林吉焱 段永紅

(中國鄭州450002中國地震局地球物理勘探中心)

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海原構造區(qū)及其周緣上部地殼結(jié)構研究

林吉焱段永紅

(中國鄭州450002中國地震局地球物理勘探中心)

基于甘肅省夏河縣—陜西省靖邊縣剖面的8次人工地震初至波數(shù)據(jù)， 利用有限差分走時方法反演得到了沿該剖面長約650 km的上部地殼速度結(jié)構和結(jié)晶基底的深度分布． 反演結(jié)果顯示： 海原構造區(qū)西側(cè)的西秦嶺—祁連山褶皺區(qū)上部地殼的橫向非均勻性明顯， 基底深度從1 km到5 km不等， 反映了褶皺區(qū)改造變形強烈的構造特征; 其東側(cè)的鄂爾多斯盆地基底深度約為5—6 km， 其速度均勻、 穩(wěn)定， 上地殼呈弱速度梯度特征； 海原構造區(qū)及海原弧形斷裂帶附近上部地殼的破壞變形最嚴重， 區(qū)內(nèi)橫向高低速相間分布． 綜上可知， 海原構造區(qū)東西兩側(cè)上地殼結(jié)構的顯著差異揭示了其結(jié)構復雜性的成因及其與地震活動性的關系．

地殼結(jié)構 有限差分 青藏高原東北緣 鄂爾多斯 海原斷裂

引言

海原構造區(qū)位于我國南北地震帶的北段， 青藏高原東北緣的秦嶺—祁連褶皺區(qū)、 鄂爾多斯地塊與阿拉善地塊的拼合處． 該區(qū)地殼結(jié)構復雜， 地震頻發(fā)， 自有記載以來的強震有1879年武都MS8.0, 1920年海原MS8.5及1927年古浪MS8.0大地震． 大量的研究結(jié)果表明， 該區(qū)域的地殼厚度自西向東逐漸減薄， 由西部祁連山褶皺帶的51 km， 減薄至東部鄂爾多斯盆地區(qū)的44 km(張少泉等， 1985； 李松林等， 2002)． 該區(qū)斷裂廣泛發(fā)育， 自西向東依次分布著西秦嶺北緣斷裂、 南西華山南麓斷裂、 香山北麓—桃山—李旺堡斷裂、 青銅峽—固原斷裂等大型斷裂．

國內(nèi)研究人員對海原構造區(qū)和海原斷裂帶開展了大量的研究工作． 詹艷等(2004)關于穿越海原震區(qū)的大地電磁測深剖面的解釋結(jié)果顯示， 海原震區(qū)正好位于其西南側(cè)的高阻區(qū)與東北側(cè)低阻區(qū)的過渡帶上， 電阻率在該剖面上的劇烈橫向變化揭示了該區(qū)地殼結(jié)構復雜的總體特征． 滕吉文等(2008)利用鄂爾多斯盆地內(nèi)部的深地震測深資料， 提出鄂爾多斯盆地的上地殼為雙層結(jié)構， 且上下層的速度梯度差異顯著． 施煒等(2013)根據(jù)野外構造測量， 提出了海原斷裂帶的新生代構造演化序列， 認為該區(qū)自新生代以來受多期構造應力場的控制， 特別是全新世以來在NE向構造擠壓作用下， 斷裂左行走滑活動劇烈． 王偉濤等(2014)根據(jù)該區(qū)的磷灰石裂變徑跡年代學結(jié)果及地震反射剖面結(jié)果， 揭示了晚新生代以來海原斷裂帶經(jīng)歷了先逆沖、 后走滑的兩階段變形過程． 上述研究結(jié)果為認識海原構造區(qū)和海原斷裂帶提供了大量的資料， 但并未給出該區(qū)東西兩側(cè)上地殼結(jié)構的差異對比．

鑒于此， 本文首先使用中國地震局地球物理勘探中心分別于1999年、 2014年和2015年在海原構造區(qū)獲取的8炮深地震測深資料， 形成長約650 km的甘肅省夏河縣—陜西省靖邊縣的深地震測深二維剖面； 然后利用有限差分地震走時層析成像得到夏河—靖邊剖面上部地殼的P波速度結(jié)構； 最后通過比較沿該剖面不同構造單元的上部地殼的結(jié)構特征， 分析海原構造區(qū)活動斷裂的深部構造形態(tài)、 上地殼變形特征及其與強震孕育的關系．

