內(nèi)蒙古1979年五原6.0級(jí)和1996年包頭6.4級(jí)地震的震源區(qū)構(gòu)造

聞學(xué)澤

1)中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036

2)四川省地震局，成都 610041

0 引言

發(fā)震構(gòu)造或者震源區(qū)構(gòu)造屬于地震地質(zhì)研究的一個(gè)空間尺度較小、但更細(xì)致的方面。大陸淺源構(gòu)造地震通常孕育發(fā)生于地下10～30km，這是一個(gè)僅使用地質(zhì)、地貌、遙感等資料與方法的研究不可能涉及的深度，需要集成地質(zhì)調(diào)查、地震觀測(cè)、多種地球物理探測(cè)以及大地測(cè)量等多學(xué)科資料進(jìn)行深－淺構(gòu)造耦合的綜合研究。在這一方面，針對(duì)美國(guó)新馬德里歷史大震區(qū)以及洛杉磯盆地盲沖斷層區(qū)的發(fā)震構(gòu)造研究(Shaw et al.，1999;Mueller et al.，2001;Tavakoli et al.，2010)曾經(jīng)給出很好的范例。隨著活動(dòng)構(gòu)造詳查、較高分辨率的多手段深部構(gòu)造探測(cè)、數(shù)字地震觀測(cè)、空間大地測(cè)量資料的積累以及相關(guān)研究的日益增加，集成多學(xué)科信息、基于地震地質(zhì)的分析思路研究并揭示不同類型活動(dòng)構(gòu)造帶上特定段落的歷史和潛在強(qiáng)震/大地震震源區(qū)的構(gòu)造特征，是一項(xiàng)有重要意義及應(yīng)用前景的工作，不僅可為地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)和危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)提供更準(zhǔn)確、詳細(xì)的震源區(qū)構(gòu)造特征(De Martini et al.，2003;徐錫偉等，2008;Xu et al.，2009;Zhang et al.，2010;聞學(xué)澤等，2011，2013)，而且能為相關(guān)的地震構(gòu)造動(dòng)力學(xué)分析(Freed et al.，2001;Zhang et al.，2010)、地震構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)(馬瑾等，1996;馬勝利等，2003)、震源/破裂過程追蹤以及地震的物理預(yù)測(cè)/數(shù)值預(yù)測(cè)探索等提供更加具體的發(fā)震構(gòu)造信息。

研究震源區(qū)構(gòu)造的捷徑應(yīng)從揭示歷史和現(xiàn)今強(qiáng)震/大地震震源區(qū)的構(gòu)造特征開始。中國(guó)內(nèi)蒙古的河套斷陷帶是鄂爾多斯塊體與燕山塊體之間的活動(dòng)構(gòu)造邊界帶，也是華北西北部一條以拉張作用為主的大型地震構(gòu)造帶(鄧起東等，2002;張培震等，2003)，歷史上至少發(fā)生過2次大地震(聶宗笙等，2010，2013)，并已發(fā)現(xiàn)許多古地震證據(jù)(江娃利等，2001;楊曉平等，2002，2003;冉勇康等，2003;聶宗笙等，2011);20世紀(jì)以來已發(fā)生4次6.0～6.4級(jí)強(qiáng)震，其中，有現(xiàn)代地震臺(tái)網(wǎng)記錄(1970年)之前發(fā)生過1934年五原6級(jí)地震，1970年以來發(fā)生了1979年五原6.0級(jí)和1996年包頭6.4級(jí)地震(中國(guó)地震局震害防御司，1999)。對(duì)于最晚2次地震的發(fā)震構(gòu)造，已有相關(guān)研究和認(rèn)識(shí)(曹剛等，1990;薛丁等，2002;李建華，2005)，但隨著資料的增加，有可能初步開展涉及地震成核深度的震源區(qū)構(gòu)造研究。

