2018, Vol. 38
盘谷寺-新乡断裂位于太行山东南麓，西起克井盆地以西的山区，向东经盘谷寺、柏山、大高村，直到新乡南的郎公庙，全长约200 km。以柏山、大高村为界，盘谷寺-新乡断裂可分为西、中、东3段。该断裂是一条规模较大、切割较深、对区域构造格局及地层厚度有较强控制作用的区域性大断裂[1-2]，该断裂自古生界以来具有明显的继承性正断层活动特征，断层两侧新生界地层厚度差异达数百m。断裂在大高村附近断层倾向发生反转，大高村以西为南倾的正断层，控制了济源凹陷的北边界，大高村以东为北倾的正断层，是武陟隆起和修武凹陷的分界断裂，大高村以东段和大高村以西段断裂的上断点埋深较浅，均为晚更新世早期活动断裂[1-2]。本次探测在盘谷寺-新乡断裂大高村附近的倾向反转地段跨断层布设3条浅层地震测线，通过采用抗干扰高分辨率地震数据采集及高精度数据处理技术，获得了清晰的地下结构与构造成像，对盘谷寺-新乡断裂倾向反转成因进行探讨，研究结果为盘谷寺-新乡断裂断层特征及其活动性评价提供了可靠的依据。
1 研究区地质构造概况研究区位于太行山南麓与华北平原的过渡地带[2]，属于华北构造区，其结晶基底为太古宙-古元古代变质岩系，之上堆积中、新元古代及古生代沉积盖层[1]，如图 1所示。区内分布有近东西向、北东向和北西向断裂，东西向断裂包括凤凰岭断裂、盘谷寺-新乡断裂和济源-博爱断裂，北东向断裂有马坊泉断裂、九里山断裂，北西向断裂有平陵断裂和武陟断裂。主要控制研究区格局的断裂是凤凰岭断裂和盘谷寺-新乡断裂，凤凰岭断裂中更新世以前活动强烈，而晚更新世以来活动不明显；盘谷寺-新乡断裂早、中更新世活动强烈，且晚更新世以来仍有活动。其他断裂规模和切割深度较小，活动性受盘谷寺-新乡断裂和凤凰岭断裂控制，晚更新世以来活动微弱[1, 3]。
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图 1 浅层反射地震测线位置 Fig. 1 Map showing the location of the shallow reflection seismic line |
研究区地处山前倾斜平原及冲洪积平原区，地形较为平坦，地面起伏不大，浅层10 m内绝大部分是粉质粘土和粉砂，局部为粉砂，为第四系松散沉积物。根据区域钻孔资料，区内地层由老到新主要为太古界(Ar)、元古界震旦系(Z)、下古生界寒武系(Є)、下古生界奥陶系马家沟组、上古生界石炭系本溪组与太原组、上古生界二叠系(P)下统山西组与下石盒子组、上古生界二叠系上统上石盒子组与石千峰组、新近系以及第四系。研究区新生代以来，广泛缺失古近系及新近系中新统地层，新近系上新统潞王坟组地层与下伏古生界地层呈角度不整合接触。第四系缺失下更新统地层，出露中更新统开封组、上更新统太康组和全新统濮阳组地层[3]。
综合分析研究区地层与构造活动特征，并结合前人研究成果可知，研究区古近纪初古新世阶段遭受剥蚀，从始新世开始，该区发育一系列北东东向-近东西向正断层。受这些正断层断陷活动的影响，在太行山南缘济源-武陟一带形成一近东西向沉积凹陷，沉积了厚达6 000 m的古近纪沉积，其北侧呈阶梯状隆升。古近纪末，断陷活动减弱，该区发生剥蚀。新近纪该区再次断陷，但断陷活动较弱，南侧坳陷沉积仅数百m厚，到上新世晚期至第四纪初期，断块隆升趋于停止，之后再次加快，形成现今的构造特征[4]。
2 浅层地震剖面位置与方法技术盘谷寺-新乡断裂倾向反转点位于大高村附近，为查明倾向反转成因，在盘谷寺-新乡断裂倾向反转地段跨断层布设3条浅层地震测线，见图 1。
考虑到沿公路铺设地震测线会受到道路上车辆、行人等强烈干扰，本项探测采用可控震源与爆破震源相结合的方法。为了获得能反映浅部地下结构和构造的高分辨率地震反射剖面，在观测系统参数设计时，充分考虑对近地表结构和构造的成像需要。依据现场实验结果，数据采集时采用单边激发、多次覆盖的观测系统。道间距为3~4 m，180~200道接收，最小偏移距为0~30 m，采样间隔为0.5 ms，记录长度为2 048 ms。
