花鑫升 石金虎 譚雅麗 何銀娟

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淺層地震勘探資料揭示湯東斷裂特征1

花鑫升 石金虎 譚雅麗 何銀娟

（中國地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002）

湯東斷裂是湯陰地塹的東界斷裂，也是太行山山前一條重要的隱伏活動斷裂。為了查明湯東斷裂的產(chǎn)狀、性質(zhì)及其淺部構(gòu)造特征，跨斷裂開展了高分辨率淺層地震剖面探測，獲得了高信噪比的淺層地震反射波疊加剖面。本文根據(jù)淺層地震剖面結(jié)果并結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)資料和已有深地震探測成果，對湯東斷裂的淺部構(gòu)造特征進(jìn)行了分析和討論。結(jié)果表明：湯東斷裂為1條走向NNE、傾向NWW的鏟型正斷層，其淺部表現(xiàn)為由2—3條斷層組成的Y字形構(gòu)造，并錯斷了埋深約30—50m第四紀(jì)地層，斷裂向下延伸至上地殼底部，屬晚第四紀(jì)以來的隱伏活動斷裂。湯東斷裂兩側(cè)新生代沉積差異明顯，斷裂上升盤內(nèi)黃隆起一側(cè)，新生代沉積層較薄，其底界埋深約480m，下降盤湯陰地塹一側(cè)，沉積了巨厚的新生代地層。研究結(jié)果為確定湯東斷裂位置、評價斷裂的活動性提供了基礎(chǔ)資料。

湯陰地塹 湯東斷裂 淺層地震剖面 斷裂活動性

引言

大量震例表明，活斷層不僅是產(chǎn)生地震的根源，而且當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時斷層沿線的建筑物破壞、人員傷亡最為嚴(yán)重，其損失明顯大于斷層兩側(cè)的其它區(qū)域（鄧起東等，2007；劉保金等，2008；酆少英等，2010）。因此，查明地下斷層的性質(zhì)、活動性及其空間展布特征，對城市的防震減災(zāi)工作，在規(guī)劃建設(shè)中有效避讓地震活斷層，減輕活斷層的破壞作用等方面具有重要的意義。城市周邊的活斷層一般被第四紀(jì)松散沉積物所覆蓋，落差較小、埋深較淺，僅依靠地表地質(zhì)地貌工作已不能對斷層定位和活動性進(jìn)行全面研究。目前，淺層地震反射波法是活斷層探測的主要方法之一，通過反射地震剖面可以直觀地判定斷層的存在和形態(tài)，該方法在大多數(shù)城市活斷層探測中均取得了良好的效果（劉保金等，2007；趙成彬等，2011）。

湯東斷裂是湯陰地塹的東界斷裂，對湯陰地塹的生成、演化和發(fā)展具有重要的控制作用。很多學(xué)者對湯陰地塹和湯東斷裂作了大量的研究工作，韓慕康等（1980）通過對湯陰地塹及其周邊進(jìn)行地震地質(zhì)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)湯陰地塹只有南部是地塹，而北部是由一條東側(cè)斷裂（湯東斷裂）構(gòu)成的半地塹；楊承先（1984）利用石油、煤田地震反射剖面并結(jié)合部分鉆井資料，提出湯陰地塹形成于新近紀(jì)，其北部主要受東緣的湯東斷裂控制，南部受東西邊緣的湯東、湯西斷裂控制，且湯東、湯西斷裂新構(gòu)造活動明顯；任青芳等（1998）利用深地震測深資料獲得了湯陰地塹及其鄰區(qū)的二維速度結(jié)構(gòu)剖面，認(rèn)為湯陰地塹的基底斷裂發(fā)育，殼幔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，深部界面與速度等值線起伏變化大，且殼內(nèi)有低速層，湯陰地塹及鄰區(qū)存在發(fā)生中強(qiáng)地震的深部構(gòu)造背景；劉保金等（2012）采用深、淺地震反射探測方法，獲得了湯陰地塹及其鄰區(qū)的地殼精細(xì)結(jié)構(gòu)和斷裂的深、淺構(gòu)造關(guān)系。這些研究成果對了解湯陰地塹的形成和演化、殼幔結(jié)構(gòu)特征以及斷裂的深、淺構(gòu)造關(guān)系提供了重要的基礎(chǔ)資料。本文在分析該區(qū)已有深、淺地震探測剖面資料的基礎(chǔ)上，跨湯東斷裂開展了高分辨率的淺層地震剖面探測，取得了高信噪比的淺層地震反射疊加剖面圖像，分析討論了湯東斷裂的近地表特征、性質(zhì)及其活動性。研究結(jié)果為湯陰地塹的活動構(gòu)造研究以及研究區(qū)的地震危險性評價提供了地震學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)構(gòu)造概況和地震剖面位置

