安丘—莒县断裂莒县盆地段浅层地震探测及意义

王薇,林松,,程邈,金聪,周红伟

(1.中国地震局地震研究所，湖北 武汉 430071;2. 地震预警湖北省重点实验室，湖北 武汉 430071;3.湖北省地震局，湖北 武汉 430071;4.武汉地震工程研究院有限公司，湖北 武汉 430071)

0 引言

郯庐断裂带位于中国东部，穿越鲁、苏、皖等三省，是一条巨型断裂带，也是华北构造分区界线[1]，中生代曾经历过巨大的左行平移和大陆裂谷发育阶段[2]，第四系以右旋走滑兼逆冲活动为主要特征,对现代地震活动具有明显的控制作用[3]，自新生代以来，断裂特征表现为右旋走滑兼逆冲活动[4]。按照构造活动以及地震活动特征，郯庐断裂大致可分为4段：黑龙江鹤岗—铁岭段、下辽河—莱州湾段、鲁苏沂沐段和大别山—广济段[5]。鲁苏沂沐段中位于山东及苏北的段落通常称为沂沭断裂带[3]，主要由昌邑—大店断裂、白芬子—浮来山断裂、沂水—汤头断裂、鄌郚—葛沟断裂、安丘—莒县断裂等5条近于平行的断裂所组成。晚更新世晚期以来，安丘—莒县断裂比较活跃，研究证明，1668 年郯城8.5级地震和公元前70年安丘7.0级地震与该断裂息息相关[6]。因此，正确认识该断裂浅部构造及活动特征具有重要意义。众多学者[7-8]对安丘—莒县断裂的构造特征及活动性进行研究。曹筠等[9]通过野外地质调查、浅层地震勘探以及钻孔联合剖面和古地震探槽，查明安丘—莒县断裂南段(郯城—淮河)晚第四纪活动特征；张鹏等[10]对安丘—莒县断裂江苏段全新世活动特征进行探讨；王志才等[3]根据断裂活动性成果，认为在莒县至昌邑之间安丘—莒县断裂仍是占主导地位的活动断裂，与公元前70年安丘7级地震的发生具有密切关系。安丘—莒县断裂的研究成果多分布在北部、南部，但在莒县盆地内，断裂展布情况以及几何特征都处于隐伏状态，前人并无相关研究。

近年来，浅层地震反射被证明是地球物理勘探中对隐伏断裂探测最有效的方法之一[11]，由于其勘探深度范围大，分辨率和精度高，无论是地震安全性评价以及活动断层探测，都已成为最主要的地球物理探测手段[12]。近年来该方法在多方面的应用中引起不少学者重视。林松等利用该方法查明丹江断裂特征[13-14]，马修刚等[15]对反射波成像应用于裂缝型碳酸盐岩储层勘探开发，徐建国等[16]利用浅层地震反射查明沂沭断裂带北段东支断裂的浅部构造特征，许汉刚等[17]通过浅地震反射找到郯庐断裂带宿迁段断裂展布特征新证据。因此，在隐伏断裂调查中，浅层地震反射探测及其有效。基于这一地质背景，通过浅层地震反射探测方法查明安丘—莒县断裂在莒县盆地内的展布特征，可以为完整研究该断裂提供参考依据，具有较好的科学意义。

1 安丘—莒县断裂概况

安丘—莒县断裂(图1)在朱里以北隐伏于第四系之下，在朱里以南至安丘间(安丘—朱里段)断续出露于地表，在莒县盆地段呈隐伏状态，地理位置位于贡丹山—沂水隆起东北缘，属于沂沭断裂带的北段。地势西高东底，东部为丘陵盆地，海拔100～300 m，莒县盆地分布于丘陵之中，于周边山体海拔相差约150 m，地貌特征上表现为断陷盆地与断隆山地。安丘—莒县断裂在莒县盆地段北起峰岭，向南隐伏延伸进入盆地，长约30 km，总体上呈NNE展布，倾向SE，以该断裂为界，西侧第四系厚约5～10 m，东侧第四系达18～30 m。在莒县东侧紧靠昌邑—大店断裂一侧发育有小型晚第四纪断凹，长13 km，东西宽5 km，呈菱形状态。断凹以NNE向的昌邑—大店断裂及史家庄子—姚家村断裂为东西界限，南北边界为NNW向莒县—中楼断裂及店子集—姚家村断裂；第四系厚70～80 m，表明该构造单元第四纪以来断裂活动较强烈。根据郑传贝等[18]研究成果，发现莒县盆地东边白垩系逆冲在上更新统之上，由此说明莒县盆地边界为逆冲挤压边界(图2)，据盆地底界自西向东由10 m逐渐降至30 m，向东倾斜，造成盆地在横剖面上的不对称性分析，说明白芬子—浮来山断裂和昌邑—大店断裂活动强度有明显的差异，其断裂活动时期在更新世晚期。盆地底界西高东底，高差约20 m；其活动时期为更新世晚期[18-19]。

