2015阿拉善左旗Ms5.8地震區(qū)布格重力異常及歸一化總梯度的構(gòu)造意義

吳桂桔 申重陽(yáng) 談紅波 楊光亮

1 中國(guó)地震局地震研究所（地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071

據(jù)中國(guó)地震信息網(wǎng)報(bào)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(zhǎng)軸方向與磴口－本井?dāng)嗔岩恢?，說(shuō)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(dòng)強(qiáng)烈，雖遠(yuǎn)離青藏高原，但高原隆升效應(yīng)通過(guò)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?chē)鄬?duì)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(cè)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(shí)針旋轉(zhuǎn)的水平運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)［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(jì)80年代中國(guó)石油單位通過(guò)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(duì)銀川盆地中北部作了比較詳細(xì)的探測(cè)，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(pán)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(guò)多層次綜合探測(cè)研究銀川及其周邊隱伏活動(dòng)斷層特征；2009年方盛明等［7－8］通過(guò)分析一條68.9km 跨銀川斷陷盆地的高分辨率地震反射探測(cè)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(gè)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(yuǎn)－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(cè)深以及大地電測(cè)探測(cè)手段，重點(diǎn)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(duì)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?、和屯－本井?dāng)嗔训难芯可跎伲貏e是有關(guān)重力的研究成果少見(jiàn)。

2013年，中國(guó)地震局行業(yè)專(zhuān)項(xiàng)“中國(guó)地震科學(xué)臺(tái)陣探測(cè)”在該地震區(qū)附近實(shí)施了蘇海圖－平羅－鄂托克旗重力剖面測(cè)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(guò)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(yùn)動(dòng)與阿拉善地塊及鄂爾多斯地塊的相互運(yùn)動(dòng)有關(guān)，新生代以來(lái)華北應(yīng)力場(chǎng)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(yùn)動(dòng)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(shí)，它又位于中國(guó)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(qiáng)烈擠壓作用，形成陡變的地球物理場(chǎng)和強(qiáng)烈的地震活動(dòng)［15］。

研究區(qū)內(nèi)過(guò)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(jì)沉積物覆蓋嚴(yán)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?yàn)橹骷嬗斜蔽骰蚰蠔|弧形斷裂。該區(qū)地震活動(dòng)強(qiáng)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(zhēng)議，李孟鸞、郭建增等不少學(xué)者認(rèn)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(rèn)為賀蘭山東麓活動(dòng)斷裂為該8級(jí)地震的發(fā)震構(gòu)造［16－18］。目前對(duì)塊體邊界模糊不清或者模棱兩可的認(rèn)識(shí)，也使得人們對(duì)于塊體間的相互運(yùn)動(dòng)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(jí)斷裂現(xiàn)今的活動(dòng)差異性也無(wú)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(wàn)《中國(guó)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(zhǎng)期變形、演化形成的物質(zhì)整體分布狀態(tài)?？傮w來(lái)說(shuō)，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(guó)東部與西部之間具備明顯地質(zhì)構(gòu)造差異的過(guò)渡帶，反映了由于受青藏塊體隆升和向四周擴(kuò)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(xiàn)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(jí)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(shí)測(cè)剖面重力異常

蘇海圖－平羅－鄂托克旗剖面的測(cè)量使用2臺(tái)相對(duì)重力儀（CG－5型）和2臺(tái)GPS接收機(jī)準(zhǔn)同步同址觀測(cè)，按國(guó)家有關(guān)規(guī)范開(kāi)展相對(duì)重力聯(lián)測(cè)和高精度位置三維測(cè)定，并與銀川絕對(duì)重力站聯(lián)測(cè)。圖2中藍(lán)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)嗔选㈨憧冢揪當(dāng)嗔?、正誼關(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(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量剖面長(zhǎng)約258km。對(duì)野外觀測(cè)重力數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和絕對(duì)控制下的平差計(jì)算，得到各測(cè)點(diǎn)重力值（點(diǎn)值平均精度約為13.3 μGal）。同時(shí)，用GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)解算各測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)（即經(jīng)度、緯度和高程），其水平精度在0.15m 以?xún)?nèi)，高程精度在0.2 m 以?xún)?nèi)。然后，按國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范，對(duì)各測(cè)點(diǎn)重力值進(jìn)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(cè)點(diǎn)布格重力異常（圖3）。

圖3 剖面布格重力異常以及對(duì)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(xiàn)為實(shí)測(cè)布格重力異常，紅色虛線(xiàn)為測(cè)點(diǎn)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(shì)與剖面重力布格異常趨勢(shì)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(shì)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(kāi)采較為嚴(yán)重，因此認(rèn)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(cè)量的重力異常來(lái)確定場(chǎng)源、斷裂位置及密度界面的方法。該方法的出發(fā)點(diǎn)在于利用剩余質(zhì)量的引力位及其導(dǎo)數(shù)在場(chǎng)源體以外空間都是解析函數(shù)，而在場(chǎng)源處則為失去解析性（及函數(shù)的奇點(diǎn)），通過(guò)對(duì)異常的解析延拓來(lái)確定函數(shù)的奇點(diǎn)問(wèn)題即確定場(chǎng)源。歸一化總梯度的基本表達(dá)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(gè)測(cè)點(diǎn)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(gè)無(wú)量綱的比值，在xoz面內(nèi)，按一定深度間隔求各點(diǎn)的GH（x，z），最后繪出GH（x，z）的等值線(xiàn)圖。

將剖面布格重力異常按點(diǎn)距1km 進(jìn)行線(xiàn)性?xún)?nèi)插，剖面有限級(jí)數(shù)展開(kāi)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(diǎn)至200km 之間存在7個(gè)GH值高低轉(zhuǎn)換帶，約位于30、50、70、100、140、160、180km 處，即圖4中對(duì)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(xiàn)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(duì)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?yàn)闁|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(gè)GH相對(duì)較高值區(qū)域，該地區(qū)附近煤礦豐富，且開(kāi)采較為嚴(yán)重，推斷該區(qū)域?yàn)槊旱V過(guò)度開(kāi)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(yǔ)

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(dòng)力環(huán)境變化和地震孕育發(fā)生的一種指示，構(gòu)造變動(dòng)過(guò)程中快速形成的高梯度變形帶亦是判定較強(qiáng)地震孕育發(fā)生地點(diǎn)的一個(gè)標(biāo)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(xiàn)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(jiàn)，鄰近磴口－本井?dāng)嗔褞В‵3）存在一個(gè)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(shuō)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)。

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