华北平原沧县隆起边界断裂的第四纪活动性及深部构造特征

彭远黔,冉志杰,高武平,朱坤静

(1.河北省地震局,河北 石家庄 050021;2.天津市地震局,天津 100081;3.邯郸市地震监测中心,河北 邯郸 056002)

0 引言

华北平原是在古老的克拉通块体上发育起来的中、新生代板内裂陷盆地,区域内发育了许多整体呈北东向展布的具有巨厚新生代沉积的坳陷(如冀中坳陷、黄骅坳陷等)和穿插于其间的地垒式隆起(如沧县隆起、埕宁隆起)。这些坳陷与隆起形成了华北平原区独特的隆-坳相间的构造格局,也使华北平原的上地壳结构非常复杂[1]。位于冀中坳陷与黄骅坳陷之间的沧县隆起[图1(a)],其与两侧区域的壳内介质结构、地壳厚度、沉积盖层厚度都相差比较悬殊,其东缘的主边界断裂——沧东断裂,是沧县隆起与黄骅坳陷的分界,也是渤海湾裂谷盆地西侧规模最大的断裂,产生于由古生界地层组成的背斜上,属印支—燕山旋回的产物,断裂活动控制着中生界和新生界沉积[2],其活动和发展直接控制了沧县隆起和黄骅坳陷的发育与演化。

前人对沧东断裂从不同角度做过研究,有关沧东断裂的研究资料和文献比较多,提出了一些有意义的见解[3-8]。据横穿沧东断裂的110多条石油地震剖面获得断裂地质结构特征,主要有勺形、椅形、阶形和坎形[3],利用地震剖面和地球物理资料获得断裂地质演化基本特征,开始形成于晚侏罗世,在中生代早中期为逆冲断层,中生代晚期至新生代转为正断层[6,9-10];依据石油地震地质解释剖面和浅层地震勘探资料、以及地壳上地幔速度结构剖面,获得断裂的深、浅部构造特征,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[6]。此外,一些学者在沧东断裂山岭子东段开展了详细研究工作[7-8]。沧东断裂隐伏于平原之下,加之不同学者的研究资料和研究范围各有侧重,对断裂的晚第四纪活动整体认识有待深入研究。本文通过收集和分析近三十年来跨沧东断裂的5条浅层地震勘探剖面,结合测线附近的钻孔资料,对沧东断裂额第四纪活动特征进行深入研究,以期可为该区的地震预测与灾害预防、工程稳定性评价、土地利用及城市规划服务等提供参考。

1 区域地质背景

1.1 沧东断裂的空间展布特征

沧县隆起的边界沧东断裂,北起天津宁河,向南经葛沽、小站、沧州、泊头、东光、吴桥、德州,直至临清附近(如图1),长约350 km,倾向南东,为右旋张扭性正断层[11]。在平面上NNE向主断层和NNW断层形成锯齿状展布,石油地震剖面显示其为基底滑脱型的铲式正断层。

图1 沧东断裂展布及浅层地震勘探测线位置图(引自高战武等资料修改,2000)Fig.1 Distribution of Cangdong fault and location of shallow seismic exploration lines

基于沧东断裂不同区段的产状、活动强度等差异,可以德州为界将其分为南北两段[6]。南段为德州—临清段,长约100 km,断裂呈直线状延伸,倾向SEE,控制着临清坳陷的德州和冠县两个凹陷。北段是沧县隆起的东界断裂,长约250 km。该段以泊头和唐官屯为界可进一步分为三段:①德州—泊头段,断面为铲状形态,倾向SEE,水平拉张断距1 km左右,它控制南皮和东光两个凹陷;②泊头—唐官屯段,平面上略呈舒缓波状分布,断面为铲状,倾角很缓,水平拉张7～10 km,它控制沧东凹陷发育,早更新世至中更新世期间该断裂段还有活动;③唐官屯以北,断裂产状变化较大,平面上以NNE和NWW两组断裂呈锯齿状分布,断面呈平面和铲状,水平拉张3～4 km,它控制北塘和板桥凹陷的发育。

