新乡—商丘断裂延津段浅部地层结构特征研究

侯江飞，邢 磊，张 扬，谭锡斌，鲁人齐

(1.中国海洋大学 海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东 青岛 266100；2.河南省地震局 地震工程勘察研究院，河南 郑州 450016；3.中国地震局地质研究所 活动构造与火山重点实验室，北京 100029)

1 引 言

活动断层是指距今12万年以来有过活动的断层，包括晚更新世断层和全新世断层[1]。大量震例研究表明，活动断层不仅是地震发生的根源，而且当地震发生时，活动断层沿线的建筑物破坏和人员伤亡都是最大的[2-4]。因此，探明活动断层的空间位置、性质及其活动性，科学评价其地震危险性，在此基础上合理避让或者采取有效措施，是减轻地震灾害风险和损失的有效途径，对我国的防震减灾、城市规划建设等工作具有重要意义。研究区周边的断层大多被第四纪覆盖，断层浅部结构具有落差小、埋深浅的特点，传统的地质地貌工作方法不能对隐伏断层的空间展布情况和活动性特征进行有效研究，而浅层地震勘探方法却是探测隐伏断层的有效手段[5]，且已经在许多城市活断层探测中取得了良好的应用效果[6-9]。

新乡—商丘断裂带是南华北盆地和北华北盆地的分界线，该断裂分段发育，倾向多变，活动性西强东弱。断裂带的西部延津段和封丘段活动性最强，前人对新乡—商丘断裂带延津段的构造特征做了许多研究工作。赵建粮等(2010)[10]和高景宏等(2010)[11]应用大地电磁测深法在开封凹陷地区开展地热勘查工作，通过对电磁测深剖面KF1和KF2的电性分析，采用有效视电阻率数据对剖面进行反演处理的方法，从电性特征来查明区域断裂构造特征和划分区域构造单元界限，得出新乡—商丘断裂延津段倾向南西，倾角较陡，切割深度可能在10 km以下，是一条显示张性正断特征的断裂。2016年中国地震局地球物理勘探中心开展的《新乡城市活断层探测与地震危险性评价》工作，通过分析重、磁及其延拓资料可知，新乡—商丘断裂带至少由两条近于平行的断裂组成，被NE-NNE向断裂切割成若干段，倾向北东或南西摆动，具有走滑性质；在延津段，断裂向南陡倾，下延最大深度约13 km，推测为早、中更新世活动断裂。据钻孔资料，断裂带及其附近不同的地段发育有不同时期的岩浆岩，封丘—兰考一带分布有喜山期的玄武岩、安山岩及酸性火山岩，东部芒砀山一带则发育有燕山期花岗闪长岩、辉长岩等，说明该断裂形成时间早，切割深度大，属于长期活动的断裂。

这些研究工作对了解新乡—商丘断裂延津段的构造特征和活动性提供了重要参考资料，但研究结果主要集中在断裂的空间展布和深部构造特征上[12,13]，对该段断层的浅部结构特征和最新活动时代缺乏研究。本研究在分析该区已有地球物理探测资料的基础上，跨延津段断层布设了3条浅层人工地震测线，获得了高品质的浅层地震反射剖面，同时在测线上开展钻孔ZK1探测，分析了新乡—商丘断裂延津段的浅部结构特征、性质及活动性，为该区的地震危险性评价提供了重要依据。

2 区域地质构造

新乡—商丘断裂带西起新乡市东，向南东方向延伸，经延津、封丘、兰考、民权、商丘、夏邑延入安徽省境内，河南省内长约250 km，总体走向为北西西向，隐伏于第四系之下[14]。新乡—商丘断裂带是南华北盆地和北华北盆地的分界线，断裂以北构造线主要为NE-NNE向，以南为NW-NWW向(图1)。断裂倾角大，分段发育，倾向不一，在延津段倾向南西、封丘段倾向北东、兰考—民权段倾向南西、商丘段倾向北东，浅部花状构造发育，具有走滑性质。

图1 区域构造单元分布图Fig.1 Distribution of regional tectonic units

新乡—商丘断裂延津段整体呈NW走向，大致西起延津县石婆固镇，东至封丘县城，东西两端分别被汤东断裂、长垣断裂所截(图2)，是内黄隆起和开封凹陷的分界线。

历史地震资料表明，沿断裂带公元344年新乡市卫辉县(M6级)和1737年新乡市封丘县(M5.5级)均有地震发生(图2)，这些地震的震中基本上落在北西向断裂与北北东向断裂的交汇部位[15]。

