用高分辨率地震反射剖面揭示临颍断裂浅部构造特征

田一鸣 姬计法 袁洪克 酆少英 朱国军 张 扬 张贵军 杨新友 何银娟 秦晶晶 安泰霖

1 中国地震局地球物理勘探中心,郑州市文化路75号,450002 2 河南省地震局,郑州市正光路10号,450016 3 许昌电气职业学院,河南省许昌市魏文路与永昌大道交叉口,461000 4 许昌市防震减灾中心,许昌市建安大道1516号,461000

探明活动断层的空间位置和几何结构,并在此基础上合理避让以及采取有效的工程措施,是减轻地震灾害的重要手段[1-3]。大量活动断层研究表明,高分辨率地震勘探在城市活动断层探测中发挥着重要作用,对活动断层的精确定位具有重要意义[4-7]。

临颍断裂为临颍-郸城断裂西段,位于周口坳陷北部,是许昌市南部一条规模较大的区域性隐伏断裂,其上覆盖厚度达数百米的第四系松散沉积物,对断裂探测以及活动性判定造成很大困难。针对临颍断裂,石油系统曾开展过探测工作,研究结果表明临颍断裂主要活动时期为古近纪,新近纪仍有活动,但公开发表的研究内容较少,且对断裂浅部构造特征的研究非常有限[8]。为进一步研究临颍断裂浅部构造特征,本文依托《许昌市活动断层探测与地震危险性评价》项目,开展跨断裂高分辨率地震勘探工作,根据高分辨率地震反射剖面及前人探测成果对临颍断裂走向、倾向、空间展布及浅部构造特征进行分析,以期为许昌市地震危险性评价、城镇规划及国土利用等提供科学依据。

1 地质概况及石油地震反射剖面

1.1 地质概况

研究区位于嵩箕隆起、太康隆起与周口坳陷交汇处,在前寒武系基底上共发育有下古生界、上古生界、中生界、新生界等多套沉积盖层。区内构造断裂发育,以北西向与北东向断裂为主(图1)。北西向断裂有临颍断裂、张桥断裂、许昌-禹州断裂和许昌-西华断裂,北东向断裂有坡胡-和尚杨断裂和石象断裂。其中临颍断裂西起禹州西北部,向东南延伸至固厢、巨陵、望田、陶城,止于艾岗。断裂整体走向北西西,倾向北东,为一区域性隐伏断裂,地表无出露,全长约70 km,是北部巨陵凹陷与南部临颍凸起的分界断裂,控制着巨陵凹陷古近系沉积,古近系垂向断距最大可达3 000 m,新近纪之后活动性逐渐减弱[9]。

1:全新统;2:上更新统;3:中更新统;4:前新生界;5:早中更新世断层;6:前第四纪断层;7:走滑断层;8:正断层;9:浅层地震剖面;10:石油地震剖面;11:地质钻孔;F3:临颍断裂;F6:许昌-禹州断裂;F7:张桥断裂;F9:许昌-西华断裂;F12:坡胡-和尚杨断裂;F13:石象断裂

1.2 石油地震反射剖面

石油地震反射剖面显示(图2),新近系底部为一套高频、强振幅、近水平的反射波,连续性好,与下伏古近系(上盘)或古生界(下盘)呈角度不整合接触,该组反射波在1.0 s左右;古近系为一套低频、弱振幅的反射波,连续性差,向东北上倾,其底部为一组凹凸不平的反射界面,形成原因为印支末期整体发生抬升,长期剥蚀使该区仅残留部分上古生界,直至喜山期盆地重新沉降接受古近系沉积,两套地层之间形成一条凹凸不平的角度不整合反射界面;古生界主要残存石炭-二叠系,有4～5个强反射界面。该断层错断层位从基底至新近系,断层错断约10 m,上断点至浅层200 ms[9]。

图2 石油地震反射剖面

2 地震数据采集与处理

跨临颍断裂布设2条高分辨率地震勘探测线L1和L2,具体位置见图1。L1测线近南北向沿G240国道布设,北端起于李庄村路口北约160 m,南端止于繁城回族镇北桥头,测线全长3 155 m(剖面桩号为5 000～8 155 m);L2测线南南东向沿G107国道布设,西北端起于孔庄北约900 m路口,东南端止于Y003乡道路口南约140 m,测线全长3 510 m(剖面桩号为5 000～8 510 m)。

考虑到探测区周围建筑物和车辆较多、人员相对密集、干扰极大,为获得高质量的原始数据,地震数据采集使用美国Metrz公司M18B/612型可控震源进行地震波激发,该震源安全环保、组织灵活,激发能量、频率、振幅可控,适合探测区施工环境。最终确定扫描频率为10～120 Hz,扫描长度12 s。

地震仪器使用法国Sercel公司428XL数字地震仪,该仪器具有动态范围大、抗干扰能力强、带道能力强、稳定性能好等特点。经现场实验确定采样间隔为0.5 ms,记录长度2 000 ms,采用中间激发、双边不对称零偏移距接收的多次覆盖观测系统,280道接收,道间距5 m,覆盖次数28次。为了压制干扰和提高资料信噪比,每个接收点上采用3个60 Hz的地震检波器串点组合进行接收(表1)。

表1 浅层地震数据采集参数

地震数据处理使用Grisys反射地震数据处理系统。本次数据处理过程以提高地震资料信噪比为目标,处理流程和方法使用静校正、叠前一维滤波、二维倾角滤波、反褶积、谱白化、正常时差校正、共中心点叠加、剩余静校正、叠后偏移等,通过上述流程最终获取2个具有较高信噪比的高分辨率地震反射剖面。