湯陰地塹位于太行山與華北平原的過渡帶上，是太行山隆起和內(nèi)黃隆起間的一個北東向凹陷，東西分別受湯東斷裂和湯西斷裂的控制，南北分別以新鄉(xiāng)-封丘斷裂和安陽斷裂為界（劉保金等，2012）（圖1）。湯陰地塹整體呈北北東走向，南北長100km，東西寬15km，面積1500km2，屬新生代的地塹，在新生代以強(qiáng)烈下沉為主要構(gòu)造活動，整個地塹內(nèi)被巨厚的新生代地層所覆蓋，其東西兩側(cè)湯西斷裂和湯東斷裂的發(fā)育狀況不盡相同，形成南部呈斷陷型地塹、北部呈半斷陷型地塹的不規(guī)則地塹（梁生正等，2003；高戰(zhàn)武等，2014；鄭建彬，2015）。

圖1 淺層地震測線位置圖Fig. 1 Location of the shallow reflected seismic lines

湯東斷裂是湯陰地塹東界的控制斷裂，斷裂全長約90km，走向北北東，傾向西，為上陡下緩的正斷層。斷裂以東的內(nèi)黃隆起為太古界至古生界組成的向東傾伏的隆起，地表被新近系和第四系所覆蓋，局部地段古生界基巖殘山直接出露；斷裂西盤的湯陰地塹則沉積了巨厚的古近系、新近系、第四系。斷裂北段控制了湯陰次級凹陷的發(fā)育，斷層附近的古近系、新近系和第四系最大厚度分別為3100m、1400m和40m左右，而在斷裂下盤的內(nèi)黃隆起上，第四系很薄，有的地方新近系出露。斷裂發(fā)育在古生代及其以前的地層中，向上切割了古生代—新生代地層，第四紀(jì)以來仍然制約著斷裂兩側(cè)的地層沉積，該斷裂是第四紀(jì)活動斷層。

在湯陰地塹已開展過一條長約45km的深地震反射探測剖面（圖1），剖面揭示了湯陰地塹及其周邊的地殼深淺構(gòu)造特征（劉保金等，2012）。根據(jù)深地震反射探測剖面，把該區(qū)域地殼自上而下分為上地殼、中地殼、下地殼和殼幔過渡帶4個部分。上地殼又可以細(xì)分為沉積蓋層和結(jié)晶基底，沉積蓋層主要是新生代、中生代和古生代沉積巖系，在地震剖面上具有良好的反射性質(zhì)；結(jié)晶基底可能由元古代、太古代的變質(zhì)巖組成，在地震剖面探測中表現(xiàn)為一些反射能量較弱、且無規(guī)律可循的短小反射。深地震反射資料揭示湯東斷裂是由2條具有不同構(gòu)造特征的斷層組成，2條斷層傾向?yàn)槲?，東側(cè)斷層傾角較陡，向上錯斷了新近紀(jì)底界面后歸并到西側(cè)斷層上，向下延伸至上地殼底部；西側(cè)斷層在剖面上具有鏟型正斷層的特征，斷層向上錯斷了新近紀(jì)內(nèi)部地層，向下錯斷了所有的沉積地層，延伸至7—8km的結(jié)晶基底附近。深地震反射資料較好地揭示了湯東斷裂的中深部構(gòu)造特征，但不能很好地反映斷裂在第四紀(jì)內(nèi)部延展特征，為了獲得湯東斷裂在第四紀(jì)內(nèi)部的構(gòu)造特征，在垂直斷裂的走向進(jìn)行了高分辨淺層地震反射探測，得到了湯東斷裂清晰的近地表構(gòu)造特征。

