二维地震精细探测雄安新区3 000 m以浅地质结构

龙 慧 杜 鹏,2 孙 晟 谢兴隆 李凤哲 程正璞

1 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北省保定市七一中路1305号，071051 2 成都理工大学环境与土木工程学院，成都市东三路1号，610059

探测一定深度范围内的地质结构特征是解决各类地质问题的有效途径。石油与国土部门在雄安新区开展大量的油气、地热勘探与构造解释研究[1-6]，积累了丰富的地质与地球物理资料，为研究该区地质结构奠定了良好的基础。但以往的工作主要是局部的，多集中于雄县、容城县、安新县等地区，且研究目标单一，深度多集中于中、深部(500～800 m新近系砂岩热储层、1 500～1 800 m蓟县系岩溶热储层)，对地质结构的系统性分析相对缺乏。

地震勘探是划分地层结构的常用方法之一，能够对地层界面及内部结构进行地球物理意义上的精细划分，识别隐伏活动断裂及其空间展布特征。本文综合利用最新的钻孔、测井、地震和区域地质等资料，精细刻画雄安新区核心区3 000 m以浅的地层结构，在此基础上揭示断裂构造系统特征，为雄安新区的规划建设、解决“浅-中-深”不同尺度上的地质问题提供帮助。

1 区域地质背景

雄安新区下辖雄县、容城县、安新县及周边部分区域，构造上属于渤海湾盆地冀中坳陷中部[7]，北部从西向东横跨徐水凹陷、容城凸起、牛北斜坡、牛驼镇凸起和霸县凹陷等次级构造单元，南部自西向东横跨保定凹陷、高阳低凸起、蠡县斜坡和饶阳凹陷。冀中坳陷是发育在华北古地台基底之上的中-新生代沉积坳陷，经中生代燕山运动挤压和新生代太平洋板块俯冲弧后拉张伸展形成一系列正断层[8]。研究区内规模较大、对区域构造起控制作用的隐伏基岩断裂主要为徐水断裂(保定-石家庄断裂)、容城断裂、容南断裂、牛东断裂和牛南断裂[9-11](图1)。新生代断裂活动主要集中在古近系沙河街组四段和新近纪馆陶组、明化镇组沉积时期，地表未见构造活动迹象。

图1 研究区地质背景Fig.1 Geological setting of the study area

沉积地层序列由下至上依次为太古界变质岩，以角闪岩和片麻岩为主；元古界青白口系、蓟县系和长城系碎屑岩和碳酸盐岩，青白口系以灰岩为主，蓟县系和长城系以白云岩为主，还包括玄武岩和页岩；下古生界寒武系，由泥岩、灰岩和白云岩组成；下古生界奥陶系、上古生界石炭系和二叠系、中生界侏罗系和白垩系零星分布，在起步区缺失；新生界古近系和新近系分别以湖相和河流相沉积为主，岩性为砂岩和泥岩，第四系以来以冲洪积、冲积和冲湖积物为主，岩性包括砾石、粗砂、中砂、细砂、粉砂、粉土、粉质粘土、粘土[12-14]。

2 二维地震勘探

2.1 测线部署

为揭示研究区的地质构造特征，在雄安新区起步区、容东片区、容西片区、寨里地区、雄县西等重点调查区部署97条二维地震勘探测线，累积长275.46 km，测线位置见图2。

图2 研究区二维地震测线部署Fig.2 Deployment of two-dimensional seismic lines in the study area

2.2 数据采集

为获取高质量反射波信号，采集数据前开展大量现场野外实验，包括波场和低速带特征调查、检波器一致性和组合实验、可控震源参数实验等。研究区主要干扰波有折射波、侧面波、面波、工业干扰波和随机干扰波，有效波信号较丰富，信噪比较高；浅层反射波主频在10～30 Hz，深层反射波主频在6～25 Hz。浅表第四系粉质粘土低速层波速平均约700～900 m/s，厚度约22～28 m，整体呈东南薄、西北厚的特征。

