用高分辨率地震反射剖面揭示臨潁斷裂淺部構(gòu)造特征

田一鳴 姬計(jì)法 袁洪克 酆少英 朱國軍 張 揚(yáng) 張貴軍 楊新友 何銀娟 秦晶晶 安泰霖

1 中國地震局地球物理勘探中心,鄭州市文化路75號(hào),450002 2 河南省地震局,鄭州市正光路10號(hào),450016 3 許昌電氣職業(yè)學(xué)院,河南省許昌市魏文路與永昌大道交叉口,461000 4 許昌市防震減災(zāi)中心,許昌市建安大道1516號(hào),461000

探明活動(dòng)斷層的空間位置和幾何結(jié)構(gòu),并在此基礎(chǔ)上合理避讓以及采取有效的工程措施,是減輕地震災(zāi)害的重要手段[1-3]。大量活動(dòng)斷層研究表明,高分辨率地震勘探在城市活動(dòng)斷層探測中發(fā)揮著重要作用,對(duì)活動(dòng)斷層的精確定位具有重要意義[4-7]。

臨潁斷裂為臨潁-鄲城斷裂西段,位于周口坳陷北部,是許昌市南部一條規(guī)模較大的區(qū)域性隱伏斷裂,其上覆蓋厚度達(dá)數(shù)百米的第四系松散沉積物,對(duì)斷裂探測以及活動(dòng)性判定造成很大困難。針對(duì)臨潁斷裂,石油系統(tǒng)曾開展過探測工作,研究結(jié)果表明臨潁斷裂主要活動(dòng)時(shí)期為古近紀(jì),新近紀(jì)仍有活動(dòng),但公開發(fā)表的研究內(nèi)容較少,且對(duì)斷裂淺部構(gòu)造特征的研究非常有限[8]。為進(jìn)一步研究臨潁斷裂淺部構(gòu)造特征,本文依托《許昌市活動(dòng)斷層探測與地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)》項(xiàng)目,開展跨斷裂高分辨率地震勘探工作,根據(jù)高分辨率地震反射剖面及前人探測成果對(duì)臨潁斷裂走向、傾向、空間展布及淺部構(gòu)造特征進(jìn)行分析,以期為許昌市地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、城鎮(zhèn)規(guī)劃及國土利用等提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況及石油地震反射剖面

1.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于嵩箕隆起、太康隆起與周口坳陷交匯處,在前寒武系基底上共發(fā)育有下古生界、上古生界、中生界、新生界等多套沉積蓋層。區(qū)內(nèi)構(gòu)造斷裂發(fā)育,以北西向與北東向斷裂為主(圖1)。北西向斷裂有臨潁斷裂、張橋斷裂、許昌-禹州斷裂和許昌-西華斷裂,北東向斷裂有坡胡-和尚楊斷裂和石象斷裂。其中臨潁斷裂西起禹州西北部,向東南延伸至固廂、巨陵、望田、陶城,止于艾崗。斷裂整體走向北西西,傾向北東,為一區(qū)域性隱伏斷裂,地表無出露,全長約70 km,是北部巨陵凹陷與南部臨潁凸起的分界斷裂,控制著巨陵凹陷古近系沉積,古近系垂向斷距最大可達(dá)3 000 m,新近紀(jì)之后活動(dòng)性逐漸減弱[9]。

1:全新統(tǒng);2:上更新統(tǒng);3:中更新統(tǒng);4:前新生界;5:早中更新世斷層;6:前第四紀(jì)斷層;7:走滑斷層;8:正斷層;9:淺層地震剖面;10:石油地震剖面;11:地質(zhì)鉆孔;F3:臨潁斷裂;F6:許昌-禹州斷裂;F7:張橋斷裂;F9:許昌-西華斷裂;F12:坡胡-和尚楊斷裂;F13:石象斷裂

1.2 石油地震反射剖面

石油地震反射剖面顯示(圖2),新近系底部為一套高頻、強(qiáng)振幅、近水平的反射波,連續(xù)性好,與下伏古近系(上盤)或古生界(下盤)呈角度不整合接觸,該組反射波在1.0 s左右;古近系為一套低頻、弱振幅的反射波,連續(xù)性差,向東北上傾,其底部為一組凹凸不平的反射界面,形成原因?yàn)橛≈┢谡w發(fā)生抬升,長期剝蝕使該區(qū)僅殘留部分上古生界,直至喜山期盆地重新沉降接受古近系沉積,兩套地層之間形成一條凹凸不平的角度不整合反射界面;古生界主要?dú)埓媸?二疊系,有4～5個(gè)強(qiáng)反射界面。該斷層錯(cuò)斷層位從基底至新近系,斷層錯(cuò)斷約10 m,上斷點(diǎn)至淺層200 ms[9]。

