地球物理学报  2011, Vol. 54 Issue (3): 692-697   PDF    
引用本文
酆少英, 高锐, 龙长兴 等. 银川地堑地壳挤压应力场:深地震反射剖面. 地球物理学报, 2011, 54(3): 692-697, doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2011.03.008.  
FENG S Y, GAO R, LONG C X, et al. The compressive stress field of Yinchuan garben: Deep seismic reflection profile. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 2011, 54(3): 692-697, doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2011.03.008.  
银川地堑地壳挤压应力场:深地震反射剖面
酆少英1,2 , 高锐1 , 龙长兴1 , 方盛名2 , 赵成彬2 , 寇昆朋2 , 谭雅丽2 , 何和英3     
1. 中国地质科学院,北京 100037;
2. 中国地震局地球物理勘探中心,郑州 450002;
3. 河南油田石油物探技术研究院,河南南阳 473132
收稿日期 2010-08-31, 2011-02-23 收修定稿
基金项目: 国家发展改革委员会"城市活断层试验探测"项目(20041138)资助.中国地震局地球物理勘探中心论著编号RCEG201104.
作者简介: 酆少英,男,1967年生,高级工程师,在职博士,主要从事深地震反射与浅层地震反射探测研究.E-mail:fsy.ny@163.com
通讯作者: 高 锐,男,1950年生,研究员,博士生导师.长期从事于中国大陆地壳上地幔地球物理探测与地球动力学研究. E-mail:gaorui@cags.net.cn
摘要: 银川地堑位于南北地震带北段,地质结构复杂,活动构造发育.为了调查银川地堑的构造特征及断裂分布情况,布设了NW向跨银川地堑的深地震反射剖面,首次获得银川地堑地壳的精细结构.结果表明,银川地堑具有典型的拉张—挤压型沉积盆地特征,上地壳反射连续性好,层位丰富,能量强,断裂发育.下地壳和莫霍面记录了挤压与拉张的发展过程.莫霍面呈密集反射层,横向不连续,深度变化较大,最深处位于剖面的中部.剖面西段的地壳反射呈现弯曲状特征,剖面中部地壳包含"扁豆状"的反射形迹.这可能记录了晚三叠世以来,银川地堑受到来自西部的挤压作用.剖面东段的下地壳和莫霍面反射都被黄河断裂带错开,断裂两侧莫霍面发生错断,显示出黄河断裂带深部的走滑拉张作用.深地震反射剖面也揭露出贺兰山东麓断裂带和黄河断裂带是控制盆地的两个最主要深部断裂.贺兰山东麓断裂带切穿了上、中地壳地层.黄河断裂带是一个规模巨大的陆内走滑断裂,浅层表现为一个典型的花状构造,延伸至下地壳,切穿莫霍面.地堑逆冲推覆带与剖面中、西部地壳形态表明该地堑从盆地到基底都受到来自西南方向的区域挤压应力场作用.探讨了银川1739年8级地震的成因以及银川地堑的良好的油气远景.
关键词: 银川地堑      深地震反射剖面      贺兰山东麓断裂带      黄河断裂带      挤压应力场     
The compressive stress field of Yinchuan garben: Deep seismic reflection profile
FENG Shao-Ying1,2, GAO Rui1, LONG Chang-Xing1, FANG Sheng-Ming2, ZHAO Cheng-Bin2, KOU Kun-Peng2, TAN Ya-Li2, HE He-Ying3     
1. Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037,China;
2. Geophysical Exploration Center of China Earthquake Administration,Zhengzhou 450002,China;
3. Petroleum Geophysical Prospecting Technology Research Institute of Henan Oil Field, Nanyang Henan 473132, China
Abstract: Yinchuan graben, located in the northern section of North-South seismic zone, has complex geological structure and active tectonics. In order to investigate the structural characteristics of Yinchuan graben and fault distribution, we laid the NW-trending deep seismic reflection profiles across the Yinchuan graben which revealed the fine crust structure of Yinchuan graben for the first time. The results show the typical characteristics of tension-compression sedimentary basin of the Yinchuan garben and the reflections of the upper crust have the characteristics of good continuity, rich horizon, strong energy, and abundant normal faults. The lower crust and Moho recorded the development process of extension and compression of the basin. Moho appears as an intensive reflection layer, which is laterally discontinuous, changes significantly in depth with the deepest part in the middle of the section. The western lower crust in the sections shows bent features and contains the reflection characteristics of "hyacinth bean". This may be related to the compressional effects on Yinchuan graben since the Late Triassic. The eastern lower crust and Moho reflection in the section are staggered by Yellow River fault belt, and the Moho dislocation occurs on both sides of the fault, indicating the strike-slipping and extensional effect of the Yellow River fault. The deep seismic reflection profiles also reveal that the fault belt in eastern piedmont of Helanshan and the Yellow River fault belt are two major deep faults to control the basin. The fault belt in eastern piedmont of Helanshan cut through the interface of the upper-lower crust into the lower crust. The Yellow River fault belt is a huge intra-continental strike-slip fault, and the shallow part appears as a typical flower structure, and the deep part appears as bundle-like tilt reflection. The Yellow River fault belt extends to the lower crust, cutting through the Moho. The shape of thrust-nappe belt of the graben and the crust in the middle and western profile shows that this graben is subject to the action of the regional compressive stress field from the basin to the substrate. The direction of the regional compressive stress field is southwest. In this paper, we discuss the cause of the M8.0 earthquake happened at Yinchuan in 1739 and the good hydrocarbon potential in Yinchuan graben..
Key words: Yinchuan graben      Deep seismic reflection profile      Yellow River fault belt      Helanshan east piedmont fault belt      Compressive stress field     
1 引言

