黑龍江東部地區近垂直深地震剖面結果的地殼結構

地震地質條件1679年9月2日，三河-平原地區發生8.0級洪水，是北京及其周邊地區最大的地震。該地震區位于華北平原北部大廠坳陷西緣的北端,即大廠坳陷西界的北北東向夏墊斷裂與北西向二十里長山斷裂的交匯區,在地質構造上,地震區處于東西向陰山-燕山隆起與北北東走向華北平原沉降帶的結合部位。三河-平谷8.0級地震發生的深淺構造條件,特別是與夏墊斷裂的關系,一直是人們關心的問題。穿過該區的寬角反射/折射地震剖面的結果表明,三河-平谷地區與鄰區的速度結構在橫向上具有明顯的差異,三河-平谷地區處在高、低速交匯的過渡帶附近;其無論在橫向與縱向上均具有強烈的非均勻性,并推測在香河的西側存在著延伸至M面的深斷裂,且在該斷裂的東西兩側殼內速度結構與構造特征具有較大差異(張先康等,1998;趙金仁等,1999)。華北地震層析成像的結果顯示,三河-平谷8.0級地震震源區位于13～15km深的巨大P波高速體邊側、低速體與高速體交匯處的速度急劇變化的梯度帶上,低速區所對應的范圍為夏墊斷裂與香河斷裂所圍限的大廠坳陷,地震區位于低速體西邊與高速體相交的部位(孫若昧等,1995)。在該區進行了天然地震轉換波測深,根據殼內界面和莫霍界面深度的變化推斷夏墊斷裂為切穿莫霍界面的深斷裂,香河斷裂可能是殼內斷裂(高文學等,1993)。為了進一步研究三河-平谷8.0級地震的地殼細結構背景,在中國地震局“強地震預測預報技術研究”項目支持下,我們于1998年11月在該地區進行了深地震反射剖面探測工作,目的是了解三河-平谷8.0級強震區的地殼細結構和發震區深部構造背景。1構造及地震活動分布深地震反射探測研究區位于北京東部華北沉降帶與燕山隆起區交匯的北京平原區,北倚燕山、西鄰太行山,從地質構造單元上,該區位于華北裂陷盆地中北京坳陷、大興隆起、冀中坳陷的北部(圖1)。新構造時期以來,在區域伸展構造環境的影響和作用下,該平原區內隱伏著的北東和北西向斷裂同華北平原區一樣也相應產生了引張正斷活動,即在兩組或兩組以上斷裂的聯合控制作用下,發育了一些同生構造——沉積盆地。這些盆地在形態上一般是不對稱的或類似箕狀的塹式斷陷盆地,這類盆地往往以一側的邊界斷裂為主并持續活動到第四紀晚期,從而造成盆地的沉積中心傾向主控斷裂一側。顯而易見,這些隱伏盆地的主邊界控制斷裂均為第四紀活動斷裂1。新生代以來,研究區及鄰區表現為較顯著的斷陷活動,第四系地層在該區有廣泛的分布,沉積厚度一般為300～500m,在順義、夏墊、鳳河營附近達700m左右。兩條深地震反射剖面在三河-平谷8.0級大震區的夏墊附近相交,研究區內的構造復雜且發育。其中主要的隱伏盆地和斷裂有順義盆地、懷柔盆地、大廠盆地、平谷盆地;夏墊斷裂、南口-孫河斷裂、二十里長山斷裂、南苑-通縣斷裂。研究區處在張家口-渤海地震帶與河北平原地震帶交匯區附近,區內地質構造復雜,有多組斷裂在研究區內交匯或相切,在歷史上該區就是多震區,且是破壞性地震多發區以及震害程度較高、較多的地區,如1679年9月2日三河-平谷8.0級、1536年10月22日西集西6.0級和1665年4月16日通縣6.5級地震等均發生在研究區的中部。近年來,該區小震活動仍然頻繁。1996年12月16日順義發生了4.0級地震,這是北京地區1990年9月22日昌平沙河東發生4.0級地震后,經過6年多的相對平靜期再次發生的一次較大地震(關華平等,1997),震后至1997年1月29日的較短時間內共發生1.0級以上地震128次。