地质构造及人工地震测深剖面探测

本剖面(图5-1)通过天山隆起区中北部、北天山-准噶尔褶皱系和阿尔泰隆起区西南部的构造单元,穿过了博罗科努-阿其克库都克和额尔齐斯超岩石圈断裂及天山北侧著名的地震活动带^[1]。

图5-1 地震构造与剖面位置图

一、本区已有地球物理工作

新疆地区深部地质和地球物理工作开展较晚,物探工作者根据区域重力场和研究区及其外围地区较少的地震测深等资料综合分析,获得一些有意义的结果。

(一)区域重力场特征

新疆现今地壳上地幔总的形态,山区对应上地幔凹陷区,布格重力异常等值线较为密集,走向具有明显束状线型异常,它们为挤压隆起活动区,是地槽型重力异常的典型模式。盆地对应上地幔隆起区,布格重力异常等值线较稀疏,无一定延伸方向,形成相互镶嵌的块状异常,为相对稳定沉降区,系地台型重力异常的典型模式。

根据中国西部现有重力与地震资料以及新生代沉积层等资料反演出本区区域重力场和地壳构造,显示出重力场与地形分布基本呈镜像反映,即高山处为低异常区、盆地处为高异常区。 重力异常场的走向基本上与地形起伏相符,在山脉处重力异常梯度变化较大,而在盆地梯度变化较为平缓。 从反演地壳厚度来看,在剖面通过的阿尔泰山区其厚度约为48km;在准噶尔盆地西缘厚度为36～40km,莫霍面起伏较平缓;天山区地壳厚度为44～50km,天山中部巴音布鲁克附近最厚为52km。

(二)天然地震研究

图5-1显示本区地震多发生在额尔齐斯断裂带,北天山和库尔勒断裂带及其附近。 近年来,一些作者采用不同的方法,利用本区及外围地区观测的天然地震资料,研究本区及其邻区地壳上地幔三维速度结构和构造,结果显示:①在阿尔泰地区的上地壳较厚,约为17km,但无明显中、下地壳,剪切波速度为3.90km/s,其底部存在一个不明显的低速度层。地壳厚度为47km,剪切波平均速度较高为3.63km/s。 ②在准噶尔盆地上地壳剪切波有效速度为2.70km/s,中地壳剪切波速度为3.62km/s,下地壳剪切波速度为3.71km/s,地壳平均厚度为43km,平均剪切波速度较低3.52km/s,该盆地位于阿尔泰和天山山脉之间,地壳厚度为44～46km,较周边造山带薄,在盆地内15～24km之间存在一厚约10km的地壳低速层,剪切波层速度为3.25km/s,相对周围速度低0.32 ～0.41km/s。 ③天山地区地壳厚度较大为50～55km,上地壳厚度较薄,约为8km,中地壳剪切波速度为3.50～3.65km/s,下地壳剪切波速度为3.80～3.90km/s,地壳平均剪切波速度为3.61～3.65km/s,上地幔顶部剪切波速度为4.65～4.70km/s。 速度结构与地震活动存在一定联系,尤其是上地壳低速区与下地壳高速度区之间的梯度带往往与强震分布有关,有可能成为中强地震的孕育场所。

(三)地震测深研究概况

1997年前,本区内还未作过详细的地震测深工作。 只有在外围地区通过新疆北部一条可可托海-阿克赛综合地球物理测深剖面和本区部分大点距地震测深剖面。

1974年,新疆地震局利用伊犁爆破,沿昭苏—乌鲁木齐接收,利用P,S震相和P_m与P_n震相求得地震波速度为:V_p=6.10km/s,V_s=3.47km/s,V_pn=7.64km/s。平均地壳厚度为43.5～42.8km,最西部昭苏地区为42km,乌鲁木齐为45km。 1983年国家地震局科技监测司组织局系统的有关单位观测了我国西北部进行的一次大爆破,初步研究了塔里木盆地东北边缘的地壳结构及速度分布,该区地壳平均速度约为6.15km/s,地壳厚度为50km左右,上地幔顶部速度为7.90km/s,其下直到80km为弱梯度层。 1988年6～8月原地矿部第二综合物探大队完成了新疆国家305项目V9-3综合地球物理剖面人工爆破地震测深野外探测。 该剖面通过北疆东部地区,由甘肃阿克塞经柳园、哈密、木垒至富蕴县可可托海。 记录中可清晰地辨认出P_g,P₂,P₄,P₆,P_m,P_n等4～6个震相,获得了可可托海-阿克塞地壳速度结构。

