冠县断裂展布及其第四纪活动性研究

彭远黔，冉志杰，朱坤静

（1. 河北省地震局，石家庄 050021；2. 邯郸市地震监测中心，河北 邯郸 056002）

0 引言

馆陶凸起位于冠县凹陷与丘县凹陷之间，冠县断裂是它的东边界。石油地震资料反映断裂上断点埋深1 000余米，没有切断上第三系底板，晚第三纪以来没有活动。前人对冠县断裂的第四纪活动性研究相对较少，其第四纪活动性尚不清楚。本文基于跨断裂的钻孔联合剖面、浅层地震探测结果，进一步厘定了冠县断裂的空间展布情况以及第四纪活动性。

1 区域地质构造背景

临清断陷是在印支运动基础上发育起来的中、新生代断陷盆地，夹于太行山断块隆起区和鲁西断块隆起区之间，西以太行山山前断裂为界，东以聊兰断裂为界，南以大名断裂为界，北与邢衡断隆相邻。临清断陷的主体部分是邯郸断凹和丘县断凹，东部的德州-临清断凹是黄骅断陷的向南延伸部分，莘县断凹东北与济阳断陷相连，向南同东濮断陷相通。燕山运动广泛影响本区，尤其是燕山晚期强烈，临清地区普遍接受了晚侏罗-早白垩世地层的沉积，新近纪继承了晚中生代构造活动特征，主要受NNE、NE-NEE向及NWW向3组断裂控制，形成3排隆起和4排凹陷。自西而东是邯郸凹陷、成安-广宗凸起、丘县凹陷、馆陶凸起、德州-冠县凹陷、堂邑凸起及莘县凹陷。

馆陶凸起位于冠县凹陷与丘县凹陷之间，冠县断裂是它的东边界断裂（图1a），冠县断裂（即馆陶东断裂），为基底的二级断层，走向NNE-NE，倾向SSE-SE，倾角30°～70°，延伸长度100 km（图1b）。石油地震资料反映断层没有切断上第三系底板，断层活动性自Es4至Es1逐渐降低，消亡的时间为N+Q①① 侯旭波. 临清坳陷东部中、新生代盆地演化分析[D]. 中国石油大学硕士研究生学位论文，2004.（图2）。

图1 冠县断裂大地构造及其展布位置图

图2 地震测线反映馆陶东断层活动状态（石油1 058.8测线）

地质资料表明，冠县断裂展布的拗陷区堆积了巨厚的新生代陆相沉积层，地表被第四系覆盖，地层由老至新有：侏罗-白垩系、古近系、新近系和第四系。

1）侏罗系：发育有中-下侏罗统坊子组（J1-2f）以及中侏罗统组三台组（J2s），与下伏三叠系呈角度不整合接触。

2）白垩系：发育有下统临西组（K1l）与丘城组（K1q）、上统无极组（K2w）。与下伏侏罗系呈角度不整合接触。

3）古近系：发育有孔店组（Ek）沙河街组（Es1-4）与东营组（Ed），与下白垩系呈角度不整合接触。

4）新近系：发育有馆陶组（Ng）和明化镇组（Nm），馆陶组主要为泥岩、粉砂岩，底部为灰白色块状砂岩、砂砾岩，厚度430～640 m；明化镇组主要为粘土岩、粉砂岩、砂砾岩互层，厚度640～980 m。新近系与下伏古近系呈角度不整合接触。

5）第四系：发育有平原组（Qp），主要为粉砂质粘土、粘土质粉砂及粉细砂，含较多钙质结核，厚度30～270 m。其更新统上部岩性为灰黄、土黄色粘质砂土、砂质粘土与砂层，埋深70～110 m；中部为灰黄、棕黄色粘土质砂、砂质粘土夹层厚1～12 m粉细砂1～6层，含灰质结核及铁锰质浸染，本统埋深130～210 m；下部岩性为棕黄、褐黄色砂质粘土夹粘土质砂、粉细砂（1～6层），砂层厚1.5～10 m，普遍含灰质结核或铁锰质结核或灰质淀积物，底部有10～20 cm小砾石层，埋深190～370 m，第四系与下伏新近系呈角度不整合接触，是划分第四系与新近系的“标志层”。

