詹 艷 趙國澤 王立鳳 王繼軍 肖騎彬

(中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029)

河北石家莊地區(qū)深部結(jié)構(gòu)大地電磁探測

詹 艷 趙國澤 王立鳳 王繼軍 肖騎彬

(中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029)

石家莊位于太行山隆起帶和華北平原冀中坳陷盆地接觸區(qū)，西鄰太行山山前斷裂帶，1966年在其東南曾發(fā)生邢臺7.2級強震。為研究該區(qū)的深部構(gòu)造背景，并為分析地震活動性趨勢提供基礎(chǔ)資料，2010年10月采用寬頻帶大地電磁法對該區(qū)的深部結(jié)構(gòu)進行探測研究。大地電磁剖面穿過石家莊南側(cè)區(qū)域，長約167km，獲得了64個測點數(shù)據(jù)。采用遠參考和Roubst技術(shù)進行數(shù)據(jù)處理，使用多點、多頻率GB張量分解方法計算分析區(qū)域的電性走向，使用NLCG二維反演方法對TE和TM模式進行聯(lián)合反演，獲得深部電性結(jié)構(gòu)。太行山山前斷裂帶淺部東傾的低角度滑脫斷層和深部陡立西傾的電性邊界帶，構(gòu)成了太行山隆起帶和華北平原冀中坳陷接觸區(qū)的深、淺構(gòu)造的組合形態(tài);太行山山前斷裂帶東側(cè)深(10km以下)、淺部(10km以上)結(jié)構(gòu)具有相互獨立性，冀中坳陷內(nèi)的晉縣斷裂、新和斷裂延伸深度不超過10km;邢臺百尺口6.2級強余震震源位于上陡、下緩的新河斷裂和其下隱伏的深部電性差異帶的交會區(qū)，交會區(qū)上方及其東西兩側(cè)為具一定厚度和寬度的高阻體。在太行山山前斷裂和新河斷裂之間的中下地殼存在高導(dǎo)層，其中心對應(yīng)石家莊-晉縣凹陷。高導(dǎo)層中心部位比東西兩側(cè)淺，推測與深部熱物質(zhì)的上升有關(guān)。1966年邢臺地震群就發(fā)生在該地區(qū)附近。

太行山山前斷裂帶 冀中坳陷 電性結(jié)構(gòu) 殼內(nèi)高導(dǎo)層

0 引言

大地震的重災(zāi)帶和破裂帶都集中在它們各自的發(fā)震斷層沿線及其附近地帶，其發(fā)震位置、地震重災(zāi)帶和破裂帶的空間分布很大程度上取決于發(fā)震活動斷層本身的幾何結(jié)構(gòu)特征。對具有發(fā)震能力的活動斷層的空間位置進行探查，有可能避讓活動斷層從而減輕地震造成的危害(鄧起東等，2002;徐錫偉等，2002)。強震又是斷層整體滑動失穩(wěn)的結(jié)果，斷層由深部向上擴展過程中發(fā)生的強震，需要一個解耦層為斷層的整體錯動提供條件，地殼中強度相對較低的“弱”低速/低阻層可以提供這種解耦作用(馬瑾等，1996)。因而地震的發(fā)生與中下地殼的“弱”低速/低阻層分布密切相關(guān)(徐常芳，1996;Yasuo et al.，2004)。

活動斷層和地殼內(nèi)部的流體可能是地震活動重要的因素，流體在時間和空間上的變化可以使巖石孔隙壓力增大，降低巖石破裂所需要的剪應(yīng)力，促進地震蠕動、滑移的發(fā)生(Sleep et al.，1992;Johnson et al.，1995)。流體的存在和運移可以引起地殼內(nèi)部和斷裂帶內(nèi)的電導(dǎo)率值大幅度增加，而大地電磁測深方法對地殼內(nèi)巖體電導(dǎo)率反映靈敏、分辨力高(陳樂壽等，1990)。早在1982年日本學(xué)者就利用大地電磁方法探測研究得到一個與活動斷層結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的低阻異常帶(Electromagnetic Research Group for the Active fault，1982)。近年來各國更加關(guān)注活斷層分段結(jié)構(gòu)與強震的關(guān)系，以及大震區(qū)深部孕震環(huán)境的探測研究(趙國澤等，1998;Chow et al.，2000;Unsworth et al.，2000，2004;Bedrosian et al.，2002;Tank et al.，2003;Gurer et al.，2004;詹艷等，2004，2008;Tadanori et al.，2005;Malcom，2005;Zhao et al.，2010)。對美國圣安德列斯斷裂帶進行的高精度大地電磁探測研究，不僅揭示了斷裂帶花狀結(jié)構(gòu)樣式，也發(fā)現(xiàn)其閉鎖段和蠕滑段的電性結(jié)構(gòu)存在明顯的差異。海原和古浪大震區(qū)大地電磁探測結(jié)果清楚地揭示了這2個不同類型8級地震的不同深部電性結(jié)構(gòu)特征?？梢姡酶呙芏葴y點、寬頻帶大地電磁探方法，可探測得到活斷層的幾何形態(tài)、斷裂帶物性分布、斷裂兩側(cè)的深部結(jié)構(gòu)以及地震的深部孕震環(huán)境等，從而有助于研究斷裂的活動習(xí)性和強震破裂環(huán)境等。

