蘭聊斷裂南段構造樣式與最新活動性分析1

李 濤 王志鑠 高家乙 賀承廣 沈 陽

1）河南省地震局, 鄭州 450016

2）河南省地質調查院, 鄭州 450001

3）河南省航空物探遙感中心, 鄭州 450053

引言

蘭聊斷裂是河南省與山東省交界處一條活動性較強的大斷裂，是東濮凹陷的邊界斷裂，同時也是華北盆地與魯西隆起的分界線（王志鑠，2017）。蘭聊斷裂周邊地震活動頻繁，曾發生過1502 年濮城6?級地震、1923 年濮城5 級地震和1937 年菏澤7 級地震等多次破壞性地震（劉凱等，2014）。蘭聊斷裂兩側現代地震叢集分布特征明顯（鄭建常等，2013；Li 等，2021）。中原油田自20 世紀70 年代開始跨蘭聊斷裂開展了大量地球物理勘探工作，中國地震局地質研究所、河南省地震局、山東省地震局等針對濮城地震、菏澤地震可能引起的發震斷裂進行了多次淺層地震勘探與鉆孔探測等相關研究（張成科等，1992；向宏發等，2000；郭秀巖等，2011；孫小龍等，2018；Jiang 等，2019）。漆家福等（2006）、王明健等（2011）、鄭建常等（2013）、Li 等（2021）分別針對蘭聊斷裂的主斷層建立了斷層三維模型，基本明確了蘭聊斷裂主斷層總體結構及構造樣式。已有證據表明，蘭聊斷裂南段分為2 支，西支為東濮凹陷的控盆斷裂，東支為東濮凹陷向魯西隆起過渡的臺地邊緣斷裂（Li 等，2021）。但據地震勘探剖面及構造圖等資料，蘭聊斷裂南段并非僅由2 支主斷裂構成。在蘭考縣附近與新鄉-商丘斷裂交匯處分布著多條斜列狀分布的NEE 走向正斷層，這些斷層與蘭聊斷裂主斷層走向呈大角度過渡。這些NEE 向斷層與蘭聊斷裂的關系及蘭聊斷裂南段的構造樣式問題尚無相關文獻報道。此外，由于蘭聊斷裂周邊發生過多次破壞性地震（鄭建常等，2013；劉凱等，2014），且濮城與菏澤現代小震叢集分布，已有學者在斷裂北段與中段開展過多次斷層活動性研究（向宏發等，2000；郭秀巖等，2011；Li 等，2021），但斷裂南段活動性有待證實。本文在跨蘭聊斷裂南段的石油地質勘探資料基礎上，對斷層構造樣式進行分析，采用淺層地震勘探與鉆孔聯合剖面探測方法對蘭聊斷裂南段各分支進行活動性研究，為蘭聊斷裂整體運動模式、可能的發震構造判定及斷裂周邊地區潛在震源區劃分提供依據。

1 區域地質背景

蘭聊斷裂南起蘭考，北至山東聊城，全長約270 km，河南省內延伸約140 km。總體走向NNE，傾向NW，傾角50°～60°，具有上陡下緩犁式斷裂特征（漆家福等，2006；王明健等，2011）。斷距向深部逐漸增大，自新近系至奧陶系頂界，斷距由100～200 m 增大至8 350 m，斷層落差最大處在濮陽縣梨園鄉一帶，向南北方向落差逐漸減小。蘭聊斷裂在三疊紀末已經形成，但主要在莘縣凹陷附近發育，古近紀南延并成為東濮凹陷的東界，控制著東濮凹陷的形成。該斷裂整體走向NNE，由若干條斷裂組成斷裂帶。蘭聊斷裂長期持續活動，從三疊紀末印支期開始發育，直到近代可能仍在不斷活動，1 502-1983 年沿斷裂帶發生了6 次5～7 級地震。在斷裂帶南段的沙河街組和東營組中分布有輝巖和玄武巖體，表明蘭聊斷裂是切入硅鎂層的“巖石圈斷裂”（于平等，2003）。

