张家口—渤海地震构造带是华北平原北部一系列不连续的NW向断裂组成的一条宽阔构造带的总称, 宽达数十千米(徐杰等，1998).张渤带在天津平原区表现为多条断续分布的NW向断层, 包括宝坻断裂、蓟运河断裂、汉沽断裂等，控制了第四纪断陷盆地的发育, 形成了一条第四纪下沉较深的隐伏断陷盆地带和地震活动带(高战武等，2001)，该构造带又与NE向断裂交错切割，构成中强以上地震的发生地，如1679年三河—平谷8级地震、1976年唐山7.8级地震、天津宁河6.9级地震等.

张渤带在深部表现为NWW向的地壳厚度变化带，张先康等(1998)认为该带壳内界面及莫霍面均发生明显变形，又称之为莫霍面向东南伸出的舌状构造(赵国泽等，1998)，张成科等(2002)认为由渤海湾北侧向西北，莫霍面等深线存在明显的扭曲带；孙武城等(1988)根据沧州—喀喇沁左旗深地震宽角反射/折射剖面特征，认为天津北部区域与唐山地震区之间结晶基底及莫霍面埋深变化较为剧烈，此外天津北部区域壳内P波速度在纵向及横向上都有显著的变化，显示了该区地壳结构的复杂性；张渤带在中生代时，逐步发展成为断续分布的脆性断裂带，至新生代时，成为华北裂陷盆地与燕山断块隆起的分界断裂(徐杰等，1998)，天津地区的蓟运河断裂是张渤带的重要组成断裂，前人认为该断裂是一条错断莫霍面的深大断裂，构成新生代冀中坳陷和沧县隆起的北界，也是华北裂陷盆地与燕山断块隆起的分界断裂，同时也是唐山菱形块体的南边界断裂(国家地震局《一九七六年唐山地震》编辑组，1982；张成科等，2002).

前人对张渤带深部构造的认识主要是利用重磁资料、地震宽角反射/折射剖面、大地电磁测深及地震层析成像等方法获得(孙武城等，1988；徐杰等，1998；赵国泽等，1998；张先康等，1998；张成科等，2002；嘉世旭等，2009).受研究方法的限制，以往研究还不能对该区的地壳、上地幔结构及断裂的深浅构造关系进行较为直观、精细的刻画，对张渤带是否存在错断莫霍面的深大断裂还缺乏直接的证据，蓟运河断裂是否是一条控制性的边界大断裂还存在很多疑问，因此有必要通过深地震反射探测技术对张渤带的深部地壳结构进行精细研究.国内多位专家学者已经应用该探测技术对华北大地震震中区的地壳精细结构、断裂构造、深浅构造关系及孕震构造背景进行了深入的研究，如邢台地震区(王椿镛等, 1993, 1994)、延庆—怀来地区(张先康等，1996)、三河—平谷地震区(张先康等，2002；刘保金等, 2011b)、唐山地震区(刘保金等, 2011a)等；此外刘保金等(2009, 2015)、任隽等(2013)、赵成彬等(2013)、酆少英等(2015)分别利用深地震反射探测技术揭示了北京地区、渭河盆地西安坳陷、呼和浩特—包头盆地及郯庐断裂带等的地壳细结构，并探讨了大地构造的形成与演化，以及地球动力学过程等.

为进一步研究张渤地震构造带的深部构造环境、地壳精细结构和深浅构造关系，2018年，在天津北部地区及其邻区跨张渤带实施了1条长86 km的深地震反射剖面，取得了沿剖面较清晰的地壳精细结构和构造图像，揭示了该区的深部构造背景和断裂的深浅构造特征，为理解该区的深部动力学过程、分析研究深浅构造关系提供了地震学证据.

本次深地震反射探测研究区位于华北断陷盆地区与燕山断块隆起区交汇的天津平原区东北部(图 1)，跨越冀中坳陷、沧县隆起及蓟宝隆褶带等次级构造单元.在地质构造上位于华北平原断裂带与张家口—渤海断裂带的复合、交汇部位，是新构造运动强烈的地区.新构造时期以来，在区域伸展构造环境的影响和作用下，区内断裂相应产生了不同规模的引张正断活动，发育了一系列不对称的地堑式构造沉积盆地，这些盆地往往是一侧的主边界断裂一直持续活动到第四纪晚期，从而造成盆地沉积中心偏于主控边界活动断裂一侧，盆地形态类似箕形.研究区内第四纪地层分布广泛，沉积厚度一般在250~350 m.