基于以上实验确定观测系统。本次实验采用Strata Visor NZXP24型地震仪及其扩展模块Geode，M18-612型可控震源(扫描频率5～250 Hz，最大出力18 t)及其配套电控系统，L40检波器，扫描方式线性升频、扫描频率20～160 Hz、扫描长度8 s、驱动幅度70%、叠加1～3次的激发参数，120道、道间距5 m、炮间距20 m、采样间隔0.5 ms、记录长度2 s、覆盖次数最高达40次的接收参数。数据处理系统及软件采用CGG、Windows VistaGeo、East V3.2等，主要处理流程包括折射静校正(图3)、地表一致性处理、频谱分析、弯线共中心点道集编排、动校正、速度分析、叠后衰减随机噪声等。同时，为了获得更准确的地震速度资料，提高解译精度，结合剖面上钻孔的录井、电阻率和声波时差测井、叠加速度谱等资料进行综合分析，获取研究区的速度模型用于地震资料的时深转换。

图3 折射静校正处理效果对比Fig.3 Comparison of effect before and after refraction statics treatment

3 地质解释

地震资料解释主要包括层位划分和断层解译。层位标定主要是利用收集到的工程地质孔、水文地质孔、地热钻孔和测井资料，结合反射波组的能量强弱、相位、波形、频率、连续性等特征建立主要地层边界与地震剖面反射同相轴的对应关系，采用合成记录和深度剖面对比进行标定(图4)。构造断裂的推断主要依据反射波同相轴错断，反射同相轴发生分叉、合并、扭曲、强相位转换等现象，反射同相轴突然增减或消失，波组间隔的突然变化，反射同相轴产状突变，反射零乱或出现空白带，特殊波的出现等。

图4 合成地震记录及层位标定示意图Fig.4 Schematic diagram of synthetic seismogram and horizon calibration

3.1 波组特征

通过对比分析各剖面地震反射波波组特征，结合区域地质、钻孔和测井资料，将研究区地震剖面大致划分为8个地震反射层位，分别命名为TQ、TNm、TN、TEd、TEs、TE、TPz、TQb。以RXH3-2测线为例分析8个反射层位的特点(图5)。

图5 RXH3-2测线地震时间-深度剖面Fig.5 The seismic time and depth profile of RXH3-2

TQ反射层位双程旅行时为0.38～0.59 s，推测为第四系下更新统底界，埋深100～210m。

反射波组具有振幅中等-较强、波形稳定且连续的特征，可追踪。

TNm反射层位双程旅行时为1.08～2.20 s，推测为上新世明化镇组底界，埋深480～1 220 m。反射波组具有振幅较强、波形较稳定且连续的特征，易于追踪。该反射层在容城凸起地区局部缺失，明化镇组内部还可识别5组反射界面，均具有振幅较强、波形较稳定且连续的特征。

TN反射层位双程旅行时为1.24～2.53 s，推测为馆陶组底界(即新近系底界)，埋深630～1 550 m。反射波组具有振幅强、波形较稳定且连续的特征，易于追踪。该反射层在容城凸起地区大范围缺失，在南张镇局部缺失。

TEd反射层位双程旅行时为1.48～3.13 s，推测为东营组底界，埋深625～2 050 m。反射波组具有振幅较强、波形较稳定且较连续的特征，可追踪。该反射层在容城凸起地区大范围缺失，在小里镇西北部局部缺失。

TEs反射层位双程旅行时为1.59～4.08 s，推测为沙河街组底界，埋深560～3 060 m。反射波组具有振幅中等-较强、波形较稳定且较连续的特征，可追踪。该反射层在容城凸起-小里镇-三台镇一带大范围缺失。

TE反射层位双程旅行时为1.74～4.15 s，推测为古近系孔店组底界(即古近系底界)，埋深890～2 610 m。反射波组具有振幅中等、波形较稳定且较连续的特征，可追踪。该反射层仅在容城凸起以西、南张镇-小里镇一带发育。

