唐山地震区地壳结构和构造：深地震反射剖面结果.docx

1、第33卷第4期2011年12月地震地质SEISMOLOGYANDGEOLOGYdoi：10.3969/j.issn.0253-4967.2011.（）4.014唐山地震区地壳结构和构造:深地震反射剖面结果刘保金I）曲国胜2）孙铭心之）刘亢2）赵成彬'）徐锡伟）弊少英'）寇昆朋D1）中国地震局地球物理勘探中心，郑州4500022）中国地震局应急搜救中心，北京1000493）中国地震局地质研究所，北京100029摘要1976年7月28日，在唐山地区发生了7.8级大地套。为了研究该区的地壳结构和断裂的深浅构造关系,2009年，我们在唐山市南部的丰南地区，跨唐山断裂带完成了1条道间距4

2、0m、炮间距200m.5。次覆盖的深地震反射探测剖面。结果表明：研究区的地壳以度为3234km,莫霍面自东向西逐渐加深，在丰南县和宣庄镇之间，中-下地壳反射和壳幔过渡带反射均被唐山深断裂错开，断裂两侧的莫霍面发生错断，显示出唐山深断裂的走滑作用。反射剖面揭示的唐山断裂带是一条规模较大的陆内走滑断裂.浅部表现为典槊的花状构造，在深部切割和扰动了下地壳物质和壳幔过渡带。这种深、浅共存的断裂构造体系是控制该区地震孕育和发生的重要因素，也是唐山地震区的深、浅构造背景。关键词唐山地震区深地震反射剖面地壳细结构花状构造深浅构造关系中图分类号：P631文献标识玛：A文章编号：0253-4967（2011）0

3、4-0901-120引言1976年唐山7.8级地震发生在燕山褶皱带与华北平原凹陷带的接触部位。在唐山地震发生以来的30余年里，许多学者对唐山地震及其成因开展了多学科综合性探测和研究，并取得了一系列的研究成果。研究者认为，唐山地震发生在唐山菱形块体内部的唐山断裂带上（虢顺民等，1977）；唐山断裂带由唐山-古冶断裂、陡河断裂和唐山-巍山-长山南坡断裂组成。唐山地震的地表破裂带为右旋走滑断裂，K度约为8km（张之立等，1980；国家地震局一凡七六年唐山地震编辑组，1982）。唐山地震的构造基础是不同方向深断裂强烈活动的结果（李绍炳，1986；薛志照，1986）。一些学者在研究了唐山地震裂缝的分布规

4、律后提出，唐山地震的发震断裂为陡河断裂，即倾向NWW,倾角70。80。的唐山矿5号断层，其地表位置和走向与地震时出现的地裂缝颇为一致（王景明等,1981；杜春涛等J985；桂焜K等，1987）。邱泽华等（2005）通过对唐山强震区地面塌陷的研究，并结合石油地震勘探资料发现了一条与唐山地震相关的大断收稿日期）2011-10-07收稿,2011-10-27改回。基金项目地震行业科研专项“中国地震活动断层探察-华北构造区”（200908001）与河北省城市活断层试验探测项目共同资助。李传友，汪一鹏，王志才.2007.中国东部城市地区隐伏断裂E断点与最新活动时代关系的初步分析：以邢台、唐山地震区为例J

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17、meierKJ,WenzelF.1986.SyntheticseismogramsforacomplexcrustalmodelJ,.GeophysKesLett,13:2225.CRUSTALSTRUCTURESANDTECTONICSOFTANGSHANEARTHQUAKEAREA:RESULTSFROMDEEPSEISMICREFLECTIONPROFILINGLIUBao-jinHQUGuo-sheng2)SUNMing-xin2)LIUKang2)ZHAOCheng-bin0XUXi-wei3)FENGShao-ying1KOUKun-pengn1 )GeophysicalProsp

