〔作者简介〕 顾勤平, 男, 1983年生, 高级工程师, 2019年于中国地震局地球物理研究所获固体地球物理学专业博士学位, 主要从事浅层地震勘探、 活断层探测及天然地震层析成像研究工作, 电话: 025-84285628, E-mail: gqp1221@163.com。
NE向的区域性深大断裂——金坛-如皋断裂为苏北坳陷区和南通隆起区的分界断裂。 为了调查金坛-如皋断裂北东段的空间位置、 性质和断裂构造特征并重新厘定其活动性, 文中在石油地震勘探剖面提供的金坛-如皋断裂北东段大体空间位置及反射标志层的基础上, 布设了4条浅层人工地震勘探剖面, 对金坛-如皋断裂北东段进行了高分辨率地震反射成像, 获得了测线控制范围内清晰的地下结构和断裂构造成像结果。 结果表明, 金坛-如皋断裂北东段并非单一的一条断层, 而是由2条N倾、 NEE走向的正断层组成的断裂带。 浅层地震叠加剖面揭示活动性更强的南支上断点埋深235~243m, 断错了下更新统底界, 结合测线周边的钻孔资料推测其最新活动时代为第四纪早更新世(
The NE-trending regional deep fault, i.e. the Jintan-Rugao Fault, is a boundary fault between the Subei depression and Nantong uplift, and its research has always received broad attention because of its importance and complexity. For the absence of definite proof, there is little consensus regarding the structure and spatial distribution of the fault among geoscientists, and its latest active time is ambiguous. The study of Quaternary activity characteristics of the Jintan-Rugao Fault is of great significance for earthquake trend prediction and engineering safety evaluation, and for earthquake prevention and disaster reduction in Jiangsu Province. In order to investigate the spatial location, characteristics and tectonic features and redefine the activity of the NE-segment of the Jintan-Rugao Fault, and on the basis of likely location and marker beds derived from petroleum seismic exploration sections, we collect and arrange 4 shallow seismic exploration profiles crossing the fault to conduct high-resolution seismic reflection imaging, following the working concept of ‘from known to unknown, from deep to shallow’. In this study, an observation system with trace intervals of 4~6m, shot intervals of 12~18m, and channels of 90~256 and 15~36 folds is used. In addition, by introducing different tonnage vibroseis to suppress the background noise, the raw data with high SNR(signal-noise ratio)can be obtained. By using the above working method and spread geometry, we obtained clear imaging results of the subsurface structure and fault structure in the coverage area of the survey lines. This exploration research accurately locates the NE-segment of Jintan-Rugao Fault, and further shows that it is not a single fault but a fault zone consisting of two normal faults with N-dipping and NE-striking within the effective detection depth. The shallow seismic profiles reveal that the up-breakpoint on the south branch with stronger activity is at depth of 235~243m, which offsets the lower strata of lower Pleistocene. Combining drilling data around the survey lines, we infer the activity time of this fault is early Pleistocene. The results of this paper provide reliable seismological data for determining the location and activity evaluation of the NE-segment of Jintan-Rugao Fault. In eastern China, where the sedimentary layer is thicker, the latest active age of faults can not be determined entirely according to the latest faulted strata. For a fault passing through the thicker area of new deposits, its latest active age should be based on the tectonic background, seismic activity, present tectonic stress field, topographic deformation, structural micro-geomorphological characteristics, sedimentary thickness of new strata, controlling effect of faults on new strata and the latest strata of faults, and combined with upper breakpoints, morphology, structure and occurrence of faults, the active state of the target concealed faults should be analyzed. If the activity of the fault is judged only by the upper faulted point, it may lead to overestimating the age of the fault activity.
