新乡-商丘断裂永城段第四纪活动特征分析1

张 扬 郭大伟 张 涛 贺承广 沈 阳 巩一帆

1）中国地震局地质研究所, 北京 100029

2）河南省地震局, 郑州 450016

3）河南省航空物探遥感中心, 郑州 450053

4）河南省地质调查院, 郑州 450001

引言

活动断层指距今12 万年以来有过活动，并在未来一定时期内有可能活动的断层。国内外大量震例研究表明，活动断层是地震的根源，也是地震灾害的元凶（徐锡伟，2006；中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2018）。地震发生时断层沿线的建筑物破坏、人员伤亡最为严重，其损失明显大于断层两侧的其它区域（刘保金等，2008）。我国东部平原区主要发育隐伏断层，且断层的上断点较深，利用浅层高分辨率人工地震勘探能够取得良好的探测效果，更加科学的判断断层位置及可分辨的上断点埋深，为钻孔联合地质剖面探测提供了有效的基础依据。

新乡-商丘断裂是南华北盆地与渤海湾盆地和鲁西隆起的分界线，西起新乡，东经兰考，向商丘一带延伸，总体为近NWW 向展布，长约250 km，断裂以北构造线以NE-NNE 向为主，断裂以南构造线以NWNWW 向为主，该断裂分段发育，倾向多变，具有走滑性质（许立青等，2013；王志铄等，2018），自西向东整体分为延津段、封丘段、兰考-民权段、商丘段和永城段，延津段主体倾向SW，封丘段倾向NE，商丘段倾向NE，永城段倾向SW，分别为控制不同凹陷新生界沉积或中-古生界保存的边界断裂。关于该断裂新构造运动的特征，侯江飞等（2021）和张扬等（2021）通过浅层人工地震和钻孔探测，认为延津段最新活动时代为晚更新世早期，浅部表现为具有走滑特点的“Y”型负花状构造。为全面解剖新乡-商丘断裂活动性特征，《河南省地震构造探查工程》和中国地震局《新乡-商丘断层活动构造探测》项目于2019-2021 年分别在兰考-民权段、商丘段、永城段开展了多条浅层地震探测，详细落实了该断裂向东展布的特征，本文在永城段高分辨浅层地震勘探资料的基础上，通过钻孔联合地质剖面分析，系统研究了该段浅部结构特征及活动性，为地震危险性评价提供了重要依据。

1 区域地质背景

研究区位于华北板块内部徐淮隆起与鲁西隆起的交接部位，结晶基底为太古界-古元古界变质岩，上覆一套中、新元古代和古生代沉积盖层，局部残存三叠纪沉积。晚中生代-古近纪时期，区域主干断裂两侧块体发生强烈的差异性断陷活动，以NWW 向新乡-商丘断裂为界，以北属鲁西隆起黄口凹陷，以南属徐淮隆起砀山凸起，西侧以NNE 向夏邑-太和断裂为界，与颜集凹陷相邻（图1）。凹陷区内部充填一套厚层内陆河湖相沉积，中、新生代地层保存齐全，并向南、东2 个方向超覆于砀山凸起之上，使得黄口凹陷呈北断南超、颜集凹陷呈西断东超的单边箕状；砀山凸起则主要以不均一的构造剥蚀作用为主，大部分缺失晚中生代-古近纪地层，芒砀山一带发育有燕山期花岗闪长岩、辉长岩等（张维等，2020）。新近纪以来，研究区断陷活动明显减弱，整体以坳陷沉降作用为主，隆起区与坳陷区均发育一套内陆河湖相沉积盖层。

图1 区域大地构造单元划分（据王志铄等（2018）修改）Fig. 1 Regional tectonic map（Modified from Wang et al. （2018））

新乡-商丘断裂永城段主要沿砀山凸起与黄口凹陷的过渡部位发育，隐伏于地表之下。已有地震勘探剖面显示，该断裂整体呈NWW-SEE 向展布。西起夏邑县东北部，以夏邑-太和断裂为界，同商丘段相隔；向东经太平庄、芒砀山延至安徽省境内（图1），长约60 km。

