引用本文
顾勤平, 许汉刚, 晏云翔, 赵启光, 李丽梅, 孟科, 杨浩, 王金艳, 蒋新, 马董伟. 郯庐断裂带新沂段地壳浅部结构和断裂活动性探测[J]. 地震地质, 2020,42(4): 825-843.
GU Qin-ping, XU Han-gang, YAN Yun-xiang, ZHAO Qi-guang, LI Li-mei, MENG Ke, YANG Hao, WANG Jin-yan, JIANG Xin, MA Dong-wei. THE CRUSTAL SHALLOW STRUCTURES AND FAULT ACTIVITY DETECTION IN XINYI SECTION OF TAN-LU FAULT ZONE[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2020,42(4): 825-843.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2020.04.004
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郯庐断裂带新沂段地壳浅部结构和断裂活动性探测
顾勤平1,2), 许汉刚1),*, 晏云翔3), 赵启光1), 李丽梅1), 孟科1), 杨浩1), 王金艳1), 蒋新1), 马董伟4)
1)江苏省地震局, 南京 210014
2)中国地震局地球物理研究所, 北京 100081
3)中煤科工集团西安研究院有限公司, 西安 710077
4)上海申丰地质新技术应用研究所有限公司, 上海 201107
*通讯作者: 许汉刚, 男, 1963年生, 高级工程师, 主要从事地球物理勘探及地震地质研究, E-mail: hagnxu@126.com。

〔作者简介〕 顾勤平, 男, 1983年生, 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, 高级工程师, 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, E-mail: gqp1221@163.com。

收稿日期: 2019-08-23
基金项目: 2019年度 “城市活断层探测与地震危险性评价”项目、 新沂市活动断层探测与地震危险性评价项目、 国家自然科学基金(41704052, 41974066)和中国地震局地震科技星火计划项目(XY18017Y, XH20051)共同资助
摘要

新沂市作为郯庐断裂带山东段和苏皖段的分段节点, 具有非常重要的地位。 为研究郯庐断裂带新沂段地壳的浅部结构、 活动性、 空间展布以及深浅构造关系, 文中采用了中深、 浅层地震勘探及初至波层析成像相结合的工作方法, 首先在新沂市南完成了1条长33km、 覆盖次数> 30次的中深层地震反射剖面, 同时利用共炮集记录上的初至波开展地壳浅部结构的层析成像研究, 之后给出了跨断裂的3条高分辨率浅层地震反射剖面和1条折射层析成像剖面。 研究结果表明: 郯庐断裂带新沂段是一条由5条隐伏主干断裂组成的断裂带, 具有 “两堑夹一垒”的构造样式。 中深层和浅层地震反射剖面表明, 郯庐断裂带新沂段各主干断裂具有上下一致的对应关系和明显的第四纪活动, 对新生代地层厚度和堑-垒状构造特征具有明显的控制作用。 浅层地震勘探结果揭示的地层界面形态和断裂浅部特征清楚, 墨河-凌城断裂(F3)、 新沂-新店断裂(F2)、 马陵山-重岗山断裂(F5)及山左口-泗洪断裂(F1)不仅断错了基岩顶界面, 且第四纪以来存在活动迹象, 尤其是马陵山-重岗山断裂(F5)具有全新世的强活动特征。 文中的研究结果可为深入理解新沂市及周缘的深部动力学过程、 研究郯庐断裂新沂段的深浅构造组合关系及其活动性提供地震学依据。

关键词: 郯庐断裂带新沂段; 初至波成像; 地震反射剖面; 地壳结构和构造; 第四纪活动性
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2020)04-0825-19
THE CRUSTAL SHALLOW STRUCTURES AND FAULT ACTIVITY DETECTION IN XINYI SECTION OF TAN-LU FAULT ZONE
GU Qin-ping1,2), XU Han-gang1), YAN Yun-xiang3), ZHAO Qi-guang1), LI Li-mei1), MENG Ke1), YANG Hao1), WANG Jin-yan1), JIANG Xin1), MA Dong-wei4)
1)Jiangsu Earthquake Agency, Nanjing 210014, China
2)Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China
3)Xi'an Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi'an 710077, China
4)Shanghai Shenfeng Institute of Novel Geological Techniques Co., Ltd., Shanghai 201107, China
Abstract

