方 菲

(河北省地震局，河北 石家莊 050021)

0 引言

河北是我國歷史上和現(xiàn)在強震的主要發(fā)生區(qū)之一。歷史上，河北曾發(fā)生過1679年三河—平谷8級地震、1830年磁縣7.5級地震、1966年邢臺6.8級地震和7.2級地震、1967年河間6.3級地震、1976年唐山 7. 8級地震、灤縣7.1級地震、寧河6.9級地震等[1-3]。研究河北省地質構造，特別是新構造活動特征，對認識該區(qū)地震地質構造有重要意義。

張亞東等[4]在完成中國地質調查局全國礦產資源潛力評價項目中，利用區(qū)域重力資料解釋了河北省斷裂體系，但僅利用重力資料，實際上，航磁資料也能提供斷裂分析的重要信息。李文廣等[5]根據河北省航磁局部異常特征分析其與成礦的關系，施興等[6]分析了河北省航磁資料的研究程度與找礦潛力，以上作者都未對河北省地質構造進行分析，也未將重力與航磁資料應用于河北省地震地質構造方面的研究。

河北省主要斷裂帶方向為NNE、 NW、 NE與NWW，分布有5級以上地震活動帶。具有破壞性的地震多數都在NNE、 NE和NWW斷裂帶上，特別是斷裂的交叉點上[1,7]。

以往對河北省地震地質構造的研究主要通過地表觀察、石油勘探的人工地震資料及少量的人工地震測深剖面等，雖然也利用區(qū)域重力、航磁資料進行解釋，但往往資料精度較低且不系統(tǒng)，處理解釋方法也較陳舊。

筆者收集了中國地質調查局最新的1∶20萬區(qū)域重力資料、1∶20萬～1∶5萬航磁資料，采用小波多尺度分析與斷裂分析方法，系統(tǒng)研究河北省斷裂體系，并應用于地震地質構造分析，重點分析了1966年邢臺、1976年唐山與1679年三河—平谷地震的發(fā)震斷裂特征。同時指出，利用重力航磁資料處理解釋地震地質構造是一種有效、快捷及經濟的方法，它能夠為地震地質構造研究提供重要的信息。

1 河北重磁場特征

1.1 重力場特征

由河北省布格重力異常圖(圖1)可以看出，重力場自東南平原向西北山區(qū)呈降低趨勢，受太行山—大興安嶺NE向重力梯度帶影響，重力場總體呈NNE-NE向分布，冀東、冀西北為近EW向。重力場的區(qū)域性變化是地殼厚度自ES向WN逐漸增厚的結果，而梯度帶則反映了地殼厚度的陡變。

從剩余重力異常圖(小波分析2階與3階細節(jié))(圖2)可以看出，以秦皇島—玉田—三河—蔚縣為界，以北的冀北山區(qū)剩余重力異常以EW向為主；以南剩余重力異常以NE向為主，高低相間，平行排列分布。自東至西主要有：埕寧重力高、黃驊重力低、滄州重力高、冀中重力低、太行山重力高。相鄰重力高、低之間均為梯級帶，它們是基底隆起與凹陷的反映。

對剩余重力異常進行功率譜分析，得出引起剩余重力異常的場源似深度約7 km，主要反映結晶基底以上的密度不均勻體的特征，即沉積蓋層中的凹陷隆起及與圍巖有密度差異的火成巖體的特征。

1.2 航磁異常特征

由河北省航磁ΔT異常圖(圖3)與化極磁異常圖(圖4)可以看出，河北磁異常主要以塊狀、條塊狀磁異常為特征，航磁異常走向主要為NE向和NNE向，也有近EW向和SN向異常，強度約為-250～600 nT。航磁異常特征反映河北省構造走向以NE向和NNE向為主，其中發(fā)育有EW向和SN向構造；構造變動較小，太古宇結晶巖系的基底上覆的沉積蓋層厚度大，巖漿活動弱。

圖1 河北省及北京布格重力異常 圖2 河北省及北京剩余重力異常Fig.1 Bouguer gravity anomaly in Hebei Province and Beijing Fig.2 Residual gravity anomaly in Hebei Province and Beijing

