地球物理学报  2018, Vol. 61 Issue (11): 4475-4485 |
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, SHI JinHu1, ZHANG Yi2, LIU BaoJin1, JI JiFa1, TAN YaLi1, YUAN HongKe1, FENG ShaoYing1, LIU ZengQi1
郯庐断裂带是我国东部一条规模较大的NNE向断裂带，自20世纪50年代被航磁大调查发现以来，已有近六十年的研究历史(叶高峰等，2009；张鹏等，2011).根据航磁异常特征、重力异常资料、构造特征和地震活动等方面揭示了郯庐断裂带存在着明显的分段特征(徐嘉炜和马国锋，1992；张鹏等，2007；黄耘等，2011)，以渤海和江苏新沂为界，可划分为三段：沈阳—渤海段(又称营潍断裂带)、山东段(又称沂沭断裂带)和苏皖段.自郯庐断裂带被发现以来，许多科研学者对其进行了大量的调查和研究工作，特别是围绕断裂活动性较强的郯庐断裂带中段，取得了丰硕的重要成果(谢瑞征等，1991；施炜等，2003；张鹏等，2010；刘保金等，2015；熊振等，2016；许汉刚等，2016；杨源源等，2016).对于郯庐断裂带安徽段，众多学者围绕此段也开展了多方面的研究工作：刘备等(2015)通过详细的野外地质调查表明：郯庐断裂带安徽段的活断层广泛存在.汤有标等(1988)指出在太湖小池可见老构造岩石被逆冲在中更新世网纹泥砾层之上，垂直断距达1 m.姚大全等(2004)通过断层泥年龄测试与微观观测显示，郯庐断裂带白山—卅铺一带在中、晚更新世有过强烈的活动.姚大全和刘加灿(2004)在郯庐断裂带池河段的池河轮窑厂发现，断裂错断了褐黄色含铁锰结核的晚更新世黏土，说明晚更新世以来仍有活动.赵朋等(2017)在安徽浮山段开展的探槽工作表明：位于淮河以南的郯庐断裂带浮山段在晚更新世至全新世早期仍有较强的活动，对第四纪地层和地貌有明显的控制作用.郑海刚等(2017)在安徽泗县徐井段开挖的探槽结果揭示，郯庐断裂带安徽泗县徐井一带自中更新统沉积以后，断裂先后经历了挤压和引张等共4次活动，其最新活动在全新世早期.总结前人的研究成果得出，郯庐断裂带安徽段的活动特征具有分段性，总体呈现出西南老、东北新的活动时代特点.这些研究成果大大提高了对郯庐断裂带安徽段断裂活动性特征的认识.
五河—合肥断裂是郯庐断裂带的西边界断裂，该断裂从合肥市城区穿过，是1条规模较大、切割较深的第四纪隐伏活动断裂.本文以五河—合肥断裂为研究对象，利用中国地震局地球物理勘探中心2015年在合肥盆地完成的深地震反射剖面和2条跨断裂的浅层地震反射资料，分别采用初至波层析成像技术和共中心点多次叠加技术对其进行高分辨率成像，获得了近地表的P波速度结构和高精度的浅层地震剖面.同时还结合区内钻孔地质资料，对五河—合肥断裂的浅部精细结构、断裂空间展布以及断裂活动性进行了分析和讨论.其研究结果不仅可提高对五河—合肥断裂浅部构造特征的认识，也可为进一步深入研究郯庐断裂带安徽段的活动断裂分段和最新活动时代，以及对合肥市区的城市规划建设中避开活动断裂带提供了地震学证据.
1 研究区地质构造概况及地震剖面位置已有研究表明：郯庐断裂带合肥段主要由四条分支断裂组成，自西向东分别为五河—合肥断裂(F2)、朱顶—石门山断裂(F1)、池河—太湖断裂(F15)、嘉山—庐江断裂(F16)(万桂梅等，2009).其中，嘉山—庐江断裂、五河—合肥断裂为郯庐断裂带的东、西边界，向北分别与江苏境内的山左口—泗洪断裂和纪集—王集断裂相连.郯庐断裂带合肥段走向NE-NNE，东侧为阚集群和张八岭群组成的隆起，断裂带控制了张八岭构造带的西界；断裂带西侧为侏罗纪以来发育的陆相沉积盆地，断裂带的西支断裂隐伏于合肥盆地内，总体上构成了东隆西沉的构造格局.
