引用本文
王志铄, 马兴全. 郑州-开封断裂新生代活动特征[J]. 地震地质, 2018,40(3): 511-522.
WANG Zhi-shuo, MA Xing-quan. THE ACTIVITY CHARACTERISTICS OF ZHENGZHOU-KAIFENG FAULT DURING KAINOZOIC[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2018,40(3): 511-522.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2018.03.001
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郑州-开封断裂新生代活动特征
王志铄, 马兴全*
河南省地震局, 郑州 450016
*通讯作者: 马兴全, 男, 工程师, E-mail: 568046846@qq.com。

〔作者简介〕 王志铄, 男, 1967年生, 2005年于中国地震局地球物理研究所获固体地球物理专业博士学位, 高级工程师, 主要从事深部地球物理、 地震预报及地震活动性研究, 电话: 0371-68109105, E-mail: 516494347@qq.com。

收稿日期: 2017-05-22
基金项目: 中国地震局2017年度 “城市活断层探测及地震危险性评价”项目资助
摘要

开封凹陷向北以新乡-商丘断裂为界, 与北华北坳陷相邻, 向南以郑州-开封断裂为界与太康隆起相接, 是由多组断裂围限的菱形块体。目前关于郑州-开封断裂的新生代活动特征及其与新乡-商丘断裂的构造关系仍不甚明确。通过对开封凹陷及太康隆起内的8口探井揭露的地层进行细分对比、 标定地震地质层位, 完成了多条地震反射剖面的对比解释。最终发现郑州-开封断裂平面上具有波状起伏特点, 总体走向近EW, 延伸长度约154km。剖面上该断裂呈上陡下缓、 具有明显转折点的 “L”型断层; 转折点位于古近系与新近系不整合接触面附近。该断裂古近纪时期为强活动正断层, 造成北侧开封凹陷内巨厚的古近系沉积。中喜马拉雅运动后该断裂向水平扭动演变, 倾角变陡的同时活动程度急剧减弱, 至第四纪已停止活动。郑州-开封断裂南侧部分段产生NW向雁列状宽缓褶皱带, 以地壳缩短的方式响应了缘于断裂左旋剪切活动所产生的挤压效应。开封凹陷的活动性向北转移。

关键词: 太康隆起; 开封凹陷; 郑州-开封断裂; 新乡-商丘断裂; 中喜马拉雅运动
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2018)03-511-12
THE ACTIVITY CHARACTERISTICS OF ZHENGZHOU-KAIFENG FAULT DURING KAINOZOIC
WANG Zhi-shuo, MA Xing-quan
Earthquake Administration of Henan Province, Zhengzhou 450016, China
Abstract

As one of the rhombic blocks in North China, Kaifeng depression is on the south of the northern Huabei depression and in the north of the southern Huabei depression, bounded by Xinxiang-Shangqiu Fault and Zhengzhou-Kaifeng Fault, respectively. So far, the activity of Zhengzhou-Kaifeng Fault during Kainozoic era and the relationship between Zhengzhou-Kaifeng Fault and Xinxiang-Shangqiu Fault is still unknown. We interpreted several deep seismic profiles across Taikang uplift and Kaifeng depression on the basis of the strata sequence exposed by the 8 drill holes in the related area. The outcomes indicate that the Zhengzhou-Kaifeng Fault strikes EW on the whole, presenting undulating feature in plain, with a length about 154km. The profiles show the dip angle of the fault is steeper in the shallow than that in the deep, with an obvious “L-shaped” turning point. In Paleogene, the fault was a normal fault. In its hanging wall, the Kaifeng depression, there deposited hundreds of meters of Eogene. After middle Himalayan movement, Zhengzhou-Kaifeng Fault converted to a strike-slip fault, the dip angle became steeper, but the activity became weaker. The Zhengzhou-Kaifeng Fault ended its activity before Quaternary. As a response to the compression in the footwall caused by the sustained sinistral shearing, there developed a series of NW-trending, en echelon wide and gentle folds. Then, the activity in Kaifeng depression shifted to its north boundary.