據不完全統計,截止1998年,在研究區E116°24′～117°24′、N39°24′～40°24′的范圍內,儀器記錄和歷史記載的1.0級以上的地震達875次,其中1.0～1.9級678次,2.0～2.9級155次、3.0～3.9級26次、4.0～4.9級11次、5.0～5.9級2次、6.0～6.9級2次、8.0級1次。圖1給出的是截止1998年12月研究區內2.0級以上地震的活動分布情況,圖2(a)、(b)給出的是研究區內1.0級以上地震震源深度分別投影在南北方向和東西方向的二維分布(圖件根據中國地震局地震資料數據庫1970～1998年12月資料繪制)。這些地震活動概括起來有如下特點:(1)振動分布是線性的歷史上5.0級以上地震和現今的小震活動基本上沿夏墊斷裂密集成帶,其走向北東35°左右(張四昌等,1995)。(2)義周邊構造匯相該區震中位置最密集的地方是三河-夏墊附近,其次是順義附近,這兩處均為多組斷裂構造交匯的地方。夏墊斷裂、南苑-通縣斷裂與二十里長山斷裂的交匯區不僅是三河-平谷8.0級大震的發生地,同時小震活動也比較密集。(3)震源深度為平該區震源深度一般較淺,多位于上地殼內和下地殼的頂部,5～20km深度為震源密集區,0～5km和密集區以下的深度內發生的地震為數不多。2野外探測工作兩條深地震反射剖面分別為香河-牛欄山剖面(北西向,簡稱SP-Ⅰ)和鳳河營-平谷剖面(北東向,簡稱SP-Ⅱ)(圖1)。SP-I剖面南起武清縣北務屯村,起點樁號5km,坐標:E117°05′、N39°39′30″,方位333°30′,經香河、大廠西3km、夏墊、北務、楊鎮、牛欄山,止于懷柔縣葛各莊東500m處,終點樁號85km,坐標:E116°39′43″、N40°15′05″,全長80km。剖面在南段的香河附近穿過了香河斷裂,剖面的中段在夏墊附近大約樁號40km、47km左右分別穿過了夏墊斷裂和南苑-通縣斷裂的同時也穿過研究區內北東向沿夏墊斷裂走向的地震活動帶。剖面的北段在牛欄山附近的樁號70km左右穿越了二十里長山斷裂。在南段香河南樁號9km、19km處分別橫穿了寶坻-桐柏斷裂(或稱寶坻斷裂)和香河斷裂。在剖面的中段34km附近與北東向的鳳河營-平谷剖面相交。SP-Ⅱ剖面南起北京市通縣德仁務村西南1.5km,起點樁號15km,坐標:E116°45′52″、N39°39′46″,方位29°40′,經永樂店、西集、三河西4.5km、大廠西2.5km、趙河溝、馬坊,止于平谷縣東寺渠村,終點樁號75km,坐標:E117°06′26″、N40°07′58″,全長60km。該剖面位于夏墊斷裂東部,其走向基本上與夏墊斷裂的走向一致,在剖面北段樁號約55～60km處穿越多組斷裂交匯區的同時也穿過了張家口-渤海地震帶。根據以往的經驗(王椿鏞等,1994;張先康等,1996;楊文采等,1999)并結合本地區客觀情況,野外探測采用單邊放炮,24次覆蓋的追逐觀測系統。道間距100m,炮距200m,最小偏移距500～600m。數據采集使用德國DMT公司生產的SUMMIT高分辨遙測數字地震儀,排列長度120道,96道記錄,采樣率為2ms。在兩條剖面上共實施了603炮爆破激發、1400余個觀測點的野外資料采集工作。圖3給出了單炮記錄的一個例子,單炮記錄顯示了可見的殼內反射同相軸。3下地殼下反射疊層圖4為SP-Ⅰ剖面的疊加時間剖面圖,圖5為SP-Ⅰ剖面的線劃圖。圖中橫坐標為距離,單位為千米(km),縱坐標為t0時間,單位為秒(s)。由圖4、5可以看出,SP-Ⅰ剖面雙程走時7.0s左右的反射事件B把地殼分為兩部分,即上部地殼和下部地殼。上部地殼總體上呈現反射“透明”的特點,和反射的下地殼形成明顯的對比。