石家莊位于太行山隆起帶和華北平原冀中坳陷接觸區(qū)，西鄰太行山山前斷裂帶，在其東側(cè)發(fā)育隱伏在第四紀(jì)地層下的一系列NE向斷裂(徐杰等，2000)。華北地區(qū)地震精定位結(jié)果顯示，石家莊及其附近區(qū)域位于地震空區(qū)，其東、西側(cè)區(qū)域都有NE向地震帶分布(于湘?zhèn)サ龋?010)。1966年3月在其東南束鹿盆地發(fā)生了邢臺7.2級強震及一系列強余震(徐杰等，1988)，隨后通過淺層地震、地震反射/折射、地震轉(zhuǎn)換波和大地電磁測深等方法對邢臺地震區(qū)的地殼-上地幔細(xì)結(jié)構(gòu)等進行了探測，了解了邢臺地震區(qū)地殼上地幔的分層速度結(jié)構(gòu)和深淺構(gòu)造的基本格局，認(rèn)為淺部鏟形斷層、緩傾角滑脫面和中下地殼的陡傾角深斷裂的組合是邢臺地震的發(fā)震構(gòu)造(騰吉文等，1975;邵學(xué)鐘等，1993;嘉世旭等，1996，2005;Wang et al.，1997;鄧前輝等，1997，1998;趙成斌等，1999)。邢臺地震是在最新構(gòu)造應(yīng)力場作用下，先存地殼“深斷裂”向上撕裂狀擴展引發(fā)的(徐錫偉等，2000)。上述開展的研究成果豐富了對邢臺地震的認(rèn)識，但是這些探測研究工作大多集中在邢臺地震區(qū)，特別是已開展的大地電磁探測研究工作是在90年代初期開展的。由于當(dāng)時儀器性能、數(shù)據(jù)質(zhì)量、周期長度、剖面長度、測點密度、反演方法等方面的限制，所得到的探測研究結(jié)果不能滿足對石家莊及附近區(qū)域淺層和深層斷裂空間組合樣式以及深部孕震環(huán)境的進一步研究。

2010年10月，我們采用高密度測點、寬頻帶大地電磁方法對石家莊及附近地區(qū)的太行山山前斷裂、晉縣斷裂、新河斷裂延伸情況及其與深部隱伏高角度斷裂深部組合架構(gòu)狀況、區(qū)域深部結(jié)構(gòu)進行了探測，為研究分析判斷該區(qū)是否存在發(fā)生大地震的深部構(gòu)造背景提供資料。本文介紹了這條電磁探測剖面的結(jié)果。

1 研究區(qū)概況和大地電磁剖面

石家莊電磁探測研究區(qū)位于太行山隆起帶和華北冀中坳陷盆地接合部位 (圖1)。太行山隆起帶內(nèi)主要由前震旦紀(jì)變質(zhì)巖系(Pt)和古生代地層(Pz)組成，缺失中生代沉積，新生代以來繼續(xù)隆起并產(chǎn)生局部拗陷。華北冀中坳陷盆地內(nèi)由第四紀(jì)地層(Q)覆蓋，其內(nèi)部可以進一步分成石家莊-晉縣凹陷、寧晉凸起、束鹿凹陷、新河凸起、南宮凹陷等次一級構(gòu)造單元。研究區(qū)內(nèi)主要斷裂帶自西北向東南有晉-獲斷裂(F4)、太行山山前斷裂(F1)、北席斷裂(F2)、欒城斷裂(F3)、晉縣斷裂(F5)、新河斷裂(F6)和明化鎮(zhèn)斷裂(F7)等。其中太行山山前斷裂(F1)為SN向展布，該斷裂帶不僅是地形地貌分界線，也是區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和地球物理場中一條重要邊界。晉縣斷裂(F5)、新河斷裂(F6)和明化鎮(zhèn)斷裂(F7)都為NE走向，隱伏于第四紀(jì)地層之下(河北地質(zhì)局，1968;徐杰等，2000)。