圖3 河北省及北京航磁ΔT 圖4 河北省及北京化極磁異常Fig.3 Aeromagnetic ΔT anomaly in Hebei Province and Beijing Fig.4 Polarized magnetic anomaly in Hebei Province and Beijing

河北航磁異常主要由如下因素引起：① 地層因素。磁性基底太古宇及下元古界的變質巖具有不同強度的磁性，正異常為基底埋深淺造成，負異常與弱的正異常則是基底埋深大造成。② 巖體因素。早期的超基性、基性巖類能夠形成較強的磁異常；燕山期的中酸性巖類能形成不同強度的磁異常。③ 構造因素。深大斷裂使基底抬升或下降，形成不同的磁異常，由于深大斷裂是巖漿巖侵入的通道，因此也能形成局部磁異常。

根據線性磁異常帶、串珠狀磁異常及不同形態(tài)磁場特征可以劃分斷裂與各種火成巖體，而深大斷裂帶附近及剛性火成巖體之間的軟弱地帶則是地震發(fā)生的場所[5,8]。

綜上所述，河北省重磁異常組合特征有：① 高重高磁異常是具較高密度和磁性，并有一定規(guī)模的超基性、基性和部分中性侵入巖體引起。② 低重低磁異常為燕山期和海西期酸性、中酸性巖體侵入于太古宇地層引起；低重高磁異常則為它們侵入于元古宇、古生界等地層引起。③ 高密度高磁性的結晶基底在隆起區(qū)為高重高磁異常，在凹陷區(qū)為低重低磁異常。④ 重力場梯度帶、條帶狀、串珠狀磁異常帶與剩余重力異常為深大斷裂特征[4]。

2 重磁場小波斷裂分析

斷裂體系分析是重磁數據處理的一個環(huán)節(jié)，根據重磁異常特征對斷裂體系進行定性或定量分析以實現(xiàn)地質構造解釋的目的，如等軸狀、串珠狀、條帶狀往往反映了沿斷裂分布的巖墻、巖脈等礦帶或侵入體，等值線密集分布的重磁梯度帶往往反映臺階狀斷層、斷裂帶或者具有不同密度和磁性的巖體陡直接觸帶。

利用重磁異常識別地質體邊界的常用方法有：垂向導數(VDR)、水平一階方向導數、總水平導數(THDR)、解析信號振幅(ASM)、傾斜角(Talt-angle)θ圖(ThetaMap)[9-13]。這些方法往往采用重磁異常的導數及其比值，所以計算結果及圖件能很好地平衡高幅值異常和低幅值異常，起到邊緣增強的效果。但是這些方法由于采用了導數運算，導數運算是一種高通濾波，因此也對誤差及各種干擾起了放大作用，造成計算結果圖件雜亂無章，無法利用。

磁場小波斷裂分析方法是利用小波奇異性檢測[14-22]，對由于斷裂的存在引起重磁異常的不規(guī)則變化進行識別的一種方法。

地球物理信號中的奇異性或突變部分往往反映了地下物性不連續(xù)的情況，如地層分界面處波阻抗變化引起地震信號的突變，斷裂引起重磁異常的變化等。小波具有奇異性檢測能力，利用小波的局部化特性識別和檢測突變信號，是小波分析方法的重要應用領域。

可以得出，小波斷裂分析不僅對信號奇異點和奇異度分析非常有效，而且小波的多尺度分析能夠消除誤差及各種干擾的影響，它優(yōu)于基于導數計算的邊界識別方法。

我們用一個三維地質體模型說明重磁場小波分析在地質體邊緣檢測中的應用。如圖5a和圖 5b所示，地質體模型為一個長方體，長、寬均為400 m，高為100 m，剩余密度為1.0 g/cm3，測區(qū)大小為 1 000 m×1 000 m。圖5c為地質體引起的重力異常。圖5d是利用重力場小波變換得到小波系數(尺度因子s=1，x方向和y方向分別作小波變換后疊加)，然后提取其小波模極大值的結果，計算結果較準確地指示出地質體的邊界特征。計算中為了突出地質體邊界特征，采用多個尺度上小波系數疊加的辦法：是先對重力異常進行多尺度分解，再分別提取其小波模極大值，然后將不同尺度上的小波模極大值疊加，就得到了圖5d的結果。

