二維地震精細探測雄安新區3 000 m以淺地質結構

龍 慧 杜 鵬,2 孫 晟 謝興隆 李鳳哲 程正璞

1 中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北省保定市七一中路1305號，071051 2 成都理工大學環境與土木工程學院，成都市東三路1號，610059

探測一定深度范圍內的地質結構特征是解決各類地質問題的有效途徑。石油與國土部門在雄安新區開展大量的油氣、地熱勘探與構造解釋研究[1-6]，積累了豐富的地質與地球物理資料，為研究該區地質結構奠定了良好的基礎。但以往的工作主要是局部的，多集中于雄縣、容城縣、安新縣等地區，且研究目標單一，深度多集中于中、深部(500～800 m新近系砂巖熱儲層、1 500～1 800 m薊縣系巖溶熱儲層)，對地質結構的系統性分析相對缺乏。

地震勘探是劃分地層結構的常用方法之一，能夠對地層界面及內部結構進行地球物理意義上的精細劃分，識別隱伏活動斷裂及其空間展布特征。本文綜合利用最新的鉆孔、測井、地震和區域地質等資料，精細刻畫雄安新區核心區3 000 m以淺的地層結構，在此基礎上揭示斷裂構造系統特征，為雄安新區的規劃建設、解決“淺-中-深”不同尺度上的地質問題提供幫助。

1 區域地質背景

雄安新區下轄雄縣、容城縣、安新縣及周邊部分區域，構造上屬于渤海灣盆地冀中坳陷中部[7]，北部從西向東橫跨徐水凹陷、容城凸起、牛北斜坡、牛駝鎮凸起和霸縣凹陷等次級構造單元，南部自西向東橫跨保定凹陷、高陽低凸起、蠡縣斜坡和饒陽凹陷。冀中坳陷是發育在華北古地臺基底之上的中-新生代沉積坳陷，經中生代燕山運動擠壓和新生代太平洋板塊俯沖弧后拉張伸展形成一系列正斷層[8]。研究區內規模較大、對區域構造起控制作用的隱伏基巖斷裂主要為徐水斷裂(保定-石家莊斷裂)、容城斷裂、容南斷裂、牛東斷裂和牛南斷裂[9-11](圖1)。新生代斷裂活動主要集中在古近系沙河街組四段和新近紀館陶組、明化鎮組沉積時期，地表未見構造活動跡象。

圖1 研究區地質背景Fig.1 Geological setting of the study area

沉積地層序列由下至上依次為太古界變質巖，以角閃巖和片麻巖為主；元古界青白口系、薊縣系和長城系碎屑巖和碳酸鹽巖，青白口系以灰巖為主，薊縣系和長城系以白云巖為主，還包括玄武巖和頁巖；下古生界寒武系，由泥巖、灰巖和白云巖組成；下古生界奧陶系、上古生界石炭系和二疊系、中生界侏羅系和白堊系零星分布，在起步區缺失；新生界古近系和新近系分別以湖相和河流相沉積為主，巖性為砂巖和泥巖，第四系以來以沖洪積、沖積和沖湖積物為主，巖性包括礫石、粗砂、中砂、細砂、粉砂、粉土、粉質粘土、粘土[12-14]。

2 二維地震勘探

2.1 測線部署

為揭示研究區的地質構造特征，在雄安新區起步區、容東片區、容西片區、寨里地區、雄縣西等重點調查區部署97條二維地震勘探測線，累積長275.46 km，測線位置見圖2。

圖2 研究區二維地震測線部署Fig.2 Deployment of two-dimensional seismic lines in the study area

2.2 數據采集

為獲取高質量反射波信號，采集數據前開展大量現場野外實驗，包括波場和低速帶特征調查、檢波器一致性和組合實驗、可控震源參數實驗等。研究區主要干擾波有折射波、側面波、面波、工業干擾波和隨機干擾波，有效波信號較豐富，信噪比較高；淺層反射波主頻在10～30 Hz，深層反射波主頻在6～25 Hz。淺表第四系粉質粘土低速層波速平均約700～900 m/s，厚度約22～28 m，整體呈東南薄、西北厚的特征。

