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浅层地震勘探资料揭示汤东断裂特征
浅层地震勘探资料揭示汤东断裂特征
花鑫升*, 石金虎, 谭雅丽, 何银娟
(中国地震局地球物理勘探中心,郑州 450002)
 [收稿日期]: 2017-06-22
摘要

汤东断裂是汤阴地堑的东界断裂,也是太行山山前一条重要的隐伏活动断裂。为了查明汤东断裂的产状、性质及其浅部构造特征,跨断裂开展了高分辨率浅层地震剖面探测,获得了高信噪比的浅层地震反射波叠加剖面。本文根据浅层地震剖面结果并结合研究区地质资料和已有深地震探测成果,对汤东断裂的浅部构造特征进行了分析和讨论。结果表明:汤东断裂为1条走向NNE、倾向NWW的铲型正断层,其浅部表现为由2—3条断层组成的Y字形构造,并错断了埋深约30—50m第四纪地层,断裂向下延伸至上地壳底部,属晚第四纪以来的隐伏活动断裂。汤东断裂两侧新生代沉积差异明显,断裂上升盘内黄隆起一侧,新生代沉积层较薄,其底界埋深约480m,下降盘汤阴地堑一侧,沉积了巨厚的新生代地层。研究结果为确定汤东断裂位置、评价断裂的活动性提供了基础资料。



引言

大量震例表明,活断层不仅是产生地震的根源,而且当地震发生时断层沿线的建筑物破坏、人员伤亡最为严重,其损失明显大于断层两侧的其它区域(邓起东等,2007刘保金等,2008酆少英等,2010)。因此,查明地下断层的性质、活动性及其空间展布特征,对城市的防震减灾工作,在规划建设中有效避让地震活断层,减轻活断层的破坏作用等方面具有重要的意义。城市周边的活断层一般被第四纪松散沉积物所覆盖,落差较小、埋深较浅,仅依靠地表地质地貌工作已不能对断层定位和活动性进行全面研究。目前,浅层地震反射波法是活断层探测的主要方法之一,通过反射地震剖面可以直观地判定断层的存在和形态,该方法在大多数城市活断层探测中均取得了良好的效果(刘保金等,2007赵成彬等,2011)。

汤东断裂是汤阴地堑的东界断裂,对汤阴地堑的生成、演化和发展具有重要的控制作用。很多学者对汤阴地堑和汤东断裂作了大量的研究工作,韩慕康等(1980)通过对汤阴地堑及其周边进行地震地质调查,发现汤阴地堑只有南部是地堑,而北部是由一条东侧断裂(汤东断裂)构成的半地堑;杨承先(1984)利用石油、煤田地震反射剖面并结合部分钻井资料,提出汤阴地堑形成于新近纪,其北部主要受东缘的汤东断裂控制,南部受东西边缘的汤东、汤西断裂控制,且汤东、汤西断裂新构造活动明显;任青芳等(1998)利用深地震测深资料获得了汤阴地堑及其邻区的二维速度结构剖面,认为汤阴地堑的基底断裂发育,壳幔结构复杂,深部界面与速度等值线起伏变化大,且壳内有低速层,汤阴地堑及邻区存在发生中强地震的深部构造背景;刘保金等(2012)采用深、浅地震反射探测方法,获得了汤阴地堑及其邻区的地壳精细结构和断裂的深、浅构造关系。这些研究成果对了解汤阴地堑的形成和演化、壳幔结构特征以及断裂的深、浅构造关系提供了重要的基础资料。本文在分析该区已有深、浅地震探测剖面资料的基础上,跨汤东断裂开展了高分辨率的浅层地震剖面探测,取得了高信噪比的浅层地震反射叠加剖面图像,分析讨论了汤东断裂的近地表特征、性质及其活动性。研究结果为汤阴地堑的活动构造研究以及研究区的地震危险性评价提供了地震学依据。