本文的目的是針對(duì)1979年五原6.0級(jí)地震和1996年包頭6.4級(jí)地震發(fā)震構(gòu)造，在分析與評(píng)述已有研究及認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，提出相關(guān)問題;然后集成活動(dòng)構(gòu)造、石油物探、地震分布、烈度分布以及震源機(jī)制解等信息進(jìn)行分析，初步揭示這2次地震震源區(qū)及其附近的深－淺構(gòu)造耦合特征，進(jìn)而對(duì)相應(yīng)的發(fā)震構(gòu)造進(jìn)行再認(rèn)識(shí)。

1 1979年五原6.0級(jí)地震的發(fā)震構(gòu)造

1.1 已有研究的認(rèn)識(shí)與問題

1979年8月25日內(nèi)蒙古五原6.0級(jí)地震的震區(qū)位于河套斷陷帶西段的臨河斷陷北緣附近(圖1)，已有的發(fā)震構(gòu)造研究主要獲得2種認(rèn)識(shí):1)根據(jù)衛(wèi)星影像判讀，推斷發(fā)震構(gòu)造是影像上有顯示的NE向海子堰斷裂，理由是該斷裂與極震區(qū)(Ⅶ度區(qū))的長(zhǎng)軸展布一致(李建華，2005)。2)在《中國(guó)震例》(1976—1980)的相關(guān)總結(jié)中，推斷發(fā)震構(gòu)造是五原縣城西側(cè)、通過余震區(qū)的一條近SN向的次級(jí)斷裂，理由是主震震源機(jī)制解的節(jié)面I(走向177°)與余震區(qū)及Ⅵ度烈度區(qū)的展布相一致(曹剛等，1990)。

對(duì)于第1種認(rèn)識(shí)，本研究注意到在五原地震震區(qū)的西南側(cè)、橫跨臨河斷陷的82－172號(hào)物探剖面的相應(yīng)位置附近(色爾騰山山前斷裂帶與五原斷裂之間)并不存在顯著的斷裂構(gòu)造(圖1，2)，說明已有地質(zhì)與石油物探的資料并不支持僅依據(jù)衛(wèi)片線性影像推測(cè)的海子堰斷裂的存在。

對(duì)于上述第2種觀點(diǎn)的推斷，本文基于相關(guān)資料進(jìn)行如下的評(píng)述及再分析:

(1)由55個(gè)臺(tái)站P波初動(dòng)獲得的1979年五原6.0級(jí)地震的震源機(jī)制解，矛盾符號(hào)比達(dá)到20%(參見 http:∥data.earthquake.cn/data/zhenli/liuying/zhenli/html/zhenli037.htm 中的圖 10)，因此結(jié)果并不可靠。本研究從Harvard的CMT目錄得到這次地震的矩張量解，其顯示出正斷層作用的特點(diǎn)，但并不存在走向近SN向或NNW向的節(jié)面。CMT解的節(jié)面I走向111°，SSW傾角44°，滑動(dòng)角－65°;節(jié)面Ⅱ走向 259°，NNW 傾角 51°，滑動(dòng)角－112°(http:∥www.globalcmt.org/CMTsearch.html)(圖 1)。

(2)Ⅶ度和Ⅵ度烈度區(qū)的長(zhǎng)軸并非近SN向或NNW向，而是與色爾騰山山前主斷裂的展布(近EW向)基本一致，且這2級(jí)烈度區(qū)均位于山前主斷裂的上盤，向南的烈度衰減要緩慢得多;這種烈度分布特征并不支持通過震區(qū)的一條近SN向或NNW向次級(jí)斷裂是發(fā)震斷層的推斷(圖1)。

圖1 1979年內(nèi)蒙古五原6.0級(jí)和1996年包頭6.4級(jí)地震的震區(qū)構(gòu)造、烈度、余震與震源機(jī)制解Fig.1 Map of active tectonics of source regions of the M S 6.0 Wuyuan earthquake of 1979 and the M S 6.4 Baotou earthquake of 1996，Inner Mongolia，and seismic intensities，aftershocks and focal mechanism solutions of the two events.

