郯庐断裂带宿迁段F5断裂浅层地震勘探新证据

许汉刚　范小平　冉勇康　顾勤平　张　鹏　李丽梅　赵启光　王金艳

1)江苏省地震局、南京　210014　2)中国地震局地质研究所、北京　100029



郯庐断裂带宿迁段F5断裂浅层地震勘探新证据

许汉刚1)范小平1)冉勇康2)顾勤平1)张鹏1)李丽梅1)赵启光1)王金艳1)

1)江苏省地震局、南京2100142)中国地震局地质研究所、北京100029

郯庐断裂带沂沭段最新活动的断层一般称之为F5断层、分布于潍坊至嘉山一带、长约360km。郯庐断裂带宿迁段F5断裂的准确位置、活动时代一直以来存在较大的不确定性。文中通过浅层地震勘探对F5断裂进行了系统性勘探、获取了准确的定位及其断裂发育特征。结果表明、F5断裂并未终止于原来认定的宿迁市环城南路处、而是继续向南延伸；F5断裂主要由2条相向而倾、近直立发育的主干断裂组成；在三棵树乡附近、F5断裂由3条断裂组成、且呈右阶排列、阶区长度约6km、宽度约2.5km、形成小的拉分盆地、控制了新近纪以来地层的沉积。结合钻孔联合剖面和槽探结果、判断F5断裂西边界断裂为全新世活动断裂、东边界断裂为晚更新世活动断裂、总体认为F5断裂为全新世活动断裂。

浅层地震勘探郯庐断裂带宿迁段F5断裂

0　引言

郯庐断裂带是中国东部规模最大的深大断裂、南起湖北省武穴市(原广济县)、北达黑龙江省中俄边界、中国境内长度超过2400km(方仲景等、1986)。郯庐断裂带依据几何结构和活动性可分为4段、其中潍坊—嘉山段是郯庐断裂带现今活动最为强烈的部分(李家灵等、1994a；晁洪太等、1997a、b；施玮等、2003)。郯庐断裂带的最新活动方式以高角度右旋走滑为主、伴有压扭和张性形式(晁洪太等、1997a)。

图1　研究区地质构造和浅层地震测线布置图Fig. 1　The map of geological structure and shallow seismic survey lines.a表示研究区在中国东部的位置

前人针对郯庐F5断裂江苏段做了较系统的研究工作(方仲景等、1987；谢瑞征等、1991；李起彤、1994；郯庐活动断裂带地质填图课题组、2013)、对F5断裂的空间展布、最新活动时代和活动特征进行了研究。但受当时工作条件、设备性能和经费的限制、其主要工作集中在宿迁市以北的基岩裸露区；在宿迁市以南的覆盖区并未清楚揭示F5断裂的确切位置和断裂特征；到目前为止、对F5断裂的空间位置精确定位、断裂特征、在隐伏区是否继续发育及最新活动时代仍存在诸多争议。普遍为大家所接受的观点是：F5断裂宿迁段大体呈NNE向羽状排列、终止于宿迁市南部的环城南路(图1中的QL11测线处)；最新活动时代为晚更新世末期*江苏省地震局、1994、宿迁市地震动小区划工作报告。、自京杭运河附近的宿迁闸-皂河镇断裂向南活动性减弱。

本次工作运用浅层地震勘探方法、对F5断裂的空间展布形态、断裂特征进行了系统研究、首次较系统地取得了宿迁段隐伏区F5断裂叠加时间剖面、将F5断裂宿迁段南端南延了20km左右。 依据最南端的勘探测线分析、F5断裂的活动段将继续南延、这一认识填补了郯庐断裂江苏段隐伏区F5断裂空间发育特征研究的空白；同时根据地层、年代学鉴定结果对F5断裂最新活动时代进行了修正。这些研究结果的取得、为进一步深入研究郯庐断裂江苏段的活动方式、最新活动时代、活动断裂分段、评估其地震危险性具有重要意义。

