基于高分辨地震剖面的上地殼結(jié)構(gòu)建模與分析京津地區(qū)順義塘沽高分辨地震折射剖面的走時(shí)成像結(jié)果及其揭示的上地殼斷裂構(gòu)造特征

基于高分辨地震剖面的上地殼結(jié)構(gòu)建模與分析京津地區(qū)順義塘沽高分辨地震折射剖面的走時(shí)成像結(jié)果及其揭示的上地殼斷裂構(gòu)造特征

0華北平原區(qū)的京津冀城市圈是中國(guó)最大的城市群之一,是我國(guó)簡(jiǎn)介城市是人類文明的象征。隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程進(jìn)入新的階段，特大城市及城市群的地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防范日益成為韌性城鄉(xiāng)建設(shè)所面臨的重要環(huán)節(jié)。位于華北平原區(qū)的京津城市圈是中國(guó)人口最密集、現(xiàn)代化程度最高、輻射周邊能力最強(qiáng)的城市群之一。在區(qū)域構(gòu)造上，該區(qū)位于NE向太行山構(gòu)造帶東緣與EW向燕山構(gòu)造帶南緣的交會(huì)部位，多組斷裂構(gòu)造從京津城市圈內(nèi)穿過(guò)和交會(huì)，且大部分?jǐn)嗔褳殡[伏斷裂，斷裂的深、淺部形態(tài)特征較為復(fù)雜，歷史上強(qiáng)震多發(fā)，因而具有較高的地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)和城市災(zāi)害脆弱性(1華北平原區(qū)地震地質(zhì)條件塘沽—順義高分辨地震折射剖面東起渤海之濱的天津塘沽大沽街道驢駒河村(38.88°N,117.63°E)，通過(guò)華北坳陷區(qū)北部，到達(dá)燕山褶皺帶南部邊緣的北京順義區(qū)石槽鎮(zhèn)西趙各莊(40.231°N,116.478°E)(圖1)。剖面走向?yàn)镹NW-SSE，全長(zhǎng)185km，采用PDS-2型數(shù)字地震儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，共布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)267個(gè)，最小觀測(cè)點(diǎn)距0.35km，最大0.70km，平均0.51km，炮點(diǎn)18個(gè)，平均炮間距12.15km。以上布局構(gòu)成了完整的多重追逐相遇觀測(cè)系統(tǒng)，是該區(qū)域目前為止最為密集的高分辨地震折射探測(cè)剖面。剖面所在地區(qū)整體位于華北斷坳區(qū)，基底主要由太古界和早元古界的中深度變質(zhì)巖系組成，并對(duì)區(qū)域構(gòu)造的發(fā)育有著重要影響。古近紀(jì)期間，華北平原區(qū)經(jīng)歷了NNE—NE向的強(qiáng)烈拉張變形，區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了多個(gè)斷陷盆地，盆地之間以隆起相隔，斷陷盆地內(nèi)普遍沉積了4i000～6i000m厚的古近系，而隆起區(qū)則通常缺失古近系。新近紀(jì)以來(lái)，華北平原區(qū)以整體沉降為主，沉積了厚1i200～2i000m不等的新近系和第四系。其中，位于測(cè)線西北端的北京平原與燕山褶皺帶的南端相接。