盤谷寺-新鄉斷裂第四紀活動性分段特征1

郁軍建 張 揚 孫 印 張 哲

1）河南省地震局, 鄭州450016

2）中國地震局地質研究所, 北京100029

3）中國地震局地球物理勘探中心, 鄭州450002

引言

盤谷寺-新鄉斷裂位于一條重要的巖石圈構造帶（鄧起東等，1980；張培震，1999）、布格重力異常梯度帶和航磁正負異常分界帶上（劉堯興等，2001），其西起太行山南麓克井盆地以西的山區，向東經交地、盤谷寺、河口、仙神口、柏山，進入平原地區后呈隱伏狀態，過朱村，再向東延伸，直至新鄉市郎公廟，全長約200 km。劉堯興等（2001）根據野外地質及地球物理資料，大致以柏山、高村為界，將該斷裂分為西、中、東3 段。物探資料顯示，盤谷寺-新鄉斷裂以大高村為樞紐點，西段、中段斷層南傾，控制濟源盆地北邊界；東段斷層北傾，為武陟隆起和修武凹陷的分界斷裂（鄧小娟等，2018）。物探資料揭示的剖面上，斷裂呈負花狀構造特征，具有走滑兼具正斷性質。向東延伸的新鄉-商丘斷裂亦是北華北和南華北地塊重要的邊界斷裂（張培震，1999；張岳橋等，2003a），明顯分割了其兩側不同優勢方位的構造線發育，斷裂以北區域構造線呈NE-NNE 向，以右旋走滑運動為主，斷裂以南區域構造線整體呈NW-NWW 向，以左旋走滑運動為主（張岳橋等，2003a；張揚等，2021）。在盤谷寺-新鄉斷裂附近，曾發生1587 年修武東5.5 級地震和修武東6.0 級地震、1979 年修武4.0 級地震、1989 年修武3.5 級地震和2009 年修武3.6 級地震，這些地震可能與盤谷寺-新鄉斷裂及其北側的鳳凰嶺斷裂的活動有關。為研究盤谷寺-新鄉斷裂的第四紀活動性，河南省地震局依托河南省構造探查項目在盤谷寺-新鄉斷裂中、東段開展了大量淺層人工地震勘探，在綜合對比分析臨近鉆孔地層年代劃分和石油物探剖面資料基礎上，本文對盤谷寺-新鄉斷裂的空間分布、最新活動時代、分段性特征進行了系統研究，為該地區地震危險性評價提供基礎資料和重要依據。

1 區域地震地質特征

研究區位于太行山南麓與華北平原過渡地帶的豫中差異沉降區，大地構造上屬于華北地臺，其結晶基底為太古宙-古元古代變質巖系，之上堆積中、新元古代、古生代沉積蓋層，新生代發生裂陷作用，發育伸展構造，局部地區沉積厚度達數千米2河南省地質礦產局編. 1985. 河南省區域地質志.（圖1）。研究區西北部為太行山隆起區，以盤谷寺-新鄉-商丘斷裂為界，東北部為湯陰地塹和內黃凸起，南部為濟源-開封凹陷。區內主要控制凹凸格局、盆地沉積與剝蝕的斷層為盤谷寺-新鄉斷裂、鳳凰嶺斷裂、武陟斷裂等（圖2），在盤谷寺-新鄉斷裂與武陟斷裂之間發育次級的武陟凸起，北部鳳凰嶺斷裂間發育次級的修武凹陷。新構造時期，研究區整體屬于沉降狀態，古近系和新近系沉積厚度大于600 m，第四紀沉積厚度0～200 m，離太行山南麓越遠，沉積厚度越大。

圖1 區域構造單元劃分簡圖Fig. 1 Schematic diagram of the division of regional tectonic units

圖2 研究區實際材料圖Fig. 2 The actual material map of the study area

2 盤谷寺-新鄉斷裂典型剖面特征

2.1 西段

盤谷寺-新鄉斷裂西段位于柏山以西，斷層面傾向南，傾角60°～70°（圖3）；斷裂在盆山邊界斷續出露，北盤為太古界、古生界上升盤，南盤為濟源新生代斷陷盆地下降盤，兩盤落差由西向東逐漸減小，最大落差可達1 500 m（劉堯興等，2001）。盤谷寺-新鄉斷裂西段斷層地貌特征明顯，自西向東依次發育深切侵蝕溝、斷層三角面和侵蝕殘丘等，出露的斷面上發育近水平的擦痕和反階步，營北地至蟒河口多數南北流向河道在經過斷裂處一致出現左旋拐彎，以及洪積扇中心線的左右不對稱發育等現象，均指示斷裂的水平左旋錯動特征（荊智國等，2000；劉堯興等，2001；張岳橋等，2003b）。

圖3 西段深地震層析剖面解譯圖3中國地震局地球物理勘探中心鄭州基礎工程勘察研究院. 2015. 焦作市活動斷層探測與地震危險性評價技術報告.Fig. 3 Interpretation map of deep seismic tomography profile in the western segment