已有資料表明湯東斷裂有著明顯的第四紀(jì)活動特征，為了查明其位置、性質(zhì)及淺部構(gòu)造特征，在湯陰縣東部跨湯東斷裂進(jìn)行了高分辨的淺層地震探測。沿著小屯村北的湯屯線自西向東布設(shè)小屯村測線，起點(diǎn)位于距第四街工業(yè)園70m處，終點(diǎn)位于距湯屯線5km里程碑東約500m處，測線全長2438m。古賢鎮(zhèn)測線沿著省道S302自西向東布設(shè)，起點(diǎn)位于古賢鎮(zhèn)北的加油站東側(cè)，終點(diǎn)位于省道100.5km里程碑附近，測線全長3278m。

2 地震數(shù)據(jù)采集和資料處理

為了壓制在淺層地震數(shù)據(jù)采集時不可避免的車輛、行人及鄰近居民點(diǎn)的干擾，地震波激發(fā)采用美國產(chǎn)M612-18型可控震源，數(shù)據(jù)接收采用德國SUMMIT遙測數(shù)字地震儀，采樣間隔0.5ms、記錄長度2s。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)確定的觀測系統(tǒng)參數(shù)為：2m道間距、最小偏移距20m、200道接收、20次覆蓋。

數(shù)據(jù)處理采用資料Focus反射地震數(shù)據(jù)處理軟件包，根據(jù)本次地震勘探的工作特點(diǎn)和資料特征，采用了幾何擴(kuò)散補(bǔ)償、疊前去噪、靜校正、動校正、剩余靜校正、CMP疊加、疊后去噪等處理模塊，建立了圖2所示的主要數(shù)據(jù)處理流程。

該工作區(qū)地震資料上面波、聲波以及各種隨機(jī)干擾波較為嚴(yán)重，因此壓制地震記錄中各種高、低頻干擾，提高地震剖面的信噪比和分辨率是本次資料處理的重點(diǎn)。通常根據(jù)噪音在地震記錄上的不同特征，需采用不同的濾波方法來壓制噪音提高資料的信噪比（張軍華等，2006；何銀娟等，2015）。本次數(shù)據(jù)處理主要采用了如下去噪方法：

（1）一維帶通濾波和二維-濾波。根據(jù)原始單炮記錄上面波、聲波等干擾波能量較強(qiáng)的特點(diǎn)，資料處理時采用帶通濾波方法對面波及其他隨機(jī)低頻干擾波進(jìn)行了壓制，采用二維-濾波對聲波等線性干擾波進(jìn)行濾除。對比圖3（a）、（b）2張單炮紀(jì)錄可以看到，經(jīng)帶通和-濾波后，面波、聲波、隨機(jī)干擾波明顯變?nèi)趸蛘呦?，反射波能量變?qiáng)，反射波同相軸清晰可見，單炮紀(jì)錄的信噪比得到了較大的提高。

圖2 主要數(shù)據(jù)處理流程圖Fig. 2 Flow chart of major data process

圖3 共炮點(diǎn)地震數(shù)據(jù)處理對比Fig. 3 The comparison of seismic data process from common shot records

（2）矢量分解壓噪。對于干擾信號和有信號頻率相近的單炮記錄，根據(jù)干擾信號偏離有效信號所形成的夾角采用曲邊時窗矢量分解壓噪的方法，可達(dá)到既去除干擾信號又很好地保護(hù)有效信號的目的（何銀娟等，2015）。從圖3（b）、（c）2張單炮紀(jì)錄可以看出，經(jīng)過矢量分解壓噪后，面波、聲波基本消除，隨機(jī)干擾波得到了進(jìn)一步的壓制，有效波同相軸變得更加連續(xù)（圖3中藍(lán)圈處），資料的信噪比進(jìn)一步提高。

（3）傾角濾波和-域噪聲衰減。雖然疊前采用了各種壓制干擾波的方法，但經(jīng)過CMP疊加后剖面上仍然存在一些干擾波。為了消除疊后的線性干擾波和隨機(jī)干擾波，本次疊后數(shù)據(jù)處理主要采用傾角濾波和-域隨機(jī)噪聲衰減技術(shù)，達(dá)到消除干擾信號、增強(qiáng)有效信號的目的。