1 地质构造概况和地震剖面位置

汤阴地堑位于太行山与华北平原的过渡带上,是太行山隆起和内黄隆起间的一个北东向凹陷,东西分别受汤东断裂和汤西断裂的控制,南北分别以新乡-封丘断裂和安阳断裂为界(刘保金等,2012)(图 1)。汤阴地堑整体呈北北东走向,南北长100km,东西宽15km,面积1500km2,属新生代的地堑,在新生代以强烈下沉为主要构造活动,整个地堑内被巨厚的新生代地层所覆盖,其东西两侧汤西断裂和汤东断裂的发育状况不尽相同,形成南部呈断陷型地堑、北部呈半断陷型地堑的不规则地堑(梁生正等,2003高战武等,2014郑建彬,2015)。


图 1 浅层地震测线位置图 Fig. 1 Location of the shallow reflected seismic lines

汤东断裂是汤阴地堑东界的控制断裂,断裂全长约90km,走向北北东,倾向西,为上陡下缓的正断层。断裂以东的内黄隆起为太古界至古生界组成的向东倾伏的隆起,地表被新近系和第四系所覆盖,局部地段古生界基岩残山直接出露;断裂西盘的汤阴地堑则沉积了巨厚的古近系、新近系、第四系。断裂北段控制了汤阴次级凹陷的发育,断层附近的古近系、新近系和第四系最大厚度分别为3100m、1400m和40m左右,而在断裂下盘的内黄隆起上,第四系很薄,有的地方新近系出露。断裂发育在古生代及其以前的地层中,向上切割了古生代—新生代地层,第四纪以来仍然制约着断裂两侧的地层沉积,该断裂是第四纪活动断层。

在汤阴地堑已开展过一条长约45km的深地震反射探测剖面(图 1),剖面揭示了汤阴地堑及其周边的地壳深浅构造特征(刘保金等,2012)。根据深地震反射探测剖面,把该区域地壳自上而下分为上地壳、中地壳、下地壳和壳幔过渡带4个部分。上地壳又可以细分为沉积盖层和结晶基底,沉积盖层主要是新生代、中生代和古生代沉积岩系,在地震剖面上具有良好的反射性质;结晶基底可能由元古代、太古代的变质岩组成,在地震剖面探测中表现为一些反射能量较弱、且无规律可循的短小反射。深地震反射资料揭示汤东断裂是由2条具有不同构造特征的断层组成,2条断层倾向为西,东侧断层倾角较陡,向上错断了新近纪底界面后归并到西侧断层上,向下延伸至上地壳底部;西侧断层在剖面上具有铲型正断层的特征,断层向上错断了新近纪内部地层,向下错断了所有的沉积地层,延伸至7—8km的结晶基底附近。深地震反射资料较好地揭示了汤东断裂的中深部构造特征,但不能很好地反映断裂在第四纪内部延展特征,为了获得汤东断裂在第四纪内部的构造特征,在垂直断裂的走向进行了高分辨浅层地震反射探测,得到了汤东断裂清晰的近地表构造特征。

已有资料表明汤东断裂有着明显的第四纪活动特征,为了查明其位置、性质及浅部构造特征,在汤阴县东部跨汤东断裂进行了高分辨的浅层地震探测。沿着小屯村北的汤屯线自西向东布设小屯村测线,起点位于距第四街工业园70m处,终点位于距汤屯线5km里程碑东约500m处,测线全长2438m。古贤镇测线沿着省道S302自西向东布设,起点位于古贤镇北的加油站东侧,终点位于省道100.5km里程碑附近,测线全长3278m。

2 地震数据采集和资料处理

为了压制在浅层地震数据采集时不可避免的车辆、行人及邻近居民点的干扰,地震波激发采用美国产M612-18型可控震源,数据接收采用德国SUMMIT遥测数字地震仪,采样间隔0.5ms、记录长度2s。根据现场试验确定的观测系统参数为:2m道间距、最小偏移距20m、200道接收、20次覆盖。

数据处理采用资料Focus反射地震数据处理软件包,根据本次地震勘探的工作特点和资料特征,采用了几何扩散补偿、叠前去噪、静校正、动校正、剩余静校正、CMP叠加、叠后去噪等处理模块,建立了图 2所示的主要数据处理流程。


