摘要：依蘭—伊通斷裂帶是劃分我國(guó)中蒙和中朝2個(gè)活動(dòng)地塊的重要邊界斷裂，也是東北地區(qū)規(guī)模最大的斷裂系統(tǒng)，以往研究認(rèn)為該斷裂活動(dòng)較弱，但該斷裂舒蘭段在全新世有過(guò)強(qiáng)烈活動(dòng)。針對(duì)這一問(wèn)題，2021年在穿過(guò)依蘭—伊通斷裂帶舒蘭段位置布設(shè)了一條大地電磁剖面，對(duì)所獲取的14個(gè)寬頻測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了精細(xì)化處理和二維反演，獲得了斷裂帶及其兩側(cè)地塊的深部電性結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果表明：依蘭—伊通斷裂帶舒蘭段及其鄰近地區(qū)電性結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為東西橫向分塊的特點(diǎn)，其中主斷裂呈現(xiàn)延伸至中下地殼的中低阻條帶，強(qiáng)度較弱，其東西兩側(cè)為高阻，強(qiáng)度較強(qiáng)。結(jié)合中國(guó)大陸其他活動(dòng)斷裂區(qū)的大地電磁探測(cè)結(jié)果，推測(cè)依蘭—伊通斷裂帶舒蘭段的電性結(jié)構(gòu)分布特點(diǎn)有利于斷層活動(dòng)和形變累積，未來(lái)需要注意其地震孕育的風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：大地電磁；電性結(jié)構(gòu)；依蘭—伊通斷裂；舒蘭段

中圖分類(lèi)號(hào)：P315.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0666（2024）02-0245-08

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0018

0 引言

依蘭—伊通斷裂帶是劃分中蒙和中朝兩個(gè)活動(dòng)地塊的重要邊界斷裂，屬于廣義郯廬斷裂的北延部分（鄧起東等，2003）。該斷裂經(jīng)過(guò)地區(qū)人口密度較大、工業(yè)發(fā)達(dá)，是我國(guó)東三省最重要的經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)域，因此對(duì)于該斷裂及鄰近地區(qū)的地震風(fēng)險(xiǎn)性研究具有較重要的現(xiàn)實(shí)意義。

迄今為止，依蘭—伊通斷裂帶上所記錄到的最大地震為 1963年黑龍江省蘿北M_S5.8地震，因此，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為該斷裂不具有強(qiáng)活動(dòng)性，不具備強(qiáng)震構(gòu)造背景，其抗震設(shè)防水準(zhǔn)和參數(shù)較低，僅Ⅵ度設(shè)防。進(jìn)入21世紀(jì)，荊鳳等（2006）利用遙感數(shù)據(jù)結(jié)合DEM數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)依蘭—伊通斷裂帶除發(fā)生垂直升降運(yùn)動(dòng)外還發(fā)生過(guò)強(qiáng)烈的側(cè)向擠壓；閔偉等（2011）基于高分辨率衛(wèi)星影像解譯和探槽古地震研究，首次在吉林省境內(nèi)舒蘭段發(fā)現(xiàn)該斷裂斷錯(cuò)的最新地層年齡距今約1 780 a，地表破裂長(zhǎng)度逾10 km，相當(dāng)于發(fā)生了一次M≥7地震。這些研究成果表明：依蘭—伊通斷裂帶的部分段落在全新世有過(guò)強(qiáng)烈活動(dòng)，該結(jié)果改變了人們對(duì)該斷裂“不活動(dòng)或弱活動(dòng)”的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，引起了國(guó)內(nèi)外同行的高度關(guān)注。此后，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者圍繞依蘭—伊通斷裂帶的活動(dòng)構(gòu)造與地震地質(zhì)工作開(kāi)展了更為深入的調(diào)查研究（Min et al，2013；疏鵬等，2014；Zhu et al，2015；余中元等，2016；Gu et al，2016，2017；Yu et al，2017，2018），發(fā)現(xiàn)該斷裂帶的大部分段落在晚第四紀(jì)以來(lái)構(gòu)造變形強(qiáng)烈，地表斷續(xù)發(fā)育且保存有明顯的破裂遺跡和地貌變形特征，古地震活動(dòng)呈現(xiàn)出明顯的叢集特征。以舒蘭段為例，在晚第四紀(jì)期間發(fā)生過(guò)多次強(qiáng)烈古地震事件（M≥7），具備強(qiáng)震的孕震能力和構(gòu)造背景，且呈現(xiàn)出明顯的分段活動(dòng)特征。