永城段为砀山凸起北部前缘断裂，石油剖面421 显示该断裂为切割古生界的深大断裂（图2），断面倾向南西，倾角＞60°，具有南降北升的正断性质，控制了砀山凸起局部中-古生代地层的保存，造成前新生代地层大幅度错断；古近纪地层整体缺失，新近纪-第四纪地层不整合覆盖于其上，且石油地震剖面显示该断裂向上进入新近系-第四系之中，并造成新近系底板的明显错断。综合前人资料及断层构造特征，新乡-商丘断裂永城段是一条形成时间早、切割深度大、多期活动的壳断裂（张维等，2020；侯江飞等，2021）。

图2 偏移地震剖面421 线Fig. 2 Time migration profile of line 421

2 地震数据采集和处理

新乡-商丘断裂永城段共布设2 条浅层地震测线XS7 线和XS8 线（图3），探查方向均为由南至北，XS7 线起点位于太平镇东约2 km 处，XS8 线起点位于火店镇北约100 m 处。

图3 区域地质图及地震测线位置Fig. 3 Regional geological map and location of the seismic line

采用24T 大型M18-612HD 可控震源激发，并进行地震资料采集，震动8 次，为兼顾浅、中深层反射，扫描频率范围为20～120 Hz，驱动电平75%，扫描长度16 s，采样间隔0.5 ms。检波器自然频率为60 Hz，2 串2 并组合插放，道距4 m，炮距16 m。

二维地震资料处理使用法国赛舍尔公司Geocluster 5000 软件。地震勘探资料处理主要为解决静校正和去噪问题，选择处理方法和模块时，以提高信噪比和分辨率为原则，以所得剖面能真实反映客观地质现象为目的，在确保信噪比的基础上提高分辨率并保持波组特征。针对本区的资料特点，从以下6 个方面进行处理研究：（1）静校正；（2）噪声衰减；（3）反褶积处理；（4）速度分析；（5）叠加剩余静校正处理；（6）叠后时间偏移。

3 地震剖面分析

2 条跨新乡-商丘断裂永城段浅层地震剖面的分辨率、信噪比均较高，剖面主频约为50 Hz，800 ms 之上同相轴连续性较好，断层和地质层位的特征清晰。剖面解译参考区域煤田钻孔及第四系钻孔资料（李光等，2011；包乃利等，2015）对地层进行初步标定，其中，新近系底部为1 套中低频、中-强反射波组构成，并与下伏地层呈角度不整合接触，第四系与新近系产状一致，应为连续沉积。

3.1 太平庄XS7 测线剖面

XS7 测线沿010 乡道由南往北布设，南端起于张庙村，北端止于郝庙村南。地震时间剖面揭示的反射震相比较丰富，反射能量较强，整个剖面地层特征较为明显（图4）。在双程走时800 ms 以上共解译了4 组特征明显的地层反射（T01、T02、TQ、TN）。

图4 XS7 线偏移时间剖面图Fig. 4 Time migration profile of line XS7

从时间剖面看，TQ反射波在剖面桩号3 812 附近出现明显的同相轴扭曲、错断，说明存在断层，在测线解译1 个断点，标注为FP2701。从各界面断点反映的断面形态上看，该断层为视倾向南的正断层，其可分辨上断点在地面上的垂直投影点位于剖面桩号3 812 附近，在错断T02界面后继续向上延展，上断点埋深约为71 m，在该深度的垂直断距为5～10 m。

XS7 线剖面上700 ms 以浅的地层变形、断层结构细节非常丰富。剖面上各地层接近水平，断层北盘新近系底界反射褶曲形状明显，说明断层两侧构造形态发生了明显的变化（图4、图5）。

图5 XS7 线深度剖面及解译图Fig. 5 Depth profile and explanatory chart of line XS7

根据断层所处位置和空间展布形态，推断FP2701 为主断裂，归属于新乡-商丘断裂永城段。

3.2 火店镇XS8 测线剖面

XS8 测线沿004 乡道由南向北布设，南端起于004 乡道偏西拐弯处，北端止于004 乡道与县道025 交叉口。该剖面揭示的反射震相比较丰富，反射能量较强，整个剖面地层特征较为明显。在双程走时500 ms 以上共解译了3 组特征明显的地层反射，在图中分别标识为T01、TQ、TN（图6、图7）。

图6 XS8 线偏移时间剖面图Fig. 6 Time migration profile of line XS8

图7 XS8 线深度剖面及解译图Fig. 7 Depth profile and interpretation chart of line XS8

从时间剖面看，T1反射波在剖面桩号3 797、6 072、5 889 附近出现明显的同相轴扭曲、错断，说明存在断层，在测线解译3 个断点，分别标注为FP2801、FP2802、FP2803。

