依蘭—伊通斷裂帶舒蘭段深部電性結構研究

摘要：依蘭—伊通斷裂帶是劃分我國中蒙和中朝2個活動地塊的重要邊界斷裂，也是東北地區規模最大的斷裂系統，以往研究認為該斷裂活動較弱，但該斷裂舒蘭段在全新世有過強烈活動。針對這一問題，2021年在穿過依蘭—伊通斷裂帶舒蘭段位置布設了一條大地電磁剖面，對所獲取的14個寬頻測點數據進行了精細化處理和二維反演，獲得了斷裂帶及其兩側地塊的深部電性結構特征。結果表明：依蘭—伊通斷裂帶舒蘭段及其鄰近地區電性結構表現為東西橫向分塊的特點，其中主斷裂呈現延伸至中下地殼的中低阻條帶，強度較弱，其東西兩側為高阻，強度較強。結合中國大陸其他活動斷裂區的大地電磁探測結果，推測依蘭—伊通斷裂帶舒蘭段的電性結構分布特點有利于斷層活動和形變累積，未來需要注意其地震孕育的風險。

關鍵詞：大地電磁；電性結構；依蘭—伊通斷裂；舒蘭段

中圖分類號：P315.2 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2024）02-0245-08

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0018

0 引言

依蘭—伊通斷裂帶是劃分中蒙和中朝兩個活動地塊的重要邊界斷裂，屬于廣義郯廬斷裂的北延部分（鄧起東等，2003）。該斷裂經過地區人口密度較大、工業發達，是我國東三省最重要的經濟發展區域，因此對于該斷裂及鄰近地區的地震風險性研究具有較重要的現實意義。

迄今為止，依蘭—伊通斷裂帶上所記錄到的最大地震為 1963年黑龍江省蘿北M_S5.8地震，因此，傳統觀點認為該斷裂不具有強活動性，不具備強震構造背景，其抗震設防水準和參數較低，僅Ⅵ度設防。進入21世紀，荊鳳等（2006）利用遙感數據結合DEM數據發現依蘭—伊通斷裂帶除發生垂直升降運動外還發生過強烈的側向擠壓；閔偉等（2011）基于高分辨率衛星影像解譯和探槽古地震研究，首次在吉林省境內舒蘭段發現該斷裂斷錯的最新地層年齡距今約1 780 a，地表破裂長度逾10 km，相當于發生了一次M≥7地震。這些研究成果表明：依蘭—伊通斷裂帶的部分段落在全新世有過強烈活動，該結果改變了人們對該斷裂“不活動或弱活動”的傳統認識，引起了國內外同行的高度關注。此后，國內一些學者圍繞依蘭—伊通斷裂帶的活動構造與地震地質工作開展了更為深入的調查研究（Min et al，2013；疏鵬等，2014；Zhu et al，2015；余中元等，2016；Gu et al，2016，2017；Yu et al，2017，2018），發現該斷裂帶的大部分段落在晚第四紀以來構造變形強烈，地表斷續發育且保存有明顯的破裂遺跡和地貌變形特征，古地震活動呈現出明顯的叢集特征。以舒蘭段為例，在晚第四紀期間發生過多次強烈古地震事件（M≥7），具備強震的孕震能力和構造背景，且呈現出明顯的分段活動特征。

目前在依蘭—伊通斷裂帶的研究主要為高分辨率衛星影像解譯、斷錯微地貌測量和測年以及開挖古地震探槽等方面，尚缺少有關斷裂深部精細結構方面的研究工作。該斷裂由于長期受植被影響，伊通地區地質體出頭較少，給野外地質調查帶來了諸多困難。而大地電磁法所獲巖石圈尺度的電性結構信息能夠為地塊單元的劃分提供依據，是探測斷裂帶深部延展特點的一種重要深部地球物理方法（Zhao et al，2012；Cai et al，2017；詹艷等，2021）。鑒于此，2021年，我們穿過依蘭—伊通斷裂帶舒蘭段布設了一條長約70 km的高密度、寬頻帶大地電磁剖面，并對剖面所獲數據進行了精細化處理和二維反演，獲得了該斷裂及其兩側地塊的深部電性結構特征。