图 1

Fig. 1

图 1 研究区地质构造和深地震反射剖面位置图 Fig. 1 Geological structure map of the research area showing the location of the deep seismic reflection profile

本次探测实施的深地震反射剖面位于天津宁河区、河北唐山玉田县，横跨蓟运河断裂等NW向断裂带.剖面东南起点位于天津市宁河区潘庄镇大龙湾村西南的排污河东(N39°20′0.94″，E117°19′38.73″)，东北端点位于河北省唐山市玉田县杨家套镇孔雀殿村北(N39°49′22.79″，E117°49′47.08″)，剖面长度为86 km左右，具体位置详见深地震反射测线位置图(图 1).

本次深地震反射剖面数据采集采用道间距20 m、炮间距200 m、1200道接收、平均大于60次覆盖次数的观测系统，为了兼顾剖面浅部、中部及深部的地层界面反射及浅部断裂向深部的延伸情况，采用了在排列内部激发、双边不对称零偏移距接收的工作方法.地震波激发采用了钻孔爆破震源，激发孔深60 m，激发药量一般为30 kg.为确保深层反射波的信噪比，在现场工作中，平均每隔1200 m还增加了1个药量90 kg的大炮.地震仪器使用法国生产的428XL遥测数字地震仪，采样间隔4 ms，记录长度30 s.

数据处理中，根据原始资料情况，把改善地震资料的信噪比放在首位，同时兼顾剖面的分辨率.处理过程中主要进行了球面发散补偿与地表一致性振幅补偿、时变带通滤波与二维滤波、层析静校正、地表一致性反褶积、速度分析和剩余静校正、倾角时差校正和叠后剖面去噪等.通过上述数据处理方法获得了较清晰的深地震反射时间剖面.

确定合理的地震波速度是获取良好反射波叠加剖面图像、计算反射界面埋深的关键.资料处理时，发现来自中下地壳反射波的速度谱离散程度很高，难以用常规的速度分析方法确定合理的叠加速度，因此本次剖面上不同深度反射波叠加速度求取采用了深地震反射资料速度分析和速度谱相结合的方法，对于TWT5s以上的上地壳反射波，使用了速度谱分析方法，而对TWT5s以下的深层反射波，参照了天津—北京—赤城深地震测深剖面数据，剖面叠加效果有了明显改善(嘉世旭等，2009).

本次深地震反射剖面探测获得了浅至第四纪覆盖层底界、深达莫霍面的地壳精细结构图像(图 2).在深地震反射剖面所经过的地段内，地壳浅部均为第四系所覆盖，第四系厚度总体表现为西南厚而东北薄，古近系在剖面的南段均有沉积，北段缺失.区域地质资料显示(天津市地质矿产局，1992；河北省地质矿产局，1989)，剖面经过地区的前新生界基岩较为复杂，中生界白垩系、古生界奥陶系和寒武系分布于不同地块，而在剖面北端玉田县附近，基岩埋深浅至180 m左右.根据区域地质资料和剖面上反射波组特征，我们把T_N解释为来自新近系底界面的反射，T_E为来自古近系底界的反射，反射波T_G为来自结晶基底的反射，T_M为莫霍面反射，图 2中柱状图主要表示该区的第四系、新近系及古近系埋深，其依据主要是《中国区域地质志·天津志》(天津市地质调查研究院，2018)中的资料.

图 2

Fig. 2

图 2 深地震反射叠加时间剖面和断层解释 (Q:第四系；N:新近系；E：古近系；K:白垩系) Fig. 2 Stack-time section and interpretation of deep seismic reflection profile (Q:Quaternary; N:Neogence; E:Paleogence; K:Cretaceous)

由图 2可以清楚地看出，在整个地壳深度范围内，剖面反射波在纵向上具有明显的分带性，在横向上显示出以断裂为界的块状结构特点.

剖面双程到时TWT5.0 s以浅，可看到多组明显的地层界面反射，其中，剖面南部以结晶基底反射T_G为界，其上部反射层位丰富，反射能量较强，横向连续性较好，界面起伏形态清楚，显示出典型的沉积层反射波场特征.这些反射波是来自新生代、中生代、古生代及中新元古代沉积岩层反射.

