利用小震和GPS資料分析冷龍嶺地區現今變形過程與地震活動*

周 琳，季靈運，李長軍，李 君

(中國地震局第二監測中心，陜西 西安 710054)

0 引言

冷龍嶺地區位于青藏高原東北緣的構造轉換樞紐部位，地處高海拔偏遠地區，地質與氣候條件惡劣，同周圍具有強震活動背景的古浪斷裂、海原斷裂、金強河斷裂以及老虎山斷裂等相比，目前有關冷龍嶺斷裂帶的研究相對較少，還不夠深入。前人從歷史地震、長期滑動速率和地震活動性等方面做了分析和討論，結果表明：該區歷史上曾經發生3次古地震，最近的7.2級古地震發生于1540年(何文貴等，2001，姜文亮，2018)，但對于冷龍嶺斷裂帶全新世活動性質的認識還存在不足。前人對冷龍嶺斷裂帶晚第四紀以來滑動速率存在較大爭議，研究結果主要為2～19 mm/a(Gaudemer，1995；Lasserre，2002；何文貴等，2000，2010；Zheng，2013；郭鵬等，2017)，但都認為冷龍嶺斷裂是祁連—海原斷裂帶上滑動速率最大的斷裂。1986年和2016年在冷龍嶺斷裂帶北側先后發生2次門源6.4地震，但地震的震源機制解性質與冷龍嶺斷裂走滑運動性質有所差異，推斷可能是由冷龍嶺北側的弧形次生斷裂引起的。未來一段時間該地區仍然會是中強地震孕育的場所(郭鵬，2019；劉云華等，2019)。

近年來，小震資料越來越多地被應用到活動斷裂空間展布、深淺構造分析及動力學機制研究領域(房立華等，2013a，b)。震源深度剖面的延伸狀態和分布狀態在一定程度上反映了活動斷裂的深部產狀。震源機制解是深刻了解震源斷層動力學特征、構造應力場狀態的有效途徑(莊文泉等，2021)。GPS地表應變率場與強震的發生存在一定關系(江在森等，2006)，應變可以直接反映地殼的相對運動與變形。

本文通過小震剖面來刻畫冷龍嶺地區多條斷裂的空間展布形態和深部產狀，結合震源機制解信息揭示的區域應力場和GPS資料揭示的應變率場，分析探討冷龍嶺地區主要斷裂的幾何結構和現今地殼變形特征，從而更好地認識冷龍嶺地區在青藏高原東北緣構造形變中的轉換調節機制和意義，為研究青藏高原東北緣的構造變形模式、地震破裂行為以及地震危險性提供基礎資料。

1 研究方法與資料選取

本文使用Waldhauser和Ellsworth(2000)提出的雙差定位方法對2009年1月—2019年12月冷龍嶺地區≥1.0的中小地震進行了重新定位。在雙差定位方法中，使用兩個地震的走時差的觀測值與理論值的殘差(“雙差”)確定其相對位置，可表示為：

(1)

(2)

m=

(3)

式中：是一個×4的偏微商矩陣，是雙差觀測的數目，是地震數；是雙差資料矢量；是含有待定震源參數的變化量；是一個用來對每個方程加權的對角線矩陣。通過迭代盡量減小殘差，最終得到震源位置參數。本文雙差定位使用的速度模型參考了冷龍嶺斷裂及鄰區的人工地震測深和地震層析成像結果(張元生等，2004；Yang，2012；黃興富，2017)，最終獲得了冷龍嶺地區5 450個地震的重新定位結果。

震源機制解含有大量的震源應力場和震源破裂錯動信息，是了解震源斷層動力學特征、震源區構造應力場的有效途徑。本文收集冷龍嶺斷裂及鄰區的3.0≤≤4.2地震震源機制解結果21個(Pan，2020)。由震源機制解可以計算地震的應力張量，根據滑動擬合基本原理，假設斷層滑動方向與應力場在斷層面上的剪切應力方向一致，由斷層滑動數據可以求解應力張量。MSATSI軟件包(Patricia，2014)采用線性反演技術，由震源機制數據計算區域應力張量。本文將21個中強地震的震源機制解作為輸入數據，將研究區域劃分為2段，采用MSATSI軟件反演了每個網格內的應力張量，最終得到了冷龍嶺地區的震源區應力場。

