嘉魚斷裂西向延伸與第四系活動(dòng)特征

林 松，李 媛，程 邈，鄧小虎，王 薇

1.中國(guó)地震局地震研究所，中國(guó)地震局地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071 2.武漢地震工程研究院有限公司，武漢 430071

0 引言

依據(jù)20世紀(jì)70年代湖北省地質(zhì)圖的1∶20萬(wàn)蒲圻幅區(qū)域地質(zhì)報(bào)告和江漢油田人工地震勘探資料①，嘉魚斷裂為已證實(shí)的隱伏斷層。該斷裂生成于印支—燕山期，沿?cái)嗔延邢柴R拉雅期隱伏玄武巖分布，上白堊統(tǒng)—古近系厚度在斷裂南北兩側(cè)差異明顯，為300～500 m，斷裂南側(cè)發(fā)育四級(jí)階地和兩級(jí)剝夷面，第四系厚度普遍小于50 m，且新近系一般缺失，北側(cè)僅有河湖漫灘一級(jí)階地，Q1-Q2地層埋藏較深。1974年，在嘉魚西涼湖畔發(fā)生3.9、3.8級(jí)震群(根據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心《中國(guó)地震詳目》(1970年至2015年底))，1992年，嘉魚新街發(fā)生2.5級(jí)地震，表明該斷裂深部現(xiàn)代活動(dòng)仍是明顯的。嘉魚斷裂東端已有明顯出露，而斷裂尾部與沙湖—湘陰斷裂交錯(cuò)，地處江漢平原，斷裂既沒(méi)有明顯出露，也無(wú)相關(guān)小尺度物探資料及鉆探數(shù)據(jù)；因此，查明斷裂尾部具體位置、走向及活動(dòng)性等特征顯得尤為重要。

近年來(lái)，活動(dòng)斷層探測(cè)越來(lái)越被重視，然而在城市開(kāi)展活斷層探測(cè)存在許多科學(xué)技術(shù)難題，如城市內(nèi)干擾因素多、干擾強(qiáng)度大，且地表地質(zhì)條件復(fù)雜多變等許多預(yù)想不到的困難；因而地震活斷層探測(cè)是一個(gè)科學(xué)技術(shù)含量高、具有挑戰(zhàn)性的綜合性探測(cè)工程[1]。地球物理勘探是城市地震活斷層探測(cè)最主要的技術(shù)手段，主要有地震勘探、電磁探測(cè)和重力勘探等方法[2]。根據(jù)國(guó)內(nèi)外特別是近幾年的探測(cè)實(shí)踐，在這些探測(cè)方法中尤以地震方法最為有效[3]；但若在覆蓋層較淺以及干擾較為嚴(yán)重的區(qū)域只進(jìn)行地震反射勘探，將會(huì)使結(jié)果產(chǎn)生虛假異常，導(dǎo)致對(duì)重要地質(zhì)信息進(jìn)行誤判。近年來(lái)地震折射也逐漸發(fā)展，葛利華等[4]利用地震小折射對(duì)遼西葫蘆島東部表層進(jìn)行調(diào)查，取得了較好效果。

根據(jù)航空磁測(cè)資料[5]，嘉魚斷裂所在區(qū)域有100 nT以上的航空磁測(cè)異常，在江南幕阜山地區(qū)平緩正磁場(chǎng)(50 nT)背景上，嘉魚—陽(yáng)新正異常帶(50～200 nT)磁異常等值線長(zhǎng)軸走向東西，并無(wú)具體位置信息和走向特征信息，其尾部是否向西延伸也無(wú)定論。因此，只根據(jù)區(qū)內(nèi)已有的大尺度航磁資料，無(wú)法查明嘉魚斷裂的具體位置和走向，其活動(dòng)特征更無(wú)法評(píng)價(jià)。而區(qū)域內(nèi)針對(duì)嘉魚斷裂的地震資料，尤其是小尺度地震資料極度匱乏。

本文利用小尺度淺層地震反射與高分辨率折射地震相結(jié)合的方法對(duì)目標(biāo)斷裂進(jìn)行勘探，并結(jié)合鉆探資料進(jìn)行地質(zhì)解譯，以期找到嘉魚斷裂西向延伸方向和第四系活動(dòng)的證據(jù)，證明淺層地震反射和高分辨率折射在隱伏斷裂探測(cè)中聯(lián)合應(yīng)用的必要性。

① 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心. 湖北省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告. 武漢：中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，1973.

