吳桂桔 申重陽 談紅波 楊光亮

1 中國地震局地震研究所（地震大地測量重點實驗室），武漢市洪山側(cè)路40號，430071

據(jù)中國地震信息網(wǎng)報道，2015－04－15阿拉善左旗發(fā)生Ms5.8地震（N39.8°，E106.3°），震源深度約10km，位于賀蘭山隆起與巴彥烏拉山之間的吉蘭泰斷陷帶（磴口－本井?dāng)嗔盐鱾?cè)約10km）。宏觀地表烈度考察結(jié)果顯示，震中烈度為VII度，長軸方向與磴口－本井?dāng)嗔岩恢?，說明其可能為該地震的發(fā)震構(gòu)造。研究區(qū)內(nèi)歷史地震主要分布于銀川盆地－賀蘭山隆起－吉蘭泰斷陷帶，從西北往東南呈條狀分布（圖1）。震區(qū)構(gòu)造活動強烈，雖遠離青藏高原，但高原隆升效應(yīng)通過阿爾金斷裂和昆侖山斷裂系向北東傳遞，在鄂爾多斯西緣形成撕裂北東向的弧形山地。該地區(qū)因地球物理特征復(fù)雜而倍受地球物理學(xué)家的重視。由于受印度板塊北向碰撞推擠，以及周圍相對穩(wěn)定的阿拉善和鄂爾多斯塊體一定程度的阻擋，1993～2007年的GPS觀測結(jié)果顯示，該區(qū)內(nèi)總體呈現(xiàn)近NE 向擠壓兼NE－E－SE 向順時針旋轉(zhuǎn)的水平運動態(tài)勢［1－3］。區(qū)域有關(guān)研究主要集中在賀蘭山－銀川盆地。20世紀80年代中國石油單位通過銀川北橫穿盆地的反射地震勘探發(fā)現(xiàn)，盆地內(nèi)部發(fā)育兩條規(guī)模較大的張性斷裂。其后，又對銀川盆地中北部作了比較詳細的探測，獲得0.8～8km 深度范圍的人工地震、地電以及重磁等方面的資料［4］。1982年毛桐恩等［5］分析南北地震中北段的深部環(huán)境，給出重力以及地電等深度圖，并探討了賀蘭山－六盤山地震帶地殼和上地幔結(jié)構(gòu)特征；2006年柴熾章等［6］通過多層次綜合探測研究銀川及其周邊隱伏活動斷層特征；2009年方盛明等［7－8］通過分析一條68.9km 跨銀川斷陷盆地的高分辨率地震反射探測剖面，獲得黃河斷裂、銀川－平羅斷裂、賀蘭山東麓斷裂的特征及深淺構(gòu)造關(guān)系；2011年鄭軍［9］分析了鄂爾多斯地塊的電性結(jié)構(gòu)，其中Line39大地電磁剖面位于N39°，其研究結(jié)果展示，剖面西邊電阻率值低，往東電阻率值變大，上地殼是一個高阻層，東西兩側(cè)埋深淺，中間埋深大；2013年尹秉喜等［10］分析了靖遠－寧夏鹽池剖面中上地殼電性結(jié)構(gòu)特征。這些研究成果主要采用了地震反射測深以及大地電測探測手段，重點給出了黃河斷裂、銀川－平羅斷裂以及賀蘭東麓斷裂的分布特征及其與深淺構(gòu)造的關(guān)系，但針對阿拉善左旗地區(qū)附近的巴彥烏拉山山前斷裂、磴口－本井?dāng)嗔选⒑屯停揪當(dāng)嗔训难芯可跎?，特別是有關(guān)重力的研究成果少見。

2013年，中國地震局行業(yè)專項“中國地震科學(xué)臺陣探測”在該地震區(qū)附近實施了蘇海圖－平羅－鄂托克旗重力剖面測量。該剖面跨越吉蘭泰斷陷帶－賀蘭山隆起－銀川盆地和鄂爾多斯西緣，途徑磴口－本井?dāng)嗔涯隙恕１疚睦迷撈拭娉晒ú几裰亓Ξ惓＜捌錃w一化總梯度），結(jié)合區(qū)域背景布格重力異常圖，從重力學(xué)角度探索阿拉善左旗Ms5.8地震區(qū)域斷裂構(gòu)造與地震之間的關(guān)系。