20 世紀50 年代以來，國內地質礦產勘查開發、油氣勘探開發、地震活動斷裂探測等工作，先后對東濮凹陷地層分布、斷裂體系、構造單元特征、盆地演化等進行了總結與分析，并取得豐富的研究成果。

本文研究區地貌主要為沖積平原，新近紀以來長期處于穩定沉降狀態，形成地勢低平、開闊的黃河沖積平原、黃河河漫灘和風成沙丘，海拔高度為85～100 m。堆積地貌為研究區主要地貌成因，可分為黃河漫灘和黃河泛流平原。第四系地層發育良好，地表除個別地方出露上更新統外，絕大部分被全新統覆蓋。

地球物理探測與鉆孔探測資料揭示，東濮凹陷基底為上古生界，其上為新生界，局部有中生界，古生界與中生界最大厚度可達7 500 m 以上，新生界地層厚達7 000～9 000 m（河南省地質礦產局，1989）。東濮凹陷為新生代強烈下沉的斷陷盆地，南部下沉幅度最大，北部次之，中間幅度最小，長垣以南僅第四系就厚達400 m。東濮凹陷走向與蘭聊斷裂走向一致，凹陷內部斷裂發育，主要為高角度正斷層，其次為NWW 向平移斷層，活動性主要受蘭聊斷裂控制（王志鑠，2017）。

2 地震反射剖面特征

本文收集了跨蘭聊斷裂南段多條石油地質地震反射剖面（圖1），初步分析了蘭聊斷裂中深部結構特征。在此基礎上，針對蘭聊斷裂南段的準確位置與斷層上斷點深度，跨斷裂布設3 條淺層地震反射剖面，其中LL1 長4 520 m，LL2 長4 360 m，LL3 長3 400 m）。本文采用的觀測系統和參數如下：采樣長度3 s，采樣間隔0.5 ms，M18/612 型可控源激發、道間距5 m，炮間距20 m，240 道接收，30 次覆蓋。

2.1 中深層地震反射剖面

本文以跨蘭聊斷裂南段的4 條典型地震反射剖面為例，分析蘭聊斷裂南段的中深層構造樣式，剖面位置如圖1 所示。其中，AA'、BB'、CC'剖面為NW-SE 向，DD'剖面為NE-SW 向。4 條剖面雙程反射時間均為6 s，對應深度約為10 km，從不同角度反映了蘭聊斷裂在上地殼的結構和構造樣式。由AA'、BB'、CC'3 條剖面可知，蘭聊斷裂在深部由2 條近平行的盆地邊界斷層組成，斷層傾角由北向南逐漸減小，AA'剖面中蘭聊斷裂淺部傾角＞60°，而CC'剖面中蘭聊斷裂傾角整體為40°左右（圖2～圖4），但從剖面上難以判斷蘭聊斷裂的組合樣式。剖面DD'及其他NE-SW 向剖面基本不與盆地邊界斷裂相交，但剖面中存在多條蘭聊斷裂的分支（圖5），且分支斷裂走向與主斷裂完全不同，斷裂走向自北向南由近NS 向轉為近EW 向，分支斷裂相對盆地邊界斷裂更為緩傾。從地層結構來看，蘭聊斷裂南段向下切穿了古生界進入結晶基底，向上切穿了新生界，并錯斷了部分第四系，這表明蘭聊斷裂南段為深部結構較復雜的深大斷裂，且活動性較強，可能為第四紀中晚期活動斷層，這與向宏發等（2000）、于平等（2003）的研究結論基本一致。

圖1 蘭聊斷裂區域位置及其南段地球物理探測資料分布圖Fig. 1 Location of the Lanliao fault and the distribution map of geophysical exploration data in its southern segment

圖2 AA'地震反射剖面地質構造解譯Fig. 2 Geological structure interpretation of AA' seismic reflection section

圖3 BB'地震反射剖面地質構造解譯Fig. 3 Geological structure interpretation of BB' seismic reflection section

圖4 CC'地震反射剖面地質構造解譯Fig. 4 Geological structure interpretation of CC' seismic reflection section

