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棓靖桂
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1 2010 年 12 月 APPLIED GEOPHYSICS( 应用地球物理 ) 第 7 卷, 第 4 期地震方法探测太行山山前断裂的活动特征 //Seismic analysis of the active character of the Taihang Mountain piedmont fault. APPLIED GEOPHYSICS, 7(4) (December 2010), P DOI: /s x 地震方法探测太行山山前断裂的活动特征徐明才, 高景华, 荣立新, 王广科, 王小江 ( 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所, 河北廊坊 ) 摘要 : 太行山山前断裂位于太行山脉与华北平原过渡地带, 是华北及我国东部地区一条重要的构造带, 有关该断裂带的活动性众说纷纭为研究该断裂的活动特征, 穿过石油地震探测到的太行山山前断裂布设了中浅层和浅层地震剖面, 根据中浅层和浅层地震剖面探测结果, 得到了太行山山前断裂的浅部和中浅层部构造特征, 且浅层地震探测结果得到了钻探验证, 表明该断裂仅错断了中更新世 QP2 早期, 中更新世 QP2 晚期和晚更新世地层没有发生错断为研究该断裂的深部构造特征, 在该区还开展了深部地球物理调查, 从深部地球物理调查结果能够推断太行山山前断裂不是岩石圈深大断裂由此可见, 在邯郸地区, 太行山山前断裂不是活动断裂, 也不是岩石圈深大断裂关键词 : 太行山山前断裂, 活动特征, 地震勘探, 钻探验证引言活动断裂是一种现代正在活动的构造, 它与地震和地质灾害紧密相关事实上, 中国是一个多地震的国家, 地震活动频度高震级大, 地震灾害严重, 历史上有许多大中城市均遭遇过破坏性地震的袭击有近一半的城市, 包括 22 个省会城市均位于地震基本烈度 Ⅶ 度的高烈度区很多大中城市的城区范围内都已发现活断层存在的迹象大量的震例表明, 活断层不仅是产生地震的根源, 而且地震时沿断层线的破坏最为严重, 如 :1976 年唐山地震时的严重震灾带沿唐山煤矿 5 号发震断层分布 ;1995 年日本阪神地震的重灾带集中在野岛断层六甲山断层和神户西宫断层沿线 (Han, 1996);1999 年土耳其伊兹米特地震的重灾带集中在北安那托里亚断层西段的北分支上 (Han, 2000);1999 年台湾集集地震将建在车笼埔断层上的 1 个坚固的地下军火库毁坏 (Wang, 2000); 2008 年 5 月 12 日, 发生在四川汶川的 8.0 级大地震震惊了全中国, 乃至全世界汶川大地震使沿龙门山发震断裂带的建筑物损坏十分严重北川县城遭到毁灭性破坏的主要原因就是映秀 - 北川发震断裂从整个县城通过 ; 县城附近的地震破裂位移量大 ; 而四川彭州市白鹿镇中学的两栋教学楼分别位于发震断裂两侧, 地震时断裂错动达 2.1 米, 但由于教学楼避开了断裂, 并且建筑质量较好, 楼房没有倒塌, 也没有师生的伤亡 ; 而坐落在发震断裂带上的北川县城的毁灭性破坏恰恰是一个反例当地震不可预报, 至少是在短期内不可进行临震预报时, 我们能做的只有准确地知道城市直下性断裂的位置和评价该断裂发生地震的可能性, 才能在城市规划中采取合理的避让措施 5.12 汶川地震的事实再次告诉我们, 只要做到了科学合理地抗震收稿日期 : ; 修改稿收到日期 : 基金项目 : 本研究由河北省城市活断层探测与地震危险性评价项目 ( 邯郸 ) 资助版权所有 2010 应用地球物理英文版编辑部