18、ectingCenter.ChinaEarthquakeAdministration,Zhengzhou450002,China2 )NationalEarthquakeResponseSupportServicetChinaEarthquakeAdministration,Beijing100049,China3 )InstituteofGeology,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100029,ChinaAbstractOnJuly28,1976,thegreatTangshanearthquake(M7.8)occurredintheTangs

19、hanareaofHebeiProvince,whichshockedthewholeworld.Beforethisearthquake,therewasnoearthquakewithmagnitudeoverMl.0inthisarea.Afterthisearthquake,thecrustalstructuresandtectonicsaroundTangshanearthquakearearemainunclear.Inordertoinvestigatethefinecrustalstructures,themainfaultgeometriesandtherelationsbe

20、tweenthedeep-shallowtectonicsinthisarea,adeepseismicreflectionprofilingwith40mreceiverspacingand200mshotspacingaswellas60-foldacrosstheTangshanFaultzonewascarriedoutintheFengnanregionofTangshanin2009.Becauseourresultshavemuchhigherspatialresolutionthanthatofpreviousresultsofdeepgeophysicalprospectin

21、g,somenewfeaturesofthecrustalstructuresandfaulttectonicswererevealedbythisstudy.Theresultsshowthatthethicknessofthecrustisabout3234kmalongtheprofile,theMohograduallydeepensfromeasttowest.BetweenFengnancountyandXuanzhuangtown,thereflectionsinlhemiddle-lowercrustandcnjst-mantletransitionalzonearestagg

22、eredbythedeepTangshanFault,anddislocationoccursontheMohoonbothsidesofthedeepfault,indicatingthestrike-slipeffectofthedeepTangshanFault.TangshanFaultbeltrevealedbydeepseismicreflectionprofileisahugeintra-continentalstrike-slipfault,anditsshallowpartappearsasatypicalflower-shapedstructure,incisingandd

23、isturbingthelowercrustandcrust-mantletransitionalzoneinthedeeppart.ThecomplexfaultsandstructurescoexistinginbothdeepandshallowpartsofthecrustarethetectonicbackgroundfortheI'angshanEarthquake,andalsoanimportantfactorcontrollingtheearthquakeactivityinthearea.KeywordsTangshanearthquakearea,deepseis

24、micreflectionprofiling,finecrustalstructure,flower-shapedstructure,deep-shallowtectonicrelations作者简介)刘保金，男,1962年生，1986年毕业于中国科技大学地球物理专业,2010年在中国科学院研究生院获固体地球物理学博上学位，研究员，现主要从事深、浅地震勘探方法研究与应用，电话E-mail：LBJ001o层，即K约90km的付庄-西河断层，其地面垂直错距为3m,明显具有铲形正断层特点。尤惠川等（2002）根据地表破裂观察与浅层地震探测资料，获得了唐山地震区的第四纪结

25、构，结合本区已有的深部探测成果，认为唐山断裂是-条高角度的西倾逆冲走滑断裂，晚更新世以来的垂直位错达15m。穿过唐山地震区的深地震宽角反射/折射剖面结果表明，唐山地区的莫相面存在一个自NW向SE方向变浅的斜坡，唐山7.8级地震的震中区两侧存在低速体，低速体下方对应着上地慢顶部的隆起区，旦下地壳内的速度值明显偏低（刘昌僚等，1986）。陆涵行等（1988）根据深地震反射剖面资料，认为唐山地震的发生，应强调构造的夏杂性和强烈的差异活动，唐山基底断裂对应若地表的唐山断裂带，其中陡河断裂是发震的重要构造之一。曾融生等（1988）的研究表明，在唐山地震区之F有一条高角度的隐伏深断裂伸抵上地幔顶部，旦高角

26、度的深断裂与浅部断层之间存在一个并未连通的闭锁区。陡河断裂是一条向SE方向倾斜的正断层，位于震源的上方；唐山地震的发生可能是在区域水平应力作用深部热物质沿深断裂上涌，且相互耦合的结果。刘启元等（2007）的密集地震台阵观测研究结果表明，唐山菱形地块下方的上地慢顶部存在高度达10km的异常隆起；唐山大震区之下应有幔源物质的大规模侵入，并在中上地壳形成壳内低速体，唐山大地震能址的积累并非限于震源附近的地壳深度，而是与地幔物质的运移和变形密切有关。上述研究成果从不同学科、不同角度对1976年唐山7.8级地震进行了多方面的研究，获得了有关地震破裂与形变、地壳上地幔结构与构造、地震活动与灾害等多方面的丰