圖5 DD'地震反射剖面地質構造解譯Fig. 5 Geological structure interpretation of DD' seismic reflection section

2.2 淺層地震反射剖面

LL1、LL2、LL3 三條剖面跨蘭聊斷裂南段分支斷層展布（圖1），3 條淺層地震反射剖面揭示的震相豐富，反射能量較強，剖面地層特征明顯。在雙程走時1.6 s 之上共解譯了4 組特征明顯的地層反射，其在圖中分別標識為T01、T02、TQ、TN。

從3 條剖面中各反射波組的橫向連續性來看，T01及以上反射波同相軸均具有較好的橫向連續性，未發現斷層跡象；T02及以下的地層反射在斷層附近表現出明顯的同相軸扭曲、錯斷現象，反映了蘭聊斷裂南段分支斷層的存在。據此在3 條剖面上分別解譯了多條分支斷層（圖6～圖8），其中，LL1 剖面標識為FP0701、FP0702 斷層，LL2 剖面標識為FP0501 斷層，LL3 剖面標識為FP0101、FP0102 斷層。各剖面中斷層上斷點深度是，FP0701 斷層錯斷T02界面，上斷點埋深約81 m；FP0702 斷層錯斷T02界面，上斷點埋深約146 m；FP0501 斷層錯斷T02界面，上斷點埋深約129 m；FP0101 斷層錯斷T02界面，埋深約112 m；FP0102 斷層錯斷TQ界面，上斷點埋深約170 m。

圖6 LL1 淺層地震反射剖面Fig. 6 Seismic reflection migrated section of line LL1

圖7 LL2 淺層地震反射剖面Fig. 7 Seismic reflection migrated section of line LL2

圖8 LL3 淺層地震反射剖面Fig. 8 Seismic reflection migrated section of line LL3

3 鉆孔聯合剖面特征

3.1 官莊鉆孔聯合剖面

官莊鉆孔聯合剖面沿LL1 淺層地震反射剖面開展，斷層上斷點在ZKG07 孔和ZKG05 孔之間，兩孔間距為6 m（圖9）。

圖9 官莊鉆孔聯合剖面Fig. 9 The composite drilling geological section of Guanzhuang

根據官莊鉆孔聯合剖面地層巖性特征，對比分析該鉆孔聯合地質剖面的年代學樣品測試結果（表1），將本鉆孔聯合剖面地層進行初步劃分。本文選擇合理的年齡作為依據，根據取樣深度，分段計算剖面地層的平均沉積速率。由于年代學樣品均位于斷層下盤或上覆層，主要參照斷層下盤取樣深度。該剖面劃分的全新統底界埋深為40.47 m，該深度樣品年齡值為11.7 ka。其他年代學樣品數據見表1，據表1 中樣品深度與距今年齡，可求得埋深為0～20.13 m、40.47～57.38 m、57.38～65.79 m、65.79～79.03 m、79.03～88.10 m、88.10～98.70 m、98.70～119.14 m 的地層平均沉積速率分別為21.19、0.30、0.06、0.43、0.39、0.03、0.35 mm/a。由平均沉積速率計算得到斷層下盤各標志層頂、底界的沉積年齡，如表2 所示。

表1 官莊鉆孔聯合剖面年齡樣品測試結果Table 1 Test results of age samples of the Guanzhuang composite drilling geological section

表2 官莊鉆孔聯合剖面主要標志層斷距與沉積年齡Table 2 Fault throw and sedimentary age table of marker layers in the Guanzhuang composite drilling geological section

官莊鉆孔聯合剖面可識別的上斷點埋深為67.51～68.95 m，據此認為自該段地層沉積后，未發生明顯的斷層活動，該段地層沉積年齡即為斷層最新活動時代。根據前文所述，估算斷層下盤65.79～79.03 m 深度范圍內地層平均沉積速率為0.43 mm/a，據此推算上斷點埋深區間地層沉積年齡為281.00～284.35 ka BP，因此判定該斷層屬于中更新世斷層。