Keyword: Taikang uplift; Kaifeng depression; Zhengzhou-Kaifeng Fault; Xinxiang-Shangqiu Fault; middle Himalayan movement
0 引言

河南省地跨华北块体与秦岭褶皱带2个大地构造单元, 中条运动后本区以栾川-确山-固始深断裂为界, 北部形成华北块体结晶基底, 南部秦岭褶皱带演变为NWW向构造带, 奠定了河南地区的构造基础。燕山运动时期华北块体盖层内发生强烈的断褶运动导致老断裂复活的同时, 产生大量的NNE走向断裂(河南省地质矿产局, 1989), 与中— 新生代以来在新构造应力场作用下发育的、 活动性较高的NW— NWW走向扭动断裂一起, 将河南省北部地壳切割成以发育菱形断块为特点的共轭剪切破裂网络(丁国瑜等, 1979; 邵云惠, 1980; 李祖武, 1983; 冯希杰, 1988; Song, 1992; 徐杰等, 2003)。

开封凹陷是新生代时期(特别是古近纪)在区域伸展应力作用下由于差异升降运动形成的次级凹陷, 是河南省中北部发育的众多菱形块体之一。新乡-商丘断裂为规模较大的NW向断裂带, 郑州-开封断裂为走向近EW的断裂, 二者将开封凹陷东部切割为典型的菱形边界。鉴于当地第四系厚度可达200~340m①(① 河南省地质矿产局水文地质一队, 1985, 河南平原第四纪地质图(1︰50 000)说明书。), 断裂深隐伏于地下, 对其开展细致的研究工作面临诸多困难。目前针对郑州-开封断裂的讨论仍多局限于其空间展布及几何特征(朱嘉伟等, 2005; 韩立波等, 2012; 孙杰等, 2014)。为了进一步明确郑州-开封断裂的新生代活动特征, 及其与新乡-商丘断裂的活动关系, 有必要开展更详细的研究工作。

利用开封凹陷和太康隆起内多口具代表性的探井对地震地质层位进行标定, 通过解释密集的跨越郑州-开封断裂的地震反射剖面, 厘清断裂的空间展布情况, 总结该区新生界发育及变形规律, 进而讨论断裂新生代以来的活动特征, 为进一步明确该区的构造演变提供依据。

1 区域地质概况

开封凹陷位于南华北坳陷的北部, 是中生代时期形成的规模宏大的沉积凹陷(王定一等, 1994)之一, 其北侧为北华北坳陷, 南侧自西向东分别为豫西隆起、 太康隆起, 东部为鲁西隆起和黄口凹陷。开封凹陷的北界为新乡-商丘断裂(F1), 南界为郑州-开封断裂(F2), 具体构造位置见图1。

图 1 区域地质构造图
F1新乡-商丘断裂; F2郑州-开封断裂; F3新郑-太康断裂; F4商丘-亳州断裂; F5夏邑-太和断裂; F6登封-西华断裂; F7汤西断裂; F8汤东断裂; F9聊兰断裂Fig. 1 Regional tectonic map.

太康隆起是豫西隆起与鲁西隆起间延伸、 连接的过渡单元, 燕山运动早期该区以隆升为主, 导致中生界普遍缺失, 燕山运动末期该区整体下沉并伴随强烈的断裂活动①(① 石油化工部物探局, 1975, 太康地区及周口地区南部地震勘探成果报告。)。

新乡-商丘断裂(F1)作为开封凹陷的北界, 由新乡市向SE方向延伸, 古近纪时期为正断层, 新近纪以来为左旋走滑正断层, 长度约250km。断裂造成新近系底界断距约600m; 但第四纪以来活动性减弱, 断距仅20~80m; 为1条中更新世断裂①(①中国地震局地球物理勘探中心, 2016, 新乡市城市活断层探测报告。)。

郑州-开封断裂带由多条次级断裂构成, 由西向东依次可划分为上街断裂、 须水断裂、 中牟断裂和郑州-开封断裂, 其中郑州-开封断裂为其最主要的分支, 同时也是开封凹陷和太康隆起的分界断裂(图2)。根据探井及地球物理勘探资料, 该断裂活动造成新近系底界断距最大约150m, 加上由于断陷作用造成的地层挠曲及古地形影响, 断裂两侧的新近系底界(Ng)落差达1km(图3)。新近纪至第四纪郑州-开封断裂带的活动性逐渐减弱并停止, 具有明显的分段特征, 除须水断裂为早更新世断裂外, 其余均为前第四纪断裂②(②河南省地震局, 2007, 郑州市城市活断层探测报告。)。

图 2 郑州-开封断裂带的组成及控制性石油勘探测线分布图Fig. 2 Components of Zhengzhou-Kaifeng fault zone and oil prospecting control lines.

图 3 开封凹陷与太康隆起内探井剖面(位置见图2)Fig. 3 Profile of the exploratory wells in Kaifeng depression and Taikang uplift(See Fig. 2 for the locations).