合肥盆地的断裂构造较为发育，主要以北北东、北西、近东西向3组方向断裂为主，其中北北东走向的五河—合肥断裂是本文讨论的重点.已有研究结果表明：五河—合肥断裂(F2)是一条走向北东、倾向北西的第四纪隐伏活动断裂，其向下切割深度大于4 km(翟洪涛等，2006).该断裂自五河县向南，经合肥市、舒城县，消失在大别山区的七里河一带，长约350 km(郑颖平，2017).航磁和重力资料显示，该断裂的地球物理场特征较为显著，位于正、负磁场交变处，西侧为东西向航磁正异常，东侧为北北东向负异常；布格重力表现为等值线密集带，西为东西向重力高或重力低，东为北北东至北东向重力低.
本项研究的深地震反射剖面穿过了郯庐断裂带的4条分支断裂，剖面方向为西北-东南向，其长度为87.1 km(图 1中的DSRP).剖面西北端位于长丰县下塘镇上杨村东X008县道附近(32°14′29.0″N，117°12′37.4″E)，向东穿过合肥盆地、郯庐断裂带、张八岭隆起，东南端终止于马鞍山市含山县仙踪镇王家庄(31°51′49.1″N，118°00′19.2″E).
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图 1 研究区地质构造和地震测线位置 F1朱顶—石门山断裂; F2五河—合肥断裂; F3大蜀山—吴山口断裂; F4桥头集—东关断裂; F5长临河断裂; F6六安—合肥断裂; F7肥西—韩摆渡断裂; F10颍上—定远断裂; F11肥中断裂; F15池河—太湖断裂; F16嘉山—庐江断裂; F17滁河断裂; F18乌江—罗昌河断裂. Fig. 1 Map showing geological structure and location of seismic survey lines in the study area F1 Zhuding-Shimenshan fault; F2 Wu-He fault; F3 Dashushan-Wushankou fault; F4 Qiaotouji-Dongguan fault; F5 Changlinhe fault; F6 Liu′an-Hefei fault; F7 Feixi-Hanbaidu fault; F10 Yingshang-Dingyuan fault; F11 Feizhong fault; F15 Chihe-Taihu fault; F16 Jiashan-Lujiang fault; F17 Chuhe fault; F18 Wujiang-Luochang fault. |
为了确定断裂的准确位置、断层上断点埋深和断裂近地表构造等特征，跨五河—合肥断裂还布设了2条浅层地震反射剖面(图 1中的SL1、SL2).其中，SL1测线沿物流大道自西向东布设，测线长度3.588 km，西端起于物流大道西，东端终止于新安医院西100 m.SL2测线沿合铜路(S103)自南东-北西向布设，测线长度为10.578 km，剖面南东端起于京台高速路桥北，北西端终止于合安路(G206).
2 数据采集和资料处理 2.1 数据采集深地震反射剖面的数据采集采用了排列内部激发，双边不对称接收的工作方式.观测系统具体参数：道间距25 m、炮间距200 m、800道接收、50次覆盖；地震波激发采用井中爆破激发源，激发药量30 kg或150 kg.地震波接收采用10~12个固有频率10 Hz的检波器串；采集仪器使用的是法国SERCEL公司生产的428XL遥测数字地震仪，采样率4 ms，采样长度30 s，共取得了371炮高质量的原始单炮记录.
本项研究的浅层地震测线沿着城市道路和街道布设.考虑到城市工作环境以及地震资料信噪比等方面因素，地震采集仪器使用德国DMT公司生产的SUMMIT数字地震仪，采样长度1 s、采样间隔0.5 ms.激发源采用美国M18/612型可控震源，扫描频带范围30~200 Hz，扫描长度8 s.地震波接收使用3~4个固有频率60 Hz的检波器串.为了能够获取近地表50 m深度以内的地下反射结构信息，在选取观测系统参数时，依据现场试验结果，最终采用了道间距2 m、炮间距10 m、160道接收、16次覆盖的观测系统.
2.2 资料处理 2.2.1 初至波层析成像技术相对反射波而言，地震记录中的初至折射波同样包含了大量反映地下构造的运动学和动力学信息，并且初至折射波易于识别和追踪.地震初至波层析成像技术是基于射线理论，利用初至波的走时来反演地下介质速度场的一种高精度成像方法(罗省贤和李录明，2004；李燕等，2017).它的优势在于仅需要初至波的走时信息，而对于初至波属于哪个类型的波并无具体要求(王立会等，2015)，另外，它对地表和地下结构也没有严格的限制条件，无论是速度横向变化较大还是地表起伏剧烈的地区，均能取得较好的效果(李永铭等，2015).
