利用剖面淺析鄂爾多斯西南緣Q值與斷層展布的關系

師海闊，張立恒，楊學鋒，賀永忠

（寧夏回族自治區地震局，寧夏 銀川 750001）

0　引言

品質因子Q值可用來精確測定地震的震源參數、預測地震動強度、監測核爆炸，以及估計地震危險性[1-4]，等。同時，Q值更有助于研究者對與地球內部的成分和物理條件有關的地震波衰減的物理機制的理解與研究[5-6]。在構造活動地區，Q值亦可用于調查區域構造特征和地下結構[7]。

由于地震波在地球內部傳播，當在其傳播路徑上所遇到的地下介質的成分或物理性質不同時，所產生的衰減效應也不盡相同。所以，結合地下速度結構等其他的地球物理參數，三維Q值成像方法能夠更加真實地反映Q值沿傳播路徑的變化情況，從而使人們可能更加深刻地認識地下介質的組成及其物理性質的不均勻性。在斷裂帶密集地區，Q值通常較低；在一些斷裂帶兩側，Q值的分布也會出現明顯的陡變現象。已有研究表明，在低Q值或Q值發生明顯變化的區域，在其對應深度通常有斷層展布[8-11]，因此，可利用Q值的這一特性來推測震源區一些隱伏斷層的分布。

近年來，利用前期積累的大量的模擬地震波資料及日漸豐富的數字化地震波形數據，已經有很多地震工作者對鄂爾多斯西南緣及其鄰區的地殼或上地幔Q值結構進行了研究。比如：寧夏及鄰區、甘東南地區、渭河盆地和陜西地區[10-15]。以上研究所獲得的Q值結果大多為區域平均Q值結果，但對區域內Q值分布的不均勻特征研究較少，并極少有討論Q值斷層的關系。在本研究中，將利用層析成像技術，通過剖面獲得鄂爾多斯西南緣Q值的垂向和橫向不均勻性，并探討其與斷層展布之間的關系。

1　Q值成像理論和計算方法

地震波位移譜可用下式表示：

2　資料選取和處理

本文研究區域的范圍（104o～111oE，33o～38oN）包括鄂爾多斯地塊以及其西南緣的祁連山加里東造山帶、秦嶺印支造山帶和渭河斷陷盆地帶（圖1）。研究區基本上位于中國版圖的正中心，其北部為青藏塊體東北緣與鄂爾多斯地塊的交匯區，南部為古生代和中生代的碰撞造山帶，南北兩側分別與揚子陸塊和華北陸塊相接，區內活動斷裂帶分布密集且發育較好，構造活動強烈。歷史上曾經發生過多次6級以上破壞性地震，且現代中等地震活動也很頻繁。

本研究計算通過甘肅省地震局蘭州地震研究所張元生老師研發的3Dtomography軟件來實現[10-11]，地震目錄及震相報告來自于全國地震編目系統，所使用的地震波形數據由中國地震局地球物理研究所“國家測震臺網數據備份中心”提供[18]。抽取的數據包括由寧夏回族自治區、甘肅省和陜西省數字地震臺網的52個采樣率均為100Hz的基巖臺站的寬頻帶地震計所記錄的2529個地震的三分向波形記錄。地震數據起止時間為2009年1月至2015年11月，震級范圍為ML1.8～6.7，震中距小于800km。

對所選取的地震進行進一步挑選，首先，應用msdp軟件逐一打開地震事件，挑選出波形記錄清晰、信噪比較高且至少被3個臺站記錄到的地震波形，剔除余震，并核對地震報告，刪除記錄不清晰或誤差較大的震相，這樣共挑選出符合條件的有1847個地震事件的21018條Pg波到時數據。

考慮到傳統定位方法得到的地震深度數據不甚準確，在本研究中，在獲得研究區域三維速度結構的基礎上，應用三維網格搜索法對上述挑選的地震事件進行重新定位（主要是對于深度的修正）[10,11,19]，最后共篩選出1820個地震事件的16156條Pg波到時數據，作為最終參與Q值反演的地震波數據資料（圖2-3）。因為本研究所選臺站均為基巖臺站，場地的放大倍數比較接近[20]，故在本文中場地響應項作簡化處理。