2 地震深反射剖面的搜集、 整理与评价

自20世纪90年代至今, 石油部门在开封凹陷和太康隆起等相关地区开展了全面、 精细的探测工作, 为讨论研究区的构造特征打下了坚实的基础。此次共搜集跨越太康隆起、 开封凹陷的地震剖面101条, 共4i991km; 地震剖面测网密度达到了1km× 1km— 2km× 4km(测线间距), 资料清晰度高, 断点清晰可见; 配合探井的岩心资料、 层位划分记录, 对区内新生界的波组特征进行了横向的对比与追踪。

同时, NE向测线密集、 均匀地跨过郑州-开封断裂, 为明确该断裂的空间展布提供了充实的证据支撑。

3 郑州-开封断裂的构造特征
3.1 断裂空间分布特征

利用地震反射剖面测网, 结合现有地质资料, 可以准确地控制郑州-开封断裂的空间展布形态(图1); 该断裂自郑州向东, 经中牟、 开封, 延伸至宁陵县以北, 长约154km, 与新乡-商丘断裂的东段以构造斜坡带相连。根据其几何形态的变化, 可将其大致分为东西2段:

西段自郑州起至开封以南。 该段断裂走向NWW, 产状稳定, 断层线在平面上近似为1段直线, 长度约80km。

东段自开封以南至宁陵县以北。 该段产状不稳定, 走向多变, 总体走向近EW。平面上断层线表现出波状起伏的特点, 曲率由西向东逐渐增大, 长约74km。

3.2 断裂剖面特征

跨越郑州-开封断裂带的测线共计14条, 以近NE走向为主, 测线间隔多为1.5~4km。在这其中, 选取品质较好的5条数字及纸绘剖面予以讨论, 分别为①— ⑤号测线, 位置见图2。

①号测线:该测线跨越郑州-开封断裂西段, 经过中牟县以南, 走向NE。根据该测线的断裂和地层解译结果(图4), 该剖面主要发育2期不整合界面: 中生代中晚期, 即燕山运动时期, 由于该区整体短期的隆升造成侏罗系、 白垩系缺失(河南省地质矿产局, 1989); 进入燕山运动末期后, 该区由整体隆升转变为以断陷作用为主。 郑州-开封断裂的差异升降运动导致在其上盘开封凹陷内发育较厚的古近系, 直接不整合于三叠系之上; 而在其下盘太康隆起内则缺失古近系。进入新近纪之后, 该区整体下降接受沉积, 在太康隆起和开封凹陷内均发育较厚的新近系和第四系(N+Q)。在断裂下盘太康隆起内, 新近系与第四系直接不整合于三叠系之上。

图 4 ①号地震反射剖面Fig. 4 The seismic reflection profile of line 1.

与古近纪时期相比, 进入新近纪后, 断裂的产状及活动性发生明显变化: 断裂的倾角近直立, 剖面上该断裂上陡下缓, 具有明显的转折点(如图4箭头所指), 同时上、 下盘新近系底界同相轴被错断约10ms, 通过声波测井资料可知该区新近系下段波速约2i000m/s, 得到新近系底界断距约20m, 活动程度较古近纪时期大为减弱。断裂向上延伸, 根据剖面可知断裂可靠上断点埋深350~400m左右。

②号测线:该测线位于①号测线以东, 跨越郑州-开封断裂的西段。根据断裂和地层的解译结果(图5), 该剖面与①号剖面发育有相同的地层序列及不整合面; 且新近纪之后断面的产状突然变陡, 近直立, 或表明进入新近纪后该断裂由原先的正断层向走滑断层转变; 该处新近系底界同相轴被错断约5ms, 可得到新近系底界断距约10m; 该剖面显示郑州-开封断裂的可靠上断点埋深350~400m。

图 5 ②号地震反射剖面Fig. 5 The seismic reflection profile of line 2.

③号测线: 该测线位于杞县以西, 以NE走向跨越郑州-开封断裂的东段。 该剖面(图6)显示在新近纪前, 断裂上盘开封凹陷内沉积了巨厚的古近系, 而下盘(太康隆起内)抬升遭受剥蚀, 仅残留较薄的三叠系; 表明在古近纪时期该断裂的差异升降运动十分强烈。直至古近纪末期, 该区整体短暂隆升遭受剥蚀, 导致在开封凹陷内古近系与新近系间存在起伏的风化不整合面, 该面在断裂下盘表现得更为明显(图6)。

图 6 ③号地震反射剖面Fig. 6 The seismic reflection profile of line 3.

