2020, Vol. 40
活动断层是产生破坏性地震的主要原因，发生地震时沿断层两侧的破坏也最为严重[1-3]，因此准确查明地下活动断层的位置、活动性及分布状况对预防和减轻地震灾害具有重要意义。高分辨率浅层地震探测技术是目前探测隐伏断层的主要方法，该方法采用“小道距、小炮间距、高覆盖次数”采集技术和高精度数据处理手段，既能很好地压制干扰波，提高地震资料的信噪比，又能获得直观反映地下构造形态的高分辨率地震剖面，有助于判断断层的位置与形态[3-4]。
太行山东南缘为华北地区一级构造单元的交接带，新生代以来在区域构造应力场作用下发育一系列隐伏断裂，这些断裂对区域构造的发育和沉积活动具有控制作用。汤阴地堑位于太行山与华北平原过渡带，南北延伸约100 km，东西宽20~25 km，新生代构造活动以强烈下沉为主，地堑被巨厚的新生界地层覆盖[5-6]，国内学者通过野外调查、地震反射勘探、布格重力异常小波多尺度分析等方法对汤阴地堑的构造特征进行了大量研究[5, 7-9]。汤西断裂为汤阴地堑西边界，走向NNE，倾向NEE，南起新乡市西侧，向北延伸经青羊口至汤阴宜沟附近，全长约70 km[10]。汤西断裂新近纪活动强烈，断裂西侧出露太古宇至古生界地层，钻孔资料揭示断层两侧新近系底板落差可达1 000 m。野外调查发现，中更新统上部或上更新统下部地层与新近系鹤壁组砾岩呈断层接触，断面上具有右旋滑动擦痕[10-11]，表明该断裂第四纪仍有多期活动。
资料表明，汤西断裂第四纪以来具有明显的活动特征，为追踪汤西断裂具体位置，揭示其近地表特征，本文通过对汤西断裂南段开展高分辨率浅层地震探测，分析其浅部构造特征。
1 高分辨率浅层地震测线布设与地震数据采集高分辨率浅层地震测线多沿公路布设，为使探测结果能准确反映断裂的构造特征，布设测线时尽量选取与断层垂直的公路。为研究汤西断裂浅部构造特征，参考已有地质资料，在新乡市西北跨断裂布设2条高分辨率浅层地震测线(图 1)。其中，L1测线受公路限制分为L1-1和L1-2两段，L1-1测线沿新乡县合河乡与大召营镇两地间的胡韦线布设，走向近NS，南起新乡县大召营镇北，北止于新乡县合河乡至新乡市公路上，全长4.55 km；L1-2测线位于新乡县西北合河乡北侧，走向近NS，南起合河乡东北桃园村南，北止于共产主义渠北约700 m处，全长3.0 km。L2测线位于新乡市北部环宇大道上，走向近NS，南起共产主义渠北，北止于辉县市孟庄镇范屯村，全长6.73 km。
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图 1 研究区浅层地震剖面位置及解释断点连线 Fig. 1 Location of shallow seismic profile and breakpoints connection in study area |
地震数据采集是地震勘探工作的关键环节之一，而地震仪器设备的性能影响着地震数据的采集质量[3-4]。本文浅层地震勘探采用SN388遥测数字地震仪，该仪器具有采样率高、记录频带宽、动态范围大等优点，可有效解决在城市内开展高分辨率浅层地震勘探工作的抗干扰问题。地震波激发采用具有激发能量强、重复性好和抗干扰能力强等优点的可控震源。为得到高分辨率地震数据，根据现场实验采用可控震源线性扫描，激发频率为20~180 Hz，扫描时间为12 s，仪器记录长度为2 s，采样率为1 ms。考虑到不同测线的地质条件和工作环境存在差异，根据现场实验采用2 m/3 m/4 m道间距、200道/180道接收道数的观测系统，表 1为各测线的观测系统参数。为尽可能获得频带宽、主频高的地震信号，数据采集时采用既可压制低频干扰又可拓宽记录高频上限的高频地震检波器，参考以往城市活动断层探测的经验，本文浅层地震探测采用4个固有频率为60 Hz的高频检波器组合接收信号。
