松原市扶余北斷裂的發現及活動性鑒定

萬永魁 沈軍 劉峽 尉洋 于曉輝 王雷 邵博

1）防災科技學院，河北省三河燕郊開發區學院街 065201

2）中國地震局第一監測中心，天津市河東區耐火路7號 300180

3）中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000

0 引言

松原市地處松遼盆地南部，是松遼盆地內地震最為活躍的地區，公元1119年在該區發生的級地震是整個松遼盆地有記載以來震級最大的淺源地震（唐雅芝，1986、1990）。2006、2013年該區域又相繼發生了一系列MS≥5.0的中強地震，造成20余萬人受災，房屋損毀5.7萬余間，直接經濟損失超過20億元（吳微微等，2014；武成智等，2014）。以往研究表明，松原市范圍內存在NE和NW兩組不同方向的斷裂，NE向或NNE向與NW向斷裂的交切區域的隆起與凹陷交匯部位是該區中強地震活動的主要場所（周本剛等，1992；鄢家全等，1996；李傳友等，1999a、1999b；楊清福等，2010；李恩澤等，2012），但由于區域內第四紀地層發育，斷裂多呈隱伏狀態，故相關研究均未給出明確的發震斷層。為確立區域斷裂構造，厘定發震斷層，松原市活斷層探測與地震危險性評價項目以N45°04′～45°18′、E124°39′～124°55′作為本次活動斷層探測的目標區，利用目標區及其附近大量的石油勘探資料對整個目標區進行了綜合分析，終于在松原市主城區北側，距主城區僅10km處發現了1條走向近EW的斷裂，并將其命名為扶余北斷裂，自1970年有地震記錄以來沿該斷裂存在地震集中分布的現象（圖1）。因此，判定扶余北斷裂的空間展布、斷層性質以及查清其深部構造背景、深淺構造關系和晚第四紀活動特征等，對松原市地震危險性評價及未來城市發展與規劃有著至關重要的作用。本文在對大量石油勘探資料解釋分析的基礎上，利用淺層人工地震勘探、鉆探、釋光測年等多重組合方式對扶余北斷裂開展了定位、定性和定年的綜合研究，旨在為松原市地震危險性評價提供可靠的定量化參數及活動性信息。

圖1 覆蓋扶余北斷裂的DEM影像及該區地震分布

1 探測思路及方法

松原地區蘊藏豐富的石油資源，因而石油部門已對該區開展了全面、系統勘查，并取得了大量的勘探資料。松原市活動斷層探測以此作為楔入點，采用“由已知到未知，由深到淺”的探測思路對扶余北斷裂開展綜合探測?！坝梢阎轿粗笔侵父鶕延械?D及大量2D石油勘探資料，發現并確認斷裂在深部的空間展布及斷層性質，進而逐層向上追蹤，將探測引向未知的淺部；“由深到淺”的含義是從石油勘探→淺層人工地震勘探→鉆探的逐層上疊探測，不斷向上追索，直至查清扶余北斷裂上斷點的具體位置、埋藏深度；最后依據上斷點處的地層信息及所取釋光樣品測年結果，綜合判斷扶余北斷裂的最新活動時代。

2 探測過程

2.1 斷裂深部構造特征

扶余北斷裂深部構造特征的確認，利用了該區下白堊統青山口組界面、姚家組界面、嫩江組界面3D地震勘探構造平面圖及由西向東橫穿扶余北斷裂的12條2D地震勘探剖面。3D地震勘探青山口組界面（圖2）顯示扶余北斷裂位于松原市主城區北側，距主城區約10km。該斷裂是扶余隆起的北部邊界，走向近EW，全長26km，西起孫家圍子，向東延伸至大洼鎮附近。斷裂兩側青山口組界面埋深變化顯著，且存在較多裂縫，表明扶余北斷裂曾有過強烈的地震活動。2D地震勘探剖面（圖2）顯示扶余北斷裂整體傾向南，視傾角較陡，約60°～80°。斷層性質表現為早白堊紀以正斷層作用為主，并控制了北部斷陷的沉積，沉積厚度明顯大于南部隆起，顯示出多組連續性較好的強反射層；新構造運動以來表現為逆沖作用，北部斷陷轉變為坳陷，斷層上部泥頁巖呈典型的膝折構造，反映出扶余北斷裂經歷了由拉張至擠壓的演化過程。2D地震勘探剖面隨測線由西向東偏移，扶余北斷裂在剖面上的變形幅度漸漸消減，由此確認的斷裂空間展布與3D地震勘探構造平面圖中斷裂展布的解釋成果一致。