(3)從表面上看，余震區(qū)的展布似乎是近SN向或NNW向的，但本文已圈出的密集余震區(qū)實(shí)際上位于山前主斷裂以南(上盤)、距主斷裂地表跡線5～18km的斷陷帶內(nèi)，大體呈一多邊形，在近EW方向上的長(zhǎng)度大約為16km(圖1的灰色小虛線框)。

1.2 發(fā)震構(gòu)造的再分析

圖2 橫跨1979年五原6.0級(jí)地震震源區(qū)及臨河斷陷的地震構(gòu)造剖面Fig.2 A seismic-tectonic profile across the source area of the M S 6.0 Wuyuan earthquake of 1979 and the Linhe graben.

由1.1小節(jié)可知，前人關(guān)于1979年五原6.0級(jí)地震發(fā)震構(gòu)造的分析與認(rèn)識(shí)存在一些問題。本研究進(jìn)一步集成該震區(qū)及其附近的地質(zhì)/活動(dòng)構(gòu)造和石油物探資料、余震與重新定位的背景小震深度分布等信息，編繪出通過五原地震震區(qū)并橫跨臨河斷陷的構(gòu)造橫剖面(圖2)。另外，鑒于該地震的P波初動(dòng)震源機(jī)制解(曹剛等，1990)的信度較低(矛盾符號(hào)比達(dá)到20%)，本文改用從全球CMT目錄中獲得的矩張量解①。在圖2中，地表至12km深度上各主要斷層的位置及其傾向與傾角，可由82－172號(hào)勘探剖面(地質(zhì)解釋)的投影進(jìn)行較好約束，而延伸更深的斷層，則由主震、余震和重新定位的背景小震的深度分布等信息，結(jié)合主震的CMT解進(jìn)行推斷。

將圖2配合圖1進(jìn)行分析，可揭示出橫跨五原地震震源區(qū)及臨河斷陷的地震構(gòu)造特征:色爾騰山山前主斷裂在剖面上呈現(xiàn)南傾、上陡下緩的大型鏟式正斷層，其緩傾的基底滑脫面(拆離帶)可能位于≥30km的深度;臨河斷陷內(nèi)部及南緣的五原斷裂、五原南斷裂以及烏拉山北緣斷裂(西延部分)等，應(yīng)屬于山前主斷裂上盤的反向正斷層。由圖2與圖1可進(jìn)一步分析五原6.0級(jí)地震的發(fā)震構(gòu)造如下:

(1)從圖2勘探剖面82－172(地質(zhì)解釋)的左端看到:在色爾騰山山前主斷裂和五原反向正斷層之間存在一個(gè)較明顯的斷層彎曲褶皺，說明這一部位是臨河斷陷帶的構(gòu)造形變相對(duì)集中區(qū)。剖面上，五原6.0級(jí)主震的震源很靠近山前主斷裂，且絕大部分余震(圖2的藍(lán)色震源點(diǎn))分布在山前主斷裂以及五原和五原南2條反向正斷層之間的楔形部位及其附近。這種余震相對(duì)密集分布的位置符合正斷層帶的構(gòu)造形變理論——主斷層運(yùn)動(dòng)會(huì)引起反向正斷層及斷層彎曲褶皺區(qū)域內(nèi)發(fā)生調(diào)節(jié)性運(yùn)動(dòng)(Suppe，1983;Xia et al.，1992)。

(2)密集余震區(qū)大體平行而且很靠近山前主斷裂(圖1的灰色小虛線框)，在近EW方向上長(zhǎng)約16km，符合6.0級(jí)左右正斷層型地震的破裂尺度(Wells et al.，1994)。

(3)主震震源機(jī)制CMT解的節(jié)面Ⅰ為正斷層錯(cuò)動(dòng)性質(zhì)，走向111°、傾SSW、傾角44°，與色爾騰山山前主斷裂很好吻合(圖1，2)。

(4)極震區(qū)(Ⅶ度區(qū))長(zhǎng)軸與色爾騰山山前主斷裂一致，且位于山前主斷裂的上盤(南盤);Ⅵ度區(qū)似乎在山前主斷裂的上盤和五原斷裂附近分別出現(xiàn)近EW向和NEE向2個(gè)長(zhǎng)軸，且相對(duì)于Ⅶ度區(qū)而言，Ⅵ度區(qū)的烈度衰減是南、北極不對(duì)稱的，向南的衰減要緩慢得多，反映了發(fā)震斷層應(yīng)是向南傾斜的色爾騰山山前主斷層(圖1)。

