新鄉-商丘斷裂永城段第四紀活動特征分析1

張 揚 郭大偉 張 濤 賀承廣 沈 陽 鞏一帆

1）中國地震局地質研究所, 北京 100029

2）河南省地震局, 鄭州 450016

3）河南省航空物探遙感中心, 鄭州 450053

4）河南省地質調查院, 鄭州 450001

引言

活動斷層指距今12 萬年以來有過活動，并在未來一定時期內有可能活動的斷層。國內外大量震例研究表明，活動斷層是地震的根源，也是地震災害的元兇（徐錫偉，2006；中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局等，2018）。地震發生時斷層沿線的建筑物破壞、人員傷亡最為嚴重，其損失明顯大于斷層兩側的其它區域（劉保金等，2008）。我國東部平原區主要發育隱伏斷層，且斷層的上斷點較深，利用淺層高分辨率人工地震勘探能夠取得良好的探測效果，更加科學的判斷斷層位置及可分辨的上斷點埋深，為鉆孔聯合地質剖面探測提供了有效的基礎依據。

新鄉-商丘斷裂是南華北盆地與渤海灣盆地和魯西隆起的分界線，西起新鄉，東經蘭考，向商丘一帶延伸，總體為近NWW 向展布，長約250 km，斷裂以北構造線以NE-NNE 向為主，斷裂以南構造線以NWNWW 向為主，該斷裂分段發育，傾向多變，具有走滑性質（許立青等，2013；王志鑠等，2018），自西向東整體分為延津段、封丘段、蘭考-民權段、商丘段和永城段，延津段主體傾向SW，封丘段傾向NE，商丘段傾向NE，永城段傾向SW，分別為控制不同凹陷新生界沉積或中-古生界保存的邊界斷裂。關于該斷裂新構造運動的特征，侯江飛等（2021）和張揚等（2021）通過淺層人工地震和鉆孔探測，認為延津段最新活動時代為晚更新世早期，淺部表現為具有走滑特點的“Y”型負花狀構造。為全面解剖新鄉-商丘斷裂活動性特征，《河南省地震構造探查工程》和中國地震局《新鄉-商丘斷層活動構造探測》項目于2019-2021 年分別在蘭考-民權段、商丘段、永城段開展了多條淺層地震探測，詳細落實了該斷裂向東展布的特征，本文在永城段高分辨淺層地震勘探資料的基礎上，通過鉆孔聯合地質剖面分析，系統研究了該段淺部結構特征及活動性，為地震危險性評價提供了重要依據。

1 區域地質背景

研究區位于華北板塊內部徐淮隆起與魯西隆起的交接部位，結晶基底為太古界-古元古界變質巖，上覆一套中、新元古代和古生代沉積蓋層，局部殘存三疊紀沉積。晚中生代-古近紀時期，區域主干斷裂兩側塊體發生強烈的差異性斷陷活動，以NWW 向新鄉-商丘斷裂為界，以北屬魯西隆起黃口凹陷，以南屬徐淮隆起碭山凸起，西側以NNE 向夏邑-太和斷裂為界，與顏集凹陷相鄰（圖1）。凹陷區內部充填一套厚層內陸河湖相沉積，中、新生代地層保存齊全，并向南、東2 個方向超覆于碭山凸起之上，使得黃口凹陷呈北斷南超、顏集凹陷呈西斷東超的單邊箕狀；碭山凸起則主要以不均一的構造剝蝕作用為主，大部分缺失晚中生代-古近紀地層，芒碭山一帶發育有燕山期花崗閃長巖、輝長巖等（張維等，2020）。新近紀以來，研究區斷陷活動明顯減弱，整體以坳陷沉降作用為主，隆起區與坳陷區均發育一套內陸河湖相沉積蓋層。

圖1 區域大地構造單元劃分（據王志鑠等（2018）修改）Fig. 1 Regional tectonic map（Modified from Wang et al. （2018））

新鄉-商丘斷裂永城段主要沿碭山凸起與黃口凹陷的過渡部位發育，隱伏于地表之下。已有地震勘探剖面顯示，該斷裂整體呈NWW-SEE 向展布。西起夏邑縣東北部，以夏邑-太和斷裂為界，同商丘段相隔；向東經太平莊、芒碭山延至安徽省境內（圖1），長約60 km。

永城段為碭山凸起北部前緣斷裂，石油剖面421 顯示該斷裂為切割古生界的深大斷裂（圖2），斷面傾向南西，傾角＞60°，具有南降北升的正斷性質，控制了碭山凸起局部中-古生代地層的保存，造成前新生代地層大幅度錯斷；古近紀地層整體缺失，新近紀-第四紀地層不整合覆蓋于其上，且石油地震剖面顯示該斷裂向上進入新近系-第四系之中，并造成新近系底板的明顯錯斷。綜合前人資料及斷層構造特征，新鄉-商丘斷裂永城段是一條形成時間早、切割深度大、多期活動的殼斷裂（張維等，2020；侯江飛等，2021）。