1　浅层地震勘探

1.1地层发育特征

研究区地貌主要以冲积平原和低山残丘为主、水系发育。

以F1断裂为界、F1断裂西侧地区主要分布中生界白垩系王氏组砂岩(K2w)和青山组(K1q)火山碎屑岩地层；F1断裂东侧地区则以太古界—下元古界胶东群(Ar—Pt)为主、沿F1断裂局部有花岗岩分布。复杂的地质构造致使区内基岩顶面埋深差异明显、最浅处只有14m左右、最深处可达400m。

1.2浅层地震勘探设备与采集参数

现场资料采集采用美国SI公司生产的S-Land全数字化地震仪二套、道数分别为120道和196道、该仪器可支持更多道数扩展。该设备采用24位Δ-Σ模数转换技术、具有高信噪比、宽频带、动态范围大的特点。

震源：采用保定北奥石油物探特种车辆制造有限公司生产的沙驼牌KZ03型和BV-300型可控震源。KZ03型出力为29.6kN、振动频率范围为 6～500Hz；BV-300型出力为176.4kN、振动频率范围为 6～160Hz。

检波器：日本OYO公司生产的28Hz纵、横波两用数字化检波器。

野外资料采集时、可控震源扫频范围：20～150Hz、持续时间：8～10s、采用线性扫频方式。地震仪采样间隔统一为0.5ms、采样点数2,048点、记录长度1,024s。

针对市区繁华地段、采用了夜间施工等多项措施、有效提高了原始数据的质量。

1.3测线布置

浅层地震勘探测线依照由已知到未知、由疏到密的原则布置、分控制性勘探和详勘2个阶段。首先在研究区北部距离F5断裂地表出露点不远处布置勘探测线、找出F5断裂在地震剖面上的特征、确定断点位置、然后依据推测的断裂走向、自北向南逐次推进、完成控制性勘探。在此基础上、对研究区内线距较大的的测线进行加密施工、使得平均测线密度<2km*许汉刚等、2013、宿迁市活动断层探测与地震危险性评价控制性浅层地震勘探专题成果报告。*许汉刚等、2013、宿迁市活动断层探测与地震危险性评价地震活动断层浅层地震详细勘探专题成果报告。。

鉴于F5断裂总体走向NNE、浅层地震勘探测线近EW向布置、共施工20条、测线总长约70km、测线位置见图1、图中测线号以QL开头的为控制性测线、以XQL开头的为详勘测线。

1.4观测系统

控制性勘探阶段、通常勘探测线较长、以断裂初步定位为主要目标、采用4m、5m道间距、单边激发、最小偏移距依据覆盖层埋深的不同结合扩展排列试验结果现场确定、通常为36～60m、记录道数为60道、排列长度272～355m、8～15m炮间距、10次覆盖观测系统。

详勘阶段采用2～4m道间距、单边激发、中间不对称激发灵活应用、单边激发时、最小偏移距36m、记录道数为60道、排列长度213～272m；中间不对称激发(小号30道、大号90道)时、记录道数为120道、排列长度238m、357m、最小偏移距1m、1.5m、最大偏移距179m、268.5m、6～12m炮间距、10～20次覆盖观测系统。

1.5数据处理

控制性勘探阶段地震数据处理采用GRISYS、CGG、FOCUS等地震反射处理软件包对比处理、详细勘探阶段数据处理采用FOCUS完成。

资料处理以获得 “三高”(即高保真、高信噪比和高分辨率)剖面为目标、针对原始记录有效反射信号较强、信噪比较高的特点、突出提高叠加剖面分辨率、尤其注意突出上断点的可识别性。主要处理模块包括：静校正、谱分析、一维带通滤波、二维倾角滤波、速度分析、正常时差校正(NMO)、共中心点叠加(CMP)、叠后去噪、偏移(必要时)等。

2　典型断点处的反射波场特征

2.1典型断点记录分析

图2 为典型原始记录。其中、图2a是QL2测线典型断点原始记录、图中激发炮点位于断点上方。可以看出、1—60记录号段基岩埋深浅(约17m左右)、覆盖层内部反射波组不发育、基岩反射波(TN)双程旅行时在30ms左右；61—120记录号段基岩埋深较深(200～350m)、覆盖层内部反射波组丰富、在180～500ms之间发育多组反射波组；在400～500ms之间基岩反射波(TN)呈现出明显的倒转形态、说明地层倾角较大。

图2　典型断点原始波场记录图Fig. 2　The original wave field records of typical breakpoint of fault.

