主動源深地震剖面揭示河南地區地殼結構特征

馬策軍 田曉峰 王帥軍 劉寶峰 宋向輝,2 宋佳佳

1 中國地震局地球物理勘探中心,鄭州市文化路75號,450002 2 中國地質大學(北京)地球科學與資源學院,北京市學院路29號,100083

河南省地處華北與華南地震帶的過渡區,公元前 1767年以來共記錄到M≥4.7破壞性地震144次[1]。河南省內存在多個地震斷裂帶,如太行山山前斷裂帶、秦嶺斷裂帶等。省內某些地區小震活動頻繁,如聊蘭斷裂附近的濮陽-范縣地區[2]。

前人對河南地震區深部地殼結構開展了大量研究,取得一定的認識[3-7],但多是利用單一的二維深地震測深剖面揭示局部的地殼結構特征,對河南省整體的地殼結構特征與地震構造背景缺乏系統性的總結。本文回顧了河南省及鄰區已經開展的主動源探測工作,對主動源地震資料揭示的地殼速度結構特征等進行歸納,對于揭示河南省地震構造背景具有重要意義。

1 河南地區構造背景及主動源深地震探測情況

1.1 河南地區地質構造背景

河南省地跨華北塊體與秦嶺褶皺帶2個大地構造單元,大致以欒川-確山-固始斷裂(F1)為界,北部為華北地塊,南部為NWW向的秦嶺-大別褶皺帶(圖1)。華北地塊的蓋層構造主要是新生代華北盆地,以NWW-SEE走向的盤古寺-新鄉-商丘斷裂帶(F3)為界,北部為大渤海灣盆地(北華北盆地),呈不規則菱形狀,南部為南華北盆地,呈不規則三角形[8]。秦嶺-大別褶皺帶屬于東秦嶺造山帶,一般以商丹-桐柏-商城斷裂帶為界分為南北秦嶺(F2)。

F1:欒川-確山-固始斷裂帶;F2:商丹-桐柏-商城斷裂帶;F3:盤古寺-新鄉-商丘斷裂帶;F4:湯東斷裂帶圖1 河南省及鄰區地震構造圖Fig.1 Earthquake tectonic map of Henan province and its adjacent region

1.2 主動源深地震探測概況

20世紀70年代河南省地殼結構探測工程通過礦山爆破的方法來獲取地殼結構,以“隨州爆破”爆破點為中心,布設的隨縣-安陽剖面和隨縣-西安剖面穿過或部分穿過河南省境內,但是由于爆破點較少,無法構成完整的相遇、追逐、多重觀測系統,而且觀測點距較大,因此其解釋方法和結果略顯粗糙[9]。80年代開始,河南省及周邊地區開展了一系列觀測系統完善的深地震測深野外觀測,測線主要集中在河南省內的地震危險區(圖2),測線施工參數見表1。

表1 河南地區主動源地震測深測線統計

圖2 河南地區主動源地震測深線位置Fig.2 Location of deep seismic sounding lines in Henan region

2 河南地區地殼速度結構特征

2.1 北華北盆地

穿過北華北盆地的測線主要有菏澤-林縣-長治、鄭州-濟南、林縣-平邑、諸城-宜川等,這些測線大多以NNW或近EW走向穿過河南省北部的湯陰地塹、濮陽凹陷等構造單元和林縣微震區等地震危險區。

該區域的二維速度結構模型[10]顯示(圖3),深淺部構造存在明顯的鏡像對稱關系,隆起區的莫霍面下凹,安陽與清豐之間莫霍面下凹最深可達37 km,凹陷區莫霍面隆起,深度33 km左右。聊蘭斷裂深部莫霍面上隆明顯,上地殼呈塊斷下陷,表明聊蘭斷裂可能已經切割到下地殼,是巖石圈運動的產物[11-12]。湯陰地塹與濮陽凹陷的中下地殼內存在不同尺度的低速體,反映了上地幔熱物質的侵入,且莫霍界面不再是一個尖銳的間斷面,而是一個復雜的過渡帶[13],表明該地區莫霍面受到軟流圈上涌的影響,底侵或熱侵蝕作用是該地區巖石圈被破壞的主導因素[14]。

圖3 北華北地區典型剖面(菏澤-長治)的二維地殼速度結構[10]Fig.3 2-D crustal velocity structure of typical profile(Heze-Changzhi) in north area of north China[10]

2.2 南華北盆地

穿過南華北盆地的測線有隨縣-安陽、襄城-菏澤-章丘、鄭州-濟南、鄭州-臨汾-靖邊、鄭州-靈璧等,這些測線走向較為零亂,主要穿過開封坳陷等構造單元和平頂山等地震危險區。