標志層頂、底界的斷距近似等于該界面開始沉積以后斷層發生的累積垂直位移，由此獲得不同時期斷層的垂直位移，估算相應時期的垂直平均滑動速率，如表3 所示。由表3 可知，該分支斷層中更新世早期的活動性偏弱，中期活動性較弱，晚期活動性較強，末期以來基本未活動。

表3 官莊鉆孔聯合剖面第四紀不同時期斷層垂直位移與平均滑動速率Table 3 Vertical displacement and average slip rate of faults in different periods in Guanzhuang section

3.2 孔莊鉆孔聯合剖面

孔莊鉆孔聯合剖面沿LL2 淺層地震反射剖面開展，斷層上斷點在ZKK05 孔與ZKK06 孔之間，兩孔間距為6 m（圖10）。

圖10 孔莊鉆孔聯合剖面圖Fig. 10 The composite drilling geological section of Kongzhuang

根據孔莊鉆孔聯合剖面地層巖性特征，結合區域對比，參考孔莊鉆孔聯合剖面采集的年代學樣品測試結果（表4），對本鉆孔聯合剖面探測的地層進行初步劃分。根據取樣深度，分段計算剖面地層的平均沉積速率。由于年代學樣品均位于斷層下盤或上覆層，主要參照斷層下盤取樣深度。據表4 中樣品深度與距今年齡數據，求得埋深為0～22.11 m、22.11～57.78 m、57.78～66.53 m、66.53～78.70 m、78.70～117.45 m、117.45 m 的地層平均沉積速率分別為2.07、0.17、0.12、0.16、0.11、0.16 mm/a。由平均沉積速率計算得到斷層上盤各標志層頂、底界的沉積年齡，結果如表5 所示。

表4 孔莊鉆孔聯合剖面年齡樣品測試結果Table 4 Test results of age samples of the Kongzhuang composite drilling geological section

孔莊鉆孔聯合剖面探測可識別的上斷點埋深為63.75～69.41 m，該段地層沉積年齡代表斷層最新活動時間。當上斷點埋深為57.78～66.53 m、66.53～78.70 m 時，前文估算對應的地層平均沉積速率分別為0.12、0.16 mm/a，計算得到上斷點埋深層段沉積年齡為271.3～312.7 ka BP，說明蘭聊斷裂在蘭考縣孔莊一帶的最新活動時代為中更新世晚期。

由表5 可知，標志層B6 底界對應沉積年齡為271.3 ka BP，斷層未錯斷；標志層B5 頂界對應沉積年齡為312.7 ka BP，斷距為0.30 m，表明在312.7 ka BP 以來，斷層累積垂直位移為0.30 m；標志層B1 底界對應沉積年齡為737.3 ka BP，斷距為4.48 m，表明在737.3 ka BP 以來，斷層累積垂直位移為4.48 m。據此計算得到B6 底界至B5 頂界地層垂直位移為0.30 m，即斷層在271.3～312.7 ka BP（相當于中更新世晚期）的垂直位移為0.30 m；B5 頂界至B1 底界地層垂直位移為4.18 m，即斷層在312.7～737.3 ka BP（相當于中更新世早、中期）的垂直位移為4.18 m。

由不同標志層界面垂直位移和沉積年齡估算的第四紀不同時期斷層平均滑動速率如表6 所示，由表6 可知，在中更新世早、中期，斷層垂直位移為4.18 m，斷層平均滑動速率為0.010 mm/a，斷層活動水平較低；在中更新世晚期，斷層活動相對減弱，斷層垂直位移為0.30 m，對應平均滑動速率為0.007 mm/a；中更新世晚期以來，該分支斷層基本未活動。

表6 孔莊鉆孔聯合剖面第四紀不同時期斷層垂直位移及平均滑動速率Table 6 Vertical displacement and average slip rate of faults in different periods in Kongzhuang section

