2019, Vol. 40
2. 中国河北 056002 邯郸市地震局;
3. 中国石家庄 050000 石家庄市地震观测站
2. Earthquake Administration of Handan city, Hebei Province 056002, China;
3. Shijiazhuang earthquake observation station, Shijiazhuang 050000, China
武清凹陷是渤海湾盆地冀中坳陷东北部的一个边缘凹陷, 凹陷内发育的主要断裂为河西务断裂带和小高庄断裂, 其中河西务断裂带北起河西务, 南到雄县, 由数条雁列展布断裂组成, 为武清凹陷与廊固凹陷的分界线。河西务断裂是控制廊坊—固安凹陷和武清凹陷的分界断裂, 过去针对河西务断裂所做的工作主要是油气勘探方面的研究, 所重点关注的地层界面为新近系底界, 因此从石油构造资料中难以获得断裂在近地表的清晰形态。而从断裂活动的角度考虑, 所关心的是断裂在近地表的构造特征以及深部发震背景。基于这一考虑, 本文根据浅层高分辨率地震探测结果, 并结合石油地震勘探资料、大地电磁测深资料, 研究河西务断裂深浅构造的关系。
1 地质背景及河西务断裂构造概况廊固凹陷位于渤海湾盆地冀中坳陷西北部, 武清凹陷是渤海湾盆地冀中坳陷东北部的一个边缘凹陷, 是冀中坳陷的一个次级负向构造单元。冀中坳陷在早中生代整体处于隆起状态, 晚中生代整个隆起地块解体, 盆地边界断裂如保定—石家庄断裂开始活动, 下降盘一侧形成厚3 500 m沉积。新生代是冀中坳陷主要形成和发育时期, 盆地边界断裂进一步形成和发展, 凹陷内部断裂逐渐发生和活动, 构成东、西2个凹陷带和中央隆起带及任丘—河间潜山带的构造格局。中央隆起带由藁城、高阳低凸起, 牛头镇凸起和河西务潜山带构成。武清凹陷下第三系、上第三系发育, 下第三系由西北洼向东南斜坡超覆于古生界及残存中生界而减薄或尖灭；上第三系北向南逐渐减薄, 为冀中坳陷沉积沉降中心, 厚度可达3 000 m, 第四系厚度超过400 m。
冀中坳陷东南与北西两侧分别被河西务断层和大兴断层所夹持。河西务断裂是控制冀中坳陷次级构造单元武清凹陷的分界断裂, 断裂北起河西务西北, 向西南经大王务, 延伸至永清东码头镇, 全长约50 km, 走向NE, 倾向SE, 为上陡下缓的铲形正断层。断层上盘有完整的下第三系, 厚达5 000—6 000 m, 其下为古生界, 下盘地层较薄, 约3 000 m的下第三系之下为古生界。河西务断裂北段的横剖面显示断层面切断上第三系底面, 并造成千米左右的落差, 说明晚第三纪该断裂强烈活动。
2 浅部构造特征 2.1 测区第四系划分测区第四系层序划分是对比浅层地震勘探结果来判别断层活动时代的重要依据, 通过第四系层序划分的结果与浅层地震勘探时—深转换结果进行对比研究, 可确定断层上断点埋深位置及其最新活动时代。
廊坊地区位于华北平原的冀中坳陷带内, 第四纪时期仍继承了早期的大面积下陷, 且范围有所增加, 并向山区不断超覆, 第四系厚度500—600 m, 为一套松散的粘土、砂质粘土及砂、砾石堆积等。廊坊地区第四系更新统划分为3个组, 即欧庄组、杨柳青组、固安组, 全新统埋深一般20—40 m, 各层基本特征简述如下。
(1) 全新统(Qh)。以冲积为主, 夹有湖沼相及海相的堆积物, 为灰黄色、灰黑色含淤泥质的亚粘土、亚砂土夹砂层的岩性组合, 土质疏松, 常见未钙化的古土壤层, 底界深度一般为20—40 m。
(2) 欧庄组(Q3o)。相当于上更新统(Q3), 为一套冲积、洪积及冲积、湖积为主的堆积物, 以黄色、棕黄色含多量的粉土质亚砂土、亚粘土夹砂砾石层, 并见有黄土状结构为其特征, 底界面(即本组的底界)深度一般为120—170 m。
(3) 杨柳青组(Q2y)。相当于中更新统(Q2), 为一套冲积、洪积与冰川—冰水堆积及冲积、湖积的含砂亚粘土夹砂砾卵石层的堆积物, 具有明显的三元结构, 底界面深度一般为250—350 m。
(4) 固安组(Q1g)。相当于下更新统(Q1), 为一套冲洪积与冰川—冰水堆积及冲积、湖积的粘土、亚粘土夹砂砾层堆积物, 底界面深度(即第四系下限深度)一般为500—600 m。
在距浅层地震勘探测线附近6—20 km范围收集5个深孔资料(图 1), 即安20孔、物1孔、安22孔、安28孔、永11孔, 5个钻孔第四系划分如下：①安20孔：Qh底界22.8 m, Q3底界175 m, Q2底界354 m, Q1底界452 m；②物1孔：Qh底界27.4 m, Q3底界150 m, Q2底界361 m, Q1底界420 m；③安22孔：Qh底界26.2 m, Q3底界148 m, Q2底界319 m, Q1底界534 m；④安28孔：Qh底界29.5 m, Q3底界为231 m, Q2底界422 m, Q1底界600 m；⑤永11孔：Qh底界20.4 m, Q3底界为142 m, Q2底界364 m, Q1底界495 m。