银川地堑位于鄂尔多斯盆地西缘，是鄂尔多斯周缘较大型断陷盆地之一，是在中生代贺兰-银川断隆的基础上，新生代反向运动演化形成的地堑型盆地(图 1).银川地堑所处的鄂尔多斯西缘地区，明显受到青藏高原外缘剪切挤压作用的影响[1].通过对跨银川地堑深地震反射的探测，探讨青藏高原在该区域的变形影响和动力学过程具有一定的理论意义.银川地堑又处于纵贯中国大陆南北地震带的北端，新构造运动十分活跃，活动断裂发育，地震频繁发生，是一个具有发生破坏性地震构造条件的地区[2].显然，对银川地堑地壳精细结构和构造进行深入研究，将为了解地震发生的深部构造原因提供良好的研究条件.

图 1 深地震反射剖面位置及区域构造背景 Fig. 1 The location of deep seismic reflection profile and regional tectonic setting

多年来，已有不少学者[3~12]通过不同方法对该区构造演化､深层构造及地震发生背景进行了较多研究.部分研究结果显示，银川地堑莫霍面可能存在局部隆起，盆地下地壳可能存在低速层，布格重力异常显示为一封闭的负异常区.石油反射地震剖面表明，在银川地堑浅层主要分布有4 条规模较大的隐伏断裂，贺兰山东麓断裂､芦花台断裂､银川断裂和黄河断裂[13].

受研究方法分辨力所限，对银川地堑地壳的精细结构､断层的空间展布及组合关系､中下部地壳的结构与构造等研究不够.地震学方法是探测地球深部结构的主要方法，而深地震反射剖面探测技术是目前地学界公认的研究岩石圈精细结构的最有效的方法[14].本文利用跨银川地堑实施的深地震反射剖面数据，经过精细处理，揭示了银川地堑地壳细结构图像和地壳深､浅构造关系以及断裂之间的组合关系，为理解银川地堑构造演化及地震发生的深部构造条件，提供地震学证据.

