祁連山中東段地區(qū)斷層構(gòu)造和構(gòu)造變形特征研究

周 琳 李長(zhǎng)軍 李 君 莊文泉

1 中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心，西安市西影路316號(hào)，710054

祁連山構(gòu)造帶中東段地區(qū)的斷層結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)機(jī)制及地震危險(xiǎn)性一直是地學(xué)工作者關(guān)注的焦點(diǎn)。前人已從歷史地震、滑動(dòng)速率和地震危險(xiǎn)性等方面進(jìn)行大量研究。祁連山構(gòu)造帶中東段除具有明顯的地殼縮短現(xiàn)象以外，同時(shí)存在十分顯著的左旋走滑運(yùn)動(dòng)，且其運(yùn)動(dòng)幅度在空間分布上極不均勻。該地區(qū)晚第四紀(jì)滑動(dòng)速率仍存在較大爭(zhēng)議，國(guó)內(nèi)學(xué)者研究結(jié)果表明[1-4]，祁連山構(gòu)造帶中東段地區(qū)斷裂帶的滑動(dòng)速率并未達(dá)到國(guó)外部分研究數(shù)值(大于等于10 mm/a)，且自西向東具有一定的變化性。祁連山中東段地區(qū)斷裂系統(tǒng)的空間展布、運(yùn)動(dòng)特征及深部斷裂的精細(xì)分布研究仍存在不足，同時(shí)區(qū)域活動(dòng)斷裂的滑動(dòng)速率研究結(jié)果存在分歧，需要結(jié)合地震學(xué)資料進(jìn)行分析。

本文對(duì)祁連山中東段及周邊2009-01～2018-12中小地震進(jìn)行重新定位，通過(guò)多條小震剖面刻畫(huà)研究區(qū)多條斷裂的空間展布形態(tài)、斷裂深部產(chǎn)狀和主要活動(dòng)斷裂性質(zhì)，結(jié)合區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果，分析祁連山構(gòu)造帶中東段地區(qū)的地震動(dòng)力學(xué)特征，為地震危險(xiǎn)性評(píng)估和動(dòng)力學(xué)研究提供基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)概況

祁連山構(gòu)造帶中東段地區(qū)處于青藏高原東北緣(圖1)，北部為阿拉善地塊，東部為鄂爾多斯地塊，南部為西秦嶺褶皺帶，內(nèi)部多條斷裂交錯(cuò)，主要發(fā)震斷層包括龍首山斷裂、皇城-雙塔斷裂、天橋溝-黃羊川斷裂、老虎山-毛毛山斷裂等。斷裂性質(zhì)基本上以左旋走滑性質(zhì)為主，并兼具一定的逆沖性質(zhì)[5]，是我國(guó)構(gòu)造活動(dòng)和地震活動(dòng)最強(qiáng)烈的地區(qū)之一。

