兰聊断裂南段构造样式与最新活动性分析1

李 涛 王志铄 高家乙 贺承广 沈 阳

1）河南省地震局, 郑州 450016

2）河南省地质调查院, 郑州 450001

3）河南省航空物探遥感中心, 郑州 450053

引言

兰聊断裂是河南省与山东省交界处一条活动性较强的大断裂，是东濮凹陷的边界断裂，同时也是华北盆地与鲁西隆起的分界线（王志铄，2017）。兰聊断裂周边地震活动频繁，曾发生过1502 年濮城6½级地震、1923 年濮城5 级地震和1937 年菏泽7 级地震等多次破坏性地震（刘凯等，2014）。兰聊断裂两侧现代地震丛集分布特征明显（郑建常等，2013；Li 等，2021）。中原油田自20 世纪70 年代开始跨兰聊断裂开展了大量地球物理勘探工作，中国地震局地质研究所、河南省地震局、山东省地震局等针对濮城地震、菏泽地震可能引起的发震断裂进行了多次浅层地震勘探与钻孔探测等相关研究（张成科等，1992；向宏发等，2000；郭秀岩等，2011；孙小龙等，2018；Jiang 等，2019）。漆家福等（2006）、王明健等（2011）、郑建常等（2013）、Li 等（2021）分别针对兰聊断裂的主断层建立了断层三维模型，基本明确了兰聊断裂主断层总体结构及构造样式。已有证据表明，兰聊断裂南段分为2 支，西支为东濮凹陷的控盆断裂，东支为东濮凹陷向鲁西隆起过渡的台地边缘断裂（Li 等，2021）。但据地震勘探剖面及构造图等资料，兰聊断裂南段并非仅由2 支主断裂构成。在兰考县附近与新乡-商丘断裂交汇处分布着多条斜列状分布的NEE 走向正断层，这些断层与兰聊断裂主断层走向呈大角度过渡。这些NEE 向断层与兰聊断裂的关系及兰聊断裂南段的构造样式问题尚无相关文献报道。此外，由于兰聊断裂周边发生过多次破坏性地震（郑建常等，2013；刘凯等，2014），且濮城与菏泽现代小震丛集分布，已有学者在断裂北段与中段开展过多次断层活动性研究（向宏发等，2000；郭秀岩等，2011；Li 等，2021），但断裂南段活动性有待证实。本文在跨兰聊断裂南段的石油地质勘探资料基础上，对断层构造样式进行分析，采用浅层地震勘探与钻孔联合剖面探测方法对兰聊断裂南段各分支进行活动性研究，为兰聊断裂整体运动模式、可能的发震构造判定及断裂周边地区潜在震源区划分提供依据。

1 区域地质背景

兰聊断裂南起兰考，北至山东聊城，全长约270 km，河南省内延伸约140 km。总体走向NNE，倾向NW，倾角50°～60°，具有上陡下缓犁式断裂特征（漆家福等，2006；王明健等，2011）。断距向深部逐渐增大，自新近系至奥陶系顶界，断距由100～200 m 增大至8 350 m，断层落差最大处在濮阳县梨园乡一带，向南北方向落差逐渐减小。兰聊断裂在三叠纪末已经形成，但主要在莘县凹陷附近发育，古近纪南延并成为东濮凹陷的东界，控制着东濮凹陷的形成。该断裂整体走向NNE，由若干条断裂组成断裂带。兰聊断裂长期持续活动，从三叠纪末印支期开始发育，直到近代可能仍在不断活动，1 502-1983 年沿断裂带发生了6 次5～7 级地震。在断裂带南段的沙河街组和东营组中分布有辉岩和玄武岩体，表明兰聊断裂是切入硅镁层的“岩石圈断裂”（于平等，2003）。

20 世纪50 年代以来，国内地质矿产勘查开发、油气勘探开发、地震活动断裂探测等工作，先后对东濮凹陷地层分布、断裂体系、构造单元特征、盆地演化等进行了总结与分析，并取得丰富的研究成果。

本文研究区地貌主要为冲积平原，新近纪以来长期处于稳定沉降状态，形成地势低平、开阔的黄河冲积平原、黄河河漫滩和风成沙丘，海拔高度为85～100 m。堆积地貌为研究区主要地貌成因，可分为黄河漫滩和黄河泛流平原。第四系地层发育良好，地表除个别地方出露上更新统外，绝大部分被全新统覆盖。