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造與重力異常背景

研究區(qū)處于鄂爾多斯、阿拉善和青藏3大塊體的接壤鑲嵌部位，其東部、西部分別為穩(wěn)定的鄂爾多斯地塊和阿拉善地塊，中間為活躍的構(gòu)造變形過渡帶（銀川盆地－賀蘭山隆起－吉蘭泰斷陷帶）。銀川盆地－賀蘭山隆起－吉蘭泰斷陷帶是華北克拉通內(nèi)部的板內(nèi)構(gòu)造變形帶，該段的構(gòu)造運動與阿拉善地塊及鄂爾多斯地塊的相互運動有關(guān)，新生代以來華北應(yīng)力場的轉(zhuǎn)變使得阿拉善與鄂爾多斯塊體發(fā)生相互拉張作用，造成該區(qū)域的構(gòu)造運動以大陸內(nèi)部的伸展變形為主［11－14］，形成隆起的賀蘭山和下沉的銀川盆地。同時，它又位于中國南北地震帶的北段，緊鄰青藏塊體的東北緣，受青藏塊體東北緣的強烈擠壓作用，形成陡變的地球物理場和強烈的地震活動［15］。

研究區(qū)內(nèi)過渡帶以及鄂爾多斯地塊大部分被第四系沉積物覆蓋，但阿拉善地塊由于第四紀沉積物覆蓋嚴重，露頭狀況較差，以華力西期為主。且斷裂帶也較為發(fā)育，主要分布于106°～107°E（即銀川盆地－賀蘭山隆起－吉蘭泰斷陷帶內(nèi)），以北東走向為主兼有北西或南東弧形斷裂。該區(qū)地震活動強烈，曾在1739年發(fā)生平羅Ms8地震，歷史記載地震Ms5.0～5.9兩次，Ms6.0～6.9 三次，Ms8.0～8.9 一次。平羅Ms8大震的發(fā)震構(gòu)造一直存在爭議，李孟鸞、郭建增等不少學(xué)者認為該地震的發(fā)震構(gòu)造為銀川－平羅隱伏斷裂，但也有學(xué)者認為賀蘭山東麓活動斷裂為該8級地震的發(fā)震構(gòu)造［16－18］。目前對塊體邊界模糊不清或者模棱兩可的認識，也使得人們對于塊體間的相互運動和變形分析難以深入，塊體邊界深大斷裂與塊體內(nèi)部次級斷裂現(xiàn)今的活動差異性也無法得到合理解釋。

圖2為區(qū)域布格重力異常圖（據(jù)地質(zhì)礦產(chǎn)部1988年編制出版的1∶400萬《中國布格重力異常圖》繪制），反映了阿拉善地塊與鄂爾多斯地塊交接處構(gòu)造長期變形、演化形成的物質(zhì)整體分布狀態(tài)?？傮w來說，區(qū)域重力異常（圖2）從北西往東南呈高－低－高－低展布。巴彥烏拉山山前斷裂與磴口－本井?dāng)嗔阎g為低值異常帶，巴彥烏拉山山前斷裂以西和磴口－本井?dāng)嗔岩詵|分別顯示局部高值重力異常（－146～－128 mGal；－146～－122 mGal）。作為我國東部與西部之間具備明顯地質(zhì)構(gòu)造差異的過渡帶，反映了由于受青藏塊體隆升和向四周擴展的影響，地殼厚度自西往東逐步減薄。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造大多走向北東，與重力等值線走向基本一致，如巴彥烏拉山山前斷裂、鄂爾多斯北緣斷裂、磴口－本井?dāng)嗔?、賀蘭東麓斷裂帶、銀川－平羅斷裂、黃河斷裂等。研究區(qū)內(nèi)地震主要發(fā)生在重力異常梯級帶以及斷裂帶交匯處及其附近。Ms5.8阿拉善左旗地震發(fā)生在磴口－本井?dāng)嗔岩晕?，該處也是布格重力異常由低到高的轉(zhuǎn)換帶。

圖2 研究區(qū)區(qū)域重力布格異常Fig.2 Region gravity Bouguer anomaly in the research area

2 剖面重力異常與歸一化總梯度成像

2.1 實測剖面重力異常

蘇海圖－平羅－鄂托克旗剖面的測量使用2臺相對重力儀（CG－5型）和2臺GPS接收機準同步同址觀測，按國家有關(guān)規(guī)范開展相對重力聯(lián)測和高精度位置三維測定，并與銀川絕對重力站聯(lián)測。圖2中藍色五角星形所示剖面呈近東西向，跨越巴彥烏拉山山前斷裂、和屯－本井?dāng)嗔?、磴口－本井?dāng)嗔选⒄x關(guān)斷裂、賀蘭東麓斷裂、銀川－平羅斷裂以及黃河斷裂，西起蘇海圖，東南至鄂托克旗，共109個測點，測量剖面長約258km。對野外觀測重力數(shù)據(jù)進行預(yù)處理和絕對控制下的平差計算，得到各測點重力值（點值平均精度約為13.3 μGal）。同時，用GPS觀測數(shù)據(jù)解算各測點坐標（即經(jīng)度、緯度和高程），其水平精度在0.15m 以內(nèi)，高程精度在0.2 m 以內(nèi)。然后，按國內(nèi)相關(guān)規(guī)范，對各測點重力值進行正常重力改正、高度改正、中間層改正和地形改正，得到各測點布格重力異常（圖3）。