从各界面断点反映的断面形态上看，FP2801 断层为视倾向南的正断层，其可分辨上断点在地面上的垂直投影点位于剖面桩号3 797 附近，在错断TQ界面后继续向上延展，上断点埋深约为72 m，在该深度的垂直断距为3～5 m。

FP2802 断层为北倾的正断层，其可分辨的上断点在地面上的垂直投影点位于剖面桩号5 889 附近，埋深约100 m，在该深度的垂直断距为3～5 m；

FP2803 断层为北倾的正断层，其可分辨的上断点在地面上的垂直投影点位于剖面桩号6 072 附近，埋深约103 m，在该深度的垂直断距为3～5 m；

XS8 测线剖面较XS7 测线剖面新近系和第四系变得更薄，尤其FP2801 断层和FP2802 断层之间新近系和第四系分界近乎无法分辨。FP2801 断层南盘地层向南倾，FP2801 断层和FP2802 断层之间地层轻微隆起。

根据断层所处位置和空间展布形态，推断FP2801、FP2802、FP2803 归属于新乡-商丘断裂永城段，其中FP2801 为主断裂。

4 钻孔联合地质剖面解译分析

为进一步确定上断点具体埋深和断层最新活动时代，在浅层地震勘探基础上，选择断点特征最明显的场点，分别在夏邑县太平庄村和火店镇班庄各布设1条钻孔联合剖面。

4.1 太平庄村钻孔联合地质剖面

太平庄钻孔联合地质剖面横跨新乡-商丘断裂永城段隐伏断层的主断层，近平行于XS7 浅层地震勘探测线布置，偏东80 m 处。断层近地表控制在ZKT03 孔和ZKT07 孔之间，两孔间距5 m。

太平庄钻孔联合剖面地层结构复杂，具有不同沉积相互相叠加的多层结构特征。地层三分特征明显，下部主体为湖相沉积，向上经中部河、湖交互相沉积逐步过渡为上部的河流相沉积，不同沉积相内部还发育一系列次级旋回。为便于钻孔联合剖面内部的地层对比，本研究对一些小型次级结构进行了简要归并，并对一些准确厘定目标断层上断点和断距的小层进行了重点突出，共计8 层（图8、表1）。

表1 太平庄钻孔联合剖面年龄样品测试结果Table 1 Age sample test results of Taipingzhuang borehole joint profile

如图8 所示，地层①～④均被断层错断；地层⑤底界被错断，顶界未错断，根据年代地层分析，地层⑤属上更新统，表明该断层上断点已切入上更新统之中。太平庄钻孔联合地质剖面探测可识别的上断点埋深范围为33.9～41.1 m，该段地层沉积年龄代表断层最新活动时间。

图8 新乡-商丘断裂永城段太平庄钻孔联合地质剖面Fig. 8 Drilling joint geological profile of Taipingzhuang Borehole in the Yong Cheng segment of the Xinxiang-Shangqiu fault

根据太平庄钻孔联合地质剖面揭露的地层情况、标志层的错断和覆盖情况，结合钻孔测年数据，可以分析新乡-商丘断裂永城段在夏邑太平庄一带的活动特征，并计算不同时段的平均滑动速率（图9、表2）。表2反映了由不同标志层界面垂直位移和沉积年龄估算的第四纪不同时期断层平均滑动速率，可以看出，在中更新世中、晚期，断层垂直位移为3.06 m，断层平均滑动速率为0.014 mm/a，断层活动水平较低；在中更新世末，断层活动相对减弱，断层垂直位移为0.12 m，对应平均滑动速率为0.006 mm/a；在晚更新世早期，断层活动又相对减弱，断层垂直位移为0.04 m，对应平均滑动速率为0.002 mm/a；在晚更新世早中期，断层活动明显增强，断层垂直位移为0.49 m，对应平均滑动速率为0.136 mm/a；晚更新世中晚期以来，断层基本不活动。说明新乡-商丘断裂永城段在夏邑太平庄一带的最新活动时代为晚更新世早中期。

表2 太平庄剖面第四纪不同时期断层垂直位移及平均滑动速率Table 2 Fault vertical displacement and average slip rate of Taipingzhuang profile in different quaternary period

图9 新乡-商丘断裂永城段太平镇钻孔断错量随深度的变化曲线Fig. 9 Variation curve of Taiping town fault with depth in Yongcheng segment of Shangqiu-Xinxiang fault

