唐山-河间-磁县地震构造带浅层地震勘探

冉志杰，彭远黔*，张建智，朱坤静

（1.河北省地震局,石家庄 050021；2.北京中煤地地球物理勘探研究院有限责任公司河北分公司,河北 涿州 072750；3.邯郸市地震监测中心,河北 邯郸 056002）

0 引言

在河北平原的滦县、唐山、宁河、大城、河间、束鹿、隆尧、邢台、邯郸至磁县一线，存在一条地震构造带，称为唐山-河间-磁县地震构造带。杨理华[1]根据邢台、河间、唐山地震等烈度线、发震构造、震源机制、地震活动带、卫星影象解析等资料分析认为，该带是一条NE向强震活动的地震构造带；徐杰等[2]认为“该地震构造带是新近纪开始发育的新生地震构造带，晚第三纪以来明显活动NNE至NE向断裂断续密集分布在唐山-河间-磁县地震构造带沿线，带内NW向断裂被NE向断裂明显切割”，NNE、NE向断裂成为唐山-河间-磁县地震构造带的主体断裂，其中NE向馆陶西断裂和NE向沧东断裂展布于该地震构造带的东边界附近，2条断裂南段的活动特征，尤其是沧东断裂向南延伸的情况尚不清楚，有待进一步研究。

浅层地震勘探能够获得几十米至上千米的中浅部地质构造信息，已成为隐伏断裂探测最主要的勘探方法，尤其是浅层反射地震方法在断层探查中得到广泛应用[3-10]。近年来，在不同的探测目标中取得了较好的效果[11-15]。

最近，某工业园区位于该地震构造带，由于其区域性地震安全性评价需求，且目标区可能在断裂附近。因此在该地震构造带内、目标区附近布置了4 条浅层地震测线，解译了6个断点，探测到了4条断层，发现其中2条断层存在明显的新构造活动特征。

1 区域地质背景

唐山-河间-磁县地震构造带位于河北平原中西部，是新近纪开始发育的新生地震构造带。带内NNE至NE向断裂断续密集成带分布，构成了一条晚第三纪和第四纪活动的NE向断裂构造体系（图1），NE走向的馆陶西断裂、沧东断裂展布于地震构造带的东边界附近。馆陶西断裂是丘县凹陷和馆陶凸起间的边界断裂，全长105 km，断层倾向NW，为上陡下缓的正断层，馆陶西断裂晚第三纪活动性分段明显，中段切断上第三系底面，断距100～200 m，南北段活动弱，北段断面没有错断上第三系底面，南段的断面上延至第三系底面，显示微弱的错动。据石油地震勘探资料，新近系底垂直落差100 m，向上可能影响到第四系底部，根据资料分析认为馆陶西断裂是早更新世断裂①中国地震局地壳应力研究所.河北省活断层探测与地震危险性评价项目衡水市活断层探测与地震危险性评价分项目技术报告[R].2014.。

图1 唐山-河间-磁县地震构造带沿线的断裂和震中分布图[13]

沧东断裂是华北地区的一条规模较大的断裂，是黄骅坳陷和沧县隆起共有的主要边界断裂，全长约350 km，在平面上NNE向主断层和NNW断层形成锯齿状展布，总体走向NE30°。沧东断裂为发育于上地壳上陡下缓的铲状断裂，断面于10 km深处的上地壳底部变为近水平的拆离滑脱面。早第三纪为断裂主要活动时期，塑造了现今沧东断裂的主要形态，断裂不同区段的产状、发育历史和活动强度表现出鲜明的分段性，晚第三纪以来断裂活动微弱，沧东断裂晚更新世以来基本不活动[16]。

勘查区位于河北第四系地层区划的邱县-临清小区，其基底之上沉积了巨厚的沉积地层，其中新近系底界埋深900 m左右。根据测线附近的水文地质勘查钻孔临13孔、临10孔、17孔、临7孔、横Ⅲ-10孔地层资料，测区第四系分层底界面埋深为：全新统（Qh）埋深40～47 m，上更新统（Qp3）埋深255～265 m，中更新统（Qp2）埋深 381～390 m，下更新统（Qp1）埋深 472～490 m。