2 钻孔联合剖面

由于隐伏断层的隐蔽特点，需运用一系列勘探方法方能查清其位置，以便于进一步鉴定其活动性。在诸多的勘探手段中，钻探除能确定断层位置，还可揭示一定深度内的地层岩性、分布及断错等信息，是研究隐伏断层活动特征的有效手段之一[1-8]。

2.1 钻孔资料概述

自20世纪70年代以来，河北省煤田地质局、山东省地质矿产勘查开发局等有关单位先后在冠县断裂展布的地区开展了水文地质勘查、地热资源勘查等相关工作，积累了丰富的钻孔资料，为研究冠县断裂提供了良好的基础。基于上述钻孔资料，共收集9个孔深400.36～1 802.9 m的钻孔层剖面记录，通过跨断层钻孔联合剖面研究冠县断裂的活动特征，各钻孔位置见图1b。

2.2 冠县-聊城剖面

2.2.1 剖面位置

冠县-聊城钻孔剖面西起冠县电厂，经冠县马颊河度假村至聊城美景大酒店，剖面全长为48.1 km，由3个钻孔组成，孔间距自西向东依次为23.6 km、24.5 km，单孔最大深度15 340.8 m，最小450.1 m（图3）。

图3 冠县-聊城钻孔联合剖面

2.2.2 断层展布位置

冠县-聊城钻孔联合剖面中的钻孔地层，划分了第四系、新近系、古近系、白垩系、侏罗系等地层，第四系与下伏新近系呈角度不整合接触，是第四系与新近系的“标志层”。钻孔ZK1、地热孔之间的第四系底界平稳，变化较小，但钻孔冠2与ZK1之间的第四系底界落差较大，达118.2 m，显示有存在断层的可能，推测存在一条向西倾的正断层，结合冠县断裂以往的成果资料，冠县断裂应位于钻孔冠2与ZK1之间。

2.3 西枣科-任庄剖面

2.3.1 剖面位置

西枣科-任庄钻孔剖面西起临清西枣科村，经聊城北张村至茌平县任庄村，剖面全长为42.9 km，由3个钻孔组成，孔间距自西向东依次为19.5 km、23.4 km，单孔最大深度500.45 m，最小402.84 m（图4）。

图4 西枣科—任庄钻孔联合剖面

2.3.2 标志层特征及断层位置

钻孔联合剖面中显示，第四系中厚约15 m左右的粘质砂土层相间分布，厚度稳定，特征明显，易于区别，故将其作为研究断层定位和活动特征的标志地层，标志层特征及断错情况简介如下。

标志层B0为黄、棕黄色-灰色，岩性为砂质粘土夹粉细砂，其顶部为粘土夹细砂层；该层在断层下盘顶底界面埋深于141.39～155.0 m，在上盘埋深于217.2～232.3 m，断层附近顶底面断距分别为75.81 m、77.3 m。由此可见，断层可能展布于临1与聊2钻孔之间，依据断层倾向W判断，断层地表投影位置靠近聊2钻孔。

2.4 临清-高唐剖面

2.4.1 剖面位置

临清-高唐钻孔剖面西起临清市城区，经临清老赵庄村至高唐房庙村，剖面全长为43.9 km，由3个钻孔组成。孔间距自西向东依次为12.8 km、31.1 km，单孔最大深度1 802.9 m，最小400.36 m（图5）。

图5 临清-高唐钻孔联合剖面

2.4.2 断层位置

临清-高唐钻孔联合剖面的钻孔地层划分了第四系、新近系、古近系地层，钻孔临3与高4之间的第四系底界变化较小，钻孔ZK2与临3之间的第四系底界落差达72.0 m，存在与倾向西的正断层可能。结合冠县断裂构造资料，断层展布于ZK2与临3钻孔之间。

3 浅层地震勘探

浅层地震勘探是隐伏断裂探测应用最广泛、最有效的地球物理方法之一，利用反射波的叠加剖面，分析剖面上反射波组特征、同相轴连续性等信息，并结合测区地质与地球物理资料，确定主要反射波所对应地层形态，推断构造形态、断层形态、断点埋深等，该方法已经得到了广泛应用[9-21]。

