張家口—渤海地震帶天津—塘沽段的電性結構及其意義

高武平 林逸 張文朋 徐新學 閆成國 曹井泉 劉紅艷

摘要：

華北北部的張家口—渤海地震帶是一條新生地震斷裂帶。位于其中段的薊運河斷裂構成了唐山菱形塊體的西邊界，一直被認為與1979年寧河M6.9地震密切相關。然而，該區域的深部結構與孕震動力學環境尚未得到有效揭示。大港—玉田大地電磁測深剖面直接穿越寧河M6.9地震的震中區，大致與張家口—渤海斷裂帶相垂直。探測結果顯示，區域電性結構具有顯著的“橫向分塊、縱向分層”特征。大地電磁測深剖面還揭示了張家口—渤海斷裂帶中段的海河斷裂、漢沽斷裂、薊運河斷裂等區域性斷裂的深部構造特征，且漢沽斷裂可能為切穿地殼的深斷裂。深部低阻體邊緣的高低阻梯度帶與寧河M6.9地震和漢沽兩次M6.2地震的震中具有良好的對應關系，揭示了研究區中強地震的發生與深部顯著高低阻梯度帶的發育密切相關。

關鍵詞：

大地電磁測深; 電性結構; 張家口—渤海地震帶; 薊運河斷裂

中圖分類號： P315????? 文獻標志碼：A?? 文章編號： 1000-0844（2023）02-0410-11

DOI：10.20000/j.1000-0844.20211130003

Electrical structure of the Tianjin—Tanggu segment of the

Zhangjiakou—Bohai seismic belt and its importance

GAO Wuping1， LIN Yi1， ZHANG Wenpeng1， XU Xinxue2， YAN Chengguo1， CAO Jingquan1， LIU Hongyan1

（1. Tianjin Earthquake Agency， Tianjin 300201， China;

2. Tianjin North China Geological Exploration Bureau， Tianjin 300170， China）

Abstract：

The Zhangjiakou-Bohai seismic belt is a seismic fault zone in the northern part of North China. The Jiyunhe fault zone in its middle segment constitutes the western boundary of the Tangshan rhombus block， and it is considered the seismogenic fault of the Ninghe M6.9 earthquake in 1979. To effectively reveal the deep structure and seismogenic dynamic environment of this region， we conducted a magnetotelluric sounding profile in the Dagang—Yutian area， which directly crosses the epicenter of the Ninghe M6.9 earthquake and is almost perpendicular to the Zhangjiakou—Bohai fault zone. Detection results show that the electrical structure in the study area is layered vertically and partitioned horizontally. Additionally， the magnetotelluric sounding profile reveals the deep structural characteristics of some regional faults， i.e.， the Haihe fault， Hangu fault， and Jiyunhe fault in the middle section of the Zhangjiakou—Bohai fault zone， in which the Hangu fault may be a deep fault that runs through the crust. The good correlation between the high and low resistivity gradient zones and the epicenters of the Ninghe M6.9 earthquake and the other two M6.2 earthquakes in Hangu suggests that the moderate-strong earthquakes in the study area are closely related to the development of obvious high and low resistivity gradient zones in the deep area.

Keywords：

magnetotelluric sounding; electrical structure; Zhangjiakou—Bohai seismic belt; Jiyunhe fault

0 引言

張家口—渤海地震帶（后文簡稱張渤帶）西起太行山北端，橫貫燕山與華北盆地，東入渤海，是中國東部重要的NW向地震活動帶［1］。帶內發育有20多條傾向不一的NW向斷裂，單條長約40～60 km，大多斷裂同時具有左旋走滑和正斷活動分量，是一條典型的第四紀活動斷裂帶［2］。徐杰等［1］根據張渤帶與NE向斷裂帶的交切關系將其劃分為張北—懷來、南口—三河、天津—塘沽、渤海中部和蓬萊—煙臺5個構造交匯段（圖1），并指出張渤帶中的大部分6級以上強震均發生在與NE向斷裂帶交匯部位。