地球物理探测与钻孔探测资料揭示，东濮凹陷基底为上古生界，其上为新生界，局部有中生界，古生界与中生界最大厚度可达7 500 m 以上，新生界地层厚达7 000～9 000 m（河南省地质矿产局，1989）。东濮凹陷为新生代强烈下沉的断陷盆地，南部下沉幅度最大，北部次之，中间幅度最小，长垣以南仅第四系就厚达400 m。东濮凹陷走向与兰聊断裂走向一致，凹陷内部断裂发育，主要为高角度正断层，其次为NWW 向平移断层，活动性主要受兰聊断裂控制（王志铄，2017）。

2 地震反射剖面特征

本文收集了跨兰聊断裂南段多条石油地质地震反射剖面（图1），初步分析了兰聊断裂中深部结构特征。在此基础上，针对兰聊断裂南段的准确位置与断层上断点深度，跨断裂布设3 条浅层地震反射剖面，其中LL1 长4 520 m，LL2 长4 360 m，LL3 长3 400 m）。本文采用的观测系统和参数如下：采样长度3 s，采样间隔0.5 ms，M18/612 型可控源激发、道间距5 m，炮间距20 m，240 道接收，30 次覆盖。

2.1 中深层地震反射剖面

本文以跨兰聊断裂南段的4 条典型地震反射剖面为例，分析兰聊断裂南段的中深层构造样式，剖面位置如图1 所示。其中，AA'、BB'、CC'剖面为NW-SE 向，DD'剖面为NE-SW 向。4 条剖面双程反射时间均为6 s，对应深度约为10 km，从不同角度反映了兰聊断裂在上地壳的结构和构造样式。由AA'、BB'、CC'3 条剖面可知，兰聊断裂在深部由2 条近平行的盆地边界断层组成，断层倾角由北向南逐渐减小，AA'剖面中兰聊断裂浅部倾角＞60°，而CC'剖面中兰聊断裂倾角整体为40°左右（图2～图4），但从剖面上难以判断兰聊断裂的组合样式。剖面DD'及其他NE-SW 向剖面基本不与盆地边界断裂相交，但剖面中存在多条兰聊断裂的分支（图5），且分支断裂走向与主断裂完全不同，断裂走向自北向南由近NS 向转为近EW 向，分支断裂相对盆地边界断裂更为缓倾。从地层结构来看，兰聊断裂南段向下切穿了古生界进入结晶基底，向上切穿了新生界，并错断了部分第四系，这表明兰聊断裂南段为深部结构较复杂的深大断裂，且活动性较强，可能为第四纪中晚期活动断层，这与向宏发等（2000）、于平等（2003）的研究结论基本一致。

图1 兰聊断裂区域位置及其南段地球物理探测资料分布图Fig. 1 Location of the Lanliao fault and the distribution map of geophysical exploration data in its southern segment

图2 AA'地震反射剖面地质构造解译Fig. 2 Geological structure interpretation of AA' seismic reflection section

图3 BB'地震反射剖面地质构造解译Fig. 3 Geological structure interpretation of BB' seismic reflection section

图4 CC'地震反射剖面地质构造解译Fig. 4 Geological structure interpretation of CC' seismic reflection section

图5 DD'地震反射剖面地质构造解译Fig. 5 Geological structure interpretation of DD' seismic reflection section

2.2 浅层地震反射剖面

LL1、LL2、LL3 三条剖面跨兰聊断裂南段分支断层展布（图1），3 条浅层地震反射剖面揭示的震相丰富，反射能量较强，剖面地层特征明显。在双程走时1.6 s 之上共解译了4 组特征明显的地层反射，其在图中分别标识为T01、T02、TQ、TN。

从3 条剖面中各反射波组的横向连续性来看，T01及以上反射波同相轴均具有较好的横向连续性，未发现断层迹象；T02及以下的地层反射在断层附近表现出明显的同相轴扭曲、错断现象，反映了兰聊断裂南段分支断层的存在。据此在3 条剖面上分别解译了多条分支断层（图6～图8），其中，LL1 剖面标识为FP0701、FP0702 断层，LL2 剖面标识为FP0501 断层，LL3 剖面标识为FP0101、FP0102 断层。各剖面中断层上断点深度是，FP0701 断层错断T02界面，上断点埋深约81 m；FP0702 断层错断T02界面，上断点埋深约146 m；FP0501 断层错断T02界面，上断点埋深约129 m；FP0101 断层错断T02界面，埋深约112 m；FP0102 断层错断TQ界面，上断点埋深约170 m。