The Tan-Lu fault zone is the largest active tectonic zone in eastern China, with a complex history of formation and evolution, and it has a very important control effect on the regional structure, magmatic activity, the formation and distribution of mineral resources and modern seismic activity in eastern China. Xinyi City has a very important position as a segmental node in the Shandong and Suwan sections of the Tan-Lu fault zone. Predecessors have conducted research on the spatial distribution, occurrence and activity characteristics of the shallow crustal faults in the Suqian section of the Tan-Lu belt, and have obtained some new scientific understandings and results. However, due to different research objectives or limitations of research methods, previous researches have either focused on the deep crustal structure, or targeted on the Suqian section or other regions. However, the structural style and deep-shallow structural association characteristics of Xinyi section of Tan-Lu belt have not been well illustrated, nor its activity and spatial distribution have been systematically studied. In order to investigate the shallow crustal structure features, the fault activities, the spatial distribution and the relationship between deep and shallow structures of the Xinyi section of the Tan-Lu Fault, we used a method combining mid-deep/shallow seismic reflection exploration and first-break wave imaging. Firstly, a mid-deep seismic reflection profile with a length of 33km and a coverage number greater than 30 was completed in the south of Xinyi City. At the same time, using the first arrival wave on the common shot record, the tomographic study of the shallow crust structure was carried out. Secondly, three shallow seismic reflection profiles and one refraction tomography profile with high resolution across faults were presented. The results show that the Xinyi section of Tan-Lu fault zone is a fault zone composed of five concealed main faults, with a structural pattern of “two grabens sandwiched by a barrier”. The five main faults reveal more clearly the structural style of “one base between two cuts” of the Tan-Lu fault zone. From west to east, the distribution is as follows: on the west side, there are two high-angle faults, F4 and F3, with a slot-shaped fault block falling in the middle, forming the western graben. In the middle, F3 and F2, two normal faults with opposite dip directions, are bounded and the middle discontinuity disk rises relatively to form a barrier. On the east side, F2 and F1, two conjugate high-angle faults, constitute the eastern graben. The mid-deep and shallow seismic reflection profiles indicate that the main faults of the Xinyi section of Tan-Lu fault zone have a consistent upper-lower relationship and obvious Quaternary activities, which play a significant role in controlling the characteristics of graben-barrier structure and thickness of Cenozoic strata. The shape of the reflective interface of the stratum and the characteristics of the shallow part of the fault revealed by shallow seismic reflection profiles are clear. The Mohe-Lingcheng Fault, Xinyi-Xindian Fault, Malingshan-Chonggangshan Fault and Shanzuokou-Sihong Fault not only broke the top surface of the bedrock, but also are hidden active faults since Quaternary, especially the Malingshan-Chonggangshan Fault which shows strong activity characteristics of Holocene. The results of this paper provide a seismological basis for an in-depth understanding of the deep dynamics process of Xinyi City and its surrounding areas, and for studying the deep-shallow tectonic association and its activity in the the Xinyi section of the Tan-Lu Fault.

Keyword: Xinyi section of Tan-Lu fault zone; first-break traveltime imaging; seismic reflection profile; crustal structure and tectonics; Quaternary activity
0 引言

郯庐断裂带是纵贯中国东部的一条巨型深大断裂带, 作为扬子板块与华北板块的分界断裂(图1), 对中国东部的区域构造、 矿产资源的形成和分布以及现代地震活动均具有极其重要的影响和控制作用。 它在华北板块与华南板块的碰撞造山期可能并不存在, 而是起源于晚侏罗— 早白垩世, 属于滨太平洋构造在古特提斯构造之上的叠加(朱光等, 2016)。 作者认为, 其真实历史也有可能是早期起源于同造山作用的走滑构造, 后在滨太平洋构造活动中又被利用而再次发生左行平移, 并向N延伸, 这一包含2个阶段平移的观点比较合理, 有大量的沉积、 构造和地球化学等证据。 郯庐断裂带自中生代以来经历了强烈的左行平移、 伸展和挤压等复杂多变的演化过程, 这些过程势必会在深部和浅部结构上有所反映, 并 “ 冻结” 保留其演化的痕迹。 根据构造特点、 地震活动性及演化历史等特征可将其自北往南划分为3段, 即沈阳— 渤海段(又称营潍断裂带)、 山东段(又称沂沭断裂带)和苏皖段, 而新沂市为山东段和苏皖段的分段节点(王小凤等, 2000; 张鹏等, 2007; 万桂梅等, 2009)。 此外, 距新沂市不到30km处发生了1668年郯城8.5级特大地震。 由此可见, 无论从地质构造位置还是地震危险性的角度而言, 对郯庐断裂带新沂段开展系统的研究工作都具有非常重要的学术和应用意义。

图1 郯庐断裂带中南段及邻区的地形地貌、 地质构造和中深层地震测线位置图Fig. 1 Topography, geomorphology, geological structure and location of seismic survey lines in the middle-southern segment of the Tanlu fault zone and its adjacent area.

近年来, 大量国内外地球物理工作者对郯庐断裂带新沂段及邻区展开了相关研究。 地学者采用天然地震层析成像法(黄耘等, 2011; 吴萍萍等, 2015; 顾勤平等, 2016, 2020; 熊振等, 2016)获得了该区域的壳幔三维速度结构, 并对该区域的深部孕震环境和强震的发震机理展开了分析和研究。 张继红等(2010)和翁爱华等(2018)针对郯庐断裂带中段开展了大地电磁测深工作, 研究结果表明郯城地震的震中可能位于F1和F3的接触部位, 震源深度可能为15km。 近年来, 刘保金等(2015)采用高分辨率的深地震反射探测方法对郯庐断裂带中南段及其两侧地壳结构及莫霍面、 岩石圈底界面等展开了研究, 发现郯庐断裂带具有走滑、 挤压和伸展并存的构造形迹。 前人的研究成果为理解郯庐断裂带新沂段及邻区的深部动力学过程和构造环境提供了宝贵资料。 以上研究的目标层位均较深, 可用来研究郯庐断裂带中南段的深部构造环境、 孕震环境和发震机理等, 但对其地壳浅部结构和活动性并没有展开分析。 近期, 依托于 “ 宿迁市活动断层探测与地震危险性评价” 项目, 一些地质工作者(张鹏等, 2011, 2015; 许汉刚等, 2016; 曹筠等, 2018)针对郯庐断裂带宿迁段地壳浅部断裂的空间展布、 产状及活动性特征展开了研究, 并取得了一些新的科学认识和成果。 然而, 由于研究目标不同或受研究方法所限, 以往的研究成果或侧重于地壳深部结构, 或涉及的研究目标为宿迁段或其它区域, 而对郯庐断裂带新沂段的构造样式和深浅构造组合特征还未能给出精细刻画, 其活动性和空间展布还未能得到系统的研究。 此外, 有研究发现(Crone et al., 1991; 徐锡伟, 2006), 地震的孕育和发生不仅与深部地质构造背景和孕震环境有关, 近地表的活动构造线通常成为引发地震的重灾带。 由此可见, 深、 浅构造之间存在着某种内在联系(刘保金等, 2012)。 因此, 针对郯庐断裂带新沂段不同埋藏深度的断裂构造特征、 深浅组合关系的探索和研究工作亟待展开, 这项工作对理解地震发生的深、 浅地质构造背景和城市防震减灾工作都具有十分重要的意义。

