引言

大庆地区具有丰富的石油资源,是国家重点的资源战略基地,考察大庆地区是否存在地震灾害的可能性及其可能发生地震灾害的具体区域对于大庆油田及城市建设未来规划都具有极其重要的指导意义。据前人(张文佑等,1975;邓起东,2002;邓起东等2003;徐锡伟,2006;李传友等,2007)研究可知,地震发生多与活断层存在与否息息相关。因此,探测活断层对于预测地震潜在的危险性及发震区域具有重要的指示意义。

大庆油田开展了几十年的油气勘探工作,大庆及邻区的深部探测研究成果较为丰富,研究程度较高,但对地壳浅部隐伏断裂的研究程度较低。大庆市石油物探资料(图1)表明,大庆长垣西缘断裂上盘,即断裂东侧可能存在有第四纪活动断裂。为了确定大庆长垣西缘断裂的空间展布以及该区的地壳浅部地质构造特征,在该地区开展了浅层地震剖面探测研究。本项研究通过采用高精度浅层地震反射勘探方法以及浅层地震反射数据处理,对长垣西缘断裂浅部地质结构和构造进行了高分辨率地震反射成像。本文根据获得的地震反射剖面,结合区域地质和钻孔资料,对大庆长垣西缘断裂的浅部地质构造和断裂特征进行了研究,研究结果不仅可进一步提高对大庆长垣地区浅部地质构造特征的认识,而且为大庆市地震危险性评价提供依据。

1 研究区地质构造概况与地震剖面位置
1.1 地质构造概况

研究区位于松辽盆地的中北部,松辽盆地位于郯庐断裂带的西部,是在印支运动基础上发育起来的克拉通内部的陆相断陷—坳陷盆地(云金表等,2002)。它经历了热隆张裂、断陷、坳陷和萎缩4个不同阶段,具有先断后坳的双层结构(白云风等,2012;施立志等,2007;杨万里等,1985;杨继良,1999;王志武等,1993)。松辽盆地中浅层可以划分为东北隆起区、东南隆起区、西南隆起区、西部斜坡区、北部倾没区及中央坳陷区等6个一级构造单元和32个二级构造单元(单衍胜,2007)。大庆长垣是松辽盆地中央坳陷区内的一个二级构造单元,是一个多成因复合形成的构造带,受三个构造期次影响,在白垩纪嫩江期之前表现为连续埋藏过程,嫩江期末期,该区发生抬升,地层遭受剥蚀,形成了长垣构造的雏形,晚白垩纪明水期末期,该区再次发生连续沉积埋藏,使得长垣构造发育成完整的背斜,之后直到第四纪沉积前期,该区发生了强烈的构造抬升与左行压扭,长期处于剥蚀状态,致使白垩纪末期与第三纪地层剥蚀,使得长垣构造进一步加强从而形成现今的形态(单衍胜,2007;辛仁臣等,2004;王富东,2007;钟延秋,2012;向才富等,2012)。

大庆长垣构造四周为凹陷所环抱,西侧为齐家-古龙凹陷,东侧为三肇凹陷,北部为黑鱼泡凹陷,南面为长岭凹陷,是一个典型的凹中之隆,其本身表现为不对称短轴背斜构造,轴向北北东,南北长达145km,东西宽约6—30km,总体上呈现北窄南宽、西陡东缓(姜岩,2009;林景晔等,2003;2007;汪书羽等,2013;李照永,2011;邵宸等,2012;张革等,2002),由上至下岩层倾角变大,岩层厚度由两翼向顶部减薄,岩性由两翼向顶部变粗等特点(单衍胜,2007)。

大庆市地处松辽盆地中北部,其地表为第四系所覆盖,主要发育中、新生界沉积盖层,包括白垩系、第三系和第四系,主要地层具体发育特征如下(宋英,2003;陈骁等,2010;黄伟,2010;钟延秋,2012;杨海波等,2011;黑龙江省地质矿产局,1993):