图 2 主要数据处理流程图 Fig. 2 Flow chart of major data process

该工作区地震资料上面波、声波以及各种随机干扰波较为严重,因此压制地震记录中各种高、低频干扰,提高地震剖面的信噪比和分辨率是本次资料处理的重点。通常根据噪音在地震记录上的不同特征,需采用不同的滤波方法来压制噪音提高资料的信噪比(张军华等,2006何银娟等,2015)。本次数据处理主要采用了如下去噪方法:

(1)一维带通滤波和二维f-k滤波。根据原始单炮记录上面波、声波等干扰波能量较强的特点,资料处理时采用带通滤波方法对面波及其他随机低频干扰波进行了压制,采用二维f-k滤波对声波等线性干扰波进行滤除。对比图 3(a)(b)2张单炮纪录可以看到,经带通和f-k滤波后,面波、声波、随机干扰波明显变弱或者消失,反射波能量变强,反射波同相轴清晰可见,单炮纪录的信噪比得到了较大的提高。


图 3 共炮点地震数据处理对比 Fig. 3 The comparison of seismic data process from common shot records

(2)矢量分解压噪。对于干扰信号和有信号频率相近的单炮记录,根据干扰信号偏离有效信号所形成的夹角采用曲边时窗矢量分解压噪的方法,可达到既去除干扰信号又很好地保护有效信号的目的(何银娟等,2015)。从图 3(b)(c)2张单炮纪录可以看出,经过矢量分解压噪后,面波、声波基本消除,随机干扰波得到了进一步的压制,有效波同相轴变得更加连续(图 3中蓝圈处),资料的信噪比进一步提高。

(3)倾角滤波和f-x域噪声衰减。虽然叠前采用了各种压制干扰波的方法,但经过CMP叠加后剖面上仍然存在一些干扰波。为了消除叠后的线性干扰波和随机干扰波,本次叠后数据处理主要采用倾角滤波和f-x域随机噪声衰减技术,达到消除干扰信号、增强有效信号的目的。

3 地震反射剖面特征
3.1 小屯村测线浅层地震反射剖面特征

图 4所示的小屯村测线地震反射叠加时间剖面具有较高的信噪比和分辨率,剖面揭示的多组浅部地层反射波均能被连续可靠追踪,且界面起伏变化形态也非常清楚。根据剖面的反射波组特征,共识别出11组能量较强、横向可连续追踪的反射震相(TQ、T1—T9、TN)。依据剖面反射波震相特征和本区域地质资料,把剖面上反射波TQ解释为第四纪地层的底界面反射,T1—T9解释为新近纪内部地层的界面反射,TN解释为新近纪地层的底界面反射。从剖面横向上看,反射波TQ自东向西略微向下倾伏,在剖面上表现出强反射震相特征。新近纪地层界面反射波以桩号1540m为界,东西两侧反射震相特征差异明显,桩号1540m以东反射震相较少,新近系沉积较薄,新近系底界面埋深较浅,可能是由于新近纪时期内黄隆起区强烈的构造活动,导致了地层的抬升与剥蚀;而桩号1540m以西反射震相丰富,可识别出多组新近纪地层界面反射波(T1—T9、TN),新近纪地层分层性好、反射波能量较强、同相轴连续性好,说明新近纪时期汤阴地堑在该区域的沉积环境较为稳定。


图 4 小屯村测线反射叠加时间剖面和深度解释剖面图 Fig. 4 Stacked section and depth profile of the shallow seismic reflection in the Xiaotun village

剖面所揭示的断裂结构和构造特征非常清楚。在剖面桩号1540m附近,从剖面上可以看到一个由浅到深的反射特征分界线,其东西两侧地层产状和反射波组特征明显不同,根据这些特征不难判定是断裂在地震剖面上的反映。在断裂下降盘一侧,地层界面反射波丰富,第四系底界面反射波TQ能量较强,同相轴分段连续性好,新近纪地层自东向西倾伏,其底界面TN埋深较深,约800m;断层上升盘一侧,地层基本呈水平展布,第四系底界面反射波TQ能量较弱,新近纪地层界面反射波明显少于下降盘一侧,其底界埋深较浅,约480m。根据区域地质资料可知该断裂为汤东断裂,断裂向上错断了第四系底界面TQ,上断点埋深约50m,是第四纪隐伏活动断裂。在汤东断裂FP3西侧还可以看到与其倾向相反的正断层FP1、FP2,断层FP1、FP2是汤东断裂的分支断层,分别在TWT 600ms和TWT 400ms归并到主断层FP3上。

