2023, Vol. 43
2. 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京市学院路29号，100083
河南省地处华北与华南地震带的过渡区，公元前1767年以来共记录到M≥4.7破坏性地震144次[1]。河南省内存在多个地震断裂带，如太行山山前断裂带、秦岭断裂带等。省内某些地区小震活动频繁，如聊兰断裂附近的濮阳-范县地区[2]。
前人对河南地震区深部地壳结构开展了大量研究，取得一定的认识[3-7]，但多是利用单一的二维深地震测深剖面揭示局部的地壳结构特征，对河南省整体的地壳结构特征与地震构造背景缺乏系统性的总结。本文回顾了河南省及邻区已经开展的主动源探测工作，对主动源地震资料揭示的地壳速度结构特征等进行归纳，对于揭示河南省地震构造背景具有重要意义。
1 河南地区构造背景及主动源深地震探测情况 1.1 河南地区地质构造背景河南省地跨华北块体与秦岭褶皱带2个大地构造单元，大致以栾川-确山-固始断裂(F1)为界，北部为华北地块，南部为NWW向的秦岭-大别褶皱带(图 1)。华北地块的盖层构造主要是新生代华北盆地，以NWW-SEE走向的盘古寺-新乡-商丘断裂带(F3)为界，北部为大渤海湾盆地(北华北盆地)，呈不规则菱形状，南部为南华北盆地，呈不规则三角形[8]。秦岭-大别褶皱带属于东秦岭造山带，一般以商丹-桐柏-商城断裂带为界分为南北秦岭(F2)。
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F1：栾川-确山-固始断裂带；F2：商丹-桐柏-商城断裂带；F3：盘古寺-新乡-商丘断裂带；F4：汤东断裂带 图 1 河南省及邻区地震构造图 Fig. 1 Earthquake tectonic map of Henan province and its adjacent region |
20世纪70年代河南省地壳结构探测工程通过矿山爆破的方法来获取地壳结构，以“随州爆破”爆破点为中心，布设的随县-安阳剖面和随县-西安剖面穿过或部分穿过河南省境内，但是由于爆破点较少，无法构成完整的相遇、追逐、多重观测系统，而且观测点距较大，因此其解释方法和结果略显粗糙[9]。80年代开始，河南省及周边地区开展了一系列观测系统完善的深地震测深野外观测，测线主要集中在河南省内的地震危险区(图 2)，测线施工参数见表 1。
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图 2 河南地区主动源地震测深线位置 Fig. 2 Location of deep seismic sounding lines in Henan region |
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表 1 河南地区主动源地震测深测线统计 Tab. 1 Statistics of deep seismic sounding lines in Henan region |
穿过北华北盆地的测线主要有菏泽-林县-长治、郑州-济南、林县-平邑、诸城-宜川等，这些测线大多以NNW或近EW走向穿过河南省北部的汤阴地堑、濮阳凹陷等构造单元和林县微震区等地震危险区。
该区域的二维速度结构模型[10]显示(图 3)，深浅部构造存在明显的镜像对称关系，隆起区的莫霍面下凹，安阳与清丰之间莫霍面下凹最深可达37 km，凹陷区莫霍面隆起，深度33 km左右。聊兰断裂深部莫霍面上隆明显，上地壳呈块断下陷，表明聊兰断裂可能已经切割到下地壳，是岩石圈运动的产物[11-12]。汤阴地堑与濮阳凹陷的中下地壳内存在不同尺度的低速体，反映了上地幔热物质的侵入，且莫霍界面不再是一个尖锐的间断面，而是一个复杂的过渡带[13]，表明该地区莫霍面受到软流圈上涌的影响，底侵或热侵蚀作用是该地区岩石圈被破坏的主导因素[14]。
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图 3 北华北地区典型剖面(菏泽-长治)的二维地壳速度结构[10] Fig. 3 2-D crustal velocity structure of typical profile(Heze-Changzhi) in north area of north China[10] |
穿过南华北盆地的测线有随县-安阳、襄城-菏泽-章丘、郑州-济南、郑州-临汾-靖边、郑州-灵璧等，这些测线走向较为零乱，主要穿过开封坳陷等构造单元和平顶山等地震危险区。