值得注意的是, 郑州-开封断裂在进入新近纪以来, 断面倾角变陡, 新近系底界断距约20m, 断裂上断点埋深380~400m。同时太康隆起内石炭系— 二叠系(C— P)受到挤压作用产生宽缓的褶曲变形; 由于本区经历了燕山运动、 印支运动的褶断作用(河南省地质矿产局, 1989), 且该剖面在断裂上盘未揭示出三叠系、 石炭系— 二叠系, 上、 下盘地层变形特征无法对比, 因而杞县褶皱带的形成时代及原因需进一步讨论。

④号测线: 该测线位于杞县以北, 以NWW走向斜穿郑州-开封断裂; 该测线通过探井TC1(图7), 该探井终孔深度约2i500m。该剖面(图7)完整地揭露了郑州-开封断裂两盘所发育的石炭纪— 新近纪地层。通过地层发育特征可以看出, 古近纪时期郑州-开封断裂的差异升降运动十分强烈, 在上盘开封凹陷内沉积了巨厚的古近系, 而下盘隆起遭受剥蚀; 在三叠纪— 新近纪间保存了风化不整合面。

图 7 ④号地震反射剖面Fig. 7 The seismic reflection profile of line 4.

从地层变形特征来看, 由于断陷作用, 上盘的地层普遍发生轻微的向下弯曲变形, 且C— P底界与顶界、 T顶界变形程度相同, 因此可判断该断裂活动最早发生于三叠纪末期的印支运动。同时, 与上盘地层产生的起伏变形相比, 下盘地层则表现为挤压褶皱, 变形程度更剧烈, 这是在古近纪时期断陷作用后下盘地层经历了更为复杂的挤压作用所致。

与前述剖面类似, 该断裂进入新近纪后倾角变陡, 在E— N接触面具有明显的转折点(如图7黑色箭头所示), 新近系底界被错断约150m, 断裂上断点埋深超过400m。

⑤号测线: 该测线位于睢县以西, 以NE走向跨越郑州-开封断裂的东段。 该剖面显示在断裂上盘沉积了巨厚的古近系, 而下盘隆升遭受剥蚀, 仅残留C— P地层; 同时进入新近纪以来, 该断裂倾角变陡(图8), 断裂活动性较弱, 新近系底界断距仅约5m, 断裂上断点埋深不甚清晰。

图 8 ⑤号地震反射剖面Fig. 8 The seismic reflection profile of line 5.

3.3 郑州-开封断裂的活动特征

地质剖面是讨论和反演构造活动的重要依据。通过针对上述几条剖面中地层的发育及变形特征、 构造形态的讨论, 可初步获得郑州-开封断裂新生代的活动特征:

该断裂活动最早起源于三叠纪末期的印支运动, 在随后的燕山运动期间, 河南东部地区短暂隆起导致普遍缺失侏罗纪— 白垩纪地层。该断裂的差异沉降运动程度在中生代时期较弱, 进入古近纪之后显著增强, 在上盘开封凹陷内沉积了数百m厚的古近系。古近纪— 新近纪间的中喜马拉雅运动(万天丰等, 1992; 万天丰, 1994; 中国地质学扩编委员会, 1999; 贾承造等, 2004)(另说早喜马拉雅运动(河南省地质矿产局, 1989))使开封凹陷基本定型的同时, 由于太平洋板块向欧亚板块下的俯冲作用逐渐导致构造应力场由原拉张态向左旋剪切态转变。新近纪后, 该断裂以走滑作用为主, 断面倾角变陡, 在剖面上表现出上陡下缓、 具有明显转折点的 “ L” 型断裂的特点; 同时断裂活动性急剧减弱, 新近系底界的断距普遍仅数m至20m左右, 在部分地段该断裂下盘地层弯曲变形成为NW向的宽缓褶皱带, 如杞县褶皱带。剖面显示断裂上断点埋深普遍在350~400m, 与当地第四系厚度相近, 因此利用前述剖面资料不足以准确判断郑州-开封断裂于第四纪时期的活动情况; 根据 “ 郑州城市活断层探测与地震危险性评价” 浅层地震勘探的成果, 该断裂为前第四纪断裂(河南省地震局, 2007)。

4 郑州-开封断裂与新乡-商丘断裂之间构造关系的讨论

前已述及, 作为开封凹陷的南界和北界, 郑州-开封断裂和新乡-商丘断裂均为规模较大的隐伏断裂。由于郑州-开封断裂东段缺乏足够的地质资料, 目前关于2条断裂的关系仍然存在疑问, 如2条断裂最终是否合并为1条断裂, 2条断裂的活动关系如何等等。利用多条地震反射剖面确定了郑州-开封断裂的空间位置, 结合对郑州-开封断裂的几何特征和新生代活动特征的讨论, 通过建立简单的力学模型来浅谈2条断裂的构造关系。