2 深地震反射剖面与构造背景

银川地堑总体呈北东向狭长状展布，其东部边界为黄河断裂，西部边界为贺兰山东麓断裂(图 1).从东､西边界断裂向地堑中部有多条大小规模不等的断层，其中规模较大的是芦花台断裂和银川断裂.按照地堑内的断层规模及其对沉积､构造的控制作用，银川地堑可分为三个构造单元:在贺兰山东麓断裂和芦花台断裂之间，为西部斜坡区；芦花台断裂和银川断裂之间，为中部凹陷区；银川断裂和黄河断裂之间，为东部断阶斜坡区.地堑内的新生代地层厚度约为7000m, 第四纪地层厚度一般为800~1000m, 最大厚度约为1200~1400 m[15].银川地堑是在贺兰构造带基础上演化形成的地堑式盆地[16]，演化历史经历了中元古代-早古生代拗拉槽发育､晚古生代复活､中生代山前拗陷和内陆拗陷盆地､新生代裂陷四个阶段，新生代时受到青藏高原隆升向北东方向挤压影响，银川地堑发生北西-南东向的裂张，边界断裂与地堑纵向断裂持续断陷，形成了现今银川地堑的基本地质构造格局.

本文研究的深地震反射剖面跨过了本区主要的断裂构造，剖面东南端起自黄河东岸的宁夏回族自治区与内蒙古自治区交界的沙兰特拉沙漠边缘，坐标为106°39′18.8″E，38°29′10.6″N.西北端止于贺兰县苏峪口西约4km 处，坐标为105°57′05.0″E，38°44′17.6″N.剖面全长约69km.数据采集道间距25m, 480道接收，48次覆盖，双边不对称接收的多次覆盖观测系统，最大偏移距7500m, 记录长度16s, 采样间隔2ms.采用井中爆破震源，单井井深20~25m, 药量24kg.地震数据采集仪器使用I/O 公司的SYSTEM-Ⅱ数字地震仪.在深地震反射原始记录上，来自下地壳和上地幔顶部各界面的反射能量弱，信噪比低，因此数据处理的各个环节，包括处理流程和处理参数的选取都把改善地震资料的信噪比放在首位，在确保信噪比的前提下，适当兼顾资料的分辨率.

数据处理采用FOCUS 处理系统，处理过程中进行了高程静校正与折射静校正､异常振幅消除､球面发散补偿与地表一致性振幅补偿､时变带通滤波与二维倾角滤波､地表一致性反褶积､速度分析和剩余静校正的多次迭代､倾角时差校正(DMO)和叠后去噪等.精细处理得到的剖面揭示了银川地堑的精细地壳结构，为研究盆地的深､浅地壳构造及其与地震活动的关系提供了依据.

3 深地震反射剖面的基本特征

图 2是横过银川地堑深地震反射时间剖面图，该剖面从浅到深反射信息丰富，信噪比较高，地质现象清晰，总体上地壳浅部构造发育，下地壳构造相对简单.

图 2 银川地堑深地震反射剖面 Fig. 2 The deep seismic refelection profile in Yinchuan garben

地震剖面的整体反射特征:深地震反射时间剖面明显的反射特征是该区地壳具有明显的纵向分层特点.大致以双程走时(tTWT)约8.0s(以上地壳平均速度5km/s估算，深度约为20km)为界，将地壳分为上地壳和下地壳两部分.又可以双程走时4.0s为界，将上地壳进一步分为上､下两部分.莫霍面反射为一组密集的强反射震相，大致出现在双程走时13.0~14.0s, 深度约为39~42km, 中间略深为46.5km (在剖面横坐标CDP3950~2750 之间，莫霍面加深至15.5s).莫霍面强反射特征说明，莫霍面是一个具有一定厚度的壳幔过渡带，厚度约为3.0km.上地幔基本没有层状反射，近乎透明.

