內(nèi)蒙古狼山山前斷裂中段大地電磁探測研究

操 聰 趙凌強(qiáng) 黨 昊 鄭 勇

1 中國地震局第二監(jiān)測中心，西安市西影路316號， 710054

內(nèi)蒙古西部的狼山山前斷裂控制著河套盆地西北邊界[1]，也是阿拉善塊體和鄂爾多斯塊體的分界斷裂，該斷裂正斷作用劇烈，是中國大陸非常典型的正斷裂之一。董紹鵬等[2-3]研究認(rèn)為，該斷裂是河套地區(qū)一條重要的地震帶，強(qiáng)震平均復(fù)發(fā)周期約為 2 500 a，平均震級達(dá)到7～8 級。狼山山前斷裂東側(cè)臨河盆地所在的河套地區(qū)自古以來人口稠密，周邊分布有多個重要城鎮(zhèn)，因此該斷裂的地震危險性以及深部孕震環(huán)境一直備受學(xué)者關(guān)注。

狼山山前斷裂長約160 km，呈北東向延伸至北部近東西走向的陰山山脈。狼山山前斷裂以西的狼山山脈可以分為北段、中段和南段，其中中段海拔最高(圖1)。研究表明[2-3]，狼山山前斷裂的最大滑動速率和最大位移就發(fā)生于斷裂中段，且該斷裂中段全新世以來活動最為劇烈。大地電磁法對流體和溫度敏感，因此其在震源區(qū)深部精細(xì)結(jié)構(gòu)探測中可為發(fā)震構(gòu)造和孕震與發(fā)震機(jī)理提供解釋依據(jù)[4-7]。本文擬對一條跨狼山山前斷裂的寬頻帶大地電磁剖面進(jìn)行精細(xì)化處理和二維反演，獲得沿剖面各地塊和斷裂帶的深部電性結(jié)構(gòu)圖像，從電性結(jié)構(gòu)分析狼山山前斷裂及其鄰近區(qū)域的深部結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)而探討鄂爾多斯地塊與阿拉善地塊的接觸關(guān)系。

F1：狼山山前斷裂；F2：雅布賴山山前斷裂；F3：巴彥烏拉山東緣斷裂；F4：桌子山西緣斷裂；F5：磴口-本井?dāng)嗔褕D1 鄂爾多斯地塊西北緣斷裂分布和狼山山前斷裂中段大地電磁點(diǎn)位分布Fig.1 Distribution of faults in the northwest edge of Ordos block and magnetotelluric points in the middle section of Langshan piedmont fault

1 野外觀測與資料處理

1.1 大地電磁剖面和數(shù)據(jù)采集

大地電磁剖面西北起于狼山隆起腹地，向南東方向經(jīng)過青山鎮(zhèn)，止于杭錦后旗附近，剖面主要穿過狼山山前斷裂中段。沿剖面共獲得15個測點(diǎn)(圖2)，剖面長約55 km，平均點(diǎn)距約3～4 km，在狼山山前斷裂附近加密至1～2 km左右。野外數(shù)據(jù)采集在2021-09進(jìn)行，共耗時約15 d，采用加拿大鳳凰公司MTU-5A設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(頻帶范圍320～0.000 5 Hz)。

1.2 視電阻率曲線特征

圖2為沿剖面15個測點(diǎn)的視電阻率和阻抗相位曲線形態(tài)和數(shù)值，通過分析可以初步了解狼山山前斷裂兩側(cè)狼山隆起和臨河盆地的電性結(jié)構(gòu)特征。10A、11A、12A、13B、14A、15A、16A等7個測點(diǎn)位于F1狼山山前斷裂以西的狼山隆起腹地，視電阻率曲線形態(tài)幾乎均呈現(xiàn)出由高到低特征，且電阻率曲線數(shù)值整體較高。該地區(qū)對應(yīng)狼山隆起，表明該區(qū)域淺部以高阻特征為主。17B、17A、18A、19A、20A、21A、22A、23A等8個測點(diǎn)位于狼山山前斷裂以東的臨河盆地地區(qū)，視電阻率曲線形態(tài)也呈現(xiàn)出較為相似的特征，但與西側(cè)狼山隆起測點(diǎn)特征不同，這種分布特征也進(jìn)一步說明F1狼山山前斷裂就位于16A和17B測點(diǎn)之間。