大约以31.0 km桩号为界，上地壳反射波组南、北两侧呈现明显不同的展布形态.桩号31.0 km以南，可以看到一个明显的沉积凹陷区, 表现为典型的“箕状”盆地结构, 地层反射界面向北倾伏，埋深南浅、北深，盆地的北侧边界明显受到断裂的影响与控制，在桩号26.0~31.0 km之间, 古近系沉积最厚, 埋深可达4.3~4.5 km.在利用地震记录上的初至波震相，采用层析成像方法得到的浅层速度结构剖面图上(图 3)，可清楚地看到在剖面桩号15.0~31.0 km之间存在明显的低速凹陷结构，表明相应部位上的沉积盖层厚度相对较厚，而在低速凹陷的南、北两侧，剖面浅部的地震P波速度出现突变，表明相应部位上应有断裂存在.桩号31.0 km以北，地层反射界面展布显示为南深、北浅的斜坡状，表现为基底隆起区，古近系缺失，新近系由南向北逐渐变薄，并直接覆盖在古生界的奥陶系基岩之上，在南侧埋深约为1500~1600 m，至剖面北端，埋深明显变浅，推测埋深小于300 m.

图 3

Fig. 3

图 3 深地震反射浅部速度结构剖面 Fig. 3 Shallow velocity structure of deep seismic reflection

结晶基底反射波T_G在地震时间剖面上的起伏变化形态和界面展布特征非常清楚，且深度变化最大的地方与其上部沉积盖层厚度的变化也有很好的对应关系.在桩号31.0 km附近，基底反射波T_G被明显错断，断距约为2.6~2.8 km.桩号31.0 km以南，基底反射波T_G显示为凹陷形态，埋深最深处位于桩号26.0 km的下方，其最大深度约为12.0 km.桩号31.0 km以北，基底面埋深逐渐变浅，在剖面的最北端，基底面埋深变浅至600~800 m左右.

剖面揭示的地壳内部结晶基底(T_G)至Moho面之间，显示出近于“反射透明”的地震波场特征，剖面单炮记录也清晰反映，结晶基底(T_G)反射至Moho反射之间，几乎看不到明显的反射信息，这表明结晶基底到莫霍之间具有反射透明的地壳结构特征.这与华北其他地区获得的深地震反射剖面研究结果明显不同(王椿镛等，1993；张先康等，1996；赵金仁等，2004；刘保金等, 2011a, 2011b；赵成彬等，2013；任隽等，2013).

在剖面双程到时TWT10~13 s之间，深地震反射剖面揭示了一组反射能量强、界面起伏变化形态清楚的反射波组，该强反射波组应为来自Moho面的反射.Moho强反射与其上、下反射能量较弱或近于“透明”的上地幔和下地壳形成了明显的对比.

剖面沿线的Moho面反射大约以剖面桩号30.0 km为界，有着其南、北两侧明显不同反射波场特征，在桩号30.0 km以南，Moho面反射波的能量较弱，被明显错断，其形态总体上自南向北倾伏，并与南倾的上地幔强反射震相R_A在桩号25.0 km的下方出现相互交叉和叠置.上地幔强反射震相R_A向南倾伏，与其上部的Moho面反射构成“楔状”结构, R_A仅出现在剖面的南部区域，是一个有局部意义的反射事件，其波组形态和反射能量与莫霍面反射有很大区别，推测可能是软流圈热物质上涌的侧向残留物.

桩号31.0~72.0 km之间Moho面反射波的双程到时大约在TWT10.0~11.5 s之间变化，相应的Moho界面展布大致呈中间深、向两侧逐渐变浅的形态，按6.0 km·s^-1的地壳平均速度计算，该区段的Moho面埋深大约在30.0~34.5 km之间变化, 在桩号72.0 km的下方，Moho面深度变浅至30.0 km(TWT10.0 s).

桩号72.0 km以北，Moho面变深，被明显错断，且在Moho面之上的地壳底层出现叠层状的反射同相轴(见图 2中的R_C).该层在剖面桩号72.0 km以南并不存在，这表明剖面沿线不同构造区段可能有着不同的壳幔过渡带特征和Moho面类型，显示了研究区上地幔顶部结构的复杂性.

莫霍面埋深与新生代沉积厚度呈一定的反向关系，在箕状沉积凹陷的最深处，新生界沉积近4 km，莫霍面埋深仅30 km，而莫霍面最深处埋深34.5 km，与其对应的新生界沉积仅800~900 m.张成科等(2002)也认为莫霍面埋深与浅部构造呈镜像关系，冀中坳陷、黄骅坳陷均存在上地幔局部隆起.