浅层地震勘探需要对近地表地质结构和构造进行高分辨率成像，其在数据处理方法上有别于石油与煤田地震勘探反射数据处理方法[5]。在地震资料的去噪处理和近地表速度求取方面，需要重视近偏移距地震道的近地表反射信息提取和速度拾取[6]，同时折射静校正和地标一致性剩余静校正处理的要求都要高于石油与煤田地震勘探反射地震[7]。采用带通滤波、二维倾角滤波及扇形FK滤波相结合的方法从强干扰噪声中提取有效反射波；在近地表速度求取时，结合区域地层特性及近偏移距地震道数据；在静校正时采用折射静校正与多次一致性剩余静校正相结合的方法，使由地形或低速带所引起的初至波不规则变化经过校正之后趋于一致，使近地表反射同相轴连续、清晰，有利于分析解释。
3 浅层地震剖面特征 3.1 L1测线剖面反射波组特征L1测线位于焦作市中原路，南起长济高速入口处，向北沿中原路布设，止于中原路与人民路的丁字路口，测线全长8.07 km。
图 2为L1测线的浅层地震反射时间剖面。可以看出，测线经过地段的地层界面反射波非常丰富，剖面北侧反射波组有较大的起伏变化，位于剖面桩号5 500 m左右的钻孔ZK1揭示该处新近系底界埋深578 m，其下为断层带；位于剖面桩号5 800 m左右的钻孔ZK2显示该处新近系底界埋深约232 m，新近系底界落差高达346 m；位于剖面桩号7 350 m左右的钻孔ZK3显示新近系底界埋深为188 m。根据剖面特征及钻孔数据T01、T02为第四系内部的地层反射，TQ、TN则是来自第四系和新近系底界的反射波，TP2、TP1、TC3为二叠系上石盒子组、二叠系山西组、石炭系太原组底界的反射。
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图 2 L1浅层反射地震测线时间剖面 Fig. 2 Stacked time section of the shallow seismic reflection in L1 profile |
综合地震反射时间剖面与钻孔数据分析，在测线桩号1 740 m、5 714 m附近解释了两条南倾的正断层Fp1-1、Fp1-2。根据本区地质资料，把断裂Fp1-1解释为武陟断裂，该断裂向上错断了第四系内部T01地层，其上断点埋深为70~75 m，断距为4~6 m。把断裂Fp1-2解释为盘谷寺-新乡断裂大高村以西段，该断裂向上错断了第四系内部T01地层，其上断点埋深为46~55 m，断距为7~12 m，随着深度的增加，其断距逐渐增大，新近系底界TN界面断距达346 m。
断裂Fp1-2附近的钻孔联合地质剖面JZ1(图 1)揭示本区第四系全新统Qh底界平均深度为2.95 m，更新统上部Qp3底界平均深度为47.73 m，更新统中部Qp2底界平均深度为99.51 m，未见底。根据岩性、年代学数据、标志层的分析表明，Qh和Qp3层段中上部没有发现断错迹象，Qp3下部及其之下的地层出现明显的地层标志层和地层界线错位特征，主断点埋深为46 m，与地震剖面解释的上断点埋深46~55 m解释一致，确定该断层最新活动时代为晚更新世早期。
3.2 L2测线剖面反射波组特征L2测线方向近南北，南端起自武陟县西北的南睢村西的公路上，北端止于周庄乡西北的人民路，沿公路布设，全长10.164 km。
图 3为L2测线的浅层地震反射时间剖面。可以看出，测线经过地段的地层界面反射波非常丰富，且反射波组有较大起伏变化，位于剖面桩号4 900 m左右的钻孔ZK4揭示该处新近系底界埋深464 m，下伏三叠系地层T；位于剖面桩号5 400 m左右的钻孔ZK5显示该处新近系底界埋深207 m，二叠系上石盒子组P2地层底界埋深483 m，下伏断层带及寒武系地层Є；位于剖面桩号7 100 m左右的钻孔ZK6显示该处新近系底界埋深469.5 m，下伏二叠系上石盒子组P2地层；位于剖面桩号9 000 m左右的钻孔ZK7显示该处新近系底界埋深298 m，下伏二叠系上石盒子组P2地层。
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图 3 L2浅层反射地震测线时间剖面 Fig. 3 Stacked time section of the shallow seismic reflection in L2 profile |