另外，本研究沒有將1979年五原地震的發(fā)震斷層歸為與色爾騰山山前主斷裂平行的次級(jí)斷裂，主要是考慮到:1)石油物探剖面上，在山前主斷裂與五原斷裂之間沒有別的顯著斷裂;2)五原斷裂傾向北，若考慮它為發(fā)震斷層，則與地震烈度的不對(duì)稱衰減方向特征相矛盾;3)主震的震源位置更靠近山前主斷面(圖1，2)。

綜上所述，本研究判斷近EW走向、朝南傾的色爾騰山山前主斷裂更可能是1979年五原6.0級(jí)地震的發(fā)震構(gòu)造。

2 1996年包頭6.4級(jí)地震的發(fā)震構(gòu)造

2.1已有研究的認(rèn)識(shí)與問題

1996年5月3日內(nèi)蒙古包頭6.4級(jí)地震的震中位于河套斷陷帶中段的一處相對(duì)隆升的山地——烏拉山凸起區(qū)內(nèi)，北側(cè)是由烏拉山北麓斷裂和色爾騰山山前斷裂東段夾持的次級(jí)斷陷——臨河斷陷的東端，南側(cè)則是以烏拉山山前斷裂為北界的白彥花次級(jí)斷陷的東端尾部(圖1)。關(guān)于包頭6.4級(jí)地震的發(fā)震構(gòu)造，目前有2種認(rèn)識(shí):

第1種觀點(diǎn)認(rèn)為NEE向?yàn)趵奖本墧嗔咽前l(fā)震構(gòu)造。主要依據(jù)有:1)烈度Ⅷ度區(qū)的主體位置及長(zhǎng)軸與烏拉山北緣斷裂接近或基本一致(圖1)(薛丁等，2002;李建華，2005;張建業(yè)等，2005);2)地震時(shí)在烏拉山北緣斷裂的下盤(烏拉山凸起區(qū))順著基巖巖脈發(fā)生裂縫，斷續(xù)延伸約5km，走向N70°E，與烏拉山北緣斷裂基本一致(薛丁等，2002;張建業(yè)等，2005);3)主震后頭4天的余震為NNE向分布，與主震P波初動(dòng)震源機(jī)制解的節(jié)面I(走向32°，NW傾角55°)基本一致，同時(shí)也接近于烏拉山北緣斷裂的走向(圖1)，由此判斷節(jié)面I代表這次地震的主破裂面(薛丁等，2002)。

第2種觀點(diǎn)認(rèn)為包頭6.4級(jí)地震破裂是NW向斷層的左旋－正斷型錯(cuò)動(dòng)的結(jié)果，主要依據(jù)是:余震區(qū)、Ⅶ度烈度區(qū)的長(zhǎng)軸均為NW向，與波形反演+P波初動(dòng)約束的震源機(jī)制解的節(jié)面Ⅱ(走向308°，NE傾角84°)大體相同(馬淑田等，1998)，或者與P波初動(dòng)震源機(jī)制解的節(jié)面Ⅱ(走向115°，SW傾角80°)基本一致(張晁軍等，1999)。然而，這種觀點(diǎn)沒有與具體的地質(zhì)斷層相聯(lián)系。