該區(qū)主要經(jīng)歷了前寒武紀(jì)結(jié)晶基底形成、前寒武紀(jì)晚期—古生代地臺(tái)沉積蓋層發(fā)育和中生代—新生代地殼活化等3個(gè)大的構(gòu)造演化階段(研究區(qū)1967年3月27日—2018年12月31日M2圖像方法和過(guò)程2.1初至波走時(shí)計(jì)算方法高分辨折射觀測(cè)提供了對(duì)上地殼密集采樣的地震觀測(cè)數(shù)據(jù)，初至波走時(shí)方法是利用這些觀測(cè)資料構(gòu)建上地殼精細(xì)結(jié)構(gòu)的主要方法(其中，m為模型矢量，δt為數(shù)據(jù)殘差，C其中，L為目標(biāo)函數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)矩陣，m2.2基底速度對(duì)pg波集的影響本文共利用18炮34個(gè)分支的地震折射記錄，共拾取Pg波到時(shí)1i803個(gè)。圖2展示了炮點(diǎn)樁號(hào)128.347km、234.804km、249.747km和298.09km的爆破記錄截面。Pg波組的折合到時(shí)主要受基底速度及其以上沉積蓋層的厚度和速度梯度的影響。由于剖面NW段北京平原區(qū)(240～300km樁號(hào)段)靠近燕山隆起的南緣，沉積蓋層較薄，基底速度較高，Pg波折合到時(shí)約為1～2s(圖2);而剖面SE段240km樁號(hào)以南，尤其220km以南的華北裂陷盆地區(qū)域由于受到冀中坳陷和黃驊坳陷巨厚沉積層的影響，Pg波的折合到時(shí)約為2～4s，可追蹤的炮檢距為15～87km。2.3初始模型的選擇本研究采用2.4．均方根殘差變化模型參數(shù)化是走時(shí)成像中最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，參數(shù)化過(guò)程應(yīng)將觀測(cè)系統(tǒng)全部包含在內(nèi)(最終通過(guò)26次非線性迭代，全部1i803個(gè)走時(shí)的均方根殘差從443ms減小到92ms，χ2.5檢測(cè)板分辨率的計(jì)算為評(píng)估上地殼成像結(jié)果的模型分辨，本文采用多尺度檢測(cè)板相似度分析方法(圖5a—e分別為2km×1km、5km×1km、7.5km×1.5km和10km×2km的檢測(cè)板恢復(fù)結(jié)果，其中黑色實(shí)線為檢測(cè)板的棋盤格點(diǎn)。最終，利用上述4個(gè)檢測(cè)板的恢復(fù)結(jié)果與檢測(cè)板輸入模型計(jì)算每個(gè)棋盤格內(nèi)的相似度，最終得到如圖5e和5f所示的相似度閾值分別為0.5和0.7的模型分辨。模型分辨結(jié)果顯示:取檢測(cè)板相似度0.5為檢測(cè)板恢復(fù)閾值時(shí)(圖5e)，速度模型中大部分區(qū)域的橫向分辨為藍(lán)色到紫色，表明其橫向分辨優(yōu)于5km(藍(lán)色)，深度4km以淺的大部分區(qū)域的橫向分辨約2km(紫色區(qū)域)或優(yōu)于2km(黑色區(qū)域);當(dāng)取檢測(cè)板相似度0.7為檢測(cè)板恢復(fù)閾值時(shí)(圖5f)，速度模型大部分區(qū)域的橫向分辨優(yōu)于7km(綠色區(qū)域)，深度4km以淺的大部分區(qū)域分辨尺度約4km(藍(lán)色)，局部射線密集區(qū)域的分辨優(yōu)于4km(藍(lán)色);速度大于等值線6.0km/s之下的區(qū)域無(wú)分辨(白色區(qū)域)。