曹朋軍, 夏方華, 李世斌, 王 茜, 夏訓(xùn)銀, 袁 航, 劉文強

(1. 天津市地球物理勘探中心, 天津 300170; 2. 華北地質(zhì)勘查局綜合普查大隊, 河北 燕郊 065203)

0 引言

夏墊斷裂為首都東部平原區(qū)一條重要的隱伏活動斷裂,位于大廠凹陷與大興通縣凸起兩個第四紀構(gòu)造單元的交接部位[1-2]。該斷裂走向40°～50°,傾向南東,傾角為50°～70°,長120 km,1679年該斷裂上曾發(fā)生三河—平谷M8.0大地震,至今依然可見當時地震形成的陡坎?？垢蓴_高分辨率地震反射勘探是探測厚覆蓋區(qū)隱伏斷裂的有效方法,近年來在不同的探測目的中取得了較好的效果[3-7],能夠得到幾十米至上千米的中淺部地質(zhì)構(gòu)造信息。由于夏墊斷裂處于人口稠密的首都東部平原區(qū),近年來在該斷裂帶上持續(xù)開展了多次地震勘探研究。趙成彬在夏墊斷裂上開展了淺層縱、橫波聯(lián)合探測試驗,針對該斷裂的淺部特征進行了高分辨率探測,所布設(shè)測線位于潘各莊與齊心莊之間,根據(jù)縱橫波剖面特征得出夏墊斷裂是一條高傾角、錯斷至近地表的第四紀活動斷裂帶,且由兩條斷裂組成[8]。劉保金開展了單次覆蓋深反射和淺層反射勘探,揭示了三河—平谷地震區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)和斷裂的深、淺構(gòu)造特征[9]。探測結(jié)果表明,夏墊斷裂為全新世活動斷裂,地殼深斷裂和淺部斷裂具有上下一致的對應(yīng)關(guān)系,且陡傾斷層切割緩傾斷層,均南東傾,在深度約20 km處轉(zhuǎn)換為一個具有一定寬度的反射能量帶,并向下延伸至莫霍面。雍凡在馬坊鎮(zhèn)南部布設(shè)了一條EW向的高分辨率地震反射勘探測線,地震剖面反映該測區(qū)內(nèi)的夏墊斷裂是一條高傾角、錯斷至近第四紀內(nèi)部的活動斷層[10]。馬志霞在夏墊斷裂震中區(qū)開展淺層人工地震勘探,所布測線位于小史各莊至南張岱,解釋夏墊斷裂為走向約N40°E、傾向SE、視傾角約為72°的正斷層,根據(jù)反射時間剖面上夏墊斷裂的特征并結(jié)合槽探和地貌測量結(jié)果,推測夏墊斷裂為全新世活動斷層[11]。

本文在前人物探工作的基礎(chǔ)上,以可控震源激發(fā)方式,針對夏墊斷裂東北段開展多剖面高精度地震反射勘探,查明了斷裂的空間展布形態(tài)及斷裂特征。

1 地質(zhì)構(gòu)造及深地震反射

研究區(qū)位于北京東部華北沉降帶與燕山隆起區(qū)相交會的平原區(qū),為華北裂陷盆地東北端與北西向張家口-蓬萊斷裂帶的復(fù)合、交會部位,新構(gòu)造運動強烈,地震活動與斷裂構(gòu)造關(guān)系比較密切[12]。區(qū)內(nèi)斷裂分布以NE向斷裂為主,部分NW向、EW向斷裂(圖1)。

(1)南口-孫河斷裂;(2)小湯山-東北旺斷裂;(3)黃莊-高麗營斷裂;(4)順義-良鄉(xiāng)斷裂;(5)通縣-南苑斷裂;(6)夏墊斷裂;(7)香河斷裂;(8)寶坻斷裂;(9)段甲嶺-邦均斷裂圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡圖(據(jù)文獻[9])Fig.1 A brief map of the geological structure of the study area