图6 LL1 浅层地震反射剖面Fig. 6 Seismic reflection migrated section of line LL1

图7 LL2 浅层地震反射剖面Fig. 7 Seismic reflection migrated section of line LL2

图8 LL3 浅层地震反射剖面Fig. 8 Seismic reflection migrated section of line LL3

3 钻孔联合剖面特征

3.1 官庄钻孔联合剖面

官庄钻孔联合剖面沿LL1 浅层地震反射剖面开展，断层上断点在ZKG07 孔和ZKG05 孔之间，两孔间距为6 m（图9）。

图9 官庄钻孔联合剖面Fig. 9 The composite drilling geological section of Guanzhuang

根据官庄钻孔联合剖面地层岩性特征，对比分析该钻孔联合地质剖面的年代学样品测试结果（表1），将本钻孔联合剖面地层进行初步划分。本文选择合理的年龄作为依据，根据取样深度，分段计算剖面地层的平均沉积速率。由于年代学样品均位于断层下盘或上覆层，主要参照断层下盘取样深度。该剖面划分的全新统底界埋深为40.47 m，该深度样品年龄值为11.7 ka。其他年代学样品数据见表1，据表1 中样品深度与距今年龄，可求得埋深为0～20.13 m、40.47～57.38 m、57.38～65.79 m、65.79～79.03 m、79.03～88.10 m、88.10～98.70 m、98.70～119.14 m 的地层平均沉积速率分别为21.19、0.30、0.06、0.43、0.39、0.03、0.35 mm/a。由平均沉积速率计算得到断层下盘各标志层顶、底界的沉积年龄，如表2 所示。

表1 官庄钻孔联合剖面年龄样品测试结果Table 1 Test results of age samples of the Guanzhuang composite drilling geological section

表2 官庄钻孔联合剖面主要标志层断距与沉积年龄Table 2 Fault throw and sedimentary age table of marker layers in the Guanzhuang composite drilling geological section

官庄钻孔联合剖面可识别的上断点埋深为67.51～68.95 m，据此认为自该段地层沉积后，未发生明显的断层活动，该段地层沉积年龄即为断层最新活动时代。根据前文所述，估算断层下盘65.79～79.03 m 深度范围内地层平均沉积速率为0.43 mm/a，据此推算上断点埋深区间地层沉积年龄为281.00～284.35 ka BP，因此判定该断层属于中更新世断层。

标志层顶、底界的断距近似等于该界面开始沉积以后断层发生的累积垂直位移，由此获得不同时期断层的垂直位移，估算相应时期的垂直平均滑动速率，如表3 所示。由表3 可知，该分支断层中更新世早期的活动性偏弱，中期活动性较弱，晚期活动性较强，末期以来基本未活动。

表3 官庄钻孔联合剖面第四纪不同时期断层垂直位移与平均滑动速率Table 3 Vertical displacement and average slip rate of faults in different periods in Guanzhuang section

3.2 孔庄钻孔联合剖面

孔庄钻孔联合剖面沿LL2 浅层地震反射剖面开展，断层上断点在ZKK05 孔与ZKK06 孔之间，两孔间距为6 m（图10）。

图10 孔庄钻孔联合剖面图Fig. 10 The composite drilling geological section of Kongzhuang

根据孔庄钻孔联合剖面地层岩性特征，结合区域对比，参考孔庄钻孔联合剖面采集的年代学样品测试结果（表4），对本钻孔联合剖面探测的地层进行初步划分。根据取样深度，分段计算剖面地层的平均沉积速率。由于年代学样品均位于断层下盘或上覆层，主要参照断层下盘取样深度。据表4 中样品深度与距今年龄数据，求得埋深为0～22.11 m、22.11～57.78 m、57.78～66.53 m、66.53～78.70 m、78.70～117.45 m、117.45 m 的地层平均沉积速率分别为2.07、0.17、0.12、0.16、0.11、0.16 mm/a。由平均沉积速率计算得到断层上盘各标志层顶、底界的沉积年龄，结果如表5 所示。

表4 孔庄钻孔联合剖面年龄样品测试结果Table 4 Test results of age samples of the Kongzhuang composite drilling geological section

孔庄钻孔联合剖面探测可识别的上断点埋深为63.75～69.41 m，该段地层沉积年龄代表断层最新活动时间。当上断点埋深为57.78～66.53 m、66.53～78.70 m 时，前文估算对应的地层平均沉积速率分别为0.12、0.16 mm/a，计算得到上断点埋深层段沉积年龄为271.3～312.7 ka BP，说明兰聊断裂在兰考县孔庄一带的最新活动时代为中更新世晚期。