如图9, 在NEE向左旋剪切力偶的作用下, 新乡-商丘断裂成为1条具有较大的左旋走滑分量的中更新世断裂, 错断第四系底界20~80m。前人通过小震及GPS观测资料认为华北地区受N55° ~80° E的挤压应力(陈家庚等, 1982; 许忠淮等, 1983; 陈连旺等, 1999; 袁金荣等, 1999; 崔效锋等, 2010), 该应力导致开封凹陷相对于太康隆起具有SWW— 近EW方向的加速度分量(F=ma)。前已提到, 相比于走向稳定的新乡-商丘断裂, 郑州-开封断裂的走向多变, 其东段在平面上呈现出波状起伏特征, 阻碍其两侧的块体进行剪切运动。为了更详细地分析郑州-开封断裂产状(走向与倾向)对块体运动的影响, 通过拐点将该断裂分割为6段, 每段的走向与倾向大体一致, 在图9中用红色箭头代表每段倾向的优势方向。当该方向与开封凹陷的加速度方向(图9中的蓝色箭头)的夹角呈锐角时(如Ⅱ 、 Ⅳ 、 Ⅵ 段), 则承受拉张作用。反之, 当断裂倾向的优势方向与开封凹陷的加速度方向的夹角为钝角时(如Ⅰ 、 Ⅲ 、 Ⅴ 段), 则该段受到挤压作用, 成为阻碍开封凹陷和太康隆起相对运动的主要部位, 同时在其南侧对应部位发育宽缓褶皱带: Ⅰ 段南侧发育中牟褶皱带, 轴向NW, 长约20km①(① 中国石油化工公司河南油田分公司, 2016, 河南省新近系隐伏断裂体系综合分析。); Ⅲ 段南侧发育通许褶皱带, 轴向NW, 长度约36km①(① 中国石油化工公司河南油田分公司, 2016, 河南省新近系隐伏断裂体系综合分析。); Ⅴ 段南侧发育杞县褶皱带, 轴向NW, 长约45km, 该褶皱带在③、 ④号地震反射剖面中具有较好的体现。3条褶皱带呈雁列状排布在郑州-开封断裂的南侧(图9)。

图 9 郑州-开封断裂分段情况及受力变形特征Fig. 9 Segmentation and deformation characteristics under stress of the Zhengzhou-Kaifeng fault zone.

此类构造样式有助于我们探究郑州-开封断裂与新乡-商丘断裂的构造关系。笔者认为古近纪— 新近纪发生的中喜马拉雅运动在开封凹陷的活动历史中具有重要的转折意义。此次构造运动前, 郑州-开封断裂与新乡-商丘断裂同步断陷。构造运动后, 河南东部地区由原先的拉张应力场向左旋剪切应力场转变, 在此影响下郑州-开封断裂亦受到左旋剪切作用, 受制于其波状起伏的断面, 左旋剪切运动急剧减弱, 构造应力使得该断裂南侧部分段存在挤压区, 导致太康隆起内产生一系列轴向NW的宽缓褶皱变形, 以地壳缩短的方式来响应由持续的左旋剪切应力产生的挤压效应。郑州-开封断裂活动终止于第四纪。在开封凹陷整体活动性逐渐减弱的大背景下, 其南界郑州-开封断裂首先停止活动, 北界新乡-商丘断裂活动至中更新世。

5 结论

在前人资料的基础上, 借助石油部门在郑州、 开封地区密集的地震反射剖面网络, 首先确定了郑州-开封断裂的空间位置及几何特征, 然后对其新生代的活动特征进行了研究, 最终讨论了郑州-开封断裂与新乡-商丘断裂的活动关系, 得到如下结论:

(1)根据郑州-开封断裂走向将其分为西段与东段; 西段走向NWW, 产状稳定; 东段整体走向近EW, 走向多变, 平面上呈现波状起伏特征。

(2)燕山运动时期, 该区整体隆起导致缺失侏罗系— 白垩系, 进入古近纪后郑州-开封断裂表现出强烈的差异升降运动, 在其上盘开封凹陷内发育数百m厚的古近系。

(3)古近纪— 新近纪的中喜马拉雅运动后, 郑州-开封断裂以走滑运动为主, 断层倾角变陡, 受制于起伏的断面, 该断裂走滑运动的强度急剧降低; 剖面上该断裂为上陡下缓、 具有明显转折点的 “ L” 型断层。

(4)限于石油勘探资料在浅部的部分缺失, 采用前人的浅层地震勘探资料确定郑州-开封断裂的第四纪活动特征, 该断裂为前第四纪断裂。

(5)在左旋剪切力偶作用下, 在郑州-开封断裂的南侧部分段形成挤压区, 发育了一系列NW向宽缓褶皱带。

The authors have declared that no competing interests exist.

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