反射地震勘探技术因具有高分辨率、 高精度的优势, 近年来主要用于探测研究地壳细结构、 活动断裂的空间展布以及深浅构造之间的复杂关系; 而浅层地震反射勘探是隐伏区探测近地表断层最为有效的地球物理探测方法, 在各大城市的活断层探测工作中得到了广泛应用(方盛明等, 2006, 2009; 酆少英等, 2010)。 利用折射波能够得到地下介质的速度结构、 界面位置及其起伏变化形态(侯贺晟等, 2009, 2010; 顾勤平等, 2013; 李燕等, 2017), 可在反射勘探法失效的地段起到拾遗补缺的作用。 本文以郯庐断裂带新沂段为研究对象, 依托 “ 新沂市活动断层探测与地震危险性评价” 项目(下文简称新沂活断层项目), 跨郯庐断裂带自东向西布设完成了1条长33km的中深层地震反射剖面, 取得了由初至波层析成像法获得的沿剖面的地壳浅层P波速度的精细结构和由共中心点叠加法获得的叠加剖面反演的断裂构造特征图像。 同时, 为确定郯庐断裂带新沂段主干断裂近地表的产状、 空间展布位置及活动性, 本文还给出了跨断裂的3条高分辨率浅层地震反射叠加时间剖面和1条折射层析成像速度剖面。 结合已验收完成的新沂活断层项目中目标断层晚第四纪活动性鉴定子专题成果图①(① 江苏省地震工程研究院, 2019, 新沂市活动断层探测与地震危险性评价(专题五): 目标断层的晚第四纪活动性鉴定成果报告。), 对郯庐断裂带新沂段的浅部精细结构、 空间展布及活动性展开了分析和讨论。 本文的结果不仅能提高对郯庐断裂带新沂段深、 浅部构造特征的认识, 也可为进一步研究郯庐断裂带新沂段的最新活动时代和分段特征及城市规划中避让活动断裂提供地震学依据。

1 测区地质构造特征和地震勘探剖面的位置
1.1 测区地质构造特征和地震地质条件

以郯庐断裂带新沂段的东边界断裂— — 山左口-泗洪断裂(F1)为界, 新沂市及邻近地区在大地构造单元分属华北地台淮河台坳和秦岭-大别褶皱系的苏鲁造山带。 郯庐断裂带新沂段主要由5条走向近平行的主干断裂组成(图2), 自西向东分别为纪集-王集断裂(F4)、 墨河-凌城断裂(F3)、 新沂-新店断裂(F2)、 马陵山-重岗山断裂(F5)和山左口-泗洪断裂(F1)。 其中, F1、 F4分别为郯庐断裂带的东、 西边界。 这5条主干断裂构成了宽约30km的 “ 两堑夹一垒” 构造样式(万天丰等, 1996; 张岳桥等, 2008; 张鹏等, 2011), 结构复杂, 新活动性强。 据最新研究成果图①(① 江苏省地震工程研究院, 2019, 新沂市活动断层探测与地震危险性评价(专题五): 目标断层的晚第四纪活动性鉴定成果报告。)显示, 发育于棋盘镇和唐店镇之间的F5为全新世活动断裂, 其余为早中更新世断裂。 研究区大多为第四系所覆盖, 中、 东部局部有太古代— 元古代(Ar-Pt)变质岩层出露。 白垩纪王氏组(K2w)红色砂页岩层和青山组(K1q)火山碎屑岩层在郯庐断裂带内及附近地区有广泛分布, 莱阳群(K1l)零星分布。 在郯庐断裂带内, N+Q的厚度40~150m, 最厚可达250~300m。

图2 研究区地质构造和地震测线位置图
F1山左口-泗洪断裂; F2新沂-新店断裂; F3墨河-凌城断裂; F4纪集-王集断裂; F5马陵山-重岗山断裂Fig. 2 Map showing geological structure and location of seismic survey lines in the study area.

在表浅层方面, 由于研究区内水系发达, 地下潜水位较浅, 低速层不发育, 对地震波的激发与接收较为有利。 而在中深层范畴, 由于研究区位于华北地块南缘, 已有的地质资料显示该区内中深部仅赋存白垩系, 更深部为元古界古老变质杂岩, 形成了区域内的地层基底。 白垩系中发育的厚层砂岩和页岩层能够形成较好的地震反射波, 但深部的元古代变质杂岩较难形成明显连续的反射波。 因此, 从各基岩层的赋存结构上来看, 深变质的元古代岩体可以作为上覆沉积地层的基底, 二者的接触面能够形成较好的反射波。 另外, 地下深部赋存的大型断裂构造的上、 下盘因构造拉伸、 挤压等作用, 易产生波阻抗差异, 从而形成断面波。 总体而言, 研究区内的地震地质条件较好。