2.6速度、深度分布及基底結(jié)構(gòu)圖6a展示了反演獲得的上地殼P波速度的最終模型，其中2.0～5.5km/s的速度等值線間隔為0.5km/s,5.5～6.0km/s等值線間隔為0.1km/s。圖6a中的2條黑色虛線分別表示3.5km/s和4.5km/s的速度等值線，分別對(duì)應(yīng)于古近-新近紀(jì)以來(lái)的沉積蓋層深度和古近系及白堊系的地層分界線。塘沽—順義剖面的上地殼速度結(jié)構(gòu)模型(圖6a)結(jié)果顯示，該區(qū)的上地殼存在明顯的分層現(xiàn)象，且各主要地質(zhì)層位速度等值線的形態(tài)相似性很好，尤其是3.5km/s和4.5km/s的速度等值線分布幾乎平行，這種形態(tài)特征反映了研究區(qū)不同構(gòu)造單元的結(jié)晶基底埋深與結(jié)構(gòu)性質(zhì)主要受斷陷沉降與古近紀(jì)以來(lái)的地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響。在塘沽—順義剖面上地殼速度結(jié)構(gòu)模型(圖6a)中，5.5～6.0km/s速度等值線分布十分密集，其分布特征揭示了研究區(qū)基底面的速度及深度范圍，并可據(jù)此推斷基底的大致形態(tài)。塘沽—順義剖面基底界面埋深最淺處約2km，最深處可達(dá)8km。以樁號(hào)245km為界，該處NW側(cè)為燕山隆起南緣的平原區(qū)，基底埋深整體偏淺，但未出露，基底埋深整體約2km，通縣凸起區(qū)基底埋深局部<2km。北京凹陷和通縣凸起交界處存在明顯的基底下凹現(xiàn)象，顯示該處可能存在錯(cuò)斷基底的斷裂。樁號(hào)245km處SE側(cè)的華北平原區(qū)基底埋深整體較厚，深度范圍為3～8km。樁號(hào)245km處SE側(cè)自西向東穿過(guò)的構(gòu)造單元分別為大廠凹陷、武清凹陷、滄縣隆起和黃驊坳陷(圖6a)?；茁裆钭钌钐帪槲淝灏枷莺忘S驊坳陷，約8km。塘沽—順義剖面的上地殼速度結(jié)構(gòu)模型(圖6a)顯示，剖面SE段的黃驊坳陷內(nèi)基底分界處的波速為5.6～5.8km/s，而5.9～6.0km/s的等值線比其它區(qū)域稀疏，這種基底結(jié)構(gòu)特征體現(xiàn)了黃驊坳陷新生代以來(lái)的持續(xù)沉降和結(jié)晶基底經(jīng)歷了多期改造的特征(塘沽—順義剖面的上地殼速度結(jié)構(gòu)模型(圖6a)同時(shí)顯示，樁號(hào)145～165km范圍內(nèi)的滄縣隆起區(qū)存在較厚的速度為4.5～5.6km/s的介質(zhì)，該速度層在達(dá)到與黃驊坳陷和武清凹陷分界處后明顯消減。3錯(cuò)誤解釋和討論斷層在構(gòu)造演化和孕震過(guò)程中具有著關(guān)鍵作用，確定斷層的地下位置和空間展布形態(tài)是地震學(xué)研究的重要內(nèi)容之一(3.1大石油勘探成果本文采用F滄東斷裂是黃驊坳陷的主控?cái)嗔眩l(fā)育于中生代。自新近紀(jì)起，渤海灣盆地由古近紀(jì)斷陷階段進(jìn)入拗陷階段(后裂陷階段)，出現(xiàn)整體下沉，滄東斷裂被古近系和第四系覆蓋，成為隱伏斷裂。新生代滄東斷裂和中生代滄東斷裂存在左旋剪切-擠壓性質(zhì)(F滄西斷裂是冀中坳陷和滄縣隆起的分界斷裂，該分界部位淺部存在逆沖推覆構(gòu)造。中生代晚期，滄西斷裂為逆沖斷裂，在古近紀(jì)發(fā)生了構(gòu)造反轉(zhuǎn)。石油勘探資料顯示，滄西斷裂東側(cè)存在反轉(zhuǎn)的正斷層和擠壓褶皺(F寶坻斷裂是大廠凹陷和武清凹陷的分界斷裂。該斷裂形成自古近紀(jì)，整體呈NNE走向，傾向SEE。