地壳垂向反射特征:上地壳上部(双程走时0~4s, 厚度0~8km)地层分层特征明显，层位丰富，反射能量强，地层分段连续性较好，层组关系清晰，测线两端，反射层位较浅，测线中部层位较深，呈现地质构造复杂断裂发育､典型的沉积盆地特征.上地壳下部(双程走时4~8s, 厚度约8~20km)断裂发育，并且许多断层上断点都比较浅，说明该区受区域应力场作用变形强烈.下地壳(双程走时8.0~13.0s之间，以下地壳平均速度6km/s近似换算，厚度20~39km)反射整体表现比较平静.可以追踪到的层位在西部呈弯曲状，在东部较平坦.在下部地壳还存在近似闭合的“扁豆状"结构.

莫霍面的反射特征:相对于弱反射的下地壳，莫霍面反射能量较强，呈现出具有一定厚度的密集反射特征.莫霍面深度在剖面不同区段变化较大.剖面中部(CDP2100~3250之间)，莫霍面反射出现在双程走时13.2~14.5s之间(按地壳平均速度6.00/km近似估算，深度约39.6~43.5km)，由一组近似水平，能量较强，延续约1.3s的层状密集反射组成.在剖面东段的莫霍面反射变浅，可追踪到一组明显的弱反射，出现在CDP4560~5370，双程走时12.5~13.8s(深度约36.5~41.4km)之间.

深地震反射剖面揭示的断裂构造:图 3是对该剖面(图 2)的解释结果.断裂非常发育是横过银川地堑深地震反射剖面的最主要特征之一.上地壳沉积地层中发育多条断裂，在剖面横坐标5~28km之间，断层以东倾为主，在剖面横坐标35~47km之间断层以西倾为主，47km 以东剖面断层东倾､西倾相间出现.大部分断层都是上地壳内发育的隐伏断裂，上断点很浅.根据该区浅层反射地震勘探结果[17]，断层已经错断到新近系地层内.贺兰山东麓断裂带(HFB)是一条向东缓倾的铲型正断层，该断裂在浅部出露地表，该断层呈“带"状延伸.黄河断裂带位于剖面东端，倾角较陡，浅部由多条断裂组成，呈现出花状的走滑断裂特征，向剖面深部以“带"状形式延伸，由其延伸趋势来看，该断层一直延伸至下地壳，并在剖面横坐标约45km 处错断了莫霍面.该反射剖面显示，坐标35~47km 之间的西倾断层为一组逆冲推覆断裂(YGTB)，由F2､F3 界定，F2还发生过后期正断层过程.坐标47km 以东剖面存在复杂的对冲断层组，与YGTB 同性质的逆冲断裂也发生过后期的正断层过程.

图 3 深地震反射剖面解释 HHSB:黄河断裂带，HFB:贺兰山东麓断裂带，F1:芦花台断裂带；F2:银川断裂；F3:YGTB 带东界断裂；YGTB:银川逆冲推覆断裂带；PB:区域挤压应力带；E8:银川1739年8级地震震源；EB:天然地震预测带. Fig. 3 Interpretation results of deep seismic reflection profiling IIIISB—Yellow River fault belt, IIFB —fault belt of eastern side of IIelan mountain， F1—Luhuatfi fault， F2—Yinchuan fault； F3—the east fault of YGTB belt； YGTB—the thrust-nappe fault belt in Yinchuan garben； PB—the regional compressive stress field belt； E8—the hypocenter of 8 earthquake in 1739，Yinchuan； EB —the earthquake prediction belt.
4 结论

深地震反射剖面(图 3)揭示了银川地堑地壳的精细结构和深部构造特征，获取了一些重要发现:

(1) 银川地堑地壳断层发育，大部分断层都位于上地壳内，并且发育逆冲推覆断层.黄河断裂带是控制银川地堑晚期变形最主要的断裂.黄河断裂是一个规模巨大的陆内走滑断裂，浅层表现为一个典型的花状构造，深部为一束状反射向下延伸至下地壳，切穿了地壳中部构造界面和莫霍面，使其两侧的构造界面与莫霍面发生错断.贺兰山东麓断裂带也是控制银川地堑晚期变形另一个主要的断裂，发育在上地壳，向下延伸到中部地壳.两个断裂都呈“带"状延伸.