本文利用近地表建模Tomodel软件，对深地震反射数据进行初至波层析成像处理，得到了郯庐断裂带合肥段近地表P波速度结构的展布形态(图 4).本项工作的处理流程和方法主要包括：1)为了能够更快捷、更准确地拾取初至波，对原始单炮记录进行线性动校正处理；2)拾取初至波走时，对初至异常的检波点和互换差较大的炮点进行去除，以保证反演结果的可靠性；3)建立初始速度模型(图 2a)，采用12.5 m×6.25 m的矩形网格对速度模型面元离散化，利用快速步进波前追踪的正演算法和非线性初至波层析反演算法进行20次迭代计算，得到理论反演的初至时间；4)将实际的初至时间和理论合成的初至时间进行对比，删除拟合差值较大的炮点和检波点的初至，重新进行层析反演，直至两者初至走时基本吻合.图 2b是经20次迭代的收敛曲线，走时迭代残差由264.6 ms降到62.5 ms，反演结果基本趋于平稳.
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图 4 初至波射线路径和浅层P波速度结构 Fig. 4 Ray paths of first-arrival waves and shallow P-wave velocity structure |
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图 2 初始速度模型(a)和迭代收敛曲线(b) Fig. 2 Initial velocity model (a) and iterative convergence curve (b) |
针对获得的原始单炮记录特点，不断反复试验、对比每个处理模块的效果和参数，确定数据处理流程.其中关键技术主要包括静校正、叠前去噪、DMO叠加、有限差分偏移以及叠后去噪等.(1)为了消除地形起伏和地下地层介质横向不均匀对地震记录的影响，文中采用了折射静校正和地表一致性剩余静校正方法对反射数据进行处理，实现了反射波同相叠加，提高了同相轴的连续性.(2)原始记录中发育有各种噪声，如随机噪声、面波、声波、线性干扰以及50 Hz工业电干扰等，严重影响了原始记录的品质.文中采用时变带通滤波、扇形FK滤波、自适应随机噪声压制、低频低速面波压制以及二维倾角滤波等多种方法对其进行处理(图 3)，不仅压制了地震记录中的干扰，而且还提高了有效反射波的能量.(3)基岩内部地层构造变化比较大，如仅做常规处理，难以使反射面元中的共中心点得到同相叠加，影响成像效果.采用倾角时差校正(DMO)技术，一方面，解决了倾斜地层因倾角时差的存在而影响同相叠加的问题.另一方面，还具有压制随机噪声的作用.(4)采用Omega-X域有限差分偏移方法对叠加剖面进行了偏移处理，使倾斜反射归位到真正的地下位置，更好地展示了地下构造的真实形态.
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图 3 去噪前、后效果对比图 Fig. 3 Comparison of seismograms before and after de-noising processing |
利用层析成像方法对深地震反射数据中的初至折射波进行处理，得到了图 4所示的初至波射线路径分布和浅层P波速度结构图.从射线分布图可以看出，初至波射线分布比较均匀，穿透的射线数也较多，大多集中在50~200条之间，局部地段高达350条以上.总的来说，射线密度越高的地方，反演得到的速度信息越准确(图 4中白色虚线以上部分较可靠).
P波速度结构图清楚地显示了研究区内的近地表速度分布特征以及地下界面展布形态.由图可以看出，浅层P波速度在整条剖面上变化非常剧烈，横向上呈现出凹陷和隆起相间的起伏变化特征.以五河—合肥断裂F2为界，其两侧显示出明显不同的P波速度分布特征，断裂以西(剖面0~35 km)，近地表P波速度约2200 m·s-1，且界面间的厚度基本保持不变，呈现出近水平的层状形态展布；而断裂以东(剖面35~55 km)，近地表P波速度约1800 m·s-1，暗示断裂东侧的近地表地层结构较为松散，随着深度的增加，地震波速度呈正梯度增大，高速的基岩地层出现下凹，沉积盖层厚度明显增厚.张八岭隆起区表现为明显的P波高速特征，近地表P波速度高达3700 m·s-1.地表地质资料显示，在张八岭隆起带肥东段西韦地区和桃花源地区出露有大规模的高级变质肥东杂岩(韩雨等，2015)，这也证实了该区段近地表P波速度较高的现象.