圖3 剖面布格重力異常以及對應(yīng)的GPS高程值Fig.3 Bouguer gravity anomaly of the profile and its corresponding GPS elevation

圖3中紅色曲線為實測布格重力異常，紅色虛線為測點GPS解算高程值。從圖中可以看出，布格重力異常的變化范圍在－221～－147 mGal。在巴彥烏拉山山前斷裂以及賀蘭山東麓斷裂附近布格重力異常變化較大，斷裂兩側(cè)布格重力異常差異分別約47 mGal和69 mGal；賀蘭山東麓至黃河斷裂存在明顯的重力低異常。該剖面上布格重力異常值變化較大，區(qū)域布格重力異常沿該重力剖面方向上總體趨勢與剖面重力布格異常趨勢相似。但在平羅地區(qū)附近，區(qū)域布格重力異常為高異常，剖面布格重力異常卻為低異常，兩者趨勢相反。推斷剖面重力該處低異?？赡転槲镔|(zhì)虧損，在該地區(qū)附近煤礦豐富且開采較為嚴重，因此認為該處低異常為煤礦采空所致。

2.2 重力歸一化總梯度成像

重力歸一化總梯度法是一種利用在較高精度下測量的重力異常來確定場源、斷裂位置及密度界面的方法。該方法的出發(fā)點在于利用剩余質(zhì)量的引力位及其導(dǎo)數(shù)在場源體以外空間都是解析函數(shù)，而在場源處則為失去解析性（及函數(shù)的奇點），通過對異常的解析延拓來確定函數(shù)的奇點問題即確定場源。歸一化總梯度的基本表達式如下：

其中，G（x，z）為xoz垂直面上的重力總梯度，為深度z上的M＋1 個測點總梯度的平均值，Vxz、Vzz分別為xoz面內(nèi)布格重力異常水平方向和垂直方向的一階導(dǎo)數(shù)。GH（x，z）為一個無量綱的比值，在xoz面內(nèi)，按一定深度間隔求各點的GH（x，z），最后繪出GH（x，z）的等值線圖。

將剖面布格重力異常按點距1km 進行線性內(nèi)插，剖面有限級數(shù)展開n＝40階，向下延拓采用2km 層間距，獲得剖面重力異常歸一化總梯度圖（圖4）。整條重力剖面的主要特征是：自西往東上地殼GH的分布較為復(fù)雜，剖面200km 以東以GH低值分布為主。在20km 以上，剖面起點至200km 之間存在7個GH值高低轉(zhuǎn)換帶，約位于30、50、70、100、140、160、180km 處，即圖4中對應(yīng)的F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7處。GH值的起伏變化是由于密度分布差異引起的，若密度分布未發(fā)生變化，那么GH的等值線為連續(xù)分布狀態(tài)。剖面所跨越的大型斷裂有巴彥烏拉山山前斷裂F1、正誼關(guān)斷裂F4、賀蘭山東麓斷裂F5、銀川－平羅斷裂F6、黃河－靈武斷裂F7。其中F1走向北東，均南傾，傾角約50°左右；F4走向東西，南傾，傾角約60°；F5走向北北東，傾向南東，傾角約60°；F6走向大體北北東，傾向北西，傾角約60°；F7走向北東，傾向北西，傾角約67°。F1處的高GH值異常傾角約50°左右，并向下延伸至約30km，傾向剖面以西；F2、F3處異常傾角約60°左右，向下延伸至約15km，傾向剖面以東；F4、F5、F6處異常傾角均約60°，F(xiàn)4和F5向下延伸至約13km，F(xiàn)6向下延伸至約20km，F(xiàn)4 和F6 傾向剖面以西，F(xiàn)5傾向剖面以東；F7處異常值傾角約65°，延伸至約15km，傾向剖面以西。對比分析歸一化重力梯度分布與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景可知，歸一化梯度成像總體展示異常傾角與地質(zhì)上的斷裂分布以及傾角較為吻合，該剖面走向為東西向，更好地反映了F5（向東）、F6（向西）和F7（向西）斷裂的傾向。剖面140km 附近（即平羅附近）形成一個GH相對較高值區(qū)域，該地區(qū)附近煤礦豐富，且開采較為嚴重，推斷該區(qū)域為煤礦過度開采所致，詳情待考。