圖2 偏移地震剖面421 線Fig. 2 Time migration profile of line 421

2 地震數據采集和處理

新鄉-商丘斷裂永城段共布設2 條淺層地震測線XS7 線和XS8 線（圖3），探查方向均為由南至北，XS7 線起點位于太平鎮東約2 km 處，XS8 線起點位于火店鎮北約100 m 處。

圖3 區域地質圖及地震測線位置Fig. 3 Regional geological map and location of the seismic line

采用24T 大型M18-612HD 可控震源激發，并進行地震資料采集，震動8 次，為兼顧淺、中深層反射，掃描頻率范圍為20～120 Hz，驅動電平75%，掃描長度16 s，采樣間隔0.5 ms。檢波器自然頻率為60 Hz，2 串2 并組合插放，道距4 m，炮距16 m。

二維地震資料處理使用法國賽舍爾公司Geocluster 5000 軟件。地震勘探資料處理主要為解決靜校正和去噪問題，選擇處理方法和模塊時，以提高信噪比和分辨率為原則，以所得剖面能真實反映客觀地質現象為目的，在確保信噪比的基礎上提高分辨率并保持波組特征。針對本區的資料特點，從以下6 個方面進行處理研究：（1）靜校正；（2）噪聲衰減；（3）反褶積處理；（4）速度分析；（5）疊加剩余靜校正處理；（6）疊后時間偏移。

3 地震剖面分析

2 條跨新鄉-商丘斷裂永城段淺層地震剖面的分辨率、信噪比均較高，剖面主頻約為50 Hz，800 ms 之上同相軸連續性較好，斷層和地質層位的特征清晰。剖面解譯參考區域煤田鉆孔及第四系鉆孔資料（李光等，2011；包乃利等，2015）對地層進行初步標定，其中，新近系底部為1 套中低頻、中-強反射波組構成，并與下伏地層呈角度不整合接觸，第四系與新近系產狀一致，應為連續沉積。

3.1 太平莊XS7 測線剖面

XS7 測線沿010 鄉道由南往北布設，南端起于張廟村，北端止于郝廟村南。地震時間剖面揭示的反射震相比較豐富，反射能量較強，整個剖面地層特征較為明顯（圖4）。在雙程走時800 ms 以上共解譯了4 組特征明顯的地層反射（T01、T02、TQ、TN）。

圖4 XS7 線偏移時間剖面圖Fig. 4 Time migration profile of line XS7

從時間剖面看，TQ反射波在剖面樁號3 812 附近出現明顯的同相軸扭曲、錯斷，說明存在斷層，在測線解譯1 個斷點，標注為FP2701。從各界面斷點反映的斷面形態上看，該斷層為視傾向南的正斷層，其可分辨上斷點在地面上的垂直投影點位于剖面樁號3 812 附近，在錯斷T02界面后繼續向上延展，上斷點埋深約為71 m，在該深度的垂直斷距為5～10 m。

XS7 線剖面上700 ms 以淺的地層變形、斷層結構細節非常豐富。剖面上各地層接近水平，斷層北盤新近系底界反射褶曲形狀明顯，說明斷層兩側構造形態發生了明顯的變化（圖4、圖5）。

圖5 XS7 線深度剖面及解譯圖Fig. 5 Depth profile and explanatory chart of line XS7

根據斷層所處位置和空間展布形態，推斷FP2701 為主斷裂，歸屬于新鄉-商丘斷裂永城段。

3.2 火店鎮XS8 測線剖面

XS8 測線沿004 鄉道由南向北布設，南端起于004 鄉道偏西拐彎處，北端止于004 鄉道與縣道025 交叉口。該剖面揭示的反射震相比較豐富，反射能量較強，整個剖面地層特征較為明顯。在雙程走時500 ms 以上共解譯了3 組特征明顯的地層反射，在圖中分別標識為T01、TQ、TN（圖6、圖7）。

圖6 XS8 線偏移時間剖面圖Fig. 6 Time migration profile of line XS8

圖7 XS8 線深度剖面及解譯圖Fig. 7 Depth profile and interpretation chart of line XS8

從時間剖面看，T1反射波在剖面樁號3 797、6 072、5 889 附近出現明顯的同相軸扭曲、錯斷，說明存在斷層，在測線解譯3 個斷點，分別標注為FP2801、FP2802、FP2803。