圖2 測點(diǎn)視電阻率和阻抗相位曲線Fig.2 Apparent resistivity and impedance phase curves of all points

1.3 區(qū)域電性走向和維性特征分析

使用大地電磁資料處理系統(tǒng)[8]中分頻段和分點(diǎn)的相位張量分解方法[9],計(jì)算統(tǒng)計(jì)沿剖面全部測點(diǎn)全頻段320～0.000 5 Hz的電性走向角。圖3(a)為全頻段和分頻段的相位張量電性走向玫瑰花瓣圖，從圖中可以看出，沿剖面全部測點(diǎn)全頻段電性走向?yàn)楸逼珫|45°或北偏西45°，結(jié)合該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造走向?yàn)楸睎|向，判斷該地區(qū)電性走向整體為北偏東45°較為合理。此次野外大地電磁剖面沿北偏西45°方向布設(shè)，將剖面上15個測點(diǎn)按照測量方位(南北向)向東旋轉(zhuǎn)45°，獲得TE和TM數(shù)據(jù)[10]。此外，每個相位張量橢圓還對應(yīng)二維偏離度角|β|。當(dāng)|β|<3時，地下介質(zhì)可近似為二維情況；|β|>3時，區(qū)域電性結(jié)構(gòu)可視為三維情況，且|β|值越大表明 MT 數(shù)據(jù)的三維性越強(qiáng)[9]。圖3(b)為沿剖面的二維偏離度角|β|，從圖中可以看出，臨河盆地高頻部分近似為一維層狀結(jié)構(gòu)，表明該地區(qū)主要為沉積層。狼山隆起二維偏離度角|β|整體較大，表明相對于臨河盆地，狼山隆起構(gòu)造較為復(fù)雜。

圖3 不同頻率相位張量分解的最佳主軸電性走向玫瑰花瓣圖和二維偏離度角|β|Fig.3 The rose diagrams of the optimal geoelectricstrikes from phase tensor decomposition at different frequencies and two-dimensional skewness |β|

2 二維反演

將旋轉(zhuǎn)后的TE和TM模式的視電阻率和阻抗相位數(shù)據(jù)作為二維反演輸入數(shù)據(jù)，并在計(jì)算前刪除游離的飛點(diǎn)和無法一維擬合的部分頻點(diǎn)。由于狼山山前斷裂附近地形較為復(fù)雜，結(jié)合蔡軍濤等[11]在復(fù)雜構(gòu)造區(qū)的相關(guān)研究結(jié)果，本文將TM模式數(shù)據(jù)的門檻誤差設(shè)置較低(2%)，將TE模式數(shù)據(jù)的門檻誤差設(shè)置較高(5%)，并將TE模式視電阻率數(shù)據(jù)的本底誤差放大10倍，主要使用TM模式數(shù)據(jù)進(jìn)行二維反演計(jì)算。采用非線性共軛梯度法進(jìn)行反演計(jì)算[12]，使用電阻率為100 Ω·m的均勻半空間，采用自動更新的正則化因子(Tau)進(jìn)行反演，并繪制RMS分布圖，最后選擇Tau=10、RMS=3.9的反演結(jié)果作為最后解釋結(jié)果。圖4和圖5分別為TM和TE兩種極化模式實(shí)測和響應(yīng)對比圖，從圖中可以看出，本次反演計(jì)算擬合情況較好，這也表明反演結(jié)果能夠反映出較為真實(shí)的地下結(jié)構(gòu)。