目前在依蘭—伊通斷裂帶的研究主要為高分辨率衛(wèi)星影像解譯、斷錯(cuò)微地貌測(cè)量和測(cè)年以及開(kāi)挖古地震探槽等方面，尚缺少有關(guān)斷裂深部精細(xì)結(jié)構(gòu)方面的研究工作。該斷裂由于長(zhǎng)期受植被影響，伊通地區(qū)地質(zhì)體出頭較少，給野外地質(zhì)調(diào)查帶來(lái)了諸多困難。而大地電磁法所獲巖石圈尺度的電性結(jié)構(gòu)信息能夠?yàn)榈貕K單元的劃分提供依據(jù)，是探測(cè)斷裂帶深部延展特點(diǎn)的一種重要深部地球物理方法（Zhao et al，2012；Cai et al，2017；詹艷等，2021）。鑒于此，2021年，我們穿過(guò)依蘭—伊通斷裂帶舒蘭段布設(shè)了一條長(zhǎng)約70 km的高密度、寬頻帶大地電磁剖面，并對(duì)剖面所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行了精細(xì)化處理和二維反演，獲得了該斷裂及其兩側(cè)地塊的深部電性結(jié)構(gòu)特征。

1 野外觀測(cè)與資料處理

1.1 方法介紹

大地電磁方法是利用大氣和電離層中產(chǎn)生的自然電磁信號(hào)測(cè)量地下電阻率結(jié)構(gòu)的一種地球物理方法。大地電磁測(cè)深數(shù)據(jù)由在地球表面測(cè)量所得的電場(chǎng)和磁場(chǎng)組成，與頻率相關(guān)的復(fù)值阻抗張量相關(guān)，由此可確定視電阻率和阻抗相位。由于大地電磁觀測(cè)響應(yīng)包含的周期范圍很廣，高頻數(shù)據(jù)對(duì)淺部構(gòu)造敏感，長(zhǎng)周期數(shù)據(jù)對(duì)深部構(gòu)造敏感（陳樂(lè)壽，王光鍔，1990），因此該技術(shù)可以用于不同空間尺度下的成像地下結(jié)構(gòu)——從地表到上地幔，目前均已獲得了廣泛應(yīng)用（Zhao et al，2012；Cai et al，2017；趙凌強(qiáng)等，2019，2020，2022a，b；詹艷等，2021；操聰?shù)龋?022）。

1.2 大地電磁剖面和數(shù)據(jù)采集

依蘭—伊通斷裂帶是東北地區(qū)規(guī)模最大的斷裂系統(tǒng)，在東北地區(qū)長(zhǎng)度延伸接近1 000 km，斷裂整體上呈NE向展布，該斷裂自西南向北東分布有沈陽(yáng)、四平、鐵嶺、伊通、長(zhǎng)春、舒蘭、哈爾濱、延壽、方正、依蘭、湯原、佳木斯、鶴崗、蘿北等主要城鎮(zhèn)（圖1a）。

為研究該斷裂帶及其兩側(cè)的深部電性結(jié)構(gòu)特征，我們穿過(guò)依蘭—伊通斷裂帶舒蘭段布設(shè)了一條大地電磁剖面，西北起始于斷裂西側(cè)的松遼盆地地塊，向南東方向進(jìn)入那單哈達(dá)嶺地體，剖面長(zhǎng)約70 km，共布設(shè)14個(gè)測(cè)點(diǎn)（圖1b）。2021年7—8月，我們開(kāi)展了野外數(shù)據(jù)采集工作，共耗時(shí)15 d，使用2臺(tái)加拿大鳳凰公司的MTU-5A設(shè)備同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集（頻帶范圍320～0.000 5 Hz）。

由于依蘭—伊通斷裂帶舒蘭段主斷裂附近是本文研究的重點(diǎn)地區(qū)，所以主斷裂附近的測(cè)點(diǎn)間距加密至2～3 km，主要用于獲得主斷裂區(qū)精細(xì)電性結(jié)構(gòu)信息。斷裂外圍松遼盆地地塊和那單哈達(dá)嶺地體由于構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，測(cè)點(diǎn)間距加大至5～8 km，主要用于獲得大尺度區(qū)域電性構(gòu)造信息。圖2給出了研究區(qū)14個(gè)測(cè)點(diǎn)的視電阻率和相位曲線，同時(shí)標(biāo)注了依蘭—伊通斷裂帶的位置，由圖可見(jiàn)，該斷裂帶東西兩側(cè)電性存在明顯差異。