该区域地壳结构分为上中下3层(图 4)，主要特征为：1)郑州、开封等地区沉积层较厚，莫霍面显著隆升，埋深30 km左右，与浅部的开封坳陷呈镜像对称；2)坳陷区中下地壳存在显著的低速层，最低速度仅为6.4 km/s，地壳平均速度较低；3)坳陷区莫霍面之上为一强梯度层，速度为7.0~7.4 km/s左右，上地幔顶部速度为7.95~8.05 km/s，较隆起区的速度(8.00~8.10 km/s) 低，速度梯度也相对较弱；4)太康、尉氏等下方上地幔顶部速度偏高，速度梯度急剧增大，该特征可能与上地幔高密度物质的上涌有关。
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图 4 南华北地区典型剖面(郑州-济南)的二维地壳速度结构[10] Fig. 4 2-D crustal velocity structure of typical profile(Zhengzhou-Ji'nan) in south area of north China[10] |
南华北盆地与北华北盆地具有相似的地壳结构分层特征，都分为上中下3层，深浅构造呈镜像对称，中下地壳都发育壳内低速体。区别在于北华北地区上地幔顶部为一近似均匀的速度层，而南华北地区的上地幔顶部速度偏高，可能存在地幔物质上涌底侵而形成的高速薄层。
2.3 秦岭-大别造山带穿过秦岭-大别造山带的地震测深测线较少，包括随县-安阳、随县-西安、伊川-十堰(QB1)以及固始-团风等。
伊川-十堰(QB-1)剖面揭示的东秦岭造山带地壳结构[15](图 5)与穿过大别山的固始-团风以及庄墓-张公渡深地震测深剖面显示的地壳结构较为一致[16-17]。在秦岭-大别造山带下方，地壳速度结构表现为显著的高速穹隆构造，其翼部中上地壳发育速度为5.8~6.1 km/s左右的壳内低速体，横向速度变化极其剧烈。地壳厚度从北部南华北盆地的34 km左右至秦岭-大别造山带下方突然加大，莫霍面存在明显的错断，可能是扬子板块向北俯冲留下的痕迹[17]。莫霍界面连续性较差，存在波状起伏以及突然的错断。整个秦岭-大别造山带地壳厚度并未明显增大，不存在所谓的山根[18]。
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图 5 秦岭-大别造山带典型剖面(伊川-十堰(QB-1))的二维地壳速度结构[15] Fig. 5 2-D crustal velocity structure of typical profile(Yichuan-Shiyan (QB-1)) of Qinling-Dabie orogenic belt[15] |
穿过秦岭褶皱带的深反射剖面叶县-邓州-南漳(图 6)揭示了该区域深部地壳几何结构、断裂特征及不同构造的接触关系。可以看出，东秦岭上地壳可分为北秦岭和南秦岭2个巨型的推覆体，莫霍面呈现隔档式褶皱，在褶皱的尖点处错断，反映了下地壳沿莫霍面的强烈滑动。南秦岭褶皱带中地壳存在一个明显的反射界面，可能作为滑脱层控制南秦岭的推覆和扬子地块向南秦岭的陆内地壳俯冲，形成楔入构造[19]。华北地块以板块俯冲的形式向北秦岭褶皱带下方俯冲，俯冲反射特征明显[20]，陆内俯冲进一步导致秦岭北缘中上地壳发育自南向北的逆冲推覆构造带[21]。
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图 6 东秦岭叶县-邓州-南漳深反射地震线条图[20] Fig. 6 Deep reflection seismic lines map of Yexian-Dengzhou-Nanzhang in east Qinling[20] |
综上所述，河南地区深地震测深测线揭示的地壳结构特征可总结如下：
1) 河南地区地壳结构基本上分为上中下3层，地壳厚度在30~42 km范围内变化，平均厚度33 km，但不同构造单元内地壳结构特征存在差异。北华北盆地的3层地壳结构中，中地壳普遍发育低速层，出现速度逆转的现象。秦岭-大别褶皱带由于构造复杂，地壳结构分层性较差，块状结构明显，表现为上地壳的巨型推覆构造和下地壳的软弱层。北秦岭与南秦岭中下地壳反射强烈，呈相向倾斜的反射楔形体特征。华北盆地隆起区块体地壳一般呈均匀成层，速度随深度逐层增加，保留了稳定的块体结构特征；盆地坳陷区块体通常具有低速的中下地壳和高低速相间的薄互层壳幔过渡带，反映了地幔热物质的上涌以及对地壳结构的改造。北华北盆地深部上地幔速度较为均匀，而南华北盆地上地幔顶部速度偏高，速度梯度急剧增大，可能与地幔物质的上涌有关。秦岭-大别褶皱带的速度结构较为复杂，横向上速度变化极为剧烈，成层性较差，整个地壳表现为显著的高速穹隆，其翼部中上地壳发育壳内低速体。