1.2 区域第四纪地层

华北平原第四系广泛分布且沉积厚度大。多年来,研究者对沧州地区以及天津地区的第四系进行了较系统的研究。根据已有研究结果[12],沧州地区第四系自下而上可划为固安组、杨柳青组、欧庄组和全新统,各组地层特征如下:

全新统(Qh):为河流相沉积,岩性为砂质黏土及薄层粉砂、细砂组成。

针对沧州一带上述地层的发育厚度,前人曾给出了不同结果(1)河北省工程地震勘察研究院.沧东断裂沧州段(朔黄铁路-307国道)活动性探测及地震地质评价.2004.(2)中国地震局地球物理研究所.河北省城市活断层探测与地震危险性评价项目沧州市活断层探测与地震危险性评价分项目技术报告.2014.,对比结果如表1所列。

表1 前人关于沧州地区第四系厚度的划分结果Table 1 Previous division results of Quaternary thickness in the Cangzhou area

天津地区第四纪地层的成因类型主要受地貌及沉积环境所控制,沉积类型主要以陆相沉积为主[13],而且在天津南部平原区的沉积物厚度大。该区地层的主要特征如下:

全新统(Qh):底板埋深20 m左右。顶部多有人工填土,上段为沼泽相和泻湖相等有机质及植物根茎较多;中段主要为海相及泻湖相,岩性为淤泥质亚砂—亚黏土;下段为海侵前的滨海沼泽相沉积,岩性以亚黏土,亚砂土为主。

2 浅层地震剖面特征

自1996年以来,河北省工程地震勘察研究院、中国地震局地质研究所、沧州市地震局、自然资源部水文地质工程地质技术方法研究所、天津大港油田陆海物探工程公司和天津市地震局等单位,先后应用反射波覆盖技术多次在沧东断裂的不同段落进行过断裂探测,积累了许多重要勘探成果与资料。本文重点选取其中为代表性的5条浅层地震勘探测线,并对其中的3条测线数据进行重新处理,根据浅层地震剖面揭示的信息来综合分析沧东断裂的第四纪活动性。

2.1 WC-1浅层地震勘探测线

该测线由河北省工程地震勘察研究院完成(3)河北省工程地震勘察研究院.故城县郑口运河大桥及引线工程项目工程场地地震安全性评价报告.2008.,位于沧东断裂南段的德州武城县赵庄村南(图1),剖面全长718 m。探测过程采用70 kg冲击夯激发地震波,由美国Geometrics公司Strata Visor NZXP地震仪记录,道间距5 m,6次覆盖观测系统。

探测结果显示,WC-1测线剖面的信噪比较高(图2),剖面上解释了4个反射界面T1～T4,整体上T1～T3各层比较平缓,层间距比较稳定。而T4界面在位于剖面桩号305 m附近缺失,清晰地显示出断裂构造,断裂倾向E,为正断层。

图2 沧东断裂南段WC-1测线浅层地震勘探剖面及地质解释图Fig.2 Shallow seismic exploration profile and geological interpretation map of surveying line WC-1 in the southern segment of Cangdong fault

根据反射波数据处理时的叠加速度和不同界面反射双程到时t0,通过迪克斯(DIX)公式获得各层的平均速度,可进一步提取出剖面深度的信息。测线西侧约18.0 km的地热井(南宫段芦头,孔深1 563 m)和5.5 km的故18钻孔资料(水文地质钻孔,孔深376 m),以及区域的第四系地层资料,可以推断出剖面中的T1、T2界面分别对应全新统、上更新统底界;T3为中更新统地层中的反射面;T4为对应下更新统底界。其中第四系全新统、上更新统、中更新统和下更新统底板埋深分别为75 m、181 m、357 m和506 m。断裂被T3反射界面覆盖,上断点埋深300 m,T4界面的垂直断距约30 m,断裂活动时代为中更新世。