大地電磁剖面穿過石家莊市和欒城縣南側(cè)區(qū)域，剖面方位約N10°W，NW端起于太行山區(qū)娘子關(guān)鎮(zhèn)東北，向SE經(jīng)過山尹村、南智丘，SE端止于冀縣西北，剖面長度約167km，獲得了64個測點數(shù)據(jù)。在太行山山前、北席和欒城斷裂附近測點間距較小，為1km左右。電磁剖面SE段跨過了1966年邢臺地震群中的百尺口6.2級強余震區(qū)(徐錫偉等，2000)。

圖1 石家莊地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖和大地電磁剖面點(藍色實心圓)位置圖Fig.1 Map showing tectonics and magnetotelluric sites in the Shijiazhuang area.

2 數(shù)據(jù)采集和處理

2.1 數(shù)據(jù)采集和處理

大地電磁探測剖面位于人文環(huán)境干擾大的石家莊市城區(qū)附近，對大地電磁測深研究來說是一次挑戰(zhàn)。為了保證大地電磁野外數(shù)據(jù)的質(zhì)量，在數(shù)據(jù)采集和處理中使用了遠參考和Robust處理技術(shù)。遠參考道技術(shù)是一種能抑制相關(guān)噪聲的有效措施，能大大提高大地電磁野外數(shù)據(jù)采集質(zhì)量(Gamble et al.，1979)。其原理是地表水平磁場在較大范圍內(nèi)相對均勻，且不受地質(zhì)條件的影響。這樣，在滿足平面波假設(shè)的前提下，在距測區(qū)測點較遠且人文干擾較小的地方設(shè)定一個參考站，與測區(qū)同步記錄，由于參考站與測區(qū)相距較遠，測區(qū)局部噪聲和遠參考站上一般是不相關(guān)的，對測區(qū)測點進行數(shù)據(jù)處理時，使用參考站記錄的磁場分量做參考參與阻抗張量元素計算，就可抑制局部相關(guān)噪聲對傳輸函數(shù)的影響。Robust數(shù)據(jù)處理方法(Egbert et al.，1986;Chave et al.，1987)是將Robust統(tǒng)計原理運用到時間序列分析和阻抗張量求取中，在觀測資料誤差滿足統(tǒng)計規(guī)律的條件下，對觀測誤差的剩余功率譜的大小進行加權(quán)，降低受噪音干擾數(shù)據(jù)的權(quán)，從而抑制部分受相關(guān)噪音影響的數(shù)據(jù)給計算結(jié)果帶來的偏差。

大地電磁野外數(shù)據(jù)采集工作于2010年10—12月進行，使用加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的5套MTU-5A電磁系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。每個測點同時記錄3個磁信號(Hx、Hy、Hz)和2個水平電場信號(Ex、Ey)，同時在距離測區(qū)500km以外的湖北潛江布置了遠參考站點，與測區(qū)同步測量2個水平磁場分量。每個測點數(shù)據(jù)記錄時間＞20h，其中有1/3測點的記錄時間超過了40h。使用了遠參考和Robust處理方法對全部測點的數(shù)據(jù)進行了處理。圖2給出了A11、A12、A15和A57測點遠參考處理前、后的視電阻率和相位曲線對比，可見經(jīng)過遠參考處理后的數(shù)據(jù)質(zhì)量得到了明顯改善，特別是在近場干擾嚴(yán)重的10～0.1Hz頻段的資料質(zhì)量改善最大。

圖2 A11、A12、A15和A57測點遠參考處理前(上)、后(下)視電阻率和阻抗相位曲線Fig.2 Apparent resistivity and impedance phase curves before(up)and after(down)remote reference processing at sites A11，A12，A15and A57.

2.2 二維性和電性走向分析

使用GB阻抗張量分解技術(shù)(Gary et al.，2001)計算了各測點的二維偏離度、剪切度、扭度和電性走向參數(shù)。圖3給出了各測點全頻段二維偏離度、剪切度和扭度分布圖。圖中可見沿剖面僅在太行山隆起帶6個測點附近區(qū)域低頻段的二維偏離度、剪切度以及扭度數(shù)值較大外，在其他地段測點的大多數(shù)頻段的二維偏離度數(shù)值都＜0.2，剪切度和扭度也都基本接近0°。說明沿剖面除太行山隆起帶部分區(qū)域較低頻段二維特性不明顯外，沿剖面其余地段從高頻到低頻都表現(xiàn)為二維特性，對該剖面的數(shù)據(jù)進行二維反演所得到的結(jié)構(gòu)可以較好地揭示出地下真實結(jié)構(gòu)的特征。