薊運河斷裂、漢沽斷裂與海河斷裂是天津—塘沽段十分重要的三條斷裂（圖1）。薊運河斷裂一直被認為與1979年寧河M6.9地震的發生密切相關［3］;而漢沽斷裂則被認為與1976—1977年漢沽附近的兩次M6.2地震有關聯［4］;在海河斷裂與滄東斷裂交匯部位也曾在1815年發生葛沽M5地震［5］。這些地震與這幾條斷裂具有怎樣的聯系？孕震的深部背景和動力學機制是什么？這些問題并未得到有效的揭示。20世紀80年代以來，多條人工地震反射、折射剖面初步揭示了本地區的地殼基本輪廓［6］。近年來，亦有不少學者通過布格重力和地震數據等資料反演分析華北地區地殼結構特征［7-8］，為更加深入地了解本地區地殼速度結構、低速層分布及深度、重要斷裂位置與展布、中強地震孕震環境等提供了重要的數據支持。但前人研究對于本地區深部構造細節的刻畫還不夠精細，無法為深部孕震動力學環境分析提供更多參考。

大地電磁測深（magnetotelluric sounding，簡稱MT）是研究地球深部結構的有效手段之一，對刻畫巖石圈和深部熱結構特征有獨到之處。電性結構的差異歸根到底是由地質體的物質組成、結構、構造、流體含量、熱狀態等諸多因素引起的。通過對電性結構剖面的分析，可以較為客觀地獲得相應的地質信息。大量研究表明，深大斷裂往往構成構造單元的分界線，不同構造單元往往具有不同的電性結構特征［10-11］。為獲取張渤帶天津段的精細殼幔電性結構、尋找不同構造單元間的結構差異、分析區域深部斷裂特征及地震孕震環境，本研究擬通過大地電磁測深勘探及相應的數據處理與反演以獲取電性結構剖面，結合已有的地質與地球物理等資料成果開展對比分析，以期為探索華北平原北部地區的深部構造背景提供新的證據。

1 大地電磁測深剖面

1.1 剖面位置與數據采集

天津市地震局在“十二五”期間沿大港—玉田一線開展了長約135 km的大地電磁測深勘探，剖面走向約30°，與海河斷裂、漢沽斷裂、薊運河斷裂等重要斷裂近垂直交切。構造上跨燕山隆起和華北斷陷盆地2個二級構造單元，穿越薊寶褶皺帶、滄縣隆起和黃驊坳陷3個三級構造單元，并穿過1976年寧河6.9級地震及漢沽兩次6.2級地震震源區（圖2）。剖面共布置90個測點，平均點距1.5 km，并在薊運河斷裂兩側進行了加密。其中長周期有效觀測點30個，寬頻大地電磁測點60個。

本研究采用具有GPS同步功能的鳳凰系列MTU-5A型/V8型MT儀器系統進行四分量張量觀測。通過開工極距、采集時長等試驗，確定極距范圍為80～100 m，普通MT測點數據采集時間為20 h，長周期MT測點為70 h。由于數據采集使用了4臺V5-2000、V8儀器及探頭，為保證數據可靠性，在觀測前后分別進行了儀器標定和一致性對比試驗。相鄰兩次標定相對誤差均小于2%，且各套儀器觀測計算同一極化模式的視電阻率和相位的相對均方誤差也小于5%，滿足觀測需求。

1.2數據處理與反演

本研究采用遠參考和互參考技術，分別使用SSMT-2000和MT-Editor軟件進行數據處理與編輯。原始時間序列經過快速傅里葉變換由時間域轉化為頻率域;在此基礎上，通過遠參考Robust估計等處理技術［12-13］獲得與頻率有關的阻抗張量信息。

1.2.1 視電阻率與相位曲線

典型測點的視電阻率與相位曲線（圖3）顯示，不同構造單元的曲線類型存在明顯差異。黃驊坳陷（圖3中116～169號）顯示的曲線類型為KH型，而薊寶褶皺帶（圖3中209～244）的曲線類型為K型。曲線類型的不同直接反映出不同構造單元電性結構的巨大差異。