3 高分辨率地震反射剖面

3.1 高分辨率地震反射剖面L1

图3为L1测线地震反射波叠加时间剖面和深度解释剖面,L1剖面反射能量较强、波组清晰、连续性较好。测线附近水文地质勘查钻孔XU40揭示,晚更新世地层底界面埋深25 m,中更新世地层底界面埋深92 m,终孔深度308.4 m,未钻穿早更新世地层底界面。根据反射波组特征并结合钻孔资料,在剖面上解释出TQ3、TQ2、T1、T2、T3和TN共6个反射波组,其中TQ3解释为晚更新世地层底界面反射,TQ2为中更新世地层底界面反射,T1为第四系内部地层界面反射,T2、T3为新近系内部地层界面反射,TN为新近系底界面反射。

图3 L1测线地震反射波叠加时间剖面和深度解释剖面

双程走时150 ms以上各界面反射波组呈近水平层状展布;双程走时150 ms以下,测线在桩号6 554 m以南,反射界面基本呈水平展布,横向起伏不大,测线在桩号6 554 m以北,反射界面自北向南呈下倾状。测线桩号6 554 m处反射波同相轴有明显的错断迹象和产状变化,认为此处为临颍断裂的反映,用FP1表示。断点FP1为正断层,视倾向北,向上错断第四系内部反射波组T1,向下错断剖面所有地层界面反射波。该断点下降盘发育一个视倾向南的分支断点FP1-1,可分辨上断点位于测线桩号6 288 m,向上错断第四系内部地层界面T1,向下归于FP1,两断点在剖面上整体呈反“Y”字形态,具体参数见表2。

表2 临颍断裂断点参数

3.2 高分辨率地震反射剖面L2

图4为L2测线地震反射波叠加时间剖面和深度解释剖面,L2剖面地层界面反射信息十分丰富,震相特征明显。双程走时200 ms以上各界面反射波组呈近水平层状展布;双程走时200 ms以下剖面形态分为两段,北西段在桩号5 000～7 300 m处剖面反射波组呈南南东深、北北西浅的倾斜状,南南东段在桩号7 300～8 510 m处剖面反射波组呈近水平层状展布。根据反射波组特征在剖面上解释出TQ3、TQ2、T1、T2、T3以及TN共6个反射波组。

图4 L2测线地震反射波叠加时间剖面和深度解释剖面

从各反射波组的横向连续性来看,测线桩号7 315 m处双程走时200 ms以下存在反射波同相轴错断现象,断点两侧反射波同相轴有明显的错断迹象和产状变化,判断此处为断层的反映,用FP2表示。断点FP2为正断层,视倾向北北西,向上错断反射波组T1,向下错断剖面中所有地层界面反射波。该断点下降盘存在一个视倾向南南东的分支断点FP2-1,可分辨上断点位于测线桩号6 025 m,该断点两侧反射波同相轴明显错断,向上错断第四系内部地层界面T1,向下在双程走时1 300 ms左右归于FP2,与主断层形成反“Y”字形态,具体参数见表2。

L1测线剖面解释的断点FP1和L2测线剖面解释的断点FP2均为正断层,断点两侧同相轴形态相似,应为同一断层在两剖面上的反映。结合石油地震反射剖面,参考推测的断层位置及走向,认为断点FP1和FP2是临颍断裂主断层在两剖面上的反映,为临颍凸起和巨陵凹陷的边界断层。

4 结 语

本文采用反射波法地震勘探技术获得清晰的临颍断裂浅部构造图像,高分辨率地震反射剖面揭示断点FP1和FP2在剖面桩号6 554 m和7 315 m处,断裂两侧地层出现严重扭曲,新近系内部地层变形明显。临颍断裂浅部错断埋深约138～145 m的第四系内部地层,但并未错断中更新世地层底界面,断层上发育一条次级反向断层。结合研究区地质资料,认为临颍断裂为一走向北西、倾向北东的第四纪活动断裂,最新活动时代为早更新世,控制着巨陵凹陷地层沉积。受反射地震勘探分辨率限制,断层实际错断层位可能比地震反射剖面结果更浅。以断点参数为参考,进一步开展钻探工作,结合钻孔剖面样品测年结果,可以更为准确地确定临颍断裂最新活动时代。

对比石油地震剖面与浅层地震反射剖面L2可以看出,两者揭示的临颍断裂特征相似、位置相近,但相较于石油地震勘探对剖面浅部尤其是第四系内部断裂构造特征反映较模糊,本次研究采用“小道距、小炮距、高覆盖次数”的高分辨精细探测方法,可以弥补石油勘探剖面近地表资料缺失的不足,提高地层纵向分辨能力,从而获得较为准确的断裂上断点位置和埋深等断层参数。浅层地震剖面与石油地震反射剖面基本吻合,也证实了本次浅层地震勘探结果的可靠性。本次探测结果不仅可为许昌市及邻区地震危险性评价、城镇规划及国土利用提供资料,还可为研究区活动构造研究提供地震学依据。

致谢：本研究野外数据采集由中国地震局地球物理勘探中心完成,野外工作得到许昌市防震减灾中心的大力配合,断裂资料参考河南省地震局地震工程勘察研究院所完成的课题,在此一并表示感谢!