1 野外觀測與資料處理

1.1 方法介紹

大地電磁方法是利用大氣和電離層中產生的自然電磁信號測量地下電阻率結構的一種地球物理方法。大地電磁測深數據由在地球表面測量所得的電場和磁場組成，與頻率相關的復值阻抗張量相關，由此可確定視電阻率和阻抗相位。由于大地電磁觀測響應包含的周期范圍很廣，高頻數據對淺部構造敏感，長周期數據對深部構造敏感（陳樂壽，王光鍔，1990），因此該技術可以用于不同空間尺度下的成像地下結構——從地表到上地幔，目前均已獲得了廣泛應用（Zhao et al，2012；Cai et al，2017；趙凌強等，2019，2020，2022a，b；詹艷等，2021；操聰等，2022）。

1.2 大地電磁剖面和數據采集

依蘭—伊通斷裂帶是東北地區規模最大的斷裂系統，在東北地區長度延伸接近1 000 km，斷裂整體上呈NE向展布，該斷裂自西南向北東分布有沈陽、四平、鐵嶺、伊通、長春、舒蘭、哈爾濱、延壽、方正、依蘭、湯原、佳木斯、鶴崗、蘿北等主要城鎮（圖1a）。

為研究該斷裂帶及其兩側的深部電性結構特征，我們穿過依蘭—伊通斷裂帶舒蘭段布設了一條大地電磁剖面，西北起始于斷裂西側的松遼盆地地塊，向南東方向進入那單哈達嶺地體，剖面長約70 km，共布設14個測點（圖1b）。2021年7—8月，我們開展了野外數據采集工作，共耗時15 d，使用2臺加拿大鳳凰公司的MTU-5A設備同時進行數據采集（頻帶范圍320～0.000 5 Hz）。

由于依蘭—伊通斷裂帶舒蘭段主斷裂附近是本文研究的重點地區，所以主斷裂附近的測點間距加密至2～3 km，主要用于獲得主斷裂區精細電性結構信息。斷裂外圍松遼盆地地塊和那單哈達嶺地體由于構造較為簡單，測點間距加大至5～8 km，主要用于獲得大尺度區域電性構造信息。圖2給出了研究區14個測點的視電阻率和相位曲線，同時標注了依蘭—伊通斷裂帶的位置，由圖可見，該斷裂帶東西兩側電性存在明顯差異。

1.3 區域電性走向

相位張量分解技術可以獲得大地電磁剖面的電性走向信息、維性信息以及地下電性結構的變化趨勢。本文使用陳小斌等（2004）開發的MTP軟件中的相位張量分解方法計算統計了此次大地電磁剖面全部14個測點全頻段和分頻段的電性走向玫瑰花瓣圖（圖3a）。電性走向玫瑰花瓣圖（320～0.001 Hz）表明沿剖面全部測點全頻段電性走向為北偏東45°或者北偏西45°，結合圖1中所示的該區依蘭—伊通斷裂帶舒蘭段呈現出NE走向的構造特點，我們認為研究區電性走向整體上為北偏東45°，為下一步的二維反演計算提供了數據旋轉的依據。

1.4 維性特征分析

每個相位張量橢圓對應二維偏離度角β，考慮到吉林地區的干擾情況相對較小，結合以往的研究結果（Caldwell et al，2004；Bibby，et al，2005；Cai et al，2017），確定β＜6時，地下介質可近似為二維情況；β＞6時，地下介質可視為三維情況，β越大表明MT 數據的三維性越強。圖3b給出了沿剖面β隨距離分布圖，從圖中可見，研究區整體上β相對較小，大部分都小于6，說明研究區符合二維假設條件。分地塊來看，研究區西側的松遼盆地中高頻部分β最小，數值接近于0并一直延伸至依蘭—伊通斷裂穿過區域，表明該區域淺部近似為一維或者二維層狀結構，推測這可能是由于松遼盆地淺表的新生代沉積層較厚所致，與野外實際數據采集過程中的觀測結果較為類似。松遼盆地低頻部分β相對較大，部分測點出現了超過6的情況，說明該地區中深部構造可能相對復雜。研究區東側的那單哈達嶺地體相對于松遼盆地，β相對均一，整體上相對較小，表明該地體自淺部至深部構造相對簡單。