趙金仁等[13]通過寬角反射、折射和深反射結(jié)合揭示夏墊斷裂為一條深淺共存特征明顯的斷裂構(gòu)造帶,上陡下緩呈鏟形狀態(tài),基底結(jié)構(gòu)變化大。劉保金等[14]在北京地區(qū)地殼精細結(jié)構(gòu)的深反射剖面探測完成一條長度100 km,NW向剖面(圖1)。深地震反射剖面解釋成果揭示夏墊斷裂特征清晰,剖面樁號約40 km左右,存在兩條傾向SE的斷裂F5、F6(圖2)。其中,F5傾角較陡,錯斷較深,向下可至上下地殼分界面附近,深約16～18 km,剖面淺部大約500 m(深約420～450 m)切割斷裂F6,并向上延伸至近地表。斷裂F6傾角相對較緩,錯斷凹陷內(nèi)所有地層,大約深7～8 km左右終止于香河斷裂之上。夏墊斷裂上升盤一側(cè)大興通縣凸起上,反射波近水平分布,且地層反射波能量較弱、橫向延續(xù)較短,這表明第四系覆蓋較薄,下伏為基巖地層;在下降盤大廠凹陷盆地內(nèi),剖面反射波能量較強、橫向連續(xù)性較好,沉積厚,且地層向斷裂一側(cè)傾斜。

圖2 夏墊斷裂深反射時間剖面解釋(據(jù)文獻[14])Fig.2 Interpretation of deep reflection timeprofile of Xiadian fault

區(qū)域地質(zhì)、深反射地震成果及鉆孔資料表明[13-16],第四系地層覆蓋厚度受夏墊斷裂正斷傾滑運動的影響,斷裂東西兩側(cè)差異大,大廠第四紀凹陷持續(xù)沉降,堆積了厚約600～700 m的第四紀松散沉積物,大興凸起內(nèi)第四系松散沉積物厚僅300～400 m。第四系等厚線分布表明,第四紀以來大廠凹陷為一西北深、東南淺的掀斜斷陷盆地。

2 淺層地震勘探

2.1 地層發(fā)育特征

研究區(qū)地表地勢平坦,總體趨勢由NW向SE方向緩傾斜(圖1),地表多為第四系覆蓋區(qū),以沖積—湖積地層為主。地表為未膠結(jié)灰黃、黃褐色亞砂土、亞黏土、黏土、砂層,同時下伏基巖埋深較淺,地震波阻抗界面明顯,能形成能量較強的反射波,激發(fā)層位易于追蹤,激發(fā)條件較好。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)和三河市活動斷層探測與地震危險性評價項目-標準鉆孔探測工作,研究區(qū)地層層序分布從上至下:測區(qū)內(nèi)的全新統(tǒng)(Qh)分布于較大河流的沖積平原的頂部和河床中,巖性為灰黑色粉砂質(zhì)黏土;上更新統(tǒng)(QP3)分布于三河及周圍平原上部,與下伏中更新統(tǒng)翟里組整合接觸,標志層為底部的棕紅色黏土沉積;中更新統(tǒng)(QP2)分布于三河及周圍平原區(qū),受區(qū)域斷裂影響厚度差異較大,與下伏上更新統(tǒng)夏墊組整合接觸,為一套河流相沉積地層;下更新統(tǒng)(QP1)分布于三河市及周圍沖洪積平原底部,與下伏元古界為平行不整合接觸關(guān)系,部分地區(qū)整合接觸覆蓋于上新統(tǒng)順義組之上。底部巖性主要為灰色-灰白色粗砂-細砂。

2.2 測線布置

由八百戶向東北方向途經(jīng)雙臼、夏墊北、齊心莊、劉辛莊、北京馬坊鎮(zhèn)一線,布設(shè)淺層地震勘探剖面7條(圖2)。L10測線長2.9 km,位于大廠謝疃村南,沿蔣譚線近東西向布設(shè)。L11測線長2.3 km,位于小石各莊南鄉(xiāng)間路自西向東至大廠檢驗工業(yè)園。L12測線長2.5 km,位于雙臼村南自西向東至牛萬屯村。L13測線長2.2 km,位于東柳河屯南自西向東至齊家屯。L14測線長3.8 km,位于齊心莊附近,南起G102沿齊大路由南和向北至京秦高橋下。L15測線長4.7 km,位于小蔣村鄉(xiāng)間道路自西向東至劉辛莊東北。L16測線長3.5 km,位于褚家莊村北自西向東至曹莊子西北。

圖3 地震勘探測線及夏墊斷裂展布圖Fig.3 Seismic survey lines and distribution of Xiadian fault

2.3 數(shù)據(jù)采集及處理

地震數(shù)據(jù)采集選用法國Sercel公司408 UL遙測地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),震源采用美國莫茲公司產(chǎn)的M18-612型可控震源,檢波器采用3個/串60 Hz的高頻檢波器串采用點組合的方式接收地震波。解決了在城市及強干擾背景下開展淺層高分辨率地震勘查工作的抗干擾及能量不足的問題。