图1 研究区区域地质构造简图Fig.1 Regional geological structure diagram of the study area

F1—白芬子-浮来山断裂；F2—安丘-莒县断裂；F3—昌邑-大店断裂F1—Baifenzi-Fulaishan fault；F2—Anqiu-Juxian fault；F3—Changyi-Dadian fault图2 莒县断陷地质剖面(据文献[18])Fig.2 Geological section of Juxian fault depression(according to reference [18])

2 浅层地震方法及参数

莒县盆地地形起伏较小，极大方便了地球物理探测方法的开展，无论是电法、电磁法、人工地震都能顺利开展。然而，盆地内工业用电及居民用电频繁，对电法以及电磁法均造成较大干扰，因此，通过试验对比，最终选择了浅层人工地震进行隐伏断裂调查。莒线盆地内上覆地层由亚黏土、亚黏土夹砾石等第四系物质构成，第四系地层之间以及第四系与下伏基岩存在明显波阻抗差异。综合前人试验以及场地地质与地球物理条件，选取浅层地震反射进行莒县盆地隐伏断裂探测十分合适。

2.1 浅层地震反射基本原理

波阻抗差异是浅层地震反射勘探的前提条件，不同的弹性分界面具有不同的波阻抗，反射波法是在靠近震源的不同位置上，观测地震波从震源到不同弹性分界面上返回地面的地震波动，然后通过分析反射波的波形、震幅、相位、走时等参数,就能推断出地下地层的分层情况、构造发育状态等相关信息[20]。根据震源类型不同，一般单次激发可以得到浅至十几米，深至几千米以内的反射波。在断层存在的区域，由于断层两盘基岩顶面上覆地层的厚度、速度结构不同，因此能形成特定的波阻抗界面组合[21]，从而产生明显的地震反射界面。

2.2 采集参数与测线信息

选用Geode分布式地震仪进行数据采集(图3)，采用120 kg夯锤作为人工震源激发地震波。为保证信号的可靠性，在数据采集之前，进行了72道排列扩展实验，最终选定接收道数为48道，8～12次覆盖，2 m道间距的观测系统，采样间隔为0.25 ms，记录长度为350 ms，数据采集时，根据能量大小调整叠加次数。根据踏勘结果，在莒县盆地内布设了多条测线进行浅层地震反射勘探工作，文中选取其中存在异常的3条测线(表1)进行分析、论述，测线位置见图1所示。

图3 浅层地震反射波法外业工作示意Fig.3 Schematic diagram of working method of shallow seismic reflection wave field method

表1 研究区域测线信息Table 1 Research on the data of measuring line in the area

2.3 数据处理

城市地球物理勘探中，干扰波成分较多，主要为面波和线性干扰波，以及一些随机噪声、高低频干扰和民用电干扰，针对不同的原始地震记录特征，合理选择地震数据处理方法和处理流程显得极其重要。在莒县盆地浅层地震反射勘探中，反射波具有能量弱、记录信噪比低、噪声类型复杂多变等特点，要获取高保真、高信噪比、高分辨率剖面显得尤为困难。在数据处理过程中，对不同的干扰波进行筛选、分析，整合原始单炮记录数据后，将组合去噪技术和频率域滤波相结合，滤掉不合适的高频成分，同时采用自适应去噪技术以及FK域滤波除去能量较强的面波。此外，将地表一致性反褶积和多道预测反褶积相结合，既提高了地震资料的纵向分辨率，也保证了地震子波的稳定性和剖面特征的一致性[22]。基于上述理论，结合原始数据特征，形成适合本区域的数据处理流程(图4)。

图4 数据处理流程Fig.4 The reflection data processing

3 浅层地震剖面揭露断层特征初步探讨

通过原始数据采集、数据处理与解释，获取了盆地内典型的地球物理剖面，本文选取了3条测线进行剖面特征探讨(图5～图7)。资料解释过程中重点考察反射波相位特征、同相轴深度及有无错断、交叉与合并。断层判断主要基于地震波组的5个特征[23]：①反射波(同相轴)发生错断；②反射波同相轴数目突然增加、减少或消失；③反射波同相轴形状突变，反射零乱并出现空白反射；④反射波同相轴发生分叉、合并、扭曲和强相位与强振幅转换；⑤出现断面波、绕射波等异常波。