二、人工地震测深剖面野外探测及数据采集

(一)剖面位置

北东向的天山-准噶尔-阿尔泰剖面,南起沙雅县(东经:82°52′28.4″,北纬:41°2′34.0″),经巴音布鲁克、那拉提、独山子、奎屯、克拉玛依、乌尔禾、和什托洛盖、布尔津至喀纳斯湖(东经:87°1′37.6″,北纬:48°42′43.7″),全长950km(图5-2)。 由于受本区地理条件、环境限制,剖面走向大部分地段与217国道一致。 自南向北通过北天山山区、准噶尔盆地西缘(主要为戈壁),北段进入阿尔泰原始森林区。 表层地质条件千差万别,海拔和气候变化很大。

图5-2 炮点分布图

剖面自南向北通过了天山隆起区、北天山-准噶尔褶皱系和阿尔泰隆起区三大地质构造单元。 同时穿过了两条具有缝合带性质的大型动力构造变质变形带,即额尔齐斯断裂构造变形带与博罗科努-阿其克库都克断裂构造变形带以及北天山地震活动带。

(二)观测系统

为了取得良好的激发效果,经3次实地踏勘,在巴音布鲁克、奎屯、128团、乌尔禾、和丰牧场、穆呼尔岱和布尔津北选择了9个炮点,进行了11次爆破,投入了160台三分向数字和模拟地震仪进行流动观测,构成了如图5-2所示的观测系统。 该系统保证了壳幔主要波组序列的对比与追踪。

炮1和炮8位于奎屯北约8km的荒地(东经:84°57′13.6″,北纬:44°32′34.3″),剖面桩号为388.8km。 该处地形低凹,地表为黄土,在该炮点进行两次2吨炸药量的井中爆破,爆破效果良好。 该炮可获得准噶尔盆地南缘断裂下方中上地壳和博罗克努-阿其克库都克断裂构造变形带附近的地壳过渡带的波组信息。

炮2和炮7位于建设兵团128团的前山村(东经:84°44′47.9″,北纬:45 °0′26.4″),剖面桩号为428.9km。 该处为开阔的戈壁滩,在该炮点进行了两次2吨炸药量的井中爆破,爆破效果良好。 该炮主要获得北天山山区及盆地的壳幔波组特征。

炮3位于布尔津北约30km处(东经:86°51′20.8″,北纬:47°55′4.3″),剖面桩号为790.2km。 该处地形较低凹,地势开阔,地下5～10m为砾石层,水位较浅,在该炮进了2吨炸药量的井中爆破,爆破效果良好,该炮可获得阿尔泰山南侧和额尔齐斯河以南的地壳深部波组信息。

炮4位于穆呼尔岱北2.5 km处,剖面桩号为728.7km(东经:86°48′5.8″,北纬: 47°19′6.0″)。 该处为山间小盆地内的沼泽盐碱地。 地表为黑粘土,其下为粘土层+小砾石层,在该炮点进行了2吨炸药量的井下爆破,爆破效果良好,该炮可获得额尔齐斯断裂带附近的中上地壳信息。

炮5位于和丰牧场南15km附近,剖面桩号652.7km(东经:86°12′34.5″,北纬: 46°45′23.0″)。 地表为红土层,其下可能存在小颗粒砾石。 在该炮点进行了2吨炸药量的井中爆破,爆破效果良好。 本炮可获得准噶尔盆地西缘地段和额尔齐斯断裂带的壳幔波组特征。