圖5 利用小波模極大值識別地質體邊界Fig.5 Recognition of geological body boundary by wavelet modulus maximum

圖6 其他邊界識別方法對比(圖中黑框為模型邊界)Fig.6 Comparison of other boundary recognition methods(The black box in the picture is the boundary of the model)

圖6分別是其他邊界識別方法(水平總梯度模(THDR)、傾斜角(Tilt-angle)、θ圖法)的計算結果，這些方法識別模型的邊界較差。

3 河北地區(qū)斷裂體系

3.1 重磁異常小波斷裂分析

張文佑[23]對不同規(guī)模的斷裂進行分類并指出它們的標志及與地震的關系，其中深大斷裂的分析是研究地殼活動性和地震的基礎。

1) 巖石圈斷裂 ：切穿整個巖石圈到軟流圈一定深度(深度在40 km以上)，沿斷裂出現(xiàn)超基性巖及金伯利巖等、中深高壓變質巖帶；區(qū)域重力異常有巨大梯級帶，莫霍面巨大突變?？刂茝姾椭袕姷卣饚?、高熱流帶。

2) 地殼斷裂：切穿整個地殼到達上地幔頂部(莫霍面)(深約26～40 km)，沿斷裂帶出現(xiàn)基性火成巖中、淺變質帶；航磁和局部或區(qū)域重力異常梯級帶，莫霍面深度突變帶。控制中強和地震帶(Ms>6 )、地熱帶。

3) 基底斷裂：切穿整個花崗巖層到達康氏面(深約18～20 km)，沿斷裂帶出現(xiàn)中酸性火成巖，中新生代斷陷盆地、新生代湖泊；磁異常梯度帶?？刂菩『椭袕?Ms<6)地震帶。

4) 蓋層斷裂：切割沉積巖層，到達結晶基底頂面 (深約6～10 km)，沉積巖層錯位變形缺乏火成巖帶；地球物理標志缺乏。不控制或控制微震。

對重磁異常進行小波斷裂分析，分別計算布格重力異常與化極磁異常2階細節(jié)的對角線、水平與垂直方向的小波模極大值，計算結果如圖7、8。

根據圖7、圖8計算結果，解釋了該區(qū)一級構造斷裂(含地殼斷裂或稱深斷裂)、二級構造斷裂(含基底斷裂或稱大斷裂、蓋層斷裂)(圖9)。將解釋結果與布格重力異常圖與剩余重力異常圖對比(圖1、圖2)，發(fā)現(xiàn)它們與重力梯度帶、局部重力高與重力低的邊界對應較好，我們將它作為該區(qū)斷裂體系。

值得指出的是，航磁所反映的斷裂在北部多而南部少，其原因是南部沉積層厚度大，結晶基底埋深大，引起的航磁異常較弱，因此所反映的斷裂也較少。其次，重力所反映的斷裂主要是沉積蓋層斷裂，不具磁性，而航磁反映的是具磁性的基底斷裂，所以二者不會完全一致。

(a)、(b)、(c)、(d)為小波二階細節(jié)45°、135°、90°、0°投影(a), (b), (c) and (d) are the projections of 45°, 135°, 90° and 0° of the second-order details of wavelet圖7 河北省及北京重力異常小波斷裂分析Fig.7 Wavelet fracture analysis of gravity anomalies in Hebei Province and Beijing

(a)、(b)、(c)、(d)為小波二階細節(jié)45°、135°、90°、0°投影Note: (a), (b), (c) and (d) are the projections of 45°, 135°, 90° and 0° of the second-order details of wavelet圖8 河北省及北京航磁小波斷裂分析Fig.8 Wavelet fracture analysis of aeromagnetic anomalies in Hebei province and Beijing

圖9 河北省及北京根據重磁資料解釋的斷裂體系Fig.9 Fault systems interpreted from gravity and magnetic data in Hebei Province and Beijing

3.2 一級構造斷裂

3.2.1 懷柔—淶水—保定—石家莊深斷裂F1(太行山山前斷裂)[1，24-27]