對多點多頻率GB分解計算得到走向參數(shù)，按照太行山山前斷裂以西(A00J—A17測點)、太行山山前斷裂到晉縣斷裂(A18—A45測點)和晉縣斷裂以東(A46—A64測點)3段，同時按照周期0.01 ～0.1s、0.1 ～1s、1 ～10s、10 ～100s、100 ～1 000s和0.01 ～1 000s等 6 個頻帶繪制了電性主軸方向玫瑰花瓣圖 (圖4)。由圖中看出，A00J—A17測點之間周期0.01～1s的電性走向基本為均勻指向，結(jié)合地質(zhì)資料分析，周期0.1s～1 000s的電性走向指向約N10°E，周期0.01～1 000s電性走向總體指向SN。A18—A45和A46—A64測點在周期0.01～10s電性走向基本為均勻指向，周期10～1 000s指向約 N30°E，周期0.01～1 000s走向基本指向N30°E。電性走向指向說明沿剖面地下結(jié)構(gòu)在高頻段主要為一維結(jié)構(gòu);在低頻段太行山山前斷裂帶以西區(qū)域電性走向為NNE，主要受NNE走向的太行山山前斷裂的影響;以東區(qū)域電性走向指向N30°E，與NE走向的晉縣和新河斷裂基本一致。

圖3 石家莊大地電磁剖面多點多頻率GB分解的二維偏離度(a)、剪切度(b)、扭度(c)Fig.3 Skewness(up)，shear(middle)and twist(down)using the multi-site，multi-frequency tensor decomposition technique along the MT profile.

圖4 石家莊地區(qū)大地電磁剖面多點多頻率GB分解玫瑰花瓣走向圖Fig.4 The rose diagrams of the geoelectric strike direction using the multi-site，multi-frequency tensor decomposition technique along the MT profile.

2.3 視電阻率和阻抗相位曲線特征

觀察分析各測點的視電阻率曲線形態(tài)和數(shù)值變化可以定性了解沿剖面各構(gòu)造單元的電性特征。圖5給出了剖面上8個典型測點的測量方向視電阻率和阻抗相位曲線圖?？v觀本剖面64個測點的視電阻率曲線形態(tài)和數(shù)值變化，可清楚看出A15測點附近東西兩側(cè)測點的視電阻率曲線形態(tài)和數(shù)值發(fā)生了明顯的變化，該位置即是太行山山前斷裂帶(F1)的位置，說明太行山山前斷裂帶是一較大的電性邊界帶。太行山山前斷裂以西的太行山隆起帶內(nèi)的15個測點兩個方向的視電阻率曲線形態(tài)自高頻到低頻一般都表現(xiàn)為合離式，全頻段數(shù)值幾乎都＞100Ω·m，說明太行山隆起帶為相對高電阻區(qū)。太行山山前斷裂帶(F1)以東的冀中坳陷盆地內(nèi)49個測點的視電阻率曲線數(shù)值全頻段都＜100Ω·m，說明冀中坳陷盆地內(nèi)總體為相對低阻區(qū)，同時能看出這49個測點在周期1s以下的低頻段視電阻率數(shù)值和形態(tài)仍然存在差異，說明在冀縣坳陷盆地內(nèi)一定深度下具有不同的深部電性結(jié)構(gòu)特征，表現(xiàn)出其內(nèi)部次一級構(gòu)造單元具有不同的深部結(jié)構(gòu)樣式。

3 二維反演和結(jié)果分析

根據(jù)對電性走向和區(qū)域構(gòu)造走向的分析，可確認(rèn)沿剖面在太行山山前斷裂以西區(qū)域的電性走向總體為N10°E，以東區(qū)域約為N30°E。對A00J到A17測點在測量方向的基礎(chǔ)上向東旋轉(zhuǎn)10°，A18測點到A64測點向東旋轉(zhuǎn)30°，這樣旋轉(zhuǎn)得到的NE向數(shù)據(jù)為TE模式，與之垂直的SE向數(shù)據(jù)為TM模式。對旋轉(zhuǎn)后的各測點視電阻率曲線的靜位移情況進行了分析，發(fā)現(xiàn)A00J、A01、A03、A04、A05、A06、A08、A36測點上TE和TM兩個方向的視電阻率曲線首枝平行分離，而相位曲線是重合的。說明這些測點的視電阻率曲線產(chǎn)生了靜位移。采用比較相鄰處于同一構(gòu)造單元測點的視電阻率曲線形態(tài)和數(shù)值，對上述測點進行了靜位移校正。

圖5 石家莊大地電磁剖面8個典型測點測量方向視電阻率和阻抗相位曲線圖Fig.5 Typical curves of apparent resistivity，impedance phase of the eight sites along the MT profile.

