基于高分辨地震剖面的上地壳结构建模与分析京津地区顺义塘沽高分辨地震折射剖面的走时成像结果及其揭示的上地壳断裂构造特征

基于高分辨地震剖面的上地壳结构建模与分析京津地区顺义塘沽高分辨地震折射剖面的走时成像结果及其揭示的上地壳断裂构造特征

0华北平原区的京津冀城市圈是中国最大的城市群之一,是我国简介城市是人类文明的象征。随着中国城镇化进程进入新的阶段，特大城市及城市群的地震灾害风险防范日益成为韧性城乡建设所面临的重要环节。位于华北平原区的京津城市圈是中国人口最密集、现代化程度最高、辐射周边能力最强的城市群之一。在区域构造上，该区位于NE向太行山构造带东缘与EW向燕山构造带南缘的交会部位，多组断裂构造从京津城市圈内穿过和交会，且大部分断裂为隐伏断裂，断裂的深、浅部形态特征较为复杂，历史上强震多发，因而具有较高的地震灾害风险和城市灾害脆弱性(1华北平原区地震地质条件塘沽—顺义高分辨地震折射剖面东起渤海之滨的天津塘沽大沽街道驴驹河村(38.88°N,117.63°E)，通过华北坳陷区北部，到达燕山褶皱带南部边缘的北京顺义区石槽镇西赵各庄(40.231°N,116.478°E)(图1)。剖面走向为NNW-SSE，全长185km，采用PDS-2型数字地震仪进行数据采集，共布设观测点267个，最小观测点距0.35km，最大0.70km，平均0.51km，炮点18个，平均炮间距12.15km。以上布局构成了完整的多重追逐相遇观测系统，是该区域目前为止最为密集的高分辨地震折射探测剖面。剖面所在地区整体位于华北断坳区，基底主要由太古界和早元古界的中深度变质岩系组成，并对区域构造的发育有着重要影响。古近纪期间，华北平原区经历了NNE—NE向的强烈拉张变形，区域内产生了多个断陷盆地，盆地之间以隆起相隔，断陷盆地内普遍沉积了4i000～6i000m厚的古近系，而隆起区则通常缺失古近系。新近纪以来，华北平原区以整体沉降为主，沉积了厚1i200～2i000m不等的新近系和第四系。其中，位于测线西北端的北京平原与燕山褶皱带的南端相接。该区主要经历了前寒武纪结晶基底形成、前寒武纪晚期—古生代地台沉积盖层发育和中生代—新生代地壳活化等3个大的构造演化阶段(研究区1967年3月27日—2018年12月31日M2图像方法和过程2.1初至波走时计算方法高分辨折射观测提供了对上地壳密集采样的地震观测数据，初至波走时方法是利用这些观测资料构建上地壳精细结构的主要方法(其中，m为模型矢量，δt为数据残差，C其中，L为目标函数的偏导数矩阵，m2.2基底速度对pg波集的影响本文共利用18炮34个分支的地震折射记录，共拾取Pg波到时1i803个。图2展示了炮点桩号128.347km、234.804km、249.747km和298.09km的爆破记录截面。Pg波组的折合到时主要受基底速度及其以上沉积盖层的厚度和速度梯度的影响。由于剖面NW段北京平原区(240～300km桩号段)靠近燕山隆起的南缘，沉积盖层较薄，基底速度较高，Pg波折合到时约为1～2s(图2);而剖面SE段240km桩号以南，尤其220km以南的华北裂陷盆地区域由于受到冀中坳陷和黄骅坳陷巨厚沉积层的影响，Pg波的折合到时约为2～4s，可追踪的炮检距为15～87km。2.3初始模型的选择本研究采用2.4．