。在此基础上,对驻马店-淮滨凹陷近地表构造特征、断裂活动性等进行了分析和讨论,得到以下主要结论:

(1)高分辨率浅层地震剖面证实了驻马店-息县断裂和宿鸭湖断裂的存在。驻马店-息县断裂由4条视倾向E的正断层组成,表现为1组层层下掉的断阶带,控制着驻马店-淮滨凹陷的西边界; 宿鸭湖断裂由3条视倾向W的正断层组成,控制着驻马店-淮滨凹陷的东边界。

(2)深、浅反射地震剖面揭示驻马店-息县断裂和宿鸭湖断裂形成于古近纪的区域性伸展应力作用下。新近纪以来,凹陷西边界的驻马店-息县断裂停止活动,凹陷东边界的宿鸭湖断裂活动性明显减弱,推测2条断裂的最新活动时代分别为古近纪末期和新近纪中晚期。宿鸭湖断裂第四纪无明显活动特征,但其对近地表地层的局部变化和现代河湖的走向均具有明显影响,建议在驻马店市防震减灾工作中予以重点关注。

致谢本研究中的地震数据由中国地震局地球物理勘探中心20余名专业技术人员共同采集完成,探测工作得到河南省地震局和驻马店市地震局的大力支持与协助; 审稿专家在论文修改过程中提出了宝贵的意见和建议。在此一并表示感谢!