利用NLCG二維反演方法(Rodi et al.，2001)，對各測點的TE和TM兩種極化方式的視電阻率和阻抗相位數(shù)據(jù)進行聯(lián)合二維反演計算，以增加對反演模型的約束，提高二維反演結(jié)果的可靠性。在二維反演開始之前，對各測點的視電阻率、阻抗相位曲線上偏離的“飛點”剔除，反演中通過加大誤差降低這些“飛點”在計算中的權(quán)。對其他頻點的視電阻率和阻抗相位數(shù)據(jù)分別使用5%和2.5%的誤差。采用TE和TM兩個模式的數(shù)據(jù)進行聯(lián)合反演。采用電阻率為100Ω·m的均勻半空間作為初始模型。通過不同的Tau值的多次計算，最后選定Tau=3的反演結(jié)果。整個計算過程都是在“MTDATABASE”(肖騎彬，2004)大地電磁數(shù)據(jù)處理反演集成系統(tǒng)下進行。圖6給出了NLCG二維反演得到的理論響應(yīng)和實測的視電阻率和阻抗相位數(shù)據(jù)直方柱狀對比圖，圖中空白部分為不參加反演的“飛點”。比較實測數(shù)據(jù)和二維理論響應(yīng)，可見實測視電阻率和阻抗相位數(shù)據(jù)被理論響應(yīng)較好的擬合，表明沿剖面二維反演得到的二維電性結(jié)構(gòu)可以一定程度地反映地下的真實結(jié)構(gòu)。

圖7是反演得到的二維電性結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造單元劃分、斷裂位置及其他地球物理探測結(jié)果(Wang et al.，1997;徐杰等，2000)，在圖7上部給出了構(gòu)造單元劃分方案和地表斷裂位置，基于電性結(jié)構(gòu)特征對主要斷裂帶深部延展情況進行了解譯。根據(jù)地震測深結(jié)果，在圖7中也繪制了莫霍面(M)深度，在太行山隆起帶約為42km，冀中坳陷內(nèi)約32km(嘉世旭 et al.，2005)。圖7中也放置了1966年3月26日百尺口6.2級強余震的震源位置。以下就深部電性結(jié)構(gòu)所反映出的各斷裂帶、構(gòu)造單元的深部結(jié)構(gòu)以及地震孕震背景進行分析。

圖6 石家莊電磁剖面實測的TE(a1～a4)和TM(b1～b4)極化模式視電阻率和阻抗相位與2-D模型理論響應(yīng)值的柱狀圖比較Fig.6 Comparison of TE and TM apparent resistivity and impedance phase of measured values and calculated values from 2-D theoretical response along the profile.

3.1 斷裂帶深部電性結(jié)構(gòu)特征

由深部電性結(jié)構(gòu)圖(圖7)可以看出，在深度10km以上和以下電性差異邊界具有相對獨立的架構(gòu)。深度10km以上太行山山前斷裂(F1)、晉縣斷裂(F5)、新河斷裂(F6)和明化鎮(zhèn)斷裂(F7)是主要電性分界，與地表地質(zhì)劃分的斷裂位置相同。深部電性結(jié)構(gòu)顯示自山尹村(A15測點)附近向東延伸約30km范圍，存在傾向東、傾角緩和斷面上陡、下緩的高、低阻邊界帶，為太行山山前斷裂帶(F1)，它控制了石家莊-晉縣凹陷盆地的西界。晉縣斷裂(F5)地表位于范莊附近(A46測點)，為明顯的電性差異帶，斷裂上盤為低阻、下盤為高阻，向西延伸約10km、深度約7km，傾角平緩，最終歸并于東傾的低角度滑脫帶內(nèi)，是石家莊-晉縣凹陷盆地的東邊界。新河斷裂(F6)地表位置在南智丘(A54測點)附近，向西傾并延伸到約5km深度。明化鎮(zhèn)斷裂(F7)位置與地表地質(zhì)構(gòu)造單元劃分稍有差別，位于巨鹿以東約20km(A63測點)附近，表現(xiàn)為向西傾斜的低阻破碎帶。晉-獲斷裂(F4)、北席斷裂(F2)和欒城斷裂(F3)沒有上述4條斷裂帶電性差異明顯，其中晉-獲斷裂(F4)僅是高阻體內(nèi)部的電性差異帶，北席(F2)和欒城(F3)斷裂表現(xiàn)為低阻塊體內(nèi)部相對的電性差異帶，延伸深度不大，約在1km以上。