1 地質(zhì)構造背景

夏河—靖邊剖面自西向東分成4個構造單元： 隴中盆地、 興仁—海原盆地、 鄂爾多斯西緣褶皺帶和鄂爾多斯盆地， 如圖1所示． 隴中盆地是祁連山褶皺系東延的一個大型山間盆地， 地表廣泛覆蓋第三系和第四系沉積， 在構造運動上主要受到以ENE--WSW向擠壓為特征的現(xiàn)代應力場控制； 其西側(cè)的西秦嶺北緣斷裂是一個近NW走向的大型斷裂， 且很可能是一個超殼斷裂(李清河等， 1991)． 興仁—海原盆地與隴中盆地之間以ENE向的毛毛山—南西華山斷裂為界， 歷史上有名的“西海固多震區(qū)”(西吉、 海原、 固原)位于該區(qū)． 由于青藏高原ENE向的持續(xù)擠壓作用， 發(fā)育一系列弧形斷裂， 其中海原弧形斷裂帶成為青藏高原東北緣活動性最強的斷裂構造帶． 香山北麓—桃山—李旺堡斷裂是西秦嶺—祁連山褶皺區(qū)向華北地臺區(qū)的過渡帶， 將興仁—海原盆地與鄂爾多斯西緣褶皺帶隔開． 興仁—海原盆地和鄂爾多斯西緣褶皺帶構造復雜、 橫向變化顯著， 一系列NW向的弧形斷裂把盆地內(nèi)部分成若干隆起和凹陷構造． 夏河—靖邊剖面最東端的鄂爾多斯地塊是一個大型的中生代盆地， 在新生代隆升成高原， 是我國華北地區(qū)最穩(wěn)定的構造單元， 其內(nèi)部幾乎未發(fā)生過地震． 嘉世旭和張先康(2005)的研究顯示， 鄂爾多斯地塊內(nèi)部地殼結(jié)構簡單、 地殼平均速度較高， 反映了其內(nèi)部變形弱的穩(wěn)定構造特征．

圖1 研究區(qū)構造分布圖及測線位置

2 有限差分成像方法和數(shù)據(jù)

有限差分層析成像方法最初由Vidale(1988)提出， 隨后Hole(1992)將其進行了改進， 使它更有效地應用于速度變化劇烈的模型中． 該方法正演時采用地震走時程函方程的有限差分解法， 對模型進行正方形網(wǎng)格剖分， 計算速度快， 算法穩(wěn)定； 相比于射線追蹤方法， 該方法對復雜結(jié)構中的地震走時計算更為有效． 反演過程采用反投影的方法， 在迭代反演過程中， 不斷修改模型網(wǎng)格的慢度， 避免了矩陣運算， 大大提高了計算速度． 但是， 該方法本身并不能給出模型參數(shù)的分辨率， 可以通過射線的分布情況判斷模型各區(qū)域的可信程度， 對于沒有射線覆蓋的區(qū)域， 模型參數(shù)值與初始模型一致， 不具有參考價值．

夏河—靖邊剖面全長650 km， 共進行了8次爆破激發(fā)(圖1)， 其中包含1999年的5炮， 2014年的1炮和2015年的2炮， 炮間距從35 km 到240 km 不等， 接收點距為2—3 km． 為了減少炮點相對測線橫向偏差對走時的影響， 數(shù)據(jù)處理時去掉近炮點10 km以內(nèi)的初至波數(shù)據(jù)， 參與計算的初至波共349個， 走時拾取精度為0.05—0.10 s． 本文模型橫向長度為650 km， 縱向深度為15 km， 計算時橫向和縱向網(wǎng)格間距均設為0.5 km， 共包含3萬9000個網(wǎng)格． 基于一維試錯法走時擬合， 綜合區(qū)域大地構造信息， 得到反演所用的初始模型如圖2所示． 可以看出， 對初至走時進行15次迭代反演后， 走時均方根誤差從初始的0.419 s下降至0.058 s, 趨于穩(wěn)定．

圖2 走時均方根誤差分布和初始速度模型Fig.2 Distribution of travel time RMS errors and initial velocity model