2.2 NP-1浅层地震勘探测线

该测线位于沧东断裂德州—泊头段上沧州南皮县刘八里村北(图1),由天津大港油田陆海物探工程公司和沧州市地震局完成(4)河北省工程地震勘察研究院.沧州南皮医院工程建设场地地震安全性评价报告.2002.。测线剖面长1 000 m,采用可控震源,法国SERCEL公司408XL地震勘探仪记录,道间距20 m、24次覆盖观测系统。该测线剖面揭示了3个反射界面T1～T3(图3),沧东断裂出现在剖面中部,断裂及邻侧的多条反射波出现扭曲、变形,尤其T2反射波同相轴明显错动,断裂倾向E,为上陡下缓的铲形正断层。

图3 沧东断裂(德州—泊头段)NP-1测线浅层地震勘探剖面及地质解释图(据天津大港油田陆海物探工程公司资料解释结果,2002)Fig.3 Shallow seismic exploration profile and geological interpretation map of line NP-1 in Cangdong fault(Dezhou—Botou section)

参考大港油田泊头地区的时-深转换关系,获得剖面的深度信息,并结合测线东侧6.5 km的地热井(南皮县温泉花园小区,孔深1 450 m),及参考区域第四系地层资料,推断剖面中的第四系全新统-上更新统、中更新统和下更新统底板埋深分别为185 m、325 m和448 m。T3界面对应下更新统底界,已被断层垂直错动约20 m,但断裂被近水平的T1反射界面覆盖,上断点埋深280 m(320 ms)左右,指示断裂错动的最新地层为中更新统。因此,断裂的最新活动时代可能为中更新世晚期至晚更新世早期。

2.3 CZ-1浅层地震勘探测线

该测线位于沧东断裂泊头—唐官屯段穿过的朔黄铁路-307国道之间的沧州魏庄子东,EW向布设[图1(b)],剖面长867 m。该地震反射剖面由河北省工程地震勘察研究院、自然资源部水文地质工程地质技术方法研究所完成①,主要采用炸药激发,重庆地质仪器厂DZQ24地震仪和北京市水电物探研究所SWS-1A型地震仪记录,道间距5 m、4次覆盖观测系统。探测结果显示该剖面的信噪比较高,可识别出4个反射界面T1～T4(图4),并在剖面桩号390 m附近发现T2界面出现反射零乱及不连续现象,而且出现T3被错动和T4震相缺失现象,这应该是断裂构造的显示,并指示是倾向E的正断层。

图4 沧东断裂(泊头—唐官屯段)CZ-1测线浅层地震勘探剖面及地质解释图Fig.4 Shallow seismic exploration section and geological interpretation map of line CZ-1 in Cangdong fault(Botou-Tangguantun section)

根据迪克斯公式获得的剖面深度信息,综合区域第四系地层划分和测线东北4.0 km处96-10地热井(沧州市人民公园西北角,孔深1 531 m)及4.3 km的CZ01钻孔(沧州活动断层探测项目钻孔,孔深201.2 m)等资料,可确定该地震剖面中的T2、T4界面分别对应中更新统、下更新统底界。第四系全新统-上更新统、中更新统和下更新统底板的埋深分别为160 m、309 m和450 m。其断裂上断点埋深约270 m(300 ms),T3和T4界面的垂直断距分别为20 m和35 m,也指示断裂错动最新地层为中更新统,最新活动时代可能为中更新世晚期至晚更新世早期。

2.4 QX-1浅层地震勘探测线

该测线是位于沧东断裂泊头—唐官屯段沧州青县李二姐庄村北的一条EW向浅层地震勘探线(图1),剖面长1 072.5 m,由河北省工程地震勘察研究院与中国地震局地质研究所完成(5)河北省工程地震勘察研究院.京沪高速公路工程建设场地地震安全性评价报告.1996.。主要采用炸药激发,日本OYO公司McSEIS-1500增强型地震仪记录,道间距15 m、4次覆盖观测系统。探测结果揭示了3个反射界面T1～T3(图5),在剖面桩号495～585 m(CDP66～78)之间,可见T2与T3界面被错断,指示断裂为倾向E的正断层。