深部電性結(jié)構(gòu)10km深度以下顯示，沿剖面存在2個較大的深部隱伏電性差異帶。差異帶Ⅰ(Blind F1)地表位置在欒城附近，電性上表現(xiàn)為一定寬度的低阻帶，較陡立且深部略向SW傾斜，延伸深度可達50km，推測切割了M面，對應(yīng)于深部的太行山山前斷裂。差異帶Ⅱ(BlindF2)地表位置在南智丘附近，延伸深度約30km。其西側(cè)存在明顯的殼內(nèi)低阻層(HCL)，東側(cè)為西深東淺的次低阻帶，厚度和電阻率值都明顯小于西側(cè)發(fā)育的殼內(nèi)低阻層，推測延伸深度終止于M面之上。

圖7 石家莊電磁剖面深部電性結(jié)構(gòu)圖Fig.72-D geo-electrical structure model obtained by the NLCG along the profile.F

3.2 深部電性結(jié)構(gòu)特征

圖7的深部電性結(jié)構(gòu)顯示了太行山隆起帶和冀中坳陷盆地具有完全不同的深部電性結(jié)構(gòu)特征。太行上隆起帶自地表到深度50km左右都表現(xiàn)為高電阻體(HRB1)，電阻率值可達到上千Ω·m，其形態(tài)為上部(10km以上)較寬、下部隨深度增大逐漸向西收縮的樣式。冀中坳陷盆地內(nèi)總體為低電阻特性，但是其內(nèi)淺部(10km以上)和深部(10km以下)的構(gòu)造構(gòu)架完全不同。

冀中坳陷盆地內(nèi)在深度10km以上電性結(jié)構(gòu)分為3段。在低角度滑脫斷層太行山山前斷裂帶F1和晉縣斷裂(F5)之間區(qū)域自地表到深度7km左右，電性表現(xiàn)為低阻特性，顯示出明顯的盆地樣式，其下電阻率值增大，該段為石家莊-晉縣凹陷。晉縣斷裂(F5)到明化鎮(zhèn)斷裂(F7)之間區(qū)域自地表到深度2km左右存在埋深起伏的低阻層，其埋深起伏變化表現(xiàn)出寧晉凸起、束鹿凹陷和新河凸起次一級構(gòu)造單元的深部結(jié)構(gòu)差異，在低阻層之下為高電阻體(HRB2)，厚6～7km，電阻率值約為幾百Ω·m。明化鎮(zhèn)斷裂(F7)以東區(qū)域，地表到深度5km左右為低電阻層，對應(yīng)于南宮凹陷，其下電阻率升高到上千Ω·m，電磁剖面僅進入該構(gòu)造單元的西端。根據(jù)地質(zhì)資料，華北平原盆地區(qū)主要是新近系和第四紀(jì)地層覆蓋，該區(qū)在中生代晚期次級隆起和斷陷基礎(chǔ)上，接受了古近系沉積，在凹陷區(qū)古近系厚度達3 500m以上，而隆起區(qū)古近紀(jì)地層缺失或僅數(shù)百m(徐杰等，2000)。電性結(jié)構(gòu)揭示從太行山前斷裂帶以西區(qū)域自地表到深度7km左右發(fā)育的低阻層，應(yīng)該對應(yīng)于由松散沉積物組成的古近系以上地層(E-Q)，沿剖面的低阻層厚度不一，反映了華北冀中坳陷內(nèi)新近系以上地層(E-Q)的沉積厚度變化情況。

冀中坳陷盆地深度10km以下深部電性結(jié)構(gòu)不再有3段特征，明顯分為2段，以南智丘為界，其西側(cè)明顯存在殼內(nèi)低阻層(HCL)，電阻率值約為幾Ω·m，厚度約為20km，其賦存形態(tài)表現(xiàn)為中部突起、東西兩側(cè)下傾的樣式，在低阻層(HCL)之下電阻率值增大到幾十Ω·m;南智丘東側(cè)區(qū)域深部則表現(xiàn)為西深、東淺的次低阻層，其電阻率值大于其西側(cè)的殼內(nèi)高導(dǎo)層，厚度較薄約為10km，推測為含水破碎帶，其下為延伸到35km深度的上千Ω·m的高電阻體(HRB3)。