肥东凹陷是合肥盆地内的一个次级凹陷.在图 4的速度结构剖面上，可看到肥东凹陷明显受五河—合肥断裂F2以及池河—太湖断裂F15的控制，且凹陷内的新生代沉积厚度和近地表速度分布与东、西两侧明显不同.池河—太湖断裂F15为肥东凹陷的东边界断裂，在速度结构图上表现为高、低速的分界，为1条向西倾的正断层.刘备等(2015)通过野外地质调查发现，合肥盆地东界上的郯庐活断层主要为破碎型活断层，多沿着早期盆缘正断层发育，向西陡倾，这与速度剖面揭示的池河—太湖断裂F15特征相一致.
值得注意的是：合肥盆地的现代地貌整体来看处于较高的地势，在肥东凹陷处，地势在此区段位于最低，这可能受到了地下凹陷构造的影响.而东侧的张八岭隆起区与合肥盆地相比，地势明显变低，显然这与地下基岩隆起的构造形态不对应，表明了合肥盆地东界活断层的活动并没有明显地控制着现代地貌.刘备等学者(2015)指出，嘉山盆地段东倾的西支活断层、合肥盆地东界上西倾的活断层及大别造山带东界上东倾的活断层，在逆右行平移活动中，盆地一侧为上升盘，但现代地貌上却为相对的低地势，同样也显示了这些活断层的活动与现代地貌不吻合.
3.2 浅层地震剖面揭示的断裂特征 3.2.1 浅层地震反射剖面SL1图 5为SL1测线的浅层反射波偏移时间剖面.该剖面经过地段的地层界面反射波组非常丰富，能有效追踪出多组横向连续性较好的强反射同相轴.据测线南端约1.3 km的ZK1钻孔揭露，中更新世(Q2)的底界埋深约为34 m，缺失早更新世地层，之下为白垩纪地层.因此，我们将浅层地震剖面揭示的一组埋深约32~40 m的界面解释为第四系的底界面反射(标记为TQ)，将T1~T3反射波解释为白垩纪内部的地层反射.从剖面可以看出，第四系底界反射TQ比较平缓，呈近水平形态展布，而白垩纪地层T1~T3反射波，在剖面桩号2264 m以西，呈现向西倾的单斜形态；剖面桩号2264 m以东，呈现出一个沉积凹陷.
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图 5 SL1测线的偏移时间剖面(a)及其解释结果(b) Fig. 5 Migrated time section (a) and geologic interpretation (b) for survey line SL1 |
剖面揭示的地层反射界面形态和断裂的浅部构造特征非常清晰，断裂附近出现了明显的同相轴错断.根据断点性质以及所在的平面位置分析认为：桩号2264 m的FP2.1断点应该是五河—合肥断裂在剖面上的反映，该断裂在剖面上表现为向东倾的正断层，向上依次错断了白垩纪基岩地层以及第四纪覆盖层的底界，其断距由浅至深逐渐增大，从剖面上可分辨的断层上断点埋深约35 m左右.另外，在断裂上盘，基岩内部地层的形态出现了明显下凹，这与基底速度图F2断裂右侧的构造形态一致.
3.2.2 浅层地震反射剖面SL2图 6为SL2测线的浅层反射波偏移时间剖面.由图可以看出，该剖面揭示的第四纪底界TQ非常清晰，北西段呈高低不平的起伏形态，南东段呈近水平形态展布.第四纪覆盖层之下的基岩地层，在剖面桩号8255 m附近可看到一个由浅到深非常明显的断裂分界线，其东、西两侧的地层反射波组特征明显不同.测线桩号8255 m以东，地层反射能量强、反射震相丰富、地层展布特征清晰；测线桩号8255 m以西，在第四系覆盖层之下，剖面上几乎看不到明显的地层界面反射.依据上述特征，在桩号8255 m处解释了1条南倾的正断层，从位置和剖面特征来看，该断裂应是肥西—韩摆渡断裂在浅层地震剖面上的反映.