2) 华北盆地深部莫霍界面形态与地形高程呈镜像对称关系，在隆起区(内黄隆起、太康隆起等)表现为莫霍面的下凹，地壳厚度增大；在坳陷区(汤阴地堑、开封坳陷等)则表现为莫霍面的上隆，地壳厚度减小。莫霍面波状起伏，但地壳厚度的变化主要发生在中下地壳，上地壳厚度较为均匀。秦岭-大别褶皱带深部莫霍面波浪起伏特征更明显，呈隔挡式褶皱的形态，在其顶部的拐点处，莫霍面被断开，整体呈不连续分布，反映了下地壳沿着莫霍面强烈的滑脱作用。华北板块与秦岭微板块的分界处，莫霍界面表现为华北板块向南俯冲，揭示了两者之间的接触关系。此外，需要指出的是，虽然河南省跨越华北盆地与太行山、秦岭-大别山等构造单元，地形高差上千米，但是造山带的深部地壳并未出现明显的下凹，地壳深部不存在山根。
3 河南地区地震分布特征及地震构造背景研究河南省大致有豫北地震活动带、祁吕贺山字型弧顶前缘地震活动带、嵩山东麓地震活动带和豫南地震活动带等4个地震活动带，其中，NNE向展布的豫北地震活动带发震频度与强度比较突出。从河南省不同地震带的地壳结构特征可以看出，不同地区的地震分布特征与地壳速度结构关系密切。
3.1 濮阳地区濮阳是河南省近年来地震较为集中的地区，位于豫北地震活动带内，区内分布着聊兰断裂、黄河断裂、长垣断裂等活动构造，附近曾发生1830年河北磁县7.5级和1937年山东菏泽7.0级等7级以上强震。1997年以来，该区连续发生多次4级以上中等地震，经历了2次小震活动的增强过程，目前小震活动仍比较活跃。
从该区域速度结构可以看出，内黄隆起结晶上地壳表现为明显的高速异常，而该区域的地震主要集中在4.0~15.0 km深度的内黄隆起高速异常体内，地震分布与高速异常体的分布范围一致，可见该区域的速度结构不均匀性是控制地震分布的主要因素。
3.2 许昌-太康地区许昌-太康地区位于嵩山东麓地震活动带内。1820-08-03许昌东北曾发生6级地震，2010年和2011年在许昌-太康断裂和曹县断裂交会处分别发生ML4.6和ML4.1地震。
许昌附近的地壳速度结构表现为15.0 km以浅的上地壳存在壳内高速异常体，而2次太康地震投影的震源位置正处于高速体的边界附近，物性差别为太康地震的应变积累提供了基本的地震构造背景，而许昌-太康断裂又为累积应变的释放提供了条件，促进了太康地震的发生[22]。
3.3 南阳地区南阳地区位于豫南地震活动带，地震活动具有震源浅、烈度高、破坏性大的特点，是河南省地震活动较为强烈的地区之一，具有发生中强地震的构造背景。2017-05-19曾发生南阳市唐河县3.0级地震，震源深度8 km。
该地区上地壳速度结构特征表现为双层结构，基底至8 km深度的上层结构表现为正梯度速度结构；8~13 km左右的上地壳界面表现为速度的倒转，呈负梯度速度结构。该地区的地震主要集中于上地壳内上下结构的分界处，速度差异的变化为该地区地震应力的集中提供了条件。
4 结语1) 河南地区地壳结构基本上分为上中下3层，地壳厚度在30~42 km范围内变化，平均厚度33 km。华北盆地隆起区地壳一般呈均匀成层，速度随深度逐层增加；盆地坳陷区地壳通常具有低速的中下地壳和高低速相间的薄互层壳幔过渡带。秦岭-大别褶皱带地壳块状结构明显，整个地壳表现为显著的高速穹隆，其翼部中上地壳发育壳内低速体。
2) 华北盆地深部莫霍界面形态与地形高程呈镜像对称关系，地壳厚度的变化主要发生在中下地壳，上地壳厚度较为均匀。秦岭-大别褶皱带深部莫霍面波浪起伏特征明显，呈隔挡式褶皱的形态，造山带的深部地壳不存在山根，反映了下地壳沿着莫霍面强烈的滑脱作用。华北板块与秦岭微板块的分界处，莫霍界面表现为华北板块向南的俯冲，揭示了两者之间的接触关系。
3) 河南省不同地区地震分布特征与地壳速度结构关系密切。濮阳地区地震分布与壳内高速异常体的分布范围一致，表现为地震分布受高速异常体控制的特征；许昌地区地震位于上地壳高速异常体的边界附近，地震分布受地壳介质与区域断裂的共同控制；南阳地区地震集中分布于上地壳内上下结构的分界处，受地壳分层结构控制明显。
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2. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences, 29 Xueyuan Road, Beijing 100083, China