1.2 地震剖面位置

中深层地震反射剖面位于郯庐断裂带新沂市, 长度为33km(图2 中的MDSRP)。 剖面西端位于徐州邳州市土山镇宋圩村附近(34° 19'43.01″N, 118° 03'55.65″E), 自西向东依次穿过F4、 F3、 F2、 F5、 F1, 东端终止于新沂城区东部的新杨高速公路(34° 17'29.95″N, 118° 25'09.55″E)。 剖面在地域上横跨邳州市土山镇、 新沂市草桥镇、 港头镇和唐店镇, 呈近EW向。 剖面沿途的作业环境和激发、 接收等条件比较复杂。 区段内公路和河道纵横交错, 干扰源较多。 剖面自西向东依次跨越了老沂河、 新沂河、 新戴运河及沭河, 给资料采集工作带来了一定影响。

鉴于中深层地震反射剖面采用的观测系统仍不能对近地表地层结构和断裂构造进行清晰成像, 直接影响到后期隐伏断裂上断点的追踪和最新活动性的判定。 为确定目标区内郯庐断裂带主干断裂的准确位置、 上断点埋深及活动性等特征, 本文在中深层地震反射剖面的基础上, 参考了跨断裂的3条高分辨率浅层地震反射剖面(图2 中的XYX3-7、 SY和XYX5-4剖面)和1条折射层析成像剖面(图2 中的XYL2测线上的黑色线)开展讨论和分析。

2 数据采集和资料处理
2.1 数据采集

中深层地震勘探采用双边不对称零偏移距接收、 排列内部激发的观测系统, 该方法不但能够兼顾浅层的有效反射信号、 有利于复杂界面的成像, 同时也使深层界面的反射信号有足够的正常时差, 进而可提高其速度的求取精度(渥· 伊尔马滋, 1994)。 中深层地震勘探的观测系统参数为: 道间距8m、 炮间距120m、 1 200道接收、 覆盖次数> 30次, 仪器采样间隔2ms, 记录长度8.0s。 地震波激发采用3台河北保定北奥石油物探特种车辆制造有限公司生产的28t KZ-28型可控震源组合激振, 8次垂直叠加, 扫描频率为8~96Hz。 使用法国SERCEL公司生产的24位428XL数字地震仪及DSU1单分量数字检波器进行数据采集。 基于上述设备和观测方法, 在复杂的地表施工条件下取得了376炮高质量的原始单炮资料, 探测总长度为33km。

浅层反射地震勘探观测系统参数为: 道间距3m、 90~96道接收、 12~16次覆盖、 采样间隔0.5ms、 记录长度1s、 最小偏移距9~36m, 采用单边激发和接收的观测模式, 震源为保定北奥公司生产的沙驼牌KZ-03型可控震源, 扫描频率20~160Hz。 使用固有频率为40Hz的检波器对地震波进行接收, 并使用美国SI公司生产的S-Land地震仪采集数据。

浅层折射层析成像剖面参数为: 道间距3m、 216道接收、 排列长度645m, 激发设备为美国Metrz-18型可控震源, 其它仪器设备同浅层地震反射勘探。

野外采集获得的第一手资料的质量直接关系到最终成果的可靠性, 而试图从已丢失有效信息的资料中提取有用的结果往往是徒劳的(渥· 伊尔马滋, 1994)。 为确保探测结果的质量和可靠性, 本研究采用了边采集、 边处理、 边解释的工作方法。 首先, 现场采集工作采用夜间施工模式, 尽可能减少外界干扰源对有效反射波的影响。 其次, 对原始记录进行回放和质量监督, 采用Grisys地震反射处理软件对当天的资料进行初步处理, 根据初叠时间剖面的效果检查当天的采集质量, 以指导后期野外采集工作的开展。

2.2 资料处理

2.2.1 中深层

地震资料处理工作在DELL672核心刀片式集群处理系统上进行。 通过对比多套数据处理软件, 包括Focus、 Grisys等, 综合所得结果并从中选择了最优的软件进行后续数据处理。 处理模块主要包括时变带通滤波、 常速扫描、 速度分析、 正常时差校正、 剩余静校正、 反褶积、 共中心点叠加及叠后去噪等。 此外, 还采用了分频及限制炮间距处理的方式对不同深度区域的资料进行处理。 浅部区域限定为0~1s, 深部区域限定为1~6s。 对于浅部资料, 由于动校拉伸产生畸变、 远道静校不静等原因, 远道数据参与叠加将降低时间剖面的信噪比和分辨率。 因此在处理浅部资料时, 只允许炮间距< 360m的数据参与叠加, 处理中深部资料时, 将炮间距增加至4 800m。

2.2.2 浅层地震勘探反射数据处理

浅层地震反射的主要处理模块和中深层反射勘探法类似。 浅层地震勘探重点研究了提高地震记录信噪比和分辨率的处理方法, 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, 高纵向分辨率有助于判断浅部覆盖层内断距不大的隐伏断层。 为达到提高反射波主频及其信噪比的目的, 采用了反褶积处理压缩子波, 使处理后地震记录的高、 低频反射波频谱具有相等的幅值。

2.2.3 折射层析成像处理

分别采用建模软件Tomodel和加拿大骄佳公司的基于非线性旅行时算法的折射层析成像软件(Geogiga DW Tomo)开展中深层和浅层地震初至波的层析工作。 初至波层析成像的处理流程主要包括线性动校正处理、 初至波到时的拾取、 建立初始速度模型(图3a)、 正演射线追踪得到理论走时、 多次迭代反演计算及完成速度结构分布成像等。 图3b给出了25次迭代的收敛曲线, 走时残差由247.3ms降低至125.9ms, 走时均方差基本趋于稳定且不再继续下降, 取此时反演获得的速度模型为最终结果(图4c)。

图3 初始速度模型(a)和迭代收敛曲线(b)Fig. 3 Initial velocity model(a)and iterative convergence curve(b).