NE向的金坛-如皋断裂是一条规模大、 切割深、 控制地层多的区域性大断裂(图 1中的F1), 是2个三级构造单元(通扬隆起和海安凹陷)的分界断裂, 其两侧地质构造特征在地史各阶段存在着明显差异, 特别是新生代以来差异更为显著。 该断裂被栟茶河断裂(图1中的F2)切割成2段, 南西段从常州市金坛县经靖江生祠镇, 途经如皋, 呈NE向; 北东段始于河口镇, 经栟茶镇后入海, 呈NEE向(断裂分布见图1)。 本文将对其北东段的构造特征及活动性进行论述。
深部地球物理探测HQ-15线的解译图表明①(① 张永鸿, 1985, 下扬子含油气区构造区划与含油气远景研究。), 金坛-如皋断裂为向NW倾的正断层, 至少下延至元古代变质岩系; 断裂以西新生界沉积巨厚, 尤其是古近系隆凹构造发育, 断裂以东属隆升区, 缺失古近系。 断裂在重磁方面表现出以下特征②(② 王明义, 1991, 江苏省苏中工区 1:5万重力测量成果报告。)③(③ 张登明, 2003, 1:25万南通市幅区域地质调查报告。): 1)物理场区高、 低值的分界线; 2)梯级异常带; 3)线性异常带; 4)异常带同步扭曲和拐折。 金坛-如皋梯级异常呈NE走向, 在重力图上显示为密集的梯级带, 最大水平梯度可达1.5× 10-5m/s2· km-1, 两侧重力场特征截然不同, 北西侧异常轴向以NE向为主, 异常幅度明显降低, 多数为负值; 南东侧异常轴以EW向为主, 幅值普遍升高。 对于石油剖面, 在黄桥地区的NW4310地震剖面上①(① 江仁庆, 1982, 苏北黄桥地区地震普查成果报告。)
Tg0波组明显错动, 断裂的北西侧波组多、 时深加大, 断裂的东南侧则无反射、 波组中断。 前人认为, 金坛-如皋断裂是一条长期活动的古断裂, 活动时间长、 规模大且呈阶段性变化, 控制地层多, 是一条区域性深大断裂。 上述成果很好地揭示了金坛-如皋断裂的中深部特征, 为研究其特征、 演化及其动力学成因提供了丰富的深部构造信息。 左丽琼等(2016)为寻找地热资源在金坛-如皋断裂北东段选取了7个微动测深点进行研究, 虽获取了各地层S波的速度结构特征, 但因测点间点距、 断层平面位置误差较大, 最大有效探测深度约3 000m, 且对晚新生代地层的分辨仍然不够精细, 不足以对其位置、 性质及最新活动时代进行评价。 截至目前, 仍然未能见到专门针对金坛-如皋断裂北东段浅层地震勘探的系统研究成果以及针对该断裂空间位置、 产状及活动性的新成果, 这直接影响着断裂周缘的城市规划和建设。
2015— 2017年, 依托财政部重点项目 “ 中国地震重点监视防御区活动断层探测与地震危险性评价项目” 的子课题 “ 栟茶河断裂活动性鉴定” , 本文针对金坛-如皋断裂展开了探测研究工作。 在石油剖面探测结果的指导下利用高分辨浅层地震数据采集技术和数据处理方法, 首次较系统地取得了该断裂的叠加时间剖面, 获得了金坛-如皋断裂北东段清晰的浅部地层结构和断裂构造图像。 最后, 本文依据地震叠加剖面并结合测线周边的钻孔资料, 对金坛-如皋断裂北东段的位置、 产状以及断裂活动性进行了初步分析和研究, 为区域地震危险性评价及周缘的城镇规划提供了可靠的地震学依据。