石油勘探的結(jié)果顯示，寶坻斷裂下降盤保持完整，中上段地層遭到剝蝕(F夏墊斷裂是切穿地殼的深大斷裂，淺部表現(xiàn)為上陡下緩的鏟式結(jié)構(gòu)(F順義-良鄉(xiāng)斷裂是控制著北京凹陷東邊界的深大斷裂，其主要活動(dòng)時(shí)期集中在中生代和新生代，并持續(xù)活動(dòng)到新近紀(jì)(3.2震東北部構(gòu)造結(jié)構(gòu)在地震記錄截面中，當(dāng)斷裂兩側(cè)存在較大速度差時(shí)，初至波震相會(huì)發(fā)生一定程度的超前、滯后以及振幅強(qiáng)弱不連續(xù)變化等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可作為判定斷裂位置的標(biāo)志及依據(jù)，(1)寶坻斷裂(F(2)夏墊斷裂(F(3)順義-良鄉(xiāng)斷裂(F4上地殼速度結(jié)構(gòu)特征順義—塘沽高分辨地震折射剖面位于華北平原東北部，該區(qū)發(fā)育的一系列NNE向活動(dòng)斷裂與張家口-渤海斷裂交會(huì)，是Ⅱ級(jí)活動(dòng)地塊華北平原內(nèi)部強(qiáng)震活動(dòng)最為活躍的區(qū)域(冀中坳陷是渤海灣盆地的另一個(gè)巨厚沉積中心，呈NE-SW走向。順義—塘沽高分辨剖面穿過(guò)冀中坳陷東北部的武清凹陷和大廠凹陷。武清凹陷是冀中坳陷的一個(gè)沉積中心，根據(jù)上地殼速度成像結(jié)果可知其結(jié)晶基底埋深近8km。武清凹陷的北邊界為寶坻斷裂，該斷裂走向近EW，傾向S，傾角較陡。上地殼速度成像結(jié)果顯示，寶坻斷裂切斷基底，可延伸至10km以深，斷裂兩側(cè)2km以淺范圍內(nèi)的速度差異較小，而斷裂兩側(cè)2km以深處的速度差異較大。武清凹陷以北為大廠凹陷，大廠凹陷為鏟狀盆地，其北界為夏墊斷裂。夏墊斷裂是新生代以來(lái)的活動(dòng)斷裂，傾向SE，深地震反射結(jié)果認(rèn)為夏墊斷裂為切斷莫霍面的深大斷裂，傾角較陡(5結(jié)晶基底與震相結(jié)果分析本研究利用在北京順義—天津塘沽開展的高分辨地震折射探測(cè)剖面數(shù)據(jù)，采用初至波走時(shí)成像方法構(gòu)建了順義—塘沽剖面的上地殼速度結(jié)構(gòu)模型，并利用速度差方法和Pg波震相特征獲得了沿剖面主要斷裂的位置和幾何形態(tài)。結(jié)果顯示:(1)順義—塘沽高分辨速度剖面顯示:該區(qū)上地殼呈隆坳相間的構(gòu)造特征，通縣凸起和滄縣隆起將北京凹陷、冀中坳陷和黃驊坳陷分隔。該區(qū)隆起區(qū)結(jié)晶基底埋深較淺，最淺處在通縣凸起區(qū)，基底埋深約2km。滄縣隆起區(qū)基底埋深約4km。坳陷區(qū)結(jié)晶基底埋深較深，黃驊坳陷和冀中坳陷的次級(jí)構(gòu)造———武清凹陷區(qū)的結(jié)晶基底埋深達(dá)8km，冀中坳陷的次級(jí)構(gòu)造大廠凹陷的結(jié)晶基底埋深約5km。(2)成像結(jié)果與地震活動(dòng)性結(jié)果顯示:寶坻斷裂和夏墊斷裂均為兩側(cè)存在較大速度差的陡傾角斷裂，地震折射記錄和成像結(jié)果均顯示其切斷結(jié)晶基底，可延伸至10km以深。寶坻斷裂是大廠凹陷和武清凹陷的分界，夏墊斷裂是其SE側(cè)鏟狀盆地大廠凹陷與通縣凸起的邊界。(3)成像結(jié)果與地震活動(dòng)性結(jié)果顯示:順義-良鄉(xiāng)斷裂為兩側(cè)存在一定速度差的近垂直斷裂，其切斷結(jié)晶基底，晚新生代以來(lái)地震活動(dòng)較多，