炮6位于乌尔禾东南艾里克湖东北岸边(东经:85°46′32.0″,北纬:45°59′39.4″),剖面桩号为561.9km(垂直偏移测线11km左右),该处土层较厚。 在该炮点上进行2吨炸药量的井中爆破,爆破效果良好,该炮可获得准噶尔盆地西缘地段的壳幔信息。

炮9位于巴音布鲁克东(东经:84°15′52.9″,北纬:43°3′28.1″)的河道里,剖面桩号为218.2km。 该地段地表为很薄的小砾石层,4～5m为永久冻土层,0.7m以上为粘土层。 该炮点进行2吨炸药量的水中爆破,爆破效果一般。

炮10位于库车北北山牧场附近(东经:83°2′4.4″,北纬:41°57′46.1″)的山间低凹处,在该处进行了2吨炸药量的井中爆破,爆破效果良好,剖面桩号为63.6km。

炮11位于沙雅东南(东经:82°52′28.4″,北纬:41°2′34.4″)的农田里,在该处进行了2吨炸药量的井中爆破,爆破效果良好,剖面桩号为-41.6km。

(三)观测点的布置

由于测线只能沿公路布设,为了避开车辆、油田及工矿企业等干扰,同时考虑到观测条件,观测点沿测线不均匀分布。 观测点号南小北大,编号一般为双号,加密点为单号,160台三分向地震仪投入观测,观测点距一般为2.0～3.5km。 天山山区和阿尔泰山区点距加大为4.0km左右,在研究区关键地段点距加密为2.0km。

测线通过的天山山区,观测点只能沿217国道布设,通过了3处雪山,大部分地段为无人区。

测线的独山子至布尔津段,大部分为戈壁和丘陵,在独山子、奎屯、128团、克拉玛依和布尔津等地人为干扰严重,特别是克拉玛依油田区长达百余千米,油井密布,交通发达,干扰背景极大。 观测点不得不向公路西北偏移到干扰较小的山前地段。

在测线北段的阿尔泰山区,观测点沿布尔津至喀纳斯湖的简易公路布置,雨后车辆行走困难。

(四)数据采集

根据本区气候特点,在1997年7月底至9月初完成了野外测深资料的采集工作。

(1)观测仪器

本工程共投入观测仪器160台,其中:

1)CHJ-1模拟地震仪和MDJ-A模拟地震仪各1台,配备CDJ-5型垂直检波器,用于炮场井口记时;

2)MDJ-A模拟地震仪49台,配备CDJ-68三分向检波器;

3)CHJ-1模拟地震仪49台,配备CDJ-68三分向检波器;

4)DAS-1轻便数字地震仪30台,配备CDJ-68三分向检波器;

5)PDR-1数字地震仪30台,配备L-4A垂直检波器和CDJ-4水平检波器。

(2)仪器台道一致性检查与标定

所有仪器均在1997年5月完成了检修,并在郑州进行了标定,仪器一致性的敲击试验在新疆昌吉完成。 通过台道一致性检查,达到了《人工地震测深工作规范》规定的技术要求如下:

1)记录波形清晰;

2)同类仪器各道波形相似,极性一致;

3)同类仪器各道相位差小于±20ms,相对振幅差小于±20%。

(3)地震波的观测

观测点的选择及检波器的安置是能否记录到优良记录的关键之一。 研究区部分地域低速盖层很薄或基岩出露,部分地区为戈壁滩,给观测点选择和检波器安置带来一定的困难。按原设计将测点基本沿路布置,为减弱风的影响各观测点选择在避风的地方,操作员采取了挖坑防风措施。 在基岩出露区,观测点选在地形低凹的完整而较平的基岩上,采取了防风雨等措施。

(4)地震信号激发

足够的激发能量是取得优良观测记录的保证,按原设计根据当地的实际情况进行钻井爆炸等工作。 钻井工作指挥部指定专职技术人员负责。研究区部分炮点位于山间盆地,打井难度较大,井场人员克服种种困难,圆满完成了打井任务。