由表5 可知，标志层B6 底界对应沉积年龄为271.3 ka BP，断层未错断；标志层B5 顶界对应沉积年龄为312.7 ka BP，断距为0.30 m，表明在312.7 ka BP 以来，断层累积垂直位移为0.30 m；标志层B1 底界对应沉积年龄为737.3 ka BP，断距为4.48 m，表明在737.3 ka BP 以来，断层累积垂直位移为4.48 m。据此计算得到B6 底界至B5 顶界地层垂直位移为0.30 m，即断层在271.3～312.7 ka BP（相当于中更新世晚期）的垂直位移为0.30 m；B5 顶界至B1 底界地层垂直位移为4.18 m，即断层在312.7～737.3 ka BP（相当于中更新世早、中期）的垂直位移为4.18 m。

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如表6 所示，由表6 可知，在中更新世早、中期，断层垂直位移为4.18 m，断层平均滑动速率为0.010 mm/a，断层活动水平较低；在中更新世晚期，断层活动相对减弱，断层垂直位移为0.30 m，对应平均滑动速率为0.007 mm/a；中更新世晚期以来，该分支断层基本未活动。

表6 孔庄钻孔联合剖面第四纪不同时期断层垂直位移及平均滑动速率Table 6 Vertical displacement and average slip rate of faults in different periods in Kongzhuang section

3.3 北宋庄钻孔联合剖面

北宋庄钻孔联合剖面沿LL3 浅层地震反射剖面开展，断层上断点在ZKS06 孔和ZKS07 孔之间，两孔间距为10 m（图11）。

根据北宋庄钻孔联合剖面地层岩性特征，结合现有资料，对比分析该钻孔联合剖面年代学样品测试结果（表7），对本钻孔联合剖面探测区地层进行初步划分。据表7 中样品深度与距今年龄数据，求得埋深为0～21.03 m、21.03～50.48 m、50.48～60.14 m、60.14～93.73 m、93.73～103.89 m、103.89～118.31 m（相当于上盘120.56 m）、118.31～131.81 m 的地层平均沉积速率分别为0.90、0.30、0.047、0.13、0.19、0.11、0.28 mm/a。由平均沉积速率计算得到断层各标志层顶、底界的沉积年龄，如表8 所示。

表7 北宋庄钻孔联合剖面年龄样品测试结果Table 7 Test results of age samples of the Beisongzhuang composite drilling geological section

表8 北宋庄钻孔联合剖面主要标志层断距与沉积年龄Table 8 Fault throw and sedimentary age table of marker layers in the Beisongzhuang composite drilling geological section

该断层切穿的最新层位为第4 层的底界、B4 标志层的顶界，地层对比及一系列样品年代学数据显示，该层位沉积时代为中更新世。断层上断点尚未进入B5 标志层，B5 标志层及上覆层采集的样品年代学数据均显示为中更新世，故认为该分支断层最新活动时代为中更新世。

由于研究区属于黄泛区，河流侵蚀或侧向加积易引起标志层在横向上发生明显的厚度变化（图11），同时，季节性洪水也会导致局部沉积厚度变化，因此钻孔联合剖面中局部可能出现下部标志层垂直位移略小于上部标志层，但各标志层自下而上垂直断距整体变小的趋势表明断层存在同沉积活动现象，这是断层同沉积活动与河流侵蚀（堆积）共同作用的结果。

图11 北宋庄钻孔联合剖面图Fig. 11 The composite drilling geological section of Beisongzhuang

北宋庄钻孔联合剖面探测可识别的上断点埋深为102.63～103.27 m，据此认为自该段地层沉积之后，断层未发生明显的活动，该段地层沉积年龄即为断层最新活动时代。根据前文所述，估算埋深为93.73～103.89 m的地层平均沉积速率为0.19 mm/a，据此推算上断点埋深区间地层沉积年龄为634.8～638.2 ka BP。因此，确定该断层为中更新世早中期断层。

标志层顶、底界的断距近似等于该界面开始沉积以后断层发生的累积垂直位移，由此获得不同时期断层的垂直位移，估算相应时期的垂直平均滑动速率。依据表8 中北宋庄钻孔联合剖面各标志层顶、底界的沉积年龄及断距，计算得到该剖面第四纪不同时期断层垂直位移与平均滑动速率，如表9 所示。由表9 可知，该分支断层在官庄一带中更新世早期或更早的活动性较弱，中更新世早中期活动性相对较强，中更新世中期以来断层基本未活动。

表9 北宋庄钻孔联合剖面第四纪不同时期断层垂直位移与平均滑动速率Table 9 Vertical displacement and average slip rate of faults in different periods in Beisongzhuang section