图4 初至波射线路径及浅层P波速度结构Fig. 4 Ray paths of first-arrival waves and shallow P-wave velocity structure.

3 中深层地震勘探反射剖面结果
3.1 浅层初至波层析结果揭示的断裂特征

利用中深层地震共炮集单炮记录上的初至折射波信号, 采用基于非线性折射波旅行时算法(Zhang et al., 1998)的初至波成像方法, 反演获得了剖面控制地段的近地表P波速度结构(图4), 并将其作为中深层地震反射数据层析静校正和构造分析的依据, 该方法在国内外已得到广泛应用(侯贺晟等, 2009, 2010; 酆少英等, 2010; 刘保金等, 2012; 李燕等, 2017; 秦晶晶等, 2018)。 通过射线分布图(图4b)可以看出, 初至波射线分布均匀, 射线数多在400条以上, 初至射线能够对剖面的近地表地层实施有效覆盖, 丰富的射线条数保证了反演结果的可靠性。 我们以此速度剖面进行剖面控制段的地壳浅部速度结构分析讨论, 并对其揭露的郯庐断裂带的宏观格架进行简单描述。

速度结果图(图4c)清晰地揭示了剖面控制地段内近地表的P波速度分布特征、 地层的横向变化特征以及郯庐断裂带 “ 两堑夹一垒” 的构造样式。 地壳浅部介质总体呈现出明显的横向分块和纵向分层的特征。 剖面控制段内基岩顶面埋深具有隆凹相间展布的构造形态, 速度拐点或突变的位置可能体现隐伏断裂的存在。 需要说明的是, 图4c剖面上标注的断层来自于新沂活断层项目的探测成果, 并非由层析速度剖面解译而来; F3-1 和F5在层析剖面上的特征不明显, 故改用浅灰色表示。 由图4 可见, 剖面控制地段的浅层P波速度分布、 新生代沉积盖层厚度以及基岩面均受到断裂的控制和影响, 郯庐断裂带F4、 F3、 F2、 F1在剖面上得到了一定程度的体现。 P波速度结果总体上呈现出 “ 两堑夹一垒” 的形态, 与郯庐断裂带江苏、 安徽段已有的地壳浅部结构的层析成像结果吻合(刘保金等, 2015; 秦晶晶等, 2018)。

地壳浅部P波速度随深度的增加具有正梯度增大的变化趋势。 在8~28 435m桩号段内浅层P波速度< 2 000m/s, 由此表明该段第四系结构较为松散。 然而, 在F1东侧即28 436~33 000m桩号段, 近地表的P波速度约为3 800m/s, 且新生代地层沉积较薄。 新沂活断层项目目标区内的地质资料揭示该段基岩顶面埋深多在20m以浅, 且基岩为太古代— 元古代的片麻岩, 这些特征由层析剖面浅部的高速P波及其分布特征证实。

3.2 深反射地震勘探剖面揭示的断裂特征

本次中深层地震反射剖面的解释工作在GeoFrame 4.5专用的地震解释工作站上进行。 图5 给出了中深层地震反射叠加时间剖面(图5b)以及剖面沿线的地形地貌(图5a)。 为便于将叠加时间剖面图插入本文, 剖面图采用了抽5道的显示方式。 剖面的横坐标为桩号, 单位为km, 纵坐标为双程旅行时, 单位为s。 剖面上的断层统一采用F1、 F2、 …、 F3-1 等标注。

图5 研究区中深层地震反射叠加时间剖面(抽5道显示)Fig. 5 Stacked time section and its interpretation of mid-deep seismic reflection profile in the study area.

3.2.1 中深层地震勘探反射剖面波组特征

与浅层地震剖面上具有横向可连续追踪、 纵向成层的反射震相不同的是, 在深地震反射叠加剖面上看到的多是成组、 成带的反射信号(方盛明等, 2009)。 由于本次中深层地震勘探采用了3台28t可控震源组合激振及合理的观测系统参数, 获得了较高信噪比和分辨率的叠加时间剖面(图5)。 由图5 可见, 在剖面的浅部(< 0.3s)存在1组反射能量强、 横向上连续性好、 频率较高的同相轴, 根据目标区地质资料将其解释为新生界底界面TQ。 而在其下方, 时间剖面上存在一些能量弱、 横向连续性和可追踪性稍差, 且无规律的短小反射事件, 表现为成带、 成组的反射特征。 根据已有地质资料对各反射层赋予地层含义, 由浅部向深部依次描述为: 白垩系内部反射波组TK, 频率变低, 波组连续性稍差, 剖面控制段的部分地区呈弱反射或无反射; 震旦系顶界面反射波TG1, 波组特征表现为与上覆地层产状特征相近, 但波组能量较强, 连续性相对较好, 和上覆地层的分辨率差异明显; 元古界东海群变质片麻岩顶界面反射波TG2, 连续性较好, 能量强, 与上部地层产状和能量差异明显, 在剖面绝大部分区域易于追踪和对比分析。 通过叠加剖面中这些主要的反射震相, 能够分辨郯庐断裂带主干断裂的存在和地层的横向起伏变化特征, 较清楚地揭示了剖面控制段内郯庐断裂带地壳浅部结构的基本轮廓, 即郯庐断裂带 “ 堑-垒共存” 的构造特征。