笔者曾在大名县吴村附近布设过一条浅层地震勘探测线DM-1探测冠县断裂。本文应用地震处理软件系统Vista12.0对浅层地震勘探数据进行了重新处理，在数据处理中应用了一些新方法提高剖面信噪比，以便获得高质量、高信噪比的地震叠加时间剖面。

3.1 测线布设及反射纵波数据采集

浅层地震勘探采用美国GEOMETRICS公司STRATAVISOR NZXP地震仪，配搭重庆地质仪器厂60 Hz检波器串组成数据采集系统，以及80 kg夯击震源。采用单边放炮连续追踪12次覆盖全排列72道接收的观测系统，道距4 m、炮距12 m、采样间隔0.25 ms。

3.2 数据处理与剖面解译

数据处理的重点放在提高地震记录信噪比和分辨率的方面，数据处理进行了真振幅恢复；地表一致性振幅补偿；数字滤波；初至静校正；速度分析、正常时差校正（NMO）、剩余静校正；共中心点（CMP）叠加、叠后反褶积以及时变谱白化、滤波、随机噪声衰减、偏移。

为方便与地层划分结果进行对比，确定反射界面的时代，本文采用以下途径进行时-深转换，通过叠加速度（NMO速度）和不同界面反射波的双程垂直到时t0，应用迪克斯（DIX）公式得到不同地层反射界面以上的平均速度，从而获得时-深转换速度参数。

图6为测线DM-1的浅层地震勘探剖面，剖面长720 m，该剖面反射波较为清晰，有较高的信噪比和分辨率，共有3个明显的地震反射波组，自上至下分别标为T1、T2和TQ。T1双程反射时间为240～260 ms，埋深170～180 m，解释为上更新统底界；T2双程反射时间为350 ms左右，埋深约280 m，解释为中更新统底界；TQ双程反射时间为470 ms左右，埋深约380 m，其应为第四系的底界。

图6 测线DM-1浅层地震勘探剖面

剖面清楚地揭示了断裂构造，在剖面桩号260 m、400 m左右，由浅到深反射界面T2、TQ发生错断，断层两侧同相轴连续性有明显差异，其两侧地层产状和反射波组明显不同，南部反射波总体起伏变化，北部反射波呈水平状，不难判定该处存在断裂构造，断裂错断了第四系底界面TQ，向上错断了T2，T2可识别断距30 m；位于桩号260 m处断层倾向N，桩号400 m处断层倾向S，2条断层在420 m深度归并，组成的反向“y”字型断裂带，断层上断点埋深约200 m。据剖面上的断点特征、平面的位置，结合地质构造资料，该剖面揭示的断层应是冠县断裂。

为确定冠县断裂的活动时代，收集了浅层地震测线附近大20、大25钻孔资料，大20钻孔位于测线西南5 km，大25钻孔位于测线西4 km（钻孔位置见图1），其地层时代划分如表1。

表1 大20、大25钻孔地层时代划分

对比钻孔地层资料，断层错了中更新统底界（埋深约280 m），未错断上更新统底界（埋深约180 m），断层的活动时代为中更新世。

4 结论与认识

基于浅层地震勘探探测结果，结合3条钻孔联合剖面，进一步确认了冠县断裂的空间位置，以及厘定了其第四纪活动性，并得到以下几点认识：

1）冠县断裂为总体走向NE，倾向NW的正断层，其在地表的投影位于钻孔冠2与ZK1之间、钻孔临1与聊2、钻孔ZK2与临3之间，位于浅层地震勘探测线DM-1桩号260、400 m处；

2）考虑浅层地震勘探的探测误差，凹陷沉积相变的深度影响，以及钻孔间距较大的因素，上述断裂展布位置，以及上断点埋深会存在一定的误差，估计断裂埋深误差在10 m；

3）浅层地震勘探测线DM-1结果显示，冠县断裂的浅部构造为由两断裂组成的反向“y”字型断裂带；

4）浅层地震勘探剖面显示，冠县断裂的上断点埋深为200 m，中更新统底界断距为30 m，鉴于目前钻孔间距的特殊性，推测目标断裂的最新活动时代为中更新世。