2. 江苏省地震局, 南京 210014
2. Jiangsu Earthquake Agency, Nanjing 210014, China
长度约2400 km的郯庐断裂带是我国东部一条规模巨大的活动构造带,有着复杂的形成和演化历史.其活动方式具有明显的分段性、多期性及复杂性,在不同区段、不同时期表现出不同特征的构造样式(方仲景等,1980;国家地震局地质所,1987;王小凤等,2000).郯庐断裂带潍坊—嘉山段是现今构造活动最为强烈的部分,1668年郯城8.5地震就发生在该构造段上(李家灵等, 1994a, b;晁洪太等,1997a;施炜等,2003).近年来的研究发现,郯庐断裂带在江苏境内存在有多处晚更新世以来活动的证据,谢瑞征等(1991a)通过多条探槽剖面研究认为,郯庐断裂带新沂何庄至宿迁晓店段,晚更新世以来有过强烈活动,但尚未发现错动Q4地层的断面;彭贵和焦文强(1990)、谢瑞征等(1991b)通过对地裂缝中黑色黏土和钙质结核的14C测年分析认为,在嶂山闸东、泗洪重岗山、孙牌坊等地发现的古裂缝,其形成时代可能为全新世早期;姚大全等(2003)通过大量史前地震或古地震遗迹分析认为,在何庄、嶂山闸、晓店、桥北镇和重岗山等地发现,断裂错断到全新世;张鹏等(2015)通过野外地质调查认为,郯庐断裂带南马陵山—宿迁段在全新世中期发生过1次古地震事件,在重岗山段尚未发现全新世活动迹象.这些研究成果对理解郯庐断裂带江苏段的断裂活动特征提供了重要资料.
已有研究表明,郯庐断裂带在江苏境内主要由5条主干断裂组成,自东向西分别为山左口—泗洪断裂F1、安丘—莒县断裂F5、新沂—新店断裂F2、墨河—陵城断裂F3和纪集—王集断裂F4(张鹏等,2011;王志才等,2005).在这5条断裂中,晚更新世以来的新活动主要表现在安丘—莒县断裂F5上,它由多个独立的破裂段组成,并且是1668年郯城8.5级地震的发震构造(高维明等,1988;晁洪太等,1997b).断裂F5在山东段出露较好,在江苏宿迁市以北零星出露(张鹏等,2015;许汉刚等,2016).对断裂F5向南延伸的终止位置,一些研究学者持有不同的观点:李家灵等(1994b)研究认为,1668年郯城8.5级地震的地表破裂终止于郯城窑上;高维明等(1988)和王华林(1995)的研究认为,地表破裂终止于江苏新沂市何庄;也有研究认为地表破裂终止于江苏宿迁市的晓店(国家地震局地质所,1987).张鹏等(2015)、曹筠等(2015)和许汉刚等(2016)最新研究发现,安丘—莒县断裂F5向南已穿过了宿迁市区,并可能继续向南延伸.鉴于上述问题,分析研究郯庐断裂带宿迁段的浅部构造特征及断裂活动性对该区的地震危险性评价和城市防震减灾具有重要意义.
地震勘探方法是探测研究地下结构和构造的主要技术手段.众所周知,地震勘探记录中包含有折射波、反射波、面波等多种地震波场,而这些地震波场中又包含有反映地下介质结构和构造的丰富信息,因此,综合利用地震记录上不同的地震波场信息,可以使我们从不同侧面来分析研究地下结构和构造的变化情况.例如,利用地震记录上的折射波可得到地下介质的速度分布、界面位置及其起伏变化形态;利用地震记录上的反射波可对地下结构和构造进行高分辨成像,进而分析研究地下界面和构造的赋存形态及其空间分布;而利用地震记录上的面波可获得地下介质的横波速度,等等.本文利用中国地震局地球物理勘探中心在宿迁市南部完成的深、浅地震剖面探测数据,分别运用初至波层析成像方法和浅层反射波多次覆盖技术得到了郯庐断裂带宿迁段的浅层P波速度结构和高分辨率反射剖面图像.结合研究区地质钻孔资料和已有研究成果,对目标断层的活动性进行了探讨.研究结果不仅为进一步判定F5断裂的南延问题提供了佐证,而且,还为深入了解郯庐断裂带宿迁段的近地表构造格架和断裂活动特征提供了新的地震学证据.
