鄂爾多斯周緣地殼應(yīng)力場(chǎng)研究

鄧山泉，盛書中

（1.防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，北京 100049）

0 引言

鄂爾多斯盆地，北起陰山、大青山，南抵秦嶺，西至賀蘭山、六盤山，東達(dá)呂梁山、太行山，是中國(guó)第二大沉積盆地。鄂爾多斯盆地是地質(zhì)學(xué)上的名稱，也稱陜甘寧盆地，行政區(qū)域橫跨陜、甘、寧、蒙、晉5 ?。▍^(qū)）。鄂爾多斯塊體在中生代時(shí)期是一個(gè)大型坳陷盆地，新生代以來逐漸抬升［1］。

鄂爾多斯塊體四周被斷裂和斷陷盆地帶所圍限［2］（圖1），鄂爾多斯北緣為河套活動(dòng)斷陷帶，是鄂爾多斯周緣規(guī)模最大的斷陷帶，構(gòu)造活動(dòng)比較強(qiáng)烈，經(jīng)漸新世、新近紀(jì)和第四紀(jì)左旋剪切拉張作用形成。鄂爾多斯南緣為渭河斷陷帶，主要包含華山山前斷裂帶、驪山山前斷裂帶和秦嶺北麓斷裂帶三大斷裂帶［3］。鄂爾多斯東緣為山西斷陷盆地帶，它是在中生代左旋壓扭性構(gòu)造帶的基礎(chǔ)上，經(jīng)上新世以來右旋拉張剪切作用形成的斷陷盆地帶。鄂爾多斯西緣中生代印支和燕山運(yùn)動(dòng)形成的沖斷帶（臺(tái)褶帶），其推覆體系為小松山和賀蘭山兩大沖斷帶，新生代與銀川古背斜軸部拉張斷陷，在賀蘭山東麓斷裂和黃河斷裂控制下形成銀川斷陷盆地［1］。

鄂爾多斯地塊在板內(nèi)動(dòng)力學(xué)和地震構(gòu)造學(xué)的研究中具有其獨(dú)特的地位。該塊體周緣為張性斷裂所限，內(nèi)部是一個(gè)相當(dāng)完整的塊體，基本上沒有第四紀(jì)活斷層，強(qiáng)震活動(dòng)也相當(dāng)罕見，地震活動(dòng)幾乎都分布在它的周緣（圖1和圖3）。

許多研究人員的研究工作對(duì)鄂爾多斯地塊周緣地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)都有所涉及，并且取得了一些重要成果［4－10］，但是有一些研究?jī)H針對(duì)該區(qū)域的局部地區(qū)［4－8］，或者采用小震綜合節(jié)面解研究了鄂爾多斯地塊周圍的地殼應(yīng)力場(chǎng)［9］。本研究在搜集先前的震源機(jī)制解研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，應(yīng)用萬永革［11］給出的最新精細(xì)網(wǎng)格（1°×1°×1°網(wǎng)格）搜索應(yīng)力反演方法，整體上探討鄂爾多斯周邊地殼應(yīng)力場(chǎng)特點(diǎn)，為該區(qū)域地球動(dòng)力學(xué)、地震孕育力學(xué)等研究提供基礎(chǔ)資料。

1 鄂爾多斯周緣震源機(jī)制解資料

為了保證資料的準(zhǔn)確性和單一性，在整理分析數(shù)據(jù)時(shí)舍棄了下述資料：①參數(shù)信息不完整的地震震源機(jī)制解；②節(jié)面解和P、T 軸參數(shù)明顯不符的震源機(jī)制解；③2篇以上參考文獻(xiàn)中重復(fù)的震源機(jī)制解。

圖1 鄂爾多斯塊體及周緣地區(qū)構(gòu)造略圖［2］

根據(jù)以上震源機(jī)制解數(shù)據(jù)的舍棄原則，從文獻(xiàn)［4－5，9，12－19］中收集鄂爾多斯周緣的震源機(jī)制解資料。有許多關(guān)于該區(qū)域地震震源機(jī)制解的研究，由于部分研究中的震源機(jī)制解參數(shù)未在文中提供，造成數(shù)據(jù)資料無法使用。同時(shí)，我們也在全球地震矩心矩張量解（GCMT）網(wǎng)站上進(jìn)行了查找，僅收集到了自1962年12月7日至1993年6月26日共297個(gè)地震的震源機(jī)制解。