為了更好地討論Q值的橫向變化，本文將研究區劃分為0.5o×0.5o的等間距網格，采用crust 1.0作為計算三維Q值的初始速度模型，并通過插值運算，將其轉換成研究本區域三維Q值結構的速度模型。在深度方向，采取不等間距的網格劃分，在研究區域的上部，即沉積層—上地殼，層間距為5km；在中部，即上地殼—中地殼，層間距為10km；在下部，即中地殼—自由界面，厚度為50km。

圖1　研究區大地構造分區及其地理位置示意圖（副圖中框內為研究區域）Fig.1　 The schematic diagram of the geotectonic partition and the geographical location in the study area（The study area is in the blue dotted line of the auxiliary chart）

3　剖面Q值層析成像

為了深入剖析Q值與地震斷層在深部展布的關系，筆者在研究區切出了6條剖面（圖2），并分別作出了頻率在6Hz、8Hz、10Hz、12Hz、14Hz上的Q值隨深度變化的圖像（圖4-9）。由于本研究區地震深度基本上都在25km以內，故本研究只給出0～25km深度范圍內的Q值分布結果。可以看出，隨頻率升高Q值也逐漸增大，但是在各頻率點的Q值變化形態非常相似。

圖2　研究區臺站、地震、斷層及剖面分布圖Fig.2　 The distribution diagram of stations, earthquakes,faults and profiles in the study area

圖3　研究區地震臺站射線分布圖Fig.3　 The distribution diagram of rays between earthquakes and stations in the study area

3.1　P1剖面Q值分布特征

剖面P1全長173.6km，起始于甘肅靖遠，橫切海原斷裂（F6）、香山—天景山斷裂（F5）、煙筒山斷裂（F4）和羅山東麓斷裂（F2）四條斷裂帶，終點位于寧夏同心。發生在該剖面的地震主要在5～20km深度范圍內分布。

Q值整體隨深度增加呈梯度上升趨勢。在橫向上，在28km下方的海原斷裂（F6）處，Q值發生突變，海原斷裂（F6）以西Q值顯示為高值狀態，以東其值則較低，之后隨著距離的增加，Q值慢慢升高；但是在90km下方的香山—天景山斷裂（F5）處，Q值又發生明顯的陡變現象，在香山—天景山斷裂（F5）以東，垂向Q值隨深度變化出現明顯的分層結構，在深度18km以下呈現出一個高Q值隆起帶，以上則顯示出明顯的低Q值狀態，這與該區段地震隨深度分布情況比較一致，低Q值則地震分布比較密集（圖4）。

圖4　P1剖面Q值分布Fig.4　 The distribution of Q values in the P1 profile

3.2　P2剖面Q值分布特征

剖面P2全長221.7km，起點位于甘肅臨洮，穿過馬銜山斷裂（F10）、會寧—義崗斷裂（F9）、六盤山斷裂（F7）和云霧山斷裂（F8）四條斷裂帶，終點位于寧夏固原。發生在該剖面的地震主要集中在云霧山斷裂（F8）附近，且主要在10～25km深度范圍內分布。

Q值在剖面的最南端出現高值，隨深度增加，此處Q值略有下降，但仍顯示出比較高的水平；在40km處，Q值出現橫向陡變；在40～120km區間范圍內，基底以下自會寧—義崗斷裂（F9）處Q值出現一個高值隆起帶，在基底以上則呈現出低值狀態；再往東130～190km距離范圍內Q值一直保持低值；直至剖面尾端處Q值又開始略微升高（圖5）。

圖5　P2剖面Q值分布Fig.5　 The distribution of Q values in the P2 profile

3.3　P3剖面Q值分布特征

剖面P3全長162km，起始于甘肅舟曲，終止于甘肅武山，其間穿過的斷裂帶有迭部—白龍江斷裂（F15）、光蓋山—迭山南麓斷裂（F14）、光蓋山—迭山北麓斷裂（F13）、臨潭—宕昌斷裂（F12）和西秦嶺北緣斷裂（F11）五條斷裂帶。該剖面內地震在0～25km深度范圍均有散布，且在100～130km區段有一個地震密集區。