1.2.2 構造走向與維性特征

通過Groom-Bailey（簡稱GB）分解［14-15］進行構造走向分析，繪制了7個頻段所有測點電性主軸方位的玫瑰圖（圖4）。由圖可知，中頻部分與總的電性統計類似，高頻和低頻部分則略有差異。盡管每個頻段電性主軸方位的統計結果不盡相同，但綜合來看電性主軸方位為10°或100°。

在一定條件下，三維地質情況可以近似為二維或一維進行處理。本研究中，剖面布置大致垂直于構造走向［16］。采用Swift方法計算二維偏離度（圖5），可以判別大地電磁測深數據是否滿足二維性要求。通常認為二維偏離度的值小于0.3時，可以近似為二維。由圖5可見，盡管在各構造單元邊界，大地電磁測深數據在低頻部分表現出一定的三維性，但剖面整體表現基本滿足二維性假設，適于進行二維反演。

1.2.3 數據反演

本研究采用二維非線性共軛梯度法（Nonlinear conjugate gradient，簡稱NLCG）進行反演計算，根據TE+TM聯合模式設置不同的參數進行反演。視電阻率誤差級數10%，相位誤差級數5%。反演過程中使用了0.001～10 000 s共七個數量級的MT數據，初始模型為100 Ω·m均勻半空間。

正則化因子τ分別取1，3，5，7，10，30，100時，均方根誤差（root mean square error，簡稱RMS）與模型光滑度對應關系曲線如圖6。當τ=1，3，5，7，10時，RMS隨著模型光滑度的增加緩慢增大;而當τ=30，100時，RMS突然陡增，故反演選擇正則化因子τ=10。停止反演時的RMS擬合差為2.79。

2 電性結構特征分析

2.1 剖面總體電性特征

經二維反演計算獲得的電性結構剖面顯示，研究區在NNE方向上表現出明顯的縱向分層和橫向分塊特征（圖7）。

縱向上，從上至下大致分為淺表低阻層、中間高阻層和深部低阻層。這一分層特征與地殼不同深度的物質組成、流體含量和溫壓條件等強烈相關。淺表低阻層的平均厚度約為3～4 km，該層內主要分布的是第四紀松散沉積物。由于松散沉積物孔隙度高、流體含量豐富，該層整體表現出明顯的低阻特征。在淺表松散沉積層之下的基巖主要是中生代火山沉積巖系和前中生代碳酸鹽巖，在更深處則是厚度巨大的基底變質巖系。相對于淺表的松散沉積物，中深層內的巖石具有更低的孔隙度和流體含量，因此總體表現為高電阻特征。隨著深度的增加，溫壓條件也發生顯著變化，尤其是溫度的升高誘使巖石發生化學反應，使得造巖礦物中的化學束縛水析出，從而降低了巖石的電阻率。因此，在電性結構剖面的深部總體表現為低阻特征。

橫向上，中間高阻層的分塊特征明顯。從區域尺度看，大致以薊運河斷裂（F5）為界，電性結構剖面可分為西南段的低阻區和東北段的高阻區。西南段華北斷陷盆地區域的電阻率總體較低，僅在漢沽斷裂和薊運河斷裂之間出現相對的高阻體;而東北段燕山隆起區的電阻率則相對較高。這一顯著差異正是兩個不同構造單元間巨大理化條件差異的體現。前人研究顯示，華北斷陷盆地區的平均熱流值明顯高于燕山隆起區［17-18］，這意味著高熱流值地區巖石可能具有個更高的溫度，從而引起流體的增加和電阻率的降低。這種地下熱環境的不同可能是不同構造單元間電性結構差異的重要因素之一。此外，各構造單元內部也同樣存在明顯的分塊特征，主要表現為縱向高阻體和低阻體的相間排列，且在大型低阻體區域幾乎都有斷裂的發育，可能暗示了構造單元內部的分塊特征與區域性斷裂存在一定的關聯。事實上，這一特征并不難理解。斷裂破碎帶的存在，直接為地下流體提供運移通道，從而降低了該區域的電阻率。

莫霍面及軟流圈頂界深度引自文獻［19-20］，結合本文獲取剖面的電性結構特征綜合推測給出其大致位置;圖中圓圈表示地震，為本次測線兩側50 km范圍的地震震中投影。圓圈大小與震級為正比，圖中最大圓圈為寧河M6.9地震震中投影，兩個次大圓圈為漢沽附近兩次M6.2地震震中投影。