2 浅层地震探测

由于勘查区处于人口稠密、第四系覆盖较厚区域，故采用可控震源激发方式，应用多次覆盖反射波技术进行地震勘查，以便获得高信噪比、反射界面清晰、断裂构造清楚的地震剖面。

使用Vista12.0地震处理软件进行数据处理，数据处理的目标是以压制干扰波和保证高保真为前提，运用多途径、分步骤的去燥处理方法和技术，提高反射波的分辨率，为断裂精细解释、分析打下坚实的基础。在数据处理中，着重考虑了合适的静校正、叠前去噪、反褶积、剩余静校正、叠后去噪、偏移处理、叠后修饰性处理，以及时-深转换。

为与地层时代划分结果进行对比，确定反射界面的时代，本文通过叠加速度（NMO速度）和不同界面反射波的双程垂直到时t0，利用迪克斯（DIX）公式获得不同地层反射界面以上的平均速度，从而实现地震剖面的时-深转换。

2.1 测线布设及数据采集

浅层地震勘探测线布设方向尽可能与断裂构造正交，尽量选择道路和通行条件比较好的地段、避开建筑物，在2个场地共布设测线 4 条（图2），剖面总长11.51 km。DZ1、DZ2两条测线主要是为探查馆陶西断裂布设，DZ1测线位于临西镇，沿公路近EW向布设，DZ2测线位于DZ1测线的南部1.0 km处，沿公路近东EW向布设； DZ3、DZ4两条测线是为探查沧东断裂而布设，DZ3测线位于河西镇，沿公路近EW向布设，DZ4测线位于DZ3测线南部1.1 km处，沿乡村公路近EW向布设。

图2 浅层地震勘探测线布设、水文地质钻孔位置图

本次浅层地震勘探采用F2700车载可控震源激发地震波，10 Hz检波器3只串联接收地震波。采用法国Sercel 428XL地震仪采集数据，前放增益24 dB，采样间隔1 ms，记录长度2 s，240 道接收，道距5 m，炮距20 m，20次覆盖，中间激发的工作方法。震源车采用2次叠加，80%出力，16 s的扫描长度，线性升频扫描频率范围在10～90 Hz。

2.2 地震剖面解释

2.2.1 DZ1、DZ2测线

DZ1测线位于临西县临西镇的镇内公路，近EW向布设，剖面长5.63 km，主要探测馆陶西断裂及其次级断裂。DZ1测线的时间剖面图信噪较高，反射波组连续性较好，断裂错断特征明显（图3）。剖面上解释了4个反射界面（TQ3、TQ2、TQ1、TN），TN反射界面起伏较大，解释为新近系的底界，其余各层比较平缓，该剖面解释了2个断点，自西向东依次为F1-1、F1-2。

图3 DZ1测线的时间剖面、深度剖面图及其解释成果

F1-1、F1-2分别位于剖面桩号1 950 m、4 300 m附近，F1-1断错TN约110 m，为视倾向西的正断裂，上断点埋深 480 m；F1-2切割 TQ2、TQ1、TN共计3个层位，断层两侧反射层波组的特征差异明显，尤其是断裂面附近各层位牵引变形的现象显著，断距具有由深部向浅部逐渐变小的趋势特征，分别为20 m、50 m、60 m，为上陡下缓的正断裂，视倾向西，断层上断点埋深305 m。

对比测区钻孔地层资料，F1-1未错断下更新统底界，判断其为新近纪断裂；F1-2的上断点切入中更新统地层、未切割上更新统底界，判断其为中更新世活动断裂。

为进一步确认F1-2断层的存在，以及走向、活动性等，在DZ1测线的南部1.0 km处布设了近EW向DZ2测线，剖面长1.605 km；DZ2测线反射时间剖面的信噪比较高，反射波组连续性较好，断裂错断特征更加明显（图4），剖面上解释了4个反射界面（TQ3、TQ2、TQ1、TN），根据剖面上各反射波同相轴的横向变化特征和上下反射波组关系，在该测线剖面上解释了1个断点，标识为F2-1。

图4 DZ2测线的时间剖面、深度剖面图及其解释成果

断层F2-1位于剖面桩号750 m附近，反射界面TQ2、TQ1、TN均被断错，断层 F2-1与断层 F1-2具有相同的性质，为倾向W的正断层，断层的上断点埋深为300 m，错断了中更新统底界，未切割上更新统底界。