图2b是QL7a测线典型断点原始记录、断点左侧基岩顶面埋深约数十米、右侧基岩裸露地表、激发炮点位于断点左侧。 由图2b可以看出、基岩反射波组1—26道属正常形态、在27道附近陡然转折、在27—45道走时呈现反转形态、表明在该段为沿断层面的上行波、45道附近直达波亦受到断裂影响、表明上断点直达近地表。

图2c是XQL12测线典型断点原始记录、断点两侧基岩埋深都超过150m。由图2c可见、反射波与水平成层的正常记录有明显不同、断点处绕射波发育丰富、反射波组同相轴存在倒转、交叉现象、断裂特征清晰可辨。

2.2典型地震剖面特征分析

浅层人工地震剖面显示、在研究区域内F5断裂表现出2种不同的断裂特征。一种为断陷型断裂特征、断裂两侧基岩面埋深差异明显(研究区内、最大差异可达300m)、两侧地层发育也有明显区别；另一种为走滑型断裂特征、断裂两侧基岩面埋深及地层结构差异虽不明显、但断裂带内基岩面及地层变化明显、结构复杂。

图3(QL2测线)为断陷型断裂特征的代表剖面。剖面显示F5断裂呈现出断陷特征、其边界由东(f5-4)、西(f5-3)2支断裂组成。f5-3断裂西侧只有基岩顶面反射波组(TN)发育、约30ms左右；f5-4断裂东侧除发育基岩顶面反射波组(TN)外、覆盖层内部发育多组反射波组(T1、T2、TQ)、TN双程时约150ms；在f5-3和f5-4断裂之间、波组发育丰富、波场绕射特征明显。断裂带内与断裂带外侧波组发育特征存在明显差异。

f5-3上断点地表投影在1,011号CDP点(1,515桩号)、f5-4上断点地表投影在1,324号CDP点(1,985桩号)、断裂带宽470m、断裂带以西基岩埋深较浅、仅17m；断裂带东侧基岩埋深稳定在130m左右；断裂带内部基岩自西向东上抬、呈斜坡状、埋深150～300m。在叠加时间剖面上(图3)、自上而下所有可对比的反射波组同相轴均不连续、断裂两侧时差明显、越深处时差越大、反映了F5断裂具有明显的多期活动和生长性。

图4(QL14测线)为走滑型断裂特征的代表剖面。图4a剖面显示F5断裂仍呈现出断陷特征、其边界由东(f5-12)、中(f5-11)、西(f5-10)3支断裂组成。f5-10断裂东侧、基岩顶面反射波组(TN)发育在250ms左右、能量强；f5-12断裂西侧、基岩顶面反射波组(TN)在230ms左右、能量也比较强。整条剖面覆盖层内部反射波组(T1、T2、T3、TQ)发育丰富、能量强。在断裂带之间、覆盖层及基岩面变形程度也有明显差异。沿f5-11变形程度最大、断裂f5-11可能是断裂F5的主断面。f5-12与f5-11之间的介质结构变形程度比f5-10与f5-11弱。

图3　QL2测线叠加时间剖面图Fig. 3　Stacked time section for line QL2.

图4　QL14测线叠加时间剖面图Fig. 4　Stacked time sections for line QL14.a 整条剖面、b 断点处的详勘剖面

图4a是QL14测线叠加时间剖面、图4b是断点上方点距2m的加密测线、测线布设在QL14测线2 310桩号附近、标注为QL14jm。对比图3 和图4、虽然F5断裂带总体形态具有一致性、均表现为断陷特征、但差异在于：1)QL14测线揭示F5断裂带宽度明显变宽、在QL2测线上F5断裂带宽度为470m、而QL14测线的带宽达到2600m左右；2)QL2测线上F5断裂带主干断裂为2条、而QL14测线上主干断裂有3条、其中、中间1条主干断裂自上而下不同层位处有一系列断点绕射波存在、且断层面明显较2条边界断裂更为复杂多变；3)QL14测线揭示F5断裂带内地层受挤压、牵引等作用形成的构造变形特征表现得更为清晰。

由加密测线(图4b)可以进一步看出断裂的精细结构：30ms左右的T01波组(对应埋深16m的灰黑色淤泥质黏土顶面)不连续；在主干断裂附近、存在次级断裂(f5-11a)、与主干断裂表现出的正断层性质不同、该断点表现为逆断层性质、上断点则比主干断裂深。

3　研究区F5断裂特征分析

图5　研究区F5断裂带沿线断点发育处的典型叠加剖面Fig. 5　Typical stacked time sections for the break points along the fault F5 in the study region.