2.2 各構造單元的電性特征

2.2.1 華北斷陷區

剖面西南段穿過華北斷陷區的黃驊坳陷和滄縣隆起（圖2，圖7），各次級斷陷盆地中的新生界厚度多大于2 km，部分地區可達6～7 km［9］。電性結構剖面（圖7）顯示，除了與燕山隆起相鄰近的寧河凸起一帶外，華北斷陷區主要表現為100 Ω·m以下低電阻率。

在以第四紀松散沉積為主的淺部區域，低阻層厚度由西南向東北從3～4 km逐漸減薄至1 km以下。這一特征在深地震反射剖面（圖8）上也有很好的揭示［21］，與本區的次級構造單元地質情況相吻合。在中深層區域，華北斷陷區主要呈現出低阻主導、高阻間隔出現的縱向排布特征。此外，電阻率由西南向東北方向總體呈增大趨勢。

北塘凹陷下方發育一個巨大的“Y”型低阻體，電阻率小于100 Ω·m。在地殼中，該低阻體的西南支與北塘凹陷沉積盆底中心相連，東北支與漢沽斷裂形成有效連通（圖7）。兩支低阻體大致在25 km深處合而為一，并一直向下延伸至100 km處。寧河凸起下方的高阻體內，上部電阻率可達10 000 Ω·m，中下部電阻率逐漸下降至100 Ω·m左右。苗莊凸起下方的低阻體向下延伸到70 km深處，并沿軟流圈頂界附近向北轉折，延伸至燕山隆起下方（圖7）。

2.2.2 燕山隆起區

剖面東北段主要穿過燕山隆起區的薊寶褶皺帶（圖2，圖7），該區內的第四系厚度較小，并向北部山區進一步減薄。電性結構剖面顯示，薊寶褶皺帶以高電阻率為特征。在淺部第四系覆蓋區，低阻層相比華北斷陷區更薄。在5～40 km的中深層區域，則表現為顯著的高阻特征與橫向分塊特征（圖7）。該處發育有3個電阻率約為100～10 000 Ωm次級高阻體，與介于其間的中高阻區縱向間隔排布，并向下延伸至60 km深處。

豐臺—野雞坨斷裂（F6）下方為一規模較小的局部低阻體，與下方80 km左右的低阻體相對應。該處90 km以下又出現了明顯的橫向分布的低阻體，與北塘凹陷及薊運河斷裂帶下方的低阻體似乎有貫通趨勢，形成了一個變形的“Y”型低阻體，交叉點在100 km左右，并一直延伸到120 km以下。

2.3 主要斷裂的電性特征

區域性斷裂往往構成不同地質體之間的邊界，其兩側的地質體通常在物質組成、結構、構造、流體含量等方面存在較大差異，因此它們在電性結構上的表現也不盡相同。在斷裂帶淺部，巖石受應力作用發生破碎，引起孔隙度和流體增加，則可能導致斷裂帶電阻率降低;而在斷裂帶深部，巖石受韌性剪切作用發生礦物定向排列，亦可能改變其各向異性特征［22］。因此，結合已有地震勘探、深鉆孔及地質勘查等資料開展電性結構特征分析，可以在剖面上識別出主要斷裂帶的位置及其構造特征。本次獲取的電性結構剖面顯示，斷裂主要分布在華北斷陷區內的高低阻梯度帶附近。

海河斷裂（F1）：海河斷裂是一條鏟式正斷層，向下延伸至8 km左右［23］。在電性剖面上，斷裂頂端位于測點124～126之間，切割深度較淺，是一條典型的殼內斷裂。斷裂向深部延伸與高低阻梯度帶逐漸重合。受斷層影響，斷裂西南側5 km深處的電阻率等值線發生了明顯的扭曲（圖7），其下凹形態與石油資料揭示的板橋凹陷形態吻合。