从DZ1测线上断层的产状、活动性质、错动地层和上断点埋深综合分析认为F1-1断层活动时代为新近纪，推断其为邱县凹陷内发育的次级断裂构造。

根据DZ1、DZ2测线剖面中的断层F1-2、F2-1的产状、活动性质，并结合区域断裂构造资料综合分析，判断F1-2与F2-1为同一条断层，为走向NE、倾向NW的馆陶西断裂，断层上断点埋深300 m，错断了中更新统（Qp2）底界，未切割上更新统（Qp3）底界，最新活动时代为中更新世早期。

2.2.2 DZ3、DZ4测线

DZ3测线位于临清西北的河西镇，近EW向沿公路布设，剖面长2.89 km，主要探测沧东断裂及其次级断裂。 DZ3测线的时间剖面图信噪比较高，反射波组连续性较好，断裂错断特征明显（图5），在剖面上解释了4个反射界面（TQ3、TQ2、TQ1、TN），该剖面解释了2个断点，自西向东依次为F3-1、F3-2。

F3-1、F3-2分别位于剖面桩号1 240 m、1 630 m附近，F3-1断错TN约60 m，为视倾向西，较为直立的正断裂，上断点埋深 460 m；F4-2切割TQ2、TQ1、TN三个层位，断层两侧反射层波组的特征差异明显，呈现反射波零乱、产状突变，F4-2为正断裂，视倾向东，其上断点埋深270 m。对比测区钻孔地层资料，F3-1未错断下更新统底界，判断其为新近纪断裂；F3-2断错中更新统地层底界、未切割上更新统底界，判断其为中更新世活动断裂。

从图5可见，所解译断层F3-2的上断点之上的地层似有变形，很明显影响到了层位TQ3。为进一步确认断层F3-2的存在、走向，以及TQ3层位的变形情况，在DZ3测线的南部1.1 km处布设了一条近EW向的DZ4测线，剖面长1.385 km。DZ4测线反射时间剖面的信噪比较高，反射波组连续性较好，断裂错断特征更加明显（图6），剖面上解释了4个反射界面（TQ3、TQ2、TQ1、TN）。根据剖面上各反射波同相轴的横向变化特征和上下反射波组关系，在该测线剖面上解释了1个断点，标识为F4-1。

图5 DZ3测线的时间剖面、深度剖面图及其解释成果

图6 DZ4测线的时间剖面、深度剖面图及其解释成果

断层F4-1位于剖面桩号700 m附近，反射界面TQ2、TQ1、TN均被断错，断层 F4-1与断层 F3-2具有相同的性质，为倾向东的正断层，断层的上断点埋深为280 m，错断了中更新统底界，未切割上更新统底界。

从DZ3测线上断层的产状、活动性质、错动地层和上断点埋深等方面综合分析，认为F3-1断层活动时代为新近纪，推断其为拗陷内规模较小的次级断裂。

根据DZ3、DZ4测线剖面中断层F3-2、F4-1的产状、活动性质，并结合区域断裂构造资料综合分析，判断F3-2与F4-1为同一条断层，为走向NE、倾向SE的沧东断裂，断层上断点埋深280 m，错断了中更新统（Qp2）底界，未切割上更新统（Qp3）底界，最新活动时代为中更新世早期。

3k 1H NMR(CDCl3) δ:9.48(d,J=5.1,1 H),8.46-8.44(m,1 H),8.05(d,J=5.1,1 H),7.94-7.87(m,2 H),7.75-7.42(m,4 H),7.40-7.38(m,2 H).

3 讨论

在实施的4条浅层地震勘探测线，探测到4条断层，其中断层F1-1、F3-1上断点埋深480 m、460 m，其活动时代为新近纪，推测它们是凹陷内规模较小的次级断裂。勘探区位于唐山-河间-磁县地震构造带，该带是新近纪开始发育的新生地震构造带。图7是唐山-河间-磁县地震构造带内临清拗陷西部跨邱县凹陷和馆陶凸起的QX90-389地震测线（测线位置见图1），在凹陷中发育有倾向SE和NW的次级断裂，从勘探测区所处的区域构造背景和凹陷内发育一系列次级断裂构造来看，所探测到的2条断裂是以往未曾了解的隐伏断裂，断裂构造应该是确实存在的。