GPS數據主要來自中國大陸地殼運動觀測網絡和網絡工程項目1999—2019年的觀測資料，此外還有國家GPS大地控制網絡和甘肅省測繪局自建站2014—2018年的GPS觀測數據。數據解算采用GAMIT/GLOBK軟件進行：①利用GAMIT軟件解算獲取GPS區域站和70個IGS參考站的點位坐標、衛星軌道等參數的單日松弛解，處理模型采用雙頻消電離層線性組合，并考慮了海洋潮汐負荷及對流層天頂延遲；②對ITRF2014框架下的GPS速度進行擬合，利用線性函數和加權最小二乘法得到修正后的GPS位置時間序列；③利用Kreemer等(2018)提出的基于中位值濾波的應變率穩健估計方法(Median Estimation of Local Deformation，簡稱MELD)計算了該區域的應變率場。

2 研究結果

2.1 冷龍嶺地區的斷裂深部結構

圖1為冷龍嶺地區重定位后的中小地震震中分布和沿不同投影剖面線的震源深度分布。從圖1a可以看出，經雙差定位后的地震集中、緊湊地分布在斷裂帶兩側區域。民樂—大馬營斷裂是一條以擠壓逆沖為主的斷裂，全新世以來相對穩定(國家地震局地質研究所，1993；陳文彬，2003)，近十年來該斷裂幾乎沒有地震發生，地震空區現象明顯。

冷龍嶺斷裂位于北祁連褶皺帶內，其北側為河西走廊過渡帶，其南側為中祁連隆起帶，全長127 km，傾向NE向，傾角50°(何文貴等，2010)。該斷裂1540年發生7.2級地震、1986年發生6.4級地震。2016年門源6.4地震的余震主要分布于冷龍嶺斷裂北側。由圖1b可以看出，門源地震余震震源深度呈連續狀態展布在5～15 km，傾向SW，這與梁姍姍等(2017)研究結果相近，與大地電磁揭示的冷龍嶺斷裂系統下方5 km深度開始出現SW向低阻體并向下延伸的結果對應(趙凌強等，2019)。

皇城—雙塔斷裂是祁連山中東段重要的活動斷裂之一，全長141 km，傾向SW，在該斷裂的東、西兩側，地震活動呈現截然不同的特征。斷裂西段以逆沖運動為主，東段以局部拉張運動為主，中段為高角度運動性質以右旋為主兼具正斷性質。斷裂東段為逆傾滑性質，屬全新世活動段，垂直滑動速率為0.54～0.8 mm/a(陳文彬，2003)，中段全新世以來有過明顯活動，西段自晚更新世晚期以來活動已不明顯。震中分布顯示，重新定位后中小震主要分布在冷龍嶺斷裂、天橋溝—黃羊川斷裂和武威—天祝斷裂的包絡區內，沿皇城—雙塔斷裂兩側分布，形成了一個NW走向的地震條帶。皇城—雙塔斷裂西段(圖1b)和東段(圖1d)地震震源深度基本在15 km以內，傾向SW，淺部傾角較大，傾角隨著震源深度增加逐漸變緩。皇城—雙塔斷裂中段存在一個高角度地震條帶(圖1c)，震源深度明顯大于西段和東段。

圖1 重定位后震中分布(a)及沿不同投影剖面線的震源深度分布(b)、(c)、(d)Fig.1 Epicenter distribution after relocation(a)and the focal depth distribution along projection profiles A-A’(b)，B-B’(c)，and C-C’(d)

門源斷裂是門源盆地與北側冷龍嶺山地的邊界斷裂，晚更新世晚期以來該斷裂活動性質以左旋走滑為主，垂直活動不明顯(馬保起，李德文，2008)。本文中小地震重定位結果顯示，近十年來門源斷裂地震分布較少。