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图 6 SL2测线的偏移时间剖面(a)及其解释结果(b) Fig. 6 Migrated time section (a) and geologic interpretation (b) for survey line SL2 |
肥西—韩摆渡断裂是华北地块与秦岭大别褶皱带的分界断裂.在浅层地震剖面上，可看到肥西—韩摆渡断裂的下降盘发育着较厚的、成层性较好的沉积层，且这些沉积层反射随着深度的增加，界面倾角逐渐增大，而在断裂上升盘，无成层性较好的地层反射存在，这表明断裂两侧的地层岩性和地层时代明显不同，且断裂上升盘应是基岩埋深较浅的隆起区.研究区的基岩地质资料显示，断裂上升盘基岩为侏罗纪地层，下降盘发育了较厚的白垩纪地层沉积.朱光等学者(2011)的研究认为：在合肥盆地伸展期，基底断裂的复活形成了盆地南、北边界以及内部的大型近东西向、南倾正断层(如肥中断裂、肥西—韩摆渡断裂等)，这些近东西向正断层的活动对盆地的沉积格局具有重要影响.白垩纪早期，在区域构造应力场作用下，沉积的地层出现轻微褶皱变形，而后接受近水平的白垩纪地层沉积.喜马拉雅阶段，盆地发生了抬升和剥蚀作用，造成沉积间断，缺失了古近纪和新近纪地层沉积，之后，盆地进入相对稳定的沉积阶段，开始大面积接受第四系沉积(刘国生等，2006；张翔等，2017).
浅层剖面揭示的五河—合肥断裂FP2.2位于测线桩号4700 m附近，错断了剖面上所有地层的反射，可分辨的断层上断点埋深约为21 m.五河—合肥断裂FP2.2在剖面上呈现出反转断层特征，在T1界面表现为明显的正断层特性，而在断层上断点处却表现为逆断层性质.
为进一步确定断点FP2.2错断的最浅地层以及最新活动年代，跨断裂布设了1条长度109 m的钻孔联合剖面1)(BHJS)，该剖面由11个深度21.34~34.38 m、间距0.5~49 m的钻孔组成.钻孔剖面揭示，断裂附近的中更新统底界埋深为20.2~22.64 m，断裂FP2.2错断的地层埋深约17 m，为中更新统下部地层，由此可判断，五河—合肥断裂的最新活动时代应为中更新世早期.
1) 中国地震局地质研究所. 2016. “合肥市地震活断层探测及地震危险性分析”目标断层晚第四纪活动性鉴定成果报告.
4 结论本文利用初至波层析反演方法得到了郯庐断裂带合肥段的P波速度结构，采用地震反射勘探方法对郯庐断裂带西支—五河—合肥断裂的浅部结构进行了高精度的构造成像.两种方法相结合，可获得五河—合肥断裂0~2 km范围内的地下结构，使我们能够更全面地分析该断裂的地下浅部构造变化以及断裂的相互组合关系.
初至波成像结果清晰地显示了郯庐断裂带合肥段的近地表P波速度分布以及地下构造形态，近地表P波速度总体呈现出纵向分层和横向凹隆相间的起伏特征.速度图上揭示的五河—合肥断裂表现为高速与低速的分界，断裂右侧为肥东凹陷，近地表P波速度约1800 m·s-1，凹陷内部有着较厚的沉积覆盖层；东侧的张八岭隆起区表现为明显的高速特征，近地表P波速度高达3700 m·s-1，沉积盖层厚度与合肥盆地相比明显变薄，郯庐断裂带东支的池河—太湖断裂控制着合肥盆地中、新生界与张八岭构造带的分界.总体来看，五河—合肥断裂和池河—太湖断裂对盆地内的沉积盖层厚度和近地表速度分布有着重要的控制作用.
2条浅层地震反射剖面很好地反映了五河—合肥断裂的浅部构造特征，根据对地震剖面的解释以及结合本区地质资料认为：五河—合肥断裂是一条走向NNE、倾向E的正断裂，该断裂向上依次错断了白垩纪和第四纪内部地层，从剖面上可分辨的断层上断点埋深约21~35 m.据钻孔联合地质剖面显示，断裂错断了中更新世下部地层，其最新活动时代为中更新世早期.另外，浅层地震剖面解释的断点埋深与钻孔联合剖面揭示的深度误差仅有4 m，具有较好的一致性，这也说明了浅层地震勘探对活断层探测的可靠性.
本文综合近地表P波速度结构、浅层地震反射剖面以及钻孔联合地质剖面，对五河—合肥断裂的浅部构造特征以及最新活动时代进行了分析研究，其结果不但可为进一步理解五河—合肥断裂的浅部构造特征提供了地震学证据，而且还丰富了郯庐断裂带安徽段隐伏断裂活动性特征的研究内容.
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表 1 五河—合肥断裂的断点参数 Table 1 Breakpoint parameters of the Wuhe-Hefei fault |
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表 1
Table 1