参考大港油田沧州地区的时-深转换关系,获得剖面的深度信息。综合沧州地区第四系地层资料以及测线西南11.0 km处青农9钻孔(水文地质钻孔,孔深493.8 m)和东北15.0 km处静30钻孔(水文地质钻孔,孔深420.3 m),推断该剖面中T1界面为中更新统地层内的反射界面,T2、T3界面分别对应中更新统、下更新统底界,第四系全新统-上更新统、中更新统和下更新统底板埋深为178 m、352 m和500 m。断层被未受变动的T1反射界面覆盖,但错动T2、T3断距达25 m和30 m左右,并指示上断点埋深270 m左右,活动时代同样可能为中更新世晚期至晚更新世早期。

(据河北省工程地震勘察研究院、中国地震局地质研究所资料解译,1996)图5 沧东断裂(泊头—唐官屯段)QX-1测线浅层地震勘探剖面及地质解释图Fig.5 Shallow seismic exploration section and geological interpretation map of line QX-1 in Cangdong fault(Botou-Tangguantun section)

2.5 NH-1浅层地震勘探测线

该测线位于沧东断裂唐官屯以北段天津市宁河区南淮淀村西南的看守所北,剖面长3 118 m(图1),由河北省工程地震勘察研究院和天津市地震局完成。主要采用70 kg冲击夯激发地震波,美国Geometrics公司Strata Visor NZXP地震仪记录,道间距4 m、9次覆盖观测系统。

NH-1测线剖面信噪比较高,剖面上揭示出3个反射界面T1～T3(图6),并根综合反射波的同相轴横向变化情况,可在剖面桩号1 060～1 900 m之间识别出倾向E的、近平行分布的两条正断层。断层导致T2、T3界面出现扭曲变形和不连续现象。可其中剖面桩号1 060 m附近的断层规模较大,为倾斜较缓的正断层,连续切割多套地层,应是沧东断裂的主断层,其上断点埋深位于145 ms左右。位于测线桩号1 150 m附近的次级正断层与主断裂平行,其上断点位于470 ms左右。

图6 沧东断裂(唐官屯以北段)NH-1测线浅层地震勘探剖面及地质解释图Fig.6 Shallow seismic exploration section and geological interpretation map of line NH-1 of Cangdong fault(section north to Tangguantun)

通过反射波资料处理时的叠加速度获得的不同地层反射界面以上的平均速度可获得剖面的深度信息。综合天津地区第四系资料和测线西南6.6 km处地热SR-01钻孔(新地河水库,孔深1 842 m)与东北3.5 km处的普宁16-2钻孔(水文地质钻孔,孔深407.89 m),可推断出T1、T2、T3界面分别为全新统-上更新统、中更新统和下更新统底界,它们的埋深分别为为158 m、305 m和474 m,沧东断裂的上断点埋深118 m,T2和T3界面的垂直断距分别为10 m和30 m,并指示断层的最新活动时代为中更新世晚期至晚更新世早期。

图7 沧东断裂北淮淀钻孔剖面图(据陈宇坤、邵永新等资料绘制,2013,2020)Fig.7 Profile of Beihuaidian borehole in Cangdong fault

综合以上跨沧东断裂不同段落的5条浅层地震勘探探测结果可知,沧东断裂从南至北,上断点埋深从约118～300 m,由深变浅,但其最新的活动时代并未出现明显变化,主要为中更新世晚期,或可至晚更新世早期。

3 讨论

3.1 沧东断裂带与区域历史地震活动的关系

确定发震构造(震源断层)重要依据之一是判断地震破裂面(震源断层)与先存断裂的关系。其主要方法是综合小地震分布图像、地震震源机制和断裂深部构造等资料,来建立区域地震活动与活动断裂的成因关系。这里重点通过分析区域历史地震活动与沧东断裂的关系,进一步讨论沧东断裂的控震特征。