TPz反射层位(图5中缺失)双程旅行时为2.96～4.08 s，推测为古生界底界，埋深1 700～4 870 m。受到断裂构造作用，反射波组具有振幅弱、波形不稳定且不连续的特征，较难追踪。该反射层位仅分布在容城凸起西翼和南张镇-小里镇一带。

TQb反射层位(图5中缺失)双程旅行时为3.12～4.10s，推测为青白口系底界；蓟县系顶界(TJx)双程旅行时为1.24～4.15 s，埋深540～6 700 m；在容城凸起区域，青白口系底界为新近系底界(TN)，对应反射波组具有振幅强、波形较稳定且连续的特征；在容城凸起以东、南及西南地区，青白口系顶界为古近系沙河街组底界(TEs)，对应反射波组具有振幅中等-较强、波形较稳定且较连续的特征；在容城凸起以西，在断裂构造作用下，青白口系顶界为寒武系底界(TPz)，对应反射波组具有振幅弱、波形不稳定且不连续的特征。

3.2 地层结构

二维地震探测结果揭示，雄安新区起步区3 000 m以浅地层序列自上而下包括新生界第四系全新统-中更新统、下更新统、新近系明化镇组、馆陶组、古近系东营组、沙河街组、孔店组、古生界寒武系、中-新元古界青白口系、蓟县系、太古界等16套地层(图6)。新近系第四系覆盖层较厚，成层性好，全新统-中更新统和下更新统地层起伏较小，沉积较为稳定，各地层间呈平行整合接触；明化镇组和馆陶组内部地层产状基本一致，各小层均呈东低西高、南低北高的起伏趋势，沉积较为稳定，仅在容城凸起区域和雄县西北地区小范围局部缺失。古近系东营组地层分布在容城凸起和牛驼镇凸起间凹陷处、容城凸起南西地区，在小里镇西北地区缺失；沙河街组地层分布在容城凸起和牛驼镇凸起间凹陷处、容城凸起以南和南张镇地区；孔店组地层仅在容城凸起以西地区局部发育。寒武系和青白口系地层存在于容城凸起以西地区，蓟县系地层全区发育，与上覆地层呈不整合接触。

图6 研究区主要地层结构剖面Fig.6 Main stratigraphic structure profiles in the study area

3.3 断裂构造

根据地震反射波波组特征及层位闭合来解释每个层位的断层纵向及平面的分布[15]，据此推断雄安新区重点调查区的断裂构造系统由9条主断裂及其次级断裂组成，断裂构造隐伏于地表之下，均为拉张型正断层，走向以NE为主，少量EW，个别近NW，倾向为NE、NW或SW，倾角在50°～94°之间，除F1及其次级断裂F1-3对第四系下更新统地层有控制作用外，其他断裂早更新世以来活动不明显。

F1、F2、F4、F5、F8、F9分别存在分支断裂，其中，F1、F4、F5、F8、F9与其分支断裂均呈“y”字形组合。断裂主要特征如下：1)F1及其次级断裂位于三台镇地区，主断裂F1为容南断裂，断至结晶基底，控制着容城凸起和保定凹陷的发育，走向NE，倾向NW，上部倾角92.17°，下部倾角94.26°，上断点最小埋深约103 m，断裂形迹出露于第四系下更新统，表明F1断裂在第四纪早更新世时期有过活动(图7)。2)F2及其次级断裂位于李家营村-王庄村一带，主断裂F2为前人已查明的容城断裂，是容城凸起和牛北斜坡的区域性构造分界线，走向NE，倾向NW，倾角69.00°，上断点最小埋深约550 m，断裂形迹出露于新近系明化镇组，表明F2断裂在新近纪晚期有过活动。3)F8及其次级断裂位于小里镇和三台镇西南的寨里乡，主断裂F8为已知的徐水断裂，是分割徐水凹陷(廊固凹陷)和保定凹陷的区域性边界断裂，走向NE，倾向NE，倾角58.28°，上断点埋深约900 m，断裂形迹出露于新近系馆陶组，表明F8断裂在新近纪早期有过活动。4)F9及其次级断裂位于大王镇东北、雄县西地区，主断裂F9为雄县西断裂，是牛驼镇凸起与牛北斜坡东南部的区域性分界断裂，走向近EW，倾向NE，上部倾角55.26°，下部倾角60.77°，上断点埋深约1 015 m，断裂形迹出露于新近系馆陶组，表明F9断裂在新近纪早期有过活动。5)由F4、F5及其次级断裂和F6组成的容西断裂带位于容城凸起西翼，控制着容城凸起和徐水凹陷的构造发育。主断裂F4走向近EW，倾向NE，上部倾角52.75°，下部倾角59.88°，上断点埋深1 065 m；主断裂F5走向近EW，倾向NE，上部倾角74.05°，下部倾角64.91°，上断点埋深730 m；F6走向NW，倾向NE，倾角73.57°，上断点埋深944.80 m；断裂形迹均出露于新近系馆陶组，表明容西断裂带在新近纪早期有过活动。