白垩系嫩江组:是研究区白垩系中最发育、分布最广的地层,岩性和厚度稳定,为一套深湖相、浅湖相及浅滩相细粒碎屑岩。本组分五段,岩性主要由灰黑色泥岩、页岩与油页岩、灰绿色泥岩夹灰白色、灰色粉、细砂岩组成,厚度一般为500—1000m。

白垩系四方台组:主要分布于研究区中部和西部,其主要由灰绿、棕红色泥岩夹粉、细砂岩组成,上部与明水组为连续沉积,厚度一般为200—400m。

白垩系明水组:主要分布于研究区中部和西部,岩性以灰绿、棕红色泥岩为主,局部夹粉砂岩,厚度一般为0—200m,与上覆第三系为不整合接触。

第三系依安组:主要分布于研究区西部,为湖泊及湖沼相细碎屑沉积建造,主要由泥岩、粉砂岩组成,自下而上由细粉砂岩-泥岩构成正沉积旋回,埋藏地下40—125m,最大厚度316m,与下伏明水组为不整合接触。

第三系大安组:主要分布于研究区西部,以湖相为主,并掺有河流相的细碎屑沉积建造,主要由细砂岩、泥岩及沙砾岩组成,呈浅灰、灰色暗色调,为弱胶结或半胶结低成岩之松软岩石,埋藏地下64—246m,厚度16—93m。

第三系泰康组:主要分布于研究区西部,下部为灰白色疏松砂砾岩、泥质砂岩与灰色泥岩互层,上部为灰黄色砂质泥岩夹灰白色泥质粉砂岩或粉砂岩,埋藏地下20—125m,最大厚度达100m,与下伏依安组不整合接触。

第四系:在盆地内非常发育,主要为风成堆积和河湖相沉积,岩性多为黄土状亚黏土、黑色淤泥质亚黏土、亚黏土、沙土及沙砾层,厚度在10—100m之间,与下伏第三系呈平行不整合—角度不整合接触。

1.2 石油地震剖面概况

大庆油田开展了几十年的油气勘探工作,在大庆地区布置、采集和处理了大量三维及二维地震区块,大庆油田的石油地震勘探EW10A剖面(图1)揭示,大庆地区断层规模大小混杂,断距大小不一,表现出多期断裂活动的性质。松辽盆地在热隆张裂基础上开始断陷、坳陷、反转三期演化,分别对应断陷、坳陷和反转三大构造层。围绕断陷、坳陷、反转三期不同变形形成垂向三套断层体系,分别为基底-营城组断层系、登娄库组-嫩江组断层系和四方台组-更新统断层系。总结剖面特征可知,断陷构造层发育的地层呈楔充填于箕状半地堑内,断陷地层控制沉积充填,成为地层的主要边界;坳陷构造层充填的地层厚度大,厚度变化小,断裂规模小、数量大;反转构造层断裂的变形机制体现为背斜构造的产生,背斜区域断裂相对集中发育(孙永河等,2013)。

图 1 大庆油田EW10A石油地震反射剖面 Fig. 1Petroleum seismic reflection section of EW10A profile in Daqing

大庆长垣西缘断裂位于石油地震勘探EW10A剖面桩号1650m左右。该断裂在剖面上为一条倾向东的逆断层,它向下错断了白垩系嫩江组、姚家组、青山口组、泉头组、登娄库组、火石岭组和营城组,约在深度8—9km左右收敛到基底岩层。大庆长垣西缘断裂上盘,即断裂东侧可能存在有第四纪活动断裂,从石油地震勘探剖面上尽管可以判定断层的存在与形态,但是由于石油地震勘探工作主要针对较深的目标层位,这使得该区的断裂在浅部的特征没能得到较好的反映。为了确定大庆长垣西缘断裂上盘,即断裂东侧是否存在第四纪活动断裂,本研究在EW10A地震勘探剖面附近布置了2条跨大庆长垣西缘断裂的浅层地震探测剖面(图2中的L1、L2测线)。

图 2 测区地质构造与地震测线位置图 Fig. 2Geological features and locations of seismic reflection profiles in the prospect region
2 浅层地震探测剖面
2.1 数据采集与资料处理