金坛-如皋断裂为隆(通扬隆起)凹(海安凹陷)构造的边界, 是重要的地球物理场分界; 其北东段位于平原区, 被第四纪地层覆盖, 始于南通市如东县河口镇, 经栟茶镇后入海, 平面呈NEE向展布。 1:25万南通市幅区域地质调查报告①(①张登明, 2003, 1:25万南通市幅区域地质调查报告。)表明, 两侧受其控制的地层发育存在较大差异。 南侧白垩纪地层直接覆盖于晚古生代和中生代地层之上, 缺失古近系; 北侧属于凹陷区, 地层发育丰富, 古生代、 中生代及新生代地层均有沉积, 并且古近纪地层厚度较大。 晚新生代地层由南东向北西逐渐增厚, 在金坛-如皋断裂南东侧新近系的底界埋深约800m, 在北西侧逐渐增加至1 600m。 断裂北西侧基岩为新生界古近系泰州组(E1t)、 阜宁组(E1f)和三剁组(E2-3s), 断裂南东侧基岩主要为下伏中生界上白垩统浦口组(K2p), 局部为中生界下三叠统青龙组(T1q)。
新近获得的紧临地震测线的1:5万区域地质调查钻孔资料②(②刘宪光, 2016, 江苏省1:5万三仓镇、弶港镇、李堡镇、栟茶镇、岔河镇、白蒲镇幅区域地质调查报告。)表明, 该区域第四纪地层自下而上包括早更新世海门组(
自20世纪50年代以来, 众多研究者(邱海峻等, 2006; 陈书平等, 2009; 冉怀江等, 2012)在海安凹陷盆地内进行的大量地震勘探工作表明, 金坛-如皋断裂对盆地的隆坳格局具有控制作用, 其经历了复杂的演化过程(陈书平等, 2009)。
石油地震勘探2005nh137d_s剖面(图2, 测线位置见图1)揭示, 盆地新生代以来的沉积层内部存在着多个反射能量强的反射波组; 同时, 在新近纪地层内出现了波组紊乱现象。 新近系底界面反射能量较强, 表现为1个良好的波阻抗分界面(图 2中TN), 本文将其作为后期浅层地震勘探的一个反射标志层。 由图可见, 金坛-如皋断裂(F1)表现为由2支N倾正断层组成的断裂带, 为犁式断层。 其与北凌断层(F4)相向而倾, 构成地堑, 对新生代早期(E+N)地层具有控制作用。 石油剖面虽然能很好地控制金坛-如皋断裂(F1)并揭露其深部结构形态, 但由于其观测系统忽略了浅部晚新生代的地层信息, 故不足以完成对金坛-如皋断裂的上断点位置及最新活动性的调查。 为此, 基于2005nh137d_s石油勘探剖面提供的金坛-如皋断裂北东段大体的空间位置及最浅稳定反射标志层结果, 跨金坛-如皋断裂北东段布设了4条浅地震勘探剖面, 测线位置见图1。
图 3为控制栟茶河断裂(F2)的85nh117.5石油地震反射剖面(位置见图1), 其与控制金坛-如皋断裂(F1)北东段的2005nh137d_s石油剖面(图2)的相同点是, 2条石油剖面分别揭露的F1和F2断裂具有相同的犁式构造形态。 不同的是, 85nh117.5剖面显示出栟茶河断裂的断距随深度加大, 具有更为明显的生长断层的典型特征和识别标志。 本文给出该剖面旨在区分栟茶河断裂和金坛-如皋断裂北东段。 由图可见, 栟茶河断裂北侧新生界内存在3个明显的角度不整合界面(图 3中的
浅层地震反射勘探是厚覆盖区断裂探测最常用、 最有效的方法之一, 该方法具有探测深度大、 分辨率高及结果可靠等优点, 已经得到了广泛应用(方盛明等, 2002; 柴炽章等, 2006; 邓起东等, 2007; 何正勤等, 2007, 2010; 刘保金等, 2008; 顾勤平等, 2013, 2015; 许汉刚等, 2016)。 浅层地震勘探能否取得好的效果取决于原始数据质量的好坏, 想要通过数据处理从丢失有效信息的地震资料中获得有用的结果往往是徒劳的(伊尔马滋, 1994)。 本文从选用高性能地震仪器设备和适宜的震源以及选择最佳的观测系统等几个方面来保证获得最佳地震观测记录; 测线多采用夜间施工以确保原始数据的质量。
2.1.1 地震仪器
采集设备的性能良好是获得可靠结果的重要因素(何正勤等, 2007)。 本研究使用美国HPI公司生产的S-Land地震仪对测线Ⅰ 、 Ⅱ 和Ⅲ 进行实验, 在测线Ⅳ 上使用法国Sercel公司408UL型地震仪, 并搭配中国威海出产的PA-60型60Hz检波器。