從各界面斷點反映的斷面形態上看，FP2801 斷層為視傾向南的正斷層，其可分辨上斷點在地面上的垂直投影點位于剖面樁號3 797 附近，在錯斷TQ界面后繼續向上延展，上斷點埋深約為72 m，在該深度的垂直斷距為3～5 m。

FP2802 斷層為北傾的正斷層，其可分辨的上斷點在地面上的垂直投影點位于剖面樁號5 889 附近，埋深約100 m，在該深度的垂直斷距為3～5 m；

FP2803 斷層為北傾的正斷層，其可分辨的上斷點在地面上的垂直投影點位于剖面樁號6 072 附近，埋深約103 m，在該深度的垂直斷距為3～5 m；

XS8 測線剖面較XS7 測線剖面新近系和第四系變得更薄，尤其FP2801 斷層和FP2802 斷層之間新近系和第四系分界近乎無法分辨。FP2801 斷層南盤地層向南傾，FP2801 斷層和FP2802 斷層之間地層輕微隆起。

根據斷層所處位置和空間展布形態，推斷FP2801、FP2802、FP2803 歸屬于新鄉-商丘斷裂永城段，其中FP2801 為主斷裂。

4 鉆孔聯合地質剖面解譯分析

為進一步確定上斷點具體埋深和斷層最新活動時代，在淺層地震勘探基礎上，選擇斷點特征最明顯的場點，分別在夏邑縣太平莊村和火店鎮班莊各布設1條鉆孔聯合剖面。

4.1 太平莊村鉆孔聯合地質剖面

太平莊鉆孔聯合地質剖面橫跨新鄉-商丘斷裂永城段隱伏斷層的主斷層，近平行于XS7 淺層地震勘探測線布置，偏東80 m 處。斷層近地表控制在ZKT03 孔和ZKT07 孔之間，兩孔間距5 m。

太平莊鉆孔聯合剖面地層結構復雜，具有不同沉積相互相疊加的多層結構特征。地層三分特征明顯，下部主體為湖相沉積，向上經中部河、湖交互相沉積逐步過渡為上部的河流相沉積，不同沉積相內部還發育一系列次級旋回。為便于鉆孔聯合剖面內部的地層對比，本研究對一些小型次級結構進行了簡要歸并，并對一些準確厘定目標斷層上斷點和斷距的小層進行了重點突出，共計8 層（圖8、表1）。

表1 太平莊鉆孔聯合剖面年齡樣品測試結果Table 1 Age sample test results of Taipingzhuang borehole joint profile

如圖8 所示，地層①～④均被斷層錯斷；地層⑤底界被錯斷，頂界未錯斷，根據年代地層分析，地層⑤屬上更新統，表明該斷層上斷點已切入上更新統之中。太平莊鉆孔聯合地質剖面探測可識別的上斷點埋深范圍為33.9～41.1 m，該段地層沉積年齡代表斷層最新活動時間。

圖8 新鄉-商丘斷裂永城段太平莊鉆孔聯合地質剖面Fig. 8 Drilling joint geological profile of Taipingzhuang Borehole in the Yong Cheng segment of the Xinxiang-Shangqiu fault

根據太平莊鉆孔聯合地質剖面揭露的地層情況、標志層的錯斷和覆蓋情況，結合鉆孔測年數據，可以分析新鄉-商丘斷裂永城段在夏邑太平莊一帶的活動特征，并計算不同時段的平均滑動速率（圖9、表2）。表2反映了由不同標志層界面垂直位移和沉積年齡估算的第四紀不同時期斷層平均滑動速率，可以看出，在中更新世中、晚期，斷層垂直位移為3.06 m，斷層平均滑動速率為0.014 mm/a，斷層活動水平較低；在中更新世末，斷層活動相對減弱，斷層垂直位移為0.12 m，對應平均滑動速率為0.006 mm/a；在晚更新世早期，斷層活動又相對減弱，斷層垂直位移為0.04 m，對應平均滑動速率為0.002 mm/a；在晚更新世早中期，斷層活動明顯增強，斷層垂直位移為0.49 m，對應平均滑動速率為0.136 mm/a；晚更新世中晚期以來，斷層基本不活動。說明新鄉-商丘斷裂永城段在夏邑太平莊一帶的最新活動時代為晚更新世早中期。

表2 太平莊剖面第四紀不同時期斷層垂直位移及平均滑動速率Table 2 Fault vertical displacement and average slip rate of Taipingzhuang profile in different quaternary period

圖9 新鄉-商丘斷裂永城段太平鎮鉆孔斷錯量隨深度的變化曲線Fig. 9 Variation curve of Taiping town fault with depth in Yongcheng segment of Shangqiu-Xinxiang fault