3.2 古贤镇测线浅层地震反射剖面特征

图 5给出了古贤镇测线的浅层地震反射波叠加时间剖面,剖面具有较高的信噪比和分辨率,断裂构造特征也非常清晰。对比图 4图 5可以看出,2条地震反射叠加时间剖面上反射波震相特征和汤东断裂的结构和构造特征均表现出了较大的相似性,剖面西段(汤东断裂FP7以西)反射震相丰富、反射波同相轴连续性好、反射波能量较强,表现出沉积盆地连续沉积的特征;而在剖面东段(汤东断裂FP7以东)新近纪地层沉积较薄,其底界面埋深明显浅于西段,新近纪地层之下为能量较弱、不连续的短小反射,可能是元古代、太古代变质岩系。图 5中汤东断裂主断层FP7为西倾铲型正断层,断层错断了剖面上的所有沉积层,上断点埋深较浅,约为30m;在其西侧有3条反向次级正断层,与主断层呈“Y”型组合特征。在主断层的东侧还有1条次级断层FP8,其倾向为西,倾角较陡,向上错断了新近纪内部地层T2,上覆盖的第四纪地层界面反射波未发现扭曲、错断。整体上看,2条浅层地震反射叠加时间剖面上揭示的反射波震相东西段差异特征及汤东断裂形态与浅部构造特征均表现出较大的一致性。


图 5 古贤镇测线反射叠加时间剖面和深度解释剖面图(刘保金等,2012 Fig. 5 Stacked section and depth profile of the shallow seismic reflection in the Guxian town line(Liu et al., 2012)
4 结论和讨论

本项研究通过采用高分辨率的浅层地震勘探方法和选择恰当的数据处理技术,获得了太行山山前汤东断裂的位置、性质及其活动性。汤东断裂为走向NNE、倾向NWW的正断层,是汤阴地堑的主控边界断裂。深地震反射资料显示汤东断裂是由2条具有不同构造特征的断层组成,2条断层倾向均为西,东侧断层倾角较陡,向上错断了新近纪底界面后归并到西侧断层上,向下延伸至上地壳底部;西侧断层在剖面上具有铲型正断层的特征,断层向上错断了新近纪内部地层,向下错断了所有的沉积地层,延伸至7—8km的结晶基底附近,说明汤阴地堑新生代沉积主要受该断层的控制。浅层地震反射剖面揭示汤东断裂西侧断层浅部是由2—3条断层组成的Y字形构造,断层向上错断了第四系的底界TQ,其上断点埋深约30—50m,结合该区域钻孔资料可知汤东断裂错断了更新世地层,是更新世以来的隐伏活动断裂。

根据浅层地震剖面特征并结合区域地震及地质资料可知,汤东断裂属于汤阴地堑与内黄隆起的边界断裂,断裂两侧地层沉积特征差异明显,断裂下降盘新近纪地层界面反射丰富,地层横向上表现为两端向中部倾伏的凹陷型构造特征;断裂上升盘地层基本呈水平展布,新近纪内部地层缺失T6—T9,其底界埋深较浅,约480m,揭示了新近纪时期断裂构造活动剧烈,内黄隆起抬升,地层受到了明显的风化剥蚀,下降盘汤阴地堑沉降显著,新近纪地层沉积巨厚,其底界面埋深约800m。

浅层地震勘探方法是探测地层浅部结构、隐伏断裂浅部构造特征和对隐伏断裂进行准确定位的有效技术手段,但仅根据浅层地震剖面无法获知断裂在深部的结构情况及与其他断裂的交切关系,也无法确定地震剖面上反射层的地层属性和地层年代。因此,在浅层地震勘探解释时,还需结合深地震反射资料、区域地质、钻孔以及其他地震地质资料,才能得到断裂的深、浅构造特征,更好地理解断裂的形成和演化过程,并且结合地质、钻孔资料有助于进一步提高地震剖面解释的准确度。