图2 区域地质图Fig.2 Regional geological map

3 地震数据采集与处理

3.1 地震数据采集

为了准确判断目标断裂的空间位置、浅部结构特征和可分辨的上断点埋深，地震纵波激发震源采用大型可控震源M18-612HD，采用震动6次、驱动电平70%～80%、扫描频率20～120 Hz、扫描长度14 s、采样间隔0.5 ms的施工参数，来兼顾浅、中层的地震反射。数据接收采用Sercel428XL数字地震仪，可实时监测地震剖面质量的好坏，检波器的自然频率为60 Hz，采用2串2并的组合方式。先后完成了3条浅层地震勘探剖面XS1、XS2和XSB11，其中XSB11是XS1的后补测线，这两条测线均位于延津县石婆固镇附近，测线XS2位于延津县陈固乡附近(图2)。根据现场试验确定的观测系统参数如表1所示。

表1 新乡-商丘断裂施工测线观测系统

3.2 地震数据处理

本次数据采集的地震资料中存在的主要噪音有面波、异常振幅、线性干扰、50 Hz工业电干扰以及随机噪音。为了压制噪音，提高资料的信噪比和分辨率，获得高品质的地震剖面，笔者利用CGG进行了地震资料处理工作。根据本次地震勘探资料特征，采用了折射静校正、叠前去噪、球面扩散和地表一致性补偿、反褶积、动校正、剩余静校正、叠后去噪和偏移处理等模块，建立了如图3所示的地震资料处理流程。

图3 地震资料处理流程Fig.3 Seismic data processing flow

4 地震反射剖面解释

4.1 浅层地震时间剖面的地层标定

分析发现，本次采集得到的3条地震剖面均捕捉到了新乡—商丘断裂的存在，测线展布基本控制了该段断层的空间位置，地震剖面显示了断层的浅部结构特征。地震时间剖面揭示的反射波组丰富，反射能量强，地层特征明显，在双程走时2000 ms以上共解释了4组能量较强、界面形态清楚的地层反射(T1、T2、T3和TQ)。为了在地震时间剖面准确标定出QP3地层底界，在测线XSB11的桩号1288处进行了钻孔ZK1探测(图2)，并在孔深1～111 m的范围内开展了钻孔波速测量工作，得到了钻孔深度与双程走时的关系曲线(图4)。

钻孔ZK1孔深131.48 m，未打穿QP2的地层底界。根据钻孔岩性界面变化(图5)，深度53.21 m以上以松散的中细砂、粉砂为主，主要为黄河冲积层。在深度48.29 m处，开始出现第一套较厚的棕红色黏土层，在深度53.21 m处是第二套棕红色黏土层(厚0.83 m)的底界，在深度53.21 m以下，地层的岩性、颜色均发生明显变化，结合周边区域地质资料，划分上更新统QP3底界深约53.21 m。根据钻孔ZK1的孔深与走时关系曲线可知，在孔深53.21 m处的双程走时约为108.44 ms，与地震时间剖面上T1波组的双程走时基本一致，因此把T1波组解释为上更新统底界，该地层也是判断断层是否为活动断层的标志层。周边典型钻孔延17位于测线西侧约5 km处(图2)，孔深307.33 m，是一个水文地质钻孔。在延17勘探孔深范围内，主要由一套由黏土、粉质黏土、泥质粉砂和砂层组成的多层结构沉积物。根据钻孔延17资料[16]显示：QP2的地层底界深约145 m，平均速度约为1 098.52 m/s，双程走时约为263.99 ms，对应地震时间剖面的T3波组；Q地层底界深约290 m，平均速度约为1 487.14 m/s，双程走时约为390.01 ms，对应地震时间剖面的TQ波组。因此，根据地震时间剖面反射波组特征和周边钻孔资料，把TQ解释为第四纪地层底界，T1解释为QP3地层底界，T3解释为QP2地层底界，T2为QP2的内部地层。

图5 钻孔ZK1地层柱状图Fig.5 Stratigraphic histogram of borehole ZK1

4.2 浅层地震反射剖面特征

地震测线XS1跨断层走向布设，全长约8 875 m，道间距10 m。由于施工测线受地下管线的干扰较大，造成剖面200 ms以上的反射波组同向轴连续性不好，资料较差，无法得知断层的上断点埋深，无法标定T1同相波组(图6)。在时间剖面200 ms以下可见能量较强、连续性较好的多组反射波组，断层特征十分明显，共解释了6个断层，推测FP1为主断层，倾向南西。整体剖面呈“Y”形状负花状构造[17,18]，是由多条断裂组成的走滑断裂带。

图6 XS1测线偏移时间剖面Fig.6 XS1 line migration time profile

地震测线XSB11时间剖面的资料品质较高，浅部结构特征清晰和可分辨上断点埋深最浅，选取典型测线XSB11来分析延津段断裂的浅部结构特征。XSB11测线由南往北布设，测线全长2 875 m，道间距5 m。从时间剖面中反射波组的横向连续性来看，100 ms及以下表现出明显的同相轴扭曲、错断现象，反映了断层的存在。据此在剖面上共解释了8个断层，分别以FP1、FP2、FP3、FP4、FP5、FP6、FP7和FP8标注(图7、表2)。