使用相位張量分解技術獲得的每個測點的旋轉不變量φ₂隨周期的分布特征指示該測點地下視電阻率值隨頻率的變化規律，由于頻率與深度的對應關系，實際上是大地電阻率隨深度的變化關系，所以當φ₂＜45°時，該測點下方的電阻率隨深度的增加而增加，當φ₂＞45°時，該測點下方電阻率隨深度的增加而降低（Heise et al，2008）。圖2c給出了沿剖面14個點的相位不變量φ₂隨距離的分布。由圖可見，沿剖面各地塊的電性變化趨勢互相不一致，與β分布較為相似，松遼盆地中高頻呈現出高相位的特點，表明該地區淺部可能以低阻體為主，這也與該地區較厚的新生代沉積層相對應。研究區最顯著的特點是沿整條剖面，低頻部分均以高相位為主，在剖面中段這種高相位更為明顯，這表明研究區中段的深部可能存在著明顯的低阻結構。

2 二維反演

在對剖面上所有數據進行張量分解定性分析之后，需要對剖面上所有數據進行反演計算。在分析二維偏離度角|β|時認為沿剖面符合二維假設條件，所以我們將對整條剖面進行二維反演計算。本文確定的沿剖面的電性優勢走向方向為北偏東45°，二維反演計算時將該剖面所有的測點旋轉至優勢走向方向，獲得了TE和TM模式的數據，將這2類數據作為輸入數據。在計算前，需要刪除游離的飛點，還需要進行一維擬合分析，刪除無法一維擬合的部分頻點。

結合蔡軍濤和陳小斌（2010）關于二維反演結果的研究，認為TM模式的視電阻率和相位數據更能代表真實的地下結果。所以在二維反演計算中，通過使用不同的門檻誤差方式來調節不同的數據權重，盡可能地使用TM模式數據。在實際操作中，將TM和TE模式數據的門檻誤差分別設置為2%和5%。本文使用非線性共軛梯度法（NLCG）的算法程序進行二維反演計算，結合研究區的實際電阻率值分布特點，確定初始模型為100 Ω·m電阻率的均勻半空間。在二維反演計算中，通過使用不同的正則化因子（Tau）進行多次反演計算并進行對比分析，最后選用Tau=10的反演結果作為最終解釋結果，總迭代次數共72次。圖4中兩種極化模式實測和響應對比顯示，本次反演計算擬合情況較好，表明反演結果較為理想，能夠較好地反映地下實際的介質分布特征。

3 分析與討論

沿剖面60 km深度的二維電性結構圖像和解譯如圖5所示，圖中標注了依蘭—伊通斷裂帶舒蘭段的實際位置及其在地下可能的分布情況。

如圖5所示，整體上看，研究區表現出明顯的東西橫向分塊的特點，在電性差異最大的區域正好對應著依蘭—伊通斷裂的穿過位置，其中松遼盆地和那單哈達嶺地體以高阻體為主，依蘭—伊通斷裂帶穿過位置以中低阻結構為主，將其分別標注為R1，R2和C。其中松遼盆地淺部存在著約1～2 km深的低阻層，呈明顯的層狀分布，向東延伸至依蘭—伊通斷裂帶附近截止。結合野外實際觀測，我們推測這些低阻層是新生代沉積層較厚所致，與二維偏離度角β顯示的該區域淺表為一維或者二維層狀結構相對應。研究區東側的那單哈達嶺地塊淺部存在類似的高阻層，與該地區基巖出露的現象相對應。松遼盆地淺層低阻之下存在著延伸超過40 km的高阻基地（R1），該深度可能超過了莫霍面，這表明松遼盆地下方構造相對穩定。研究區東側的那單哈達嶺地塊自淺表至中下地殼也表現為較為完整的高阻體，且呈現出西淺東深的鏟向高阻體特點。高阻層之下以中低阻結構為主，該中低阻結構延伸至依蘭—伊通斷裂下方，并向上延伸至5 km深度。

