深地震反射剖面揭示的雄安新區及外圍地殼精細結構與構造特征

岳航羽，王 凱，王小江，張保衛1,2,，張 凱

(1.中國地質調查局地球物理調查中心，河北 廊坊 065000；2.中國地質調查局地球淺地表探測技術創新中心，河北 廊坊 065000；3.中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所，河北 廊坊 065000；4.國家現代地質勘查工程技術研究中心，河北 廊坊 065000；5.中國地質大學(北京) 地球物理與信息技術學院，北京 100083)

深地震反射剖面是國際地學界公認的地球深部探測的先鋒技術，是地球物理學中的重要研究方向，可獲得高分辨、高可信度的地球深部圖像，能夠有效解決地球深部動力學[1-2]、地殼及巖石圈精細結構[3-5]、大陸構造演化[6-7]、板塊碰撞過程[8-10]、成礦成藏規律[11-13]以及地震災害分析[14-15]等地球科學前沿問題。歐美發達國家和地區在20 世紀七八十年代就已運用深地震反射剖面技術來研究地球內部的精細結構，獲得了極為重要的觀測結果，為人類研究地球內部結構和整體構造提供了全面支撐[16-22]。我國近些年實施的INDEPTH、SinoProbe 等專項計劃，成功地實驗了一系列地殼與地幔的探測技術，加速了我國地球深部探測的進度[23-27]。

與石油地震勘探原理基本相同，深地震反射是在反射地震基礎上發展而來的，利用比石油地震勘探更長的接收排列長度、更大能量的震源激發，研究上至地表下達莫霍面、上地幔等涉及整個巖石圈尺度的精細結構與構造特征[28-30]。近年來，利用深地震反射剖面技術在我國青藏高原及周緣[31-35]、新疆天山南北緣[36-37]、銀川盆地[38-40]、四川盆地及周邊[41-43]、長江中下游[44-45]以及東北松遼盆地[46-48]等多個重點區域成功獲得地殼精細結構、主要斷裂展布和深淺構造關系。此外，深地震反射剖面技術也被應用于華北地區，許多專家學者對此開展過相關研究工作，如北京及三河?平谷地區[49-52]、天津地區[53]、唐山地區[54]、邢臺地區[55-56]等，有效刻畫不同研究區的地殼結構特征、斷裂空間展布及活動性等，為分析和揭示深部孕震環境及構造模式提供了地震學證據。同處華北地區的河北雄安新區，作為千年大計、國家大事[22]，自2017 年4 月設立以來，專家學者通過深地震反射剖面在該地區探討建立了地熱地質模型、優選了深部高溫地熱井位并深入研究了華北克拉通活化等科學問題[57-59]。

為進一步研究河北雄安新區及外圍的地層結構、基底形態、斷裂展布以及莫霍面起伏等，筆者通過2018 年采集的一條深地震反射剖面，開展精細地質解譯研究，以期為構建世界一流的“透明雄安”基礎平臺提供數據支撐。

1 研究區概況與剖面位置

研究區位于冀中坳陷的中部，是渤海灣盆地的一部分，其主體處于河北省雄安新區及保定市和廊坊市境內，整體構造呈NE 走向，自NW 向SE 橫跨3 個二級構造單元，分別為太行山隆起、冀中坳陷以及滄縣隆起。研究區周圍順時針分別與廊固凹陷、霸縣凹陷、饒陽凹陷、保定凹陷和徐水凹陷等相接。地層年代由老至新分別是太古代、古元古代、中元古代、古近紀、新近紀和第四紀[60]。

位于華北克拉通東部陸塊上的雄安新區及外圍，其結晶基底形成年代為太古代?古元古代，隨后進入穩定的蓋層演化階段，在中元古代經歷陸內裂谷作用并沉積較厚地層。研究區整體升降構造活動發生在新元古代?古生代時期[61]。整個渤海灣盆地近EW 向的構造格局是印支運動時期近SN 向擠壓造成的，盆地內發育的一系列NNE 向逆沖構造是受燕山運動早期擠壓事件影響并且冀中坳陷西部遭受大量剝蝕。華北克拉通構造機制由近SN 向的收縮變為NWW-SEE的伸展是發生在晚中生代，這一時期蒙古?鄂霍次克洋關閉，古太平洋板塊俯沖，華北克拉通東部巖石圈發生大規模減薄，隨后該區域發生了強烈的伸展活動持續至古近紀末期。渤海灣盆地的裂后熱沉降階段發生在新近紀?第四紀時期[62]。