跨大庆长垣西缘断裂的浅层地震测线位于大庆市区,考虑到沿公路铺设地震测线会受到道路上的车辆、行人等产生的强烈干扰,本项探测采用了可控震源信号相关,以及多次垂直叠加和水平叠加相结合的工作方法。为了获得能反映剖面浅部地质结构和构造的高分辨率地震反射剖面图像,在设计观测系统参数时,充分考虑了对近地表结构和构造的成像需要。依据现场试验结果,数据采集时采用单边激发、多次覆盖的观测系统,道间距为3m,炮间距为15m,共15次覆盖,最小偏移距为30m,最大偏移距为477m,采样间隔为0.5ms,记录长度为2048ms。

浅层地震资料需要对近地表结构和构造进行高分辨率成像,因此浅层地震反射数据处理方法有别于石油地震勘探的反射数据处理方法(Steelples等,1998),地标一致性处理和剩余静校正处理的要求都要高于石油地震勘探反射地震(Chang等,2002),同时在地震资料的去噪处理和近地表速度求取方法上,需要重视近偏移距记录道上的近地表反射信息提取和速度的拾取(Brouwer,2002;刘保金等,2009)。本项研究的数据处理中,采用带通滤波+谱白化滤波+倾角滤波技术,从强干扰噪声中提取有效反射波,使得不同深度的界面反射波都清晰可见。

2.2 浅层地震剖面特征

根据目标区第四系厚度图(图3),浅层地震测线经过地段的第四系厚度约在50—90m的范围内变化,同时,L1测线东段(3600—5500m桩号)的联合钻孔剖面(图4)显示剖面中部的砂层是一套明显的标志层,其底界面埋深为50—56m,与该区段第四系的厚度一致,因此,该砂层的底界面应是第四系的底界面。对比图4和图5,L1测线东段的T01反射界面与联合钻孔剖面中埋深约为50m左右的标志层的起伏形态与埋深均相似,由此确定,浅层地震剖面揭示的T01界面为第四系的底界面。结合研究区地质与石油物探资料,确定T02反射波为第三系的底界面所反射,T03反射波为白垩系四方台组底界面所反射,T1反射波为白垩系嫩江组底界面所反射。

本项探测研究获得的浅层地震时间剖面(图5和图6)具有较高的信噪比和分辨率,从图中可以看出,剖面揭示的多组浅部地层反射波均能被连续可靠地追踪,且界面起伏变化形态与断裂构造特征也非常清楚。

2.2.1 L1测线

L1测线沿南二路自西向东布设,西端起于东湖街,穿过创业大道和西一路,东端止于孙家屯,测线长度约为6km。

图5为L1测线的反射波叠加时间剖面,剖面揭示测线经过地段的浅部地层界面反射波非常丰富,第四系底界面T01具有较好的横向连续性,在桩号3660m以西呈近水平展布,没有错断迹象,其埋深约为50—80m;桩号3660m以东,第四系底界面有一定起伏,存在明显错断迹象。第三系底界面T02与第四纪底界面T01不整合接触,仅在剖面西部有显示,桩号1860m以西,地层西倾,倾角较小,埋深从330m逐渐变浅;桩号1860以东,地层倾角急剧加大,埋深迅速减小,在桩号2400m以东,第三系地层全部剥蚀。白垩系四方台组底界面T03在桩号2000m以西,地层西倾,倾角较小,埋深从650m逐渐变浅,桩号2000—3210m之间,地层倾角急剧加大,埋深迅速减小,桩号3210m以东,白垩系四方台组底界面T03地层多有起伏,并存在明显错断。白垩系嫩江组底界面T1起伏形态与白垩系四方台组底界面T03相似,其埋深约为600—1100m。