1 區(qū)域構(gòu)造背景及新近紀(jì)以來(lái)的地層

1.1 區(qū)域構(gòu)造背景

根據(jù)文獻(xiàn)[6-8]，嘉魚斷裂所在構(gòu)造單元橫跨揚(yáng)子陸塊區(qū)的二級(jí)構(gòu)造單元上揚(yáng)子陸塊和下?lián)P子陸塊(圖1)，細(xì)化區(qū)間為兩湖斷坳，斷裂東端在侏羅系王沙溪組(J1w)已有出露，出露點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。圖2為出露點(diǎn)地質(zhì)剖面圖，剖面上見(jiàn)兩組斷裂：斷層F1、F2、F3發(fā)育于砂巖層內(nèi)，與層理平行，破碎處有片理狀未膠結(jié)的斷層泥，厚5～15 cm不等；斷層F4、F5斜切層理，向南陡傾，破碎帶主要由沖斷砂巖透鏡體組成，寬約1.5 m。上揚(yáng)子陸塊是自白堊紀(jì)始疊置在揚(yáng)子臺(tái)褶帶之上的構(gòu)造盆地，盆地底墊層被北西、近東西和北東(北北東)向先存斷裂切割成復(fù)雜的斷塊構(gòu)造。從晚白堊世至中更新世早期(白沙井組、善溪窯組下段)，盆地以斷陷作用為主，并在古近紀(jì)時(shí)具多期基性巖漿侵位；中更新世晚期以來(lái)表現(xiàn)為坳陷性質(zhì)。沉積厚度>1 100 m，其中新近系厚約800 m，第四系最厚約320 m。該單元構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)強(qiáng)烈，曾發(fā)生十?dāng)?shù)次中強(qiáng)地震，最大為1631年的常德6.75級(jí)地震。

Ⅰ-2.大別--蘇魯?shù)貕K; Ⅰ-3.武當(dāng)--隨南陸緣裂谷; Ⅱ-1.上揚(yáng)子陸塊; Ⅱ-2.下?lián)P子陸塊。FSB(K-Q).江漢—洞庭斷陷盆地；BRB(J-K).長(zhǎng)江中下游弧后裂陷盆地；IR(Nh-Pz).武當(dāng)—隨州陸內(nèi)裂谷；HP-UHP(T2).高壓—超高壓變質(zhì)折返帶；MBC(Pt).神龍架—黃陵變質(zhì)巖基底雜巖；CP(Pz).揚(yáng)子陸塊南部碳酸鹽巖臺(tái)地；PCM(Z-Pz1).下?lián)P子被動(dòng)陸緣。 圖1 區(qū)域大地構(gòu)造單元分區(qū)圖Fig.1 Regional tectonic zoning map

出露點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。圖2 嘉魚縣城東北馬鞍山中部采石場(chǎng)侏羅系J1w中嘉魚斷裂出露點(diǎn)剖面圖Fig.2 Northeast Ma’anshan Middle Jurassic quarry in J1w profile of Jiayu fault outcrop in Jiayu County

1.2 新近紀(jì)以來(lái)的地層

全新統(tǒng)(Qh) 河湖相沖積、洪積層主要分布在長(zhǎng)江北側(cè)，江南沿河谷及湖泊邊緣也呈帶狀發(fā)育。據(jù)鉆孔[8]揭露，在嘉魚馬鞍鎮(zhèn)新街附近的長(zhǎng)江沖積、洪積層，上部為粉質(zhì)黏土及黏土，中、下部為粉細(xì)砂層和卵石。