研究中所用的地震震源深度范圍為5≤h≤52 km，地震的震級(jí)范圍為級(jí)2.0≤MS≤6.4，具體震級(jí)分布情況見圖2。其中MS≤2.9級(jí)地震17次，占總數(shù)的15.7%；3.0≤MS≤3.9級(jí)地震140次，占總數(shù)的47.1%；4.0≤MS≤4.9 級(jí)地震109次，占總數(shù)的36.7%；5.0≤MS≤5.9級(jí)地震25次，占總數(shù)的8.4%；MS≥6.0級(jí)地震6次，占總數(shù)的2.0%。由于部分文獻(xiàn)［4－5，12－15，17，19］中地震震級(jí)為面波震級(jí)MS，部分文獻(xiàn)［9，16，18］中地震震級(jí)為近震震級(jí)ML，為了使所有地震的震級(jí)標(biāo)度在本研究保持一致，根據(jù)汪素云等［20］的研究可知，當(dāng)震源深度小于70km 時(shí)，地震的近震震級(jí)ML和其面波震級(jí)MS大體相等，故在圖3和圖4的繪制過程中將ML視為MS。

圖2 鄂爾多斯周緣地震震級(jí)分布圖

鄂爾多斯周緣地震震中分布如圖3所示。可見，鄂爾多斯西緣搜集到的震源機(jī)制解資料在研究時(shí)間段內(nèi)較多，大體上覆蓋了整個(gè)西緣地區(qū)。而北緣和東緣分布的地震則相對(duì)較少，南緣獲得的地震震源機(jī)制解資料最少。

圖3 鄂爾多斯周緣地震震中分布圖

2 地殼應(yīng)力場(chǎng)反演方法

震源機(jī)制解結(jié)果是研究地殼深部應(yīng)力場(chǎng)問題時(shí)最重要的資料。目前，根據(jù)震源機(jī)制解求解構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的方法和程序較多［21－23］。有的方法受到早期計(jì)算機(jī)性能的影響，在搜索時(shí)所用網(wǎng)格較大，影響計(jì)算結(jié)果的精度［19］；有的方法難于滿足精確求解應(yīng)力場(chǎng)的要求、或者無法考慮觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度或是沒有給出計(jì)算結(jié)果的誤差范圍［22－23］。為了更好地利用震源機(jī)制解資料求解應(yīng)力場(chǎng)，本文采用網(wǎng)格搜索程序求解應(yīng)力場(chǎng)方向和相對(duì)大?。↖SFM＿Ftest程序）［11］，使反演的應(yīng)力場(chǎng)精度有了較大提高，同時(shí)可以給出主應(yīng)力軸的走向、傾角的置信范圍。該程序所采用的計(jì)算準(zhǔn)則為滑動(dòng)方向與最大剪切應(yīng)力方向最為一致。該方法有以下3個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：①采用全局網(wǎng)格搜索法得到應(yīng)力場(chǎng)的最優(yōu)解，避免陷入局部極值；②可以考慮震源機(jī)制數(shù)據(jù)的不同權(quán)重；③可以查看解的穩(wěn)定性，在輸出最優(yōu)解的同時(shí)還會(huì)輸出擬合殘差較小的解。

3 鄂爾多斯周緣的分區(qū)情況

依據(jù)鄂爾多斯地塊周緣盆地構(gòu)造特征，兼顧盆地周緣斷裂帶分布，和受收集到的震源機(jī)制解資料數(shù)量和空間分布的限制，我們將鄂爾多斯地塊周緣劃分為6個(gè)研究區(qū)域，對(duì)應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分區(qū)研究，具體分區(qū)情況見圖4。