但反映沉積蓋層的最上層地殼地質結構復雜,地震反射同相軸較多,且在不同的位置具有不同的特征;雙程走時11.0～12.5s出現的水平反射疊層帶反映了該區莫霍過渡帶的特征,表明了該區地殼厚度約為37km左右。由7.0s以上(上地殼)的反射剖面可以看出,該部分地層以3.0s左右為界又可分為上、下兩部分。上部分地層在橫向上變化較大,同相軸多呈傾斜狀態,并在橫向上明顯呈現出分段連續,這充分反映出了淺部斷層的存在。下部分地層橫向上變化相對較小,同相軸基本呈水平展布,且能量較弱,連續性較差,呈現出透明狀態。從上地殼內反射同相軸的展布形態來看,上地殼上部可能為新生代、中生代和古生代的沉積巖系,下部可能是元古代及其以前的變質巖系。在上地殼內由南向北出現的斷層有:(1)寶坻-桐柏斷裂。該斷裂出現在樁號9km左右,斷裂兩側同相軸不連續,斷層傾角上陡下緩,呈鏟狀向下延伸。(2)香河斷裂。該斷裂出現在樁號19km左右,斷裂兩側同相軸呈現出不同的形態,斷裂以南為近水平形態,斷裂以北為北傾狀態。香河斷裂也是一條鏟形斷裂。(3)夏墊斷裂。該斷裂出現在樁號40km左右,斷裂兩側同相軸也呈現出不同的形態,斷裂以南為北傾狀態,斷裂以北為近水平形態。夏墊斷裂也是一條鏟形斷裂,它向下延伸到3s(約10km)左右,然后歸并到10km左右的近水平地層上。它與香河斷裂一起使夏墊至香河之間的地殼淺部地層形成了一個小型地塹。(4)南苑-通縣斷裂。該斷裂在剖面圖上無明顯顯示。(5)二十里長山斷裂。該斷裂出現在樁號70km左右,在斷層南側同相軸明顯,并呈現出北傾狀態,而在斷層北側則無明顯同相軸,二十里長山斷裂也是一條鏟形斷裂。上述這些斷裂僅出現在上部地殼內,并都終止于10km左右的水平反射層位以上,沒有向下切穿上地殼而進入下地殼。由7.0s以下的反射剖面可以看出,下地殼呈現明顯的反射性質,并在局部地區存在兩個反射能量團:第一個是在45～55km的范圍內,它自莫霍界面向上一直沿伸到5.0s左右的上部地殼內,能量相對較強,其形狀象巖墻或巖體,這可能是上地幔物質局部上涌所造成的;第二個是在5～25km的范圍內,在莫霍界面的近水平反射疊層上覆蓋了一組傾向北的傾斜反射疊層,反映了韌性剪切過程的存在,下部地殼反射性質的這種差異意味著莫霍面作為拆離構造的可能性。由圖4和圖5可以看出,7.0s左右和11.0s左右的強反射疊層分別對應于上、下地殼的分界面和殼幔過渡帶。由圖中可以看出,7.0s左右的反射疊層基本呈水平展布,延續時間約0.5～1.0s,上、下地殼分界面埋深約為21km,它是脆性上部地殼和塑性下部地殼的過渡帶。11.0s左右的反射疊層略呈北高南低的趨勢,延續時間約為1.5s。這表明上、下地殼的分界面和莫霍界面并不是一個簡單的分界面,而是由多個具有一定厚度的層組組成的。由圖4中這兩個反射疊層的能量分布和同相軸的連續性可以看出,在樁號30～45km之間,兩反射疊層的能量與兩側相比明顯減弱,沒有較明顯的連續的同相軸,這表明在該處存在一條深斷裂,該斷裂傾角較陡,破碎帶較寬,是一條向下切穿莫霍界面的深斷裂。該斷裂向上延伸至上地殼內部,終止于夏墊斷裂之下,這可能就是形成三河-平谷地區8.0級地震的深部構造背景。圖6和圖7分別為SP-Ⅱ剖面的疊加時間剖面圖和線劃圖。與圖4和圖5相比可以看出,SP-Ⅱ剖面地下地質結構相對簡單,地層分布比較有規律,斷裂較少,這可能與該剖面沿區域構造走向有關。同SP-Ⅰ剖面一樣,雙程走時7.0s左右的反射事件B把地殼分為上部地殼和下部地殼。雙程走時11.0～12.5s的水平反射疊層反映了殼幔過渡帶。上地殼內地層結構相對復雜,與SP-Ⅰ剖面相似,它也是由上、下兩部分組成。