2 设防还是能够在很大程度上减轻人员伤亡和经济损失城市活断层探测为减小地震造成的损失, 开展城市活动断裂探测, 评价其地震危险性和危害性, 提出减灾对策是十分必要的开展该项工作的核心是要解决城市范围内的断裂定位断裂的最新活动和深部背景断裂的地震危险性和地表错动危险性及减灾对策由此可见, 对城市范围内主要直下型断裂的深部构造特征进行从浅部中深层和深部等不同层次的探测是重要的, 其探测深度至少应探测到该区域地震常发生的震源深度, 最好能探测到莫霍面由于在大城市及其周边地区, 各种振动电磁和地下管道干扰比较严重, 电法勘探受电磁干扰严重, 对于该干扰, 目前还没有成熟有效的方法技术, 而重力勘探的精度较低, 满足不了要求, 目前在城市活断层探测中, 主要采用地震方法技术 ( 徐明才等 2005) 对于深部断裂探测 (6-30km), 通常采用垂直地震反射和地震测深技术, 有时也采用宽频带台阵探测技术, 就其分辨率而言, 垂直地震反射技术的分辨率较高, 地震测深技术和宽频带台阵探测技术的分辨率相对较低 ; 在勘探成本上, 前者的勘探成本相对较高, 后者的勘探成本相对较低, 且地震测深技术和宽频带台阵探测技术能够给出地下介质的速度结构对于中深部断裂探测 (2-6km), 一般采用油气地震探测技术, 使用的震源大多为炸药震源, 有时也采用大吨位可控震源激发 ; 对于中浅部断裂构造探测 (300m-2km), 一般采用炸药震源或轻便可控震源, 采用的道间距小于油气地震探测技术采用的道间距 ; 对于浅部断裂构造探测 (300m 以上 ), 一般采用浅层地震探测技术, 所采用的道间距 1-3m 下面结合太行山山前断裂的探测结果, 讨论地震探测技术在城市活断层探测中的应用问题图 1 太行山山前断裂在测区的分布 1 太行山山前断裂,2 磁县 - 大名断裂,3 南山村 - 岔口断裂,4 永年断裂,5 临漳断裂, 6 紫山西断裂,7 安阳南断裂,8 汤东断裂,9 汤西断裂,10 新乡 - 兰考断裂 393

3 地质概况太行山山前断裂位于太行山脉与华北平原的过渡地带, 是华北及我国东部地区一条重要的构造带它北起北京怀柔附近, 向南经房山和河北的涞水保定石家庄邢台邯郸及河南的安阳汤阴直至新乡, 总体 NE NNE 向展布, 全长约 620km 该断裂在邯郸地段走向 NNE, 大致沿京广铁路分布, 往北过永年后渐变为 NE, 逐渐偏离京广铁路 ( 图 1) 研究区为平原区, 目标断层为隐伏断层, 被不同厚度的第四系松散沉积物所覆盖在该情况下, 仅仅依靠地表地质地貌工作已不可能对断层定位和活动性进行全面研究必须依靠地球物理探测技术实际上, 该断裂也是根据大量的地质和地球物理资料发现的太行山山前断裂的中深部构造特征可以从沿中浅层地震剖面的石油地震剖面 ( 图 2) 得出, 该断层在地震剖面上表现为正断层, 倾角上陡下缓, 最陡处可达 70 o, 断距大于 1000m, 断面下延深度约 4000m. 在石油地震剖面上, 该断层的主要活动时间在古近纪图 2 反映太行山山前断裂 (F 1 ) 中深部结构特征的石油地震剖面通过太行山山前断裂的深地震反射剖面研究的结果表明 ( 王椿镛等,1994), 在上中地壳存在一低角度的滑脱构造, 该滑脱构造以平缓的倾角向东南下延到 10~16km 的深度, 在倾向上水平延伸距离约 50km, 表现为一条大型的拆离断裂太行山山前断裂带不仅是地形地貌分区的界线, 而且也是区域地质构造和地球物理场中一条重要的边界, 一些研究者认为它属深大断裂带 (Huang, 1980,Shang et al., 1985), 有人认为它是一条活动 1984; 1985), 也有人认为它不是地震构造带 (Xu, 2000) 为系统研究太行山山前断裂的活动性, 我们在邯郸穿过该断裂沿石油地震剖面布设了中浅层和浅层地震剖面地震方法探测太行山山前断裂的浅深结构中浅层地震探测断裂带和地震构造带 (Li et al., 1984;Jiang et al., 中浅层地震探测采用轻便可控震源 MiniVib 394