太行山山前斷裂F1是華北平原地震帶的西界，在石家莊以北為NE向，以南為近SN向。在布格重力異常圖上，該斷裂為本區(qū)最顯著的重力梯度帶，梯度帶位于重力高的東側。太行山山前斷裂F1是河北省西部的活動斷裂帶，是太行山地塊隆起和冀渤地塊陷陷的分界。本次根據重磁資料解釋結果將北段東移至昌平西。

3.2.2 紫荊關—靈山深斷裂F2

在剩余重力異常(小波2階與3階細節(jié))圖上，為NE向重力高西側的梯度帶。

3.2.3 蔚縣—豐寧深斷裂F3(張亞東(2011)稱烏龍溝—上黃旗深斷裂)

在剩余重力異常(小波2階與3階細節(jié))圖上，蔚縣—懷來為NE向正負異常帶，該斷裂位于正負異常過渡帶，往北被NW向的正異常帶切割，可斷續(xù)延伸到豐寧。

3.2.4 張家口—赤城—灤平—承德深斷裂F4

也稱尚義一赤城一承德一平泉深斷裂與豐寧一隆化深斷裂。在布格重力異常圖上為EW向的梯度帶，是二級構造單元的分界線。

3.2.5 石家莊—邢臺—磁縣深斷裂F5

石家莊—邢臺—磁縣深斷裂F5在布格重力異常與剩余重力異常圖上為SN向重力高東側的梯度帶，是二級構造單元的分界線。

3.2.6 贊皇—武安深斷裂F6

位于石家莊—邢臺—磁縣深斷裂F5西，并與其平行。在布格重力異常與剩余重力異常圖上，它是SN向的重力高西側的梯度帶。

3.2.7 寧河—滄州—大名深斷裂F7(滄東斷裂)

滄東深斷裂在布格重力異常與剩余重力異常圖上為NE向正負異常過渡帶，是一條上陡下緩的鏟狀斷裂，在10 km深處的上地殼底部，斷面變?yōu)榻降牟痣x滑脫面。高戰(zhàn)武等[28]根據地質和地球物理資料，認為該斷裂晚第三紀以來活動微弱，不是一條活動斷裂帶。

3.2.8 康?！獓鷪錾顢嗔袴8

在布格重力異常圖上，康保一圍場深大斷裂為EW走向顯著的梯度帶。它為內蒙板塊南緣(內蒙—大興安嶺褶皺帶)的南界，毗鄰華北地臺，是一級構造單元的分界線。

3.3 二級構造斷裂

3.3.1 涉縣—磁縣—大名大斷裂f1

走向為NW，長度約90 km，為中生代繼承性活動斷裂。在布格重力異常與剩余重力異常圖上，該斷裂錯斷了NE向異常。歷史上的大名地震發(fā)生在NW向斷裂與NE向斷裂交匯處；臨漳地震發(fā)生在磁縣—大名斷裂與—臨漳斷裂的交匯處；磁縣地震發(fā)生在太行山山前斷裂帶的交匯處；涉縣地震發(fā)生在磁縣—大名斷裂與涉縣斷裂帶的交匯處。

3.3.2 衡水—無極—阜平大斷裂f2

該斷裂長度約為200 km。在布格重力異常與剩余重力異常圖上，該斷裂錯斷了NE向異常。該斷裂切過太行山山前深斷裂，對兩側的中、新生代的沉積有明顯的控制作用。

3.3.3 寶坻—灤南—秦皇島大斷裂f3

在布格重力異常與剩余重力異常圖上，該斷裂在寶坻—灤南為近EW向梯度帶，往秦皇島轉NE向梯度帶。

3.3.4 青龍—昌平—靈山北大斷裂f4

在布格重力異常與剩余重力異常圖上，該斷裂在靈山北—昌平為近EW向梯度帶，往青龍轉NE向梯度帶。

3.3.5 玉田—武清—河間—衡水大斷裂f5

在布格重力異常圖上，玉田—武清—河間—衡水大斷裂f5為較明顯的重力梯度帶，它是唐山—河間—涉縣地震構造帶中的一條主要斷裂。唐山—河間—涉縣地震構造帶走向NE，長600 km余，寬40～60 km[1,10]。在布格重力異常與剩余重力異常圖上，該斷裂為NE向正異常西側的梯度帶。

