用浅层地震剖面研究大城东断裂的活动性

温超 周月玲 彭远黔 孟立朋 冉志杰 王燕

河北省地震局，石家庄市槐中路262号 050021

0 引言

大城东断裂是发育在沧县隆起部位的1条NE-NNE向断裂，是古近纪里坦凹陷西缘的主控构造，控制着东侧里坦断陷盆地的发育。1967年大城6.3级地震发生在里坦断陷内，与该断裂的活动有关。许多学者对大城东断裂的第四纪活动特征进行了研究。吕悦军等（2003）依据前人钻孔资料和石油勘探的人工地震资料，发现断裂两侧的全新统海相地层分布存在高度差异，认为在全新世可能有活动。徐新学等（2007）应用大地电磁测深资料研究断裂的深部特征，认为断裂切入到了第三系。中国地震局地壳应力研究所在开展衡水城市活断层探测研究，认为沿断裂历史上发生了1967年河北大城6.3级地震，小震活动频繁，综合判断结果是大城东断裂南段为晚更新世-全新世活动断裂。

依据断裂展布活动性将断裂划分为南、北2段，北段又称天津南断裂，走向NNE，邵永新等（2010）研究，认为其最晚活动年代为中更新世。断裂南段又称大城东断裂，总体走向NENNE，倾角50°，它主要控制了东侧里坦凹陷的古近纪和新近纪-第四纪沉积。陈宇坤等（2013）认为天津南断裂向南延伸与大城东断裂斜列排列，空间上有一定差异。

大城东断裂位于松散覆盖层较厚的平原地区，处于隐伏状态，因缺乏大城东断裂的空间位置和浅部特征资料，故采用浅层高分辨率地震勘探中的纵波反射探测方法，对断裂位置、上断点埋深、断距及断裂的最新活动年代进行探测研究。

1 构造背景概况及第四纪地层

1.1 地质背景

研究区位于华北断陷盆地，该单元新第三纪以来一直为下降单元，在NW-SE向水平拉张作用下，沿NNE-NEE向中生代逆断裂和新产生的断裂形成了一系列铲式正断层及其控制的隆起、断陷带，如冀中凹陷、沧县隆起等；新近纪以来进入了坳陷阶段，转为总体下沉，广泛接受了厚1000m以上的新近系-第四系沉积，控制新构造单元的边界断裂亦隐伏于厚厚的沉积层之下。

大城东断裂即是沧县隆起与冀中坳陷内的次级凹陷大城凸起与里坦凹陷的边界断裂，走向NE-NNE，控制着断裂沿线新构造单元的发育演化。大城凸起为沧县隆起上的正向二级构造单元，面积约为2500km2，顶部被新近系明化镇组、馆陶组和第四系地层所覆盖，其厚度一般为700～1240m，与其下覆古近系、中生界、古生界或中上元古界地层以不整合相接触。里坦凹陷沿断裂呈NE走向，南西与饶阳凹陷相连，饶阳地区上第三系底界埋深达2500m，为冀中断陷的沉降中心之一。里坦凹陷与大城凸起古近系底面落差1000m左右，新近系底面落差达300m左右，断面顶端延伸进入新近系馆陶组之中（夏志刚等，2012）。