3.2.2 剖面揭示地壳浅部横向分块特征

中深层地震反射剖面在横向上存在着明显的变化, 大致以F4、 F3、 F2、 F1断层为界, 可分为5个区段, 横向上呈现为地堑-地垒-地堑的展布形式。 第一区段位于纪集-王集断裂(F4)以西, 浅部新生界底界(TQ)反射明显。 第二区段的西侧以F4断裂为界, 东侧以墨河-凌城断裂(F3)为界。 该区段为这2条高角度断层围陷、 中间下降的槽形断块构造, 由此构成了郯庐断裂带 “ 两堑夹一垒” 的西侧地堑。 该区间内的地层反射波组能量强、 相对丰富, 尤其是元古界顶界面(TG2)及其以深地层。 第三区段位于F3和F2断层之间, 西侧以F3断裂为界, 东侧以新沂-新店断裂(F2)为界, 由这2条倾向相反的正断层所界限而中间断盘上升形成一小地垒, 同时, 该地垒在地形地貌上也有所体现, 即地形相对两侧呈隆起状(图5a)。 第四区段西侧以F2断裂为界, 东侧以山左口-泗洪断裂(F1)为界。 与第二区段类似, 第四区段是由这2条高角度断层构成郯庐断裂带 “ 两堑夹一垒” 的东侧地堑, 区间内地震反射波频率有明显降低的现象, 而东部区域的断裂(F2、 F5、 F1)向深部延伸并有逐渐会聚趋势。 第五区段位于F1断层以东, 具有古老地层的结构特征, 地层有效反射波组较少, 受地表沭河的影响, 浅部有效采样不足导致新生界底界(TQ)覆盖次数不够而呈现出较弱的特征。

3.2.3 中深层反射剖面揭示的地层结构特征

在图5 中的剖面上能看到多组清晰的地层界面反射波, 其分层特征较为明显, 地层结构显示较为清楚, 具有在横向上以断裂为界呈块状展布的特点。 新生界底界面TQ在整个剖面上均有发育, 其双程走时大部分< 100ms, 对应深度为75m以浅, 局部地区受断层影响形成断陷, 埋深增至260ms, 对应最大埋深约为200m。 中生代地层仅发育白垩系, 受构造影响其赋存的深度变化较大, 不整合覆盖于下部震旦系之上。 白垩系在剖面上均有发育, 显示出较好的沉积相反射波组特征。 震旦系构成了剖面控制段中生代的基底, 二者不整合接触面的反射波特征明显, 在时间剖面上显示了 “ 两堑夹一垒” 的特征。 震旦系顶界面(TG1)的赋存深度在地震测线上 “ 地垒” 位置处较浅, 约为200ms, 对应埋深约为165m; 在郯庐断裂带西 “ 地堑” 位置处较深, 约为1 900~2 200ms, 对应埋深约为5 200~6 000m。 震旦系之下为元古界变质结晶基底, 其与上覆的震旦系深海沉积相地层的岩性差异大, 在地震测线上 “ 地垒” 区域形成的反射波特征明显, 在地震测线上东部 “ 地堑” 位置处的反射波特征较弱。 在时间剖面上, 元古界变质结晶基底顶界面在 “ 地垒” 处赋存于约800ms处, 对应埋深约为1 850m; 在 “ 地堑” 处赋存在2 400~3 160ms处, 对应埋深约为7 100~9 200m。 由元古界顶界面向下, 时间剖面上反射波组的能量开始逐渐变弱, 至5 000ms以下时, 部分区域的反射波组有效特征已经消失, 故元古界结晶基底面以下未做分层辨识。 在地震测线东部边界处, 反射波组特征明显, 能量较强, 波速明显提高, 地质资料显示为元古界片麻岩基底区。

3.2.4 中深层地震剖面揭示的断裂构造

中深层地震反射叠加时间剖面所揭示的隐伏断裂特征较为清楚。 由图5 可以看出, 在解释的断层附近, 反射波同相轴的横向连续性和相位数、 反射波同相轴能量的强弱、 界面深度的起伏及地震波阻抗界面产状均出现了一定程度的变化。 结合这些断层判别标志和地壳浅部初至波层析成像结果(图4), 在剖面上解释了6条特征明显的断层, 表1给出了中深层反射地震剖面揭示的断裂产状、 上断点及倾角等参数。 地震时间剖面解释成果中, 在郯庐断裂带西部原有认识的F4位置东侧还解释了1条与F4截交的分支断层F3-1, 为本次工作新发现的断层, 其落差及规模相对较小; 其余断层与原有地质资料吻合并延续了原地质推断编号。 郯庐断裂带新沂段 “ 两堑夹一垒” 的构造样式由这几条主干断裂揭露, 断裂带宽约26.1km, 其中F4和F3、 F2和F1分别构成了西、 东地堑, F3和F2形成了地垒的2个边界控制断层。

表1 中深层地震反射剖面揭示的断层参数 Table 1 Parameters of faults revealed by mid-deep seismic reflection profile

尽管我们能够从中深层的地震反射剖面(图5)清楚地判定断裂存在的位置及其深部形态, 但断裂在新生界尤其是第四系内部的构造特征却得不到体现。 为了获得断裂的最新活动时代, 在研究工作中还跨断裂布设了多条高分辨率的浅层反射地震勘探和折射层析成像剖面, 以期对郯庐断裂带新沂段各主干断裂的浅部特征进行控制。

4 浅层地震剖面结果
4.1 跨F3断裂布设的XYX3-7剖面

XYX3-7测线主要针对墨河-凌城断裂(F3)西支布设, 采用纵波反射波法施工, 道间距3m, 90道接收, 15次覆盖, 共采集244炮, 测线全长2 463m。 图6 给出了XYX3-7测线的叠加时间剖面。 由图6 可以看出, 该剖面控制地段的地层界面反射波单一, 仅能揭露出基岩顶面P1这一单个的有效反射波组。 由此可见, 基岩顶面埋藏较浅给本次隐伏断层的探测工作带来了一定困难。

图6 跨墨河-凌城断裂的浅层地震反射叠加时间剖面Fig. 6 Stacked time section of shallow seismic reflection across Mohe-Lingcheng Fault.