深地震反射剖面所揭示的断裂构造特征非常清楚，其特征主要表现为地层界面反射波同相轴、反射波组或波系的明显错断，地层厚度和界面产状的变化以及反射波能量的突变等.根据上述特征，在深地震反射剖面上共解释了9条特征明显的上地壳断裂和2条错断莫霍面的深断裂，现分别描述如下.

断裂F₁位于剖面桩号14.3 km附近，为一条北东倾向的正断层.在剖面浅部，断裂F₁错断了古近系底界面反射波T_E，向下切割了中生代、古生代地层和结晶基底.从剖面反射波组特征来看，该断裂是控制深地震剖面上沉积凹陷的南边界断裂.

断裂F₂和F₃在剖面上呈“Y”字型组合，分别位于深地震反射剖面桩号26.07 km和30.7 km附近，其中断裂F₂为北东倾向的正断层，向上错断了新近系底界面反射波T_N，向下依次错断古近系底界面反射T_E和中生界，大约在深度8.76~8.86 km左右归并到南西倾向的断裂F₃上.

断裂F₃在深地震剖面上表现为箕状沉积凹陷的主控边界断裂，该断裂向上错断了新近系内部的强反射界面(TWT0.63 ms，深度约为600 m)，向下错断了新近系底界反射波T_N(断距为320~380 m)、结晶基底反射波T_G，推测向下延入中地壳.该断裂控制了箕状沉积凹陷的沉降中心，断裂规模大，切割深.剖面揭示的断裂两侧的地层反射波特征显示，在断层F₃下降盘反射波组丰富，而上升盘的地层反射界面明显减少，断裂下降盘一侧的新近系之下为古近系，下伏中生界白垩系基岩，而断层上升盘古近系缺失，新近系不整合覆盖于奥陶系基岩之上.F₃应为潮白河断裂在浅部地层的表现.

断裂F₄位于剖面桩号41.4 km附近，为倾向南西的正断层，错断了新近系底界面T_N，断距130~180 m，向上延入新近系内部，向下是否切割T_G不明显.F₅和F₆分别位于桩号44.07 km和46.64 km附近，呈“Y”字型组合，均错断了新近系底界反射T_N，相应断距分别为60~70 m和90~105 m，向上延入新近系内部.断裂F₅大约在深度3.3~3.5 km左右归并于F₆，F₆以铲形正断层方式向下延伸，是否错断了T_G并延入中地壳，在剖面上表现不明显.

断裂F₇位于剖面桩号49.18 km，为倾向北东的正断层，向上错断了新近系底界反射T_N，并延入新近系盖层内，向下错断基底反射T_G不明显；F₈位于桩号52.6 km附近，错断了基底反射T_G，并向上延伸，但是否错断T_N不明显，与F₇呈“Y”字型结构，推测F₇在上地壳归并于F₈；从断裂在地面投影位置和倾向来看，断裂F₈与蓟运河断裂位置相近，属性一致，因此，F₈应为蓟运河断裂在浅部地层的表现.

断裂F₉位于剖面桩号58.7 km附近，为倾向北东的正断层，该断裂向上错断了T_N，延入新近系盖层内，向下错断基底反射T_G.断裂北侧的地层显示为南厚北薄的不对称箕状凹陷形态.从断裂在地面投影位置和倾向来看，该断裂与丰台—野鸡坨断裂的推测位置相近，属性一致.丰台—野鸡坨断裂为蓟县块隆和唐山块陷的分界断裂，断裂西段进入第四纪以来仍有强烈活动，其南盘相对抬升，第四系厚度明显变薄，而北盘则沉积了较厚第四纪地层，发育为第四纪凹陷区，即鸦鸿桥凹陷.

地壳深断裂F_D1位于桩号30.0 km附近，明显错断了莫霍面，断距可达10 km左右，该断裂可能是前人提出的香河—宝坻—宁河深大断裂(国家地震局《一九七六年唐山地震》编辑组(1982)，张成科等(2002))，潮白河断裂(F₃)位于深断裂F_D1的正上方，可能是F_D1在地壳浅部的延伸，它们共同构成了本区复杂的深、浅部构造背景.

地壳深断裂F_D2位于桩号72.0 km附近，其南北两侧上地幔顶部显示出明显不同的壳幔过渡带特征和Moho面类型，断裂F_D2以南Moho面埋深约30 km，而断裂F_D2以北，地壳底部为厚约4.0~4.5 km的壳幔过渡带，Moho面深度约为31.5 km.

