太行山构造带位于渤海湾盆地与山西隆起区之间，是我国华北地区重要的地质地貌构造单元，对华北现今盆-山构造格局的形成具有重要意义^[1]。太行山南端及其邻区发育大面积的第四系松散覆盖层，区域内有多条第四纪以来的隐伏活动断裂，如盘谷寺-新乡断裂、新乡-商丘断裂、薄壁断裂、汤西断裂、汤东断裂等，这些断裂带对该区域的构造发育和沉积活动具有重要的控制作用。太行山南端及其邻区的地质与地球物理研究工作^[2-6]为理解该区域复杂的地质构造特征、深部构造背景、深浅构造关系和断裂活动性等提供了重要的基础资料。

人工源地震勘探方法是探测研究地下精细结构和构造的有效手段。目前，在地壳、上地幔结构分层和获取高精度的地壳、上地幔速度结构方面，地学界普遍采用的是深地震宽角反射/折射方法，而在探测研究地壳深部精细结构和断裂构造成像方面，普遍采用深地震反射剖面技术^[7-11]。地震折射波方法是获取地下速度结构的有效方法，而反射波勘探对地下构造成像具有高分辨能力。因此，综合利用2种方法可得到反映地下结构和构造的不同信息，从而从不同的侧面分析研究地下结构和构造的变化情况。

本文利用中国地震局地球物理勘探中心2015年在太行山南端完成的深地震反射资料的初至折射波数据，采用层析成像方法得到太行山南端的浅层P波速度结构和基底面展布形态；通过开展高精度的浅层地震反射剖面探测对研究区域内的2条第四纪隐伏活动断裂进行高分辨率成像。研究结果不但为进一步理解太行山南端基底结构、活动构造和隐伏断裂特征提供了地震学依据，而且对该区域的城市防震减灾工作也有重要意义。

1 地质构造概况和地震剖面位置

研究区位于太行山脉与华北平原的过渡地带，西北部为太行山隆起区，东南为华北平原区(图 1)。太行山南端在新生代以前基本未受到强烈构造活动的影响，一直保持克拉通构造环境^[1]。到古近纪，以NW-SE向拉张为主的新生代裂陷作用使华北准平原地壳强烈拉伸断陷，并开始产生构造分异。太行山山前断裂带的新构造活动剧烈，断裂带西侧的太行山地区新生代以来整体相对隆升，与华北平原逐渐分离，形成今天的断块隆起山脉，东侧的平原区被一系列NNE-NEE向断陷主断裂及其控制的条带状断陷盆地分割解体，形成复式盆-岭构造系统，断陷盆地的基底面被埋藏于1 000~6 000 m厚的古近系之下^[3]。新近纪以来，华北凹陷区整体性沉降，在内黄隆起、鲁西斜坡带开始接受湖相堆积，但凹陷和凸起之间的差异性沉降仍然明显，并且一直持续到晚更新世。研究区内地层从太古界到新生界均有出露，西北部太行山区地表出露地层主要为太古界、元古界震旦系、古生界寒武系、奥陶系、石炭系和二叠系，局部为中生界，东部和南部平原区则大部分被新生代第四系所覆盖。

为了获得太行山南端基底以上的P波速度结构，使用该区深地震反射剖面80 km长的初至波走时数据。深地震反射剖面的西北端起点位于辉县市薄壁镇陈海村东，向东跨过汤阴地堑、内黄隆起(图 1中的DSRP)。采用道间距40 m、炮间距280 m、800道接收的观测系统采集该剖面数据，在80 km的剖面段上共采集275炮高质量的原始地震记录。

考虑到仅根据速度结构剖面难以确定断裂的准确位置、断层上断点埋深等特征，本研究还跨汤西断裂和汤东断裂完成了2条高分辨率浅层地震反射剖面(图 1中SSRP-1和SSRP-2)。2条浅层地震测线均沿公路布设，为了压制道路上来往车辆、行人以及道路沿线厂矿、居民点等的干扰，采用美国生产的M1615-18型可控震源激发地震波，并采用每道4个60 Hz检波器接收地震波信息，数据采集使用具有实时相关处理功能的德国SUMMIT数字地震仪，采样间隔0.5 ms，记录长度2.0 s。2条测线的数据采集参数见表 1。