上部分地層呈現出明顯的局部起伏變化,反射同相軸能量較強,連續性較好;下部分地層基本呈水平展布,反射同相軸能量較弱,連續性也較差。它們分別對應于較新的沉積巖系和較老的變質巖系這兩套巖石體系。在上地殼內存在兩條斷裂:(1)南口-孫河斷裂。該斷裂出現在樁號35km左右,斷裂兩側反射同相軸形態不同,南側呈傾斜狀態,北側基本呈水平狀態,斷層面以鏟狀向下延伸。(2)薊縣斷裂。該斷裂出現在樁號58km左右,斷裂南側反射能量較強,同相軸較多,斷裂北側則基本呈透明狀態,沒有明顯的反射同相軸,斷層面也是以鏟形方式向下延伸。從該斷裂所處的位置和形態來看,薊縣斷裂和二十里長山斷裂可能本來就是一條斷裂,后經夏墊斷裂錯斷成兩條斷裂。南口-孫河斷裂和薊縣斷裂都向下延伸終止于3.0s左右的近水平地層上。下部地殼總體上呈現反射性質,在55～65km范圍內的下地殼內存在一個局部的較強的反射能量團,這表明SP-Ⅱ剖面的下地殼及上地幔內物質比較均勻,沒有明顯的反射層出現。7.0s左右的上、下地殼分界面和11.0s左右的莫霍過渡帶都基本呈水平狀態,同SP-Ⅰ剖面一樣,這兩個界面都是由一組反射疊層組成,7.0s左右的上、下地殼分界面持續時間約為0.5～1.0s,埋深約為21km;11.0s左右的莫霍界面過渡帶反射持續時間約為1.5s,莫霍界面埋深約為37km。從這兩個反射疊層的形態及同相軸的連續性可以看出,沿該剖面內不存在切穿上、下地殼和莫霍界面的深斷裂。4上、下地殼構造環境由以上對SP-Ⅰ和SP-Ⅱ兩條深反射CDP剖面的分析可知,該區地殼結構復雜且斷裂發育,主要具如下特征:(1)在該區地下存在兩個全局性的強反射帶(雙程走時7.0s和11.0～12.5s),分別代表了上、下地殼的分界和殼幔過渡層。這兩個分界面從其反射性質來看并不是簡單的不連續面,而是表現為具有一定厚度的反射疊層。這表明了地殼深部的地層分界面不是一個簡單的層面,而是一個由多個薄層組成的具有一定厚度的疊層層組。其中上、下地殼分界面厚約1.5～3.0km,殼幔過渡帶厚約4.5km。(2)地下地層結構具有縱向和橫向上的非均勻性。在縱向上,上地殼上部地層成層性較好,層位較多,特征明顯,多呈現出傾斜形態。主要由新生代、中生代和古生代的沉積巖系地層組成。上地殼下部地層成層性和連續性都較差,反射性質呈“透明”特點,地層呈現出近于平行的形態。主要由元古代及其以前的變質巖系地層組成。在橫向上,上部地殼南部地層成層性較好,斷裂比較發育,構造比較復雜;北部地層成層性較差,斷裂較少,構造簡單。在上地殼下部地層,南部具有明顯的成層性,連續性較好;北部成層性較差。(3)在下地殼及上地殼下部局部地區存在3個強反射能量團,分別是SP-Ⅰ剖面樁號5～25km范圍內的覆蓋于莫霍界面以上的強反射能量團、SP-Ⅰ剖面樁號45～55km范圍內的自莫霍界面向上延伸至上地殼下部的強反射能量團和SP-Ⅱ剖面樁號55～65km范圍內的下地殼內部的強反射能量團。這3個能量團可能是上地幔物質局部上涌和冷卻變形所造成的,這充分反映了該地區上地幔物質運動的活躍性和地殼結構的非均勻性。(4)該區地質構造在縱向上具有明顯的差異性。淺部斷裂比較發育,主要有SP-Ⅰ剖面的寶坻-桐柏斷裂(樁號9km)、香河斷裂(樁號19km)、夏墊斷裂(樁號40km)、二十里長山斷裂(樁號70km),SP-Ⅱ剖面的南口-孫河斷裂(樁號35km)和薊縣斷裂(樁號58km)。這些斷裂多為鏟式正斷層,它們一般向下歸并于10km左右的近水平反射地層上,沒有切穿上、下地殼分界面進入下地殼。深部斷裂不太發育,僅在SP-Ⅰ剖面的30～45km