4.2 班庄钻孔联合地质剖面

班庄钻孔联合地质剖面近平行于XS8 浅层地震勘探测线布置，偏西110 m 处。断层近地表控制在ZKB07 孔和ZKB06 孔之间，两孔间距10 m。

班庄钻孔联合剖面地层结构同样具有不同沉积相互相叠加的多层结构特征和三分特征，自下至上分别为湖相沉积、河湖交互相沉积和河流相沉积，并发育一系列次级旋回，可分为9 组小层（图10、表3）。

表3 班庄钻孔联合剖面年龄样品测试结果表Table 3 Age sample test results of Banzhuang borehole joint profile

图10 新乡-商丘断裂永城段班庄钻孔联合地质剖面图Fig. 10 Joint geological profile of Banzhuang borehole in the Yongcheng segment of the Xinxiang-Shangqiu fault

地层①～⑥均被断层所错断，地层⑦底界被错断，顶界未错断，根据本次年代地层划分，地层⑦属上更新统，表明该断层上断点已切入上更新统之中。火店镇班庄钻孔联合地质剖面探测可识别的上断点埋深范围为17～24 m，该段地层沉积年龄代表断层最新活动时间。

通过钻孔揭示的地层特征、标志层错断量和年龄样品测试结果，笔者计算了不同时段的平均滑动速率（图11、表4）。由表4 可知，以不同标志层界面垂直位移和沉积年龄估算的第四纪不同时期断层平均滑动速率可得出，在中更新世，断层垂直位移为11.89 m，断层平均滑动速率为0.020 mm/a，断层活动水平较低；在晚更新世早期，断层活动相对减弱，断层垂直位移为0.07 m，对应平均滑动速率为0.002 mm/a；在晚更新世早中期，断层活动相对增强，断层垂直位移为1.98 m，对应平均滑动速率为0.138 mm/a；晚更新世中期以来，断层基本不活动。说明新乡-商丘断裂永城段在夏邑火店镇一带的最新活动时代晚于晚更新世早中期。

表4 班庄剖面第四纪不同时期断层垂直位移及平均滑动速率Table 4 Vertical displacement and average slip rate of faults in different quaternary periods at Banzhuang section Fault vertical displacement and average slip rate of Banzhuang profile in different Quaternary period

图11 新乡-商丘断裂永城段班庄钻孔断错量随深度的变化曲线Fig. 11 Variation curve of Banzhuang fault with depth in Yongcheng segment of Shangqiu-Xinxiang fault

4.3 新乡-商丘断裂永城段活动特征分析

新乡-商丘断裂不同段落的活动性是判定地震危险性的主要依据之一，断裂带主断层的浅部几何结构、运动学方式和最新活动时代是探讨断裂带演化历史、区域构造应力环境和地震危险性等问题必不可少的因素。聊城-兰考断裂以西的延津段、封丘段已被证实为晚更新世活动断层，沿该断裂曾发生公元1737 年封丘5.5级地震和公元1978 年新乡4.5 级地震等；而夏邑-太和断裂以东的永城段断层最新活动性及时空变化特征是一个值得深入讨论的课题。

第四纪不同时期平均滑动速率对比结果表明，中更新世中、晚期，新乡-商丘断裂永城段在班庄一带的平均滑动速率较太平庄一带稍大；在中更新世末，主断层在班庄一带的平均滑动速率依然大于太平庄一带，断层活动相对较强；晚更新世早期，目标断层在太平庄、班庄的平均滑动速率明显变小，表明该时期断层活动减弱；晚更新世早中期，主断层在2 处的平均滑动速率显著增大，表明该时期断层活动比较强烈；晚更新世中期之后，目标断层在太平庄、班庄一带均停止活动。

5 结论

新乡-商丘断裂永城段是砀山凸起北部前缘断裂，控制着砀山凸起北部中-古生界的保存，第四纪以来主要表现为正断层活动特征，其水平走滑分量明显弱于新乡-商丘断裂延津段和封丘段。该断层具有多期活动的特点，古近纪并不控制沉积，新近纪以来活动性相对增强，新乡-商丘断裂永城段的可分辨最浅上断点进入了上更新统，最新活动时代为晚更新世早、中期，是一条隐伏的活动断层。

致谢 感谢河南省地质调查院在钻探工作中给予帮助，感谢审稿专家提出的宝贵意见和建议。