图7 F1及其分支断裂地震解释剖面Fig.7 Seismic interpretation profile of F1 and its branch faults

3.4 综合认识

雄安新区重点调查区第四系地层在全区均有分布，覆盖层较厚，全新统-中更新统和下更新统地层起伏较小，底界埋深分别为20.70～76.56 m和100.60～211.24 m，厚度分别为26.94～84.46 m和114.64～218.40 m，沉积较为稳定，各地层间呈平行整合接触。三台镇和小里镇西南区域第四系内部发育F1、F1-3断层，上断点埋深分别为103.44 m和119.75 m，构造活动相对稳定。

新近系明化镇组地层成层性好，内部均呈东低西高、南低北高的起伏趋势，沉积较为稳定，仅在容城凸起区域和雄县西北地区小范围缺失，底界埋深479.56～1 220.89 m，厚284.93～943.55 m。在容城凸起东部、南部(即三台镇和小里镇西南区域)和大王镇西南地区分别发育F2、F1及其次级断裂、F7，构造活动相对稳定。新近系馆陶组地层受构造抬升影响，在容城凸起区域和雄县西北地区小范围缺失，西北部凸起区最高631.51 m，大王镇西凹槽处最低1 548.62 m，厚60.15～521.83 m。

古近系东营组和沙河街组地层分布在容城凸起和牛驼镇凸起间凹陷处、容城凸起以南和以西地区，在小里镇西北地区缺失；底界埋深分别为625.48～2 054.13 m和557.61～3 056.26 m，厚0～741.79 m和0～1 206.44 m。孔店组和古生界寒武系地层仅在调查区南张镇-小里镇-三台镇北一带发育，孔店组地层底界埋深889.89～2 614.47 m，厚0～2 987.88 m，古生界寒武系地层底界埋深1 704.22～4 866.12 m，厚0～2 545.86 m。

中上元古界青白口系地层存在于容城凸起以西地区，蓟县系地层全区发育，与上覆地层呈不整合接触；雾迷山组地层顶界埋深537.47～6 756.49 m，青白口系地层厚0～1 178.43 m，地层起伏较大。容城凸起东、南、西南、西、东北和大王镇东北分别发育F2及其次级断裂、F3、F1及其次级断裂、F7、F8及其次级断裂、F4及其次级断裂、F6、F5及其次级断裂、F9及其次级断裂。

4 结 语

1)本文充分分析了地震反射波波组特征，据此推断雄安新区重点调查区3 000 m以浅深度范围内发育16套地层。凹陷区地层发育较全，以第四系、新近系明化镇组、馆陶组、古近系东营组、沙河街组、古生界和蓟县系雾迷山组为主，为中生界残留凹陷；凸起区地层缺失，以第四系、新近系明化镇组和蓟县系雾迷山组为主。

2)二维地震探测结果揭示了雄安新区重点调查区断裂构造空间展布及其周边地层垂向边界，研究区总体表现为凹-隆-凹的构造格局，主控断裂性质决定容城凸起的分布及发育规模，为地热勘探提供了重要的地质依据。