該區域地殼結構分為上中下3層(圖4),主要特征為:1)鄭州、開封等地區沉積層較厚,莫霍面顯著隆升,埋深30 km左右,與淺部的開封坳陷呈鏡像對稱;2)坳陷區中下地殼存在顯著的低速層,最低速度僅為6.4 km/s,地殼平均速度較低;3)坳陷區莫霍面之上為一強梯度層,速度為7.0～7.4 km/s左右,上地幔頂部速度為7.95～8.05 km/s,較隆起區的速度(8.00～8.10 km/s)低,速度梯度也相對較弱;4)太康、尉氏等下方上地幔頂部速度偏高,速度梯度急劇增大,該特征可能與上地幔高密度物質的上涌有關。

圖4 南華北地區典型剖面(鄭州-濟南)的二維地殼速度結構[10]Fig.4 2-D crustal velocity structure of typical profile(Zhengzhou-Ji’nan) in south area of north China[10]

南華北盆地與北華北盆地具有相似的地殼結構分層特征,都分為上中下3層,深淺構造呈鏡像對稱,中下地殼都發育殼內低速體。區別在于北華北地區上地幔頂部為一近似均勻的速度層,而南華北地區的上地幔頂部速度偏高,可能存在地幔物質上涌底侵而形成的高速薄層。

2.3 秦嶺-大別造山帶

穿過秦嶺-大別造山帶的地震測深測線較少,包括隨縣-安陽、隨縣-西安、伊川-十堰(QB1)以及固始-團風等。

伊川-十堰(QB-1)剖面揭示的東秦嶺造山帶地殼結構[15](圖5)與穿過大別山的固始-團風以及莊墓-張公渡深地震測深剖面顯示的地殼結構較為一致[16-17]。在秦嶺-大別造山帶下方,地殼速度結構表現為顯著的高速穹隆構造,其翼部中上地殼發育速度為5.8～6.1 km/s左右的殼內低速體,橫向速度變化極其劇烈。地殼厚度從北部南華北盆地的34 km左右至秦嶺-大別造山帶下方突然加大,莫霍面存在明顯的錯斷,可能是揚子板塊向北俯沖留下的痕跡[17]。莫霍界面連續性較差,存在波狀起伏以及突然的錯斷。整個秦嶺-大別造山帶地殼厚度并未明顯增大,不存在所謂的山根[18]。

圖5 秦嶺-大別造山帶典型剖面(伊川-十堰(QB-1))的二維地殼速度結構[15]Fig.5 2-D crustal velocity structure of typical profile(Yichuan-Shiyan (QB-1)) of Qinling-Dabie orogenic belt[15]

穿過秦嶺褶皺帶的深反射剖面葉縣-鄧州-南漳(圖6)揭示了該區域深部地殼幾何結構、斷裂特征及不同構造的接觸關系。可以看出,東秦嶺上地殼可分為北秦嶺和南秦嶺2個巨型的推覆體,莫霍面呈現隔檔式褶皺,在褶皺的尖點處錯斷,反映了下地殼沿莫霍面的強烈滑動。南秦嶺褶皺帶中地殼存在一個明顯的反射界面,可能作為滑脫層控制南秦嶺的推覆和揚子地塊向南秦嶺的陸內地殼俯沖,形成楔入構造[19]。華北地塊以板塊俯沖的形式向北秦嶺褶皺帶下方俯沖,俯沖反射特征明顯[20],陸內俯沖進一步導致秦嶺北緣中上地殼發育自南向北的逆沖推覆構造帶[21]。

圖6 東秦嶺葉縣-鄧州-南漳深反射地震線條圖[20]Fig.6 Deep reflection seismic lines map of Yexian-Dengzhou-Nanzhang in east Qinling[20]

綜上所述,河南地區深地震測深測線揭示的地殼結構特征可總結如下:

1)河南地區地殼結構基本上分為上中下3層,地殼厚度在30～42 km范圍內變化,平均厚度33 km,但不同構造單元內地殼結構特征存在差異。北華北盆地的3層地殼結構中,中地殼普遍發育低速層,出現速度逆轉的現象。秦嶺-大別褶皺帶由于構造復雜,地殼結構分層性較差,塊狀結構明顯,表現為上地殼的巨型推覆構造和下地殼的軟弱層。北秦嶺與南秦嶺中下地殼反射強烈,呈相向傾斜的反射楔形體特征。華北盆地隆起區塊體地殼一般呈均勻成層,速度隨深度逐層增加,保留了穩定的塊體結構特征;盆地坳陷區塊體通常具有低速的中下地殼和高低速相間的薄互層殼幔過渡帶,反映了地幔熱物質的上涌以及對地殼結構的改造。北華北盆地深部上地幔速度較為均勻,而南華北盆地上地幔頂部速度偏高,速度梯度急劇增大,可能與地幔物質的上涌有關。秦嶺-大別褶皺帶的速度結構較為復雜,橫向上速度變化極為劇烈,成層性較差,整個地殼表現為顯著的高速穹隆,其翼部中上地殼發育殼內低速體。