1 地质构造概况郯庐断裂带宿迁段地处苏北平原西北部,其西侧为华北地块,东侧为苏鲁造山带.白垩纪早期受区域NW-SE向拉伸应力作用,形成了“两堑夹一垒”的构造格局(曹筠等,2018),即,山左口—泗洪断裂F1和新沂—新店断裂F2控制了东地堑,墨河—陵城断裂F3和纪集—王集断裂F4控制了西地堑,在两个地堑之间为中央地垒.该构造格局向南至安徽境内不复存在.
在构造地貌上,江苏境内主要为黄泛平原和岛状残丘,除在马陵山、重岗山西侧、峰山以及嶂山等地可见到第四纪断裂外,其他地段上的断裂均处于隐伏状态(谢瑞征等,1991b;张鹏等,2011).断裂带内中生代碎屑岩沉积厚达数千米,而断裂东侧则缺失大部分古、中生代地层,主要以太古界-下元古界胶东群(Ar-Pt)为主.在东、西地堑中,自下而上沉积了早白垩世青山组(K1q)火山碎屑岩和陆相碎屑岩以及晚白垩世王氏组(K2w)的红色砂砾岩,局部存在早白垩世小型岩体与岩脉;而在中间地垒上出露了太古代变质基底.古近纪时期,断裂带受区域隆升作用的控制,地层抬升剥蚀,形成平原中的岛状残丘.新近纪时期,断裂带受太平洋板块俯冲弧后拉张作用,江苏北段沿线发育宿迁组(N2s),南段沉积下草湾组(N1x).到了第四纪时期,断裂带进入新构造活动期,自下而上沉积了豆冲组(Q1d),泊岗组(Q2b),戚咀组(Q3q)以及连云港组(Qhl)(江苏省地质矿产局,1984;刘备等,2015).
2 研究方法概述和地震剖面位置 2.1 初至波成像方法和深反射剖面位置地震记录上的初至波携带有丰富的地下结构信息(Sheriff and Geldart, 1995).初至波层析成像是根据地震波的传播规律,利用地震记录上的初至波走时数据反演介质速度结构的一种成像方法(罗省贤和李录明,2004).近年来,随着深地震反射勘探技术的发展及其在地球科学研究中的大量应用,利用地震反射记录上的初至波信息反演地壳浅部速度结构日益受到关注,并在上地壳基底结构研究、隐伏金属矿预测以及反射地震资料处理中得到了广泛应用,并取得了较好的效果(刘保金等,2017;徐明才等,2005;秦晶晶等,2018).本项研究利用了石油勘探资料处理中较为成熟的层析速度建模软件.该软件采用基于波动方程的快速步进波前追踪的正演算法以及非线性的反演算法,保证获得全局最优解,其反演结果不依赖于初始模型,较适用于复杂的近地表结构模型.初至波层析成像的流程主要包含:初至时间拾取、模型离散化和建立初始速度模型、正演射线追踪和多次迭代反演计算等.
为了研究郯庐断裂带宿迁段的浅部构造特征,我们利用深地震反射剖面(图 1中DSRP)上的初至波数据,采用初至波层析成像方法得到了郯庐断裂带的浅层P波速度结构.深地震反射剖面位于江苏宿迁附近,剖面东端起于江苏泗阳县史集镇东,向西途径埠子镇、陵城镇、睢宁县等地,西端止于安徽灵璧县渔沟镇北,剖面全长100 km.深地震反射剖面的数据采集采用了道间距25 m、炮间距150 m、720道接收、60次覆盖的观测系统,地震波激发使用钻孔爆破震源,激发药量24 kg,激发孔深25~30 m.地震波接收使用了固有频率10 Hz的检波器串(线性组合、12个/道).地震仪器使用法国408UL数字地震仪,采样率2 ms,记录长度30 s.
图 2给出了深地震反射记录上的初至波震相.由图可以看出,地震记录上的初至波具有信噪比高、震相明确、易于识别和追踪的特点,除个别远道记录因外界随机干扰影响了初至波到时的准确拾取外,其它记录道上的初至波震相均清晰可辨,保证了初至波到时的拾取精度,为获得近地表速度结构提供了好的基础数据.此外,在断裂附近,可看到初至波到时出现突变,且断裂两侧初至波的视速度、视频率、相位数以及波形等特征均出现明显的变化,这表明断裂对近地表速度和沉积层厚度具有重要的控制作用.