2.2 冷龍嶺地區的應變率場和構造應力場

圖2是冷龍嶺地區相對于鄂爾多斯塊體的GPS速度場。由圖中可以看出，研究區整體相對于鄂爾多斯塊體往NE向運動，跨過冷龍嶺斷裂帶向北，GPS速度矢量減小，且運動方向轉為NNW向。圖3是冷龍嶺地區主應變率和剪應變率、面應變率和主壓應力分布圖，圖3b中背景色負值為擠壓，正值為拉張。從圖3a可以看出，冷龍嶺地區的主應變率為NE向的擠壓，與主壓應力方向基本一致(圖3b)，自西向東順時針旋轉。冷龍嶺地區剪應變率為(18～22)×10/a，峰值處位于冷龍嶺斷裂北側、皇城—雙塔斷裂以西以及民樂—大馬營斷裂東段，該區域處于各斷裂的交匯區域，斷裂活動性強。冷龍嶺地區面應變率為(-20～-10)×10/a，呈現出明顯的擠壓特征，主應變率表現為NE—SW向擠壓和NW—SE向拉張。

圖2 冷龍嶺地區GPS速度場Fig.2 GPS velocity field in Lenglongling area

圖3 冷龍嶺地區主應變率、剪應變率(a)以及面應變率、主壓應力圖(b)Fig.3 Plots of principal strain rate and shear strain rate(a)， plane strain rate and principal compressive stress(b)

3 討論

3.1 門源2次地震震區構造特征

1986年8月26日和2016年1月21日在冷龍嶺斷裂北側發生了2次6.4門源地震，2次地震的震中直線距離僅15 km左右。1986年門源6.4地震震源機制解反映出斷層具有明顯的拉張傾滑分量(徐紀人等，1986)，與區域整體近NE向的擠壓動力環境相悖。由于當時觀測條件的限制，這次地震震源機制解的結果不盡相同，蘭州地震研究所科考報告給出的震源機制解為NW向逆傾滑破裂；而2016年門源6.4地震的震源機制解表明發震斷層走向為NW—NNW向，是純逆沖型地震。2次門源地震皆發生在冷龍嶺斷裂帶西北側的次級斷層上：1986年的地震發生在分支斷裂的西段，2016年的地震發生在分支斷裂的中段，破裂逐步向東傳播，2次地震均沒有產生大規模的地表破裂。這2次地震的發震斷層走向與斷層破裂所揭示的斷層力學特征對比非常明顯，且都區別于冷龍嶺斷裂帶的左旋走滑運動性質。

為了更深入了解這2次地震發震構造的區別，還需要結合深部地球物理學資料。冷龍嶺地區南北兩側存在明顯的重力梯度異常現象(姜文亮，2018)，北部的阿拉善塊體和東部的鄂爾多斯塊體表現為大范圍重力高異常，這反映了莫霍面埋藏較淺、巖石圈密度較高，這兩個地塊為相對完整致密的剛性塊體。青藏高原東北緣具有大范圍重力低異常特征，這反映了莫霍面較深、巖石圈密度較低。冷龍嶺地區在青藏高原NE向擠壓應力下，地殼發生強烈縮短、增厚與褶曲變形。李曉姝(2020)通過多尺度層析成像反演技術獲取了祁連山地區地殼及上地幔頂部的速度結構，發現冷龍嶺地區中上地殼速度結構存在強烈的不均一性和差異性。在102°E附近地區，10 km深度速度切片顯示出明顯的東西兩側的速度差異帶；20 km深度速度切片顯示，冷龍嶺地區相對于南側地區存在明顯的高速異常。趙凌強等(2019)利用大地電磁技術獲取了冷龍嶺斷裂及鄰區的二維電性結構圖，顯示冷龍嶺斷裂存在明顯的高角度SW傾向電性分界帶特征。2016年門源6.4地震震源區下存在較寬的SW向低阻體，斷裂南部為中低阻混合構造帶。冷龍嶺斷裂帶及北部祁連山區域均表現為完整的不易變形的高阻結構。

已有的地質和地球物理研究結果均表明冷龍嶺地區南北兩側存在顯著的不均一性和差異性。冷龍嶺地區多條斷裂交匯錯雜，在青藏高原東北緣NE向擠壓作用下，這些斷裂同時受到北側完整的高阻結構的阻擋作用，地表淺層斷裂與地下深處的剪切走滑活動斷裂之間有密切關系，斷層不同構造部位的應力應變也顯著不同，再加上該區域南北兩側中下地殼深部構造結構的不均一性和差異性，促使冷龍嶺斷裂北側區域中下地殼介質處于一種強烈的擠壓變形構造環境中，這種環境促進了冷龍嶺斷裂北側區域地震的蠕動、滑移和發生。這種動力學環境可能是門源6.4地震發生的主要原因。