圖2 松原地區下白堊統青山口組界面3D地震勘探構造平面圖及由西向東橫穿扶余北斷裂的2D地震勘探剖面（（a）～（l））

2.2 斷裂活動性鑒定

2.2.1 淺層人工地震勘探

石油勘探資料主要關注深部儲油構造，缺乏淺部地層信息，為獲取斷裂淺部形態特征，查明其變形幅度及深淺構造間的關系，橫跨扶余北斷裂布設了伯都-羅斯屯和復興村2條淺層人工地震測線（圖1）。

伯都-羅斯屯淺層人工地震勘探剖面（圖3（a））位于1個寬緩背斜處，該剖面存在7組強反射同相軸，其中，T0、TQ、TB1、TB2、TB4、TB6強反射同相軸分別為晚更新世地層底面反射、第四系底面反射、下白堊統嫩江組4段底（嫩江組3段頂）面反射、嫩江組3段底（嫩江組2段頂）面反射、嫩江組1段底（姚家組頂）面反射、青山口組底（泉頭組頂）面反射。剖面中強反射同相軸TB6的下方出現了明顯的波形紊亂、畸變和同軸錯斷現象，據此在剖面中部，雙程走時約1.00s處解釋出1個斷點FP1，斷層為逆斷層，傾向南，傾角近直立。TQ～TB6強反射同相軸雖較為連續，但均出現了不同程度的彎曲變形，且隨深度增加彎曲變形的幅度也明顯增強，考慮到淺層人工地震勘探的精度，推測斷層向上仍有延伸。推測斷層下盤（北側）地層沉積厚度明顯大于上盤（南側），說明伴隨背斜的形成，推測斷層下盤（北側）持續坳陷，沉積不斷進行，而上盤（南側）逐漸隆起，沉積地層較薄。除此之外，背斜的形成同時控制了T0、TQ之間的地層沉積，強反射同相軸 T0、TQ之間，推測斷層下盤的沉積厚度也明顯大于上盤，揭示出新構造運動以來扶余北斷裂受持續的擠壓應力作用。

復興村淺層人工地震勘探剖面（圖3（b））同樣存在 7組強反射同相軸，T0、TQ、TB1、TB2、TB4、TB6強反射同相軸對應的地層界面與伯都-羅斯屯編號對應的地層界面相同，TB3強反射同相軸為下白堊統嫩江組2段底（嫩江組1段頂）面反射。剖面中TQ及以下強反射同相軸均出現了較為明顯的扭曲、錯斷現象，據此在剖面中部測線1700m附近，雙程走時約1.00s處解釋出1個斷點FP2，該斷層為逆斷層，向上延伸產生分支，派生以小型斷層FP2-1、FP2-2及FP2-3，使斷層整體呈正花狀構造，斷層視傾角較陡，約60°～80°，之后被強反射同相軸T0覆蓋。剖面右側TQ～TB6強反射同相軸隨深度增加坳陷幅度明顯增強，再次揭示出新構造運動以來扶余北斷裂受持續的擠壓應力作用。

2.2.2 鉆探

綜合石油及淺層人工地震探測結果，為精確定位斷層位置，標定位錯量及上斷點埋深，查清斷裂最新活動時代，探測過程采用了控制性鉆孔與聯合鉆孔組合的方法以鑒定扶余北斷裂的活動性?？刂菩糟@孔共2個，橫跨伯都-羅斯屯剖面推測斷層，聯合鉆孔共12個，其中，3個布設于復興村剖面派生斷層FP2-1處，另外9個布設于派生斷層FP2-3處（圖1）。