图5 是研究区内F5断裂带沿线断点发育处的典型叠加剖面图、文中选择了具有代表性的11幅断点附近叠加剖面(给出剖面的测线标注为实线、未给出剖面的测线标注为虚线)、这些剖面较全面地反映了F5断裂带的发育特征及空间展布形态。通过对比可以看出：

(1)在地震剖面上、可识别的反射波组同相轴在F5断裂发育处均不连续、表明F5断裂断错了勘探深度范围内的所有地层、导致地震剖面上相对应的反射波组错位。

(2)F5断裂带总体上由2条主干断裂组成、而在QL14和XQL10测线之间、则由3条主干断裂组成。XQL12测线、QL14测线及QL2测线分别为研究区F5断裂带北段、中段及南段发育特征的典型剖面、断裂带宽度大致在300～500m、2000～2600m及300～500m之间、断裂带边界断裂由北向南呈相向、相背及相向的发育特征。

表1　浅层地震勘探解释主要断点参数一览表

Table1　Parameters of the main breakpoints of faults by the shallow seismic exploration.

测线名称断点编号上断点深度/m基岩视断距/m视倾向视倾角/(°)断错性质归属断裂QL1Af5-1<241)35E75正断郯庐断裂带宿迁段F5断裂f5-2<241)3～10E75逆断QL2f5-3<12)280E70正断f5-4252)50W65正断QL11f5-8<501)6～17E75正断f5-9<351)5～15W75正断QL14f5-10152)120E近直立正断f5-11352)70W75正断XQL1f5-31<171)>200E70正断f5-32<201)40W75正断XQL2f5-33<101)80W70正断f5-34<101)60E60正断XQL4f5-36<251)12E70正断f5-37<351)10W70正断XQL5f5-38<101)100W55正断f5-39<101)3W65逆断XQL9f5-43<201)48E75深部正断,浅部有逆断表现f5-44<201)30W70XQL12f5-472818～30E75或近直立深部正断,浅部有逆断表现f5-482515～25W70XQL18f5-493460E近直立深部正断,浅部有逆断表现f5-502378W80

注1)对于F5这样的活动断裂、上断点埋深较浅、甚至接近地表、受控制性人工地震勘探工作任务和方法本身精度、分辨率的影响、地震勘探确定的上断点位置通常较实际的上断点位置更深、准确的上断点埋深必须通过钻孔联合剖面和槽探工作确定。

2)f5-3断点的上断点埋深是在地震资料解释的基础上综合断点上方的槽探剖面确定的；f5-4、f5-10、f5-11断点的上断点埋深是在地震资料解释的基础上综合断点上方的钻孔联合剖面确定的。

(3)F5断裂带2条边界断裂的倾向、形态多变。QL7a测线以北、QL1a、QL2和XQL1测线的F5断裂带位于隆起的东缘、西侧为上白垩统王氏组(K2w)或上新统宿迁组(N2s)露头区、东侧覆盖层较厚；XQL2和XQL5测线则与上述测线形态相反、西侧覆盖层较厚、东侧为王氏组(K2w)或宿迁组(N2s)露头区、F5断裂带位于隆起的西缘。QL7a测线以南、各条测线叠加剖面上F5断裂带具有独特的东、西边界相向而倾、中间为断陷深凹的特征。