4 构造样式分析

郑建常等（2013）、Li 等（2021）研究了兰聊断裂主断层及其附近的地震丛集分布与断裂构造样式，认为兰聊断裂主断层为中间缓、两端陡的“马鞍形”，导致断裂北部濮城附近在右旋走滑作用下应力积累；向宏发等（2000）、郭秀岩等（2011）利用浅层地震反射法对兰聊断裂鄄城段浅部开展了相关探测，认为兰聊断裂主断层中段浅部（双程反射时间500 ms）为一条倾向西的断层，视倾角达80°以上，且具有上陡下缓的趋势。

吴智平等（2013，2016）利用丰富的三维地震反射资料对渤东地区典型走滑断裂模式进行了详细分析，提出一系列断裂类型与形态模式。根据兰聊断裂南段中深层地震反射剖面，位于盆地边缘的兰聊断裂南段由北向南走向出现大角度转变，其构造样式与吴智平等（2013）总结的拉张-走滑断裂形态模式一致，且与Woodcock 等（1986）提出的伸展叠瓦扇结构吻合。同时，兰聊断裂处于华北地区水平挤压主应力状态（万天丰，2011），整体上与郯庐断裂走向近平行，同样具有明显的右旋走滑分量（郑建常等，2013；Li 等，2021），因此兰聊断裂南段的构造应力状态及走滑运动方向与Cabrera 等（1988）提出的伸展叠瓦扇（马尾扇）结构一致（图12）。据此判断隐伏的兰聊断裂南段构造样式为走滑断裂尾端的伸展叠瓦扇（马尾扇）结构。

图12 伸展叠瓦扇（马尾扇）结构示意（Cabrera 等，1988）Fig. 12 Schematic diagram of extensional imbricate fans （Cabrera et al., 1988）

根据兰聊断裂剖面特征、活动性与构造样式，兰聊断裂古近纪及以前为东濮断陷盆地的边界断层，且以生长性伸展运动为主，断距大，长时间处于弱补偿或非补偿状态，形成了较厚的古生界及巨厚的古近系；新近纪以来，受西部印度板块持续挤压引起的远场效应影响，兰聊断裂及周边区域构造应力场发生了重大变化，区域主应力由EW 向水平拉张逐渐转为水平挤压（万天丰，2011），同时，伴随着太平洋板块向NW 向俯冲，2 个方向应力叠加，使相对破碎的华北克拉通内部块体（朱日祥等，2012）之间形成了大量左旋走滑断裂，其中，NNE 向与NE 向断裂表现为右旋走滑特征，NWW-NW 向断裂则表现为左旋错动（张扬等，2018）。郯庐断裂带也是在这种背景下形成的晚第四纪活动断层（杨源源等，2019）。这些因素的综合作用导致兰聊断裂主断层新近纪后以挤压走滑运动为主，随着走滑量逐渐增大，断层南端受兰考凸起阻挡，无法继续向南延伸，形成与主断层大角度相交的正断层，产生尾端“刹车”作用（Liu 等，2022），这种现象在华北第四系覆盖区广泛存在，是NE-NNE 向断层活动的重要运动模式。

5 结论

本文通过整理分析石油地质勘探剖面，并跨兰聊断裂布设3 条浅层地震反射剖面与3 条钻孔联合剖面，获得了断裂深、浅部构造特征和最新活动性质,得到以下结论：

（1）兰聊断裂南段深部由多条分支断裂组成，其中东濮凹陷边界主断裂为2 条近NS 向断裂，盆地内部派生多条NEE 向或近EW 向断层，由于兰聊断裂整体右旋走滑，兰聊断裂南段构造样式为走滑断层尾端的伸展叠瓦扇（马尾扇）结构。

（2）浅层地震反射剖面中新近系与第四系产状平缓，表明兰聊断裂南段新近纪以来以继承性发育为主，断裂浅部在剖面上表现为平行排列或负花状构造样式。

（3）跨断层钻孔联合剖面揭露的兰聊断裂南段各分支断层均未错断上更新统，最新活动时代为中更新世。不同分支活动性与活动强度不一，其中，官庄钻孔联合剖面显示该分支断裂中更新世晚期活动性较强，孔庄钻孔联合剖面显示该分支断裂中更新世活动水平总体不高，北宋庄钻孔联合剖面显示该分支断裂中更新世早期活动性很弱，而中更新世早中期活动性相对较强。中更新世晚期以来，兰聊断裂各分支均未活动。

致谢 感谢中原油田提供地震反射剖面数据，感谢审稿人为本文提出宝贵意见和建议，感谢各位编辑的耐心审核与辛苦付出！