浅层地震反射波勘探在近地表结构分层和隐伏构造(如褶皱、断裂等)成像等方面具有较高的分辨率.为获得郯庐断裂带高分辨率的近地表构造图像,我们在宿迁市南部的陵城镇和埠子镇附近完成了2条浅层地震反射测线SSRP-1和SSRP-2.其中,SSRP-1测线跨断裂F3和F4布设,测线长度16.5 km.SSRP-2测线跨断裂F1、F2、F5布设,测线长度10.5 km.
浅层地震勘探采用共中心点(CMP)多次覆盖技术.由于浅层地震测线沿着公路布设,为压制道路上来往不断的过往车辆和测线附近居民点或厂矿等产生的干扰噪声,进而提高地震勘探资料的信噪比,数据采集时使用Metrz 615-18T车载可控震源和变频信号实时相关技术,该技术已在城市地区的地震勘探中得到了广泛应用,是强干扰条件下开展隐伏活动断层探测的主要技术手段.为提高断层定位精度和成像效果,经现场试验,最终选用了道间距2 m、偏移距18 m、单边追逐200道接收、20次覆盖的观测系统.
图 3是浅层地震反射共炮点地震记录.由图可以看出,400 ms以上的地层反射信息非常丰富,且反射波同相轴的展布特征也比较清楚.从这2张地震记录可看到在断层附近地震反射波组出现了明显变化,在图 3a地震记录中,强反射波组R3被断层明显错开(该记录激发点位于断层左侧),而当激发点移动到断裂右侧时(即相隔几炮的图 3b地震记录),可看到下降盘的反射波同相轴R3具有较好的横向连续性,且地层反射波同相轴的数量明显增多.由此可见,断裂在信噪比较高的原始地震记录中也有较好的特征体现.
针对获得的地震记录信噪比高、干扰波与有效反射波的视速度和波组能量差异大、以及不同地震波组所出现的“窗口”不同,以及因地形高差引起的静校正问题等特点,在数据处理时,试验了多种处理方法及参数,确保获得高分辨率的反射剖面图像.本次数据处理中采用的处理技术主要包括:地表一致性振幅补偿、折射静校正、时变带通滤波、二维f-k滤波、自适应随机噪声压制、预测反褶积、速度分析和动校正、地表一致性剩余静校正、倾角时差校正、共中心点叠加、叠后剖面去噪、有限差分偏移以及时-深转换等.为了计算剖面上不同界面反射波的埋深,利用资料处理时获得的叠加速度数据,通过速度平滑、DIX公式以及不同界面反射波的双程走时,计算得到剖面沿线的平均速度分布,以此作为时-深转换的速度依据,从而获得浅层反射测线的叠后深度剖面(图 5c、图 6c).
图 4给出了郯庐断裂带及其两侧(深地震剖面桩号25~80 km段)的初至波射线分布和浅层P波速度结构.由初至波射线分布(图 4a)可以看出,沿剖面的初至波射线分布是非常密集的,这表明所用数据观测系统下的初至波射线能够对剖面浅部结构实现有效覆盖,从而确保了反演结果的可靠性.地震记录上的初至波通常为来自地下界面的折射波,根据地震波的传播原理,初至波射线分布较为集中的地方反映了地下界面的存在.图 4a显示,郯庐断裂带东、西两侧的初至波射线分布主要集中在深度200 m以浅,这表明郯庐断裂带两侧地块的高速层顶面埋深应小于200 m;而在郯庐断裂带内部,初至波射线的穿透深度明显变深,且在纵向上出现了多处射线相对较为密集的区域,这也意味着郯庐断裂带内的沉积层厚度不仅比断裂带两侧的要厚,而且在纵向上还存在着明显的速度变化层或地层分界面.