2 资料处理 2.1 初至波层析成像

初至波层析成像技术能够较好地反映近地表的实际地质情况，且理论上不受复杂地表因素的影响，不依赖于折射分层，即使波速在横、纵向上明显变化甚至存在高速夹层，依然能够反演出较为可靠的近地表速度模型。为此，利用针对复杂探区地震勘探而研制的近地表建模和校正系统Tomodel，对DSRP线的近地表速度结构进行层析成像。该软件采用基于波动方程的快速步进波前追踪技术，可以实现小网格建模，使反演结果具有较高的精度。同时，采用非线性的反演算法，全局搜索最优解，使得反演结果不依赖于初始速度模型，保证了在复杂近地表地区反演结果的稳定性。初至波到时是地震层析成像的基础数据，其质量好坏直接影响层析结果。初至波到时拾取采用计算机智能拾取与人工交互修改的方法，确保其精度和准确性。在建立初始模型时，采用20 m×10 m的矩形网格对地下介质进行划分，使得在深度方向得到更高的分辨率，又不增加太多的计算量。反演计算迭代12次后，理论走时与实际走时基本吻合，走时均方差基本趋于稳定，且不再继续下降，此时反演得到的速度模型为最终结果(图 2)。

2.2 浅层地震资料处理

浅层地震剖面采用共中心点多次覆盖反射探测方法。由于浅层地震测线沿公路布设，道路上的各种车辆以及周边地区的干扰因素较多，因此，采集的地震记录上包含有较强的干扰波。

采用Focus地震反射处理系统软件处理浅层地震资料。针对测区所获得的原始地震记录情况，数据处理中采用时变带通滤波、二维倾角滤波、扇形FK滤波相结合的方法压制干扰，提高资料的信噪比；采用折射静校正和剩余静校正相结合的方法消除复杂近地表因素对地震记录的影响，增强有效反射波的同向性；采用反褶积、谱白化和随机噪声衰减等技术提高叠加剖面的信噪比和分辨率；采用倾角时差校正(DMO)和偏移归位技术对倾斜界面和断裂构造进行成像，改善叠加剖面质量，提高资料分辨率。

3 基底速度结构和构造特征

图 3为沿DSRP线的初至波射线路径和利用初至波层析反演得到的太行山南端的近地表速度结构图像。地震波射线密度的分布情况可用来判断速度结构在不同区域的可靠性。由图 3(a)的射线路径图可以看出，除了在测线端点以及模型深部地震射线穿过次数较少外，剖面上穿过面元的射线密度大多分布在80~160条之间，局部地段可达200条以上。总体而言，在所采用数据的观测系统下，初至波射线密度较高，均匀程度较好，能够对剖面基底结构实现有效覆盖，从而保证反演结果的可靠性。

速度结构剖面(图 3(b))较好地反映了太行山南端浅层P波速度的纵横向变化。图中白色虚线为射线穿透有效深度的底界面，虚线上部为反演结果的可靠区域，界面以下区域的速度由其他节点外推而来，仅供参考。可以看出，P波速度在纵向上总体呈现出由浅至深逐渐增加的趋势。在剖面浅部，绝大多数地段的地震波速小于2 500 m/s，且速度变化相对平稳；随着深度的增加，P波速度逐渐增大，在基底附近，P波速度达到5 000 m/s以上。剖面桩号25~45 km之间为汤阴地堑。可以看到，汤阴地堑的P波速度呈现出明显的低速结构特征，这显然与地堑内赋存的巨厚新生代沉积层密切相关，在汤阴地堑两侧的隆起上，浅层P波速度明显较高，表明相应部位的新生代沉积层厚度比汤阴地堑要薄。剖面经过区段的基底面形态自西向东倾伏，在汤阴地堑内基底面明显变深。汤阴地堑以西，沉积层相对较薄，基底面形态凹隆相间，基底埋深在1.0~1.5 km之间变化；汤阴地堑内，基底被断裂切割呈阶梯状展布，地堑内基底最大埋深约5.0 km；在汤阴地堑以东的内黄隆起上，基底面表现为向东缓倾的斜坡带。