以上第1種觀點(diǎn)的主要問題有:1)烏拉山北緣斷裂走向NEE，長(zhǎng)約150km，是傾向NNW、傾角55°～65°的正斷層，也是臨河斷陷東段的南邊界(薛丁等，2002;冉勇康等，2003)。因此，如果它是發(fā)震斷裂，則重新定位的余震密集區(qū)、Ⅷ度烈度主體區(qū)的大部分都應(yīng)該位于該斷裂地表跡線附近及其以北。但實(shí)際情況是:余震密集區(qū)(圖1的紫色小虛線框)位于烏拉山山地的中偏南部，且更靠近烏拉山山前斷裂;同時(shí)，烈度Ⅷ度的主體區(qū)面積的多半(約)位于該斷裂地表跡線以南的烏拉山山地，而且，沿烏拉山山前斷裂還有2個(gè)小型的Ⅷ度(異常)區(qū)(圖1)。2)主震時(shí)產(chǎn)生明顯基巖裂縫、發(fā)生山崩地裂、房屋倒塌的地方主要位于烏拉山山地中(薛丁等，2002;張建業(yè)等，2005)，但那里屬于烏拉山北緣斷裂的下盤，并不位于正斷層形變最顯著的構(gòu)造部位——主斷裂上盤且靠近主斷裂(Suppe，1983;Xiao et al.，1992);何況主震發(fā)生時(shí)除了烏拉山山區(qū)外，在烏拉山山前斷裂帶附近也出現(xiàn)嚴(yán)重的基巖裂縫與滑坡，且有顯著的人員傷亡(薛丁等，2002)。3)由52個(gè)臺(tái)的P波初動(dòng)求得的主地震震源機(jī)制解，矛盾比僅為5.6%(薛丁等，2002)，信度較高;但該機(jī)制解的節(jié)面I(走向32°，傾向NW，傾角55°)與烏拉山北緣斷裂的走向相差較大。

以上反映前人在分析1996年包頭6.4級(jí)地震的發(fā)震構(gòu)造時(shí)，在結(jié)論性認(rèn)識(shí)與所使用的依據(jù)之間存在一些矛盾之處，同時(shí)僅以地表現(xiàn)象與資料為主。

2.2 發(fā)震構(gòu)造的再分析

本研究集成包頭6.4級(jí)地震震區(qū)及其附近的活動(dòng)構(gòu)造與石油物探資料以及重新定位的余震與背景小震深度分布等，并結(jié)合該地震的P波初動(dòng)解綜合分析，得到通過包頭地震震源區(qū)并橫跨烏拉山凸起與白彥華斷陷東端的地震構(gòu)造橫剖面(圖3)。

圖3 橫跨1996年包頭6.4級(jí)地震震源區(qū)的地震構(gòu)造剖面Fig.2 A seismic-tectonic profile across the source area of the M S 6.4 Baotou earthquake of 1996.

將圖3配合圖1進(jìn)行分析可看出:重新定位的、密集的余震震源深度排列已清楚揭示出包頭地震的發(fā)震斷層既不是烏拉山北緣斷裂，也不是烏拉山山前斷裂，而是一條位于烏拉山凸起之下、向南傾的隱伏斷層。這一無名的隱伏斷層在剖面上呈現(xiàn)鏟形，大體與其南側(cè)的烏拉山山前斷裂平行。余震深度的密集分布范圍指示出主震時(shí)沿該隱伏斷層可能在10～23km的深度發(fā)生了錯(cuò)動(dòng)。另外，該無名隱伏斷層的位置很好地對(duì)應(yīng)了包頭6.4級(jí)地震P波初動(dòng)震源機(jī)制解中的節(jié)面Ⅱ(走向115°，傾向SW，傾角80°)，顯示出這次地震是兼有左旋走滑分量的斜滑正斷層作用的結(jié)果(圖1，3)。

本研究將1996年包頭6.4級(jí)地震的發(fā)震構(gòu)造判定為烏拉山凸起之下一條走向NWW、傾向SSW的無名斜滑正斷層，不僅對(duì)應(yīng)了P波初動(dòng)震源機(jī)制解的節(jié)面Ⅱ，可以很好解釋密集余震區(qū)、Ⅶ度烈度區(qū)的展布位置與方向(圖1)，而且可以很好解釋地震時(shí)在烏拉山山地中以及烏拉山山前地帶產(chǎn)生的嚴(yán)重震害以及基巖裂縫等宏觀現(xiàn)象。惟一不能很好解釋的現(xiàn)象是:宏觀極震區(qū)(烈度Ⅷ度區(qū))主體的面積約有位于所判定發(fā)震斷層的北側(cè)(下盤)(圖1)。涉及后一問題的可能原因有:1)烏拉山北側(cè)斷陷(臨河斷陷東端)的松散堆積層可能加重了地震時(shí)的地面破壞;2)震后調(diào)查時(shí)在烏拉山山地內(nèi)的烈度調(diào)查點(diǎn)可能不足，使得圈劃的烈度分布存在問題;等等。