断裂F1和F4分别为郯庐断裂带的东、西边界.在浅层P波速度结构图(图 4b)上,郯庐断裂带显示为凹陷和隆起相间的构造形态,且浅层P波速度分布明显受到断裂的影响与控制.在断裂F1—F4附近,P波速度分布均表现为高速隆起区和低速凹陷区的分界线,显示出断裂对沉积盖层厚度的控制作用.剖面上低速凹陷最深的区域位于断裂F3的下降盘,从剖面P波速度分布特征推测,沉积盖层最大厚度约600~650 m.郯庐断裂带的东、西两侧为高速隆起区,与速度结构复杂的郯庐断裂带相比,隆起处的P波速度分布较为简单,深度约200 m以浅,P波速度低于4000 m·s-1,其下为速度大于5000 m·s-1的高速层,表明郯庐断裂带东、西两侧的沉积盖层厚度小于200 m.
浅层P波速度结构剖面清楚地显示了郯庐断裂带的近地表构造格架,但根据P波速度剖面结果还很难判定断裂的准确位置以及郯庐断裂带的近地表精细结构和断层特征,这就需要借助于高分辨率的地震反射波成像结果.
4 地震反射剖面揭示的郯庐断裂带特征图 5和图 6分别给出了浅层地震SSRP-1测线(跨断裂F4和F3)、SSRP-2测线(跨断裂F2、F5和F1)的反射波叠加时间剖面及其深度解释结果.由图可以看到,2条测线的反射波叠加时间剖面均具有较高的信噪比,郯庐断裂带内不同断层的上断点埋深以及断层特征明显不同.现根据剖面反射波组特征,对郯庐断裂带的近地表结构和构造特征概述如下:
4.1 新生界厚度的变化特征2条浅层地震反射波叠加时间剖面显示,在双程走时400 ms以上,可看到多组反射能量较强的地层反射,这些地层反射在剖面横向上分段连续,纵向上密集成层,其产状近于水平,具有典型的沉积层反射特征.反射波Tg是本次探测的目标层反射,具有明显的不整合面反射特征.研究区地质资料显示,郯庐断裂带部位的Q+N地层厚度约400~500 m,与下伏白垩纪地层呈不整合接触,而在郯庐断裂带东、西两侧的基底隆起上,Q+N地层厚度显著减薄,并可能缺失白垩纪地层沉积.已有研究成果揭示,在郯庐断裂带东边界断裂F1西侧,Q+N之下为中生界的白垩纪地层,而在断裂F1东侧的隆起上,则以太古界-下元古界的胶东群为主(国家地震局地质所,1987;许汉刚等,2016).根据2条浅层地震反射剖面上的地层反射波组特征(图 5、图 6)和浅层P波速度结构(图 4b),我们推测郯庐断裂带东、西两侧隆起区的新生代地层厚度应小于200 m,而在断裂F1和F4之间的郯庐断裂带内,新生代地层厚度明显变厚,且横向变化较大,最厚的地方位于断裂F3下降盘的陵城镇附近,其厚度约600~650 m,比原来推测的Q+N地层厚度要厚150~200 m.
在宿迁市活动断层探测项目中,江苏省地震局在墨河—陵城断裂F3的上升盘完成了一个深度100 m的地质钻孔LCK6,该钻孔揭露的第四系厚度为68.0 m,其下为新近纪地层1).在浅层地震反射剖面地质解释时,我们参照LCK6钻孔资料,并结合TQ反射波的展布特征对剖面上的第四系厚度进行了划分.除此之外,在资料分析解释时,还参考了中国地震局地质研究所在安丘—莒县断裂F5两侧完成的ZKW1和ZKE1钻孔资料2),虽然这2个钻孔仅钻穿了Q3地层,但对浅层地震剖面上部反射层位的标定和断层活动性的初步判定也有非常重要的作用.
1) 江苏省地震局地震工程研究院. 2016.宿迁市活断层探测与地震危险性评价项目工作报告.
2) 中国地震局地质研究所. 2015.宿迁市活断层探测项目钻孔联合剖面探测与断层活动性鉴定工作报告.
4.2 断裂构造特征浅层地震反射剖面揭示的郯庐断裂带近地表构造特征非常清楚.由图 5和图 6可以看出,除了郯庐断裂带的5条主干断裂(F1—F5)在剖面上有非常清楚的显示外,在郯庐断裂带内部,还存在有几条规模和活动性明显不同的次级断裂,这些断裂的交替活动形成了郯庐断裂带隆起和凹陷相间的构造格局.