基于以上實驗確定觀測系統。本次實驗采用Strata Visor NZXP24型地震儀及其擴展模塊Geode，M18-612型可控震源(掃描頻率5～250 Hz，最大出力18 t)及其配套電控系統，L40檢波器，掃描方式線性升頻、掃描頻率20～160 Hz、掃描長度8 s、驅動幅度70%、疊加1～3次的激發參數，120道、道間距5 m、炮間距20 m、采樣間隔0.5 ms、記錄長度2 s、覆蓋次數最高達40次的接收參數。數據處理系統及軟件采用CGG、Windows VistaGeo、East V3.2等，主要處理流程包括折射靜校正(圖3)、地表一致性處理、頻譜分析、彎線共中心點道集編排、動校正、速度分析、疊后衰減隨機噪聲等。同時，為了獲得更準確的地震速度資料，提高解譯精度，結合剖面上鉆孔的錄井、電阻率和聲波時差測井、疊加速度譜等資料進行綜合分析，獲取研究區的速度模型用于地震資料的時深轉換。

圖3 折射靜校正處理效果對比Fig.3 Comparison of effect before and after refraction statics treatment

3 地質解釋

地震資料解釋主要包括層位劃分和斷層解譯。層位標定主要是利用收集到的工程地質孔、水文地質孔、地熱鉆孔和測井資料，結合反射波組的能量強弱、相位、波形、頻率、連續性等特征建立主要地層邊界與地震剖面反射同相軸的對應關系，采用合成記錄和深度剖面對比進行標定(圖4)。構造斷裂的推斷主要依據反射波同相軸錯斷，反射同相軸發生分叉、合并、扭曲、強相位轉換等現象，反射同相軸突然增減或消失，波組間隔的突然變化，反射同相軸產狀突變，反射零亂或出現空白帶，特殊波的出現等。

圖4 合成地震記錄及層位標定示意圖Fig.4 Schematic diagram of synthetic seismogram and horizon calibration

3.1 波組特征

通過對比分析各剖面地震反射波波組特征，結合區域地質、鉆孔和測井資料，將研究區地震剖面大致劃分為8個地震反射層位，分別命名為TQ、TNm、TN、TEd、TEs、TE、TPz、TQb。以RXH3-2測線為例分析8個反射層位的特點(圖5)。

圖5 RXH3-2測線地震時間-深度剖面Fig.5 The seismic time and depth profile of RXH3-2

TQ反射層位雙程旅行時為0.38～0.59 s，推測為第四系下更新統底界，埋深100～210m。

反射波組具有振幅中等-較強、波形穩定且連續的特征，可追蹤。

TNm反射層位雙程旅行時為1.08～2.20 s，推測為上新世明化鎮組底界，埋深480～1 220 m。反射波組具有振幅較強、波形較穩定且連續的特征，易于追蹤。該反射層在容城凸起地區局部缺失，明化鎮組內部還可識別5組反射界面，均具有振幅較強、波形較穩定且連續的特征。

TN反射層位雙程旅行時為1.24～2.53 s，推測為館陶組底界(即新近系底界)，埋深630～1 550 m。反射波組具有振幅強、波形較穩定且連續的特征，易于追蹤。該反射層在容城凸起地區大范圍缺失，在南張鎮局部缺失。

TEd反射層位雙程旅行時為1.48～3.13 s，推測為東營組底界，埋深625～2 050 m。反射波組具有振幅較強、波形較穩定且較連續的特征，可追蹤。該反射層在容城凸起地區大范圍缺失，在小里鎮西北部局部缺失。

TEs反射層位雙程旅行時為1.59～4.08 s，推測為沙河街組底界，埋深560～3 060 m。反射波組具有振幅中等-較強、波形較穩定且較連續的特征，可追蹤。該反射層在容城凸起-小里鎮-三臺鎮一帶大范圍缺失。

TE反射層位雙程旅行時為1.74～4.15 s，推測為古近系孔店組底界(即古近系底界)，埋深890～2 610 m。反射波組具有振幅中等、波形較穩定且較連續的特征，可追蹤。該反射層僅在容城凸起以西、南張鎮-小里鎮一帶發育。