27、富资料，但对唐山地震区浅、中、深层的构造特征及其相互关系还缺乏详细和深入的了解。为进一步了解唐山地震区的深部构造环境、浅部断裂与深部构造的关系，2009年，我们在唐山市区南部的丰南地区跨唐山断裂带完成了1条深地震反射剖面，通过精心设计和施工以及有针对性的数据处理方法，取得了沿剖面较清楚的地壳精细结构和构造图像，揭示了该区的深部构造背景和断裂的深浅构造特征，为理解该区的深部动力学过程、分析研究深浅断裂构造关系提供了地震学证据。1研究区构造概况和深地震反射剖面位置唐山地区位于燕山褶皱带南缘与黄骅坳陷的交接部位，发育较厚的元古宙、下古生代和晚古生代含煤建造。燕山运动形成了一系列褶皱和断裂，并使本区缺

28、失中生代沉积。新生代期间，该区构造分异明显，北部继续抬升，南部转而下降，使许多燕山期开始形成的构造隐伏于地下（尤惠川等,2002）o唐山市所处的唐山菱形断块分别被NE向的宁河-昌黎断裂、丰台-野鸡坨断裂，以及NW向的蓟运河断裂与滦县-乐亭断裂所控制（图1）。新生代以来，研究区及邻区表现为较显著的断陷活动，第四纪地层在区内广泛分布，其厚度一般为100800m,北薄南厚；唐山市区西侧，第四系最大厚度约为400m,丰南以南的尖字沽附近，第四系最大厚度达到800m（江娃利,2006；李传友等,2007）。唐山断裂带是研究区内一条与褶皱相伴生的复杂断裂构造带，主要由一系列相互平行的NNE-NE向的断裂组

29、成，控制着本区的地震与地质构造活动（虢顺民等,1977）。唐山断裂带基本上可划分为南、北两个段落，北段NW侧为陡河断裂，SE侧有唐山-巍山-长山南坡断裂和唐山-古冶断裂：南段西侧是唐山-丰南断裂,东侧为唐山-占冶断裂（尤惠川等,2002）介117。30'118°3O'119。00'林乎lb断埃某岩她商界统止脉藉山期花闭岩rn骨斜袖平移断穆唐山埃陷界级据柯北省地质局1”5年寅科修输图I研究区地质构造和深地渡反射剖面位置图Fig.1Geologicalfeaturesandlocationofdeepseismicreflectionprofilesinthere

30、searchregion.DSRP为深地震反射剖面;宁河-深地震反;澜运河断裂；3it11-乐亭断裂；E台野啊坨断裂：唐山-占冶断裂：9。3陡河断裂；巍山-长山南坡断裂：8大李庄古马断裂；与滦卢金断裂；励沧西断裂本项研究实施的深地震反射剖面位于唐山市区南部的丰南地区，横跨唐山断裂带南段布设。剖面东南起点位于丰南县大新庄乡四间房村西南约700m处（118。18。3.6"£,39。24,23.97）；西北端点位于丰润县新军屯乡胡张坨村东（117。54'55.2E,39°39'56"N）,其长度为50km（图1）。深地震反射剖面沿途的工作环境和

31、地震波激发、接收条件较为复杂。剖面沿途经过了儿十个人口稠密的村镇和开发区，跨过了多条大小不等的河流及交通繁忙的高速公路和铁路，在测线跨越较大的地表障碍时，采用观测系统变观技术确保了深部探测资料的连续性和完整性。2数据采集和资料处理2.1数据采集深地震反射数据采集采用了道间距40m、炮间距200m.500道接收、50次覆盖的观测系统。为兼顾剖面浅部的地层反射和有利于倾斜界面成像，采用了排列内部激发、双边不对称零偏移距接收的工作方法。地震波激发采用钻孔爆破源，激发孔深2530m,激发药量30kg。考虑到结晶岩内部的反射系数通常较小，由此产生的反射波能最较弱，现场工作中，平均每间隔800m还增加了1