本文中小地震重定位結果顯示，近十年來，民樂—大馬營斷裂幾乎沒有地震分布(圖1a)，地震空區現象明顯，而地質研究認為民樂—大馬營斷裂全新世以來相對穩定(國家地震局地質研究所，1993)。皇城—雙塔斷裂西段和東段地震基本上發生在地下15 km以內，傾向SW，淺部傾角較大，隨著震源深度增加傾角逐漸變緩，而斷裂中段存在一個近乎垂直的地震條帶，震源深度明顯大于西段和東段。皇城—雙塔斷裂構造位置特殊，斷裂交匯錯雜，南側為逆—走滑性質的冷龍嶺斷裂，東側為擠壓—逆沖兼走滑性質的武威—天祝隱伏斷裂。在青藏塊體NE向推擠的動力作用下，同時受到周圍不同構造特征斷裂和深部介質結構差異的影響，這可能是皇城—雙塔斷裂西段、東段和中段地震分布特征不同的原因。

3.2 冷龍嶺斷裂的滑動速率

冷龍嶺斷裂位于祁連—海原斷裂帶中西段，對于其滑動速率一直存在較大的爭議，已有研究結果給出的滑動速率為2～19 mm/a(Gaudemer，1995；Lasserre，2002；何文貴等，2000，2010；Zheng，2013；郭鵬等，2017)。本文利用反正切法計算獲得冷龍嶺斷裂現今滑動速率約為3.9 mm/a(圖4)，與Zheng 等(2017)研究結果相近。此外，冷龍嶺斷裂的閉鎖深度約為7.9 km(圖4)，該斷裂的最新一期事件的離逝時間為498 a(Guo，2019)，估算得到該斷裂存在=7.21×10N·m的地震矩虧損，表明冷龍嶺斷裂未來存在發生7.2地震的危險性。

圖4 冷龍嶺斷裂GPS速度剖面圖Fig.4 GPS velocity profiles across the Lenglongling Fault

4 結論

本文通過分析冷龍嶺地區的中小地震重定位結果以及區域構造應力場和應變率場等結果，得到如下結論：

(1)冷龍嶺地區相對于鄂爾多斯塊體整體往NE向運動，剪應變率為(18～22)×10/a，峰值處位于冷龍嶺斷裂北側、皇城—雙塔斷裂以西及民樂—大馬營斷裂東段，該區域處于各斷裂的交匯部位，斷裂活動性強。然而，該區域近十年來小震活動弱，地震空區現象明顯。冷龍嶺地區的面應變率為(-20～-10)×10/a，呈現出明顯的擠壓特征，主應變率表現為NE—SW向擠壓和NW—SE向拉張。冷龍嶺地區的主壓應力方向為NE向，與主應變率揭示的主壓應變率方向一致。

(2)重定位后皇城—雙塔斷裂的小震分布自西向東存在明顯不同：西段的小震活動主要集中在斷裂北側，而中段和東段的小震主要集中在斷裂的南側。皇城—雙塔斷裂西段和東段地震基本上發生在15 km深度內，傾向SW，淺部傾角較大。隨著震源深度增加傾角逐漸變緩，皇城—雙塔斷裂中段存在一個近乎垂直的地震條帶，震源深度明顯大于西段和東段。受青藏塊體NE向推擠的動力作用，同時還受到周圍不同構造特征斷裂和深部介質結構差異的影響，這可能是皇城—雙塔斷裂西段、東段和中段地震分布特征不同的原因。

(3)冷龍嶺斷裂主要表現為左旋走滑運動，斷裂南側存在明顯的地殼縮短。平行于斷層的GPS速度分量呈現出明顯的震間“S”型變形特征，反映了該區域存在明顯的應變積累。GPS速度剖面顯示冷龍嶺斷裂現今的滑動速率約為3.9 mm/a，斷裂的閉鎖深度約為7.9 km，估算得到該斷裂存在=7.21×10N·m的地震矩虧損，表明冷龍嶺斷裂未來存在發生7.2地震的危險性。

感謝中國地震局地震預測研究所潘正洋博士提供震源機制解數據。