2.1.2 地震波激发震源的选择
在石油剖面提供反射标志层(即基岩顶面TN)的基础上, 为尽可能对基岩顶面做出有效探测, 本文在布设道间距为6m的测线Ⅰ 时使用了美国产28t的BV-300可控震源激发地震波, 通过试验确定的震源扫描频率为20~180Hz, 扫描长度为10s。 在测线Ⅱ 、 Ⅲ 上使用保定北奥石油物探特种车辆制造有限公司生产的沙驼牌KZ03型可控震源, 其出力为29.6kN, 扫描频率为20~160Hz, 扫描长度为8s。 对Ⅳ 测线使用炸药震源, 井深6m, 药量为0.3kg。
2.1.3 测线的布设及参数
测线Ⅰ : 受栟茶运河影响, 将河南段命名为Ⅰ -1, 河北段命名为Ⅰ -2。
测线Ⅰ -1: 施工方向自北向南。 采用纵波反射勘探, 道间距6m, 偏移距72m, 于端点放炮, 216道记录, 36次覆盖, 测线长度为7 662m。
测线Ⅰ -2: 采集参数同测线Ⅰ -1, 测线全长3 954m; 施工方向自南向北。
测线Ⅱ : 道间距4m, 偏移距36m, 于端点放炮, 90道记录, 15次覆盖, 测线长度为3 752m, 施工方向自北向南。
测线Ⅲ : 采集参数同测线Ⅱ , 测线长度为2 444m, 施工方向自南西向北东。
测线Ⅳ : 道间距5m, 256道接收, 受炸药震源、 河道影响, 多使用变观采集原始数据, 测线长度为11 200m, 施工方向自北向南。
测线均来自“ 栟茶河断裂活动性鉴定” 项目。 其中, 测线Ⅰ 为项目控制性测线; 前人根据2条浅地震测线探测结果并综合钻孔资料分析认为栟茶河断裂属晚第四纪活动断裂①(高中和, 2001, 南黄海地震区划研究报告。), 测线Ⅱ 、 Ⅲ 与前人①(高中和, 2001, 南黄海地震区划研究报告。)布设的测线位置重合, 以检验早期勘探结果; 测线Ⅳ 为南京地质矿产研究所为完成南通洋口港海岸地质环境勘查所布设的地震勘探测线。
采用GRISYS、 FOCUS等地震反射处理软件包对数据进行处理, 重点研究了提高地震记录信噪比和分辨率的方法, 在保证地震记录具有较高信噪比的前提下提高地震记录的分辨率。 为达到提高反射波主频及其信噪比的目的, 首先进行了反褶积处理, 使处理后地震记录的高、 低频反射波频谱具有相等的幅值; 然后采用频率滤波技术突出高频反射波。 处理模块主要包括频率带通滤波、 二维倾角滤波、 正常时差校正(NMO)、 共中心点(CMP)叠加、 反褶积以及时变谱白化。 叠后采用随机噪声衰减(RNATTE)压制噪声, 以提高剖面数据的信噪比和连续性。
图4a、 b分别为道间距6m和4m的P波反射共炮点单炮记录。 由图可见, 不同埋藏深度地震界面的反射波非常清楚; 此外, 不同道间距的单炮记录对浅层反射波的分辨不同。 对比道间距为6m和4m的单炮记录可见, 两者均能够对双程走时(TWT)约800ms的基岩顶面做出有效探测并获得多组有效反射震相。 但是, 在216道地震检波器接收、 道间距6m的单炮记录上, 反射波
经过数据处理后得到的水平叠加时间剖面, 其横坐标为桩号, 纵坐标为双程走时(TWT)。 为了便于对剖面反射波组进行层组划分和地质解释, 收集了 1:20万基岩地质图的钻孔资料及近期获得的 1:5万区域地质调查资料中的钻孔资料①(①刘宪光, 2016, 江苏省1:5万三仓镇、弶港镇、李堡镇、栟茶镇、岔河镇、白蒲镇幅区域地质调查报告。), 结合本次地震勘探资料进行分析, 将地质分层和地层年代划分结果标注于剖面右侧(图5)。