圖4 TM極化模式實(shí)測和響應(yīng)對比圖Fig.4 Comparison of measured values and calculated values of TM polarization mode

圖5 TE極化模式實(shí)測和響應(yīng)對比圖Fig.5 Comparison of measured values and calculated values of TE polarization mode

3 分析與討論

圖6為二維反演獲得的0～30 km深部電性結(jié)構(gòu)圖和沿剖面地形變化。通過對比斷裂分布和大地電磁測點(diǎn)的相對位置，將研究區(qū)劃分為狼山隆起和臨河盆地，其中狼山隆起地形起伏較大，臨河盆地地形較為平緩，兩個地塊之間海拔差最大可達(dá)上千米，兩個地塊的邊界地帶即為狼山山前斷裂位置。

從整體上看，狼山山前斷裂在0～30 km深度地殼范圍內(nèi)表現(xiàn)為明顯的高低阻電性邊界帶，該斷裂為狼山隆起與臨河盆地分界斷裂。其中狼山山前斷裂以西的狼山隆起地區(qū)上地殼表現(xiàn)為水平層狀的高阻結(jié)構(gòu)，整體深度接近10 km，表現(xiàn)出較為完整的高阻特征，并有向西繼續(xù)延伸的趨勢，剛好對應(yīng)狼山隆起地區(qū)出露的古生代基巖地層。狼山隆起地區(qū)中下地殼以低阻體(LRB)為主，與上地殼高阻體在10 km深度處具有明顯的高低電性邊界帶，表明狼山隆起深部介質(zhì)以層狀分布為主。狼山山前斷裂以東的臨河盆地地區(qū)存在低阻沉積層，低阻體分布較為平緩，底部深度為5 km，表現(xiàn)出向東繼續(xù)延伸的趨勢，沉積層下方可能存在高阻基底(HRB)。電性結(jié)構(gòu)特征表明，沉積層在臨河盆地腹部達(dá)到5 km深度，這也與早期地質(zhì)調(diào)查顯示臨河盆地是鄂爾多斯地塊周緣沉積層厚度最大的沉積盆地的結(jié)論相對應(yīng)[1]。

狼山隆起和臨河盆地這種截然不同的電性構(gòu)造特征顯示出這兩個地塊分屬不同的構(gòu)造單元，也表明狼山山前斷裂是一條切割地殼尺度的深大斷裂。該斷裂從地表延伸至地下30 km，這與圖3中相位張量二維偏離度角|β|和相位旋轉(zhuǎn)不變量獲得的認(rèn)識相同。將狼山山前斷裂的深部特征與已有的大地電磁探測結(jié)果[4-7]以及該地區(qū)地震學(xué)資料[13]、重磁資料[14]對比可知，該斷裂深部分布特點(diǎn)符合中強(qiáng)地震區(qū)地震孕育發(fā)生的規(guī)律，這也表明狼山山前斷裂是河套地區(qū)一條具有強(qiáng)震風(fēng)險的斷裂帶。

圖6 深部電性結(jié)構(gòu)和解譯圖Fig.6 Deep electrical structure and interpretation

4 結(jié) 語

本文對一條穿過狼山山前斷裂中段的寬頻帶大地電磁剖面進(jìn)行精細(xì)化處理和二維反演，獲得該斷裂中段及其兩側(cè)地塊的深部電性結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果表明，狼山山前斷裂表現(xiàn)出明顯的高低阻電性邊界帶，斷裂西側(cè)的狼山隆起上地殼表現(xiàn)出較為完整的高阻特征，中下地殼以低阻體為主；狼山山前斷裂東側(cè)的臨河盆地淺部存在5 km厚的低阻沉積層，沉積層下方可能存在高阻基底。該分布特征表明狼山山前斷裂是一條切割地殼尺度的深大斷裂，同時具有孕育強(qiáng)震的風(fēng)險。