(4)叠加时间剖面显示、F5断裂带外的反射波组同相轴大多呈近水平状、而带内则大多呈单斜或弧形、反映了带内地层明显受到挤压和牵引等构造影响。

(5)F5断裂在XQL12至QL9测线之间呈右阶排列、阶区位于QL35至QL14测线之间。在右阶右旋阶区部位、形成了以三棵树为中心的拉分盆地、该拉分盆地控制了上新世以来所有地层的沉积厚度、这一认识一方面可以从F5断裂带附近的N+Q等深线得以印证(图1)、另一方面也可以从钻孔联合剖面结果看出、根据QL14测线钻孔联合剖面解释结果、f5-11断点上方的全新统厚度达到23m、而凹陷外的邻区不足10m、这一点亦可作为F5断裂带全新世活动的证据之一。

4　钻孔联合剖面探测

在浅层地震勘探多方法联合勘探给出F5断裂带空间位置、上断点埋深、初步活动性评价的基础上、为验证浅层地震勘探结果的准确性、深入研究F5断裂的最新活动时代、活动习性、取得断裂活动的定量数据(方盛明等、2002)、有针对性地布设了4条跨断层钻孔联合剖面、分别位于QL2测线的1,475～1,545桩号、1,920～2,020桩号和QL14测线的5,670～5,760桩号、6,630～6,720桩号、剖面中心分别对应QL2测线f5-3、f5-4断点和QL14测线f5-11、f5-12断点、剖面长度为70～100m、每个剖面由6～8个孔组成、钻孔施工、岩心编录描述、层位对比和断裂解释严格按照DB/T 15-2009《活动断层探测》的要求进行。

钻孔联合剖面揭示的4个断点位置与浅层地震解释结果最大水平误差仅8m、具有高度的一致性、充分证明了浅层地震勘探在覆盖区对于活动断层探测的可靠性。浅层地震解释的4个上断点中的3个(f5-4、f5-11、f5-12)埋深与钻孔联合剖面揭示的深度一致；1个断点(f5-3)经探槽开挖上断点直达(或接近)地表、与浅层地震解释结果差异较大。造成较大误差的主要原因是该断点西侧基岩较浅、地层单一、可对比反射波组不发育。浅层地震勘探解释断点与钻孔联合剖面揭示结果对比见表2。

表2　浅层地震勘探解释断点与钻孔联合剖面揭示结果对比*冉勇康等、2014、宿迁市活动断层探测与地震危险性评价目标断层晚第四纪活动性鉴定专题成果报告。

Table2　Comparison of the faults identified by the shallow seismic explorations and the boreholes of composite drilling section

测线编号断点编号浅层地震判断钻孔联合剖面揭示活动时代 断点位置(桩号)/m上断点埋深/m断点位置(桩号)/m上断点埋深/mQL2f5-31512<201515<0.3*Q4f5-4158525198421Q3QL14f5-11571223571716Q4f5-12668040668835Q3

注*钻孔联合剖面在铺设路面上施工、揭示的上断点埋深是3.5m；在此基础上、临近农田开挖了EW向探槽、结果显示南壁断至地表、北壁断点上方覆盖0.3m的坡积物。

本文重点介绍了QL14测线上实施的LP1钻孔联合剖面。图6 是QL14测线、QL14JM测线和LP1钻孔联合剖面位置图、图7 是LP1钻孔联合剖面地质解释图。

图6　浅层地震勘探测线和钻孔联合剖面位置图Fig. 6　The location of shallow seismic survey line and boreholes of composite drilling section.

图7　LP1钻孔联合剖面地质解释图Fig. 7　The composite drilling geological section of LP1.

从图7 可以清楚地看出，层⑨含钙质结核黏土顶面及其以上地层连续、未见明显断错；断层断错了层⑧灰黑色淤泥质黏土及以下地层、6号孔层⑧19.7m处14C年龄为(5 966±30)a、3号孔层⑧21.3m处14C年龄为(6387±47)a、据此可以判定断层的最新活动时代为全新世、性质为近直立的正断层。上断点附近层⑧顶面断层两侧的位错在1.0m左右、往下作为 “标志层”的二套中、细砂层被明显断错、层④顶面断距为2.4m、而层②顶面断距达12.0m、总体呈现出越往深部断距越大的生长断层特性。