图7 XSB11测线偏移时间剖面Fig.7 XSB11 line migration time profile

表2 延津段XSB11测线推测上断点特征

新乡—商丘断裂延津段在地震反射波剖面(图7)上浅部结构特征清晰，是由多条断层组成走滑断裂带，整体呈“Y”形状负花状构造，断裂带宽度约1 500 m。断层FP1和FP2构成花状构造的最外侧两个花瓣，倾向相对，均错断了反射波组T2、T3和TQ，断距从上到下逐渐增大，断层两侧上盘下降，下盘上升，具有同沉积断层性质。

从时间剖面横向上看，断层FP4、FP5、FP6、FP7处在花状构造的内部。受断层控制，地层产状发生强烈而复杂的变化，表现为阶梯状斜下降，整体呈一套凹面朝上的多条分支正断层构成的地堑式构造，表明受到张扭性应力场控制。对比和追踪上下反射波，发现这几条断层为同一组断裂，在走时1 000～1 200 ms处汇聚到断层FP1上。新近系地层界面的反射波组在南北两侧反射震相特征差异明显。在断层FP2下盘走时500 ms以下可见，反射震相比较丰富，可识别出多组新近纪地层反射界面，同相轴连续性好，反射能量较强，地层分层较好，说明新近纪时期开封凹陷在该区域的沉积环境较为稳定。在断层FP1下盘走时500 ms以下可见，反射震相较少，反射波组的连续性差，比较零散，可能是新近纪时期内黄隆起区强烈的构造运动，造成地层的抬升与剥蚀。

根据断层所处空间位置和浅层结构特征，推断FP1、FP2、FP3、FP4、FP5、FP6、FP7、FP8属于新乡—商丘断裂延津段，其中断层FP2埋深最浅，约为45 m，错断了上更新统QP3的底界，推测其最新活动时代为晚更新世早期。

地震测线XS2位于延津县陈固乡附近，由南往北跨断层走向布设，全长8 170 m，道间距10 m，用来控制新乡—商丘断裂延津段东部的浅层结构特征。从地震反射时间剖面(图8)上可见，断层的浅部结构特征清晰，波组特征明显，在桩号3 700～5 500处，双程走时100 ms以下，可见到同相轴发生明显的错断，反映了断层的存在，共解释了3个断层，分别以FP1、FP2和FP3标注。3个断层均错断了T3和TQ地层反射波组，断距从上往下逐渐增大，其中断层FP2的上断点埋深较浅，约为88 m并向上错断了T2反射波组，推测其活动时代为中更新世，活动时代比延津段西部要早。整体剖面3条断层仍然呈“Y”形负花状构造，断裂带宽度为1 800 m，推测FP1为主断层，倾向南西，与断层FP2和FP3倾向相对，在双程走时1 600 ms和1 700 ms处汇聚到断层FP1上。

图8 XS2测线偏移时间剖面Fig8. XS2 line migration time profile

5 结 论

本研究通过采用不同的观测系统参数，跨新乡-商丘断裂延津段开展了3条浅层地震勘探，得到了3条高品质的地震测线剖面，结合沿测线XSB11开展的钻孔波速测量工作，获得了新乡—商丘断裂延津段的浅部构造特征和最新活动时代。通过分析浅层地震资料和区域地质资料发现，新乡-商丘断裂延津段走向NW、倾向SW，是内黄隆起和开封凹陷的分界线。从地震时间剖面上可见，新乡-商丘断裂延津段的浅部是由多条倾向相对的断层组成，形成“Y”形负花状构造，其中地震测线XSB11上的FP2的上断点埋深最浅，约为45 m。根据该断层处的钻孔ZK1资料显示，新乡—商丘断裂延津段的最浅上断点进入了上更新统底部，推测其最新活动时代为晚更新世早期，是一条隐伏的活动断层。

浅层人工地震勘探是揭示隐伏活动断层浅部结构特征和上断点埋深的有效手段。在上断点埋深最浅的地方，开展野外钻孔探测和分析区域地质资料，可以准确的进行周边第四纪地层划分，根据钻孔揭示的岩性变化和开展钻孔波速测量工作，有助于在地震时间剖面上识别反射波组特征，从而进行准确的地层标定，体现了浅层地震勘探和钻孔探测相结合的方法在平原地区探测隐伏活动断层的优势。

由于本研究沿测线XSB11只做了一条钻孔ZK1探测，地层划分具有偶然性和不确定性，因此接下来要在断层的两侧开展更多的钻孔探测和岩芯采样，获得测年数据，从而得出准确的地层年代，绘制更多的钻孔地层柱状图和跨断层钻孔剖面图，来进一步研究新乡-商丘断裂延津段的生长速率和最新活动时代。