断裂F4为郯庐断裂带的西边界断裂,在江苏境内该断裂被称为纪集—王集断裂.在浅层地震剖面上,该断裂为东倾的正断层,错断了第四系底界反射波TQ之下的地层,对新近纪沉积有明显的控制作用.从剖面浅部的反射波组展布特征分析,推测该断裂可能为第四纪早期断裂.在断裂F4的下降盘,浅层地震剖面还揭示了2条相向而倾的断裂F4-1和F4-2,这2条断裂发育在新近纪地层中,与断裂F4共同构成“Y字形”的断层组合.
墨河—陵城断裂F3和新沂—新店断裂F2的浅部构造特征非常清楚.在浅层P波速度结构剖面(图 4)上,断裂F3和F2显示为高速隆起区和低速凹陷区的分界线,且2条断裂共同控制了郯庐断裂带内的一个新生代沉积凹陷.在浅层地震反射波叠加时间剖面上(图 5、图 6),断裂F3和F2均表现为断层面近于直立的正断层,新生代地层厚度在断裂下降盘明显增厚,且在靠近断层处,地层出现褶皱变形,显示出断裂对新生代地层厚度的控制作用.从断裂F3和F2所错断的地层反射界面和上断点埋深来看,推测断裂F3的活动时代可能为晚更新世早期,而断裂F2错断了第四纪底界并向上延伸至Q1+Q2内部,推测F2可能为早-中更新世断裂.
断裂F5在浅层地震剖面(图 6)上表现为向东倾的正断层,该断裂位于断裂F2东侧约1.5 km处,在断裂F2和F5之间,地层上抬呈地垒状.在断裂F5东侧,剖面还揭示了1条向西倾的断层F5-1,该断层与断层F5共同控制了一个小的新生代凹陷,推测该断层在深处与断层F5合并为1条断裂.从断裂F5和F5-1错断的最浅地层反射波组来看,这2条断裂均错断了晚更新世地层的底界面反射TQ3.张鹏等(2015)、曹筠等(2015)和许汉刚等(2016)对安丘—莒县断裂F5的研究均认为,在宿迁地区断裂F5总体上由2条断裂组成,在宿迁市北部形成沿断裂分布的丘陵岗地,如嶂山、锅底山等,在宿迁市南部,断裂F5由2条相向而倾的断层构成下凹的断陷带,2条断裂的活动时代分别为全新世(F5)和晚更新世(F5-1).
郯庐断裂带的东边界断裂F1在江苏境内称为山左口—泗洪断裂,该断裂在浅层地震剖面上为西倾的正断层,错断了第四系覆盖层的底界和其下的新近纪地层.在SSRP-2测线桩号约6.7km附近,还存在有1条错断反射波组TQ和Tg的断裂F1-1,该断层向东倾,应是郯庐断裂带中的1条次级断裂.从断层F1和F1-1的上断点深度及其所切割的地层反射波组特征分析,我们认为这2条断裂均没有错断晚更新世地层,推测应是第四纪早期的断裂,晚更新世以来已停止活动.
4.3 断裂带的深、浅构造特征穿过郯庐断裂带中南段的地学断面结果显示,郯庐断裂带为一个深达岩石圈、产状陡倾并控制地幔热物质上涌及岩浆侵入的深大断裂带(陈沪生等,1993).大地电磁测深研究结果表明,郯庐断裂带的深部为切穿莫霍面,向下延入上地幔的走滑构造,其浅部为伸展断层及断陷盆地所叠加(叶高峰等,2009;张继红等,2010).深地震宽角反射/折射和宽频带地震台阵的接收函数结果显示,郯庐断裂带附近的岩石圈厚度约为60~80 km,地壳厚度约为32~35 km,且地震波速度在郯庐断裂带的东、西两侧也有明显变化(Chen et al., 2006;Zheng et al., 2008;李松林等,2011).上述研究结果表明,郯庐断裂带不仅在浅部表现为堑-垒结构的复杂构造带,而且是一个切穿整个地壳直抵上地幔的断裂破碎带和速度变异带.