图5为莒县盆地测线Ⅰ浅层地震反射深度解释剖面，剖面显示：25、50以及100 m深度处各存在一条明显的反射波组，形成T1、T2、T3这3个强烈的波阻抗界面；距离起点400、1 350 m处，T1、T2界面同相轴均发生错断，550 m处，同相轴出现增加，出现T3界面。结合整个剖面，横向距离在桩号400～1 350 m范围内出现挤压逆冲，剖面揭露由NNW至SEE方向的主要断层有2条：①桩号450 m附近存在一逆断层F1，倾向SE，上断点距离地表埋深约30 m，断距约5 m；②桩号1 350 m处存在另一NW倾向的逆断层F2，上断点埋深约20 m，垂直断距约3 m。

图6为莒县盆地测线Ⅱ浅层地震反射深度解释剖面，剖面显示：35、50以及100 m深度处各存在一条明显的反射波组，形成T1、T2、T3这3个强烈的波阻抗界面；距离起点330 m处， T3界面同相轴发生错断；桩号1 050～1 550 m区间段出现挤压逆冲，逆冲断层错断T2、T3两个反射波组。结合整个剖面可知，剖面揭露由NNW至SEE方向的主要断层有3条：①桩号330 m附近存在一逆断层F3，倾向SE，上断点距离地表埋深约85 m，断距约15 m；②桩号1 050 m处存在SE倾向的逆断层F4，上断点埋深约50 m，垂直断距约4 m；③桩号1 550 m处存在NW倾向的逆断层F5，上断点埋深约50 m，垂直断距约3 m。

图5 测线Ⅰ浅层地震深度解释剖面Fig.5 Interpretation of shallow seismic depth profile of line Ⅰ

图6 测线Ⅱ浅层地震深度解释剖面Fig.6 Interpretation of shallow seismic depth profile of line Ⅱ

图7 测线Ⅲ浅层地震深度解释剖面Fig.7 Interpretation of shallow seismic depth profile of line Ⅲ

图7为莒县盆地测线Ⅲ浅层地震反射深度解释剖面，剖面长度1 450 m，剖面处于居民密集区，噪声干扰较大，面波极其发育，通过数字滤波等处理手段，仍然可以发现25、50 m深度处各存在一条明显的反射波组，形成T1、T2两个强烈的波阻抗界面；距离起点500 m处， T1、T2这两个反射波组错断，断距约8 m，上断点埋深26 m，推断为逆断层F6，倾向SE。

4 结论

通过浅层地震反射勘探数据采集与处理解释，盆地内3条浅地震剖面共揭露6处错断特征明显的隐伏断层，4处断层性质为挤压逆冲，2处断层为正断层。T1反射波组界面深度为25～30 m，参考T2反射波组界面深度为50～60 m，T3反射波组界面深度为80～100 m，与郑传贝等[18]研究结果非常吻合，T1反射波组界面上部为亚黏土，下部为中细砂，T2反射波组界面为中细砂与亚黏土夹砾石的分界面， T3反射波组界面为基岩界面。综合分析讨论认为，安丘—莒县断裂在莒县盆地内的断裂性质以挤压逆冲断层为主，局部分支断裂具有正断层特征；主断面倾向为SE—NW，分支断裂向SE倾。断层展布特征与张鹏等[10]对郯庐断裂带安丘—莒县断裂江苏段晚第四纪活动特征的研究结论基本一致。

郯庐断裂带安丘—莒县断裂在莒县盆地段处于隐伏状态，缺乏露头，仅仅依靠普通外业地质调查无法获取断裂展布特征及空间几何形态，论文通过浅层地震反射波法进行有效探测，对隐伏于莒县盆地内的安丘—莒县断裂进行了初步探讨，并发现了该断裂在盆地内的地球物理新证据，弥补了盆地内浅层地震探测的空白，给其他科研工作者提供了一定的参考依据。本次虽然进行了地球物理探测工作，获取了断裂展布特征，但依然缺乏其他资料，后期若能进行钻孔取样，通过断层上断点沉积物OSL测年数据对该断裂活动性进行分析，将会对研究区提供更加丰富的地质与地球物理资料。