各個(gè)分區(qū)內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造情況：北區(qū)是河套斷陷帶，包含臨河盆地、白彥花盆地、呼和浩特盆地，南與西3區(qū)以磴口東西向基底隆起為界。東區(qū)是山西斷陷帶，包含大同盆地、忻定盆地、恒山隆起、太原盆地、臨汾盆地、運(yùn)城盆地。南區(qū)是渭河斷陷帶，以渭河盆地為主。地塊西部地區(qū)，西1區(qū)大體為鄂爾多斯塊體西南緣弧形斷裂帶；西2區(qū)包括銀川盆地、賀蘭山隆起；西3區(qū)以吉蘭泰盆地為主。各個(gè)研究區(qū)內(nèi)的地震數(shù)目、起止時(shí)間、震級(jí)范圍見表1。

圖4 鄂爾多斯周緣應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算分區(qū)示意圖

表1 各區(qū)地震數(shù)據(jù)資料統(tǒng)計(jì)表

從表1可以看出，在震源機(jī)制解覆蓋的時(shí)段內(nèi)，北區(qū)和西3區(qū)發(fā)生的地震均在3.0級(jí)以上，且6.0級(jí)以上地震在這2個(gè)區(qū)域均有分布，而南區(qū)沒有5.0級(jí)以上地震發(fā)生。

4 鄂爾多斯周緣各分區(qū)應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

利用震源機(jī)制求解構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的方法［11］，根據(jù)6個(gè)分區(qū)內(nèi)的震源機(jī)制解資料對(duì)各個(gè)小區(qū)內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了反演，得到6個(gè)分區(qū)內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果，計(jì)算結(jié)果見圖5；各分區(qū)計(jì)算結(jié)果的最優(yōu)節(jié)面解參數(shù)詳見表2；應(yīng)力主軸方位和傾角在90%置信度內(nèi)的變化范圍見表3。

圖5 各個(gè)分區(qū)內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果等面積投影圖

表2 各分區(qū)應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果表

表3 各應(yīng)力主軸參數(shù)90%置信度內(nèi)的變化范圍表

以下為根據(jù)表2、表3及圖5敘述和分析各分區(qū)的計(jì)算結(jié)果。

北區(qū)（圖5a）內(nèi)主壓應(yīng)力方向?yàn)镋NE－WSW 向，主張應(yīng)力方向?yàn)镹NW－SSE向。分區(qū)中包含NE 向主要構(gòu)造線。主壓應(yīng)力軸走向55.01°、傾角11.61°；中間應(yīng)力軸走向165.00°、傾角59.00°；主張應(yīng)力軸走向318.66°、傾角28.30°。

東區(qū)（圖5b）內(nèi)主壓應(yīng)力方向?yàn)镋NE－WSW 向，主張應(yīng)力方向?yàn)镹NW－SSE 向。主壓應(yīng)力軸走向54.16°、傾角48.13°；中間應(yīng)力軸走向270.00°、傾角36.00°；主張應(yīng)力軸走向165.99°、傾角18.43°。和北區(qū)相比，主壓應(yīng)力方向和主張應(yīng)力方向幾乎不變，主壓應(yīng)力軸傾角變大，而主張應(yīng)力軸傾角變小。該區(qū)域的主張應(yīng)力軸傾角較小且近水平，主壓應(yīng)力軸傾角最大，故應(yīng)力場(chǎng)類型表現(xiàn)為走滑拉張型，和山西地塹帶的右旋剪切拉張性質(zhì)相一致。

南區(qū)（圖5c）內(nèi)主張應(yīng)力方向?yàn)镹NE－SSW 向。與北區(qū)和東區(qū)比，主張應(yīng)力軸方向順時(shí)針偏轉(zhuǎn)。主壓應(yīng)力軸走向78.20°、傾角65.06°；中間應(yīng)力軸走向275.00°、傾角24.00°；主張應(yīng)力軸走向182.14°、傾角6.39°。表明該區(qū)斷裂是處于水平拉張作用下的活動(dòng)。

西1區(qū)（圖5d）具有ENE－WSW 向的水平主壓應(yīng)力軸，主張應(yīng)力方向?yàn)镹NW－SSE向。主壓應(yīng)力軸走向244.25°、傾角10.27°；中間應(yīng)力軸走向148.00°、傾角31.00°；主張應(yīng)力軸走向350.43°、傾角56.98°。主張應(yīng)力軸傾角變化范圍55.98°～59.98°，主張應(yīng)力軸傾角最大，反映了該區(qū)的強(qiáng)烈擠壓性質(zhì)，和先前研究認(rèn)為該區(qū)受到青藏高原北東向的擠壓作用相一致。