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表 1 浅层地震测线观测系统参数 Tab. 1 Observation system parameters of shallow seismic line |
图 2和3分别为L1-1和L1-2测线的反射波叠加时间剖面。从图 2可以看出，L1-1测线地震剖面的反射震相丰富，反射能量较强，整条剖面上反射同相轴能量横向差异较小。根据剖面纵向和横向的波组特征，从上到下可识别出6组反射震相(T01~T02、TQ和T1~T3)，其中TQ为第四系底界面，T01~T02为第四系内部地层界面，T1~T3为新近系内部地层界面。该测线上部地层(T01~T1)基本呈水平展布，下部地层(T1~T3)呈现出明显北高南低的倾斜形态。从各反射波同相轴的横向连续性来看，测线桩号4 290 m附近TQ及下部各反射波同相轴存在明显的错断现象，据此解释为1个视倾向S的断点Fp1。断点Fp1视倾角较陡，为正断层，上断点埋藏较浅，向上错断第四系底界面TQ，未错断第四系内部地层界面T02。
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图 2 L1-1测线地震反射波叠加时间剖面及解释 Fig. 2 Seismic reflection wave time-stacked-section and interpretation of line L1-1 |
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图 3 L1-2测线地震反射波叠加时间剖面及解释 Fig. 3 Seismic reflection wave time-stacked-section and interpretation of line L1-2 |
从图 3可以看出，L1-2测线地震剖面的分辨率相对较低，可能与排列道间距较大等因素有关。剖面的反射震相较丰富，横向差异较大，其南段(0~1 500 m)双程旅行时350 ms以上的反射界面能量较强，反射同相轴连续性较好；双程旅行时350 ms以下的反射界面能量明显变弱，同相轴连续性变差。剖面北段(1 500~3 000m)双程旅行时1 000 ms以上的反射震相较丰富，反射能量较强，存在多组可连续追踪的反射同相轴。根据剖面纵向和横向的波组特征，同时考虑L1-1测线地震剖面反射震相的连续性，从上到下识别出6组反射震相(T01~T02、TQ和T1~T3)。从各反射波同相轴的横向连续性来看，测线桩号1 286 m和1 745 m处反射波同相轴存在错断和扭曲现象，据此解释Fp2和Fp3两个断点。断点Fp2视倾向N、视倾角较缓，断点Fp3视倾向S、视倾角较陡，二者相向而倾，均为正断层。断点Fp2埋藏较深，断距相对较小，向上错断新近系内部地层界面T2；断点Fp3埋藏相对较浅，断距相对较大，向上错断新近系内部地层界面T1，2个断点均未错断第四系底界面TQ。
2.2 L2测线浅层地震剖面考虑到L1-2测线反射波叠加时间剖面的分辨率较低，为提高探测精度和地震剖面的成像效果，L2测线采用2 m道间距、200道接收道数的观测系统。图 4为L2测线的反射波叠加时间剖面，该剖面分辨率和成像效果明显改善。从图中可以看出，该剖面整体呈北高南低的倾斜形态，双程旅行时800 ms以上的反射震相较丰富，反射能量较强，表现出典型的第四纪和新近纪地层特征；双程旅行时800 ms以下的反射层能量较弱，无明显连续反射，表现出典型的较老地层特征，推测反射波同相轴T4应为新近系底界面反射。根据剖面纵向和横向的波组特征，并结合L1测线2段剖面的反射震相特征，从上到下识别出7组反射震相(T01~T02、TQ和T1~T4)。