穿过郯庐断裂带宿迁段的深地震反射剖面结果(刘保金等,2015)显示,郯庐断裂带是一个构造面形态随深度变化、断层倾角近于直立、由多条断裂组成的大型“花状”构造,且组成郯庐断裂带的各条主干断裂表现出张、压、扭结构面共存的复杂结构.表明郯庐断裂带是一个以走滑为主的、并兼有逆冲和正断运动分量的复杂断裂构造带.该断裂带由深到浅依次切割了岩石圈地幔、莫霍面、壳内分界面和近地表沉积层,其变形方式有规律地从韧性、脆-韧性和脆性逐渐转换过渡,属岩石圈尺度的深大断裂带.
本项研究的浅层地震剖面结果显示,郯庐断裂带在近地表由5条规模和活动性不同的断裂构成,它们的交替活动形成了堑-垒相间的构造格局.其中,郯庐断裂带的东边界断裂F1和西边界断裂F4的活动性相对较弱,为第四纪早期活动断裂;断裂F2和F3控制了郯庐断裂带内部的新生代凹陷,其活动时代分别为中更新世和晚更新世.另外,浅层地震剖面还揭示了位于断裂F1和F2之间的安丘—莒县断裂F5,它是由2条分支断裂F5、F5-1组成,断裂由上到下依次错断了晚更新世地层、第四纪覆盖层的底界以及新近纪地层,其断距由浅至深逐渐增大.本次浅层地震剖面和许汉刚等(2016)的研究均显示,安丘—莒县断裂F5在宿迁附近由2条相向而倾的分支断层构成的断陷带,该断裂对郯庐断裂带宿迁段东地堑新近纪以来的地层沉积有重要的控制作用.综合分析认为:断裂F5并不是第四纪期间的新生断层,而可能是早期依附在东地堑中的1条次级断裂,郯庐断裂带在长期的走滑、拉张和挤压过程中,从而导致断裂带中一系列分支断层出现差异性活动,这些断裂的活动形成了郯庐断裂带浅部隆起和凹陷相间的复杂构造格局,而安丘—莒县断裂F5的新活动应是先存断裂复活的结果.
5 结论本文采用初至波层析成像方法和浅层反射波多次覆盖技术,获得了郯庐断裂带宿迁段的浅层P波速度结构、浅部构造形态和主要断裂特征.同时依据研究区地质资料和已有研究成果,对郯庐断裂带及其两侧的新生代地层厚度分布、断层活动性进行了初步分析和讨论,取得以下几点认识:
(1) 文中综合利用地震折射波和反射波方法,从不同侧面分析了郯庐断裂带宿迁段浅部结构和构造特征.两者结果相互佐证、相互补充,主要体现在以下三个方面:一是近地表速度结构(图 4b)呈现出凹隆相间的构造形态.郯庐断裂带东、西两侧为基底隆起区,隆起部位的沉积盖层厚度小于200 m;郯庐断裂带显示为低速凹陷区,凹陷最深区域位于断裂F3下降盘的陵城镇附近,其最大厚度600~650 m.折射波成像结果与2条浅层反射剖面揭示的构造形态和特征吻合较好.二是利用初至波层析成像得到的近地表P波速度结构,不但可为地下结构和构造分析提供佐证,而且,还可为反射地震资料处理的静校正量计算、反射波叠加成像以及时-深转换等提供速度参考.三是浅层地震反射剖面包含有更多反映结构分层、界面起伏、断裂构造特征等细节,从而能够较准确地判定断裂位置、断裂形态、上断点埋深等.
(2) 郯庐断裂带的东边界断裂F1和西边界断裂F4的活动性相对较弱,错断了第四纪覆盖层的底界,未波及到剖面上部的中更新世地层,推断它们应为第四纪早期断裂.断裂F2和F3分别错断了中更新世内部地层和晚更新世地层的底界,其活动时代分别为中更新世和晚更新世.
(3) 安丘—莒县断裂是研究区内活动时代最新的1条断裂,它由2条相向而倾的断层F5、F5-1构成的断陷带.综合浅层地震剖面断裂上断点的埋深和钻孔地质资料推断,西支为全新世活动断裂,东支为晚更新世活动断裂.
致谢 本项目的深、浅地震剖面数据是中国地震局地球物理勘探中心70余名技术人员辛苦劳动的成果.野外探测工作得到了江苏省地震局、宿迁市地震局等单位的大力支持与协助.审稿专家对本文提出的建设性意见和建议,在此一并表示衷心感谢!
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