上更新統(tǒng)(Qp3) 分布于江南剝蝕堆積區(qū) ，集中分布于黃蓋湖以北和以西，主要為一套河漫灘相或?yàn)I河床淺灘相棕褐色黏土、亞黏土和砂質(zhì)堆積富含鐵錳結(jié)核，坡麓地帶常有不穩(wěn)定的堆積含礫黏土，一般厚3～10 m。

中更新統(tǒng)(Qp2) 主要在江南出露，尤其集中分布在黃蓋湖以東、車埠—官塘驛以北至長(zhǎng)江南(右)側(cè)的低丘及河湖平原區(qū)，江南鄰近湖泊均為此類地層，在地貌上呈緩起伏的低崗，通常相當(dāng)于長(zhǎng)江第三級(jí)階地，亦即網(wǎng)紋化紅土臺(tái)地。

下更新統(tǒng)(Qp1) 在區(qū)域內(nèi)零星出露于50～80 m高程的崗地上，主要為沖洪積相黏土、礫石層，強(qiáng)烈網(wǎng)紋化，鐵錳淋漓強(qiáng)烈，礫石風(fēng)化強(qiáng)烈，呈深棕紅色，厚5～10 m。

此外，在洪湖沉降區(qū)第四系底墊層為新近系河湖相灰綠、灰黃色黏土、砂礫層，厚度100～300 m。

2 地球物理勘探

本次針對(duì)嘉魚斷裂布置了多條測(cè)線進(jìn)行淺層小尺度地震反射和高分辨率折射勘探，文章選取了控制性較好的兩條測(cè)線Dz1和Dz2作為實(shí)例，詳細(xì)位置見(jiàn)圖3。

2.1 淺層地震反射

該方法是利用不同地層間波阻抗的物理差異進(jìn)行探測(cè)的一種地球物理方法。當(dāng)?shù)孛婕ぐl(fā)的入射波向下傳播至地層分界面時(shí)，由于界面存在波阻抗差異，將在界面處產(chǎn)生反射波，然后通過(guò)分析地面接收到的反射波信號(hào)可以推斷出地下地層的分層情況、構(gòu)造發(fā)育狀態(tài)等[9]。

本次數(shù)據(jù)采集選擇了美國(guó)GEODE多道地震勘探系統(tǒng)，外業(yè)工作采用等偏移距、可控震源激發(fā)地震波，并進(jìn)行10～15次疊加，120道檢波器接收，道間距為2 m，12次覆蓋觀測(cè)系統(tǒng)(圖4)。

淺層地震反射數(shù)據(jù)處理方法的重點(diǎn)是盡可能提高資料的分辨率[10]，因此，地表一致性處理和剩余靜校正處理的精度應(yīng)高于石油地震反射剖面[11-12]。另外，在地震資料的去噪處理和近地表速度求取方法上，應(yīng)重視近偏移距記錄道上的近地表反射信息提取和速度拾取[13]。資料處理過(guò)程中盡可能保護(hù)和恢復(fù)地震記錄中的有效高頻成分，便于精確確定斷點(diǎn)位置[14]。本次資料處理工作，正是基于上述理論和經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)和論證，建立了合理的資料處理流程(圖5)，最終得到了高分辨率地震反射剖面。

2.2 淺層地震折射層析成像

折射層析成像方法是通過(guò)地震折射波勘探對(duì)密集炮距和密集接收點(diǎn)距組成的折射觀測(cè)系統(tǒng)，利用彈性波的初至?xí)r間繪制成時(shí)距曲線進(jìn)行解釋反演來(lái)推斷地下構(gòu)造。近年來(lái)，基于程函方程的有限差分層析成像技術(shù)日益成熟并得到了廣泛的應(yīng)用[15]，尤其是小尺度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精細(xì)研究；當(dāng)有速度異常和界面起伏存在時(shí)，折射波走時(shí)常表現(xiàn)為顯著超前或滯后，折射波視速度則有突變顯示。因此，當(dāng)?shù)卣鸱瓷浞椒ㄊr(shí)，可考慮采用高分辨率折射波勘探[16-20]。

