寧夏及鄰區地殼上地幔結構特征分析①

謝曉峰，王偉濤，崔 瑾，呂俊強，姚 琳

（1.寧夏回族自治區地震局，寧夏 銀川 750001；2.中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

0 引言

寧夏及鄰區在大地構造上處于青藏高原東北部、鄂爾多斯地塊和阿拉善地塊之間的地帶（圖1）。自新生代以來由于青藏塊體的強烈變形和隆升作用，導致該區域發育一系列規模較大、構造運動強烈的活動斷裂帶，如正誼關斷裂、賀蘭山東麓斷裂、賀蘭山西麓斷裂、黃河斷裂、三關口—牛首山斷裂帶、六盤山斷裂帶等。此外，該區域位于南北地震帶的北段，地震頻度高、強度大。歷史上這里曾發生過2次8級大震和3次7級地震，中強以上破壞性地震的文字記錄達三十多次（圖2）。這些大地震多發生在活動構造塊體的邊界，震源深度集中在5～25 km。因此，研究該區域地殼上地幔結構和介質物性特征，揭示地震發生的地質構造背景及其與殼幔構造的關系可以為該區域的強震發生機理研究提供依據。

自20世紀70年代以來，地球科學工作者在青藏高原東北緣、鄂爾多斯地塊和阿拉善地塊及其附近采用人工地震測深、重力、航磁、大地電磁測深、天然地震等方法和技術進行了大量的深部地球物理探測工作，獲得了一批有價值的科研成果。另外，城市活動斷層探測工作在銀川盆地中北部還進行了上地殼三維折射成像和斷層透射成像研究工作，揭示了該區域上地殼2D、3D結構及其與構造的關系。本文在歸納總結的基礎上介紹不同探測方法在這一區域所取得的研究成果，理清該區域深淺部構造背景和地球物理特征，為進一步研究強震區地殼上地幔結構、介質物性特征以及強震發生與殼幔構造的關系提供依據。測線分布見圖3。

圖1 新構造分區圖Fig.1 Neotectonic zonation

1 銀川—吉蘭泰斷陷帶［1－7］

圖2 歷史地震分布圖Fig.2 Distribution of historical earthquakes

圖3 寧夏及鄰區各種探測方法測線分布Fig.3 Distribution of survey lines with different detection methods in Ningxia and adjacent area

銀川—吉蘭泰斷陷帶由吉蘭泰地塹、銀川地塹和賀蘭山地壘組成，右行斜列，總體走向北偏西。其中銀川地塹地殼厚度36～43km，盆地上地殼橫向不均勻性強烈，上地殼構造橫向變化與盆地地表地貌形態一致性較好。臺陣結果顯示盆地基底呈東西淺、中部深的界面形態，且西陡東緩，最深處大致位于蘆花臺至西大灘一帶，埋深達7km；南北向深度變化不大，上地殼的整體走向與地表構造方向一致。上下地殼間存在一強烈反射界面，其地層結構和地質構造明顯比上地殼簡單，表現出變質巖系的地層特征。下地殼由高速層、低速層和一個較強的梯度層組成，高速層厚約1～3km，低速層厚約10～15 km，同時在下地殼中存在一條長近80km的低速異常體。深地震反射探測研究結果顯示，銀川盆地深部有2條深大斷裂，這兩條斷裂均切穿Moho界面，并造成銀川盆地殼幔結構東西兩側淺中間深的凹形，且東側過黃河斷裂后Moho面相對盆地中部和賀蘭山下方更淺。布格重力異常結果顯示該區域呈重力負異常，莫霍面等深線走向為NE向。從該區的北、西、南三面看，銀川盆地處于莫霍面的隆起地帶。航磁特征顯示該區域為一面積較開闊的平靜弱磁場區，異常總體走向NE。大地電磁測深結果認為在上地幔頂部仍有高導層存在。與東側鄂爾多斯地臺和西側阿拉善地臺相比，銀川地塹下方上地幔第一高導層明顯上隆。地熱資料顯示由于軟流層和莫霍面上隆，導致深部熱流上涌，高溫熔融物質向上地殼傾位，導致相應部位溫度上升，使得地殼深部具有較高的溫度。深部溫度計算結果顯示銀川盆地與華北盆地溫度相當，反映盆地主要受東部新太平洋斷裂—引張型動力體系的影響。1739年銀川—平羅8級大震的發生與該區域復雜的地殼結構特征密不可分。