浅层地震剖面L1揭示的大庆长垣西缘断裂特征非常清楚,在剖面桩号2014m的下方,可以看到一个由浅到深的反射特征分界线,其东西两侧的地层产状和剖面反射波组特征明显不同,根据这些特征不难判定这是断层FP06(即大庆长垣西缘断裂)在地震剖面上的反映,在断裂上盘一侧,为一系列倾向东的倾斜反射震相,在断裂下盘一侧,反射波组较上盘一侧明显增多,且倾角明显变缓。结合本区地质资料,可以认为L1地震剖面揭示的FP06断层为一条向东倾的逆断层,该断裂向上错断了白垩纪嫩江组以及四方台-明水组地层,其上断点埋深约330—360m,在该深度以上,第三系地层底界面反射波T02信噪比高,横向连续性好,没有出现地层错断现象,表明断裂FP06最新活动应在中生代晚期,第三纪以来停止活动。

浅层地震剖面L1揭示的大庆长垣西缘断裂上盘,即断裂东侧存在第四纪活动断裂FP08.1,在剖面桩号4912m的下方,其东西两侧的地层产状和剖面反射波组特征明显不同,在断裂上盘一侧,第四系厚度约50m,第四纪覆盖层之下反射波组存在明显起伏,在断裂下盘一侧,第四系厚度减少为45m,第四纪覆盖层之下反射波组较上盘明显减少,且近水平展布。结合本区地质资料,可以认为L1地震剖面揭示的第四纪活动断层FP08.1为在剖面上向西倾的正断层,其上断点埋深约44—48m,第四纪底界面断距约为2—3m,断层两侧第三纪与第四纪地层产状差别巨大,暗示该断层为第四纪早期活动断裂。

图 3 研究区第四系厚度分布图(据大庆石油钻孔资料汇编,2012) Fig. 3Isopach map of quaternary deposits in study region
(from the Daqing oil drilling compilation, 2012)
图 4 L1测线(3600—5500m)联合钻孔剖面 Fig. 4Combined borehole profile of the L1 line(3600m to 5500m)
图 5 L1测线反射波时间剖面 Fig. 5Stacked time section of the shallow seismic reflection in the L1 line
2.2.2 L2测线

L2测线沿南一路南的小柏油路自北西向南东布设,穿过西一路,测线长度为4508m。

图6为L2测线的反射波叠加时间剖面,剖面揭示测线经过地段的浅部地层界面反射波非常丰富,第四系底界面T01具有较好的横向连续性,在桩号2850m以西呈近水平展布,没有错断迹象,其埋深约为30—60m;桩号2850m以东,第四系底界面有一定起伏,存在明显错断迹象。第三系底界面T02与第四纪底界面T01不整合接触,仅在剖面西部有显示,埋深从280m逐渐变浅,在桩号1860m向东,第三系地层全部剥蚀。白垩系四方台组底界面T03在桩号2850m以西,地层西倾,倾角较小,埋深从490m逐渐变浅,桩号2850m以东,白垩系四方台组底界面T03地层起伏形态加剧并存在明显错断。白垩系嫩江组底界面T1起伏形态与白垩纪四方台组底界面T03相似,其埋深约为550—980m。

浅层地震剖面L2揭示的大庆长垣西缘断裂特征也非常清楚,在剖面桩号1450m的下方,可以看到一个由浅到深的反射特征分界线,其东西两侧的地层产状和剖面反射波组特征明显不同,根据这些特征不难判定这是断层FP20(即大庆长垣西缘断裂)在地震剖面上的反映,在断裂上盘一侧,为一系列倾向东的倾斜反射震相,在断裂下盘一侧,反射波组较上盘一侧明显增多,且倾角存在明显变化。结合本区地质资料,可以认为L2地震剖面揭示的FP20断层为一条向东倾的逆断层,该断裂向上错断了白垩系嫩江组地层,其上断点埋深约615—625m。在该深度以上,白垩系四方台组底界面反射波T03信噪比高,横向连续性好,没有出现地层错断现象,表明断裂FP20最新活动应在中生代晚期。

图 6 L2测线反射波时间剖面 Fig. 6Stacked time section of the shallow seismic reflection in the L2 Line