圖4 剖面歸一化梯度成像Fig.4 The image of Normalized full gradient of the gravity profile

3 結(jié) 語

本文主要研究剖面重力歸一化總梯度GH成像分布特征及其與有關(guān)斷裂帶的展布關(guān)系。GH變化是由地下構(gòu)造變形引起的物質(zhì)密度分布差異所致，這種變化也是深部動力環(huán)境變化和地震孕育發(fā)生的一種指示，構(gòu)造變動過程中快速形成的高梯度變形帶亦是判定較強地震孕育發(fā)生地點的一個標志。

剖面重力歸一化總梯度GH成像（圖4）顯示，約160～170km 處往西陡傾的GH等值線條帶解釋為與銀川－平羅斷裂相關(guān)，銀川－平羅斷裂與1739年平羅Ms8.0 地震的震中投影在深約15 km 處交匯。這一現(xiàn)象表明，平羅Ms8.0地震的發(fā)震構(gòu)造是銀川－平羅斷裂，不是賀蘭山東麓斷裂，震源深度約15km。

圖4可見，鄰近磴口－本井?dāng)嗔褞В‵3）存在一個變形較大的GH東傾條帶，F(xiàn)3斷裂為條帶的東界，阿拉善左旗Ms5.8地震震源夾于GH東傾條帶西界與下伏局部穩(wěn)定區(qū)之間，F(xiàn)3斷裂與其并不相交，說明F3斷裂不是Ms5.8地震的發(fā)震構(gòu)造，Ms5.8 地震的構(gòu)造應(yīng)為受F3 斷裂控制的新生構(gòu)造。

上述研究可為阿拉善地塊和鄂爾多斯地塊之間構(gòu)造活躍帶的構(gòu)造變形解譯和發(fā)震條件研究提供基礎(chǔ)。

［1］江在森，張希，崔篤信，等.青藏塊體東北緣近期水平運動與變形［J］.地球物理學(xué)報，2001，44（5）：636－644（Jiang Zaisen，Zhang Xi，Cui Duxin，et al.Rencent Horizontal Movement and Deformation in the Northeast Margin of Qinhai－Tibet Block［J］.Chinese Journal of Geophysics，2001，44（5）：636－644）

［2］張希，江在森，王琪，等.1999～2001年青藏塊體東北緣地殼水平運動的非震反位錯模型及變形分析［J］.地震學(xué)報，2003，25（4）：374－381（Zhang Xi，Jiang Zaisen，Wang Qi，et al.Aseismic Negative Dislocation Model and Deformation Analysis of 1999to 2001Crustal Horizontal Movement in the Northeast Margin of Qinghai－Tibet Block［J］.Acta Seismologica Sinica，2003，25（4）：374－381）

［3］張希，張曉亮，王雙緒，等.青藏塊體東北緣近期地殼水平運動與應(yīng)變積累［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2008，28（4）：12－16（Zhang Xi，Zhang Xiaoliang，Wang Shuangxu，et al.Recent Horizontal Crustal Movement and Strain Accumulation in Northeastern Margin of Qinghai－Tibet Block［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2008，28（4）：12－16）

［4］寧夏地質(zhì)局研究隊地質(zhì)學(xué)編圖組.寧夏回族自治區(qū)構(gòu)造體系圖（1：50萬）［M］.銀川：寧夏人民出版社，1980（The Geology Editing Group of Ningxia Geology Bureau.The Structure System in Ningxia Huizu Zizhiqu（1：500 000）［M］.Yinchuan：Ningxia Renmin Press，1980）

［5］毛桐恩，姚家榴.中國南北地震帶（北段、中段）的深部環(huán)境與地震關(guān)系的初步探討［J］.地震地質(zhì)，1982，4（2）：21－31（Mao Tongen，Yao Jialiu.A Preliminary Discussion on the Relationship of Deep Environment to Seismic in North－South Seismic Belt（Its Northern and Middle Sections），China［J］.Seismology and Geology，1982，4（2）：21－31）

［6］柴熾章，孟廣魁，杜鵬，等.隱伏活動斷層的多層次綜合探測：以銀川隱伏活動斷層為例［J］.地震地質(zhì)，2006，28（4）：536－544（Chai Chizhang，Meng Guangkui，Du Peng，et al.Comprehensive Multi－level Exploration of Buried Active Fault：An Example of Yinchuan Buried Active Fault［J］.Seismology and Geology，2006，28（4）：536－544）