3.3 北宋莊鉆孔聯合剖面

北宋莊鉆孔聯合剖面沿LL3 淺層地震反射剖面開展，斷層上斷點在ZKS06 孔和ZKS07 孔之間，兩孔間距為10 m（圖11）。

根據北宋莊鉆孔聯合剖面地層巖性特征，結合現有資料，對比分析該鉆孔聯合剖面年代學樣品測試結果（表7），對本鉆孔聯合剖面探測區地層進行初步劃分。據表7 中樣品深度與距今年齡數據，求得埋深為0～21.03 m、21.03～50.48 m、50.48～60.14 m、60.14～93.73 m、93.73～103.89 m、103.89～118.31 m（相當于上盤120.56 m）、118.31～131.81 m 的地層平均沉積速率分別為0.90、0.30、0.047、0.13、0.19、0.11、0.28 mm/a。由平均沉積速率計算得到斷層各標志層頂、底界的沉積年齡，如表8 所示。

表7 北宋莊鉆孔聯合剖面年齡樣品測試結果Table 7 Test results of age samples of the Beisongzhuang composite drilling geological section

表8 北宋莊鉆孔聯合剖面主要標志層斷距與沉積年齡Table 8 Fault throw and sedimentary age table of marker layers in the Beisongzhuang composite drilling geological section

該斷層切穿的最新層位為第4 層的底界、B4 標志層的頂界，地層對比及一系列樣品年代學數據顯示，該層位沉積時代為中更新世。斷層上斷點尚未進入B5 標志層，B5 標志層及上覆層采集的樣品年代學數據均顯示為中更新世，故認為該分支斷層最新活動時代為中更新世。

由于研究區屬于黃泛區，河流侵蝕或側向加積易引起標志層在橫向上發生明顯的厚度變化（圖11），同時，季節性洪水也會導致局部沉積厚度變化，因此鉆孔聯合剖面中局部可能出現下部標志層垂直位移略小于上部標志層，但各標志層自下而上垂直斷距整體變小的趨勢表明斷層存在同沉積活動現象，這是斷層同沉積活動與河流侵蝕（堆積）共同作用的結果。

圖11 北宋莊鉆孔聯合剖面圖Fig. 11 The composite drilling geological section of Beisongzhuang

北宋莊鉆孔聯合剖面探測可識別的上斷點埋深為102.63～103.27 m，據此認為自該段地層沉積之后，斷層未發生明顯的活動，該段地層沉積年齡即為斷層最新活動時代。根據前文所述，估算埋深為93.73～103.89 m的地層平均沉積速率為0.19 mm/a，據此推算上斷點埋深區間地層沉積年齡為634.8～638.2 ka BP。因此，確定該斷層為中更新世早中期斷層。

標志層頂、底界的斷距近似等于該界面開始沉積以后斷層發生的累積垂直位移，由此獲得不同時期斷層的垂直位移，估算相應時期的垂直平均滑動速率。依據表8 中北宋莊鉆孔聯合剖面各標志層頂、底界的沉積年齡及斷距，計算得到該剖面第四紀不同時期斷層垂直位移與平均滑動速率，如表9 所示。由表9 可知，該分支斷層在官莊一帶中更新世早期或更早的活動性較弱，中更新世早中期活動性相對較強，中更新世中期以來斷層基本未活動。

表9 北宋莊鉆孔聯合剖面第四紀不同時期斷層垂直位移與平均滑動速率Table 9 Vertical displacement and average slip rate of faults in different periods in Beisongzhuang section

4 構造樣式分析

鄭建常等（2013）、Li 等（2021）研究了蘭聊斷裂主斷層及其附近的地震叢集分布與斷裂構造樣式，認為蘭聊斷裂主斷層為中間緩、兩端陡的“馬鞍形”，導致斷裂北部濮城附近在右旋走滑作用下應力積累；向宏發等（2000）、郭秀巖等（2011）利用淺層地震反射法對蘭聊斷裂鄄城段淺部開展了相關探測，認為蘭聊斷裂主斷層中段淺部（雙程反射時間500 ms）為一條傾向西的斷層，視傾角達80°以上，且具有上陡下緩的趨勢。