本次淺層高分辨折射地震勘探測(cè)線位置與反射地震測(cè)線重合，采用多重追逐相遇的觀測(cè)系統(tǒng)(圖6)。該觀測(cè)系統(tǒng)適用于需要同時(shí)觀測(cè)淺部和深部?jī)蓚€(gè)折射界面，或者對(duì)某一折射界面進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)，它實(shí)際上是由追逐系統(tǒng)和兩個(gè)小排列、一個(gè)大排列相遇觀測(cè)系統(tǒng)組成的一個(gè)復(fù)雜觀測(cè)系統(tǒng)[21]。具體觀測(cè)系統(tǒng)方式為：每個(gè)地震觀測(cè)排列采用120道接收，道間距為2 m；單個(gè)地震排列長(zhǎng)度為238 m，炮間距為60 m；每次地震排列設(shè)計(jì)了9個(gè)炮點(diǎn)；為使地震射線盡可能地均勻分布，每次地震觀測(cè)排列之間都有120 m的重復(fù)觀測(cè)段和7個(gè)重復(fù)炮點(diǎn)。

圖3 嘉魚斷裂區(qū)域地質(zhì)與探測(cè)剖面位置圖Fig.3 Jiayu fault detection and regional geological section map

圖4 淺層地震反射波法外業(yè)工作方法示意圖Fig.4 Schematic diagram of working method of shallow seismic reflection wave field method

圖5 反射資料處理流程Fig.5 Reflection data processing

圖6 折射觀測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of refraction observation system

本次高分辨率折射層析成像采用初至波走時(shí)有限差分反演，最終得到速度分布結(jié)構(gòu)圖。數(shù)據(jù)處理流程如圖7所示。通過(guò)數(shù)據(jù)處理，構(gòu)造異常的速度結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為速度分布特征的橫向差異或突變[22]；因此，根據(jù)速度分布的橫向變化，結(jié)合其他地球物理資料對(duì)斷裂構(gòu)造進(jìn)行分析判斷。

3 地震成果剖面分析

3.1 淺層地震反射剖面

圖8為Dz1測(cè)線淺層地震疊后偏移后的深度剖面，剖面長(zhǎng)度為1.14 km。剖面揭示多組較為連續(xù)的同相軸，界面斷裂構(gòu)造特征和起伏變化形態(tài)都較為清楚：50 m深度上部的兩組反射波組可連續(xù)追蹤，50 m深度以下的反射波組出現(xiàn)明顯錯(cuò)斷；在距離300、700 m左右和深度約70 m處，出現(xiàn)F6、F7兩處明顯錯(cuò)斷，斷距約15 m，F(xiàn)6斷層表現(xiàn)為北盤下降，南盤上升，F(xiàn)7斷層表現(xiàn)為北盤上升，南盤下降，均為正斷層性質(zhì)。往NNW方向追蹤發(fā)現(xiàn)：T0反射界面從50 m逐漸下降至70 m、T1反射界面從70 m逐漸下降至95 m；T2反射界面從100 m逐漸下降至130 m。

圖9為Dz2測(cè)線淺層地震疊后偏移后的深度剖面，剖面長(zhǎng)度為1.28 km。該剖面同樣揭示同相軸較多，在距離500 m左右、深度約45 m處，同相軸明顯增多，且出現(xiàn)明顯錯(cuò)斷(F8)，斷距約10 m，F(xiàn)8斷層表現(xiàn)為北盤下降，南盤上升，為正斷層性質(zhì)。往NNW方向追蹤發(fā)現(xiàn)：T0反射界面從40 m逐漸下降至80 m、T1反射界面從70 m逐漸下降至135 m；T2反射界面從100 m逐漸下降至165 m。此外，測(cè)線的淺層地震反射剖面在990 m處存在多組同相軸不連續(xù)特征，僅根據(jù)反射剖面特征，可判定該處存在異常；但外業(yè)地質(zhì)調(diào)查顯示Dz2測(cè)線970～1 000 m處為后期填湖所致，且其附近存在機(jī)械廠房，對(duì)淺層地震反射數(shù)據(jù)采集干擾較大，確認(rèn)為虛假異常。