伯都-羅斯屯控制性鉆孔與淺層人工地震勘探疊加剖面（圖4）顯示，鉆孔Z1與Z2的第四系深度分別為42.9、59.5m，與剖面中TQ強反射同相軸（第四系底界）相對應，該反射同相軸存在明顯的彎曲變形。鉆孔Z2在39.0～59.5m處為厚20.5m的早更新世灰白色中粗砂，而鉆孔Z1僅在38.6～42.9m處沉積了厚4.3m的早更新世灰白色中粗砂且含較多礫石，揭示了在強烈擠壓應力作用下推測斷層下盤不斷坳陷，沉積不斷進行，而推測斷層上盤逐漸隆起的事實。剖面中T0（晚更新世地層底界）和T1（中更新世地層底界）強反射同相軸均存在明顯擾動，據此推測，強烈的擠壓應力延續至晚更新世，斷層向上延伸至晚更新世地層。

圖3 伯都-羅斯屯淺層人工地震勘探及解釋剖面（a）及復興村淺層人工地震勘探及解釋剖面（b）

圖5為布設于復興村FP2-3處的聯合鉆孔剖面。聯合鉆孔布設首先采用大范圍控制法，布設了較大間距的鉆孔Z1～Z4，探測結果顯示，Z1、Z4之間存在較大落差，隨后采用逐步逼近法，分別布設了Z5～Z9對斷層逐步逼近。剖面中層①為全新世粉質粘土層，由于剖面地處第二松花江大壩附近，不能排除這個深度上存在地層的人為擾動，因此該地層無法作為標志層；層②為晚更新世灰色粉細砂層，其底界在Z8中提升了接近5m，在Z7、Z9之間存在0.6m陡坎；層③中晚更新世灰色粉質粘土層及層④中更新世灰色細砂局部夾粉質粘土層，在Z7、Z8之間均存在明顯擾動，其底界在Z7、Z9之間分別形成1.4、1.2m的陡坎；層⑤為早中更新世中粗砂層，該地層底界在Z7、Z9之間有一高2.5m的陡坎；層⑥為上新世泥巖。結合淺層人工地震勘探剖面，TQ（第四系底界）強反射同相軸為層⑤早中更新世中粗砂層底界面反射，該反射同相軸存在明顯的扭曲、錯斷現象，據此判斷斷層至少錯斷至層⑤中粗砂層中部?？紤]到地層③和地層④均存在明顯的擾動，地層②、地層③和地層④的底界在Z7、Z9之間分別形成0.6、1.4和1.2m的陡坎，因而認為斷層向上延伸至層②底界。另外布設于 FP2-1處的3個鉆孔探測結果與上述結果類似，地層②、地層③和地層④均存在明顯擾動，推測斷層也延伸至層②底界。

淺層人工地震勘探揭示，扶余北斷裂新構造運動以來受到的持續擠壓應力作用致使斷層下盤不斷坳陷，上盤逐漸隆起，最終造成斷層兩側地層存在顯著差異，強烈的擠壓應力延續至晚更新世，致使中晚更新世地層存在明顯擾動。鉆探結果證實了在強烈的擠壓應力作用下中晚更新世地層存在擾動的事實，并且在推測斷層處形成陡坎，據此判斷，扶余北斷裂向上延伸至晚更新世地層。而在層②底界和層③頂界跨推測斷層上斷點所取釋光樣品測年結果顯示，距今分別為（23.9±0.6）ka和（28.9±0.6）ka，屬晚更新世。綜合以上分析認為，扶余北斷裂最新活動時代距今（23.9±0.6）ka～（28.9±0.6）ka，為晚更新世活動斷裂。

3 結論

綜上所述，可得到以下結論：

（1）斷裂空間展布。扶余北斷裂位于松原市主城區北側，距主城區僅10km，該斷裂是扶余隆起的北部邊界，走向近EW，全長26km，西起孫家圍子，向東延伸至大洼鎮附近。

（2）斷層性質。斷層傾向南，視傾角較陡，約60°～80°，早白堊紀為正斷層，新構造運動以來表現為逆沖作用。

（3）斷裂最新活動時代。斷裂最新活動時代距今（23.9±0.6）ka～（28.9±0.6）ka，為晚更新世活動斷裂，斷裂活動造成第四系底界位錯2.5m，中晚更新世地層存在明顯擾動。

致謝：中國地震局第一監測中心陳長云博士為本文提供了很多寶貴的建議，同時匿名評審老師對文章的修改提出了中肯的意見，在此一并致謝。