QL14JM测线叠加剖面(图4)上、T01反射波组系层⑧淤泥质黏土底面反射波、断层两侧同相轴时差虽然不大、但连续性较差、断裂特征清楚；T1反射波组系层②中、细砂底面反射波、断层两侧同相轴时差在15ms左右、对应断距12.0m、较好地反映了钻孔联合剖面揭示的地层特征。

5　结论

通过对20条浅层地震勘探剖面对比分析研究、解释、结合钻孔联合剖面探测结果、为宿迁市南部覆盖区F5断裂的存在、确切位置及最新活动时代提供了充分的证据；取得以下几点新认识：

(1)F5断裂发育并未终止于环城南路附近、而是继续向南延伸、贯穿整个研究区。自北向南沿嶂山东、井头、幸福路、三棵树、埠子镇至龙河东、区内控制长度36km、较前人认识的F5断裂南延了20km以上。

(2)在浅部、F5断裂并非前人认识的1条断裂、而是由2条主干断裂组成的断裂带。断裂带的东、西2条边界断裂大多相向而倾、倾角通常>70°；LP1钻孔联合剖面显示、西边界断裂为全新世活动断裂；东边界断裂依据叠加剖面上的断错同相轴推断为晚更新世活动断裂。

(3)F5断裂在三棵树附近呈右阶排列、阶区长度约6km、宽度约2.5km、形成小的拉分盆地、控制了新近纪以来地层的沉积厚度。

致谢中国地震局震害防御司、中国地震局地质研究所、中国地震局地球物理勘探中心、江苏省地震局和宿迁市地震局等单位的专家和同仁对宿迁市活动断层探测与地震危险性评价工作的实施方案编制、资料处理和解释、钻孔联合剖面和槽探解释、结果审定给予了指导和帮助、在此一并致以衷心感谢!同时感谢审稿专家对本文提出的修改意见和建议!

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Abstract

The fault F5is considered as the most active fault in the Tanlu fault zone(Yi-Shu fault zone)、which is located from Weifang of Shandong Province to Jiashan of Anhui Province、with a length of 360km. It has always been a focus of concern to many geoscientists because of its complexity and importance. But、for a long period of time、there exists biggish indetermination in the accurate position and active ages of the fault F5in Suqian section of Tanlu fault zone. Seismic reflection exploration is the main technique in present urban active faults detecting. In order to investigate the spatial distribution、characteristics and activities of the fault F5in covered terrains、we carried out a systematic survey to the fault with shallow seismic prospecting method and obtained the accurate position and development characteristics of the fault. The results show that the fault F5continues to develop toward south rather than ending at the Huancheng South Road of Suqian City. F5is mainly composed of two main faults、which dip in opposite directions and almost vertically. Near the Sankeshu town、F5is composed of three faults with right-stepping、forming a small pull-apart basin with length of 6km、width of 2.5km、controlling the deposition of Neogene and Quaternary strata. By combining the results of composite drilling section and trenching、we make a conclusion that the western branch of fault F5is a Holocene active fault、and the eastern branch is a Pleistocene active fault. Our general view is that fault F5is a Holocene active fault.

NEW EVIDENCES OF THE HOLOCENE FAULT IN SUQIAN SEGMENT OF THE TANLU FAULT ZONE DISCOVERED BY SHALLOW SEISMIC EXPLORATION METHOD

XU Han-gang1)FAN Xiao-ping1)RAN Yong-kang2)GU Qin-ping1)ZHANG Peng1)LI Li-mei1)ZHAO Qi-guang1)WANG Jin-yan1)

1)EarthquakeAdministrationofJiangsuProvince、Nanjing210014、China2)InstituteofGeology、ChinaEarthquakeAdministration、Beijing10029、China

shallow seismic exploration、Suqian section of Tanlu fault zone、fault F5

10.3969/j.issn.0253-4967.2016.01.003

2014-09-17收稿、2015-11-09改回。

宿迁市活动断层探测与地震危险性评价项目(SQZBTB20110162)与国家自然科学基金(41202155)共同资助。

P315.2

A

0253-4967(2016)01-0031-13

许汉刚、男、1963年生、1983年毕业于成都地质学院物探系、高级工程师、主要从事地球物理勘探及地震地质研究、E-mail: hagnxu@126.com。