圖7 折射資料處理流程Fig.7 Refraction data processing

圖8 Dz1測(cè)線淺層地震反射剖面成果圖Fig.8 Line Dz1 shallow seismic reflection profile map

圖9 Dz2測(cè)線淺層地震反射剖面成果圖Fig.9 Line Dz2 shallow seismic reflection profile map

3.2 淺層地震折射層析成像剖面

圖10為Dz1測(cè)線高分辨率折射層析成像速度剖面，在距離300、650 m處分別出現(xiàn)A、B兩處速度突變，具體表現(xiàn)為：A、B兩側(cè)橫向速度變化不大，A、B之間低速界面深度下降，速度結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化；雖然速度結(jié)構(gòu)的變化不完全能夠代表地層變化，但可以間接說(shuō)明A、B兩處存在地質(zhì)構(gòu)造上的異常和地層的不均勻性。通過(guò)與淺層地震反射深度剖面對(duì)比發(fā)現(xiàn)，速度變化區(qū)域基本與同相軸錯(cuò)斷位置相耦合，也間接印證了F6、F7斷裂的存在。

圖10 Dz1測(cè)線高分辨率折射層析成像速度(vP)剖面Fig.10 Line Dz1 high resolution refraction tomography velocity(vP) profile

圖11為Dz2測(cè)線高分辨率折射層析成像速度剖面，在距離500 m處(C)出現(xiàn)速度突變，異常點(diǎn)C處左右兩側(cè)速度結(jié)構(gòu)明顯不同，右側(cè)低速界面深度突然下降。速度橫向上的突變表明C處存在地質(zhì)構(gòu)造上的異常。通過(guò)淺層地震反射深度剖面對(duì)比發(fā)現(xiàn)，速度變化位置基本與同相軸錯(cuò)斷、同相軸明顯增多的位置相耦合，從而使F8斷裂的存在得到了更為充分的證據(jù)。此外，根據(jù)Dz2測(cè)線的淺層地震反射剖面，在990 m處存在多組同相軸不連續(xù)特征，而Dz2測(cè)線高分辨率折射層析成像速度剖面在同一位置顯示的深部速度結(jié)構(gòu)并不存在突變。因此，結(jié)合速度結(jié)構(gòu)剖面和外業(yè)地質(zhì)調(diào)查，更進(jìn)一步證實(shí)該處為虛假異常。

