2015阿拉善左旗Ms5.8地震區布格重力異常及歸一化總梯度的構造意義

吳桂桔 申重陽 談紅波 楊光亮

1 中國地震局地震研究所（地震大地測量重點實驗室），武漢市洪山側路40號，430071

據中國地震信息網報道，2015－04－15阿拉善左旗發生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－本井斷裂西側約10km）。宏觀地表烈度考察結果顯示，震中烈度為VII度，長軸方向與磴口－本井斷裂一致，說明其可能為該地震的發震構造。研究區內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）。震區構造活動強烈，雖遠離青藏高原，但高原隆升效應通過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。該地區因地球物理特征復雜而倍受地球物理學家的重視。由于受印度板塊北向碰撞推擠，以及周圍相對穩定的阿拉善和鄂爾多斯塊體一定程度的阻擋，1993～2007年的GPS觀測結果顯示，該區內總體呈現近NE 向擠壓兼NE－E－SE 向順時針旋轉的水平運動態勢［1－3］。區域有關研究主要集中在賀蘭山－銀川盆地。20世紀80年代中國石油單位通過銀川北橫穿盆地的反射地震勘探發現，盆地內部發育兩條規模較大的張性斷裂。其后，又對銀川盆地中北部作了比較詳細的探測，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境，給出重力以及地電等深度圖，并探討了賀蘭山－六盤山地震帶地殼和上地幔結構特征；2006年柴熾章等［6］通過多層次綜合探測研究銀川及其周邊隱伏活動斷層特征；2009年方盛明等［7－8］通過分析一條68.9km 跨銀川斷陷盆地的高分辨率地震反射探測剖面，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造關系；2011年鄭軍［9］分析了鄂爾多斯地塊的電性結構，其中Line39大地電磁剖面位于N39°，其研究結果展示，剖面西邊電阻率值低，往東電阻率值變大，上地殼是一個高阻層，東西兩側埋深淺，中間埋深大；2013年尹秉喜等［10］分析了靖遠－寧夏鹽池剖面中上地殼電性結構特征。這些研究成果主要采用了地震反射測深以及大地電測探測手段，重點給出了黃河斷裂、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造的關系，但針對阿拉善左旗地區附近的巴彥烏拉山山前斷裂、磴口－本井斷裂、和屯－本井斷裂的研究甚少，特別是有關重力的研究成果少見。

2013年，中國地震局行業專項“中國地震科學臺陣探測”在該地震區附近實施了蘇海圖－平羅－鄂托克旗重力剖面測量。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－本井斷裂南端。本文利用該剖面成果（布格重力異常及其歸一化總梯度），結合區域背景布格重力異常圖，從重力學角度探索阿拉善左旗Ms5.8地震區域斷裂構造與地震之間的關系。

1 區域地質構造與重力異常背景

研究區處于鄂爾多斯、阿拉善和青藏3大塊體的接壤鑲嵌部位，其東部、西部分別為穩定的鄂爾多斯地塊和阿拉善地塊，中間為活躍的構造變形過渡帶（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部的板內構造變形帶，該段的構造運動與阿拉善地塊及鄂爾多斯地塊的相互運動有關，新生代以來華北應力場的轉變使得阿拉善與鄂爾多斯塊體發生相互拉張作用，造成該區域的構造運動以大陸內部的伸展變形為主［11－14］，形成隆起的賀蘭山和下沉的銀川盆地。同時，它又位于中國南北地震帶的北段，緊鄰青藏塊體的東北緣，受青藏塊體東北緣的強烈擠壓作用，形成陡變的地球物理場和強烈的地震活動［15］。

研究區內過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沉積物覆蓋嚴重，露頭狀況較差，以華力西期為主。且斷裂帶也較為發育，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），以北東走向為主兼有北西或南東弧形斷裂。該區地震活動強烈，曾在1739年發生平羅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大震的發震構造一直存在爭議，李孟鸞、郭建增等不少學者認為該地震的發震構造為銀川－平羅隱伏斷裂，但也有學者認為賀蘭山東麓活動斷裂為該8級地震的發震構造［16－18］。目前對塊體邊界模糊不清或者模棱兩可的認識，也使得人們對于塊體間的相互運動和變形分析難以深入，塊體邊界深大斷裂與塊體內部次級斷裂現今的活動差異性也無法得到合理解釋。