Q值在該剖面0～50km區段有一個垂向梯度變化帶，隨著深度增加，Q值也逐漸升高，且在15km左右深度，Q值表現出明顯的分層現象；在50km處的光蓋山—迭山北麓斷裂（F13）以北，在15km左右深度上方Q值突然由低變高，在此深度下方Q值則繼續保持著較高的水平；在100～130km區段，出現一個低Q值凹陷區，在此區域范圍內地震分布比較密集，深度基本在5～25km范圍內，故推測在100km處，或有一條隱伏斷層存在于中上地殼（圖6）。

3.4　P4剖面Q值分布特征

剖面P4全長211.7km，起始于甘肅武都，終止于甘肅甘谷，其間有5條斷裂帶穿過，分別是文縣斷裂（F16）、康縣北斷裂（F17）、成縣盆地北緣斷裂（F19）、禮縣—羅家堡斷裂（F21）和西秦嶺北緣斷裂（F11）。該剖面內地震主要集中在5～25km深度范圍，且在180km處西秦嶺北緣斷裂（F11）地震比較密集。

Q值在剖面最南端的文縣斷裂（F16）的深部有一高Q值區；在康縣北斷裂（F17）、成縣盆地北緣斷裂（F19）和禮縣—羅家堡斷裂（F21）下方，Q值呈現出低值—高值—低值的變化趨勢，但這種趨勢變不是十分明顯；在西秦嶺北緣斷裂（F11）以北，在15km左右深度下方出現一個高Q值隆起區（圖7）。

圖7　P4剖面Q值分布Fig.7　 The distribution of Q values in the P4 profile

3.5　P5剖面Q值分布特征

剖面P5全長317.4km，自研究區最南端的甘肅康縣一直延伸至中部的寧夏彭陽，其間穿過的斷裂帶有：文縣斷裂（F16）、康縣北斷裂（F17）、成縣盆地南緣斷裂（F18）、成縣盆地北緣斷裂（F19）、麻河沿斷裂（F20）、西秦嶺北緣斷裂（F11）、隴縣—寶雞斷裂（F22）和云霧山斷裂（F8）。該剖面內地震在0～25km深度范圍內均有發生，且在云霧山斷裂（F8）附近有一個小震群出現。

Q值在該剖面上變化較大。0～35km段，Q值在垂向上表現出明顯的梯度變化；在60～220km段基底以下，以西秦嶺北緣斷裂（F11）為界出現兩個明顯的高值隆起帶，在此區段地震分布較少；在230～275km段出現一個低值條帶，經過280km處的云霧山斷裂（F8）后Q值又呈現出比較高的水平。Q值在該剖面的分布表現出明顯的橫向不均勻性，且較劇烈的橫向梯度變化均是在斷層附近發生。地震分布也主要集中在低Q值地區或Q值變化較大的區域（圖8）。

圖8　P5剖面Q值分布Fig.8　 The distribution of Q values in the P5 profile

3.6　P6剖面Q值分布特征

剖面P6為一條沿著秦嶺北緣斷裂帶的近東西向展布的剖面，全長約509km。該剖面起始于甘肅漳縣，終止于陜西藍田，經過的斷裂帶分別為：西秦嶺北緣斷裂（F11）、隴縣—寶雞斷裂（F22）、渭河北山山前斷裂 （F23）、扶風—禮泉斷裂（F24）、渭河斷裂（F26）、臨潼—長安斷裂（F38）和華山山前斷裂（F35）。該剖面內地震主要集中在西秦嶺北緣斷裂（F11）附近，深度范圍主要為5～25km。

Q值在橫向上差異明顯，且變化比較劇烈。在剖面西端Q值變化比較劇烈。0～130km區段的西秦嶺北緣斷裂（F11）周緣為低Q值區，與該區段范圍內存在密集的弱震分布相對應；在140～220km段為一高Q值條帶，顯示出該區穩定的地下結構；280～380km段出現一個高Q值隆起區；其余地區Q值變化較為緩慢（圖9）。