唐山—河間—涉縣地震帶是一條晚第三紀開始發(fā)育的新生地震構造帶。徐杰[26]認為邢臺、河間和唐山等地震并非發(fā)生在那些形成歷史長、且規(guī)模較大的活動斷裂，而是發(fā)生在新生地震構造帶。

3.3.6 海興—寧津斷裂f6

在布格重力異常圖上，海興—寧津斷裂f6為較明顯的重力梯度帶。海興—寧津斷裂f6是黃驊凹陷和埕寧隆起的分界，長度80 km以上，走向NNE，位于滄州—大名隱伏斷裂的東側。

3.3.7 新河斷裂f7

在布格重力異常圖上，新河斷裂與束鹿凹陷東斷裂為較明顯的重力梯度帶。邢臺7.2級地震震中位于束鹿斷陷盆地南部次凹的東部，靠近新河斷裂。走向NNE，長度為70 km，屬正斷層。斷裂上部為鏟狀，上部傾角約35°，往下變緩，約為30°。斷裂上端深為200 m，下端深達8 500 m，斷至結晶基底。

3.3.8 夏墊斷裂f8

在航磁異常圖與布格重力異常圖上，夏墊斷裂為條帶狀高異常帶與不連續(xù)的重力梯度帶。它是燕山構造帶南緣斷裂一個分支，人工地震測深表明夏墊斷裂從地表向下延伸約10 km，上陡下緩，然后歸并到近水平的地層上；深部傾角較陡，近似直立，底部切穿莫霍界面。

3.3.9 唐山斷裂f9

在布格重力異常圖上，唐山斷裂為不連續(xù)的重力梯度帶。劉保金等[28]根據深反射地震剖面得出，唐山斷裂帶淺部為花狀構造，深部切穿莫霍面，唐山斷裂帶是多條斷裂組成的復雜構造帶。

4 邢臺、唐山及三河地震地質構造分析

4.1 邢臺7.2級地震

邢臺7.2級地震震中位置在束鹿斷陷盆地南部次凹東，靠新河斷裂，震源深度9 km(圖10)。發(fā)震斷層為走滑斷層，斷層面走向NE20°，傾角80°左右[30]。新河斷裂下延深度8.5 km，與震源深度9 km以下不一致，因此，前人認為新河斷裂不是邢臺7.2級地震的發(fā)震斷裂。徐杰等[27]根據人工地震測深資料與淺層地震認為束鹿斷陷之下9 km深，近于直立的斷裂才是發(fā)震斷裂，淺層斷裂和深部斷裂不貫通，地震測深解釋的深斷裂與石油地震勘探解釋的淺部斷裂沒有任何關系(如圖13)。徐錫偉等[31]根據震中區(qū)的淺層人工地震剖面認為，邢臺地震地表無明顯破裂帶，發(fā)震斷層尚未到達地表。而江娃利[32]認為，以上認識尚缺少有說服力的證據[11-13,24-25]。

由于人工地震剖面覆蓋范圍有限，不能得出面上大范圍的觀測結果，本文利用區(qū)域重力與航磁資料對邢臺地震構造進行分析。

圖10a是重力小波分析的一階細節(jié)，其場源似深度約1.52 km，即該局部重力場大致反映1.52 km以上的地下密度不均勻特征。根據圖10重力梯度帶特征解釋的斷裂有：① NE向束鹿斷陷東斷裂Fs1，其南段即新河斷裂f7；② 寧晉斷裂Fs2；3. NW向大曹莊斷裂Fs3；曹莊陸梁南斷裂Fs4。圖10b是重力小波分析的二階逼近，場源似深度約16.7 km，在束鹿斷陷東有明顯的NE向梯度帶，說明在束鹿斷陷東斷裂Fs1的深部有一NE向斷裂(圖10)，但形態(tài)與淺部束鹿斷陷東斷裂Fs1不完全一致。圖11是根據石油地震資料解釋的束鹿斷陷的地質構造，NE向新河斷裂與重力解釋結果完全一致，重力解釋結果還指出新河斷裂繼續(xù)往NE延伸，是束鹿斷陷的東界。