4 T15000 激发, 中浅层地震剖面跨过石油地震探测到的太行山山前断裂 F 1 野外数据采集采用 5m 道间距,15m 炮间距,60 道接收,10 次覆盖 0.5ms 采样,1500ms 记录长度的方法技术利用能量较大的轻便可控震源, 在一个点进行多次扫描相关垂直叠加, 可有效压制外界干扰, 提高地震记录的信噪比在经处理和初步解释得到的中浅层地震剖面上, 共解释了 7 个地震波组 T 0 T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 和 T 6, 其中 :T 0 反射波为第四系底界面形成的反射波,T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 和 T 6 为基岩地层内不同波阻抗界面产生的反射波 T 0 反射波连续性好, 基本能够连续追踪对比 ;T 1 T 2 T 3 反射波振幅较强, 连续性较好, 相位特征比较明显 ;T 4 T 5 和 T 6 反射波在一些地段其振幅较强, 在一些地段其振幅较弱, 这些反射波的相位特征比较明显, 基本都能连续追踪对比在该地震剖面 ( 图 3) 上, 分布有 2 条断层 F 1-1 和 F 1, 其中 :F 1-1 位于 F 1 的东侧断层 F 1 仅使 T 2 T 3 T 4 T 5 和 T 6 反射波发生了错断, T 0 和 T 1 反射波错断不明显 ; 断层 F 1-1 与断层 F 1 具有类似的特征, 该断层仅使 T 4 T 5 和 T 6 反射波发生了错断,T 3 T 2 T 1 和 T 0 反射波连续性较好, 错断不明显根据测区资料综合分析后认为断层 F 1 为太行山山前断裂, 断层 F 1-1 为太行山山前断裂的次生断裂图 3 反映太行山山前断裂 (F 1 ) 中浅部结构特征的地震时间剖面浅层地震探测样,512ms 记录长度的方法技术 Wacker 夯击震源是一种对地表无任何破坏的轻便机械震源, 该震源地震是活动断裂发生突发错动的结果, 只有晚与装有相关处理软件的地震仪联合使用, 通过设置更新世 ( 距今 10~12 万年 ) 以来仍然活动的断裂才噪声门限编辑强脉冲噪声和多次相关叠加等技术有可能被考虑具有发生中强地震的危险性在石油能够有效地压制外界干扰, 提高地震记录的信噪比地震剖面和中浅层地震剖面上, 太行山山前断裂都经处理和解释的浅层地震反射剖面如图 4 所没有错断第四系底界面, 因此难以对该断裂的活动示, 从该浅层地震剖面可以看出, 该剖面反映的地性进行评价为采用地球物理探测技术研究基岩断震记录的信噪比较高在浅层地震时间剖面上, 解裂的活动特征, 沿中浅层地震剖面开展了浅层地震释了 4 个地震波组 T 2 T 1 T 0 和 T 0-1, 其中 :T 2 探测, 该探测剖面跨过了中浅层地震探测到的 F 1, 和 T 1 反射波为第三系地层内波阻抗界面产生的反但没有跨过 F 1-1. 射波,T 0 反射波为第四系底界面形成的反射波, 浅层地震采用夯击震源 Wacker 激发,2m 道间 T 0-1 为第四系地层内波阻抗界面产生的反射波其距,6m 炮间距 60 道接收,10 次覆盖 0.5ms 采中 : T 2 和 T 1 反射波在大多数地段地震记录的信噪 395

5 比较高, 连续性较好, 相位特征明显, 能够连续追踪 ;T 0 反射波振幅较强, 呈双相位分布, 信噪比高, 连续性好, 该反射波反映的深度在剖面 E 侧, 埋藏较深, 在剖面 W 侧, 埋藏较浅 ;T 0-1 反射波在某些地段振幅较弱, 连续性较差, 反映出来了在该工区第四系内部地层的横向不均匀性图 4 反映太行山山前断裂 (F 1 ) 浅部结构特征的浅层地震剖面在浅层地震剖面上解释了 1 条断层 F 1, 在平面位置上, 该断层与中浅层地震剖面上的 F 1 断层对应在地质上该断层对应于太行山山前断裂在解释的断层位置,T 2 T 1 和 T 0 反射波都发生了错断,T 0-1 反射波出现了明显的扰动, 且在解释的断层位置出现了明显的断层楔由于在中浅层地震剖面上 CDP460 以东, 未开展浅层地震探测, 因此, 中浅层地震剖面上的 F 1-1 断层不可能被探测到在实际工作中, 采用超浅层地震探测技术 ( 道间距 1m, 采用震源枪等高频震源 ) 或地质雷达技术能够对更浅的地层进行分层, 对表层断层结构进行探测根据浅层地震剖面的解释结果, 对断层 F 1 进行了钻探验证 ( 图 5) 根据断层两侧的 4 个验证孔的钻探结果, 认为该断层错断了中更新世 QP2 杨柳青组, 断距自上而下分别为 3.89m 4.99m 