3 初至震相走時特征

圖3分別給出了SP3炮、 SP5炮、 SP105炮、 SP106炮和SP9炮的深地震測深記錄． 由圖3a給出的SP3炮東支記錄可以看出初至波可連續(xù)追蹤約120 km． 當偏移距在50 km以內(nèi)時， 折合到時約為0.3—0.7 s， 視速度約為5.5 km/s， 反映出西秦嶺北緣斷裂以南地表高速的特征； 當偏移距為50 km左右時， 初至波有一個明顯的錯動， 分析是由于斷裂引起的初至波滯后所致； 當偏移距大于50 km時， 初至波折合走時約為0.8—1.0 s， 視速度約為6.0 km/s； 當偏移距達到120 km附近， 走時提前約0.3 s， 反映出隴中盆地蓋層相對厚、 速度相對低的特征．

SP5炮(圖3b)西支記錄的初至波可連續(xù)追蹤約170 km． 由圖3b可以看出： 偏移距-75 km處有一個比較明顯的分界線， 東側(cè)走時平穩(wěn)， 折合到時約為0.3—0.5 s， 視速度約為5.95 km/s， 反映了隴中盆地東部蓋層偏薄、 速度偏高的特征； 當偏移距為-75—-110 km時， 初至波折合走時明顯滯后， 最大滯后可達0.8 s， 顯示了隴中盆地內(nèi)部存在一個相對低速的構造．

SP5炮(圖3b)東支和SP105炮(圖3c)西支記錄反映了海原構造區(qū)的上地殼結(jié)構． SP5炮東支記錄的初至波追蹤距離約110 km， 自西向東存在走時先超前再滯后的特征， 顯示了海原構造區(qū)內(nèi)橫向速度變化明顯的特征． SP105西支記錄也顯示了類似的走時特征， 該記錄的初至波走時在偏移距-45 km處有一個明顯的滯后， 其位置大致與香山北麓—桃山—李旺堡斷裂相對應， 故推測很可能是該斷裂引起的走時滯后．

SP106炮(圖3d)東支和SP9炮(圖3e)西支的記錄則反映了鄂爾多斯塊體上部地殼的結(jié)構． SP106炮東支記錄的初至波走時相對西支走時明顯滯后， 反映出東西兩側(cè)的上地殼結(jié)構差異很大． 東支記錄在偏移距30 km以內(nèi)， 折合到時從0.9 s 增加至1.3 s， 視速度約為5.0 km/s， 顯示了蓋層速度相對低、 基底相對深的結(jié)構特征； 偏移距大于30 km后， 初至波折合走時約為1.4—1.2 s， 視速度約為6.06 km/s， 顯示了鄂爾多斯盆地上地殼結(jié)構簡單、 穩(wěn)定的特征． 該盆地內(nèi)其余炮的資料也顯示了相似的走時特征．

圖3 典型炮點的深地震測深記錄截面圖

4 上地殼速度結(jié)構特征

海原構造區(qū)的上地殼結(jié)構反演結(jié)果如圖4所示， 可以看出其東西兩側(cè)的上地殼結(jié)構存在顯著差異， 以下按照夏河—靖邊剖面自西向東的3個分段依次闡述．

夏河—靖邊剖面西段100—330 km樁號段為隴中盆地． 由圖4b可以看出， 隴中盆地內(nèi)部西側(cè)速度較東側(cè)速度低； 隴中盆地蓋層的速度約為3.5—5.0 km/s， 西側(cè)蓋層較東側(cè)偏厚． 若將5.9 km/s的速度等值線作為結(jié)晶基底面， 隴中盆地結(jié)晶基底埋深約為2—4 km， 西部深東部淺． 還可以看到， 模型樁號100 km和240 km處有兩個明顯的低速結(jié)構向下延伸， 西側(cè)低速可能是西秦嶺北緣斷裂在深部的體現(xiàn)， 而東側(cè)的低速在地表并未體現(xiàn)， 可能是由于隱伏斷裂或者盆地內(nèi)部的凹陷構造所致． 西秦嶺北緣斷裂形成歷史悠久， 經(jīng)歷過多期構造運動， 新生代以前經(jīng)歷了自北向南的推擠， 自第四紀以來演變?yōu)樽笮呋瑪鄬?騰瑞增等， 1994； 孟秀軍等， 2014)， 圖4b中給出了該斷層在深部的延伸趨勢． 值得注意的是， 由于SP3炮點與SP5炮點之間間距較大， 射線覆蓋幾乎無交叉， 故該樁號段的模型分辨率較其它分段偏低， 所得結(jié)果僅供參考．