圖1 研究區(qū)主要斷裂Fig.1 The main faults of the studied area

祁連山中東段活動(dòng)斷裂主要位于青藏高原東北緣，晚第四紀(jì)以來(lái)表現(xiàn)為整體活動(dòng)性強(qiáng)、地震活動(dòng)頻度高且強(qiáng)度大的特點(diǎn)。龍首山斷裂帶是河西走廊與阿拉善地塊之間的分界斷裂之一，可分為龍首山北緣斷裂和龍首山南緣斷裂，兩條斷裂帶在深部存在一定關(guān)聯(lián)性[6]，1974年山丹7級(jí)地震可能是龍首山斷裂帶兩側(cè)斷裂共同作用的結(jié)果。冷龍嶺斷裂長(zhǎng)約120 km，晚第四紀(jì)主要表現(xiàn)為左旋走滑運(yùn)動(dòng)，局部兼具傾滑分量，2016年門(mén)源6.4級(jí)地震就發(fā)生在該斷層北側(cè)?；食?雙塔斷裂是祁連山中東段重要的活動(dòng)斷裂之一，全長(zhǎng)141 km，傾向SW，該斷裂東、西兩側(cè)地震活動(dòng)具有明顯差異。西段以逆沖運(yùn)動(dòng)為主，東段以局部拉張運(yùn)動(dòng)為主，中段為高角度、以右旋為主兼具正斷的斷裂[7]。天橋溝-黃羊川斷裂為近東西走向，長(zhǎng)約120～146 km，活動(dòng)性質(zhì)為左旋走滑兼具傾滑分量，在晚更新世尤其是全新世以來(lái)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，但長(zhǎng)期以來(lái)無(wú)地表破裂型歷史地震發(fā)生，全新世以來(lái)平均滑動(dòng)速率為3.5 mm/a。武威-天祝斷裂長(zhǎng)約100 km，走向340°，傾向SW，傾角45°～80°，具有擠壓逆沖兼右旋走滑特征，該斷裂主要為隱伏斷裂，為逆走滑型，1927年古浪地震時(shí)該斷裂具有活動(dòng)表現(xiàn)，沿?cái)嗔汛嬖诘卣鹦巫儙8]。金強(qiáng)河斷裂東段(金強(qiáng)河段)傾向NE，傾角50°～70°，左旋走滑為主兼具傾滑分量。毛毛山斷裂活動(dòng)性自東向西逐漸減弱。老虎山斷裂傾向NE，全長(zhǎng)78 km，為全新世活動(dòng)斷裂，曾發(fā)生1888年景泰6級(jí)和1992年景泰-天祝6.2級(jí)地震[8]。

2 地震雙差定位

使用雙差定位方法[9]對(duì)祁連山中東段地區(qū)2009-01～2018-12期間M≥1.0中小地震進(jìn)行重新定位。震相報(bào)告數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心全國(guó)地震編目系統(tǒng)，雙差定位方法中使用的速度模型參考祁連山中東段地區(qū)深地震測(cè)深剖面等研究結(jié)果[10-11]。重新定位后，均方根殘差由0.679 s下降到0.517 s，EW方向、NS方向和UD方向的定位誤差平均值分別為0.125 km、0.160 km、0.632 km。

從圖2可以看出，重新定位后，祁連山中東段地區(qū)中小地震震中分布更加集中，呈條帶狀分布在斷裂帶兩側(cè)區(qū)域， 102°E以東地震分布更加密集(圖2(a))。龍首山北緣斷裂和南緣斷裂均有地震分布，但北緣斷裂地震分布更多，龍首山斷裂東段與河西堡-四道山斷裂交匯處小震頻發(fā)；民樂(lè)-永昌斷裂地震分布較少，民樂(lè)-大馬營(yíng)斷裂幾乎無(wú)地震分布；托勒山北緣斷裂與冷龍嶺斷裂交匯處地震分布密集，冷龍嶺斷裂北側(cè)有小震(主要為門(mén)源6.4級(jí)地震的余震)分布； “古浪窗”為古浪8.0級(jí)特大地震形成的地震活動(dòng)相對(duì)獨(dú)立區(qū)域，位于祁連山構(gòu)造帶和海原斷裂帶交匯區(qū)，重新定位后“古浪窗”走向?yàn)楸蔽飨?，長(zhǎng)約100 km，主要分布在皇城-雙塔斷裂兩側(cè)，形成一條NW走向的地震帶。在102°E附近，冷龍嶺斷裂向東分為天橋溝-黃羊川斷裂和金強(qiáng)河斷裂，北側(cè)天橋溝-黃羊川斷裂近10 a來(lái)中小地震分布較少，存在明顯的地震空區(qū)現(xiàn)象；南側(cè)小震活動(dòng)主要沿金強(qiáng)河斷裂東段呈條帶狀分布，毛毛山斷裂地震分布較少。103.5°E向東分出3條斷裂帶，北側(cè)白墩子斷裂地震分布密集；中間五佛寺斷裂西段地震呈條帶狀分布，推測(cè)可能為隱伏斷裂；南側(cè)老虎山斷裂東段與海原斷裂交匯處中小地震分布集中，呈條帶狀。中小地震重新定位結(jié)果顯示，民樂(lè)-大馬營(yíng)斷裂、天橋溝-黃羊川斷裂、金強(qiáng)河斷裂西段和毛毛山斷裂存在明顯的地震空區(qū)現(xiàn)象。

圖2 雙差定位后震中分布及不同剖面震源深度分布Fig.2 Epicenter distribution after double-difference earthquake location and focal depth distribution along different profiles