和 6.29m 晚更新世 QP3 欧庄组地层没有发生错断地震时间剖面上的 T 0-1 反射波为第三砂层顶界面产生的反射波,T 0 反射波为第四系内第四砂层和第三系粘土层之间界面产生的反射波板内地震一般震源深度可达 10km, 因此, 查明活动断裂的切割深度或它是否具有深部背景是重要的因此, 在中深层至浅层地震勘探的基础上, 还应对活动断裂进行深部地球物理探测, 其探测深度起码应达到孕震深度, 乃至达到 M 面根据深部地球物理探测结果, 能够查明地壳上部断裂的深部特征, 即深浅构造的关系, 是否可能形成具有一定特征的震源构造太行山山前断裂深部结构探测地壳浅表的断裂不可能发生大的破坏性地震, 只有具有一定深度的活动断裂才能孕育较大地震, 396 图 5 跨太行山山前断裂的钻孔剖面

6 为研究太行山山前断裂的深部构造特征, 采用了宽频带台阵探测技术, 台站间距 3~7km, 且在拟探测的断层两侧, 台站分布适度加密记录仪器为 FBS-3 宽频带拾震器数据处理利用了接收函数非线性反演和偏移成像等技术图 6 为沿北纬 36.4 o 横切太行山隆起区所做的速度垂直分布图, 图中标注的断裂位置表示了反射地震探测到的断裂位置由此可以看出, 在太行山山前断裂以西明显有高速异常体侵入上地壳, 最上部离地表仅 5km 左右由西往东沉积厚度由约 7km 逐渐减薄为约 2km, 同时, 地壳厚度逐渐增厚在太行山隆起区的东侧, 太行山山前断裂东侧的沉积厚度最深可达 10km 左右, 对应于由于太行山隆起造成的山前凹陷盆地, 如果把该山前凹陷盆地的形成解释为与太行山山前断裂有关, 该断裂的深度也只有 10km 该地震层析探测结果与穿过太行山山前断裂深地震反射剖面的研究结果相吻合, 即太行山山前断裂带基本上是发育于上地壳的拆离滑脱构造, 不是岩石圈深大断裂图 6 沿北纬 36.4 o 横切太行山隆起区的速度垂直分布图横坐标为经度, 等值线上的数字为速度, 单位为 km/s( 据许华明博士学位论文 2008, 有修改 ) 结论根据测区地质资料和地震探测结果综合分析后认为太行山山前断裂为隆起区与拗陷区的边界断层, 该断层倾角上陡下缓, 断面下延的最大深度在 m, 为一组近平行的东倾正断层组成, 断层主要形成于古近纪, 由东向西断点埋深依次变浅浅层地震探测结果表明该断层为晚更新世以来不活动的断裂, 且该探测结果已得到钻探验证, 钻探上断点的层位与人工地震上断点的层位一致综上所述, 在邯郸地区, 太行山山前断裂不是活动断裂, 也不是岩石圈深大断裂由于该断裂不是岩石圈深大活动断裂, 由发生破坏性地震的震源构造特征分析, 太行山山前断裂不是活动断裂带, 也不是地震构造带, 该探测结果对于首都圈地震危险性评价具有十分重要的意义参考文献 Deng, Q. D., 2002, Exploration and seismic hazard assessment of active faults in urban areas: Seismology and Geology, 24(4), Han, Z. J., and Zhang, G. M., 2000, Analysis of the structural environment of the Izmit earthquake: Recent Developments in World Seismology, China Academic Journal Electronic Publishing House, Beijing. Han, Z. J., Ren, F. H., Ogawa, Y., Taniguchi, and Hitoshi, 1996, Research on the seismotectonics of the January 17, 1995, Hanshin M 7. 2 earthquake: ACTA Seismologica Sinica, 9(4),