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图 4 L2测线地震反射波叠加时间剖面及解释 Fig. 4 Seismic reflection wave time-stacked-section and interpretation of line L2 |
从各反射波同相轴的横向连续性来看，在测线桩号2 969 m、3 915 m、5 095 m和5 691 m处反射波同相轴均存在明显的错断和波形畸变现象，据此解释为Fp4~Fp7四个断点。断点Fp4视倾向S、视倾角较陡，为正断层，该断点向上错断第四系底界面TQ，但未错断第四系内部地层界面T02。断点Fp5视倾向N、视倾角较缓，断点Fp6和Fp7视倾向S、视倾角较陡，这3个断点均为正断层。从L2测线地震剖面可以看出，断点Fp6在双程旅行时约900 ms处归并到Fp5上，断点Fp5在双程旅行时约1 100 ms处又归并到Fp7上，共同组成“花”状构造。从这3个断点上部各反射同相轴的横向连续性来看，断点Fp5与Fp6向上错断新近系内部地层界面T1，断点Fp7向上错断第四系底界面TQ。
2.3 汤西断裂浅部构造特征综合分析图 2和3中L1测线南北2段剖面可知，L1与L2测线地震剖面的特征基本一致，各地层界面均表现为北高南低的倾斜形态。2个剖面的解释断点特征也非常相似：L1-1测线中断点Fp1与L2测线中断点Fp4均表现为上陡下缓、视倾向S的铲式正断层，断点下降盘第四系以下各地层向S倾斜，表明汤阴地堑内新近系明显增厚，2个断点均错断第四系底界面TQ、未错断第四系内部地层界面T02，推测2个断点应为同一断层在剖面上的反映；L1-2测线中断点Fp3与L2测线中断点Fp7均表现为上陡下缓、视倾向S的铲式正断层，且断点下降盘均与反向次级断层形成小型沉积洼陷，推测2个断点应为同一断层在剖面上的反映。距太行山较近的断点Fp7错断第四系底界面TQ，距太行山较远的断点Fp3未错断第四系底界面TQ，表明该断层靠山区部分活动性增强。
如图 1所示，将各解释断点投影到地质图上，由断点Fp1、Fp4确定的断层和断点Fp3、Fp7确定的断层相互平行，均为走向NE、倾向SE的正断层，2条断层间发育次级断层。断点Fp1、Fp4确定的断层两侧断距较大，为隆起和凹陷的边界断层，结合断点位置推测该断层应为汤西断裂主断层在剖面上的反映，为太行山隆起和汤阴地堑的边界。浅层地震剖面揭示，该断层向上错断第四系底界面TQ，其最新活动时代应为早第四纪。断点Fp3、Fp7确定的断层位于汤西断裂主断层北侧，推测该断层为汤西断裂的次级断层，根据浅层地震剖面揭示，该断层最新活动时代应为新近纪晚期至第四纪早期。
为确定汤西断裂的活动性，中国地震局地球物理勘探中心在卫辉市太公泉镇西代村附近十里河岸跨汤西断裂开挖了2个探槽(位置见图 1)，探槽间相距约40 m。探槽1揭示中更新统与汤西断裂呈断层接触，全新统覆盖在断裂之上；探槽2揭示汤西断裂未向上延伸至晚更新统。综合高分辨率浅层地震剖面和探槽结果可知，汤西断裂南段的最新活动时代为中更新世[8]。
3 结语本文在已有地质资料基础上，采用高分辨率浅层地震探测技术，对汤西断裂的位置、断层性质及空间展布等浅部构造特征进行分析。结果表明，太行山东南缘汤西断裂南段由2条走向NE、倾向SE的正断层组成，浅层地震测线控制段汤西断裂延伸长度约为9 km，在L2测线上汤西断裂主断层较原推测断裂位置偏北约1.5 km。根据高分辨率浅层地震剖面特征并结合区域地质资料可知，汤西断裂为太行山隆起和汤阴地堑的边界断裂，断裂两侧地层的沉积特征存在明显差异，下降盘汤阴地堑内新近系明显增厚，钻孔资料揭示汤阴地堑内新生界底界埋深大于1 000 m。综合高分辨率浅层地震剖面和探槽结果认为，汤西断裂南段的最新活动时代为中更新世。
致谢: 本次研究中野外探测工作得到河南省地震局和新乡市地震局的大力支持与配合，在此表示感谢！
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