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图 1 大地电磁测深、地震勘探剖面位置 Fig.1 Profile location of magnetotelluric sounding and seismic exploration |
综合廊坊地区第四系划分以及上述5个钻孔资料, 浅层地震勘探测区全新统底界为26 m左右, 上更新统底界为160 m左右, 中更新统底界为360 m左右, 下更新统底界为510 m左右。
2.2 浅层地震反射剖面特征在距廊坊市7 km的西村南、普照营村北跨河西务断层布设2条浅层地震勘探剖面L04、L05(图 1), 探测使用STRATAVISOR NZXP96地震仪记录, 采样间隔为0.5 ms, 记录长度1.0 s, 通频带为15—250 Hz, 道间距4 m、偏移距24 m、炮间距12 m、12次覆盖, 72道单边接收的观测系统, 采用70 kg冲击震源激发、6只60 Hz垂直检波器组合接收地震波, 经数字处理后得到水平叠加的反射时间剖面。
2.2.1 L04剖面分析L04测线位于廊坊市西村南, 测线方向NW10°。在地震勘探剖面(图 2)中, 丰富的地层界面反射波组出现在700 ms(深度600 m)以上, 可分辨出3组反射能量强、界面形态清楚的反射波波组, 其中, T01相应于中更新统底界面, T02相应于晚更新统底界面。
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图 2 L04测线浅层地震反射剖面 Fig.2 Shallow seismic reflection profile of L04 line |
由图 2剖面中各反射波同相轴的横向延展特征可见, 在剖面桩号480—840 m之间, T02以下的反射波同相轴错断、中断特征明显, 显示出2条高角度的断层, 分别位于桩号500、800 m附近, 两断层在深度500 m以下汇聚为同一断裂, 形成“Y”字型结构, 主控断层倾向ES, 倾角约75°, 上断点埋深170 m左右。
2.2.2 L05剖面分析L05测线位于廊坊市普照营村北, 测线方向NW13°。在地震勘探剖面(图 3)中, 丰富的地层界面反射波组出现在500 ms(深度440 m)以上, 可分辨出2组反射能量强、界面形态清楚的反射波波组, T01相应于中更新统底界面, T02相应于晚更新统底界面。
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图 3 L05测线浅层地震反射剖面 Fig.3 Shallow seismic reflection profile of L05 line |
由图 3剖面中各反射波同相轴的横向延展特征可见, 在剖面桩号780—1 130 m之间, T02以下的反射波同相轴存在明显的错动和弯曲, 显示出2条高角度的断层, 分别位于桩号780、1 110 m附近, 两断层在深度500 m左右汇聚为同一断裂, 形成“Y”字型结构, 主控断层倾向ES, 倾角约70°, 上断点埋深170 m左右。
2.3 浅部构造特征浅层地震剖面L04、L05测线揭示, 河西务断裂在近地表为一倾向ES、高角度的正断层, 倾角70°—75°, 断裂为一主干断层与一条次级断层构成“Y”字型构造；主干断层上断点埋深170 m左右, 活动时代为中更新世晚期。
3 深部构造特征图 4为经过河西务断裂的石油深地震探测剖面。由图 4可见, 河西务断裂结构清晰, 断裂两侧地层角度不整合, 褶皱和伴生断裂发育, 断层上陡下缓呈铲形, 在12.0 s(38 km)左右深度与大兴断裂交汇向下延伸, 进入基底之中。在10 s(相当于30 km)深度左右存在1个强反射界面为莫霍面, 断裂带以东由多个强相位组成, 断裂以西无论相位数目还是强度均显示出反射相对较弱, 断裂东出现一低角度向上切层的断坡, 倾斜的反射波同相轴清晰可见, 断坡之上形成扩展向斜。在6.0 s(相当15 km)深度也出现类似现象, 断坡角度稍大, 上盘发育规模较小的断裂带, 这使得两侧震相存在明显差异。3—5 s(相当5—11 km)深度发育1组强反射波组, 在T2400号点向东为向斜状, 呈现褶皱变形, 该界面是背、向斜构造基底顶面的反映。
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图 4 河西务断裂的石油地震剖面(据何登发等, 2017) Fig.4 Petroleum seismic profile of Hexiwu fault (According to He Dengfa et al, 2017) |