圖4 夏河—靖邊剖面上地殼速度結(jié)構與射線分布圖

夏河—靖邊剖面中段330—490 km樁號段屬于興仁—海原盆地和鄂爾多斯西緣褶皺帶． 由圖4b可以看出， 該分段上地殼結(jié)構呈現(xiàn)出明顯的橫向非均勻特征， 高低速結(jié)構相間排列， 反映了該分段上地殼強烈的改造變形． 南西華山南麓斷裂把隴中盆地與興仁—海原盆地隔開， 在330 km樁號處上地殼速度顯示較周圍地區(qū)偏低． 海原縣西南的南華山和西華山是六盤山的余脈， 其中南華山主峰海拔為2955 m， 為寧夏第二高峰， 該區(qū)地表速度偏高、 基底隆升， 這是由于地殼經(jīng)歷強烈的NE向擠壓作用而隆升所致(施煒等， 2013)． 270—350 km樁號段， 兩側(cè)基底上隆， 中間呈低速下凹的結(jié)構特征， 其中290 km和350 km樁號附近結(jié)晶基底埋深僅1 km， 推測該區(qū)為先隆起、 后斷裂破壞的構造運動特征． 鄂爾多斯西緣褶皺帶與興仁—海原盆地大體上被香山北麓—桃山—李旺堡斷裂分隔， 這與模型420 km處的狹窄舌狀低速帶對應， 基底埋深約為6 km， 造成了SP105炮西側(cè)-45 km處初至波的明顯滯后(圖3c)． 香山北麓—桃山—李旺堡斷裂是一條以左旋走滑為主兼具傾向滑動的全新世活動斷裂(李海峰等， 2014)， 圖4中給出的斷裂分布顯示了該斷裂在橫向上分布較窄， 與其西側(cè)的南西華山南麓斷裂相比， 其對上部地殼的改造有限．

夏河—靖邊剖面東段的490—700 km樁號段屬于鄂爾多斯盆地， 上地殼顯示了相對簡單、 穩(wěn)定的速度結(jié)構， 結(jié)晶基底埋深約為5—6 km， 蓋層速度為3.0—5.0 km/s． 由圖4b可以看出， 速度值為5.0—6.0 km/s、 間隔為0.1 km/s的等值線均勻分布于地下2—6 km的深度范圍內(nèi)， 與其西側(cè)的褶皺區(qū)形成較明顯的對比， 顯示出該段上地殼弱速度梯度特征． 青銅峽—固原斷裂總體呈N--S向延伸， 斷層面向W傾斜， 淺部較陡， 斷裂在地表多處出露(張進等， 2004)， 圖4b中480 km樁號附近繪制的斷裂顯示了青銅峽—固原斷裂在深部的延伸趨勢， 該斷裂有可能延伸至上地殼深部． 在該斷裂的東側(cè)(約490 km樁號處)， 模型顯示出一個較高的速度異常和基底相對隆起， 這導致了SP105炮東側(cè)40 km處的初至波走時超前(圖3c)， 故推測在祁連褶皺系NE方向擠壓的過程中， 鄂爾多斯盆地邊緣被迫隆升， 這一結(jié)果尚待日后作進一步研究．

5 討論與結(jié)論

青藏高原東北緣的海原構造區(qū)及其周緣區(qū)域由于所處的特殊地理位置， 一直是地學界關注的熱點區(qū)域． 本文使用該區(qū)8次人工地震測深所獲取的初至波數(shù)據(jù)， 通過基于有限差分走時反演方法得到了夏河—靖邊剖面的上地殼速度結(jié)構．

夏河—靖邊剖面西側(cè)的西秦嶺—祁連山褶皺區(qū)上地殼橫向非均勻性明顯， 橫向速度差異約為10%—20%， 基底深度在南、 西華山地區(qū)及鄂爾多斯西緣約為1—2 km， 而在其它區(qū)域約為4—5 km． 該區(qū)域內(nèi)橫向高低速相間分布， 顯示了褶皺區(qū)經(jīng)多期改造后的變形特征． 海原構造區(qū)所在的興仁—海原盆地及鄂爾多斯西緣褶皺區(qū)顯然比其西側(cè)的隴中盆地的橫向非均勻性要明顯， 這可能與該區(qū)一系列斷裂帶的走滑特征有關． 受到NE向的擠壓推覆兼走滑運動， 斷裂帶附近區(qū)域內(nèi)部破碎并逐漸加寬， 而斷裂帶與斷裂帶之間的盆地區(qū)域受到的破壞相對較?。?/p>