3.3 殼內(nèi)高導(dǎo)層分布和成因及地震孕育的構(gòu)造背景分析

深部電性結(jié)構(gòu)揭示了在太行山山前斷裂帶(F1)以西區(qū)域的太行山隆起帶自地表到下地殼都為高電阻體，無殼內(nèi)高導(dǎo)層發(fā)育。冀中坳陷盆地內(nèi)自太行山山前斷裂到新河斷裂之間區(qū)域中下地殼明顯發(fā)育低阻層(HCL)，電阻率值約為幾Ω·m，埋深約為10km，厚約20km，并表現(xiàn)為中部凸起、東西兩側(cè)下傾的形態(tài)，在殼內(nèi)高導(dǎo)層(HCL)西側(cè)下方存在一上接殼內(nèi)高導(dǎo)層(HCL)、向下切穿了莫霍面的低阻帶。地震測深結(jié)果揭示了該區(qū)域存在殼內(nèi)低速層(嘉世旭等，2005)，即本區(qū)殼內(nèi)高導(dǎo)層和低速層發(fā)育位置一致。在該區(qū)域地表測量到高大地?zé)崃髦?張汝慧等，1993)，推測該區(qū)殼內(nèi)高導(dǎo)-低速層可能起因于長英質(zhì)礦物的部分熔融，與上地幔的熱物質(zhì)上涌有關(guān)(劉國棟等，1984;趙國澤等，1986)。

從深部電性結(jié)構(gòu)圖7中還清楚看出，1966年3月26日發(fā)生的邢臺百尺口的6.2級強余震震源位于高、低阻邊界帶交接區(qū)域，并偏于高電阻體內(nèi)，處于上陡、下緩的新河斷裂和其下較陡立的隱伏深部電性差異帶Ⅱ(BlindF2)的銜接位置，震源上方上覆一定厚度和寬度的高阻體(HRB2)，其下西側(cè)發(fā)育殼內(nèi)高導(dǎo)層(HCL)。對邢臺地震區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)特征與強震孕育發(fā)生的關(guān)系數(shù)字模擬研究結(jié)果說明地殼內(nèi)高、低速同時存在，有利于高應(yīng)力在高速/高阻體內(nèi)以及外側(cè)附近區(qū)域地殼上、下部相對集聚，這是大地震孕育和發(fā)生的最有利的深部孕育條件(尹京苑等，1999)。深部電性結(jié)構(gòu)揭示，在太行山隆起帶和冀中坳陷接觸區(qū)存在深部低阻斷裂帶、殼內(nèi)高導(dǎo)層以及高阻體組合結(jié)構(gòu)，深部低阻斷裂帶和殼內(nèi)高導(dǎo)層推測為深部物質(zhì)上涌和彈性能運移的通道，使得深部彈性能運移到相鄰的易積累高彈性能的高速/高阻特性的巖層中。1966年邢臺地震群就發(fā)生在這樣的深部結(jié)構(gòu)背景區(qū)域。

4 結(jié)論

石家莊大地電磁探測是在靠近石家莊市這樣一個發(fā)展程度較高、人文環(huán)境干擾大的城市附近進行的，對大地電磁測深工作來說是一次挑戰(zhàn)。在實際測量工作中，進行了多次野外踏勘，調(diào)整選擇了最佳剖面位置。在資料采集過程中采用了遠參考和Robust處理技術(shù)，加長記錄時間，有效提高和保證了數(shù)據(jù)質(zhì)量。在資料處理定性分析中，使用了多點、多頻率張量分解的方法，對不同構(gòu)造單元、不同頻段的區(qū)域電性走向進行了詳細(xì)分析，確定沿剖面采用分段電性走向的數(shù)據(jù)來進行反演。最后獲得的深部電性結(jié)構(gòu)較細(xì)致地揭示了沿剖面主要斷裂帶深部延展情況、深部電性結(jié)構(gòu)特征和殼內(nèi)低阻層發(fā)育狀況等。主要結(jié)論如下:

(1)深部電性結(jié)構(gòu)揭示了沿剖面太行山隆起帶和華北平原冀中坳陷盆地的接觸關(guān)系和太行山山前斷裂帶(F1)的深部延伸情況。上地殼存在向東傾、低角度滑脫斷裂帶，向東延伸到石家莊-晉縣凹陷之下，在中下地殼存在明顯的高、低電阻邊界帶，深度可達到50km左右。淺部東傾低角度滑脫斷層、深部陡立電性邊界帶，構(gòu)成太行山隆起和華北平原斷陷盆地接觸區(qū)深淺構(gòu)造的特殊組合。