1.3 區(qū)域電性走向

相位張量分解技術(shù)可以獲得大地電磁剖面的電性走向信息、維性信息以及地下電性結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)。本文使用陳小斌等（2004）開(kāi)發(fā)的MTP軟件中的相位張量分解方法計(jì)算統(tǒng)計(jì)了此次大地電磁剖面全部14個(gè)測(cè)點(diǎn)全頻段和分頻段的電性走向玫瑰花瓣圖（圖3a）。電性走向玫瑰花瓣圖（320～0.001 Hz）表明沿剖面全部測(cè)點(diǎn)全頻段電性走向?yàn)楸逼珫|45°或者北偏西45°，結(jié)合圖1中所示的該區(qū)依蘭—伊通斷裂帶舒蘭段呈現(xiàn)出NE走向的構(gòu)造特點(diǎn)，我們認(rèn)為研究區(qū)電性走向整體上為北偏東45°，為下一步的二維反演計(jì)算提供了數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)的依據(jù)。

1.4 維性特征分析

每個(gè)相位張量橢圓對(duì)應(yīng)二維偏離度角β，考慮到吉林地區(qū)的干擾情況相對(duì)較小，結(jié)合以往的研究結(jié)果（Caldwell et al，2004；Bibby，et al，2005；Cai et al，2017），確定β＜6時(shí)，地下介質(zhì)可近似為二維情況；β＞6時(shí)，地下介質(zhì)可視為三維情況，β越大表明MT 數(shù)據(jù)的三維性越強(qiáng)。圖3b給出了沿剖面β隨距離分布圖，從圖中可見(jiàn)，研究區(qū)整體上β相對(duì)較小，大部分都小于6，說(shuō)明研究區(qū)符合二維假設(shè)條件。分地塊來(lái)看，研究區(qū)西側(cè)的松遼盆地中高頻部分β最小，數(shù)值接近于0并一直延伸至依蘭—伊通斷裂穿過(guò)區(qū)域，表明該區(qū)域淺部近似為一維或者二維層狀結(jié)構(gòu)，推測(cè)這可能是由于松遼盆地淺表的新生代沉積層較厚所致，與野外實(shí)際數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的觀測(cè)結(jié)果較為類(lèi)似。松遼盆地低頻部分β相對(duì)較大，部分測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了超過(guò)6的情況，說(shuō)明該地區(qū)中深部構(gòu)造可能相對(duì)復(fù)雜。研究區(qū)東側(cè)的那單哈達(dá)嶺地體相對(duì)于松遼盆地，β相對(duì)均一，整體上相對(duì)較小，表明該地體自淺部至深部構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單。

使用相位張量分解技術(shù)獲得的每個(gè)測(cè)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)不變量φ₂隨周期的分布特征指示該測(cè)點(diǎn)地下視電阻率值隨頻率的變化規(guī)律，由于頻率與深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)際上是大地電阻率隨深度的變化關(guān)系，所以當(dāng)φ₂＜45°時(shí)，該測(cè)點(diǎn)下方的電阻率隨深度的增加而增加，當(dāng)φ₂＞45°時(shí)，該測(cè)點(diǎn)下方電阻率隨深度的增加而降低（Heise et al，2008）。圖2c給出了沿剖面14個(gè)點(diǎn)的相位不變量φ₂隨距離的分布。由圖可見(jiàn)，沿剖面各地塊的電性變化趨勢(shì)互相不一致，與β分布較為相似，松遼盆地中高頻呈現(xiàn)出高相位的特點(diǎn)，表明該地區(qū)淺部可能以低阻體為主，這也與該地區(qū)較厚的新生代沉積層相對(duì)應(yīng)。研究區(qū)最顯著的特點(diǎn)是沿整條剖面，低頻部分均以高相位為主，在剖面中段這種高相位更為明顯，這表明研究區(qū)中段的深部可能存在著明顯的低阻結(jié)構(gòu)。

2 二維反演

在對(duì)剖面上所有數(shù)據(jù)進(jìn)行張量分解定性分析之后，需要對(duì)剖面上所有數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算。在分析二維偏離度角|β|時(shí)認(rèn)為沿剖面符合二維假設(shè)條件，所以我們將對(duì)整條剖面進(jìn)行二維反演計(jì)算。本文確定的沿剖面的電性?xún)?yōu)勢(shì)走向方向?yàn)楸逼珫|45°，二維反演計(jì)算時(shí)將該剖面所有的測(cè)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)至優(yōu)勢(shì)走向方向，獲得了TE和TM模式的數(shù)據(jù)，將這2類(lèi)數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)。在計(jì)算前，需要?jiǎng)h除游離的飛點(diǎn)，還需要進(jìn)行一維擬合分析，刪除無(wú)法一維擬合的部分頻點(diǎn)。