圖2 石油地震反射剖面

2 地震數(shù)據(jù)采集與處理

跨臨潁斷裂布設(shè)2條高分辨率地震勘探測線L1和L2,具體位置見圖1。L1測線近南北向沿G240國道布設(shè),北端起于李莊村路口北約160 m,南端止于繁城回族鎮(zhèn)北橋頭,測線全長3 155 m(剖面樁號(hào)為5 000～8 155 m);L2測線南南東向沿G107國道布設(shè),西北端起于孔莊北約900 m路口,東南端止于Y003鄉(xiāng)道路口南約140 m,測線全長3 510 m(剖面樁號(hào)為5 000～8 510 m)。

考慮到探測區(qū)周圍建筑物和車輛較多、人員相對(duì)密集、干擾極大,為獲得高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù),地震數(shù)據(jù)采集使用美國Metrz公司M18B/612型可控震源進(jìn)行地震波激發(fā),該震源安全環(huán)保、組織靈活,激發(fā)能量、頻率、振幅可控,適合探測區(qū)施工環(huán)境。最終確定掃描頻率為10～120 Hz,掃描長度12 s。

地震儀器使用法國Sercel公司428XL數(shù)字地震儀,該儀器具有動(dòng)態(tài)范圍大、抗干擾能力強(qiáng)、帶道能力強(qiáng)、穩(wěn)定性能好等特點(diǎn)。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)確定采樣間隔為0.5 ms,記錄長度2 000 ms,采用中間激發(fā)、雙邊不對(duì)稱零偏移距接收的多次覆蓋觀測系統(tǒng),280道接收,道間距5 m,覆蓋次數(shù)28次。為了壓制干擾和提高資料信噪比,每個(gè)接收點(diǎn)上采用3個(gè)60 Hz的地震檢波器串點(diǎn)組合進(jìn)行接收(表1)。

表1 淺層地震數(shù)據(jù)采集參數(shù)

地震數(shù)據(jù)處理使用Grisys反射地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。本次數(shù)據(jù)處理過程以提高地震資料信噪比為目標(biāo),處理流程和方法使用靜校正、疊前一維濾波、二維傾角濾波、反褶積、譜白化、正常時(shí)差校正、共中心點(diǎn)疊加、剩余靜校正、疊后偏移等,通過上述流程最終獲取2個(gè)具有較高信噪比的高分辨率地震反射剖面。

3 高分辨率地震反射剖面

3.1 高分辨率地震反射剖面L1

圖3為L1測線地震反射波疊加時(shí)間剖面和深度解釋剖面,L1剖面反射能量較強(qiáng)、波組清晰、連續(xù)性較好。測線附近水文地質(zhì)勘查鉆孔XU40揭示,晚更新世地層底界面埋深25 m,中更新世地層底界面埋深92 m,終孔深度308.4 m,未鉆穿早更新世地層底界面。根據(jù)反射波組特征并結(jié)合鉆孔資料,在剖面上解釋出TQ3、TQ2、T1、T2、T3和TN共6個(gè)反射波組,其中TQ3解釋為晚更新世地層底界面反射,TQ2為中更新世地層底界面反射,T1為第四系內(nèi)部地層界面反射,T2、T3為新近系內(nèi)部地層界面反射,TN為新近系底界面反射。

圖3 L1測線地震反射波疊加時(shí)間剖面和深度解釋剖面

雙程走時(shí)150 ms以上各界面反射波組呈近水平層狀展布;雙程走時(shí)150 ms以下,測線在樁號(hào)6 554 m以南,反射界面基本呈水平展布,橫向起伏不大,測線在樁號(hào)6 554 m以北,反射界面自北向南呈下傾狀。測線樁號(hào)6 554 m處反射波同相軸有明顯的錯(cuò)斷跡象和產(chǎn)狀變化,認(rèn)為此處為臨潁斷裂的反映,用FP1表示。斷點(diǎn)FP1為正斷層,視傾向北,向上錯(cuò)斷第四系內(nèi)部反射波組T1,向下錯(cuò)斷剖面所有地層界面反射波。該斷點(diǎn)下降盤發(fā)育一個(gè)視傾向南的分支斷點(diǎn)FP1-1,可分辨上斷點(diǎn)位于測線樁號(hào)6 288 m,向上錯(cuò)斷第四系內(nèi)部地層界面T1,向下歸于FP1,兩斷點(diǎn)在剖面上整體呈反“Y”字形態(tài),具體參數(shù)見表2。

表2 臨潁斷裂斷點(diǎn)參數(shù)

