开封断裂第四纪活动特征1

孙 杰 张予川 徐婉君 李 涛 张 扬

1）河南省地震局, 郑州450016

2）开封市地震局, 河南开封 475000

引言

黄河流域是中华文明的发祥地，是我国人口活动和经济发展的重要区域。同时，黄河流域也是我国遭受地震灾害最为严重的地区之一。地震灾害不仅给人民生命财产安全造成巨大损失，同时严重威胁着黄河下游悬河段河堤安全。1937 年8 月1 日菏泽发生7.0 级地震，菏泽、濮阳等境内的黄河大堤普遍出现裂缝，同时伴有涌水冒砂现象。东明县菜园集镇黄庄黄河大堤被地裂缝切断，两盘落差达1.2 m，菏泽刘庄黄河大堤堤顶裂缝长约100 m，宽30 cm（王学潮等，2001）。所幸地震发生时并未与洪峰遭遇，否则后果不堪设想。

隐伏断裂的准确定位和活动性研究是活动构造研究中一个重要方向。由于黄河下游人口密度高，经济发达，地表被厚层第四系所覆盖，且原生地貌已被人类活动进行频繁改造，给断裂研究工作带来巨大困难。查明隐伏断裂的位置及活动性对于科学规划城市建设及保障基础设施、重大生命线工程安全具有重要意义。随着全国城市活断层探测项目的陆续开展，利用浅层地震勘探结合钻孔联合探测方法研究隐伏断裂的活动特征已取得较多研究结果，并成为研究隐伏断裂几何展布和断裂活动性的重要手段（邓起东等，2003；柴炽章等，2006；刘保金等，2008；雷启云等，2014；Liang 等，2018；Yu 等，2019；李峰等，2021）。

本文通过在开封开展浅层地震探测和联合地质钻探工作，对开封断裂（郑州-开封断裂带分支断裂）的空间展布、浅层构造变形及断裂活动性进行深入分析与探讨，得到一些新的认识和发现。研究成果为郑州-开封断裂带研究提供了有益补充，对开封市城乡规划、黄河下游地震区划划分和地震危险性评价具有一定的科学意义。

1 区域构造背景

郑州-开封断裂带是黄河下游一条重要的隐伏断裂带，该断裂为开封凹陷的南边界控制断裂，是一条区域性深大断裂，由多期活动构造叠加而成，控制着区域沉积作用和断块的发育演化（闫震鹏，2009；王志铄等，2018；宋佳佳等，2021）。该断裂带西起郑州，向东经中牟县、杏花营镇、开封县，向北东延伸，与新乡-商丘断裂相交（图1）。断裂走向近EW 向，倾向N，倾角由浅部向深部逐渐变缓，为铲式正断层。该断裂由多条近东西向次级断裂构成，由西向东依次可划分为上街断裂、须水断裂、中牟断裂、中牟北断裂和开封断裂。目前针对该断裂带郑州段已开展过较为详细的活动断裂探测与研究，而对其东段研究较少。闫震鹏（2009）认为该断裂持续控制着区域沉积作用；王晶等（2021）利用冲积河流对地表形变的敏感性，提取了黄河郑州-济南段地表形变特征，认为该断裂现今仍具有活动性；王志铄等（2018）认为该断裂平面上具有波状起伏特点，地震剖面呈上陡下缓、具有明显转折点的“L”型断层，第四纪已停止活动。

图1 区域地质构造图Fig. 1 Regional tectonic map

开封凹陷位于河南中北部，是中生代形成的规模宏大的沉积凹陷之一（王定一等，1994）。以盘谷寺-新乡断裂和新乡-商丘断裂为界，其北侧与太行山隆起、汤阴凹陷、内黄隆起、东明凹陷和鲁西隆起相邻；以郑州-开封断裂为界，南部与太康隆起和豫西隆起相邻。该凹陷是经历了早白垩、古近系两期剪切拉伸作用形成的断陷型凹陷，主要构造走向为EW 向。受边界活动性断裂影响，该凹陷长期处于沉降阶段，新近系厚达3 000 m，第四系厚约400 m。

2 浅层地震勘探

开封断裂为开封凹陷南部斜坡带前缘断裂，为确定开封断裂的具体位置，本文首先收集了开封地区11条石油及煤田地震剖面，初步确定开封断裂空间展布，在此基础上，横跨开封断裂布设4 条浅层地震勘探测线（图2），其中ZK1 与ZK4 探测其西支断裂，ZK2 与ZK3 探测其东支断裂。

图2 地震勘探测线位置图Fig. 2 Location map of seismic exploration line

观测系统采用240～320 道接收，道间距为4～5 m，炮点距为16～20 m，覆盖次数为30～40 次，中间激发；地震仪器使用428XL 数字地震仪，采样间隔为0.5 ms，记录长度为3 s，前放增益为12 dB，记录格式为SEG-D，全通带接收，具体参数如表1 所示。