結(jié)合蔡軍濤和陳小斌（2010）關(guān)于二維反演結(jié)果的研究，認(rèn)為T(mén)M模式的視電阻率和相位數(shù)據(jù)更能代表真實(shí)的地下結(jié)果。所以在二維反演計(jì)算中，通過(guò)使用不同的門(mén)檻誤差方式來(lái)調(diào)節(jié)不同的數(shù)據(jù)權(quán)重，盡可能地使用TM模式數(shù)據(jù)。在實(shí)際操作中，將TM和TE模式數(shù)據(jù)的門(mén)檻誤差分別設(shè)置為2%和5%。本文使用非線性共軛梯度法（NLCG）的算法程序進(jìn)行二維反演計(jì)算，結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際電阻率值分布特點(diǎn)，確定初始模型為100 Ω·m電阻率的均勻半空間。在二維反演計(jì)算中，通過(guò)使用不同的正則化因子（Tau）進(jìn)行多次反演計(jì)算并進(jìn)行對(duì)比分析，最后選用Tau=10的反演結(jié)果作為最終解釋結(jié)果，總迭代次數(shù)共72次。圖4中兩種極化模式實(shí)測(cè)和響應(yīng)對(duì)比顯示，本次反演計(jì)算擬合情況較好，表明反演結(jié)果較為理想，能夠較好地反映地下實(shí)際的介質(zhì)分布特征。

3 分析與討論

沿剖面60 km深度的二維電性結(jié)構(gòu)圖像和解譯如圖5所示，圖中標(biāo)注了依蘭—伊通斷裂帶舒蘭段的實(shí)際位置及其在地下可能的分布情況。

如圖5所示，整體上看，研究區(qū)表現(xiàn)出明顯的東西橫向分塊的特點(diǎn)，在電性差異最大的區(qū)域正好對(duì)應(yīng)著依蘭—伊通斷裂的穿過(guò)位置，其中松遼盆地和那單哈達(dá)嶺地體以高阻體為主，依蘭—伊通斷裂帶穿過(guò)位置以中低阻結(jié)構(gòu)為主，將其分別標(biāo)注為R1，R2和C。其中松遼盆地淺部存在著約1～2 km深的低阻層，呈明顯的層狀分布，向東延伸至依蘭—伊通斷裂帶附近截止。結(jié)合野外實(shí)際觀測(cè)，我們推測(cè)這些低阻層是新生代沉積層較厚所致，與二維偏離度角β顯示的該區(qū)域淺表為一維或者二維層狀結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。研究區(qū)東側(cè)的那單哈達(dá)嶺地塊淺部存在類(lèi)似的高阻層，與該地區(qū)基巖出露的現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)。松遼盆地淺層低阻之下存在著延伸超過(guò)40 km的高阻基地（R1），該深度可能超過(guò)了莫霍面，這表明松遼盆地下方構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定。研究區(qū)東側(cè)的那單哈達(dá)嶺地塊自淺表至中下地殼也表現(xiàn)為較為完整的高阻體，且呈現(xiàn)出西淺東深的鏟向高阻體特點(diǎn)。高阻層之下以中低阻結(jié)構(gòu)為主，該中低阻結(jié)構(gòu)延伸至依蘭—伊通斷裂下方，并向上延伸至5 km深度。