据历史资料记载,沧州地区沿沧东断裂附近先后发生过1625年沧州5级地震、1704年南皮5级地震、1807年沧州西南4级地震、1816年青县4级地震和1893年沧州5级地震等中等强度地震。1970年以来沧州地区1.0级以上地震分布显示出与NNE走向共轭的NWW向小震条带(图8中椭圆区域内为NWW向小震条带,蓝色线范围NNE向地震密集带)。河北省有史以来5级以上地震的空间分布绝大多数集中在NNE向的河北平原地震带和NWW的张家口—渤海地震带及其分支上[15],在沧州地区也呈现出NWW向分布,值得注意的是,30多年来沿沧东断裂仅有数量稀少地震分布,断裂处于闭锁状态,地震分布整体上仍是NNE向分布,局部呈NNW向。

1967年沧州西北6.3级地震是NWW向地震带内发生的最新强震。震后考察表明,其等震线形状不规则[图8(b)],但NNE、NWW向共轭特征明显,宏观震源深度为27 km,震源机制解表明[图8(c)],NWW向节面为震源断层,其滑动角30°,是一条兼逆冲分量或正断分量的左旋走滑断层。1973年沧州西北发生了5.3级地震,经河北省地震队调查,宏观震中位于1967年6.3级地震南侧,震源深度19 km,震源机制解NWW向节面为震源断层面,其滑动矢量与走向夹角为26°,也是一条兼逆冲分量或正断分量的左旋走滑断层。表2为1967年6.3级地震和1973年5.3级地震震源机制的相关参数[16],图9为1967年6.3级地震序列震中分布和震后5天内余震分布图,地震呈NWW向分布。由此可见,NW向节面代表了发震断层。

图9 1967年6.3级地震序列震中分布(a)和震后5天内余震分布图(b)Fig.9 Epicentral distribution(a) of the 1967 M6.3 earthquake sequence and aftershock distribution(b) within 5 days after the earthquake

表2 1967年6.3级、1973年5.3级地震断层面解Table 2 Fault plane solutions of MS6.3 earthquake in 1967 and MS5.3 earthquake in 1973

图8 1970年以来沧州地区小震分布、6.3级地震极震区等震线和震源机制解图(杨家亮等,2010)Fig.8 Distribution of small earthquakes in Cangzhou area since 1970,isoseismal lines in the meizoseismal region of M6.3 earthquake,and the focal mechanism solution

3.2 沧东断裂带的深部特征

沧州市活断层探测项目(2014)曾在位于沧州市南的泊头西至盐山东布设了一条长约100 km的深地震反射探测剖面②[剖面位置见图1(b)],剖面自西向东穿过了沧县隆起、南皮凹陷和埕宁隆起的西部。深反射探测结果表明,沧东断裂表现为由多条东倾正断层和西倾反向正断层组成的铲形断裂系统,而且深部的主断层面缓倾向东(图10)。该断裂带明显错断石炭-二叠纪地层反射TC-P,向下切割了寒武-奥陶纪和元古代地层反射Tε-O、TPt,以及结晶基底反射Tg,切割幅度分别为1 000 m和1 300 m左右。该剖面揭示沧东断裂大约在深度10～12 km(双程反射时间5 s左右)的结晶基底面附近,与一倾向西的断层共同组成一个铲形正断层系统,并向下一直延伸至深约18 km的上、下地壳分界面附近。但仔细对比剖面5 s以下反射波可见,剖面上未见明显的反射震相,以及反射波同相轴的错断,由此可见,沧东断裂在深部未必能下延至深度18 km,或者因为断层在深部转为韧性变形带后导致其形迹逐渐模糊。

图10 黄骅坳陷深地震反射剖面解释图(中国地震局地球物理研究所,2014)Fig.10 Interpretation map of deep seismic reflection profile in Huanghua depression