圖2為區域布格重力異常圖（據地質礦產部1988年編制出版的1∶400萬《中國布格重力異常圖》繪制），反映了阿拉善地塊與鄂爾多斯地塊交接處構造長期變形、演化形成的物質整體分布狀態?？傮w來說，區域重力異常（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－本井斷裂之間為低值異常帶，巴彥烏拉山山前斷裂以西和磴口－本井斷裂以東分別顯示局部高值重力異常（－146～－128 mGal；－146～－122 mGal）。作為我國東部與西部之間具備明顯地質構造差異的過渡帶，反映了由于受青藏塊體隆升和向四周擴展的影響，地殼厚度自西往東逐步減薄。區內斷裂構造大多走向北東，與重力等值線走向基本一致，如巴彥烏拉山山前斷裂、鄂爾多斯北緣斷裂、磴口－本井斷裂、賀蘭東麓斷裂帶、銀川－平羅斷裂、黃河斷裂等。研究區內地震主要發生在重力異常梯級帶以及斷裂帶交匯處及其附近。Ms5.8阿拉善左旗地震發生在磴口－本井斷裂以西，該處也是布格重力異常由低到高的轉換帶。

圖2 研究區區域重力布格異常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 實測剖面重力異常

蘇海圖－平羅－鄂托克旗剖面的測量使用2臺相對重力儀（CG－5型）和2臺GPS接收機準同步同址觀測，按國家有關規范開展相對重力聯測和高精度位置三維測定，并與銀川絕對重力站聯測。圖2中藍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－本井斷裂、磴口－本井斷裂、正誼關斷裂、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個測點，測量剖面長約258km。對野外觀測重力數據進行預處理和絕對控制下的平差計算，得到各測點重力值（點值平均精度約為13.3 μGal）。同時，用GPS觀測數據解算各測點坐標（即經度、緯度和高程），其水平精度在0.15m 以內，高程精度在0.2 m 以內。然后，按國內相關規范，對各測點重力值進行正常重力改正、高度改正、中間層改正和地形改正，得到各測點布格重力異常（圖3）。

圖3 剖面布格重力異常以及對應的GPS高程值Fig.3 Bouguer gravity anomaly of the profile and its corresponding GPS elevation

圖3中紅色曲線為實測布格重力異常，紅色虛線為測點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，區域布格重力異常沿該重力剖面方向上總體趨勢與剖面重力布格異常趨勢相似。但在平羅地區附近，區域布格重力異常為高異常，剖面布格重力異常卻為低異常，兩者趨勢相反。推斷剖面重力該處低異常可能為物質虧損，在該地區附近煤礦豐富且開采較為嚴重，因此認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量的重力異常來確定場源、斷裂位置及密度界面的方法。該方法的出發點在于利用剩余質量的引力位及其導數在場源體以外空間都是解析函數，而在場源處則為失去解析性（及函數的奇點），通過對異常的解析延拓來確定函數的奇點問題即確定場源。歸一化總梯度的基本表達式如下：

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 個測點總梯度的平均值，Vxz、Vzz分別為xoz面內布格重力異常水平方向和垂直方向的一階導數。GH（x，z）為一個無量綱的比值，在xoz面內，按一定深度間隔求各點的GH（x，z），最后繪出GH（x，z）的等值線圖。

將剖面布格重力異常按點距1km 進行線性內插，剖面有限級數展開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的分布較為復雜，剖面200km 以東以GH低值分布為主。在20km 以上，剖面起點至200km 之間存在7個GH值高低轉換帶，約位于30、50、70、100、140、160、180km 處，即圖4中對應的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，若密度分布未發生變化，那么GH的等值線為連續分布狀態。剖面所跨越的大型斷裂有巴彥烏拉山山前斷裂F1、正誼關斷裂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°，F4和F5向下延伸至約13km，F6向下延伸至約20km，F4 和F6 傾向剖面以西，F5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。對比分析歸一化重力梯度分布與區域地質構造背景可知，歸一化梯度成像總體展示異常傾角與地質上的斷裂分布以及傾角較為吻合，該剖面走向為東西向，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GH相對較高值區域，該地區附近煤礦豐富，且開采較為嚴重，推斷該區域為煤礦過度開采所致，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 語

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斷裂帶的展布關系。GH變化是由地下構造變形引起的物質密度分布差異所致，這種變化也是深部動力環境變化和地震孕育發生的一種指示，構造變動過程中快速形成的高梯度變形帶亦是判定較強地震孕育發生地點的一個標志。

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等值線條帶解釋為與銀川－平羅斷裂相關，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。這一現象表明，平羅Ms8.0地震的發震構造是銀川－平羅斷裂，不是賀蘭山東麓斷裂，震源深度約15km。

圖4可見，鄰近磴口－本井斷裂帶（F3）存在一個變形較大的GH東傾條帶，F3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定區之間，F3斷裂與其并不相交，說明F3斷裂不是Ms5.8地震的發震構造，Ms5.8 地震的構造應為受F3 斷裂控制的新生構造。

上述研究可為阿拉善地塊和鄂爾多斯地塊之間構造活躍帶的構造變形解譯和發震條件研究提供基礎。

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