圖9　P6剖面Q值分布Fig.9　 The distribution of Q values in the P6 profile

4　剖面Q值結果分析

從剖面Q值分布圖可以看出，Q值在斷裂帶兩側會出現明顯的差異，顯示出一定的橫向不均勻性。另外，Q值分布與地震深度分布有關，一般地，地震密集分布的深度范圍其Q值比較低，反之，則Q值較高。則可通過Q值在深度上存在的明顯陡變推測隱伏斷層在地下切割的深度范圍。

剖面P1的圖象結果顯示，在海原斷裂（F6）兩側，Q值表現出明顯的橫向變化，尤其在深部，變化更為劇烈，顯示出該斷裂帶切割較深，在其北側Q值較低，表明其內部介質比較破碎，著名的1920年海原大地震曾發生于此；其南側Q值較高，說明該區地殼構造性質相對比較穩定。在香山—天景山斷裂（F5）兩側，Q值也出現明顯的陡變態勢，但這種變化只是在淺部0～15km發生，故此映射出此斷裂切割較淺。

剖面P2在0～40km下方的定西地區顯示出高Q值的狀態，該區以東基底以下Q值繼續保持高值狀態，大地電磁測深資料表明，該區的會寧、定西地區在地殼內缺失低阻層，可將此地區地殼視為剛性地殼，完整性較好[8]；但基底以上卻轉變為低值狀態，顯現出一個低Q值的凹陷帶，推測在40km下方淺部或有一條隱伏斷層存在。

剖面P3整體Q值較低。在100km兩側，Q值在基底以上出現比較明顯的變化，且在其東部區域，存在一個地震密集帶，故推測在剖面100km下方有一條隱伏斷層存在于上地殼淺部。

剖面P4以西秦嶺北緣斷裂（F11）為界，表現出北高南低的態勢。其中，該斷裂以北地區磁場強度較小，介質變化比較穩定，且地殼內缺失低阻層，為一較完整的地塊，故該區顯示出較高的Q值；斷裂以南地區Q值變化較小，且地震分布比較密集，1654年天水8級地震就發生在該地區的禮縣—羅家堡斷裂（F21），受大震影響，該區地殼介質比較破碎，故Q值較低[8]。

P5剖面在其北端為一地震密集帶，該區段處于六盤山斷裂（F7）、云霧山斷裂（F8）和隴縣—寶雞斷裂帶（F22）三條地震活動斷裂帶的交匯區，歷史上也有多次大震發生于此，故而該區地殼介質比較破碎，Q值較低；在西秦嶺北緣斷裂（F11）下方的天水地區，Q值在其基底以上為低值狀態，而基底以下則呈現高值隆起，這是因為該區低阻層僅存在于10km以上的地殼上部[8]，所以介質強度較弱，孔隙較為發育，含水較多，造成基底以上Q值降低；而地殼中部沒有低阻層，故而地殼中部介質性質比較穩定，Q值較高。

P6剖面在0～140km區段的岷縣及其附近地區顯示出低Q值狀態，而在140～220km下方的天水地區顯示有一高Q值條帶，且以140km為界，Q值從低值狀態突然變為高值狀態，因此推測在140km附近有一條隱伏斷層存在于中上地殼。在剖面東部為多個斷裂交匯地帶，故而地下介質較為破碎，Q值較低，故而推測在220km附近的清水—徽縣一帶的中上地殼存在一條隱伏斷裂。

5　結論與討論

通過對研究區Q值進行剖面分析，可深刻地反映出Q值隨深度的變化；并可通過Q值在縱向和橫向的變化，驗證已知斷層在地下的發展規模及推測可能存在的隱伏斷層。在海原斷裂（F6）兩側，Q值表現出明顯的橫向變化，尤其在深部，變化更為劇烈，顯示出該斷裂帶切割較深；在香山—天景山斷裂（F5）兩側，Q值在0～15km深度出現明顯的陡變態勢，故此映射出此斷裂為一條淺部斷裂；會寧—義崗斷裂（F9）切割較深，Q值的橫向陡變發生在15km以下；岷縣地區地震分布密集，且在此區域內存在一個低Q值凹陷帶，故推測在此區域有一條隱伏斷裂存在于中上地殼；另外，根據航磁資料發現在研究區存在西吉—清水斷裂，該斷裂規模較小[8]，本研究剖面結果則顯示該斷裂或可延伸至清水—徽縣一帶。

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