致谢: 本文写作过程中得到了刘保金研究员的指导以及秦晶晶、邓小娟、刘增祺等同事的帮助,在此表示衷心的感谢。
参考文献
邓起东, 卢造勋, 杨主恩, 2007. 城市活动断层探测和断层活动性评价问题[J]. 地震地质, 29(2): 189-200.
酆少英, 龙长兴, 高锐, 等, 2010. 高分辨折射和浅层反射地震方法在活断层探测中的联合应用[J]. 地震学报, 32(6): 718-724.
高战武, 吴昊, 李光涛, 等, 2014. 太行山山前断裂带中北段晚第四纪活动性研究[J]. 震灾防御技术, 9(2): 159-170. DOI:10.11899/zzfy20140201
韩慕康, 赵景珍, 1980. 河南汤阴地堑的地震地质特征与地震危险性[J]. 地震地质, 2(4): 47-58, 90-91.
何银娟, 李稳, 刘保金, 等, 2015. 改进的矢量分解压噪方法[J]. 石油地球物理勘探, 50(2): 243-253.
梁生正, 李春燕, 王奇, 等, 2003. 太行山前断陷带南部天然气勘探前景[J]. 天然气工业, 23(2): 1-5.
刘保金, 赵成彬, 田勤俭, 等, 2007. 地震勘探资料揭示郑州老鸦陈断层特征[J]. 震灾防御技术, 2(3): 221-229. DOI:10.11899/zzfy20070301
刘保金, 柴炽章, 酆少英, 等, 2008. 第四纪沉积区断层及其上断点探测的地震方法技术——以银川隐伏活动断层为例[J]. 地球物理学报, 51(5): 1475-1483.
刘保金, 何宏林, 石金虎, 等, 2012. 太行山东缘汤阴地堑地壳结构和活动断裂探测[J]. 地球物理学报, 55(10): 3266-3276. DOI:10.6038/j.issn.0001-5733.2012.10.009
任青芳, 张先康, 张成科, 等, 1998. 汤阴地堑及邻区的壳幔结构与地震危险性[J]. 中国地震, 14(2): 157-166.
杨承先, 1984. 邯郸、汤阴断陷地质结构及其活动性[J]. 地震地质, 6(3): 59-66.
张军华, 吕宁, 田连玉, 等, 2006. 地震资料去噪方法技术综合评述[J]. 地球物理学进展, 21(2): 546-553.
赵成彬, 刘保金, 姬计法, 2011. 活动断裂探测的高分辨率地震数据采集技术[J]. 震灾防御技术, 6(1): 18-25. DOI:10.11899/zzfy20110102
郑建彬, 2015. 新乡市第四纪地层划分与沉积环境研究. 北京: 中国地质大学(北京).


The Characteristics of the Tangdong Fault Revealed by Shallow Seismic Survey
Hua Xinsheng*, Shi Jinhu, Tan Yali, He Yinjuan
(Geophysical Exploration Center, China Earthquake Administration, Zhengzhou 450002, China)
Abstract

The Tangdong fault is the eastern border fault of the Tangying graben and is an important buried active fault in the front of Taihang mountain. To investigate the occurrences, properties and shallow tectonic features of the Tangdong fault, we completed high resolution shallow seismic profiles with crossing the fault and obtain the shallow seismic reflection stacked profiles which have higher signal-noise ratio. Based on the results and combined it with the geological date and deep seismic explored result, we analyzed and discussed the shallow structures features of Tangdong fault. Our results show that the Tangdong fault is a NNE trending and NWW dipping spade shaped normal fault. In the shallow position the Tangdong fault show "Y" structure which consist of 2 to 3 faults. The Tangdong fault disrupts 30-50m Quaternary strata in shallow part, and extends to bottom of upper crust in deep part. Therefore it is a buried active faults in the late Quaternary period. There exists remarkble difference in Cenozoic strata on both sides of the fault. The Cenozoic strata is thin on the side of Neihuang uplift of the fault upthrown block, and its bottom buries in about 480m. The Cenozoic strata is thick on the side of Tangying graben of the fault downthrown block. In this study, the location of Tangdong fault was determined, and the evaluation of the fault activity was provided.



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浅层地震勘探资料揭示汤东断裂特征
花鑫升*, 石金虎, 谭雅丽, 何银娟
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20180203