图 5为测线Ⅰ 的叠加时间剖面图。 由图可见, 剖面上的地层界面反射波发育明显, 新生代除新近纪地层各反射层均具有较强的反射能量和较好的横向连续性。 1:25万南通市幅区域地质调查报告结果②(②张登明, 2003, 1:25万南通市幅区域地质调查报告。)表明盐城组(N1-2yc)地层中存在火山岩, 故在叠加时间剖面上新近系内有效反射波组尤其是断裂以北较为紊乱, 不存在连续性较强的反射波组。 参考 1:25万南通市幅区域地质调查报告②(②张登明, 2003, 1:25万南通市幅区域地质调查报告。)及近期展开的 1:5万三仓镇、 弶港震、 李堡镇、 栟茶镇、 岔河镇、 白蒲镇幅区域地质调查报告①(①刘宪光, 2016, 江苏省1:5万三仓镇、弶港镇、李堡镇、栟茶镇、岔河镇、白蒲镇幅区域地质调查报告。)所获的钻孔资料(钻孔位置及其揭露的地层见图1), 解释了9组横向连续且能被可靠追踪的强反射同相轴。 其中, 反射波TN和TQ分别为新近系和第四系的底界, 将
测线Ⅰ 非常清楚地揭示了断裂的构造特征, 基岩顶面反射TN在F1-1 断点两侧出现整体位错, 而在F'1-1断点处除明显的运动学断错特征外, 在古近系内出现了向N倾、 下倾加深的斜反射面TE。 根据剖面上的断点特征、 平面的位置及基岩断点与石油剖面的吻合程度、 古近系内N倾地震界面与石油剖面的一致性分析, 可以认为该剖面揭示的断点是金坛-如皋断裂北东段在地震叠加时间剖面上的反映, 断点的详细参数见表1。 F1-1 断点断错的位置更浅, 活动性更强, 在剖面上能可靠分辨的断层上断点埋深为236~243m。
图 6给出了测线Ⅱ 的叠加时间剖面图。 剖面的总体特征与测线Ⅰ 极为相似, 从图上可识别出10组反射能量较强、 横向连续性较好的地层反射, 包括第四系底界TQ、 新近系底界TN、 第四系内部的
测线Ⅱ 的断错特征与测线Ⅰ 相同, 除了在桩号1 855(断点F1-2)处发生整体断错外, 在桩号2 460处存在断点F'1-2。 断点F1-2 表现为向N倾的正断性质, 上断点埋深为238~242m。
图 7给出了测线Ⅲ 的叠加时间剖面图。 在剖面上可识别9个有效反射波组, 包括新近纪地层的5个反射波组TN—
图 8给出了测线Ⅳ 的叠加时间剖面图。 在剖面上共可识别9个反射波组, 包括4个第四系(TQ—
结合石油剖面资料对文中给出的4条浅地震叠加时间剖面进行总结分析, 可得到如下分析结果:
(1)石油剖面2005nh137d_s及85nh117.5均表现出犁式断层的形态特征, 但后者更具有控盆边界生长断层的识别标志和特点。 综合分析认为前者控制了金坛-如皋断裂, 后者控制了栟茶河断裂, 剖面揭示了断裂的大体位置及最浅稳定标志层TN。
(2)4条浅层地震勘探测线的断点两侧晚新生代地层底界面反射波TN出现断错、 位移现象, 反射波同相轴形态和特征发生突变, 断点均为倾向N的正断层性质。
(3)浅地震勘探测线Ⅰ 和Ⅱ 与石油剖面2005nh137d_s揭示的地层特征一致, 三者均显示基岩内部出现了TE反射波, 该地震界面向N下倾加深; 而该特征在测线Ⅲ 上并未出现, 这可能是由于测线较短未能检测到, 但也不排除是由于断裂不同段具有不同的构造特征所致; 测线Ⅳ 上虽未出现类似于测线Ⅰ 和Ⅱ 的反射震相TE, 但基岩顶面也呈现出向N下倾加深的特征。
(4)4条测线的叠加时间剖面均显示在新近纪地层内出现紊乱、 不连续现象, 分析认为是火山岩在地震剖面上的反映, 综合判断, 金坛-如皋断裂北东段可能对新生代岩浆活动具有控制作用。