吉蘭泰盆地內部構造簡單。區域重力異常圖上吉蘭泰地區為異常變化極為平緩的地區，地殼厚度變化不大，為47～48km，地殼深部構造亦簡單。在布格重力異常圖上，吉蘭泰盆地表現為形似平行四邊形的重力低值區。銀川—吉蘭泰斷陷帶的區域垂直形變場特征以下降為主，形變帶呈NNE走向。

銀川—吉蘭泰斷陷帶內發育的一系列斷裂中，NNE至NE向斷裂有黃河斷裂、銀川隱伏斷裂、蘆花臺隱伏斷裂、賀蘭山東麓斷裂和巴音烏拉山斷裂。該組斷裂或控制地塹邊界或隱伏于盆地內側，是銀川吉蘭泰斷陷帶內最發育的一組斷裂；NW向斷裂有三關口—牛首山東麓斷裂，主要分布在銀川地塹南部；EW向斷裂有正誼關斷裂，位于銀川地塹北端。已有研究表明，賀蘭山東麓斷裂切穿上地殼進入下地殼，黃河斷裂是一條切穿Moho界面的深大斷裂［5］。

2 阿拉善地塊［1－4，7］

阿拉善地塊是一個長期處于隆起狀態，構造性質較為穩定的構造單元。該地塊的地殼速度和層厚度明顯大于銀川盆地，地殼總厚度約為42～46km，其中上地殼厚約15km左右，中地殼的深度范圍在15～25km左右，下地殼的深度范圍在25～45km左右，莫霍面自東向西有逐漸加深趨勢。該區域地震波速度變化不大，層析成像結果顯示青藏塊體東北緣沿張掖、海原、平涼一線在50km深度有P波速度擾動圖像為負的速度異常，在65km深度則為正的速度異常，推測阿拉善地塊存在活化可能［7］。電磁測深結果顯示該區域電性層結構平穩，地殼底部高導層約在30～40km深處。地熱資料顯示該區域與銀川—吉蘭泰斷陷帶地表熱流值接近，但以地殼熱流為主，而銀川盆地地幔熱流貢獻率相對較高，反映出地幔熱物質與強震的發生關系密切。

3 鄂爾多斯地塊西緣［3－4，8－12］

鄂爾多斯地塊在構造上相當完整且相對穩定，無大規模的構造變形，地震活動較弱。各種地球物理探測資料都表明其殼幔結構相對簡單，具有整體穩定的特點。在寧夏鹽池、陜西定邊一帶上地殼厚度為11～12km；中地殼為一勻速層，厚度為8～10 km；下地殼厚度為18～22km，莫霍面起伏不大，深度為40～43km。地塊西側下地殼中存在一明顯的高導層，但地震波速變化不大，推測是含鹽流體引起的。由天然地震面波解釋和大地電磁測深解釋獲得的軟流圈頂面的深度在125～135km左右。地熱資料顯示該區域地表熱流值略低于阿拉善地塊，地熱特征相似，主要以地殼熱流為主。