32、个药量100kg的大炮，以确保深层反射波的信噪比。地震仪器使用了美国I/O公司生产的SYSTEM-n数字地震仪，采样间隔2ms,记录K度16s。为确保探测成果质量，现场工作中除对获得的原始单炮记录及时进行现场回放和质衰监控外，还采用GRISYS地震反射数据处理系统，对每天采集的原始数据进行了初步处理，根据初会剖面检杳数据采集质量。采用上述的工作方法和技术措施，保证了高质量原始资料的取得。2.2数据处理深地震反射数据处理采用了FOCUS地震反射处理系统。其数据处理流程和方法主要包括，初至折射静校正、时变带通滤波、二维倾角滤波、时变谱白化、速度分析、正常时差校正（NMO）、倾角时差校正（DM0）、

33、共中心点（CMP）叠加、剩余静校正、叠后偏移和叠后剖面去噪等。速度分析对获得良好的反射剖面图像至关重要。在深地震反射资料处理时，发现来自中下地壳反射波的速度谱离散程度很高，难以用常规的速度分析方法确定合理的叠加速度，为此，我们参考了柏各庄-丰南-丰宁DSS剖面的速度结构资料作为相应深度上的登加速度，使剖面深层的秃加效果有明显改善。在对剖面上部（TWT5.0s以浅）的反射资料进行动校正时，使用了速度扫描和速度谱分析方法得到的速度。采用上述数据处理方法获得了较高信噪比的深地震反射剖面图像。3地壳结构和构造特征图2为获得的深地震反射叠加时间剖面图，与其相对应的解释剖面见图3。由图3可以看出，在整个地

34、壳深度范围内，来自不同深度的地层反射信息非常丰富，揭示了该区地壳结构的基本轮廓。深地震反射剖面在桩号39km、1215km和2326.5km之间，穿过了几个大的养殖场、高速公路立交以及厂房林立的工业区等地表障碍，在这些地段上由于不能进行地震波的爆破激发，从而使得相应剖面段的浅部地层反射在横向上不能被连续追踪，但根据地表障碍两侧的地25()0-NW双字庄丰.虫W，*/m宣1严西葛各庄465(X1425003X500345003(顷2650()22500IIM54M)145()011050065()0().0*_二1.02.03.()4.05.06.07.08.09.010.011.012.013

35、.0图2研究X深地度反射，件加时间剖而Fig.2Stackedtimes<*rlionofdeepseismicreflectionprofileintheresearchregion.906地震地质33卷/NW距肉/mT、4.0二二m10.0-46500425003850034500305002650022500185001450010500!11.0f二一二或二二I1JD图3研究区深地震反射剖面解释结果图Fig.3InterpretationproGlecorrespondingtoFig.2.层反射波特征，仍可看到它们的起伏变化形态和界面的纵横向展布。下面根据剖面反射波组特征，叙述

36、剖面经过地区的地壳结构和构造悄况。3.1地壳反射结构特征在深地震反射剖面所经过的地段内，地表均被第四纪地层覆盖，第四系厚度总体表现为东南厚、西北薄的特点。在唐山断裂带至丰台-野鸡坨断裂之间，为基岩隆起X,第四系厚度较薄；唐山断裂带以东，为第四纪凹陷区。区内基岩主要为中生代、古生代奥陶纪、石炭纪和二叠纪地层，局部为元古界的震旦系（虢顺民等，1977；尤惠川等,2002）o根据图2的深地震剖面、本区地质和石油地震剖面以及深地震宽角反射/折射剖面结果（刘昌铃等J986；曾融生等，1988；邱泽华等,2005）,我们把剖面上的反射波Tq解释为第四纪覆盖层的底界反射，'L解释为新近纪地层的底界，