并據(jù)已往工作經(jīng)驗及現(xiàn)場試驗,確定野外勘探采集參數(shù)為:可控震源單邊下傾激發(fā),12 m偏移距,2 m道距,240道接收,12 m炮距,覆蓋次數(shù)24次,0.5 ms采樣,掃描頻率15～180 Hz ,記錄長度2 s。

數(shù)據(jù)處理采用綠山、FOCUS等軟件交互式處理,主要處理模塊包括:預(yù)處理、層析靜校正、干擾波壓制、振幅補償、反褶積、速度分析與動校正、剩余靜校正、疊后衰減隨機噪聲和疊后偏移、時深轉(zhuǎn)換等。

3 地震剖面特征分析

3.1 南西段大廠工業(yè)園區(qū)反射剖面特征及解釋

南西段大廠工業(yè)園區(qū)附近布設(shè)的4條測線,反射時間剖面800 ms(深度約700 m)以淺,劃分6組特征明顯的反射波組(圖4),分別標示為T01、T02、T03、T04、T05、T06,均為第四系及內(nèi)部反射。由剖面可以看出夏墊主斷裂錯斷干脆、明顯,斷裂處反射波組扭曲波動大,解釋斷點5個FP1、FP2、FP3、FP4、FP5(圖4)。結(jié)合夏2孔和夏4孔(圖2)資料[17],把T06反射波解釋為第四系底界,T03、T04、T05為中更新統(tǒng),T02為上更新統(tǒng),T01為全新世。剖面時深轉(zhuǎn)換后,L13剖面T06在下降盤埋深約670 m,上升盤埋深約460 m,垂直落差約310 m,與徐錫偉所解釋的夏墊斷裂兩側(cè)第四紀垂直位移319 m較吻合[2]。剖面揭示第四系底界埋深向南西逐漸變淺,L10剖面上顯示T06埋深400～500 m。

圖4 L10-L13測線反射時間剖面成果圖Fig.4 Seismic reflection time profile of L10-L13

剖面可揭示夏墊主斷裂FP1上斷點位于樁號2 240 m附近,埋深約25 m,斷距10 m左右。FP2上斷點位于樁號1 600 m附近,埋深約27 m,斷距9 m左右。FP4上斷點位于樁號1 426 m附近,埋深約41 m,斷距12 m左右。FP5上斷點位于樁號1 122 m附近,埋深約30 m,斷距10 m左右。各反射剖面解譯斷裂特征詳細見表1。

3.2 中心段齊心莊至劉辛莊反射剖面特征及解釋

中心段齊心莊至劉辛莊布設(shè)的L14和L15測線。反射時間剖面800 ms(深度約710 m)以淺,同樣劃分出相同的6組特征明顯的反射波組(圖5)。剖面上下盤的波組特征差異明顯,上盤反射波組明顯多于下盤,反射波組出現(xiàn)在20～800 ms,且波組層位豐富,層間關(guān)系清晰;下盤反射波組明顯變少、變淺,有效反射波組出現(xiàn)在400 ms以淺。各剖面斷裂處反射波組扭曲波動大,被錯斷干脆、落差大,解釋出斷點5個FP6、FP7、FP8、FP9、FP10(圖5)。其中,L14測線反射時間剖面成果圖中揭示斷點FP6傾向南,較陡立,正斷層性質(zhì),上斷點位于樁號4 192 m附近,并貫穿全部有效波組向上延伸至近地表。結(jié)合以往研究[18]及剖面特征分析,解譯上斷點錯斷至近地表,為全新世活動斷裂。T06在下降盤的埋深約655 m,上升盤的埋深約332 m,垂直落差約323 m,與徐錫偉所解釋的夏墊斷裂兩側(cè)第四紀垂直位移319 m較吻合[2]。反射剖面解譯各斷裂特征詳細見表1。

表1 地震反射剖面斷裂特征一覽表Table 1 A list of fault characteristics in seismic reflection section