3 地震反射剖面特征

3.1 小屯村測線淺層地震反射剖面特征

圖4所示的小屯村測線地震反射疊加時間剖面具有較高的信噪比和分辨率，剖面揭示的多組淺部地層反射波均能被連續(xù)可靠追蹤，且界面起伏變化形態(tài)也非常清楚。根據(jù)剖面的反射波組特征，共識別出11組能量較強(qiáng)、橫向可連續(xù)追蹤的反射震相（TQ、T1—T9、TN）。依據(jù)剖面反射波震相特征和本區(qū)域地質(zhì)資料，把剖面上反射波TQ解釋為第四紀(jì)地層的底界面反射，T1—T9解釋為新近紀(jì)內(nèi)部地層的界面反射，TN解釋為新近紀(jì)地層的底界面反射。從剖面橫向上看，反射波TQ自東向西略微向下傾伏，在剖面上表現(xiàn)出強(qiáng)反射震相特征。新近紀(jì)地層界面反射波以樁號1540m為界，東西兩側(cè)反射震相特征差異明顯，樁號1540m以東反射震相較少，新近系沉積較薄，新近系底界面埋深較淺，可能是由于新近紀(jì)時期內(nèi)黃隆起區(qū)強(qiáng)烈的構(gòu)造活動，導(dǎo)致了地層的抬升與剝蝕；而樁號1540m以西反射震相豐富，可識別出多組新近紀(jì)地層界面反射波（T1—T9、TN），新近紀(jì)地層分層性好、反射波能量較強(qiáng)、同相軸連續(xù)性好，說明新近紀(jì)時期湯陰地塹在該區(qū)域的沉積環(huán)境較為穩(wěn)定。

圖4 小屯村測線反射疊加時間剖面和深度解釋剖面圖Fig. 4 Stacked section and depth profile of the shallow seismic reflection in the Xiaotun village

剖面所揭示的斷裂結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征非常清楚。在剖面樁號1540m附近，從剖面上可以看到一個由淺到深的反射特征分界線，其東西兩側(cè)地層產(chǎn)狀和反射波組特征明顯不同，根據(jù)這些特征不難判定是斷裂在地震剖面上的反映。在斷裂下降盤一側(cè)，地層界面反射波豐富，第四系底界面反射波TQ能量較強(qiáng)，同相軸分段連續(xù)性好，新近紀(jì)地層自東向西傾伏，其底界面TN埋深較深，約800m；斷層上升盤一側(cè)，地層基本呈水平展布，第四系底界面反射波TQ能量較弱，新近紀(jì)地層界面反射波明顯少于下降盤一側(cè)，其底界埋深較淺，約480m。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料可知該斷裂為湯東斷裂，斷裂向上錯斷了第四系底界面TQ，上斷點(diǎn)埋深約50m，是第四紀(jì)隱伏活動斷裂。在湯東斷裂FP3西側(cè)還可以看到與其傾向相反的正斷層FP1、FP2，斷層FP1、FP2是湯東斷裂的分支斷層，分別在TWT 600ms和TWT 400ms歸并到主斷層FP3上。

3.2 古賢鎮(zhèn)測線淺層地震反射剖面特征

圖5給出了古賢鎮(zhèn)測線的淺層地震反射波疊加時間剖面，剖面具有較高的信噪比和分辨率，斷裂構(gòu)造特征也非常清晰。對比圖4、圖5可以看出，2條地震反射疊加時間剖面上反射波震相特征和湯東斷裂的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征均表現(xiàn)出了較大的相似性，剖面西段（湯東斷裂FP7以西）反射震相豐富、反射波同相軸連續(xù)性好、反射波能量較強(qiáng)，表現(xiàn)出沉積盆地連續(xù)沉積的特征；而在剖面東段（湯東斷裂FP7以東）新近紀(jì)地層沉積較薄，其底界面埋深明顯淺于西段，新近紀(jì)地層之下為能量較弱、不連續(xù)的短小反射，可能是元古代、太古代變質(zhì)巖系。圖5中湯東斷裂主斷層FP7為西傾鏟型正斷層，斷層錯斷了剖面上的所有沉積層，上斷點(diǎn)埋深較淺，約為30m；在其西側(cè)有3條反向次級正斷層，與主斷層呈“Y”型組合特征。在主斷層的東側(cè)還有1條次級斷層FP8，其傾向?yàn)槲鳎瑑A角較陡，向上錯斷了新近紀(jì)內(nèi)部地層T2，上覆蓋的第四紀(jì)地層界面反射波未發(fā)現(xiàn)扭曲、錯斷。整體上看，2條淺層地震反射疊加時間剖面上揭示的反射波震相東西段差異特征及湯東斷裂形態(tài)與淺部構(gòu)造特征均表現(xiàn)出較大的一致性。