本项研究的深地震反射剖面获得了天津地区张渤带非常清晰的地壳结构和构造图像，为进一步分析张渤地震构造带深浅构造关系、深部构造环境、断裂活动性及华北裂陷盆地与燕山断块隆起的耦合关系提供了可靠的地震学证据.

(1) 深反射剖面揭示了天津地区张渤带地壳结构，以TWT5.0 s左右的结晶基底反射T_G为界，反射波场显示为上下分带、南北分块的不同特征；在桩号31.0 km以南，反射界面呈南浅、北深的形态特征，显示为“箕状”沉积凹陷结构，剖面桩号31.0 km以北，第四纪和新近纪地层反射界面呈南深北浅的斜坡状展布形态，不整合于古生界奥陶系或更老的地层之上；结晶基底面T_G与新生代沉积界面总体上呈近于平行的形态.本次深反射剖面跨越华北裂陷盆地和燕山断块隆起两个二级构造单元，裂陷盆地的上地壳分为沉积盆地和结晶基底两部分，断块隆起区结晶基底埋深很浅，最浅处为600~800 m；结晶基底(T_G)至Moho之间具有反射透明的地壳结构特征，中下地壳内无明显震相，这与华北其他地区获得的深地震反射剖面研究结果明显不同，裂陷盆地的地壳由脆性的上地壳和韧性的下地壳组成，这与段永红等(2016)提出的地壳模型类似.

(2) 天津地区张渤带莫霍面埋深介于30.0~34.5 km，呈中间较深、向两侧逐渐变浅的形态，莫霍面埋深与新生代沉积厚度呈一定的镜像关系.带内存在两条错断莫霍面的超壳深大断裂F_D1和F_D2，深断裂F_D1两侧的Moho面反射波的能量较弱，这与上地幔强反射震相R_A有明显区别，R_A可能是软流圈热物质上涌的侧向残留物，深断裂F_D1为上地幔高温物质侵入地壳提供了通道，而下方的莫霍面则出现上隆和地壳减薄；深断裂F_D2两侧的Moho面反射波能量较强，其上存在反射波能量稍弱的叠层状反射震相R_C，表现出一定的壳幔过渡带特征.

(3) 剖面共解释了9条特征明显的上地壳断裂和2条错断莫霍面的深大断裂(F_D1和F_D2).上地壳断裂(F₁—F₉)是张渤带在浅部地层中的表现，它们以不同的组合样式和纵向延展形态切割了剖面浅部地块，其中F₃应是潮白河断裂，表现出与其他断裂明显不同的特征，控制了箕状沉积凹陷的沉积中心，是冀中坳陷的北界断裂；F₃断裂成因主要是由于上地幔隆起，引起地壳垂直运动，使结晶基底附近岩石发生破碎而形成.随着上地幔的不断上隆，F₃断裂沿着上地幔隆起轴向继续向上发展，断距大小与上地幔的隆起幅度有关；其他上地壳断裂(F₁、F₂、F₄—F₇)是发育在沉积盖层中的正断层，断层倾角随深度逐渐变缓，向下延深不大，是从浅部发展起来的正断层，主要分布在与上地幔隆起相对应的新生代沉积坳陷内，与新生界沉积的关系表现为边断边沉，其成因主要是由于上地幔隆起，岩浆大量侵入，引起上地壳侧向滑动，地表下沉，在浅部形成垂直于上地幔隆起方向的引张，从而形成一系列走向与引张方向相垂直的正断层；断裂F₈应为蓟运河断裂，该断裂向下错断结晶基底不明显，应不是一条控制性的边界断裂，也不是唐山菱形块体的南边界断裂；F₉应为丰台—野鸡坨断裂，该断裂明显均错断了结晶基底T_G，可能是燕山断块隆起与华北裂陷盆地的分界断裂.

(4) F_D1和F_D2可能是张渤带在深部的边界控制断裂，它们应是软流圈热物质上涌，造成上地幔隆起而形成的；深大断裂F_D1应为前人提出的香河—宝坻—宁河深大断裂(国家地震局《一九七六年唐山地震》编辑组(1982)，张成科等(2002))，与之对应的地壳浅部断裂是F₃潮白河断裂，而非蓟运河断裂.

错断莫霍面的深大断裂与上地壳断裂共同控制了本区地壳深、浅部的构造格局，深大断裂(F_D1和F_D2)为本区深部热物质的上涌与能量交换提供了通道，而与之对应的地壳浅部断裂(F₃和F₉)，则为能量调整提供了可能的条件，断裂邻近区域可能是未来发生强震的地区，值得注意.