重力解釋結果得出，石油勘探解釋的淺部斷裂(圖12上部)與人工地震測深解釋的深部斷裂(圖12下部)，其平面位置重疊(圖10)，淺部斷裂與深部斷裂關系密切，下部斷裂是發(fā)震的主斷裂，邢臺7.2級地震是下部深斷裂與淺部新河斷裂共同作用的結果。

圖10 重力異常小波分析Fig.10 Wavelet analysis of gravity anomalies

1—一般斷裂；2—主要斷裂；3—地震勘探測線；4—地震震中(數字為震級)圖11 束鹿南部次凹斷裂與強震震中分布Fig.11 Fault and epicenter distribution of strong earthquakes in southern sub-depression of Shulu fault basin

1—縱波速度(km/s)；2—斷裂；3—破碎帶；4—M=7.2;5—M=6.7；6—M=5～5.9；7—M=4～4.9；8—震源斷層面圖12 新河斷裂石油地震勘探與人工地震測深結果Fig.12 Petroleum seismic exploration and artificial seismic sounding results of Xinhe fault

4.2 唐山7.8級地震

通常認為，唐山7.8級地震是由唐山斷裂帶引起。唐山斷裂帶是由NE向的唐山—古冶斷裂、陡河斷裂與巍山—長山南坡斷裂組成。從重力異常小波分解不同尺度的細節(jié)可以看出(圖13)，重力異常1～4階細節(jié)梯度帶呈NE向，并且從淺到深有繼承性，該梯度帶在深度28.4 km仍然存在，是一條深大斷裂。深地震反射探測結果證實了重力解釋的唐山斷裂帶從淺到深有繼承性，淺部為花狀構造，深部切割了莫霍面[30]。

4.3 三河—平谷8級地震

通常認為，三河—平谷8級地震是由夏墊斷裂引起，夏墊斷裂是燕山構造帶南緣斷裂一個分支。從航磁異常小波分解不同尺度的細節(jié)可以看出(圖14)，航磁異常1～4階細節(jié)梯度帶呈NE向，并且從淺到深有繼承性，深度達28.4 km仍然存在，是一條深大斷裂。三河—平谷8級地震是深部與淺部斷裂共同作用的結果。人工地震測深證實了重磁異常解釋的結果，張先[31]根據人工地震測深結果指出夏墊斷裂下部有一條深大斷裂，切穿了莫霍面。淺部斷裂下延約10 km，上陡下緩，深部斷裂近于直立。

圖13 唐山重力小波分析(圖中紅線為唐山斷裂)Fig.13 Tangshan gravity wavelet analysis( the red line in the figure is Tangshan fault)

圖14 三河—平谷航磁異常小波分析(圖中紅線為夏墊斷裂)Fig.14 Wavelet analysis of aeromagnetic anomalies in Sanhe-Pinggu(the red line in the figure is Xiadian fracture)

5 結論

1) 區(qū)域重力、航磁資料是研究地震地質構造的一種有效、快捷及經濟的方法。它覆蓋范圍廣，如河北省已有覆蓋全省的1∶20萬重力與航磁，部分地區(qū)有1∶5萬、1∶1萬等不同比例尺的地面重力、高精度磁測，且重磁方法成本低，它能夠為地震地質構造研究提供重要的信息。

2) 根據重磁資料解釋得出河北省一級構造斷裂8條，二級構造斷裂7條，這些結果為研究河北斷裂構造特征及活動斷層提供了信息。重點分析了1966年邢臺7.2級、1976年唐山7.8級及1679年三河—平谷8級地震的發(fā)震斷裂特征，發(fā)現(xiàn)新河斷裂、唐山斷裂與夏墊斷裂，其淺部斷裂與深部斷裂密切相關。

3) 根據重磁資料解釋得出邢臺7.2級地震的發(fā)震斷裂，石油勘探解釋的淺部斷裂與人工地震測深解釋的深部斷裂平面位置重疊、走向一致，邢臺7.2級地震是下部深斷裂與淺部新河斷裂共同作用的結果。