前人完成的位于黄骅坳陷歧口凹陷西南,由东南至西北穿越了埕宁隆起、黄骅坳陷的歧口凹陷和沧县隆起三个构造单元的大地电磁测深(MT)剖面显示[图11,剖面位置见图1(b)][17],深度10 km以上和以下的电性差异边界具有相对独立的结构特点,在深度10 km以上,沧县隆起横向总体比较连续,构造层分层明显,近地表为厚约1 km,电阻率值在十几欧姆的低阻沉积盖层;而下部为厚度约8～9 km的高阻异常区,并在高阻异常区下部10 km处发育一低阻异常体,显示沧东断裂沿深度10 km处的低阻异常体向东南方向延伸。

图11 黄骅坳陷大地电磁测深解释剖面(徐德英等,2010)Fig.11 Interpretation of magnetotelluric sounding profile in Huanghua depression

国家地震局地球物理勘探中心(1995)运用深地震宽角反射/折射探测技术获得的跨沧县隆起、黄骅拗陷、埕宁隆起和沧东断裂的地壳上地幔速度结构剖面显示(图12),在沧县隆起和黄骅拗陷区,地壳的上、中、下分层界面连续而无断错现象,但沧县隆起和黄骅拗陷的上地壳速度结构存在明显不同,沧东断裂恰是两者的分界,但中下地壳速度结构横向连续。上陡下缓铲状的沧东断裂面及其低缓的倾角可延伸至10 km左右深度,并在倾斜方向上水平延伸数十公里。此外,石油勘探部门在沧州地区的石油地震探测结果也同样显示,沧东断裂在地下延伸的深度较浅,基本在10 km左右转为近水平的铲状形态并延伸[18]。

图12 沧县隆起和黄骅坳陷地壳上地幔速度结构剖面(国家地震局地球物理勘探中心,1995)Fig.12 Velocity structure profiles of the crust and upper mantle in the Cangxian uplift and Huanghua depression

综上所述,沧州地区的现今地震活动主要发生在与NNE走向共轭的NWW向地震条带上,绝大多数不受沧东断裂控制,最新中强地震活动的震源断层主要为NWW向的兼具正断层分量的左旋走滑断层。沧东断裂作为发育于上地壳的滑脱断层,其在深度10 km左右转为铲状近水平延伸,而发生在沧州地区的地震,震源深度多在19 km左右[15]。另外,由河北—大城地震台网给出的84次序列地震震源深度数据显示,其中93%的震源深度为10～35 km,平均29 km,而沧州地区的地壳厚度为36 km左右,也就是说区域内的5级以上中强震大都分布在中下地壳,与地壳浅部断裂关系不大。由此推断,虽然沧东断裂规模较大,直接控制了沧县隆起和黄骅坳陷的发育与演化历史,并存在较明显的第四纪活动性,而且最新活动时代较晚(中更新世晚期至晚更新世早期),但其可能并非区域上主要的控震断裂,或者只是活动性极弱的低风险活动断裂,因此,未来发生中强地震的风险可能相对较低。

4 结论

综合跨过华北平原东部沧东断裂带不同段落的5条浅层地震勘探探测资料,并结合区域内的钻孔资料与地球物理资料,深入研究沧东断裂的第四纪活动性及其深部特征后,可获得以下主要结论:

(1) 浅层地震勘探探测结果表明,长度约350 km的沧东断裂作为沧县隆起的边界控制断裂,其上断点从南至北,埋深由约118～300 m逐渐变浅,错断的最新地层为中更新统,显示其最新活动时代为中更新世晚期,不排除可至晚更新世的早期。

(2) 综合深地震反射、大地电磁测深(MT)和深地震宽角反射/折射探测等剖面,可知沧东断裂深部呈现出典型的铲式正断层特征,在深度10 km转为近水平延伸,同时结合沧州地区小地震分布图像、中强地震震源机制等资料认为:沧东并非区域上主要控震断裂,或者只是低风险活动断裂,未来发生中强地震的风险可能相对较低。