(2)深部電性結(jié)構(gòu)揭示了沿剖面太行山隆起帶和華北平原冀中坳陷盆地具有完全不同的深部電性結(jié)構(gòu)特征。太行山隆起帶自地表到地下50km深度都為高電阻率特性，而冀中坳陷內(nèi)淺部(10km以上)和深部(10km以下)的斷裂和結(jié)構(gòu)明顯不同。在10km深度以上，自地表到深度約7km沿剖面分布層狀的低阻層，其埋深和厚度沿剖面存在明顯的起伏變化，顯示了沿剖面的凹陷、凸起的深部結(jié)構(gòu)形態(tài)，對應(yīng)于由松散沉積物組成的古近系以上地層;其內(nèi)發(fā)育的晉縣斷裂(F5)和新河斷裂(F6)向西傾，為主要電性差異帶，發(fā)育深度不超過10km，新生代構(gòu)造均位于10km深度以上。10km深度以下構(gòu)造格局與10km以上完全不同。

(3)深部電性結(jié)構(gòu)揭示了石家莊及其附近區(qū)域存在殼內(nèi)高導(dǎo)層，在其下部西側(cè)存在上接殼內(nèi)高導(dǎo)層、向下切穿莫霍面的低阻帶，在石家莊地區(qū)東、西兩側(cè)的新河斷裂帶和太行山山前斷裂帶西側(cè)附近區(qū)域深部存在高阻體。這種殼內(nèi)高、低電阻層以及附近存在切割莫霍面的低阻帶的深部賦存組合結(jié)構(gòu)，是大地震孕育和發(fā)生的最有利的深部孕育條件。1966年邢臺地震群就發(fā)生在這樣的深部結(jié)構(gòu)背景區(qū)域。據(jù)此應(yīng)加強對新河斷裂帶和太行山隆起帶南北一線區(qū)域的深部分段結(jié)構(gòu)探測和監(jiān)測研究。

致謝 本項目實施過程中，楊曉平、徐杰、盧造勛研究員給予了指導(dǎo)，在野外測量過程中河北省地震局、石家莊市地震局、江漢石油管理局物探公司711電法隊給予了大力支持，在此一并感謝。

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DEEP STRUCTURE IN SHIJIAZHUANG AND THE VICINITY BY MAGNETOTELLURICS

ZHAN Yan ZHAO Guo-ze WANG Li-feng WANG Ji-jun XIAO Qi-bin
(Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China)

The Shijiazhuang City in Hebei Province lies at the junction between the Taihangshan uplift in the west and the Jizhong depression of North China in the east，abutting the front-range fault zone of the Taihangshan in the west.The Xingtai M7.2 earthquake of March 1966 occurred southeast to this area.In October 2010，a broadband magnetelluric(MT)survey was conducted in the Shijiazhuang City and adjacent regions to probe the deep structure.The 167km-long MT profile began from the Niangziguan town，extended southeastward through southern Shijiazhuang City，and terminated at Wangchang town of Jixian county.MT data were collected at 64 sites along this profile.In MT data processing，in addition to the remote reference and robust techniques，the multi-point and multifrequency tensor decomposition was employed to determine the regional electric strike，and the NLCG 2D inversion was performed on TE and TM data.The result shows that a combination of an eastdipping low-angle normal fault in the shallow subsurface and a steep electric boundary at depth characterizes the deep structure beneath the study area.The electric structures in the shallow crust(above 10km)and deep crust(below 10km)seem to be independent.The Jinxian Fault and Xinhe Fault extend to a depth of less than～7km.High conductivity layer(HCL)is present below the depth of 10km between the front-range fault zone of the Taihangshan and the Xinhe Fault.There is a low resistivity boundary zone below the HCL and it cuts through the Moho.The hypocenter of the 1966 Xingtai Baichikou strong aftershock is located at the linkage between Xinhe Fault and deep electrical boundary，and on its top is a high resistance body and below it is the high conductivity layer(HCL).The HCL and the deep low resistivity boundary zone below the HCL are a channel of deep thermal upwelling and elastic energy migration.The 1966 Xingtai earthquake swarm is closely related to the deep material damping.

the piedmont fault zone of Taihangshan，Jizhong depression，deep electrical structure，high conductivity layer

P631.3+25

A

0253-4967(2011)04-0913-15

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.04.015

2011-09-27收稿，2011-11-04改回。

地震行業(yè)科研專項“中國地震活動斷層探察-華北構(gòu)造區(qū)”(200908001)、石家莊市活斷層探測與地震危險性評價(HBYHT2007321-A11)和國家自然科學(xué)基金(41074046)共同資助。

詹艷，女，1969年生，2008年在中國地震局地質(zhì)研究所獲得博士學(xué)位，研究員，主要從事地震、火山活動區(qū)深部電性結(jié)構(gòu)探測研究，電話:010-62009163，E-mail:zhanyan66@vip.sina.com。