37、T.z解释为中生代地层的底界，T。和Tjp分别解释为来自古生代的奥陶纪和石炭纪、二叠纪地层的反射；反射波组Tc为上、下地壳分界面反射，Tm为壳幔过渡带的反射。由图2,3可以清楚地看出，在整个地壳深度范围内，剖面反射波在纵向上只有明显的分带性，在横向上显示出以断裂为界的结构特点。该区地壳大约以出现在TWT6.0-6.5s的反射带Tc和TWT10lls的反射带T.为界，将地壳分为上、下两个部分，即上地壳和下地壳。其中，上地壳厚1718km,卜地壳厚1516km。从剖面上部的反射波特征来看，本区上地壳大约以TWT3.03.5s（深810km）的反射波为界，还可进一步分为上、下两部分。深度810km以

38、浅，剖面反射层位丰富，反射能量较强，横向连续性较好，界面起伏变化形态清楚，这套反射具有典型的沉积层反射波特征；可能代表了新生代、中生代、古生代的沉积岩系。在沉积岩之下的上地壳下部，剖面揭示了一些横向延续长度较短、反射能最较弱、且无规律可寻的反射震相，推测可能为元古代及其以前的变质岩系。根据剖面上部的这些反射波场特征，我们把Tc反射波解释为本区结品基底的顶面，其埋深与刘昌徐等（1986）的深地震宽角反射/折射剖面结果一致。与反射相对稀疏的上地壳下部相比，本区下地壳具有明显的反射性质，在强反射带Tc和Tm之间，下地壳反射总体上以条带状反射、弧形反射、楔状反射体、以及倾斜反射的相互交切或叠宜为主要特

39、征，这种复杂的下地壳反射图像与该区深部结构的复杂性密切相关，可能代表了地壳深部物质运移和强烈的热过程。壳幔过渡带反射波在剖面上有着较强的反射能最，它在剖面上出现的时间大约始于TWT10.5s,对应顶界面深度为3031km；壳幔过渡带在剖面上的持续时间为0.81.Os,对应壳幔过渡带厚度为2.53.0krno壳幔过渡带的底界对应于莫霍面的位置，其深度为3234km,且具有自东向西逐渐变深的特征。在剖面桩号约25km的下方（即丰南县至宣庄镇之间），壳幔过渡带反射还出现反射能量的突变、反射同相轴错断以及壳幔过渡带反射波的横向间断。而在莫霍面之下的上地幔顶部，从剖面上儿乎看不到明显的反射震相，具有近似

40、“透明”的反射性质。3.2深反射剖面揭示的断裂构造特征深地震反射剖面所揭示的断裂构造特征非常清楚。在断裂附近，从剖面上可看到反射波的能量、反射同相轴的连续性以及反射波的相位数均出现明显的变化。根据这些标志，在剖面上解释了8条特征明显的地壳浅部断裂和1条错断莫霍面的深断裂，现分别叙述如下：F,断裂该断裂位于剖面桩号38.35km附近，为一条向西倾的正断层。剖面浅部，该断裂错断了新近纪地层的底界反射波Tn，向下错断了中生代、古生代地层和结晶基底。由于深地震反射剖面较短，从剖面上还不能看到该断裂向剖面深部的延伸情况。和F3断裂二者在剖面上呈“Y”字型分布，分别位于剖面桩号31.72km和29.75k

41、m附近。从断裂在剖面上的位置和规模来看，断裂F：可能是唐山-丰南断裂。由图2,3可以清楚地看到，断裂F2不但错断了第四纪覆盖层的底界Tq,向下还错断了中生代、古生代地层和结晶基底，在深度15km左右，终止于向西陡倾的断裂F5上。断裂F.为一条发育在新生代地层中的西倾正断层，在深度950-1000m处归并到向东倾的断裂F2上。F4断裂该断裂在剖面上向西倾,位于剖面桩号25.6km左右，发育在中生代以下的地层中，在深度45km处终止于向东倾的断裂F2±0F5和F6断裂二者位于唐山-古冶断裂南延的位置上，分别位于剖面桩号22.0km和19.8km附近。在深地震反射剖面上，这两条断裂均错断了