在活動時代方面，八一水庫溢洪道剖面上斷層下盤為下古生界泥灰巖，斷層破碎帶內為強擠壓變形的泥質頁巖和石英砂巖，斷層上盤被錯斷，地層下部為上新世紅土夾礫石層，上部為中更新世黃土，斷層未見錯動上覆的晚更新世沖洪積礫石層（圖4），指示其最新活動時代最早為中更新世（劉堯興等，2001）。

圖4 八一水庫溢洪道地質剖面（劉堯興等，2001）Fig. 4 The geological profile of the spillway of Bayi reservoir（Liu et al, 2001）

2.2 中段

本文收集了焦作市活動斷層探測有關盤谷寺-新鄉斷裂中段（柏山-高村段）的4 條物探剖面（圖5）和1 個地質標準鉆孔，并選取中段PL2 物探剖面（圖6）進行分析。

圖5 盤谷寺-新鄉斷裂中段地震剖面立體展示Fig. 5 Stereoscopic display of seismic profile in the middle section of Pangusi-Xinxiang fault

圖6 盤谷寺-新鄉斷裂中段典型地震剖面（PL2）Fig. 6 Typical seismic profile of the middle section of the Pangusi-Xinxiang fault（PL2）

PL2 時間剖面揭示的反射震相比較豐富，反射能量較強，整個剖面地層特征較為明顯。在雙程走時1 000 ms 以上共解譯了8 組特征明顯的反射層，分別標識為T01、T02、Q、TQ、T1、N、T2、TN，其中TQ和TN分別解譯為第四紀和新近紀地層的底界。從PL2 時間剖面中各地層反射的橫向連續性看，FP2-1地層南傾，其可分辨上斷點在錯斷T02界面后繼續向上延展，T01以下反射波表現出明顯的同相軸扭曲、牽引拖曳、錯斷現象，具有明顯的正斷性質。剖面上可分辨的上斷點深度為65～70 m（本文時深關系轉換均采用ZK3 垂直地震剖面測井解譯結果），在該深度的垂直斷距為3～5 m。

2.3 東段

為厘定盤谷寺-新鄉斷裂東段最新活動時代，在石油地震探測剖面基礎上，河南省構造探查項目、焦作市活動斷層探測與地震危險性評價項目、新鄉市活動斷層探測與地震危險性評價項目在東段部設多條物探剖面（圖7）。本文收集并系統分析其中10 條淺層地震勘探剖面和2 個地質標準孔資料，并選取中段3 條典型物探剖面進行分析。

圖7 盤谷寺-新鄉斷裂東段淺層地震剖面立體展示Fig. 7 Stereoscopic display of seismic profile in the eastern segment of Pangusi-Xinxiang faultult

PL7、PL11 時間剖面揭示的反射震相比較豐富，整個剖面地層特征較為明顯（圖8、圖9）。在雙程走時1 000 ms 以上共解譯了4 組特征明顯的地層反射，分別標識為T01、TQ、T1、TN，其中T01為中、晚更新世的界線，TQ和TN分別解譯為第四紀和新近紀的底界。表1 為盤谷寺-新鄉斷裂地震側線參數，由表中統計的地震時間剖面PL8 和典型時間剖面PL12 中各地層反射的橫向連續性看，盤谷寺-新鄉斷裂東段北傾，其可分辨上斷點在錯斷T01界面后繼續向上延展，剖面上可分辨的上斷點深度為64～80 m，在該深度的垂直斷距約為2～20 m。

表1 收集地震測線斷層參數Table 1 Collected seismic line fault parameters

圖8 盤谷寺-新鄉斷裂東段典型地震剖面（PL7）Fig. 8 Typical seismic profile of the eastern segment of the Pangusi-Xinxiang fault（PL7）

圖9 盤谷寺-新鄉斷裂東段典型地震剖面（PL11）Fig. 9 Typical seismic profile of the eastern segment of the Pangusi-Xinxiang fault（PL11）

盤谷寺-新鄉斷裂東段東部的PL14 時間剖面同樣揭示了上盤下部地層加厚，上部地層減薄，時間剖面上可分辨的上斷點深度為190～200 m（圖10）。

圖10 盤谷寺-新鄉斷裂東段典型地震剖面（PL14）Fig. 10 Typical seismic profile of the eastern segment of the Pangusi-Xinxiang fault（PL14）

3 地層年代對比分析及斷裂第四紀活動性特征

3.1 第四紀地層特征與時深關系

3 個地質標準孔ZK1（深度162 m）、ZK2（深度200.57 m）、ZK3（深度195 m）第四紀地層特征如表2 所示。

表2 3 個地質標準孔地層劃分深度與厚度數據表Table 2 Data sheet of ground layer division depth and thickness of three geological standard holes