研究區內斷裂構造較為發育，展布方向主要為NNE 和NE 向，其中容城凸起、牛駝鎮凸起以及高陽低凸起等構造單元的邊界分別為容城斷裂、牛東斷裂和高陽斷裂。在雄安新區中部分布一條NW 向轉換斷裂，即徐水?牛南斷裂，與容城、牛東斷裂基本正交，是容城凸起、牛駝鎮凸起與保定凹陷的分界線。雄安新區及外圍深地震反射剖面長度140 km，由SE 向NW 主要跨過大城凸起、文安斜坡、霸縣凹陷、牛駝鎮凸起、白洋淀洼陷、容城凸起、容西凸起、徐水凹陷和太行山隆起等九個構造單元，如圖1 所示。

圖1 橫跨雄安新區的深地震反射剖面位置Fig.1 Location of the deep seismic reflection profile spanning across the Xiong’an New Area

2 深地震反射數據采集與處理

深地震反射數據采集和資料處理的質量直接決定后續深部地質解譯的可靠性，是揭示雄安新區及外圍全地殼尺度精細結構與構造特征的重要保障。

2.1 數據采集

為了更好地探測雄安新區及外圍深部地質結構，依據試驗結果確定了最佳采集參數(表1)，主要包括：20 m 道間距，1 440 道接收，120 m 炮間距，120 次覆蓋，2 ms 采樣，30 s 記錄，中間放炮、兩邊接收，即采用了高密度、高覆蓋次數、寬頻帶、長排列(“兩高一寬一長”)的方式采集深地震反射數據。同時，采用單井爆破的方式在第四紀覆蓋的平原區激發，井深范圍32～40 m，炸藥質量16～20 kg；采用雙井組合的方式在山地硬巖區激發，單井井深范圍20～24 m，炸藥質量20～24 kg。圖2 所示為研究區內典型的深地震反射原始單炮記錄，由圖2 可知，在不同深度處均可見較為清晰的反射波組，如雙程旅行時3.0 s 附近的上地殼反射波組、7.0 s 附近的下地殼反射波組以及11.0 s 附近的殼幔過渡帶反射波組等。

表1 雄安新區及外圍深地震反射數據采集參數Table 1 Acquired deep seismic reflection data of the Xiong’an New Area and its periphery

圖2 添加500 ms AGC 顯示的雄安新區及外圍深地震反射原始單炮記錄Fig.2 Original single-shot records of deep seismic reflection with automatic gain control (500 ms) applied for the Xiong’an New Area and its periphery

2.2 資料處理

通過梳理雄安新區及外圍深地震反射資料的特點及難點，歸納總結了該區域5 個方面的數據處理問題，具體為：山區與山前過渡帶的靜校正問題；低信噪比數據成像問題；淺深兼顧和深層弱信號增強問題；頻率差異、線性干擾及高能面波壓制問題；偏移速度場的建立問題。

針對上述深地震反射數據處理問題，建立了一套針對雄安新區及外圍的數據處理流程(表2)。將從定義觀測系統、靜校正、疊前噪聲衰減、真振幅恢復、反卷積、高精度速度分析、剩余靜校正、深層弱信號增強、偏移成像等幾個方面著手，逐步在深地震反射數據中剔除干擾噪聲、增強有效信號能量、提高信噪比及分辨率，準確還原地下介質的真實面貌。

表2 雄安新區及外圍深地震反射數據處理流程Table 2 Processing of deep seismic reflection data of the Xiong’an New Area and its periphery

具體方法技術運用上，(1) 采用2 種靜校正方法(高程靜校正+層析靜校正)相結合的方式消除地形起伏和低降速帶影響；(2)利用多域多步疊前噪聲衰減方法組合去除干擾噪聲，具體包括自適應面波壓制、分頻噪聲衰減、T-X 域濾波、F-K 域噪聲衰減、單頻噪聲壓制和隨機噪聲衰減等方法；(3)從縱向(球面擴散補償)和橫向(地表一致性振幅補償)兩個方面逐步恢復深地震反射數據的真振幅能量；(4)利用多種反卷積(地表一致性反卷積+預測反卷積)組合的方式達到處理深地震反射子波一致性和提高分辨率的目的；(5)通過多輪高精度速度分析(常速掃描+交互分析)并加密控制點，準確建立速度模型；(6)迭代計算剩余靜校正量，消除深地震反射數據中殘存的中波長和短波長靜校正量；(7)經過深層弱信號增強處理，進一步顯現深部地質特征；(8)利用有限差分偏移方法，收斂深地震反射中的繞射波和斷面波，使其歸位到真實的位置上。通過運用以上技術手段，得到清晰的深地震反射剖面，可準確揭示該區域的巖石圈結構和構造特征。