如上所述，松遼盆地和那單哈達(dá)嶺地塊的電性構(gòu)造特征差異較大，顯示出這兩個(gè)地塊可能分屬不同的構(gòu)造單元，圖5中顯示的分布特征也表明依蘭—伊通斷裂帶舒蘭段是一條切割地殼尺度的深大斷裂。為了確定該斷裂段的具體位置，我們?cè)谠搮^(qū)域進(jìn)行了加密觀測(cè)，確定出該斷裂段的準(zhǔn)確位置位于SLL1-08A測(cè)點(diǎn)附近，這與地震地質(zhì)調(diào)查認(rèn)為的斷裂可能穿過(guò)區(qū)域相吻合（圖1）。該斷裂表現(xiàn)為寬度約為5 km的中低阻結(jié)構(gòu)，向下延伸至莫霍面，表明該斷裂可能貫穿了整個(gè)地殼尺度。依蘭—伊通斷裂帶舒蘭段整體特點(diǎn)為斷裂以較窄的中低阻結(jié)構(gòu)夾在東西兩側(cè)高阻體之中，高阻體更容易累積構(gòu)造應(yīng)力，中低阻結(jié)構(gòu)易于發(fā)生塑性變形，呈現(xiàn)出極為不穩(wěn)定的構(gòu)造特點(diǎn)。結(jié)合中國(guó)大陸其他容易發(fā)生大地震的活動(dòng)斷裂區(qū)的大地電磁探測(cè)結(jié)果（Zhao et al，2012；Cai et al，2017；趙凌強(qiáng)等，2019，2020，2022a，b；詹艷等，2021；操聰?shù)龋?022），推測(cè)依蘭—伊通斷裂帶舒蘭段主斷裂這種分布特點(diǎn)不但有利于應(yīng)力累積，還可能在長(zhǎng)期的摩擦鎖定期內(nèi)，進(jìn)一步促進(jìn)地震的發(fā)生。

4 結(jié)論

本文對(duì)一條在穿過(guò)依蘭—伊通斷裂帶舒蘭段的大地電磁剖面上獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了精細(xì)化處理和二維反演，獲得了該斷裂帶及其兩側(cè)地塊的深部電性結(jié)構(gòu)特征，得出以下主要結(jié)論：

（1）電性結(jié)構(gòu)模型顯示，大致以依蘭—伊通斷裂帶為分界，斷裂帶兩側(cè)的松遼盆地和那單哈達(dá)嶺地塊表現(xiàn)為兩種不同的電性結(jié)構(gòu)特征：斷裂西側(cè)的松遼盆地淺部電性表現(xiàn)為低阻，層狀分布明顯，中下部電性表現(xiàn)為高阻體；東側(cè)的那單哈達(dá)嶺地塊表現(xiàn)為自西向東由淺至深的鏟狀高阻體，這種電性結(jié)構(gòu)特征可能指示這兩個(gè)地塊分屬不同的構(gòu)造單元。

（2）依蘭—伊通斷裂帶舒蘭段為向下延伸至莫霍面的低阻結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出高低阻梯度帶的特征，強(qiáng)度較大易于應(yīng)力積累，發(fā)生運(yùn)動(dòng)變形。結(jié)合中國(guó)大陸其他活動(dòng)斷裂區(qū)的大地電磁探測(cè)結(jié)果，未來(lái)需要注意其地震孕育的風(fēng)險(xiǎn)。

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Study on Deep Electrical Structure Characteristics of the Shulan Section

of the Yilan-Yitong Fault Zone

CAO Cong^1，2，ZHAO Lingqiang²，QI Yanfu¹，LU Hong Bin²，ZHENG Yong²，YANG Xiong²

（1.School of Geological Engineering and Geomatics，Chang’an Univesity，Xi’an 710054，Shaanxi，China）

（2.The Second Monitoring and Application Center，China Earthquake Administration，Xi’an 710043，Shaanxi，China）

Abstract

The Yilan-Yitong fault zone is an important boundary of the China-Mongolia active block and the China-Korea active block，and it is the largest fault system in Northeast China.The latest research results show that the Shulan segment of the Yilan-Yitong fault zone was intensively active in the Holocene，which challenges the previous conclusion that the fault activity in the Holocene was weak.In this paper，a broadband magnetotelluric profile data obtained at 14 measuring sites across the Shulan section of the Yilan-Yitong fault zone have been refined and inversed in 2D space，and the characteristics of the deep electrical structure along the Shulan section of the Yilan-Yitong fault zone have been obtained.The characteristics of the deep electrical structure of the blocks on both sides of the Shulan section have been obtained too.The results show that the electrical structure of the Shulan section and its adjacent areas is characterized by East-West lateral blocking；the main fault of the Shulan section is embeded in the unstable medium-low-resistivity bands extending to the middle-lower-crust，on east side and west side of the Shulan section there exist the high-resistivity bodies.Referring to the magnetotelluric detection results of other active-fault areas in Chinese Mainland，we speculate that the electrical structure feature of the Shulan section is conductive to stress accumulation and faulting.There exists earthquake risk in this area in the future.

Keywords：magnetotellurics；electrical structure；the Yilan-Yitong fault zone；the Shulan section