茶淀斷裂（F2）：茶淀斷裂是一條傾向S的正斷層，斷裂頂端位于測點138～140之間，下部位于高低阻梯度帶上，并延伸至10 km深度附近（圖7）。斷裂南北兩側分別為電阻率小于20 Ω·m的低阻體和電阻率大于100 Ω·m的高阻體。此外，南側低阻體與下方的顯著低阻體存在貫通趨勢。

漢沽斷裂（F3）：測點158～160之間的漢沽斷裂是北塘凹陷和寧河凸起的分界斷裂，正好位于其下方低阻體邊緣的高低阻梯度帶上。剖面顯示，該斷裂可能是一條切穿莫霍面的深斷裂（圖7）。此外，淺層人工地震勘探結果表明，漢沽斷裂的淺部結構單一，斷層面傾角較大［4］，與本次獲取的深部大傾角斷層相協調。

薊運河斷裂（F5）：薊運河主斷裂位于測點181～183之間，是黃驊坳陷和薊寶褶皺帶的分界線。斷裂受到上地殼高阻體阻擋未明顯下切，其下方發育有延伸至上地幔的低阻體。寧河M6.9地震震源區正好位于該低阻體南側的高低阻梯度帶上（圖7）。可能受上地殼高阻體影響，震中能量向上傳播受阻，此次地震并未造成明顯的地表破壞。淺層人工地震剖面［24］顯示，薊運河斷裂的淺部結構表現為典型的正花狀構造，可能是深部斷裂走滑活動的表現，其潛在地震最大震級也可能因此而提升，地震風險值得關注。

豐臺—野雞坨斷裂（F6）：測點205～206之間的豐臺—野雞坨斷裂位于高阻體內的相對低阻帶上（圖7）。斷裂控制了前新生界基巖的埋深，其兩側第四系厚度之差可達300～400 m，并在豐潤西南發現有第四系厚度高梯度帶［25］。在深地震反射剖面［21］上（圖8），該斷裂在淺部錯斷地層明顯，而向深處的延伸并不清晰。

3 孕震環境區域動力學背景討論

3.1 孕震區域背景

強震的發生往往與深部構造背景有關。探測剖面兩側50 km范圍內的2級以上地震震中投影顯示，剖面附近的三個6級以上地震均發生在區域性斷裂附近，暗示了區內中強地震的發生與斷裂活動相關。從電性結構上看，這三個地震的震中均位于大型低阻體邊緣電性結構變化較劇烈的梯度帶附近，與翁愛華等［26］給出的結論基本一致。此外，另一些震級相對較大的地震也主要發生在大型低阻體或高阻體邊緣的高低阻梯度帶附近，僅有極少數位于大型低阻體或高阻體內部。

3.1.1 寧河M6.9地震孕震環境

寧河M6.9地震發生在華北斷陷盆地的東北部，震中位于薊運河斷裂正下方［27-28］或南側［29］。其震源機制解的兩個節面走向分別為NNW向（329°）和NEE向（59°）。張之立等［28］認為，NNW向節面是可能的斷層面，且斷層以走滑為主，與薊運河斷裂的走向、斷層性質一致。李志義等［30］認為，唐山斷裂帶向西南延伸受到薊運河斷裂阻擋，產生新的應力集中區并發生破裂，從而引發寧河M6.9地震。

本研究給出的大地電磁測深剖面顯示，寧河M6.9地震與大型低阻體邊緣的高低阻梯度帶密切相關（圖7）。在薊運河斷裂下方存在一個源自軟流圈的低阻體，該低阻體在燕山隆起區下方近水平展布，在大約70 km深處轉為近直立，并一直向上延伸至5 km深處。寧河M6.9地震即發生在低阻體頂端與其南側高阻體交匯部位的高低阻梯度帶上，并與薊運河斷裂的空間位置十分接近。

此外，在薊運河斷裂下方低阻體與第四系松散沉積之間存在厚約3～5 km的高阻體（圖7）。該高阻體的存在很可能對下方低阻體的向上發展和薊運河斷裂的下切產生了顯著的影響。結合寧河M6.9地震的宏觀烈度偏低、沒有明顯的地震斷層出露、中深層人工地震資料揭示下切不明顯［21］以及鉆孔地層對比揭示上斷點未達到全新世［24］等情況看，薊運河斷裂的深、淺部破裂可能尚未形成有效貫通。因此，薊運河斷裂是否為寧河M6.9地震的發震構造還需更多探測結果支持，但該斷裂潛在的中強地震風險仍然需要持續關注。