3.2 高分辨率地震反射剖面L2

圖4為L2測線地震反射波疊加時(shí)間剖面和深度解釋剖面,L2剖面地層界面反射信息十分豐富,震相特征明顯。雙程走時(shí)200 ms以上各界面反射波組呈近水平層狀展布;雙程走時(shí)200 ms以下剖面形態(tài)分為兩段,北西段在樁號(hào)5 000～7 300 m處剖面反射波組呈南南東深、北北西淺的傾斜狀,南南東段在樁號(hào)7 300～8 510 m處剖面反射波組呈近水平層狀展布。根據(jù)反射波組特征在剖面上解釋出TQ3、TQ2、T1、T2、T3以及TN共6個(gè)反射波組。

圖4 L2測線地震反射波疊加時(shí)間剖面和深度解釋剖面

從各反射波組的橫向連續(xù)性來看,測線樁號(hào)7 315 m處雙程走時(shí)200 ms以下存在反射波同相軸錯(cuò)斷現(xiàn)象,斷點(diǎn)兩側(cè)反射波同相軸有明顯的錯(cuò)斷跡象和產(chǎn)狀變化,判斷此處為斷層的反映,用FP2表示。斷點(diǎn)FP2為正斷層,視傾向北北西,向上錯(cuò)斷反射波組T1,向下錯(cuò)斷剖面中所有地層界面反射波。該斷點(diǎn)下降盤存在一個(gè)視傾向南南東的分支斷點(diǎn)FP2-1,可分辨上斷點(diǎn)位于測線樁號(hào)6 025 m,該斷點(diǎn)兩側(cè)反射波同相軸明顯錯(cuò)斷,向上錯(cuò)斷第四系內(nèi)部地層界面T1,向下在雙程走時(shí)1 300 ms左右歸于FP2,與主斷層形成反“Y”字形態(tài),具體參數(shù)見表2。

L1測線剖面解釋的斷點(diǎn)FP1和L2測線剖面解釋的斷點(diǎn)FP2均為正斷層,斷點(diǎn)兩側(cè)同相軸形態(tài)相似,應(yīng)為同一斷層在兩剖面上的反映。結(jié)合石油地震反射剖面,參考推測的斷層位置及走向,認(rèn)為斷點(diǎn)FP1和FP2是臨潁斷裂主斷層在兩剖面上的反映,為臨潁凸起和巨陵凹陷的邊界斷層。

4 結(jié) 語

本文采用反射波法地震勘探技術(shù)獲得清晰的臨潁斷裂淺部構(gòu)造圖像,高分辨率地震反射剖面揭示斷點(diǎn)FP1和FP2在剖面樁號(hào)6 554 m和7 315 m處,斷裂兩側(cè)地層出現(xiàn)嚴(yán)重扭曲,新近系內(nèi)部地層變形明顯。臨潁斷裂淺部錯(cuò)斷埋深約138～145 m的第四系內(nèi)部地層,但并未錯(cuò)斷中更新世地層底界面,斷層上發(fā)育一條次級(jí)反向斷層。結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)資料,認(rèn)為臨潁斷裂為一走向北西、傾向北東的第四紀(jì)活動(dòng)斷裂,最新活動(dòng)時(shí)代為早更新世,控制著巨陵凹陷地層沉積。受反射地震勘探分辨率限制,斷層實(shí)際錯(cuò)斷層位可能比地震反射剖面結(jié)果更淺。以斷點(diǎn)參數(shù)為參考,進(jìn)一步開展鉆探工作,結(jié)合鉆孔剖面樣品測年結(jié)果,可以更為準(zhǔn)確地確定臨潁斷裂最新活動(dòng)時(shí)代。

對(duì)比石油地震剖面與淺層地震反射剖面L2可以看出,兩者揭示的臨潁斷裂特征相似、位置相近,但相較于石油地震勘探對(duì)剖面淺部尤其是第四系內(nèi)部斷裂構(gòu)造特征反映較模糊,本次研究采用“小道距、小炮距、高覆蓋次數(shù)”的高分辨精細(xì)探測方法,可以彌補(bǔ)石油勘探剖面近地表資料缺失的不足,提高地層縱向分辨能力,從而獲得較為準(zhǔn)確的斷裂上斷點(diǎn)位置和埋深等斷層參數(shù)。淺層地震剖面與石油地震反射剖面基本吻合,也證實(shí)了本次淺層地震勘探結(jié)果的可靠性。本次探測結(jié)果不僅可為許昌市及鄰區(qū)地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、城鎮(zhèn)規(guī)劃及國土利用提供資料,還可為研究區(qū)活動(dòng)構(gòu)造研究提供地震學(xué)依據(jù)。

致謝：本研究野外數(shù)據(jù)采集由中國地震局地球物理勘探中心完成,野外工作得到許昌市防震減災(zāi)中心的大力配合,斷裂資料參考河南省地震局地震工程勘察研究院所完成的課題,在此一并表示感謝!