TPz反射層位(圖5中缺失)雙程旅行時為2.96～4.08 s，推測為古生界底界，埋深1 700～4 870 m。受到斷裂構造作用，反射波組具有振幅弱、波形不穩定且不連續的特征，較難追蹤。該反射層位僅分布在容城凸起西翼和南張鎮-小里鎮一帶。

TQb反射層位(圖5中缺失)雙程旅行時為3.12～4.10s，推測為青白口系底界；薊縣系頂界(TJx)雙程旅行時為1.24～4.15 s，埋深540～6 700 m；在容城凸起區域，青白口系底界為新近系底界(TN)，對應反射波組具有振幅強、波形較穩定且連續的特征；在容城凸起以東、南及西南地區，青白口系頂界為古近系沙河街組底界(TEs)，對應反射波組具有振幅中等-較強、波形較穩定且較連續的特征；在容城凸起以西，在斷裂構造作用下，青白口系頂界為寒武系底界(TPz)，對應反射波組具有振幅弱、波形不穩定且不連續的特征。

3.2 地層結構

二維地震探測結果揭示，雄安新區起步區3 000 m以淺地層序列自上而下包括新生界第四系全新統-中更新統、下更新統、新近系明化鎮組、館陶組、古近系東營組、沙河街組、孔店組、古生界寒武系、中-新元古界青白口系、薊縣系、太古界等16套地層(圖6)。新近系第四系覆蓋層較厚，成層性好，全新統-中更新統和下更新統地層起伏較小，沉積較為穩定，各地層間呈平行整合接觸；明化鎮組和館陶組內部地層產狀基本一致，各小層均呈東低西高、南低北高的起伏趨勢，沉積較為穩定，僅在容城凸起區域和雄縣西北地區小范圍局部缺失。古近系東營組地層分布在容城凸起和牛駝鎮凸起間凹陷處、容城凸起南西地區，在小里鎮西北地區缺失；沙河街組地層分布在容城凸起和牛駝鎮凸起間凹陷處、容城凸起以南和南張鎮地區；孔店組地層僅在容城凸起以西地區局部發育。寒武系和青白口系地層存在于容城凸起以西地區，薊縣系地層全區發育，與上覆地層呈不整合接觸。

圖6 研究區主要地層結構剖面Fig.6 Main stratigraphic structure profiles in the study area

3.3 斷裂構造

根據地震反射波波組特征及層位閉合來解釋每個層位的斷層縱向及平面的分布[15]，據此推斷雄安新區重點調查區的斷裂構造系統由9條主斷裂及其次級斷裂組成，斷裂構造隱伏于地表之下，均為拉張型正斷層，走向以NE為主，少量EW，個別近NW，傾向為NE、NW或SW，傾角在50°～94°之間，除F1及其次級斷裂F1-3對第四系下更新統地層有控制作用外，其他斷裂早更新世以來活動不明顯。

F1、F2、F4、F5、F8、F9分別存在分支斷裂，其中，F1、F4、F5、F8、F9與其分支斷裂均呈“y”字形組合。斷裂主要特征如下：1)F1及其次級斷裂位于三臺鎮地區，主斷裂F1為容南斷裂，斷至結晶基底，控制著容城凸起和保定凹陷的發育，走向NE，傾向NW，上部傾角92.17°，下部傾角94.26°，上斷點最小埋深約103 m，斷裂形跡出露于第四系下更新統，表明F1斷裂在第四紀早更新世時期有過活動(圖7)。2)F2及其次級斷裂位于李家營村-王莊村一帶，主斷裂F2為前人已查明的容城斷裂，是容城凸起和牛北斜坡的區域性構造分界線，走向NE，傾向NW，傾角69.00°，上斷點最小埋深約550 m，斷裂形跡出露于新近系明化鎮組，表明F2斷裂在新近紀晚期有過活動。3)F8及其次級斷裂位于小里鎮和三臺鎮西南的寨里鄉，主斷裂F8為已知的徐水斷裂，是分割徐水凹陷(廊固凹陷)和保定凹陷的區域性邊界斷裂，走向NE，傾向NE，傾角58.28°，上斷點埋深約900 m，斷裂形跡出露于新近系館陶組，表明F8斷裂在新近紀早期有過活動。4)F9及其次級斷裂位于大王鎮東北、雄縣西地區，主斷裂F9為雄縣西斷裂，是牛駝鎮凸起與牛北斜坡東南部的區域性分界斷裂，走向近EW，傾向NE，上部傾角55.26°，下部傾角60.77°，上斷點埋深約1 015 m，斷裂形跡出露于新近系館陶組，表明F9斷裂在新近紀早期有過活動。5)由F4、F5及其次級斷裂和F6組成的容西斷裂帶位于容城凸起西翼，控制著容城凸起和徐水凹陷的構造發育。主斷裂F4走向近EW，傾向NE，上部傾角52.75°，下部傾角59.88°，上斷點埋深1 065 m；主斷裂F5走向近EW，傾向NE，上部傾角74.05°，下部傾角64.91°，上斷點埋深730 m；F6走向NW，傾向NE，傾角73.57°，上斷點埋深944.80 m；斷裂形跡均出露于新近系館陶組，表明容西斷裂帶在新近紀早期有過活動。