圖5 古賢鎮(zhèn)測線反射疊加時間剖面和深度解釋剖面圖（劉保金等，2012）

4 結(jié)論和討論

本項(xiàng)研究通過采用高分辨率的淺層地震勘探方法和選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理技術(shù)，獲得了太行山山前湯東斷裂的位置、性質(zhì)及其活動性。湯東斷裂為走向NNE、傾向NWW的正斷層，是湯陰地塹的主控邊界斷裂。深地震反射資料顯示湯東斷裂是由2條具有不同構(gòu)造特征的斷層組成，2條斷層傾向均為西，東側(cè)斷層傾角較陡，向上錯斷了新近紀(jì)底界面后歸并到西側(cè)斷層上，向下延伸至上地殼底部；西側(cè)斷層在剖面上具有鏟型正斷層的特征，斷層向上錯斷了新近紀(jì)內(nèi)部地層，向下錯斷了所有的沉積地層，延伸至7—8km的結(jié)晶基底附近，說明湯陰地塹新生代沉積主要受該斷層的控制。淺層地震反射剖面揭示湯東斷裂西側(cè)斷層淺部是由2—3條斷層組成的Y字形構(gòu)造，斷層向上錯斷了第四系的底界TQ，其上斷點(diǎn)埋深約30—50m，結(jié)合該區(qū)域鉆孔資料可知湯東斷裂錯斷了更新世地層，是更新世以來的隱伏活動斷裂。

根據(jù)淺層地震剖面特征并結(jié)合區(qū)域地震及地質(zhì)資料可知，湯東斷裂屬于湯陰地塹與內(nèi)黃隆起的邊界斷裂，斷裂兩側(cè)地層沉積特征差異明顯，斷裂下降盤新近紀(jì)地層界面反射豐富，地層橫向上表現(xiàn)為兩端向中部傾伏的凹陷型構(gòu)造特征；斷裂上升盤地層基本呈水平展布，新近紀(jì)內(nèi)部地層缺失T6—T9，其底界埋深較淺，約480m，揭示了新近紀(jì)時期斷裂構(gòu)造活動劇烈，內(nèi)黃隆起抬升，地層受到了明顯的風(fēng)化剝蝕，下降盤湯陰地塹沉降顯著，新近紀(jì)地層沉積巨厚，其底界面埋深約800m。

淺層地震勘探方法是探測地層淺部結(jié)構(gòu)、隱伏斷裂淺部構(gòu)造特征和對隱伏斷裂進(jìn)行準(zhǔn)確定位的有效技術(shù)手段，但僅根據(jù)淺層地震剖面無法獲知斷裂在深部的結(jié)構(gòu)情況及與其他斷裂的交切關(guān)系，也無法確定地震剖面上反射層的地層屬性和地層年代。因此，在淺層地震勘探解釋時，還需結(jié)合深地震反射資料、區(qū)域地質(zhì)、鉆孔以及其他地震地質(zhì)資料，才能得到斷裂的深、淺構(gòu)造特征，更好地理解斷裂的形成和演化過程，并且結(jié)合地質(zhì)、鉆孔資料有助于進(jìn)一步提高地震剖面解釋的準(zhǔn)確度。

致謝：本文寫作過程中得到了劉保金研究員的指導(dǎo)以及秦晶晶、鄧小娟、劉增祺等同事的幫助，在此表示衷心的感謝。

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The Characteristics of the Tangdong Fault Revealedby Shallow Seismic Survey

Hua Xinsheng, Shi Jinhu, Tan Yali and He Yinjuan

(Geophysical Exploration Center, China Earthquake Administration, Zhengzhou 450002, China)

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.

Tangyin graben; Tangdong fault; Shallow seismic reflection profile; Fault activity

中國地震活動斷層探察：南北地震帶北段項(xiàng)目（201408023）

2017-06-22

花鑫升，男，生于1980年。工程師。主要從事深、淺地震勘探方面的研究和應(yīng)用。E-mail：huaxs123@163.com

花鑫升，石金虎，譚雅麗，何銀娟，2018．淺層地震勘探資料揭示湯東斷裂特征 ．震災(zāi)防御技術(shù)，13（2）：276—283．

10.11899/ zzfy20180203