表1 观测系统参数表Table 1 Parameter table of the observation system

开封断裂ZK1 与ZK4 测线偏移时间剖面如图3 所示。该测线沿开封市一大街由南向北布设，南起一大街南端尽头，北至一大街与宋城路交叉口；ZK4 测线沿迎宾路由南向北布设，南起芦花岗村村北，北至迎宾路包公湖。该剖面揭示的反射震相比较丰富，反射能量也较强，整个剖面地层特征较为明显。在双程走时1 500 ms 以上共解译了4 组特征明显的地层反射，在图中分别标识为T01、T02、TQ、T1。在ZK1 测线4 075 m（FP1）处和4 820 m（FP2）处、ZK4 测线3 962 m（FP3）处可见明显断点，T01 以下的反射波存在明显的波形紊乱和同相轴扭曲、错段现象，断裂倾向北，视倾角约70°～80°。根据断裂空间展布关系分析，以上断点均属于开封断裂。根据时间深度转换关系，测线ZK1 上断点埋深约为95 m 和98 m，垂直断距约为3～5 m；测线ZK4 上断点埋深约为139 m，垂直断距约为5～8 m。

图3 ZK1 和ZK4 地震反射时间剖面及其解译成果Fig. 3 Seismic reflection time profile and geological interpretation for survey line ZK1 and ZK4

开封断裂ZK2 测线偏移时间剖面如图4 所示。该测线延经二路由南向北布设，南起经二路与S327 交叉口，北至阮楼村。在双程走时1 500 ms 以上共解译了4 组特征明显的地层反射，在图中分别标识为T01、T02、TQ、T1。在ZK2 测线3 190 m（FP4）、6 875 m（FP5）和9 228 m（FP6）处可见明显的断点。根据断裂位置和空间形态，FP4断点属于中牟断裂，FP5断点属于开封断裂，FP6断点属于开封断裂反向分支断裂。其中FP5上断点埋深约74 m，垂直断距为2～4 m；FP6断裂错断T02 界面及以下地层，上断点埋深约216 m，垂直断距约为20 m。为查明开封断裂在ZK2 线FP5上断点的上延情况，在此处布设1 条2 m 道间距的详查测线，FP5上断点可识别埋深为50 m，此处垂直断距约为2～3 m。

图4 ZK2 测线地震反射时间剖面及其解译成果Fig. 4 Seismic reflection time profile and geologic interpretation for survey line ZK2

开封断裂ZK3 测线偏移时间剖面如图5 所示。该测线南起杨砦村东，北至大牛砦村北。在ZK3 测线3 180 m 处可见明显的断点（FP7）。该断层为倾向北的正断层，在错断T01 界面后继续向上延展，上断点埋深约为45～50 m，该深度上的垂直断距约为1～3 m。

图5 ZK3 测线地震反射时间剖面及其解译成果Fig. 5 Seismic reflection time profile and geologic interpretation for survey line ZK3

通过浅层地震勘探工作，查明开封断裂浅部分为东、西2 支，其中ZK2 与ZK3 测线上断裂在错断T01界面后继续向上延展，ZK1 与ZK4 测线上断裂错断至T01界面底部，根据ZK2 测线附近开封市标准钻孔探测，当地第四系深362.5 m，中更新统深167.5 m，上更新统深50.9 m，全新统深19.8 m。开封断裂东支活动性较强，可能为晚更新世活动断层；西支活动性较弱，应为中更新世断裂（表2）。

表2 勘察断点参数表Table 2 Parameter table of the upper offset point of fault

3 跨断层的钻孔联合探测

为确定开封断裂东支最新活动年代，本文在ZK2 测线上布设了1 条钻孔联合剖面LH2，该剖面位于开封市东部，走向北西，与地震勘探ZK2 测线重合，跨越开封隐伏断裂。该钻孔联合剖面全长100 m，共由12 个钻孔组成，最大孔间距20.0 m，最小孔间距5.0 m，单孔最大深度100.1 m（Z4），最小深度38 m（Z12），剖面总钻进深度为940 m（图6）。

图6 LH2 钻孔联合探测地质剖面Fig. 6 Composite geological profile of LH2

根据钻孔岩心地质编录、岩性特征、沉积旋回特征等分析，LH2 钻孔联合剖面地层由上向下主要分为6 层，具体如下：

（1）第①层，底界埋深18.5～19.0 m。该层主要由黄棕色黏土、浅棕色粉砂质黏土组成，与下伏地层界线明显，在16 m 处有1 套连续厚10～50 cm 的灰黑色泥碳层。

（2）第②层，底界埋深34.56～36.20 m。该层由黄棕色细砂、中砂、灰棕色粗砂组成，由顶至底沉积物粒径逐渐增大，岩性表现为“细砂-中砂-粗砂”的特征，与上伏地层可视为一个沉积旋回。