综合地震反射时间剖面与钻孔数据分析，在测线桩号1 586 m、5 284 m及6 750 m附近解释了南倾的正断层Fp2-1、Fp2-2及北倾的正断层Fp2-3。根据本区地质资料，把断裂Fp2-1解释为武陟断裂，该断裂向上错断了第四系内部T01地层，其上断点埋深为70~80 m，断距为5~7 m。把断裂Fp2-2解释为平陵断裂，该断裂向上错断了第四系内部地层T02，其上断点埋深为90~95 m，断距为5~7 m，随着深度的增加，其断距逐渐增大，新近系底界断距近260 m。根据本区地质资料，把断裂Fp2-3解释为盘谷寺-新乡断裂大高村以东段，该断裂向上错断了第四系内部地层TQ，其上断点埋深为100~110 m，断距为4~6 m，随着深度的增加，其断距逐渐增大，新近系底界断距达262 m。
3.3 L3测线剖面反射波组特征L3测线沿武陟县到修武县的主干道布设，全长11.457 km。
图 4为L3测线的浅层地震反射时间剖面。可以看出，测线经过地段的地层界面反射波非常丰富，且反射波组有较大起伏变化，位于剖面桩号0 m左右的钻孔ZK8揭示该处新近系底界埋深774 m，下伏二叠系地层P；位于剖面桩号5 750 m左右的钻孔ZK9显示该处新近系底界埋深267 m，下伏太古界地层Ar。
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图 4 L3浅层反射地震测线时间剖面 Fig. 4 Stacked time section of the shallow seismic reflection in L3 profile |
综合地震反射时间剖面与钻孔数据分析，在测线桩号1 300 m、8 635 m附近解释了南倾的正断层Fp3-1及北倾的正断层Fp3-2。根据本区地质资料，把断裂Fp3-1解释为武陟断裂，该断裂向上错断了第四系内部地层T01，其上断点埋深为72~77 m，断距为5~7 m。根据本区地质资料，把断裂Fp3-2解释为盘谷寺-新乡断裂大高村以东段，该断裂向上错断了第四系内部地层T02，其上断点埋深为90~100 m，断距为8~10 m，随着深度的增加，其断距逐渐增大。
4 盘谷寺-新乡断裂构造特征与反转成因探讨根据各测线剖面反射波组特征，可以清楚地看到盘谷寺-新乡断裂在倾向反转地段在地震剖面上的反映，盘谷寺-新乡断裂大高村以西段在剖面上表现为L1测线上的FP1-2，显示该断裂为南倾的正断层，向上错断Qp3底界，最新活动时代为晚更新世早期，断层南侧新近系底界埋深较深，新近系及第四系地层近水平展布，断层北侧新近系底界埋深较浅，新近系地层与二叠系上石盒子组呈不整合接触，新近系底界TN界面断距达346 m。在L2测线上，该断层没有明显迹象，说明该断层在L1测线与L2测线之间停止发育。
盘谷寺-新乡断裂大高村以东段在剖面上表现为L2测线上的FP2-3及L3测线上的FP3-2，显示该断层为北倾的正断层，断层南侧地层呈现隆起形态，新近系底界埋深较浅，断层北侧新近系底界埋深较深。在L1测线上无该断层明显迹象，L2测线到L3测线该断层由向上错断第四系地层TQ向东变为第四系内部地层T02，上断点埋深从100~110 m往东变为90~100 m，断距从4~6 m往东变为8~10 m，说明该断层自L1测线与L2测线之间开始发育，且自西向东断距逐渐增大，活动性逐渐增强。
另外，武陟断裂在剖面表现为L1测线上的FP1-1、L2测线上的FP2-1及L3测线上的FP3-1，显示该断层为南倾的正断层，断层南侧新近系底界埋深较深，断层北侧新近系底界埋深较浅，地层近水平展布。各测线上该断层均错断第四系内部地层T01，说明该断层在L1测线西侧已经开始发育，为第四纪断裂。平陵断裂在剖面上表现为L2测线上的FP2-2，显示该断裂为南倾的正断层，断层南侧新近系底界埋深较深，断层北侧地层呈现隆起形态。在L1及L3测线上该断层无明显迹象，L2测线上该断层向上均错断第四系内部地层T02地层，上断点埋深90~95 m，说明该断层为局部发育的小断层。