1.2 测区第四纪地层

第四纪地层层序划分是判断浅层地震勘探结果，进而得到断层活动时代的重要依据，将地层层序划分结果与地震勘探时深转换结果进行对比，从而确定断层的上断点和最新活动时代。

研究区域位于隆起区，下第三系及中生界地层普遍缺失，上第三系地层不整合于古生界前地层上。第四系地层具有以下特点：

（1）第四系地层由灰黄色-棕黄色-棕色-棕红色4个色段构成，为以冲积、冲洪积及湖积作用为主形成的地层。

（2）在全新统（Qh）及上更新统上段地层中广泛夹有淤泥层及含淤泥质的土，构成2个淤泥层。全新统底界埋深25～40m，上更新统底界埋深150～175m。

地震勘探DC01测线位于文安与青县之间，从文安至青县第四系地层埋深由浅变深。据测区第四系地层资料以及文安文8号和9号孔、青县青农28号孔得到测线场地全新统（Qh）底板埋深27.0～30.3m，上更新统分上、中、下 3段，其底板埋深分别为 49.6～54.5m、89.6～112.1m、138.3～145.4m；中更新统分上、下 2段，其底板埋深分别为 207.1～230.2m、306.4～330.3m；下更新统分上、下 2段，其底板埋深分别为 358.7～390.8m、436.4～472.7m。

地震勘探HJ01测线位于河间，据测区第四系地层资料、以及测线附近河升5号孔资料认为，测线场地全新统（Qh）底板埋深25.6m；上更新统分上、中、下3段，其底板埋深分别为 58.7m、108.2m、146.1m；中更新统）分上、下 2段，其底板埋深分别为 229.5m、307.0m；下更新统分上、下2段，其底板埋深分别为372.0m、432.5m。

2 测线位置和数据采集方法

2.1 测线位置

为查明大城东断裂的活动特征，在大城、河间布设了2条浅层地震勘探剖面，其中DC01测线位于大城县安庆屯村南，全长 1182m，剖面起点位于 116°38′46.26″E、38°38′57.48″N；终点位于116°39′34.97″E、38°38′58.34″N；HJ01测线位于河间市后张寺营村西，全长 1182m，剖面起点于 116°15′0.77″E、38°25′52.81″N；终点位于 116°15′49.67″E、38°25′52.77″N，这 2条剖面均跨过了大城东断裂（图1）。

图1 断裂构造及测线位置

2.2 数据采集和处理方法

用美国GEOMETRICS公司生产的STRTAVISORNZXP96高分辨率数字地震仪采集数据，用70kg冲击震源单点激发地震波，每个点激发18～20次，冲击夯源冲击置于地面的金属垫板，以便提高振动能的耦合转换效率；每道采用6个60Hz组合检波器串单点接收，以提高检波器的灵敏度。

为选取数据采集工作参数，首先进行了扩展排列实验。图2为扩展排列地震实验记录（96道），实验道间距4m，偏移距0m，采用全通频带记录。由图2可知，反射波的频率和视速度较高，面波的频率和视速度较低。在近炮点记录道上，浅层反射信息丰富，但记录的信噪比较低，受面波干扰严重。在远炮点记录道上，地震记录的信噪比较高，有效反射波不受干扰，故为获得浅层反射波，采用小偏移距。

图2 扩展排列实验

通过实验和综合分析，最终选用的工作参数为：道间距4m，炮间距16m，偏移距16m，叠加次数19次，72道接收，记录长度0.8s，采样间隔0.25ms，15Hz低切滤波器和250Hz高切滤波器。为使浅层反射波的覆盖次数较高，又能使较深部的反射波避开震源干扰波的干扰，有助于提高该反射波的信噪比，采用排列单边激发的工作方式。

用水平多次叠加方法作数据处理，主要方法有真振幅恢复、地表一致性振幅补偿、数字滤波、初至静校正、反褶积、速度分析、动校正、剩余静校正、叠加、偏移、时深转换等。

3 地震反射剖面特征

3.1 DC01测线

DC01测线位于大城县安庆屯村南，近EW向。图3展示了该浅层地震剖面的一部分，据剖面给出的波组特征解释了3组反射波T01、T1、T2，依据地震勘探时深转换获得的反射界面深度与测区地层资料，以及与测线附近文8号和9号孔、青农28号钻孔资料对比确认，T01为上更新统中段底界面产生的反射波，T1为上更新统底界面产生的反射波，T2为中更新统底界面产生的反射波。T01反射波组特征明显、连续性好，在整个剖面上可连续追踪对比。