需要指出的是:在斷陷帶內(nèi)基巖隆起區(qū)(或凸起、地壘)之下存“隱伏正斷層”是現(xiàn)實(shí)的，也符合構(gòu)造地質(zhì)學(xué)相關(guān)原理。在Peacock等(2000)編寫的“Glossary of Normal Faults(正斷層術(shù)語)”一文中，用于直觀表示拉張斷陷帶典型構(gòu)造組合的插圖中，繪出了2處位于horst(地壘)之下的隱伏正斷層;當(dāng)然，其屬于斷陷帶內(nèi)的次級(jí)正斷層，規(guī)模上與活動(dòng)程度或累積位移也應(yīng)明顯次于斷陷帶的邊界型正斷層。另外，在油氣地質(zhì)勘探中，由于高分辨率地震反射探測(cè)技術(shù)應(yīng)用，已揭示出在一些拉張斷陷帶內(nèi)的相對(duì)凸起(或者盆內(nèi)小地壘)之下存在“隱伏正斷層”①http:∥www.offnews.info/verArticulo.php?contenidoID=7582，F(xiàn)igure 7。。

3 結(jié)論與討論

關(guān)于內(nèi)蒙古1979年8月25日五原6.0級(jí)地震和1996年5月3日包頭6.4級(jí)地震發(fā)震構(gòu)造問題，盡管已有相關(guān)研究與推斷，但考慮到若站在不同視角，根據(jù)相關(guān)資料進(jìn)行再分析，或許會(huì)得到更有說服力的結(jié)論。有鑒于此，本文在集成活動(dòng)構(gòu)造、石油物探、重新定位的地震分布、烈度分布以及震源機(jī)制解等信息的基礎(chǔ)上進(jìn)行了再分析，結(jié)果表明:

(1)1979年五原地震更可能是南傾的色爾騰山山前主斷層發(fā)生正斷層作用的結(jié)果，而1996年包頭地震更可能是烏拉山凸起之下的一條走向NWW、傾向SSW的無名隱伏斷層發(fā)生伴有左旋走滑分量的斜滑正斷層作用的結(jié)果。

(2)對(duì)這2次地震發(fā)震斷層的新認(rèn)識(shí)，能夠最大程度符合并解釋各自震源區(qū)的活動(dòng)構(gòu)造、余震分布、烈度分布、震源機(jī)制解以及地面宏觀破壞等現(xiàn)象。但不能完全解釋包頭地震的極震區(qū)有較大面積位于所判定發(fā)震斷層的北側(cè)(下盤)，可能涉及其他的未知原因。

(3)本文揭示的包頭地震的發(fā)震構(gòu)造，反映在大型活動(dòng)斷陷帶內(nèi)的相對(duì)凸起區(qū)之下，也可以存在具有強(qiáng)震發(fā)生能力的活動(dòng)正斷層。

(4)發(fā)震構(gòu)造判定是地震地質(zhì)研究的一個(gè)細(xì)致的方面，需要有多學(xué)科資料支持的深－淺構(gòu)造耦合分析。通過精定位的地震分布與震源機(jī)制解，結(jié)合地表構(gòu)造背景推斷地下的或隱伏的發(fā)震構(gòu)造，是國(guó)內(nèi)外地震構(gòu)造研究的重要手段之一，可以了解地表地質(zhì)資料難以涉及深度的震源構(gòu)造信息，同時(shí)可以彌補(bǔ)研究區(qū)物探資料的不足。當(dāng)然，既然是推斷，就難免存在一定程度的不確定性。就圖3使用的震源深度(由雙差法重新定位)以及震源機(jī)制解(A類精度)資料來看，所推斷的1996年包頭地震的隱伏發(fā)震斷層的位置與錯(cuò)動(dòng)方式應(yīng)是可信的。然而，受地震定位精度及物探剖面范圍及深度所限，對(duì)2次地震震源區(qū)深部構(gòu)造的推斷，準(zhǔn)確程度仍然有限。

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