3 地殼精細結構

本次深地震反射剖面獲得了NW 起于保定市易縣，SE 至廊坊市大城縣的橫跨雄安新區中部的140 km長度的地殼精細結構，如圖3a 所示，有效揭示雄安新區及外圍淺至第四紀覆蓋層，深達莫霍面的全地殼尺度信息。該深地震反射剖面中反射信息豐富，結構特征明顯，雙程旅行時5.0～6.0 s、深度15～18 km 的反射震相將地殼劃分為上地殼和下地殼，下地殼的整體結構相對上地殼簡單，殼幔過渡帶位于10.0～11.0 s、深度30～33 km 位置處，其對應的解譯結果如圖3b 所示。

圖3 橫跨雄安新區的深地震反射剖面和解譯成果Fig.3 Deep seismic reflection profile spanning across the Xiong’an New Area and its interpretation results

3.1 上地殼特征

深地震反射剖面成功揭示研究區內沉積地層和結晶基底的特征。根據圖3a 中的時間剖面不難發現，上地殼在橫向上可細分為三部分。

第一部分為該深地震反射剖面西北0～40 km 段，該段自上而下反射同相軸較少、反射能量較弱，僅存在一些傾向SE 的反射震相，表現為典型的古老地層特征。

第二部分為該深地震反射剖面中部40～85 km 段，該段具有反射同相軸較多并且反射能量較強，地層及斷裂特征明顯。根據該段反射形態又可細分為上、下兩部分，上部分為雙程旅行時小于1.0 s，存在3 套反射震相，反射能量較強，分別為第四系(Q)底界面(TQ)、新近系明化鎮組(Nm)底界面和館陶組(Ng)底界面(TN)，整體呈現傾斜狀態，表現為“西北高、東南低”，反射同相軸橫向可追蹤性強、地層連續性好，沉積特征明顯，為典型的新生代沉積地層特征。下部分為雙程旅行時大于1.0 s，呈現典型的斷陷盆地特征，該部分深地震反射剖面能量較強，地層變形較明顯，受構造運動作用，斷裂與褶皺較發育，存在多組界面起伏并被斷裂切割的反射波組，產狀復雜多變，隆凹格局相間，盆地最深處約10 km，地層由淺至深依次包括古近系東營組(Ed)，沙河街組一段(Es1)、二段(Es2)、三段(Es3)、四段(Es4)和孔店組(Ek)。

第三部分為該深地震反射剖面東南85～140 km 段，該段也具有較多的反射同相軸和較強的反射能量，地層及斷裂特征也十分明顯。延續剖面中部40～85 km段的反射形態，本段亦可劃分為上、下兩部分。上部分為雙程旅行時小于1.5 s，第四系底界面、新近系明化鎮組底界面和館陶組底界面，3 套反射同相軸連續性好，橫向可追蹤性強，自NW 向SE 貫穿該段。第四系底界面由NW 向SE 整體起伏變化不大，新近紀底界面除了局部有部分起伏外，整體表現為“中間低，兩邊稍高”的特征。其下部分剖面同相軸連續性好，反射能量強，橫向可追蹤性強，地層沉積特征較明顯。同時，受多期次擠壓?伸展構造運動以及剝蝕影響，發育多條斷裂和一處不整合界面。不整合界面以上地層反射特征多以SE 傾向為主，呈現“西北高、東南低”的形態，地層多以新生代為主；不整合界面以下的地層反射特征多以向NW 方向傾向為主，地層呈現“西北低、東南高”，地層主要為中生代、古生代及太古代的地層。

此外，上地殼內還存在著結晶基底反射特征(TG)，其形態呈現“兩端高、中間低”的下凹態勢。在該深地震反射剖面的西北0～40 km 段中，從太行山隆起基底埋深約3 km 處往SE 方向逐漸加深至徐水凹陷內基底埋深約12 km，再向SE 方向延展到霸縣凹陷內又開始傾伏。同時，觀察發現研究區內斷裂構造展布基本都受結晶基底控制，即在結晶基底以上的斷裂構造較發育、斷層較多，結晶基底以下的斷裂構造較少。在上地殼內僅有太行山山前斷裂和牛東斷裂切穿了結晶基底。

3.2 下地殼特征

在深地震反射剖面西北0～30 km 段，主要是弱反射特征，表現為近似的“空白”區域，因處于太行山隆起區，火成巖較發育，地下介質成層性較差，所以深地震反射波難以成像。在深地震反射剖面中部30～45 km段，有多組呈類似弧形的同相軸，推測可能為太行山地區較為發育的變質核雜巖，其形成應與深部熱隆有關，才使得在深地震反射剖面上呈“穹窿狀”形態，其蓋層形成拆離構造。此外，由于該巖體還位于太行山山前斷裂的下方，推測其形成還可能與該斷裂有關。