浅层地震剖面L2揭示的大庆长垣西缘断裂上盘,即断裂东侧存在第四纪活动断裂FP21,位于剖面桩号2863m的下方,其东西两侧的地层产状和剖面波组特征明显不同,在断裂上盘一侧,第四系厚度约48m,第四系地层存在明显起伏,在断裂下盘一侧,第四系厚度为52m,第四纪覆盖层之下反射波组较上盘明显增多。结合本区地质资料,可以认为L2地震剖面揭示的第四纪活动断层FP21为在剖面上向西倾的逆断层,其上断点埋深约15—25m,第四系底界面断距约为3—4m。断层两侧第三纪与第四纪地层产状差别巨大,暗示该断层为第四纪早期活动断裂。

根据上述对地震剖面的解释,并结合本区地质资料,可以推断大庆长垣西缘断裂为走向北东、倾向南东的逆断层,上断点埋深在西南端为330—360m(四方台组与明水组地层),在北东端为615—625m(嫩江组地层),表明该断裂为一条中生代晚期活动断裂。大庆长垣西缘断裂上盘,即断裂东侧发育有一系列次级断裂,这些断裂的存在使得该区浅部地层形成地堑与地垒构造,其中L1测线上FP08.1断层,在剖面上向西倾的正断层,其上断点埋深约44—48m,第四系底界面断距约为2—3m,L2测线上的FP21断层,在剖面上向西倾的逆断层,其上断点埋深约15—25m,第四系底界面断距约为3—4m,均为第四纪早期活动断裂。

3 探测结果

石油地震剖面与浅层地震剖面揭示的研究区具有三大构造层,自下而上分别为断陷构造层、坳陷构造层和反转构造层,揭示出该区经历过断陷、坳陷、反转多期构造活动(孙永河等,2013)。石油地震剖面主要揭示断陷、坳陷期构造活动特征,浅层地震剖面主要揭示反转期构造特征。大庆长垣西缘断裂作为主控边界断裂,有着长期的构造发育史,其最新活动时代为中生代晚期。大庆长垣西缘断裂上盘即断裂东侧次级断裂多为反转期构造活动产物,次级断层断裂密度较大,断距较小,断层倾角较大,断层性质多样体现了反转构造层背斜构造变形机制。

本研究揭示的大庆长垣西缘断裂及其上升盘的次级断裂与石油地震剖面揭示的断裂具有上下一致的对应关系,其结果把近地表活动断裂与石油地震剖面揭示的深部构造联系到一起,从而能够在较深的尺度范围内分析该区的深、浅构造特征。大庆长垣西缘断裂作为主控边界断裂,有着长期的构造发育史,在浅层地震剖面上,错断了嫩江组地层与四方台-明水组地层,其上断点埋深最浅约为330—360m,在该深度以上,第三纪地层底界面反射波T02信噪比高、横向连续性好,没有出现地层错断现象,表明大庆长垣西缘断裂为一条中生代晚期活动断裂。在石油地震剖面上,该断裂向下依次错断了姚家组、青山口组、泉头组、登娄库组、火石岭组、营城组和基底,约在深度8—9km左右收敛到基底岩层。

大庆长垣西缘断裂上盘即断裂东侧发育有一系列次级断裂,这些断裂的存在使得该区浅部地层形成地堑与地垒构造,在石油地震剖面上,次级断裂向下依次错断了嫩江组、姚家组、青山口组和泉头组地层,部分次级断裂还错断了登娄库组地层。在浅层地震剖面中,L1测线上FP08.1断层,在剖面上向西倾的正断层,其上断点埋深约44—48m,第四系底界面断距约为2—3m,L2测线上的FP21断层,在剖面上向西倾的逆断层,其上断点埋深约15—25m,第四系底界面断距约为3—4m,均为第四纪早期活动断裂。

本研究揭示了大庆长垣地区近地表活动断裂与深部构造之间关系,研究结果不仅进一步提高了对大庆长垣地区浅部地质构造特征的认识,而且为大庆市地震危险性评价提供依据。

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