均方根残差变化模型参数化是走时成像中最基础的环节，参数化过程应将观测系统全部包含在内(最终通过26次非线性迭代，全部1i803个走时的均方根残差从443ms减小到92ms，χ2.5检测板分辨率的计算为评估上地壳成像结果的模型分辨，本文采用多尺度检测板相似度分析方法(图5a—e分别为2km×1km、5km×1km、7.5km×1.5km和10km×2km的检测板恢复结果，其中黑色实线为检测板的棋盘格点。最终，利用上述4个检测板的恢复结果与检测板输入模型计算每个棋盘格内的相似度，最终得到如图5e和5f所示的相似度阈值分别为0.5和0.7的模型分辨。模型分辨结果显示:取检测板相似度0.5为检测板恢复阈值时(图5e)，速度模型中大部分区域的横向分辨为蓝色到紫色，表明其横向分辨优于5km(蓝色)，深度4km以浅的大部分区域的横向分辨约2km(紫色区域)或优于2km(黑色区域);当取检测板相似度0.7为检测板恢复阈值时(图5f)，速度模型大部分区域的横向分辨优于7km(绿色区域)，深度4km以浅的大部分区域分辨尺度约4km(蓝色)，局部射线密集区域的分辨优于4km(蓝色);速度大于等值线6.0km/s之下的区域无分辨(白色区域)。2.6速度、深度分布及基底结构图6a展示了反演获得的上地壳P波速度的最终模型，其中2.0～5.5km/s的速度等值线间隔为0.5km/s,5.5～6.0km/s等值线间隔为0.1km/s。图6a中的2条黑色虚线分别表示3.5km/s和4.5km/s的速度等值线，分别对应于古近-新近纪以来的沉积盖层深度和古近系及白垩系的地层分界线。塘沽—顺义剖面的上地壳速度结构模型(图6a)结果显示，该区的上地壳存在明显的分层现象，且各主要地质层位速度等值线的形态相似性很好，尤其是3.5km/s和4.5km/s的速度等值线分布几乎平行，这种形态特征反映了研究区不同构造单元的结晶基底埋深与结构性质主要受断陷沉降与古近纪以来的地壳构造运动影响。在塘沽—顺义剖面上地壳速度结构模型(图6a)中，5.5～6.0km/s速度等值线分布十分密集，其分布特征揭示了研究区基底面的速度及深度范围，并可据此推断基底的大致形态。塘沽—顺义剖面基底界面埋深最浅处约2km，最深处可达8km。以桩号245km为界，该处NW侧为燕山隆起南缘的平原区，基底埋深整体偏浅，但未出露，基底埋深整体约2km，通县凸起区基底埋深局部<2km。北京凹陷和通县凸起交界处存在明显的基底下凹现象，显示该处可能存在错断基底的断裂。桩号245km处SE侧的华北平原区基底埋深整体较厚，深度范围为3～8km。桩号245km处SE侧自西向东穿过的构造单元分别为大厂凹陷、武清凹陷、沧县隆起和黄骅坳陷(图6a)。基底埋深最深处为武清凹陷和黄骅坳陷，约8km。塘沽—顺义剖面的上地壳速度结构模型(图6a)显示，剖面SE段的黄骅坳陷内基底分界处的波速为5.6～5.8km/s，而5.9～6.0km/s的等值线比其它区域稀疏，这种基底结构特征体现了黄骅坳陷新生代以来的持续沉降和结晶基底经历了多期改造的特征(塘沽—顺义剖面的上地壳速度结构模型(图6a)同时显示，桩号145～165km范围内的沧县隆起区存在较厚的速度为4.5～5.6km/s的介质，该速度层在达到与黄骅坳陷和武清凹陷分界处后明显消减。