從震源深度剖面可以看出，祁連山中東段震源深度主要分布在2～20 km。震源深度自西向東逐漸增大，102.5°E以東區(qū)域深度大于20 km的地震頻發(fā)。橫切龍首山斷裂的重定位后深度剖面顯示，中小地震震源深度形成一個(gè)明顯的上寬下窄的倒三角形(圖2(b))；門(mén)源地震余震震源深度呈連續(xù)狀態(tài)展布于5～15 km，傾向SW(圖2(c))；金強(qiáng)河斷裂東段地震活動(dòng)性強(qiáng)，傾向NE，傾角較高(圖2(d))；老虎山斷裂東段地震活動(dòng)性強(qiáng)，傾向NE，深部呈近垂直產(chǎn)狀(圖2(e))。

3 震源區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)

本文搜集到祁連山中東段地區(qū)3級(jí)以上地震震源機(jī)制解78個(gè)[12]，將震源機(jī)制解數(shù)據(jù)分為9個(gè)網(wǎng)格，通過(guò)MSATSI軟件包[13]計(jì)算78個(gè)地震的應(yīng)力張量，得到祁連山中東段地區(qū)震源區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)(圖3)。

滑動(dòng)速率資料來(lái)自文獻(xiàn)[14]圖3 M≥3地震震源機(jī)制解及應(yīng)力場(chǎng)分布Fig.3 Focal mechanisms of M≥3 earthquakes and distribution of stress field

祁連山中東段地區(qū)震源機(jī)制解類(lèi)型以走滑型地震和逆沖兼走滑型地震為主，中強(qiáng)地震主要發(fā)生在祁連山塊體和阿拉善塊體邊界地帶。桃花拉山-阿右旗斷裂、龍首山北緣斷裂自西向東呈現(xiàn)一條NW向的中強(qiáng)地震帶，主要為走滑、逆沖型地震。河西堡-四道山斷裂東段以逆走滑型地震為主，托勒山北緣斷裂以逆沖走滑型地震為主。102°E以東中強(qiáng)地震主要分布在“古浪窗”內(nèi)，沿皇城-雙塔斷裂分布，主要為走滑和逆沖型地震。天橋溝-黃羊川斷裂作為阿拉善地塊與青藏地塊之間的重要構(gòu)造邊界，具有較強(qiáng)活動(dòng)性，其在青藏高原東北部相對(duì)于阿拉善地塊向北東方向擠壓中具有重要的邊界調(diào)整作用，但近10 a來(lái)該斷裂附近中強(qiáng)地震較少。武威-天祝斷裂以逆走滑型地震為主，金強(qiáng)河斷裂東段主要為走滑型地震，老虎山斷裂附近的震源機(jī)制解為走滑兼逆沖性質(zhì)，海原斷裂西段地震類(lèi)型以逆沖型為主。祁連山中東段地區(qū)主壓應(yīng)力方向?yàn)镹E-NEE，自西向東順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。在102°E以東區(qū)域，祁連-海原斷裂從較為平直單一的冷龍嶺斷裂轉(zhuǎn)換為南、北兩條弧形斷裂帶，兩條分支斷裂帶滑動(dòng)速率(2～3 mm/a、3～5 mm/a)之和與冷龍嶺段滑動(dòng)速率(4～5 mm/a)相當(dāng)。祁連-海原斷裂自西向東滑動(dòng)速率遞減，可能是其與東緣各分支走滑斷裂發(fā)生構(gòu)造轉(zhuǎn)換所致。