图 5为跨河西务断裂的大地电磁测深剖面的部分段落。由图 5可见, 剖面显示出地壳和上地幔电性结构都有较明显的分层现象, 电性差异较大, 上地壳构造复杂, 中下地壳具有横向不连续低阻高导体, 在断裂构造附近常有错断, 并有与上地幔高导流体相连通的渠道。
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图 5 天津大港—河北廊坊大地电磁剖面部分段落(据陈宇坤等, 2013) Fig.5 Selected paragraphs of magnetotelluric profile of Dagang-Hebei Langfang, Tianjin (According to Chen Yukun et al, 2013) |
河西务断裂(F5)位于距剖面起点5 km附近, 断裂两侧电性结构层横向上有明显差异和错动, 在中下地壳电阻率等值线也发生明显的错动, 且电性界面较陡, 剖面显示该断裂切割较深, 穿过莫霍面, 进入上地幔, 在断裂下盘存在壳内低阻带, 即壳内高导体(层)。
采用双差定位法对河西务断裂及周边的中小地震重定位, 图 6为中小地震重定位后分布以及2个不同方向上的小震震源深度纵剖面投影图。从重定位后的结果可以看出, 该区域的震源深度主要分布在5—20 km, 表明震源深度优势分布主要集中在中上地壳。在剖面ΩL2—L2′上可以清楚看出一个倾角较陡的地震带状分布, 其优势深度5—20 km, 该位置大致与河西务断裂相对应, 且剖面L1—L1′中存在1个小震丛集区。
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图 6 小震精定位分布 (a)重定位后地震空间分布；(b)震源深度沿L1—L1′方向上的剖面投影；(c)震源深度沿L2—L2′方向上的剖面投影 Fig.6 Distribution of precision relocation of small earthquakes |
河西务断裂深浅构造在几何结构和活动性质方面关系密切。大兴断层控制沙河街组沉积作用, 在断层长时期活动下断面向下, 并逐渐变缓, 巨厚的沉积物在重力作用下顺断面发生滑动, 其前缘地层受到挤压, 弯曲变形。同时, 沙二段—沙一段沉积期, 河西务断层开始活动, 大兴断层活动减弱, 这致使河西务潜山旋转抬升, 使得沙二—沙一期大兴断层与河西务断层之间的杨税务断层强烈活动, 其下降盘形成的一系列断阶向深部归并到沙三下的塑性层上(图 4), 从而形成一个拆离滑脱体系。该拆离滑脱构造以大兴断层为主体, 其断面向深部平缓延伸, 进入基底之中。大兴断层与河西务断层共同作用造成地壳“背斜”隆起, 在中地壳的隆起下部形成壳内低阻带；在中地壳的拆离滑脱上盘的上地壳形成高角度逆冲和走滑断裂, 构成地壳差异变形的主体, 受控于深部的构造作用；浅部断裂构造在几何结构和活动性质上都是其下部变形主体向上延伸和扩展的直接结果, 形成不对称的背向斜。
陈国光等(2003)研究了华北盆地内邢台7.2级地震等几个大震区地震构造, 认为华北地区大震区的地壳具独特的地质结构构造组合, 即上地壳为能量调整单元, 存在早第三纪发育的铲状和平面状正断裂及其控制的断陷盆地；中地壳为能量积累单元, 存在低速、高导体(层)；下地壳为能量传递单元, 发育高角度深断裂。河西务断裂控制了廊固凹陷和武清凹陷中新生代的沉积发育历史, 是长期继承性发育的主干断裂, 第四纪仍有一定活动。
5 结论河西务断裂在近地表为高角度的正断层, 断裂为由1条主干断层与1条次级断层构成的“Y”字型构造, 主干断层上断点埋深170 m左右, 活动时代为中更新世晚期。断裂上陡下缓呈铲形, 两侧扩展向斜、褶皱和伴生断裂发育, 断裂切割较深, 与大兴断裂交汇向下延伸, 进入上地幔, 在断裂的下盘存在壳内高导体(层)。已有资料显示, 河西务断裂附近地震的震源优势深度为5—20 km, 结合该断裂深浅部构造特征和华北地区孕震特点分析认为, 该断裂存在发生中强地震的构造背景。
本文利用双差定位法对河西务断裂及周边中小地震重定位的部分结果得到河北省地震局王晓山高级工程师的帮助, 在此表示衷心感谢。
陈国光, 徐杰, 高战武. 2003. 华北渤海湾盆地大震的构造特征[J]. 华北地震科学, 21(2): 7-15. DOI:10.3969/j.issn.1003-1375.2003.02.002 |
陈宇坤, 赵国敏, 闫成国, 等. 2013. 天津市活动断层探测与地震危险性评价[M]. 北京: 科学出版社.
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何登发, 崔永谦, 张煜颖, 等. 2017. 渤海湾盆地冀中坳陷古潜山的构造成因类型[J]. 岩石学报, 33(4): 1338-1356. |