(5)在测线检测地段、 有效探测深度范围内, 金坛-如皋断裂北东段并非单一的一条断层, 而是由2条N倾、 NEE走向的正断层组成的断裂带; 其南支断错层位更浅, 活动性更强。
根据石油剖面提供的目标断裂的空间位置及其深部形态、 浅层地震剖面上的断点特征及其在平面的分布位置分析, 可以认为4条浅地震剖面揭示的断层应该是金坛-如皋断裂北东段。
通过前文对浅层地震叠加时间剖面揭示的断层特征和地层上断点埋深的分析可以看出, 4条地震剖面所揭示的金坛-如皋断裂北东段的上断点均位于235~243m的深度范围内。
测区 1:25万南通市幅区域地质调查报告及近期完成的江苏省 1:5万三仓镇、 弶港镇、 李堡镇、 栟茶镇、 岔河镇、 白蒲镇幅区域地质调查报告(后文简称5万区调)显示①(①张登明, 2003, 1:25万南通市幅区域地质调查报告。)②(②刘宪光, 2016, 江苏省1:5万三仓镇、弶港镇、李堡镇、栟茶镇、岔河镇、白蒲镇幅区域地质调查报告。), 4条剖面经过地段的第四系厚度为285~310m。 因此, 根据图 1中第四系底界面及各测线上断点埋深, 浅层地震剖面所揭示的断层上断点均延伸至早第四纪地层, 据此判断, 金坛-如皋断裂北东段应是第四纪以来的隐伏活动断裂。
在测线Ⅰ -1东、 测线Ⅰ -2北东及测线Ⅳ 东分布了5万区调第四系基准孔和控制孔ZKA04、 BA01及ZKA1(位置见图1, 参数见表2), 综合利用其岩性特征、 测年数据、 孢粉组合和粒度特征等资料详细划分了第四系。 这3个钻孔所确定的
为调查金坛-如皋断裂北东段的空间位置、 性质及其初步活动性, 本研究在石油地震反射剖面提供金坛-如皋断裂北东段的空间位置及反射标志层的基础上, 跨断裂收集和布设了4条浅层地震反射纵波测线, 通过高分辨率地震数据采集技术、 不同吨位可控震源或炸药震源以及高精度的数据处理方法, 获得了金坛-如皋断裂北东段的空间位置、 性质及其平面展布特征。 此外, 结合5万区调中基准孔和控制孔的资料, 对断裂活动性进行了初步分析。
在本次测线控制地段、 有效探测深度范围内, 金坛-如皋断裂北东段并非单一的一条断层, 而是由2条N倾、 走向NEE的正断层组成的断裂带, 其控制了海安凹陷的南边界。 4条测线的叠加剖面显示, 断裂的南支断错的层位更浅, 活动性更强, 其上断点埋深235~243m, 断错了下更新统下部, 推测其最新活动时代为第四纪早更新世(Qh1)。 综合分析认为, 金坛-如皋断裂为海安凹陷和通扬隆起的边界断裂, 而栟茶河断裂是一条错断了隆坳构造边界断裂的断裂。 本文的探测研究结果为进一步明确金坛-如皋断裂两侧的新生代地层厚度、 认识该断裂的活动性提供了地震学依据, 可为城市地震危险性和危害性分析与评价提供极为重要的基础资料。
地震勘探方法虽具有探测深度大、 分辨率高和探测结果可靠等优点, 但仅根据地震叠加剖面还不能够确定叠加剖面有效反射波组的地层属性和地层年代归属。 因此, 在缺乏地层属性和年代学依据的情况下, 仅凭地震叠加剖面确定的断层上断点对目标断裂的活动性进行判断仍有所欠缺。 为判定金坛-如皋断裂的活动性, 尤其是确定其最新活动时代, 需在地震勘探的基础上进行小间距的跨断层钻孔联合地质剖面探测、 年代学测龄等工作。
致谢 本项探测研究工作得到了江苏省地震局相关部门、 海安市地震局、 如东市地震局及如皋市地震局的大力支持与配合; 项目的实施过程中得到了中国石油大学陈书平教授的大力支持。 在此一并表示感谢!
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