3.2 盤谷寺-新鄉斷裂第四紀活動性

根據斷層出露的剖面特征，盤谷寺-新鄉斷裂西段最新活動時代為中更新世，活動性質正斷，具有左旋走滑特征。荊智國等（2000）對仙神河古河道、階地的調查研究發現，向盆地方向遷移的次級斷裂在全新世仍有活動，表明盤谷寺-新鄉斷裂西段在中更新世以后逐步向濟源盆地遷移發育。中段最新活動時代為晚更新世早期，為南傾正斷層，兼具左旋走滑特征。東段最新活動時代為晚更新世早期，從地震測線分布圖（圖2、圖5、圖7）和斷層參數表可以看出，東段的活動性從中間到兩端逐漸降低；其活動特征稍復雜，自新近紀以來經歷了正斷-走滑的運動過程演變，廣泛發育的背形上拱正花狀構造，指示其壓扭走滑性質；盤谷寺-新鄉斷裂東段均北傾，傾角向東逐漸變陡，尾端近于直立。

4 斷裂特征

4.1 盤谷寺-新鄉斷裂運動特征

鑒于中、東段斷層傾向變化、斷裂活動期次復雜，筆者認為有必要細致剖析中東段的樞紐運動特征，進而幫助認識該斷裂的地震危險性。

（1）盤谷寺-新鄉斷裂中段煤田鉆探表明，主干斷裂南北兩側落差超過600 m，在朱村一帶基巖斷距達1 000 m以上（劉堯興等，2001），該段斷裂在中生代表現為逆沖性質，新生代為拉張性質，斷層位移自西（王褚）向東（高村）樞紐點附近逐漸減小。

（2）盤谷寺-新鄉斷裂東段在物探時間剖面上普遍發育明顯的背形上拱花狀構造，發育的次級斷裂下陡上緩，屬正花壓扭性質，斷裂的正逆演化過程如下：

新近紀，斷裂表現為正斷拉張性質，拉張速率逐漸下降，主要表現為：①典型剖面新近紀地層有明顯加厚的現象，但向上加厚程度逐漸降低；②斷層下盤同相軸扭曲、牽引、錯斷的現象明顯。

早更新世初期-晚更新世，斷裂表現為逆沖性質，主要表現為：①物探時間剖面的斷裂上盤，新近紀地層發育顯著背斜；②斷層上盤新近紀地層、第四紀底部界線同步向上錯斷；③物探時間剖面早中更新世地層一致減薄。推測正花壓扭構造的發育時期，即走滑運動強烈期在此階段。

圖11 ZK3 垂直地震測深（VSP）測井解譯Fig. 11 ZK3 VSP logging interpretation

4.2 區域構造動力學特征

中新世-上新世，華北斷陷盆地發生區域熱沉降，山西地塹和華北斷陷盆地快速形成和發展，研究區經歷了從NE-SW 到NW-SE 方向的張引力應力轉換（張岳橋等，2003a）。新生代以后，隨著青藏高原劇烈隆升導致華南板塊SEE 方向側向擠出，南華北斷層表現為左旋走滑的緩沖調節性質。盤谷寺-新鄉-商丘斷裂作為南、北華北的分界線，筆者推測其不連續發育，在走滑斷裂的不同部位形成了 “拉分區”和“擠壓隆起區”（鄧起東等，2014）。武陟隆起所處的核部可能是盤谷寺-新鄉中段向SE 延伸的武陟斷裂和盤谷寺-新鄉東段的擠壓階區所在，不存在所謂的斷層傾向反轉（鄧小娟等，2018）。

盤谷寺-新鄉斷裂中段的斷層位移自西（王褚）向東（高村）樞紐點附近逐漸減小，東段PL5～PL14 物探剖面顯示的斷層位移自東向西逐漸減小，反映出盤谷寺-新鄉斷裂中東段在高村樞紐點出現的斷層位移虧損和衰減，在該擠壓階區附近易形成與之相應的擠壓型地震。

5 結論

（1）盤谷寺-新鄉斷裂的活動具有明顯的分段性。東段最新活動時代為晚更新世早期，在該段內，斷裂的垂直斷距從中間向兩端逐漸減小；中段最新活動時代為晚更新世早期；西段最新活動時代為中更新世，斷裂向盆地內部遷移發育。

（2）盤谷寺-新鄉斷裂東段經歷了正斷-逆斷-正斷的演變。新近紀為正斷，且正斷拉張速率逐漸減小；早更新世初至晚更新世，為逆走滑性質；晚更新世以來，以左旋走滑為主，推測仍具有一定的拉張正斷活動。

（3）高村所處的武陟隆起區域推測為盤谷寺-新鄉斷裂中、東段的擠壓階區，斷層位移在此處有虧損和衰減。

致謝 本研究使用了中國地震局地球物理勘探中心焦作、新鄉城市活動斷層探測資料，在此表示感謝。