根据图 3中浅层P波速度的纵、横向变化特征，在速度结构剖面上可识别出3条较为明显的隐伏断裂，即汤西断裂F₃、汤中断裂F₄、汤东断裂F₅。这3条断裂附近可看到基底面深度和浅层P波速度均出现突变，显示出断裂对新生代沉积和基底深度的控制作用。从速度结构剖面反映的3条断裂特征分析，汤西断裂F₃和汤东断裂F₅作为汤阴地堑的边界控制断裂，其规模相对较大，且可能具有明显的第四纪活动。为获得这2条断裂的准确位置以及断裂向近地表的延伸情况，跨汤东断裂和汤西断裂完成2条高分辨率的浅层地震反射剖面。

4 浅层地震反射剖面与结果 4.1 跨汤西断裂的浅层地震反射剖面SSRP-1

汤西断裂位于太行山山前，是汤阴地堑的西边界断裂。图 4给出了跨汤西断裂F₃获得的浅层地震反射叠加时间剖面。该剖面在500 ms以上有多组反射能量较强的地层反射，主要以近水平的层状反射为主，在断裂附近地层界面反射出现中断，反射波能量变弱。汤西断裂F₃在浅层地震剖面上为向东倾的正断层，断层东、西侧的Q+N地层厚度存在明显差异。在浅层地震剖面桩号1 050 m附近，可看到汤西断裂错断了第四系覆盖层的底界反射T_Q和新近纪的底界反射T_N。在浅层地震剖面上，可看到汤西断裂已延伸至第四系内部，从剖面上可分辨的断层上断点埋深约55~60 m。为了研究汤西断裂的活动性，在新乡市活动断层探测项目中，中国地震局地球物理勘探中心在该断裂上进行了钻孔地质剖面探测和探槽开挖。结果显示，汤西断裂为中更新世活动断裂。

4.2 跨汤东断裂的浅层地震反射剖面SSRP-2

横跨汤阴地堑东边界断裂F₅的浅层地震反射剖面(图 5)揭示的断裂特征和地层界面形态非常清楚。由图 5可以看出，该剖面揭示了多组反射能量较强、横向连续性较好的地层反射，在测线桩号2 620 m附近可看到反射波同相轴突然出现中断，且断裂两侧的第四系地层厚度也存在明显差异，表明断裂对第四系地层厚度存在控制作用。汤东断裂在浅层地震剖面上为西倾的正断层，切割了剖面上所有的地层界面反射，其断距由浅至深逐渐增大，表明汤东断裂具有继承性的生长断层特征，在浅层地震剖面上可分辨的断层上断点埋深约为40 m左右。中国地震局地球物理勘探中心跨汤东断裂完成的钻孔联合地质剖面结果显示，汤东断裂为晚更新世活动断裂。

5 结语

本文利用深地震反射资料上的初至折射波信息反演得到基底速度结构，较好地揭露了太行山南端地下介质速度的纵横向变化和基底展布形态。研究表明，太行山南端的浅层P波速度呈现出纵向分层、横向分块的特征，且各层有着不同的速度梯度结构。沿剖面地震波速度和基底面展布形态总体显示出高低速分布和凹隆相间的分布特征，汤阴地堑显示为明显的低速结构，是剖面上基底埋深最深的区域，其基底面形态呈阶梯状自西向东展布，基底被断裂切割，断裂附近的地层显得有些破碎，剖面上基底埋深最深的地方靠近汤东断裂，约为5.0 km。汤阴地堑的东、西两侧为基底隆起区，隆起上的浅层P波速度明显变高，基底面出现上隆，沉积盖层厚度明显变薄，沉积盖层最薄的地方靠近汤西断裂的下盘，相应的基底埋深约为1.0 km。

汤东断裂和汤西断裂是汤阴地堑的东、西边界断裂，在获得的P波速度结构剖面上，这2条断裂均表现为断裂两侧基底深度突变和P波速度明显变化，表明汤东断裂和汤西断裂对汤阴地堑的新生代沉积具有重要的控制作用。在利用高分辨率地震反射方法得到的浅层反射波叠加时间剖面上，这2条断裂均错断了第四系覆盖层的底界和其下部的新近纪地层，但2条断裂的近地表特征和活动时代明显不同。综合本次探测结果和该区已有的研究结果认为，汤西断裂在近地表错断了第四系底界反射和中更新世地层，为中更新世活动断层；汤东断裂是汤阴地堑的主边界控制断裂，具有继承性的生长断层特征，该断裂不但对断裂两侧的新生代地层沉积具有重要的控制作用，而且还具有明显的第四纪活动，应在该区域城市规划和防震减灾工作中予以重点关注。