如上所述，松遼盆地和那單哈達嶺地塊的電性構造特征差異較大，顯示出這兩個地塊可能分屬不同的構造單元，圖5中顯示的分布特征也表明依蘭—伊通斷裂帶舒蘭段是一條切割地殼尺度的深大斷裂。為了確定該斷裂段的具體位置，我們在該區域進行了加密觀測，確定出該斷裂段的準確位置位于SLL1-08A測點附近，這與地震地質調查認為的斷裂可能穿過區域相吻合（圖1）。該斷裂表現為寬度約為5 km的中低阻結構，向下延伸至莫霍面，表明該斷裂可能貫穿了整個地殼尺度。依蘭—伊通斷裂帶舒蘭段整體特點為斷裂以較窄的中低阻結構夾在東西兩側高阻體之中，高阻體更容易累積構造應力，中低阻結構易于發生塑性變形，呈現出極為不穩定的構造特點。結合中國大陸其他容易發生大地震的活動斷裂區的大地電磁探測結果（Zhao et al，2012；Cai et al，2017；趙凌強等，2019，2020，2022a，b；詹艷等，2021；操聰等，2022），推測依蘭—伊通斷裂帶舒蘭段主斷裂這種分布特點不但有利于應力累積，還可能在長期的摩擦鎖定期內，進一步促進地震的發生。

4 結論

本文對一條在穿過依蘭—伊通斷裂帶舒蘭段的大地電磁剖面上獲取到的數據進行了精細化處理和二維反演，獲得了該斷裂帶及其兩側地塊的深部電性結構特征，得出以下主要結論：

（1）電性結構模型顯示，大致以依蘭—伊通斷裂帶為分界，斷裂帶兩側的松遼盆地和那單哈達嶺地塊表現為兩種不同的電性結構特征：斷裂西側的松遼盆地淺部電性表現為低阻，層狀分布明顯，中下部電性表現為高阻體；東側的那單哈達嶺地塊表現為自西向東由淺至深的鏟狀高阻體，這種電性結構特征可能指示這兩個地塊分屬不同的構造單元。

（2）依蘭—伊通斷裂帶舒蘭段為向下延伸至莫霍面的低阻結構，呈現出高低阻梯度帶的特征，強度較大易于應力積累，發生運動變形。結合中國大陸其他活動斷裂區的大地電磁探測結果，未來需要注意其地震孕育的風險。

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Study on Deep Electrical Structure Characteristics of the Shulan Section

of the Yilan-Yitong Fault Zone

CAO Cong^1，2，ZHAO Lingqiang²，QI Yanfu¹，LU Hong Bin²，ZHENG Yong²，YANG Xiong²

（1.School of Geological Engineering and Geomatics，Chang’an Univesity，Xi’an 710054，Shaanxi，China）

（2.The Second Monitoring and Application Center，China Earthquake Administration，Xi’an 710043，Shaanxi，China）

Abstract

The Yilan-Yitong fault zone is an important boundary of the China-Mongolia active block and the China-Korea active block，and it is the largest fault system in Northeast China.The latest research results show that the Shulan segment of the Yilan-Yitong fault zone was intensively active in the Holocene，which challenges the previous conclusion that the fault activity in the Holocene was weak.In this paper，a broadband magnetotelluric profile data obtained at 14 measuring sites across the Shulan section of the Yilan-Yitong fault zone have been refined and inversed in 2D space，and the characteristics of the deep electrical structure along the Shulan section of the Yilan-Yitong fault zone have been obtained.The characteristics of the deep electrical structure of the blocks on both sides of the Shulan section have been obtained too.The results show that the electrical structure of the Shulan section and its adjacent areas is characterized by East-West lateral blocking；the main fault of the Shulan section is embeded in the unstable medium-low-resistivity bands extending to the middle-lower-crust，on east side and west side of the Shulan section there exist the high-resistivity bodies.Referring to the magnetotelluric detection results of other active-fault areas in Chinese Mainland，we speculate that the electrical structure feature of the Shulan section is conductive to stress accumulation and faulting.There exists earthquake risk in this area in the future.

Keywords：magnetotellurics；electrical structure；the Yilan-Yitong fault zone；the Shulan section