在图3所示的浅层地震剖面上，测线桩号400m、540m（CDP201、CDP271）处反射波同相轴出现明显的消失、错动现象，表明在这2处存在断裂，且2条断裂相距较近，为同一组断裂，断裂在 450m深处汇聚在一起，形成反“y”字型，断点坐标为 116°39′2.76″E、38°38′58.73″N。根据反射波同相轴错动特征可知，断裂为正断层，倾向东，断裂倾角较陡。

图3 DC01测线浅层地震剖面

对比时深转换剖面发现，断裂最浅埋深105m，错断了T1、T2反射同相轴，即断裂错断了上更新统、中更新统底界，未错断T01反射波界面（上更新统中段），断裂最新活动时代为晚更新世早期。

3.3 HJ01测线

HJ01测线位于河间市后张寺营村东，行别营乡西北，近EW向。图4展示了浅层地震剖面的一部分，据剖面的波组特征解释了3组反射波 T01、T1、T2，依据地震勘探时深转换获得的反射界面深度结果与测区地层资料，以及与测线附近河升5号钻孔资料对比后确认，T01为上更新统中段底界的反射界面，T1为上更新统底界的反射界面，T2为中更新统底界的反射界面。T01反射波组特征明显，连续性好，在整个剖面上可连续追踪对比。

图4 HJ01测线浅层地震剖面

在图4所示的浅层地震剖面上，测线桩号600m、700m（CDP301、CDP351）反射波同相轴出现明显的分叉、扭曲或畸变现象，表明在这2处存在断裂，这2条断裂相距较近，为同一组断裂，断裂在 380m左右深处汇聚形成反“y”字型，断点坐标为 116°15′25.71″E、38°25′52.87″N。据反射波同相轴错动特征可知，断裂为正断层，倾向东，断裂倾角较陡。

对比时深转换剖面发现，断裂上断点最浅埋深104m，错断了T1、T2反射同相轴，即断裂错断了上更新统、中更新统（Q3p、Q2p）底界，未错断T01反射波界面（上更新统中段），断裂最新活动时代为晚更新世早期。

3.4 综合对比解释

据地震剖面上的波组特征和已掌握的地质资料可知，DC01、HJ01测线探测到的断层为本次探测的大城东断裂。综合分析图3、4所示的地震剖面可以看出，大城东断裂是1条高倾角、正断层性质的断裂，该断裂带由2条断裂组成，形如反“y”字型，视倾向SE。在相距42km的2条剖面探测到断裂上断点最浅埋深分别为105、104m，大城东断裂已经向上错断了上更新统地层的早期，未错断上更新统地层的中期，最新活动时代为晚更新世早期

4 结论与讨论

应用浅层地震探测方法成功地探测到了大城东断裂的位置、性质、活动性以及断裂浅部的结构形态，为该断裂的进一步研究提供了依据。在大城东断裂的东侧发现了1条断裂，该发现，表明大城东断裂不是1条单独断裂，而是由2条断裂组成的断裂带，其形态为反“y”字型。这2条断裂在活动规模和活动时间上都不相同，其中新发现的东侧断裂，相对于西侧断裂不仅活动规模较小，而且最新活动时间也较早。大城东断裂上断点最浅埋深104～105m，错断了上更新统地层的早期，最新活动时代为晚更新世早期本次地震勘探结果表明，大城东断裂应为晚更新世活动断裂，而不是全新世活动断裂。

据天津市地震局工程地震研究中心在天津静文公路的地震剖面显示，天津南断裂是1条独立的断裂，而本次地震勘探结果显示，大城东断裂是由2条断裂组成的反向“y”字型断裂带，与天津南断裂的断裂结构特征不一致，2条断裂在空间上有一定差异。笔者认为大城东断裂与天津南断裂不属同一条断裂，即天津南断裂不应该属于大城东断裂的北段。

测线的布设对勘探结果至关重要，因此在针对某条断裂开展野外勘探工作之前，在充分收集断裂资料的基础上，仔细分析有关成果，特别是断裂展布资料之间的差异至关重要。