3.1.2 漢沽M6.2地震孕震環境

在唐山地震期間，漢沽斷裂南側發生了兩次M6.2地震，大地電磁測深剖面清晰顯示了這兩次地震的孕震環境。漢沽斷裂下方發育的巨大低阻體，自100 km深處一直向上延伸至地表附近，并在莫霍面附近分為南北兩支，分別與茶淀斷裂和漢沽斷裂貫通（圖7）。兩次M6.2地震均發生在電阻率梯度更大的北側分支附近。

研究顯示，唐山斷裂帶基本止于漢沽附近［31］，且唐山余震基本止于漢沽斷裂。這表明漢沽斷裂可能是唐山斷裂帶向南活動阻擋斷裂。本次研究顯示，漢沽斷裂割深度可能達到了莫霍面附近（圖7），極有可能是兩次M6.2地震的發震構造。

3.2 區域孕震動力環境討論

研究區位于渤海灣盆地西岸，處在華北克拉通巖石圈減薄的中心地帶，大規模的構造變形和大地震發生是其重要表現。多年的研究認為，華北克拉通破壞是西太平洋俯沖帶遠程效應的結果。古太平洋板塊的西向俯沖，導致了軟流圈地幔的上涌，形成多期次的巖漿活動并導致了巖石圈底部和上地殼的同時減薄［32-33］。黃驊坳陷區巖石圈厚度僅為70～80 km，而燕山褶皺帶的巖石圈厚度達到了110 km，進一步顯示巖石圈減薄在中心地帶是十分顯著的。

本次研究發現了兩個十分值得關注的大型低阻體，這兩個低阻體均源自軟流圈及上地幔，幾乎貫通了整個地殼。研究顯示，低阻體與部分熔融或熱流體密切相關［34-35］。這些大型低阻體的發育暗示著較大規模部分熔融或熱流體的存在，可能與華北克拉通破壞過程中的上地幔熱物質上涌［36］有關。同時，低阻體內較大規模斷裂帶的存在，也為這些流體的運移提供了重要通道，為低阻體的向上發展創造了便利條件。

渤海灣盆地巖石圈結構是典型的“冷殼熱幔”結構，由于上地幔熱物質上涌，導致上部冷的地殼拉伸變形甚至破裂。同時，隨著底侵作用與上地幔減壓作用的發生，上地幔熱物質通過破裂或深大斷裂帶等薄弱部位發生侵入并誘使冷的地殼發生部分熔融，在某些部位與淺部先存或新生斷層形成了有效貫通，或形成塌陷盆地，進而形成對淺部地質構造的強烈控制［36］。這一動力演化過程引起區域構造應力狀態的不斷調整［37］，即表現為大量地震的發生。漢沽兩次M6.2地震和寧河M6.9地震，乃至2003—2004年塘沽—北塘小震群的發生均是這種區域應力調整的結果。因此，漢沽斷裂與薊運河斷裂的地震活動性需進一步關注。

4 結論

本文利用跨越張渤地震帶天津—塘沽分段的大地電磁測深剖面，獲取了精細殼幔電性結構。通過詳細分析主要構造單元及主要斷裂的電性結構特征，得到以下認識：

（1） 華北平原東北部電性結構呈現出顯著的“橫向分塊、縱向分層”特征，揭示了不同構造單元在物質組成和地質構造等方面的巨大差異。

（2） 漢沽斷裂可能是一條下切莫霍面的深大斷裂，薊運河斷裂的發育可能與深部的走滑構造活動密切相關，兩條斷裂的地震風險值得關注。

（3） 寧河M6.9地震和漢沽兩次M6.2地震的發生與大型低阻體邊緣的高低阻梯度帶密切相關。

致謝：評審專家對本文的修改提出了大量寶貴意見和建議，提升了稿件質量，在此表示衷心感謝！

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