图7 临清拗陷西部QX90-389地震测线（华北油田，1998）

从图1（图中沧东断裂粉红色西南延段落是根据高战武等资料绘制）看出，沧东断裂终止于吴桥附近[13]，向西南没有延伸到本文探测区。DZ3、DZ4测线中所确定的断裂F3-2、F4-1是否为沧东断裂的延伸段落有待考量。

吴涛等[17]认为，沧东断裂南起山东临清、向北经河北武强、沧州，再往北入天津市南郊小站、直至宁河地区被近EW走向的燕山褶皱带所截切，是华北地区切割结晶基底并对沉积盖层产生重大影响的大型断层。高战武等[16]、王迪等[18]、柴建峰[19]认为，沧东断裂北起宁河，向南经沧州、南皮、吴桥和山东德州，直至临清附近，全长约350 km。沧东断裂是渤海湾盆地黄骅坳陷和沧县隆起共有的主要边界断裂，且对临清坳陷和衡水邢台隆起的有关部分起分隔作用，为武城凸起和德州凹陷的分界线。据柴建峰[19]，沧东断裂德州-临清段长约 100 km，断裂直线状分布，断面呈平面状，倾向NEE，倾角达65～70°，断裂的垂直断距（落差）约 2～3 km，水平拉张断距（伸展量）1～5 km 左右，在临清坳陷的德州和冠县2个凹陷，分别堆积了2 000 m和4 000 m厚的下第三系孔店组（E2k）、沙河街组（E2-3S）和东营组（E3d）。

综合上述资料可见，沧东断裂应该向西南延伸至临清。本文测区位于临清附近，同时DZ3、DZ4测线所探测到的两点F3-2、F4-1的断裂走向、倾向、以及倾角与沧东断裂德州-临清的活动特性极其相似。此外，曾经在沧州魏庄子布设探测沧东断裂的浅层地震勘探剖面上的沧东断裂特征与本次所探测的结果相似（图8）。由此可见，本文在临清西北的河西镇探测到的走向NE、倾向SE、断点埋深280 m的断裂应是沧东断裂。

图8 沧东断裂沧州魏庄子CZ-1测线浅层地震勘探结果图

徐杰等[20]认为，只有新构造阶段发育的地壳共轭剪切破裂构造系统与地震活动关系密切。根据渤海湾盆地以往石油地震勘探揭示出的盖层构造资料，以及地震地质和工程地震等研究成果得出，在新构造时期，有些基底主断裂（带）仍继续活动，而NNE沧东断裂则丧失了活动性，因此，沧东断裂与地震活动没有密切关系。在进行某工业园区区域性地震安全性评价工作中可不考虑沧东断裂对近场潜在震源区的贡献。

从本次地震勘探探测结果看，馆陶西断裂为中更新世活动断裂，错断第四系下部地层，反映出该断裂仍具有一定的活动性，仍具有发生中强地震的可能。鉴于目前馆陶西断裂的研究程度较低，且在GB18306－2015《中国地震动参数区划图》编制的过程中可见，中国东部大量6.0、6.5级潜在震源中并未包括晚更新世活动断裂[21]。因此，在进行工业园区区域性地震安全性评价工作中应充分考虑馆陶西断裂对潜在震源区划分的影响。

4 结论

1）在临西县临西镇布设的2条测线，基本查清Q+N的底界面及起伏形态，并且探测到2 条断层。其中一条是馆陶西断裂，上断点埋深300 m，错断中更新统（Qp2）底界，但未切入晚更新世（Qp3）地层，为中更新世活动断裂；另一条上断点埋深480 m的正断裂是邱县凹陷内发育的次级断裂构造，其最新活动时代为新近纪。

2）在临清西北部的河西镇布设的2条测线，也探测到了2 条断层，其中一条是沧东断裂，上断点埋深270 m，错断中更新统（Qp2）底界，但未切入晚更新世（Qp3）地层，为中更新世活动断裂；另一条上断点埋深460 m的正断裂，为拗陷内规模较小的次级断裂，其最新活动时代为新近纪。

3）应用浅层地震勘探方法在巨厚覆盖层的场地进行断裂探测，应采用大吨位可控震源、小道距长排列方式、高覆盖次数，以便准确查明各地层界面起伏形态、埋藏深度、断错情况，为识别确认断层以及活动特征提供高品质的地震剖面和重要依据。