4 青藏塊體東北緣弧形構造束區［1，3，9，11－17］

該區域地殼厚度總體變化趨勢是自西向東逐漸變薄，自南向北增厚，中間起伏較大，Moho面埋深從西吉的約46km減薄至六盤山的約43km。人工地震測深結果顯示上地殼在六盤山處有一較厚低速層，該層最厚處達17km，平均11km，低速層速度約5.9km／s，中下地殼多處顯示有低速體存在。在六盤山至西吉一帶Moho面呈上隆形態，埋深約43 km。六盤山東西兩側速度的橫向差異較大，在深達200km處仍存在低速異常，橫波分裂結果顯示該區域上地幔各向異性強烈，地殼結構存在明顯的分塊特征。臺陣結果顯示海原斷裂以東到羅山東麓斷裂地區上地殼無明顯低速層存在，1920年海原地震區西側的多數臺站下方存在明顯的上地殼低速層，且橫向變化明顯。1970年以來該地區大多數地震都發生在圍繞上地殼低速體并偏向高速體一側，海原附近上地殼低速層在海原斷裂下方最為明顯。海原地震區及其兩側地區Moho面結構復雜，橫向變化劇烈，平均深度大約48km，認為海原地區淺部構造受到了地殼深部及上地幔的影響［13］。布格重力異常結果顯示局部重力低值區位于同心—固原—六盤山重力梯級帶的西側，重力資料反演得到的Moho面等深線顯示沿同心—固原—六盤山重力梯級異常帶的Moho面深度由東側的43km急劇加深至48 km。另外在海原—鹽池一帶Moho面向NE方向轉折，可能反映了深部構造上的變化。大地電磁結果顯示該區域電性結構復雜，地殼中有多個低電阻率層，而且在不同深度上有多個低電阻率層，如海原、西吉蒙宣等地。自月亮山南麓斷裂帶至三關口—牛首山斷裂帶的青藏高原東北緣弧形構造束區域，深部電性結構與地表地質構造樣式具有較好的一致性。該區域電性結構存在明顯的東西分帶、南北分塊特征，中強地震的分布與殼內低阻帶密切相關，位于殼內低阻帶附近并靠近高電阻率區域［15，17］。地熱資料顯示該弧形構造區大地熱流值均比銀川盆地、鄂爾多斯地塊西緣和阿拉善地塊高。有歷史記載以來該弧形構造束區域發生過多次大地震，如1561年中寧7級地震、1622年固原北7級地震、1709年中衛南7級地震和1920年海源8級地震。

青藏高原東北緣由東北向西南發育多條弧形斷裂，依次是牛首山—羅山活動斷裂帶、煙洞山活動斷裂帶、香山—天景山活動斷裂帶和海源活動斷裂帶，斷裂走向NWW—NNW，總體凸向NE方向，該弧形斷裂束晚第四紀以來活動強烈。

5 結論和討論

強震多發生在高低速異常區的交界地帶和低速體上部的地殼內。這些區域地殼厚度和波速變化梯度較大，地塊間的差異運動最強烈，且往往伴隨有低速異常體。深部物探資料顯示，大地震震源區往往存在上地幔高導層隆起的現象，反映該處具有高的熱流背景，地幔下部高溫物質上升致使部分巖石軟化或熔化，造成上地幔隆起，巖石圈變薄。地溫場研究表明，地震多發生在高地溫分布區和地溫變化陡變帶上，地溫異常和地震之間有著十分緊密的聯系。因此高熱流背景下的地熱梯度帶是易于發生較大地震的地方。本文梳理了近四十年來地震科研工作者在寧夏及鄰區所做的人工地震測深、重磁異常探測、大地電磁測深探測、地熱資料以及部分區域臺陣反演結果。總體來看，阿拉善地塊和鄂爾多斯地塊西緣相對穩定，地震活動弱，銀川盆地和青藏塊體東北緣弧形構造區地震活動強烈。銀川盆地深部物探結果顯示上地幔沿EW向呈凹形上隆，地熱流資料支持地幔熱流為該地區主要地熱貢獻的觀點。地殼中存在較大范圍的低速異常體，從另一方面說明銀川盆地地震活動活躍。青藏高原東北緣弧形構造區從空間位置看處于活動塊體的邊界和重磁異常的陡變帶，天然和人工地震研究顯示該地區地殼起伏變化劇烈，低速體在地殼不同深度存在，殼幔過渡帶存在明顯的巖漿底侵作用，地熱資料認為上地幔呈上隆形態。

總之，地殼深部斷裂、中下地殼低速層、上地幔頂部隆起、重磁異常變化梯度帶、Moho面較大的起伏以及復雜的殼幔過渡帶等構造特征與該區域強震的形成和發生存在較為密切的關系。

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