剖面揭示的墨河-凌城断裂(F3)位于桩号1 239m附近, 其在反射剖面上向W倾, 为东盘上升、 西盘下降的正断层。 由P1反射波组的特征分析得知, 断点f3W-4 错断了基岩顶面及下部的沉积层, 其上断点埋深约为18m, 基岩视断距约为35m。 断点西侧的基岩面埋深基本稳定在70m附近, 断点东侧的基岩面埋深提升至35m, 再向E至1 700m桩号附近, 基岩面有向E倾伏的特征。 因第四纪地层的沉积厚度较小, 仅由浅层地震勘探剖面还难以判定断层错断的最浅地质层位, 这给判定断裂最新活动性带来了困扰。

为进一步确定断点f3W-4 错断的最浅层位, 跨断裂布设了1条长99.8m的钻孔联合地质剖面, 该剖面由7个深度为34~75m、 间距为3.7~50.2m的钻孔组成, 总进尺为352m。 新沂活断层项目图①(① 江苏省地震工程研究院, 2019, 新沂市活动断层探测与地震危险性评价(专题五): 目标断层的晚第四纪活动性鉴定成果报告。)结果显示, 该区中更新统底界面的深度范围为6.5~7.3m, 而上断点埋深约为9.4m, 据此判定墨河-凌城断裂(F3)属于早中更新世活动断裂。

4.2 跨F2断裂的SY剖面

SY测线为新沂活断层项目的试验测线, 主要针对新沂-新店断裂(F2)及墨河-凌城断裂的分支(F3-1)布设, 采用纵波反射法施工。 道间距3m, 96道接收, 12次覆盖, 共采集629炮, 测线全长7 839m, 震源同XYX3-7测线。 受篇幅限制, 这里仅给出控制F2的局部叠加时间剖面展开讨论。

图7 给出了SY测线跨新沂-新店断裂的叠加时间剖面。 由图7 可见, 该叠加剖面揭示的晚新生代(N+Q)地层反射和新沂-新店断裂的构造特征非常清楚。 在剖面桩号6 813m附近, 可以看到f2-2 断点已明显断错了埋深约120m的基岩顶面反射波同相轴P3和松散沉积层内部的P2波组。 根据目标区内地质资料推测P2反射波组为上新世宿迁组(N2s)顶界面反射波, 其视断距为4~7m。 基岩内部地层的P4反射波仅可在断裂的下降盘被清楚地探测到, 由f2-2 断点控制的断陷特征明显, P4总体特征表现为自西向东倾伏。 埋深约为50m的中更新世地层底界面P1的有效反射波组未受f2-2 断点影响, 据此推测新沂-新店断裂(F2)的最新活动时代为早中更新世。

图7 跨新沂-新店断裂的浅层地震反射叠加时间剖面Fig. 7 Stacked time section of shallow seismic reflection across Xinyi-Xindian Fault.

4.3 跨F5断裂布设的XYX5-4剖面

XYX5-4测线主要针对马陵山-重岗山(F5)断裂布设, 采用纵波反射法施工, 道间距3m, 96道接收, 16次覆盖, 共采集211炮, 测线全长1 941m, 可控震源为美国Metrz-18型。

图8给出了XYX5-4测线的叠加时间剖面。 由图8 可见, 该剖面清楚地揭示了马陵山-重岗山(F5)断裂由2条近直立发育、 相向而倾的主干断裂组成, 这一特征与郯庐断裂带宿迁段局部地区相吻合(许汉刚等, 2016)。 剖面显示F5断裂具有断陷的特征, 由西(f5-4)、 东(f5-5)2支断裂组成。 f5-5 断点东侧只有基岩顶面反射波P3发育, 其双程走时为20~70ms, 自西向东有向上抬升的趋势; f5-4 断点两侧除发育基岩顶面P3以外, 松散沉积层内发育多组反射波组(P1、 P2)。

图8 跨马陵山-重岗山断裂的浅层地震反射叠加时间剖面Fig. 8 Stacked time section of shallow seismic reflection across Malingshan-Chonggangshan Fault.

f5-4、 f5-5 上断点在地表的投影分别约在912m和1 612m桩号处, 断裂带宽约700m。 剖面西部的基岩顶面埋深稳定在125~150m, 自西向东略有下倾加深的趋势; 受f5-4 断点错动的影响, 自西向东呈斜坡状下倾加深并具有强烈扭曲、 变形的特征, 随后稳定在埋深约220m处; 在f5-5 断点以东, 基岩埋深较浅, 为15~35m, 断点东侧的白垩纪王氏组(K2w)砂岩与西侧的第四系直接接触。 由图可见, F5自下而上断错了剖面上所有的反射波组, 断距随深度的增加而变大, 反映出马陵山-重岗山断裂(F5)具有明显的多期活动和生长断层的特征。