3错误解释和讨论断层在构造演化和孕震过程中具有着关键作用，确定断层的地下位置和空间展布形态是地震学研究的重要内容之一(3.1大石油勘探成果本文采用F沧东断裂是黄骅坳陷的主控断裂，发育于中生代。自新近纪起，渤海湾盆地由古近纪断陷阶段进入拗陷阶段(后裂陷阶段)，出现整体下沉，沧东断裂被古近系和第四系覆盖，成为隐伏断裂。新生代沧东断裂和中生代沧东断裂存在左旋剪切-挤压性质(F沧西断裂是冀中坳陷和沧县隆起的分界断裂，该分界部位浅部存在逆冲推覆构造。中生代晚期，沧西断裂为逆冲断裂，在古近纪发生了构造反转。石油勘探资料显示，沧西断裂东侧存在反转的正断层和挤压褶皱(F宝坻断裂是大厂凹陷和武清凹陷的分界断裂。该断裂形成自古近纪，整体呈NNE走向，倾向SEE。石油勘探的结果显示，宝坻断裂下降盘保持完整，中上段地层遭到剥蚀(F夏垫断裂是切穿地壳的深大断裂，浅部表现为上陡下缓的铲式结构(F顺义-良乡断裂是控制着北京凹陷东边界的深大断裂，其主要活动时期集中在中生代和新生代，并持续活动到新近纪(3.2震东北部构造结构在地震记录截面中，当断裂两侧存在较大速度差时，初至波震相会发生一定程度的超前、滞后以及振幅强弱不连续变化等现象，这些现象可作为判定断裂位置的标志及依据，(1)宝坻断裂(F(2)夏垫断裂(F(3)顺义-良乡断裂(F4上地壳速度结构特征顺义—塘沽高分辨地震折射剖面位于华北平原东北部，该区发育的一系列NNE向活动断裂与张家口-渤海断裂交会，是Ⅱ级活动地块华北平原内部强震活动最为活跃的区域(冀中坳陷是渤海湾盆地的另一个巨厚沉积中心，呈NE-SW走向。顺义—塘沽高分辨剖面穿过冀中坳陷东北部的武清凹陷和大厂凹陷。武清凹陷是冀中坳陷的一个沉积中心，根据上地壳速度成像结果可知其结晶基底埋深近8km。武清凹陷的北边界为宝坻断裂，该断裂走向近EW，倾向S，倾角较陡。上地壳速度成像结果显示，宝坻断裂切断基底，可延伸至10km以深，断裂两侧2km以浅范围内的速度差异较小，而断裂两侧2km以深处的速度差异较大。武清凹陷以北为大厂凹陷，大厂凹陷为铲状盆地，其北界为夏垫断裂。夏垫断裂是新生代以来的活动断裂，倾向SE，深地震反射结果认为夏垫断裂为切断莫霍面的深大断裂，倾角较陡(5结晶基底与震相结果分析本研究利用在北京顺义—天津塘沽开展的高分辨地震折射探测剖面数据，采用初至波走时成像方法构建了顺义—塘沽剖面的上地壳速度结构模型，并利用速度差方法和Pg波震相特征获得了沿剖面主要断裂的位置和几何形态。结果显示:(1)顺义—塘沽高分辨速度剖面显示:该区上地壳呈隆坳相间的构造特征，通县凸起和沧县隆起将北京凹陷、冀中坳陷和黄骅坳陷分隔。该区隆起区结晶基底埋深较浅，最浅处在通县凸起区，基底埋深约2km。沧县隆起区基底埋深约4km。坳陷区结晶基底埋深较深，黄骅坳陷和冀中坳陷的次级构造———武清凹陷区的结晶基底埋深达8km，冀中坳陷的次级构造大厂凹陷的结晶基底埋深约5km。(2)成像结果与地震活动性结果显示:宝坻断裂和夏垫断裂均为两侧存在较大速度差的陡倾角断裂，地震折射记录和成像结果均显示其切断结晶基底，可延伸至10km以深。宝坻断裂是大厂凹陷和武清凹陷的分界，夏垫断裂是其SE侧铲状盆地大厂凹陷与通县凸起的边界。(3)成像结果与地震活动性结果显示:顺义-良乡断裂为两侧存在一定速度差的近垂直断裂，其切断结晶基底，晚新生代以来地震活动较多，