［7］方盛明，趙成彬，柴熾章，等.銀川斷陷盆地地殼結(jié)構(gòu)與構(gòu)造的地震學(xué)證據(jù)［J］.地球物理學(xué)報，2009，52（7）：1 768－1 775（Fang Shengming，Zhao Chengbin，Chai Chizhang，et al.Seismic Evidence of Crustal Structures in the Yinchuan Faulted Basin［J］.Chinese Journal of Geophysics，2009，52（7）：1 768－1 775）

［8］趙成彬，方盛明，劉保金，等.銀川盆地斷裂構(gòu)造深地震反射探測試驗研究［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2009，29（2）：33－38（Zhao Chengbin，F(xiàn)ang Shengming，Liu Baojin，et al.Experimental on Fault Tectonics with Deep Seismic Reflection Detection in Yinchuan Basin［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2009，29（2）：33－38）

［9］鄭軍.鄂爾多斯塊體電性結(jié)構(gòu)研究及其與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系［D］.北京：中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2011（Zheng Jun.The Research on Electric Structure in Ordos and Its Relationship between Geological Structure［D］.Beijing：China University of Geosciences（Beijing），2011）

［10］尹秉喜，程建華，閔剛，等.寧南弧形構(gòu)造帶甘肅靖遠－寧夏鹽池剖面中上地殼電性結(jié)構(gòu)特征［J］.地學(xué)前緣，2013，20（4）：332－339（Yi Bingxi，Cheng Jianhua，Min Gang，et al.The Conductivity Characteristics of Middle and Upper Crust of Jingyuan－Yanchi，Southern Ningxia Arc Structure［J］.Earth Science Frontiers，2013，20（4）：332－339）

［11］Ye H，Zhang B T，Mao F Y.The Cenozoic Tectonic Evolution of the Great North China：Two Types of Rifting and Crustal Necking in the Great North China and Their Tectonic Implications［J］.Tectonophysics，1987，133：217－227）

［12］An Y，Harrison T M.Geologic Evolution of the Himalayan－Tibetan Orogen［J］.Annu Rev Earth Planet Sci，2000，28：211－280

［13］許忠淮，汪素云，高阿甲.地震活動反映的青藏高原東北地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造運動特征［J］.地震學(xué)報，2000，22（5）：472－481（Xu Zhonghuai，Wang Suyun，Gao Ajia.Present－Day Tectonic Movement in the Northeastern Margin of the Qinghai Tibetan Plateau as Reveled By Earthquake Activity［J］.Acta Seismologica Sinica，2000，22（5）：472－481）

［14］李孟鑾，萬自成.1739年平羅8.0級地震的發(fā)震構(gòu)造及其孕育特 征［J］.地震 地 質(zhì)，1984，6（3）：23－28（Li Mengluan，Wan Zicheng.Characteristics of the Earthquake－Generating Structures for Magitude 8.0Pingluo Earthquake of 1739 and the Process of Its Preparation［J］.Seismology and Geology，1984，6（3）：23－28）

［15］劉建輝，張培震，鄭德文，等.賀蘭山晚新生代隆升的剝露特征及其隆升模式［J］.中國科學(xué)：地球科學(xué)，2010，40（1）：50－60（Liu Jianhui，Zhang Peizhang，Zhen Dewen，et al.Pattern and Timing of Late Cenozoic Rapid Exhumation and Uplift of the Helan Mountain，China［J］.Sci China Earth Sci，2010，40（1）：50－60）

［16］鄧起東，尤惠川.斷層研究與地震危險性估計——以賀蘭山東麓斷層崖為例［J］.西北地震，1985，7（1）：29－38（Deng Qidong，You Huichuan.Fault Scarps Research and Earthquake Risk Estimation－Example in Eastern Holanshan Fault Scarps［J］.Northwestern Seismological Journal，1985，7（1）：29－38）

［17］國家地震局“鄂爾多斯活動斷裂系”課題組.鄂爾多斯周緣活動斷裂系［M］.北京：地震出版社，1988（“Ordos Active faults”Group of the China Earthquake Administration.The Ordos Surrounding Active Faults［M］.Beijing：Earthquake Press，1988）

［18］丁國瑜，田勤儉，孔凡臣，等.活動斷裂分段：原則、方法與應(yīng)用［M］.北京：地震出版社，1993（Ding Guoyu，Tian Qinjian，Kong Fanchen，et al.The Division of Active Fault：Principle，Method and Application［M］.Beijing：Earthquake Press，1993）