圖5 L14-L15測線反射時間剖面成果圖Fig.5 Seismic reflection time profile of L14-L15

3.3 北東段反射剖面特征及解釋

位于北東段布設(shè)的L16測線,反射時間剖面(圖6),可以看出剖面上有效反射波組少,300 ms以淺,劃分4組特征明顯的反射波組,分別標示為T02、T04、T05、T06。剖面約120 ms、220 ms處T04、T05兩組強反射層位,深部能量相對弱、反射波雜亂。反射時間剖面上,波組錯斷清晰,解釋出2個斷點FP11、FP12。結(jié)合ZK8孔和ZK9孔(圖2)資料[17],時深轉(zhuǎn)換后T06在下降盤的埋深約210 m,上升盤的埋深約172 m,垂直落差約38 m,與何付兵所解釋的夏墊斷裂兩側(cè)第四紀垂直落差約34.8 m較吻合[19]。剖面可揭示的斷點FP11位于樁號1 518 m附近,埋深約95 m,斷距20 m左右。FP12位于樁號2 156 m附近,錯斷至近地表。

圖6 L16測線反射時間剖面成果圖Fig.6 Seismic reflection time profile of L16

3.4 綜合分析

研究區(qū)布設(shè)的7條淺層地震勘探測線,反射時間剖面均解釋出夏墊斷裂的可靠斷點。根據(jù)反射時間剖面波組特征和斷裂的特征,在研究區(qū)內(nèi)可將其分為3段:南西段大廠工業(yè)園區(qū)段、中心段齊心莊劉心莊段、北東段曹莊子。根據(jù)反射時間剖面波組特征,結(jié)合鉆孔及以往成果[17-19],各剖面解譯斷裂特征詳細見表1。

斷層FP1、FP2、FP4、FP5、FP10、FP12視傾向東,視傾角約65°～73°,斷層FP6視傾向南,視傾角約65°左右,綜合分析夏墊斷裂為北東走向,剖面顯示各上斷點均錯斷至近地表,據(jù)此進行斷層組合。夏墊主斷裂為走向北東,傾向南東,傾角約69°的正斷層,為全新世活動斷裂。

另由齊心莊向北東方向各反射時間剖面,揭示出夏墊斷裂西北側(cè)出現(xiàn)分支斷裂。斷層FP7視傾向北,視傾角約70°左右,斷層FP8、FP11視傾向西,視傾角分別為62°、69°左右,各剖面解釋斷層均錯斷至近地表。夏墊分支斷裂為走向NE,傾向NW,傾角約66°左右的全新世活動的正斷層。

4 結(jié)論

本文基于前人野外地質(zhì)、物探、鉆探和地震勘探資料的研究成果,在研究區(qū)內(nèi)采用可控震源淺層地震勘探方法,獲得了7條700 m深度范圍內(nèi)的地震剖面,揭示出夏墊斷裂東北段的形態(tài)特征(圖2):淺層地震剖面揭示特征與深地震反射具有上下一致的對應(yīng)關(guān)系,均表現(xiàn)為上陡下緩的鏟形正斷層。夏墊斷裂為大廠凹陷與大興通縣凸起的分界斷裂,是1679年三河—平谷8級地震的地震斷層,為新構(gòu)造運動產(chǎn)物,是該區(qū)地震發(fā)生的重要因素,也是影響本地區(qū)地殼穩(wěn)定的構(gòu)造背景[2,9,13-15]。夏墊斷裂區(qū)內(nèi)南起大廠縣小八百戶向東北方向延伸穿過謝疃、雙臼村、經(jīng)過夏墊鎮(zhèn)西北側(cè)后,進入三河市并由齊心莊鎮(zhèn)榮家堡村西側(cè)穿過、向東北穿過中壇村、褚家窯村南部后,進入北京市馬坊鎮(zhèn)工業(yè)區(qū)馬坊路與S204省道交匯處附近穿過。斷裂走向北東40°左右,傾向南東、傾角69°左右的正斷層,沿斷裂走向(由西南向東北)地層逐漸變淺,上斷點埋深逐漸變淺至近地表,并于齊心莊附近夏墊斷裂出現(xiàn)分杈,位于夏墊斷裂的北段,西側(cè)出現(xiàn)一條走向NE、傾向NW的正斷層。

地震反射時間剖面,反射波組能量強,斷裂錯斷清晰,上斷點大部分反映至近地表,依據(jù)地震反射剖面上夏墊斷裂的特征并結(jié)合槽探和鉆孔[17-19],推測夏墊斷裂東北段為全新世活動斷層。