4.2 班莊鉆孔聯合地質剖面

班莊鉆孔聯合地質剖面近平行于XS8 淺層地震勘探測線布置，偏西110 m 處。斷層近地表控制在ZKB07 孔和ZKB06 孔之間，兩孔間距10 m。

班莊鉆孔聯合剖面地層結構同樣具有不同沉積相互相疊加的多層結構特征和三分特征，自下至上分別為湖相沉積、河湖交互相沉積和河流相沉積，并發育一系列次級旋回，可分為9 組小層（圖10、表3）。

表3 班莊鉆孔聯合剖面年齡樣品測試結果表Table 3 Age sample test results of Banzhuang borehole joint profile

圖10 新鄉-商丘斷裂永城段班莊鉆孔聯合地質剖面圖Fig. 10 Joint geological profile of Banzhuang borehole in the Yongcheng segment of the Xinxiang-Shangqiu fault

地層①～⑥均被斷層所錯斷，地層⑦底界被錯斷，頂界未錯斷，根據本次年代地層劃分，地層⑦屬上更新統，表明該斷層上斷點已切入上更新統之中。火店鎮班莊鉆孔聯合地質剖面探測可識別的上斷點埋深范圍為17～24 m，該段地層沉積年齡代表斷層最新活動時間。

通過鉆孔揭示的地層特征、標志層錯斷量和年齡樣品測試結果，筆者計算了不同時段的平均滑動速率（圖11、表4）。由表4 可知，以不同標志層界面垂直位移和沉積年齡估算的第四紀不同時期斷層平均滑動速率可得出，在中更新世，斷層垂直位移為11.89 m，斷層平均滑動速率為0.020 mm/a，斷層活動水平較低；在晚更新世早期，斷層活動相對減弱，斷層垂直位移為0.07 m，對應平均滑動速率為0.002 mm/a；在晚更新世早中期，斷層活動相對增強，斷層垂直位移為1.98 m，對應平均滑動速率為0.138 mm/a；晚更新世中期以來，斷層基本不活動。說明新鄉-商丘斷裂永城段在夏邑火店鎮一帶的最新活動時代晚于晚更新世早中期。

表4 班莊剖面第四紀不同時期斷層垂直位移及平均滑動速率Table 4 Vertical displacement and average slip rate of faults in different quaternary periods at Banzhuang section Fault vertical displacement and average slip rate of Banzhuang profile in different Quaternary period

圖11 新鄉-商丘斷裂永城段班莊鉆孔斷錯量隨深度的變化曲線Fig. 11 Variation curve of Banzhuang fault with depth in Yongcheng segment of Shangqiu-Xinxiang fault

4.3 新鄉-商丘斷裂永城段活動特征分析

新鄉-商丘斷裂不同段落的活動性是判定地震危險性的主要依據之一，斷裂帶主斷層的淺部幾何結構、運動學方式和最新活動時代是探討斷裂帶演化歷史、區域構造應力環境和地震危險性等問題必不可少的因素。聊城-蘭考斷裂以西的延津段、封丘段已被證實為晚更新世活動斷層，沿該斷裂曾發生公元1737 年封丘5.5級地震和公元1978 年新鄉4.5 級地震等；而夏邑-太和斷裂以東的永城段斷層最新活動性及時空變化特征是一個值得深入討論的課題。

第四紀不同時期平均滑動速率對比結果表明，中更新世中、晚期，新鄉-商丘斷裂永城段在班莊一帶的平均滑動速率較太平莊一帶稍大；在中更新世末，主斷層在班莊一帶的平均滑動速率依然大于太平莊一帶，斷層活動相對較強；晚更新世早期，目標斷層在太平莊、班莊的平均滑動速率明顯變小，表明該時期斷層活動減弱；晚更新世早中期，主斷層在2 處的平均滑動速率顯著增大，表明該時期斷層活動比較強烈；晚更新世中期之后，目標斷層在太平莊、班莊一帶均停止活動。

5 結論

新鄉-商丘斷裂永城段是碭山凸起北部前緣斷裂，控制著碭山凸起北部中-古生界的保存，第四紀以來主要表現為正斷層活動特征，其水平走滑分量明顯弱于新鄉-商丘斷裂延津段和封丘段。該斷層具有多期活動的特點，古近紀并不控制沉積，新近紀以來活動性相對增強，新鄉-商丘斷裂永城段的可分辨最淺上斷點進入了上更新統，最新活動時代為晚更新世早、中期，是一條隱伏的活動斷層。

致謝 感謝河南省地質調查院在鉆探工作中給予幫助，感謝審稿專家提出的寶貴意見和建議。