(2) 银川地堑的莫霍面反射表现为一个延续大于1s的密集反射层(估算层厚度至少有4.0km)，横向不连续.莫霍面深度位于密集反射层的底部[18]，横向起伏变化较大，剖面中部较深(约43.5km)，剖面东､西两段的莫霍面深度浅于剖面中部(约41.4km).剖面上､中､下部地壳震相东部平缓，中､西部存在壳内反射层的弯曲以及中､下部地壳内的“扁豆状"结构.

5 讨论

银川地堑作为鄂尔多斯地台的西侧边缘构造单元受到复杂的区域大地构造因素的控制作用，在地堑及其基底内部形成了一系列构造形迹.区域构造因素包括北部的西伯利亚板块向南运动､西南部印度板块北向运动的远程作用､鄂尔多斯地台的稳定演化等.银川地堑的地层结构与鄂尔多斯盆地密切相关[19]，可是它的内部构造形迹比鄂尔多斯盆地复杂.这一结果与鄂尔多斯盆地发育在稳定的鄂尔多斯地台内有关.在约60km 宽的范围内(图 3)，在深约8000m 的地层中发育着规模较大的多组逆冲推覆断裂，其中以F2(银川断裂)与F3 界定的逆冲断裂带(YGTB)为代表，在YGTB 以东还存在两组不同方向的逆冲断裂.这些逆冲断裂深至4~6km.表明该地堑受到相当大强度的区域推挤作用.由于黄河断裂带(HHSB)的“阻隔"，该断裂东西两侧的浅部构造形迹存在较大差异.中､下部地壳结构，在HHSB两侧也有较大区别.两侧存在较明显的巨厚(可达近30km)地层弯曲，同时地壳还隐约可见多处的“扁豆状"结构.这表明银川地堑基底内受到强烈的推挤作用.在HHSB 东侧，地壳内地震反射震相表现出“平坦"的特征.综合YGTB 及东侧的逆冲推覆带与HHSB 两侧的地壳地层受到的区域挤压作用，可以推测，该地堑从盆地到基底都受到来自西南方向的区域挤压应力场作用，即图中PB所示.

印度板块北向运动引起的区域挤压应力场可达到“汾渭一带"[20].在银川地堑附近，该挤压应力场作用(PB)受到HHSE 的“阻隔"，从而在银川地堑的基底地壳内形成一个相对平静区带，即图中“EB"范围.“EB"的上部由不同性质断裂环绕(HHSB:走滑，YGTB:逆冲推覆，HFB:正断层)，其下部是受挤压地层.虽然EB表现为“平静带"，但那里积累着不同方向不同性质的区域应力能量，实际上是一个不稳定带.1739年银川8.0天然地震震源位置大约在图 3 中“E8"处[21].上述分析也同样适用于“E8"位置的地震.上述讨论表明，“E8"地震不是HFB(贺兰山东麓断裂带)自身不稳定性引起.“E8"地震是区域构造应力场共同作用､地层积累能量的一种释放结果[22~25].“E8"地震之后，“EB 带"的地层是否已经稳定，区域应力积累能量是否完全释放，是否可能再进行重新积累(这是因为印度板块北向运动尚未终止，青藏高原隆升还在继续，对银川地堑基底的挤压作用也未停止)，即是否仍存在“E8"或“E7"､“E6"地震的可能，这需要进一步研究.

银川地堑内的地层与鄂尔多斯盆地的中生代地层相近[19]，后期经受的区域挤压应力作用强于鄂尔多斯盆地.挤压作用结果既可能破坏油气赋存，也可能增加油气存储条件.银川地堑地层厚至6~7km, 面积大于1万km2.综合分析，银川地堑具有良好的油气远景.

致谢

文章完成过程中得到了吉林大学杨宝俊老师和宁夏地震局柴炽章主任的悉心指导，在此深表感谢.

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