为进一步确定断点f5-4 错断的最浅地层层位, 跨断裂布设了1条长200m的钻孔联合地质剖面, 该剖面由7个深50~102m、 间距7.7~101m的钻孔组成, 总进尺638m。 新沂活断层项目图①(① 江苏省地震工程研究院, 2019, 新沂市活动断层探测与地震危险性评价(专题五): 目标断层的晚第四纪活动性鉴定成果报告。)结果显示, 该断点为向E倾的正断层, 上断点埋深约为4m, 向上断错的最浅层位为全新统灰黑色黏土层, 全新统底界面仍存在1.1m的落差, 据此判断马陵山-重岗山断裂(F5)为全新世活动断层。

4.4 跨F1的折射层析成像剖面

高分辨率折射层析成像法通常用来寻找覆盖层下不同岩性的分界面、 陡坎及断层等, 在一定程度上可替代浅层地震反射波法或对其无法涉及的区域进行弥补性勘探(顾勤平等, 2013)。 XYL2测线为新沂活断层项目的控制性测线, 全长18.7km, 测线在F1附近的覆盖层埋深较浅。 为此, 本文重合XYL2测线、 跨山左口-泗洪断裂布设了1条高分辨率折射层析剖面, 起始点分别位于该测线的15 300m桩号和15 945m桩号。 施工采用了多重追逐相遇观测系统, 地震排列等间隔采集了25炮, 炮间距为36m。

图9 给出了跨F1断裂的折射层析成像剖面, 显示了剖面控制范围内、 近地表至探测深度内的速度和地层结构图。 折射层析剖面揭示测线控制段内地壳近地表的纵向非均匀性特征明显, 具有成层性的结构特点, 总体上可分为3个层位、 2个分界面。 因测线横向跨度较小(645m), 近地表松散沉积层内的横向非均匀性特征不明显。 但基岩内部大致以15 637m桩号为界, 东、 西两侧呈现出截然不同的速度分布特征。 据此初步判断存在f1-1 断点。 断点以东基岩内部的视速度> 4 000m/s; 断点西侧基岩内部的视速度普遍在3 000m/s以内。

图9 跨山左口-泗洪断裂的高分辨率折射层析成像速度剖面Fig. 9 High-resolution refraction tomographic velocity profile across Shanzuokou-Sihong Fault.

后期针对该断点布设了1条长100m的钻孔联合探测剖面, 该剖面由12个深20~35m、 间距为10.2~39m的钻孔组成, 总进尺264m。 钻孔联合剖面揭示上断点的埋深为13m, 断点西侧和东侧的基岩分别为太古界— 元古界片麻岩和白垩纪王氏组砂岩, 剖面揭露的下更新统底界基本处于同一水平面, 综合野外观察、 浅地震勘探及钻孔联合剖面成果, 判断山左口-泗洪断裂(F1)属于早中更新世活动断裂。

5 总结与讨论

本文采用中深、 浅层地震反射波勘探法及初至波层析成像相结合的探测方法, 获得了郯庐断裂带新沂段的地壳浅部结构、 空间位置及性质, 并对各主干断裂的最新活动性进行了研究。 首先, 通过中深层地震反射剖面揭露了郯庐断裂带新沂段地壳浅部结构及5条主要隐伏断裂的构造特征, 新发现1条归属于墨河-凌城断裂(F3)的分支断层(F3-1)。 5条主干断裂将郯庐断裂带 “ 两堑夹一垒” 的构造样式揭露得较为清楚, 自西向东展布如下: 西侧为F4和F3这2条高角度断层围陷、 中间下降的槽形断块构造, 构成了西侧地堑; 中间以F3和F2这2条倾向相反的正断层所围限而中间断盘相对上升形成地垒; 东侧以F2和F1这2条共轭的高角度断层构成东侧地堑。 同时, 为挖潜中深层地震单炮记录的信息, 拾取初至波并展开折射波层析成像, 郯庐断裂带 “ 堑-垒-堑” 的构造特征在层析成像剖面上同样得到了很好的展现, 地壳浅部具有横向隆、 凹相间分布和纵向成层分布的特征。 之后, 针对主干断裂给出了3条浅层地震反射剖面和1条折射层析剖面, 据此确定了断裂的空间位置及产状等特征, 并综合钻孔联合地质剖面及新年代学样品测试结果, 获得了各主干断裂的最新活动时代(表2)。 由表2可见, 马陵山-重岗山(F5)归属于晚更新世以来的活动断层, 其余为早第四纪活动断层。

表2 断点参数一览表 Table 2 Parameters of the breakpoints of faults

新沂作为郯庐断裂带山东段和苏皖段的分段节点, 对其开展研究具有重要的科学意义和迫切性。 作者现正依托国家自然科学基金项目(41704052)、 中国地震局地震星火计划项目(XY18017Y)对该段及邻区的深部速度结构展开研究, 对该区域的深部结构、 孕震环境及其与中强震震中的分布关系进行分析。 此外, 项目组正基于宿迁、 新沂活断层项目获得的各专题成果, 通过整合地质和地球物理资料建立郯庐断裂带江苏段新生界三维地质模型。 希望通过以上工作为断裂位置及预测地震提供科学依据。

致谢 中深层地震勘探的数据采集工作由中煤科工集团西安研究院有限公司承担; 浅层地震勘探数据由上海申丰地质新技术应用研究所有限公司及江苏省地震工程研究院工程物探所共同完成采集; 在野外施工过程中得到了徐州市地震局、 新沂市地震局、 北京震科监理有限公司等单位的领导和同仁的支持与帮助; 审稿专家为本文提出了宝贵的修改意见。 在此一并表示感谢!

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