吳智平等（2013，2016）利用豐富的三維地震反射資料對渤東地區典型走滑斷裂模式進行了詳細分析，提出一系列斷裂類型與形態模式。根據蘭聊斷裂南段中深層地震反射剖面，位于盆地邊緣的蘭聊斷裂南段由北向南走向出現大角度轉變，其構造樣式與吳智平等（2013）總結的拉張-走滑斷裂形態模式一致，且與Woodcock 等（1986）提出的伸展疊瓦扇結構吻合。同時，蘭聊斷裂處于華北地區水平擠壓主應力狀態（萬天豐，2011），整體上與郯廬斷裂走向近平行，同樣具有明顯的右旋走滑分量（鄭建常等，2013；Li 等，2021），因此蘭聊斷裂南段的構造應力狀態及走滑運動方向與Cabrera 等（1988）提出的伸展疊瓦扇（馬尾扇）結構一致（圖12）。據此判斷隱伏的蘭聊斷裂南段構造樣式為走滑斷裂尾端的伸展疊瓦扇（馬尾扇）結構。

圖12 伸展疊瓦扇（馬尾扇）結構示意（Cabrera 等，1988）Fig. 12 Schematic diagram of extensional imbricate fans （Cabrera et al., 1988）

根據蘭聊斷裂剖面特征、活動性與構造樣式，蘭聊斷裂古近紀及以前為東濮斷陷盆地的邊界斷層，且以生長性伸展運動為主，斷距大，長時間處于弱補償或非補償狀態，形成了較厚的古生界及巨厚的古近系；新近紀以來，受西部印度板塊持續擠壓引起的遠場效應影響，蘭聊斷裂及周邊區域構造應力場發生了重大變化，區域主應力由EW 向水平拉張逐漸轉為水平擠壓（萬天豐，2011），同時，伴隨著太平洋板塊向NW 向俯沖，2 個方向應力疊加，使相對破碎的華北克拉通內部塊體（朱日祥等，2012）之間形成了大量左旋走滑斷裂，其中，NNE 向與NE 向斷裂表現為右旋走滑特征，NWW-NW 向斷裂則表現為左旋錯動（張揚等，2018）。郯廬斷裂帶也是在這種背景下形成的晚第四紀活動斷層（楊源源等，2019）。這些因素的綜合作用導致蘭聊斷裂主斷層新近紀后以擠壓走滑運動為主，隨著走滑量逐漸增大，斷層南端受蘭考凸起阻擋，無法繼續向南延伸，形成與主斷層大角度相交的正斷層，產生尾端“剎車”作用（Liu 等，2022），這種現象在華北第四系覆蓋區廣泛存在，是NE-NNE 向斷層活動的重要運動模式。

5 結論

本文通過整理分析石油地質勘探剖面，并跨蘭聊斷裂布設3 條淺層地震反射剖面與3 條鉆孔聯合剖面，獲得了斷裂深、淺部構造特征和最新活動性質,得到以下結論：

（1）蘭聊斷裂南段深部由多條分支斷裂組成，其中東濮凹陷邊界主斷裂為2 條近NS 向斷裂，盆地內部派生多條NEE 向或近EW 向斷層，由于蘭聊斷裂整體右旋走滑，蘭聊斷裂南段構造樣式為走滑斷層尾端的伸展疊瓦扇（馬尾扇）結構。

（2）淺層地震反射剖面中新近系與第四系產狀平緩，表明蘭聊斷裂南段新近紀以來以繼承性發育為主，斷裂淺部在剖面上表現為平行排列或負花狀構造樣式。

（3）跨斷層鉆孔聯合剖面揭露的蘭聊斷裂南段各分支斷層均未錯斷上更新統，最新活動時代為中更新世。不同分支活動性與活動強度不一，其中，官莊鉆孔聯合剖面顯示該分支斷裂中更新世晚期活動性較強，孔莊鉆孔聯合剖面顯示該分支斷裂中更新世活動水平總體不高，北宋莊鉆孔聯合剖面顯示該分支斷裂中更新世早期活動性很弱，而中更新世早中期活動性相對較強。中更新世晚期以來，蘭聊斷裂各分支均未活動。

致謝 感謝中原油田提供地震反射剖面數據，感謝審稿人為本文提出寶貴意見和建議，感謝各位編輯的耐心審核與辛苦付出！