圖7 F1及其分支斷裂地震解釋剖面Fig.7 Seismic interpretation profile of F1 and its branch faults

3.4 綜合認識

雄安新區重點調查區第四系地層在全區均有分布，覆蓋層較厚，全新統-中更新統和下更新統地層起伏較小，底界埋深分別為20.70～76.56 m和100.60～211.24 m，厚度分別為26.94～84.46 m和114.64～218.40 m，沉積較為穩定，各地層間呈平行整合接觸。三臺鎮和小里鎮西南區域第四系內部發育F1、F1-3斷層，上斷點埋深分別為103.44 m和119.75 m，構造活動相對穩定。

新近系明化鎮組地層成層性好，內部均呈東低西高、南低北高的起伏趨勢，沉積較為穩定，僅在容城凸起區域和雄縣西北地區小范圍缺失，底界埋深479.56～1 220.89 m，厚284.93～943.55 m。在容城凸起東部、南部(即三臺鎮和小里鎮西南區域)和大王鎮西南地區分別發育F2、F1及其次級斷裂、F7，構造活動相對穩定。新近系館陶組地層受構造抬升影響，在容城凸起區域和雄縣西北地區小范圍缺失，西北部凸起區最高631.51 m，大王鎮西凹槽處最低1 548.62 m，厚60.15～521.83 m。

古近系東營組和沙河街組地層分布在容城凸起和牛駝鎮凸起間凹陷處、容城凸起以南和以西地區，在小里鎮西北地區缺失；底界埋深分別為625.48～2 054.13 m和557.61～3 056.26 m，厚0～741.79 m和0～1 206.44 m。孔店組和古生界寒武系地層僅在調查區南張鎮-小里鎮-三臺鎮北一帶發育，孔店組地層底界埋深889.89～2 614.47 m，厚0～2 987.88 m，古生界寒武系地層底界埋深1 704.22～4 866.12 m，厚0～2 545.86 m。

中上元古界青白口系地層存在于容城凸起以西地區，薊縣系地層全區發育，與上覆地層呈不整合接觸；霧迷山組地層頂界埋深537.47～6 756.49 m，青白口系地層厚0～1 178.43 m，地層起伏較大。容城凸起東、南、西南、西、東北和大王鎮東北分別發育F2及其次級斷裂、F3、F1及其次級斷裂、F7、F8及其次級斷裂、F4及其次級斷裂、F6、F5及其次級斷裂、F9及其次級斷裂。

4 結 語

1)本文充分分析了地震反射波波組特征，據此推斷雄安新區重點調查區3 000 m以淺深度范圍內發育16套地層。凹陷區地層發育較全，以第四系、新近系明化鎮組、館陶組、古近系東營組、沙河街組、古生界和薊縣系霧迷山組為主，為中生界殘留凹陷；凸起區地層缺失，以第四系、新近系明化鎮組和薊縣系霧迷山組為主。

2)二維地震探測結果揭示了雄安新區重點調查區斷裂構造空間展布及其周邊地層垂向邊界，研究區總體表現為凹-隆-凹的構造格局，主控斷裂性質決定容城凸起的分布及發育規模，為地熱勘探提供了重要的地質依據。