4 鉆探

本文選取了(洪湖市)江北高速公路地震安全性評(píng)價(jià)場(chǎng)地工作中距離測(cè)線較近的4個(gè)鉆孔[23](鉆孔位置見(jiàn)圖3)進(jìn)行參考，并將4個(gè)鉆孔的資料聯(lián)成了如圖12所示的聯(lián)合剖面圖。鉆孔1與鉆孔2相距約4 km，鉆孔2與鉆孔3相距約5 km，鉆孔3與鉆孔4相距約2 km。鉆孔資料揭示目標(biāo)斷層所在位置上部地層巖性較為簡(jiǎn)單，主要分為4層：①粉質(zhì)黏土，灰褐色，可塑，含鐵錳氧化物、少量氧化物結(jié)核及少量灰褐色高嶺土條紋；②粉砂，中密，主要礦物成分以石英、長(zhǎng)石、云母片等為主，局部地段夾細(xì)砂薄層；③卵石，灰色，中密，主要以粗砂為主，含長(zhǎng)石、石英、云母片、礫卵石，體積分?jǐn)?shù)約10%，粒徑一般10～40 mm，個(gè)別大于80 mm，成分主要為石英砂巖，局部地段卵石直徑較大；④灰?guī)r，灰褐色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，方解石脈填充，巖心較完整，多呈短柱狀，少量碎塊狀，巖石屬于硬巖。鉆孔組成的聯(lián)合剖面圖可以推測(cè)目標(biāo)斷裂區(qū)第四系有明顯錯(cuò)斷，錯(cuò)斷位置位于鉆孔1和鉆孔2之間，其理由是：鉆孔1在深度為44.5 m處見(jiàn)基巖，而鉆孔2、鉆孔3及鉆孔4深度為100 m時(shí)仍未見(jiàn)基巖，由此可推斷在鉆孔1與鉆孔2之間的地層厚度發(fā)生巨變，具體表現(xiàn)在鉆孔1粉砂層下界面深度為27.9 m，鉆孔2粉砂層下界面深度卻達(dá)到44.6 m，相差約16.7 m；此外，鉆孔1揭示的卵石層下界面深度為44.5 m，而其余鉆孔深度為100 m依然為卵石層，卵石層下界面深度相差大于55.5 m。綜合地球物理反射資料和高分辨率折射層析成像結(jié)果，可推斷嘉魚斷裂錯(cuò)斷了第四系沉積層，錯(cuò)斷具體位置可由地震反射剖面確定，錯(cuò)斷特征為北盤下降、南盤上升，錯(cuò)斷深度位置為50～70 m。

第四系沖洪積層。圖12 測(cè)線附近鉆孔聯(lián)合剖面示意圖Fig.12 Schematic diagram of measuring line near the borehole profile

5 結(jié)論

1)根據(jù)大尺度航磁資料，嘉魚斷裂尾部只局限于一個(gè)大致范圍，具體位置和走向并不詳實(shí)；本文研究結(jié)果查明嘉魚斷裂尾部具體位置所在，嘉魚斷裂和沙湖—湘陰斷裂交錯(cuò)，但并未止于該處，而是向西繼續(xù)延伸，方向?yàn)榻鼥|西向。

2)Dz2測(cè)線的淺層地震反射剖面在990 m處存在多組同相軸連續(xù)特征，而Dz2測(cè)線高分辨率折射層析成像速度剖面在同一位置顯示的深部速度結(jié)構(gòu)并不存在突變，外業(yè)地質(zhì)調(diào)查顯示Dz2測(cè)線970～1 000 m處為后期填湖所致，且其附近存在機(jī)械廠房，對(duì)淺層地震反射數(shù)據(jù)采集干擾較大，造成了虛假異常。

3)綜合地球物理反射剖面、高分辨率折射層析成像結(jié)果及鉆探資料，推斷嘉魚斷裂西延線在第四系覆蓋層中有錯(cuò)斷，并有活動(dòng)的可能性。第四系錯(cuò)斷位置深度約50 m，主斷裂F6表現(xiàn)為北盤下降、南盤上升的正斷層性質(zhì)。

4)在干擾較為嚴(yán)重的區(qū)域開(kāi)展淺層地震反射工作，其效果受到影響，得到的反射剖面同相軸不一定連續(xù)，會(huì)產(chǎn)生虛假異常，其異常對(duì)斷層的幾何結(jié)構(gòu)可能會(huì)有誤判；若能與高分辨率折射層析成像進(jìn)行結(jié)合，將使結(jié)果更加清晰可靠。

5)本文對(duì)于嘉魚斷裂所在構(gòu)造單元采取了小尺度地震反射勘探和地震折射層析成相，查明了斷裂具體位置和延伸的大致方向，并對(duì)斷裂特征進(jìn)行了判斷和分析，其結(jié)果是可靠的；綜合鉆探資料與地球物理結(jié)果判斷，嘉魚斷裂尾部錯(cuò)斷了第四系覆蓋層，推測(cè)有活動(dòng)的可能，后期若能進(jìn)行取樣定年，將是對(duì)結(jié)果很好的補(bǔ)充。