2)華北盆地深部莫霍界面形態與地形高程呈鏡像對稱關系,在隆起區(內黃隆起、太康隆起等)表現為莫霍面的下凹,地殼厚度增大;在坳陷區(湯陰地塹、開封坳陷等)則表現為莫霍面的上隆,地殼厚度減小。莫霍面波狀起伏,但地殼厚度的變化主要發生在中下地殼,上地殼厚度較為均勻。秦嶺-大別褶皺帶深部莫霍面波浪起伏特征更明顯,呈隔擋式褶皺的形態,在其頂部的拐點處,莫霍面被斷開,整體呈不連續分布,反映了下地殼沿著莫霍面強烈的滑脫作用。華北板塊與秦嶺微板塊的分界處,莫霍界面表現為華北板塊向南俯沖,揭示了兩者之間的接觸關系。此外,需要指出的是,雖然河南省跨越華北盆地與太行山、秦嶺-大別山等構造單元,地形高差上千米,但是造山帶的深部地殼并未出現明顯的下凹,地殼深部不存在山根。

3 河南地區地震分布特征及地震構造背景研究

河南省大致有豫北地震活動帶、祁呂賀山字型弧頂前緣地震活動帶、嵩山東麓地震活動帶和豫南地震活動帶等4個地震活動帶,其中,NNE向展布的豫北地震活動帶發震頻度與強度比較突出。從河南省不同地震帶的地殼結構特征可以看出,不同地區的地震分布特征與地殼速度結構關系密切。

3.1 濮陽地區

濮陽是河南省近年來地震較為集中的地區,位于豫北地震活動帶內,區內分布著聊蘭斷裂、黃河斷裂、長垣斷裂等活動構造,附近曾發生1830年河北磁縣7.5級和1937年山東菏澤7.0級等7級以上強震。1997年以來,該區連續發生多次4級以上中等地震,經歷了2次小震活動的增強過程,目前小震活動仍比較活躍。

從該區域速度結構可以看出,內黃隆起結晶上地殼表現為明顯的高速異常,而該區域的地震主要集中在4.0～15.0 km深度的內黃隆起高速異常體內,地震分布與高速異常體的分布范圍一致,可見該區域的速度結構不均勻性是控制地震分布的主要因素。

3.2 許昌-太康地區

許昌-太康地區位于嵩山東麓地震活動帶內。1820-08-03許昌東北曾發生6級地震,2010年和2011年在許昌-太康斷裂和曹縣斷裂交會處分別發生ML4.6和ML4.1地震。

許昌附近的地殼速度結構表現為15.0 km以淺的上地殼存在殼內高速異常體,而2次太康地震投影的震源位置正處于高速體的邊界附近,物性差別為太康地震的應變積累提供了基本的地震構造背景,而許昌-太康斷裂又為累積應變的釋放提供了條件,促進了太康地震的發生[22]。

3.3 南陽地區

南陽地區位于豫南地震活動帶,地震活動具有震源淺、烈度高、破壞性大的特點,是河南省地震活動較為強烈的地區之一,具有發生中強地震的構造背景。2017-05-19曾發生南陽市唐河縣3.0級地震,震源深度8 km。

該地區上地殼速度結構特征表現為雙層結構,基底至8 km深度的上層結構表現為正梯度速度結構;8～13 km左右的上地殼界面表現為速度的倒轉,呈負梯度速度結構。該地區的地震主要集中于上地殼內上下結構的分界處,速度差異的變化為該地區地震應力的集中提供了條件。

4 結 語

1) 河南地區地殼結構基本上分為上中下3層,地殼厚度在30～42 km范圍內變化,平均厚度33 km。華北盆地隆起區地殼一般呈均勻成層,速度隨深度逐層增加;盆地坳陷區地殼通常具有低速的中下地殼和高低速相間的薄互層殼幔過渡帶。秦嶺-大別褶皺帶地殼塊狀結構明顯,整個地殼表現為顯著的高速穹隆,其翼部中上地殼發育殼內低速體。

2) 華北盆地深部莫霍界面形態與地形高程呈鏡像對稱關系,地殼厚度的變化主要發生在中下地殼,上地殼厚度較為均勻。秦嶺-大別褶皺帶深部莫霍面波浪起伏特征明顯,呈隔擋式褶皺的形態,造山帶的深部地殼不存在山根,反映了下地殼沿著莫霍面強烈的滑脫作用。華北板塊與秦嶺微板塊的分界處,莫霍界面表現為華北板塊向南的俯沖,揭示了兩者之間的接觸關系。

3)河南省不同地區地震分布特征與地殼速度結構關系密切。濮陽地區地震分布與殼內高速異常體的分布范圍一致,表現為地震分布受高速異常體控制的特征;許昌地區地震位于上地殼高速異常體的邊界附近,地震分布受地殼介質與區域斷裂的共同控制;南陽地區地震集中分布于上地殼內上下結構的分界處,受地殼分層結構控制明顯。