在深地震反射剖面中部45～70 km 段，整體為弱反射特征，部分區域存在不明顯的反射同相軸。上下地殼的分界面為康拉德界面(TC)，也有專家學者認為該處上下地殼分界面為一套殼內滑脫層[59]，是華北地區的易震層。在深地震反射剖面中部70～90 km 段，縱向上雙程旅行時5.0～11.0 s 存在多組類似弧形的反射延續至殼幔過渡帶的頂部，整體呈現“穹窿狀”。除此之外，該處莫霍面還表現為向上隆起的特征，推測其與上地幔熱物質上涌有關。而在深地震反射剖面東部90～140 km 段，出現一系列呈交錯發育的“疊瓦狀”同相軸，同時伴有多條傾向東南的反射條帶，推測可能為深部巖漿底侵和堆晶共同作用造成的殼幔過渡帶增厚及高速、低速層交互。

3.3 殼幔過渡特征

殼幔過渡帶整體較平緩，橫向上起伏變化不大，在深地震反射剖面縱向上的持續時間約0.5 s，對應厚度約1.5 km。殼幔過渡帶的底界面對應莫霍面(TM)，平均位于雙程旅行時11.5 s 附近，對應深度約34 km，莫霍面的隆升和下凹整體較平緩、起伏趨勢不大，呈小波浪形狀，莫霍面的起伏特征顯示了該區域整體構造的穩定狀態。

由NW 向SE，莫霍面在深地震反射剖面西北部太行山隆起下方顯現為稍微下凹；在太行山山前斷裂下方呈現微微隆升；在深地震反射剖面中部又顯示出稍微下凹；在深地震反射剖面東南部牛駝鎮凸起下方表現為微微隆升。莫霍面最深處位于太行山隆起下方，深約38 km；最淺處位于牛駝鎮凸起下方，深約33 km。

4 斷裂構造特征

該深地震反射剖面自NW 至SE 表現為“四凸一隆夾三凹一斜坡”的構造格局，主要斷裂依次包括太行山山前斷裂、容西斷裂、容城斷裂、容東斷裂、牛北斷裂以及牛東斷裂等，如圖4 所示。斷裂展布特征詳見表3，斷裂形態各異，錯斷深度不同，未發育深大斷裂。

表3 雄安新區及外圍主要斷裂及其特征Table 3 Major faults in the Xiong’an New Area and its periphery and their characteristics

圖4 主要斷裂深地震反射剖面解譯結果Fig.4 Interpretation results of major faults deep seismic reflection profile

5 結論

a.在冀中坳陷內完成了一條橫跨雄安新區及外圍的全長140 km 的深地震反射剖面，NW 起于保定市易縣，SE 終止于廊坊市大城縣，有效獲得研究區淺至地表覆蓋層、深達莫霍面的清晰地殼結構與構造圖像。

b.華北地區地殼具有雙層地殼結構特征，普遍存在的康拉德界面將研究區地殼結構劃分為上地殼和下地殼。康拉德界面深度15～18 km，它的存在有效劃分出脆性的上地殼和相對塑性的下地殼。殼幔過渡帶所處深度30～33 km，其底界面莫霍面在全區平均深度約34 km。

c.上地殼的“復雜性”與下地殼的相對“透明性”，形成鮮明對比，上地殼整體表現為脆性，下地殼整體顯示為韌性。在上地殼內部，以結晶基底為界，又可細分為兩部分。基底以上的地層成層性好、結構特征較復雜，基底以下僅存在一些不太連續并且能量較弱的反射特征，說明上地殼整體上是由脆性向脆?韌性過渡。在下地殼內部，除了深地震反射剖面東南部存在較強的“疊瓦狀”反射特征外，其他地方相對“透明”，揭示出下地殼的巖體變質程度較高。此外，該地區斷裂構造較發育，斷裂形態各異，錯斷深度不同，但均位于上地殼內，不存在深大斷裂。

d.在深地震反射剖面的西北部除了少數幾處反射層之外，相對“透明”的性質較為明顯，上地殼與下地殼分界面、莫霍面基本都呈水平或近水平形態，斷裂相對較少，說明這部分地殼的變形相對較弱，結構相對穩定。相反，在剖面的東南部不僅上地殼內反射同相軸較多、斷裂較發育，而且下地殼“疊瓦狀”反射明顯，上、下地殼的分界面反射也呈現彎曲和傾斜形態，揭示這部分地殼的結構相對復雜。這種差異充分說明該區域西北部和東南部受到不同的構造應力作用，反映該區域地殼運動的橫向非均質性和局部活躍的特征。