7 Huang, J. Q., 1980, The geotectonic and the evolution in China (1: 4,000,000 Instruction of the geotectonic and the evolution map in China): Scientific Publishing House, Beijing. Jiang, W. L., and Nie, Z. S., 1984, Discussion on active characters of the piedmont fault zone of Taihang Mountain and the earthquake risk: North China Earthquake Science, 2(3), Jiang, W. L., and Nie, Z. S., 1985, Discussion on the cause of the ground fissures in Handan city, Hebei province: North China Earthquake Science, 3(4), Li, S. B., Liu, D. L., and Xu, J. E., 1984, Mid-strong earthquakes migration activity and the block tilt movement in the North China several earthquake belts: North China Earthquake Science, 2(4), Shang, H. K., and Lu, M. L., 1985, On seismotectonics around the juncture of Shanxi, Hebei, Shandong, and Henan provinces: North China Earthquake Science, 3(3), Wang, Y. B., Wang, Y., Lee, J. C., and Zhan, Y. Z., 2000, Characteristics of ground ruptures caused by the 1999 M7.3 earthquake of Jiji: Taiwan Seismology and Geology, 22(2), Wang, C. Y., Zhang, X. K., Wu, Q. G., and Zhu, Z. P., 1994 Seismic evidence of detachment in North China basin: ACTA Geophysica Sinica, 37(5), Xu, M. C., Gao, J. H., Liu, J. X., and Rong, L. X., 2005, Application of the seismic method to detecting active fault: Earthquake Research in China, 21(1), Xu, J., Gao, Z. W., Song, C. Q., and Sun, J. B., 2000, The structural characters of the piedmont fault of Taihang mountain: Seismology and Geology, 22(2), ( 作者简介请参阅本刊英文版 2010 年 12 月第 7 卷第 398 页 ) 398

,,,,,,,,,,,,,,, ; 1854,, 19,,,,,, , 100,, ( ), :, 1992, 91 :, 1994, , 373 :, 1940, :, 1988, 52 82

(1840 1949),,,,, ( ) 100,,,,,,,, :, 1994, 254, 387 81 ,,,,,,,,,,,,,,, ; 1854,, 19,,,,,, 1883 1898, 100,, ( ), :, 1992, 91 :, 1994, 219 283, 373 :, 1940, 37 42 :, 1988, 52 82 ,, :, ;,,,,,,,,, 40,,, 1901