祁連山中東段地區(qū)是青藏高原東北緣與阿拉善地塊、鄂爾多斯地塊之間的復(fù)雜邊界地帶。祁連山中東段向NE方向的斜向擠壓逆沖作用受到東側(cè)鄂爾多斯和北側(cè)阿拉善剛性塊體阻擋，形成一系列以擠壓和走滑性質(zhì)為主的斷裂帶，主要呈現(xiàn)山體兩側(cè)向山前盆地雙向逆沖、山體內(nèi)部發(fā)育逆走滑斷裂。近10 a來(lái)祁連山中東段地區(qū)中小地震頻發(fā)，在102°E附近，冷龍嶺斷裂向東分為南北兩條弧形斷裂帶，分別為天橋溝-黃羊川斷裂和金強(qiáng)河斷裂；103.5°E向東分為3條斷裂帶，中間的五佛寺斷裂西段地震呈條帶狀分布，推測(cè)可能為隱伏斷裂。中小地震重新定位結(jié)果顯示，民樂(lè)-大馬營(yíng)斷裂、天橋溝-黃羊川斷裂、金強(qiáng)河斷裂西段和毛毛山斷裂存在明顯的地震空區(qū)現(xiàn)象。沿龍首山北緣斷裂北側(cè)自西向東呈現(xiàn)一個(gè)NW向中強(qiáng)地震條帶，祁連山中東段NE方向的斜向擠壓逆沖作用可能已經(jīng)影響到阿拉善地塊西南緣。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)祁連山中東段地區(qū)中小地震重定位結(jié)果、震源區(qū)應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析，結(jié)合前人對(duì)該區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)特征方面的研究成果，得到以下結(jié)論：

1)祁連山中東段震源深度主要分布在2～20 km范圍內(nèi)，民樂(lè)-大馬營(yíng)斷裂、天橋溝-黃羊川斷裂、金強(qiáng)河斷裂西段及毛毛山斷裂存在明顯的地震空區(qū)現(xiàn)象。龍首山斷裂震源深度分布呈上寬下窄的倒三角形。冷龍嶺斷裂北側(cè)主要為門(mén)源6.4級(jí)地震的余震，震源深度為5～15 km，傾向SW；“古浪窗”中小地震主要沿皇城-雙塔斷裂分布，形成近100 km長(zhǎng)、走向NW的地震條帶；金強(qiáng)河斷裂東段地震活動(dòng)性強(qiáng)，傾向NE，傾角較高；老虎山斷裂東段地震活動(dòng)性強(qiáng)，傾向NE，深部呈近垂直產(chǎn)狀。祁連山中東段地區(qū)震源深度自西向東遞增(圖4)，推測(cè)祁連山東段地區(qū)更深部可能已發(fā)生構(gòu)造活動(dòng)。

圖4 祁連山中東段重定位后震源深度分布Fig.4 Distribution of focal depth after relocation of the middle-east Qilian mountain

2)祁連山中東段地區(qū)主壓應(yīng)力方向?yàn)镹E-NEE向。龍首山北緣斷裂自西向東呈現(xiàn)一個(gè)NW向的中強(qiáng)地震條帶(以走滑、逆沖型地震為主)，“古浪窗”地區(qū)中強(qiáng)地震主要為走滑和逆沖性質(zhì)，天橋溝-黃羊川斷裂近10 a來(lái)地震活動(dòng)性較弱。武威-天祝斷裂以逆走滑型地震為主，金強(qiáng)河斷裂東段主要為走滑性質(zhì)，老虎山斷裂中強(qiáng)地震為走滑兼逆沖性質(zhì)，海原斷裂西段地震類(lèi)型以逆沖為主。

3)祁連山中東段NE向的斜向擠壓逆沖作用受到東側(cè)鄂爾多斯和北側(cè)阿拉善剛性塊體阻擋，形成一系列以擠壓和走滑性質(zhì)為主的斷裂帶。在102°E附近，冷龍嶺斷裂向東分為天橋溝-黃羊川斷裂和金強(qiáng)河斷裂，兩條分支斷裂帶滑動(dòng)速率(2～3 mm/a、3～5 mm/a)之和與冷龍嶺段滑動(dòng)速率(4～5 mm/a)相當(dāng)。103.5°E以東小震沿3條分支斷層分布，具有明顯條帶狀，中間的五佛寺斷裂西段地震呈條帶狀分布，推測(cè)可能為隱伏斷裂。祁連-海原斷裂自西向東滑動(dòng)速率遞減，可能是其與東緣的各分支走滑斷裂發(fā)生構(gòu)造轉(zhuǎn)換所致。沿祁連山中東段地區(qū)一系列走滑斷裂與前緣逆沖斷裂的組合破裂是青藏高原北東向擠出的一種重要的構(gòu)造變形調(diào)節(jié)模式。