夏河—靖邊剖面東側(cè)的鄂爾多斯盆地呈現(xiàn)未受破壞的穩(wěn)定沉積構造特征， 結(jié)晶基底深度約為5—6 km， 上地殼速度為5.0—6.0 km/s， 呈弱速度梯度特征， 速度變化梯度約為0.25/s． 而在該剖面的幾個基底相對隆起區(qū)域， 速度等值線則非常密集， 速度變化梯度約為0.55/s． 結(jié)晶基底一般被認為是大陸地殼沉積蓋層的底界面， 該界面以下為結(jié)晶程度較好的太古代變質(zhì)巖， 速度通常約為6.0 km/s， 因地區(qū)不同稍有不同(段永紅等， 2003； 曹令敏， 賴曉玲， 2012)． 王夫運等(2008)認為可以通過蓋層與基底之間速度等值線的疏密變化來判斷結(jié)晶基底的深度， 蓋層速度等值線較密集而基底以下相對稀疏． 綜合以上觀點， 本文選取5.9 km/s的速度等值線作為結(jié)晶基底的參考深度．

有限差分走時層析成像方法在反演過程中采用了反投影算法， 無法給出模型參數(shù)的分辨率， 但可根據(jù)射線在地下介質(zhì)中的覆蓋程度來定性地評價反演的可信程度． 由射線分布(圖4c)可以看出： 100—300 km樁號段， 射線覆蓋深度達6—8 km， 但射線交叉程度不高， 對速度值的約束一般； 300—500 km樁號段， 射線覆蓋深度達4—6 km， 不同炮點之間的射線相互交叉多次， 反演速度值的可信度最高； 500—700 km樁號段， 射線覆蓋深度約為8 km， 射線雖有交叉， 但速度值的精度不及300—500 km樁號段．

夏河—靖邊剖面上地殼初至波反演結(jié)果可為更好地認識海原構造區(qū)及其周緣地區(qū)的上地殼結(jié)構提供參考． 海原震區(qū)上地殼局部地區(qū)發(fā)生的擠壓褶皺、 隆升變形、 破碎及一系列弧形斷裂帶的發(fā)育， 均與青藏高原NE向的持續(xù)擠壓運動及剛性的鄂爾多斯塊體阻擋有關．

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Upper crustal structure of Haiyuan tectonic zone and its surrounding areas

Lin JiyanDuan Yonghong

(GeophysicalExplorationCenter，ChinaEarthquakeAdministration，Zhengzhou450002，China)

By using the eight-shots of deep seismic sounding records from the Xiahe (Gansu Province) to Jingbian (Shaanxi Province) section， we get the upper crustal structure and basement depth of Haiyuan tectonic zone and its surrounding areas， which is a 650 km long profile. The result shows that， Qinling-Qilianshan folding zone in the west of Haiyuan tectonic zone has an obviously lateral heterogeneity in upper crust， the basement depth ranges from 1 to 5 km， which reveals that the zone has been destructed and deformed strongly. Whereas on the east side of Haiyuan tectonic zone， the Ordos block exhibits a homogeneous and stable upper crust， which has a 5-6 km depth crystalline basement and a relative low velocity gradient. Moreover， the upper crust of Haiyuan tectonic zone and the Haiyuan arcuate fault zone are the most strongly destructed and deformed areas along the profile. Therefore， the distinct difference in upper crust structure between the east and west side of Haiyuan tectonic zone reveals the cause of structural complexity and its relation with seismic activities.

crustal structure; finite difference; northeast Tibetan Plateau; Ordos; Haiyuan fault

中國地震科學臺陣探測----南北地震帶北段項目(201308011)、 中國地震局地震科技星火計劃項目(XH14066Y)和中國地震局地球物理勘探中心青年優(yōu)秀科技人才項目(SFGEC2014008)聯(lián)合資助.

2015-08-27收到初稿， 2015-12-01決定采用修改稿.

e-mail: lin_jiyan@163.com

10.11939/jass.2016.02.003

P315.2

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