西2區(qū)（圖5e）內(nèi)主壓應(yīng)力方向?yàn)镹NE－SSW 向，主張應(yīng)力方向?yàn)閃NW－ESE 向。主壓應(yīng)力軸走向221.33°、傾角1.79°；中間應(yīng)力軸走向316.00°、傾角69.00°；主張應(yīng)力軸走向130.65°、傾角20.92°。反映該區(qū)域斷裂運(yùn)動(dòng)以走滑為主兼有一定的逆沖分量。

西3區(qū)（圖5f）內(nèi)主壓應(yīng)力方向?yàn)镹NE－SSW 向，主張應(yīng)力方向?yàn)閃NW－ESE 向。主壓應(yīng)力軸走向30.86°、傾角11.82°；中間應(yīng)力軸走向290.00°、傾角42.00°；主張應(yīng)力軸走向133.20°、傾角45.59°，反映該區(qū)域斷裂運(yùn)動(dòng)以逆沖為主兼有一定的走滑分量。

5 討論與結(jié)論

綜合鄂爾多斯周緣地區(qū)震源機(jī)制解數(shù)據(jù)，分區(qū)反演了該地區(qū)的平均應(yīng)力場(chǎng)。在研究區(qū)西緣和北緣的主壓應(yīng)力軸傾角均小于12°，北緣、東緣、南緣的主張應(yīng)力軸傾角均不超過30°，說明鄂爾多斯周緣是以水平作用力為主的應(yīng)力場(chǎng)。

鄂爾多斯東緣主壓應(yīng)力軸傾角較大，主張應(yīng)力軸傾角較小，該區(qū)是以NNW 向水平拉張作用為主的應(yīng)力場(chǎng)，這和劉巍等［5］利用小震綜合斷面解得到的山西地區(qū)平均應(yīng)力場(chǎng)研究結(jié)果一致。鄂爾多斯西緣地殼應(yīng)力場(chǎng)格局是NNW 或近NW 向拉張、NEE或近NE向擠壓，在李孟鑾等［13］得到的寧夏地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中也提到這一點(diǎn)。從表2可以看出，該區(qū)主壓應(yīng)力軸接近水平，和謝富仁等［6］利用斷層滑動(dòng)資料反演得到的海原、六盤山斷裂帶至銀川斷陷構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征相符合，證明了該區(qū)構(gòu)造作用的動(dòng)力主要來自塊體間的水平相互作用，主要受到印度板塊向北擠壓運(yùn)動(dòng)的影響。EW 兩側(cè)主壓應(yīng)力軸總體走向?yàn)镹NE向，相應(yīng)的斷裂帶表現(xiàn)為右旋剪切拉張性質(zhì)。

鄂爾多斯北緣受到NE－SW 方向的擠壓和NW－SE方向的拉張作用，主壓應(yīng)力軸和主張應(yīng)力軸都接近水平。鄂爾多斯南緣主壓應(yīng)力軸的傾角比主張應(yīng)力軸的傾角大，說明該區(qū)應(yīng)力場(chǎng)以NW 向的水平拉張為主要特點(diǎn)，渭河斷陷帶的活動(dòng)是處于水平拉張作用下的正斷層活動(dòng)。NS兩側(cè)斷陷帶總體走向?yàn)榻鼥|EW 向，表現(xiàn)為左旋剪切拉張帶。

從圖5可以看出，鄂爾多斯周緣各區(qū)都具有NW向的主張應(yīng)力軸，并且主張應(yīng)力軸的傾角變化較大。鄂爾多斯周緣主壓應(yīng)力軸方向以地塊南緣為中心呈扇形分布。在地塊西緣，由南段的ENE向逐漸向中段逆時(shí)針轉(zhuǎn)為近NE向，繼而往北轉(zhuǎn)為NNE向，這和青藏高原板塊向NE向運(yùn)動(dòng)有關(guān)。在地塊東緣，主壓應(yīng)力軸方向轉(zhuǎn)為ENE向。

致謝 感謝萬永革研究員為研究提供了計(jì)算機(jī)程序和對(duì)研究工作的指導(dǎo)。

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