42、第四纪覆盖层的底界Tq,向下使得多组地层反射T、Tm,、Tc"和T。产生扭曲和错断。从断裂两侧的地层结构和界面展布特征来看，断裂F6以两为基岩凹陷区，以东为基岩隆起区，旦新生代地层厚度向东逐渐加厚。断裂F5和FL均为向西倾的正断层，在深度6-8km处，这两条断裂汇聚成一条切割结晶基底的断裂，向下延伸至深18-20km的上、下地壳分界面附近，并可能与其下的地壳深断裂相联系。F7和F8断裂断裂F7和F8分别位于剖面桩号13.75km和8.0km附近。从剖面反射波组特征、地层界面产状和上、下反射波组的叠置关系来看，这两条断裂均表现为向西倾的逆断层。其中，断裂匕切断了石炭纪一二叠纪之下的地层

43、，在深度8km左右，收敛到断层L之上；断层F8在剖面上自西向东逆冲，它切断了中生代及其以前的地层，在深度15km左右与断裂F2和虬合并为一个断裂带。地壳深断裂Fs深地震反射剖面揭示的地壳深断裂位于丰南一宣庄之间，即剖面桩号25km的下方。由图2,3可见，深断裂附近的上、下地壳分界面反射和壳幔过渡带反射出现明显的横向间断，且其两侧的界面产状和下地壳反射波特征也明显不同。在深断裂的西侧，上、下地壳分界面反射波Tc向东倾伏；下地壳内部出现楔状反射体，壳幔过渡带反射波Tm为弧形，莫霍面出现隆起，并向两侧逐渐加深。在深断裂的东侧，上、下地壳分界面反射R的产状较为平缓，反射相位数与断裂西侧相比明显增多；下

44、地壳反射主要以条带状反射、弧形反射为主，并夹杂有不同程度的倾斜反射；壳幔过渡带反射波Tm与断裂西侧相比其能量明显较强，壳幔过渡带厚度自东向西逐渐变薄，莫霍面自西向东逐渐加深。根据上述剖面反射波场特征，可以判定断裂Ts应是一条错断上、下地壳分界和莫霍面的深断裂，该深断裂的存在为上地幔热物质的上涌和壳内构造变形提供了条件。4结果与讨论基于“密集点距、密集炮距和多次覆盖”技术的深地震反射剖面方法用于地壳结构和构造成像具有较高的分辨率。本文在唐山地震X实施的道间距40m、炮间距200m.50次覆盖的深地震反射剖面，获得了研究区高分辨率的地壳结构和构造图像，这为进一步分析研究唐山地震的深部构造条件，讨论

45、唐山大地震的动力学机理和深、浅断裂构造关系提供了地震学证据。(1) 本次深地震反射剖面揭示的唐山断裂带表现为一个由断裂F?F、8组成的、旦与褶皱相伴生的复杂构造带。这些断裂在剖面上形态各异，错断深部不等，呈花状构造特征展布，具走滑断层性质，并共同控制了该区上地壳结构与构造的形成及地层沉积。(2) 在唐山断裂带下方，无论上下地壳分界面反射、下地壳强反射，还是壳幔过渡带强反射都出现明显的横向间断和反射波能量的明显变化，暗示在唐山断裂带的下方可能存在错断中下地壳和莫霍面的地充深断裂。该地壳深断裂在剖面上倾角陡宜，其断裂面略向东倾，由下地壳和莫霍面展布特征来看，该深断裂很可能具有逆冲走滑性质。(3) 本区下地壳有着良好的反射性质，并在下地壳和壳慢过渡带顶部出现斜列的楔形或孤形强反射体，反映了岩浆活动对下地壳进行了物质和结构的强