综合分析各测线剖面及该区地质图可以看出，盘谷寺-新乡断裂大高村以西段及武陟断裂一线南侧，新近系底界埋深较深，最深达5 500 m，该线北侧新近系底界埋深较浅，沉积厚度相对稳定，该线南侧对应济源凹陷，盘谷寺-新乡断裂大高村以西段及武陟断裂为济源凹陷的边界断裂。盘谷寺-新乡断裂大高村以东段北侧新近系底界埋深相对较深，盘谷寺-新乡断裂大高村以东段与武陟断裂之间地层呈隆起状态，新近系底界埋深较浅，沉积厚度相对稳定，盘谷寺-新乡断裂大高村以东段北侧对应修武凹陷，盘谷寺-新乡断裂大高村以东段与武陟断裂之间对应武陟隆起，盘谷寺-新乡断裂大高村以东段为修武凹陷与武陟隆起的边界断裂。
L1与L2测线均显示盘谷寺-新乡断裂北侧普遍缺失三叠系地层，新近系地层与二叠系上石盒子组地层呈现角度不整合接触，且两测线均表现出断层北侧自南向北二叠系上石盒子组地层沉积逐渐增厚趋势；L2测线钻孔ZK5显示二叠系上石盒子组P2地层下伏断层带及寒武系地层Є，L3测线钻孔及该区地质图显示新近系地层下伏为太古界地层。综合分析说明该处存在隐伏隆起，该隐伏隆起为近东西向构造带，L1测线盘谷寺-新乡断裂北侧自南向北二叠系上石盒子组地层沉积逐渐增厚，说明该隐伏隆起开始有发育迹象；L2测线剖面及钻孔数据显示自西向东该隐伏隆起规模逐渐增大；L3测线处剖面显示该隐伏隆起规模最大，且该隐伏隆起与其他区域构造同期在中生代末期到新生代初期开始处于隆起夷平状态，使得三叠系地层及二叠系上石盒子组部分地层被剥蚀。新近纪以来，该区整体处于沉降状态，在原有地层基础上开始沉积新近系地层，导致该区新近系地层与二叠系上石盒子组地层呈角度不整合接触。
综合分析推测，由于武陟隆起北侧边缘隐伏隆起自西向东规模逐渐增大，使得盘谷寺-新乡断裂大高村以西段在L1测线与L2测线之间停止发育，同时武陟断裂演变为济源凹陷的边界断裂，该隆起的继续发育使得隐伏隆起边缘开始发育盘谷寺-新乡断裂大高村以东段及平陵断裂，随着该隐伏隆起规模的增大，盘谷寺-新乡断裂大高村以东段自西向东活动性逐渐增强。据此推测该隐伏隆起是引起该区盘谷寺-新乡断裂倾向反转的主要成因。
5 结语根据各测线剖面及盘谷寺-新乡断裂在倾向反转地段的断裂特征可知，盘谷寺-新乡断裂大高村以西段为南倾的正断层，最新活动时代为晚更新世早期，该断层在L1测线与L2测线之间停止发育。而盘谷寺-新乡断裂大高村以东段为北倾的正断层，该断层自L1测线与L2测线之间开始发育，且自西向东断距逐渐增大，活动性逐渐增强。同时在L1测线与L2测线之间发育平陵断裂，该断裂为南倾的正断层，且为局部发育的小断层。
盘谷寺-新乡断裂大高村以西段及武陟断裂一线南侧，新近系底界埋深较深，对应济源凹陷，该线的北侧新近系底界埋深较浅，沉积厚度相对稳定，盘谷寺-新乡断裂大高村以西段及武陟断裂为济源凹陷的边界断裂。盘谷寺-新乡断裂大高村以东段北侧新近系底界埋深相对较深，为修武凹陷，盘谷寺-新乡断裂大高村以东段与武陟断裂之间地层呈隆起状态，新近系底界埋深较浅，沉积厚度相对稳定，为武陟隆起，盘谷寺-新乡断裂大高村以东段为修武凹陷与武陟隆起的边界断裂。
综合分析推测，由于武陟隆起北侧边缘隐伏隆起自西向东规模逐渐增大，使得盘谷寺-新乡断裂大高村以西段在L1测线与L2测线之间停止发育，同时武陟断裂演变为济源凹陷的边界断裂，该隆起的继续发育使得隐伏隆起边缘开始发育盘谷寺-新乡断裂大高村以东段及平陵断裂，随着该隐伏隆起规模的增大，盘谷寺-新乡断裂大高村以东段自西向东活动性逐渐增强。据此推测该隐伏隆起是引起该区盘谷寺-新乡断裂倾向反转的主要成因，有资料显示大高村为盘谷寺-新乡断裂的枢纽点，盘谷寺-新乡断裂大高村以东段又称为董村断裂[8]，据本文中资料显示，盘谷寺-新乡断裂在大高村附近大高村以西段消失后，重新发育了大高村以东段，因此可以认为盘谷寺-新乡断裂大高村以西段和大高村以东段确实为两个断裂。
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