（3）第③层，底界埋深51.19～52.99 m。该层由黄棕色黏土、灰棕色粉砂、细砂组成，岩性上表现为

“黏土-粉砂-细砂”的特征，为河流冲积相沉积。该层在41 m 处有1 套连续厚约20～100 cm 的灰黑色泥碳层。钻孔Z3 在该层44.79 m 处打穿断层面，断层上盘为灰褐色粉质黏土，下盘为棕黄色粉土逐渐过渡至棕黄色粉砂，断层面倾角约65°。

（4）第④层，底界埋深59.31～65.17 m，整体由南向北逐渐加深。该层由灰棕色黏土、深棕色黏土、棕黄色粉砂质黏土组成，岩性上表现为“黏土-粉砂质黏土”的特征，颜色表现为“灰棕色-深棕色-棕黄色”。

（5）第⑤层，底界埋深78.48～87.00 m，由南向北逐渐变深。该层主要由深棕色黏土、灰棕色泥质粉砂、浅棕色粉砂组成，岩性上表现为“黏土-泥质粉砂-粉砂”的特征，颜色由深棕色向浅棕色渐变。

（6）第⑥层，未揭穿，顶界由南向北逐渐加深，部分钻孔顶界变浅。该层主要由棕黄色泥质粉砂、浅棕色黏土、灰黄色粉砂质黏土组成，岩性上表现为“泥质粉砂-黏土-粉砂质黏土”的特征，颜色由棕黄色向灰黄色渐变。

根据前人在该地区开展的关于地层学和古环境研究2河南省平原第四纪地质图及地质图说明书（1/50 万）. 郑州：河南省地质局.开封市活动断层探测与地震危险性评价. 郑州：河南省地震局.，结合本钻孔地层年代测试结果及已有年代学地层地质资料，对本钻孔联合剖面探查区的地层进行划分，具体如下：地层①为全新统，地层②、地层③为上更新统，地层④至地层⑥为中更新统。

由图6 和表3 可知，地层⑥～③均被断层所错断，断距自下而上依次减小，地层①未被错断，地层②底界已被错断。地层②、地层③、地层④、地层⑤底界在Z9 和Z5 之间存在错断，35～37 m 处位移量约为0.75 m，50～52 m 处位移量约为1.7 m，62～66 m 处位移量约为3.1 m，80～88 m 处位移量约为7.1 m。LH2 联合钻孔剖面断层走向东西，倾向北西，可识别的上断点埋深为27～35 m，位置处于钻孔Z9 与Z3 之间，该断层为晚更新世断层。

表3 钻孔联合剖面主要地层层断距Table 3 Respective displacement of the mark layer in composite geological profile

4 讨论与结论

4.1 讨论

本文根据浅层地震勘探确定了开封断裂的空间形态，开封断裂走向由杏花营镇、开封县的近EW 向，向东在开封县转为NEE 向与新乡-商丘断裂相交，中牟断裂走向在开封范村乡由近EW 向逐渐转为NEE 向。郑州-开封断裂并未向东延伸至杞县、宁陵北（王志铄等，2018），前人认为郑州-开封断裂杞县至宁陵县段应为民权凹陷南界控制断裂。

开封断裂活动性由西向东逐渐增强，根据浅层地震勘探和钻孔联合剖面结果发现，开封断裂东支上断点埋深为27～35 m，错断晚更新世地层；西支活动性相对较弱，根据浅层地震勘探，其上断点埋深约100 m，西支为中更新世断裂。郑州-开封断裂带内其它断裂同样存在东段较西段活动性强烈的特征。根据郑州市活动断层探测结果，中牟断裂和中牟北断裂郑州市区均为前第四纪断裂；而在开封市区，根据ZK2 浅层地震测线显示，中牟断裂已错断至中更新世地层。

根据浅层地震勘探，郑州-开封断裂带中主要断层均表现为明显的上陡下缓铲状正断层特征；而新乡-商丘断裂在浅层地震剖面则表现为一系列花状与负花状构造（侯江飞等，2021）。这表明2 条断裂在开封凹陷形成、发育及演化的过程中起着不同作用。

4.2 结论

本文跨开封断裂布设4 条浅层地震勘探测线，结合浅层地震勘探成果布设了1 条跨断层联合钻孔剖面，获得了开封断裂的浅部构造特征和最新活动时代，初步得到以下认识：

（1）浅层地震勘探结果显示，开封断裂分为东、西2 支，西支走向EW，东支由近EW 逐渐向东转为NEE。上断点埋深由西向东逐渐变浅，反映出该断裂活动性由西向东逐步增强。

（2）跨断层钻孔联合剖面揭露出开封断裂东支断裂可识别的上断点埋深为27～35 m，结合本区第四系地层发育情况及钻孔地层年龄结果，认为开封断裂东支断裂为晚更新统活动断裂。

致谢 本文浅层地震勘探数据采集由河南省航空物探遥感中心完成，野外探测期间开封市应急管理局给予了大力支持与配合，同时审稿专家对稿件提出了宝贵意见，在此一并表示感谢。