利用小震和GPS資料分析冷龍嶺地區(qū)現(xiàn)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(jiān)測中心，陜西 西安 710054)

0 引言

冷龍嶺地區(qū)位于青藏高原東北緣的構(gòu)造轉(zhuǎn)換樞紐部位，地處高海拔偏遠(yuǎn)地區(qū)，地質(zhì)與氣候條件惡劣，同周圍具有強(qiáng)震活動背景的古浪斷裂、海原斷裂、金強(qiáng)河斷裂以及老虎山斷裂等相比，目前有關(guān)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(jié)果表明：該區(qū)歷史上曾經(jīng)發(fā)生3次古地震，最近的7.2級古地震發(fā)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(zhì)的認(rèn)識還存在不足。前人對冷龍嶺斷裂帶晚第四紀(jì)以來滑動速率存在較大爭議，研究結(jié)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(rèn)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(cè)先后發(fā)生2次門源6.4地震，但地震的震源機(jī)制解性質(zhì)與冷龍嶺斷裂走滑運動性質(zhì)有所差異，推斷可能是由冷龍嶺北側(cè)的弧形次生斷裂引起的。未來一段時間該地區(qū)仍然會是中強(qiáng)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(yīng)用到活動斷裂空間展布、深淺構(gòu)造分析及動力學(xué)機(jī)制研究領(lǐng)域(房立華等，2013a，b)。震源深度剖面的延伸狀態(tài)和分布狀態(tài)在一定程度上反映了活動斷裂的深部產(chǎn)狀。震源機(jī)制解是深刻了解震源斷層動力學(xué)特征、構(gòu)造應(yīng)力場狀態(tài)的有效途徑(莊文泉等，2021)。GPS地表應(yīng)變率場與強(qiáng)震的發(fā)生存在一定關(guān)系(江在森等，2006)，應(yīng)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(qū)多條斷裂的空間展布形態(tài)和深部產(chǎn)狀，結(jié)合震源機(jī)制解信息揭示的區(qū)域應(yīng)力場和GPS資料揭示的應(yīng)變率場，分析探討冷龍嶺地區(qū)主要斷裂的幾何結(jié)構(gòu)和現(xiàn)今地殼變形特征，從而更好地認(rèn)識冷龍嶺地區(qū)在青藏高原東北緣構(gòu)造形變中的轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)機(jī)制和意義，為研究青藏高原東北緣的構(gòu)造變形模式、地震破裂行為以及地震危險性提供基礎(chǔ)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(qū)≥1.0的中小地震進(jìn)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(shù)目，是地震數(shù)；是雙差資料矢量；是含有待定震源參數(shù)的變化量；是一個用來對每個方程加權(quán)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(shù)。本文雙差定位使用的速度模型參考了冷龍嶺斷裂及鄰區(qū)的人工地震測深和地震層析成像結(jié)果(張元生等，2004；Yang，2012；黃興富，2017)，最終獲得了冷龍嶺地區(qū)5 450個地震的重新定位結(jié)果。

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

GPS數(shù)據(jù)主要來自中國大陸地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)工程項目1999—2019年的觀測資料，此外還有國家GPS大地控制網(wǎng)絡(luò)和甘肅省測繪局自建站2014—2018年的GPS觀測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)解算采用GAMIT/GLOBK軟件進(jìn)行：①利用GAMIT軟件解算獲取GPS區(qū)域站和70個IGS參考站的點位坐標(biāo)、衛(wèi)星軌道等參數(shù)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(fù)荷及對流層天頂延遲；②對ITRF2014框架下的GPS速度進(jìn)行擬合，利用線性函數(shù)和加權(quán)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(yīng)變率穩(wěn)健估計方法(Median Estimation of Local Deformation，簡稱MELD)計算了該區(qū)域的應(yīng)變率場。

2 研究結(jié)果

2.1 冷龍嶺地區(qū)的斷裂深部結(jié)構(gòu)

圖1為冷龍嶺地區(qū)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(jīng)雙差定位后的地震集中、緊湊地分布在斷裂帶兩側(cè)區(qū)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(wěn)定(國家地震局地質(zhì)研究所，1993；陳文彬，2003)，近十年來該斷裂幾乎沒有地震發(fā)生，地震空區(qū)現(xiàn)象明顯。

冷龍嶺斷裂位于北祁連褶皺帶內(nèi)，其北側(cè)為河西走廊過渡帶，其南側(cè)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(fā)生7.2級地震、1986年發(fā)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(cè)。由圖1b可以看出，門源地震余震震源深度呈連續(xù)狀態(tài)展布在5～15 km，傾向SW，這與梁姍姍等(2017)研究結(jié)果相近，與大地電磁揭示的冷龍嶺斷裂系統(tǒng)下方5 km深度開始出現(xiàn)SW向低阻體并向下延伸的結(jié)果對應(yīng)(趙凌強(qiáng)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(cè)，地震活動呈現(xiàn)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(zhì)以右旋為主兼具正斷性質(zhì)。斷裂東段為逆傾滑性質(zhì)，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(luò)區(qū)內(nèi)，沿皇城—雙塔斷裂兩側(cè)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(nèi)，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(cè)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(zhì)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(jié)果顯示，近十年來門源斷裂地震分布較少。

2.2 冷龍嶺地區(qū)的應(yīng)變率場和構(gòu)造應(yīng)力場

圖2是冷龍嶺地區(qū)相對于鄂爾多斯塊體的GPS速度場。由圖中可以看出，研究區(qū)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(zhuǎn)為NNW向。圖3是冷龍嶺地區(qū)主應(yīng)變率和剪應(yīng)變率、面應(yīng)變率和主壓應(yīng)力分布圖，圖3b中背景色負(fù)值為擠壓，正值為拉張。從圖3a可以看出，冷龍嶺地區(qū)的主應(yīng)變率為NE向的擠壓，與主壓應(yīng)力方向基本一致(圖3b)，自西向東順時針旋轉(zhuǎn)。冷龍嶺地區(qū)剪應(yīng)變率為(18～22)×10/a，峰值處位于冷龍嶺斷裂北側(cè)、皇城—雙塔斷裂以西以及民樂—大馬營斷裂東段，該區(qū)域處于各斷裂的交匯區(qū)域，斷裂活動性強(qiáng)。冷龍嶺地區(qū)面應(yīng)變率為(-20～-10)×10/a，呈現(xiàn)出明顯的擠壓特征，主應(yīng)變率表現(xiàn)為NE—SW向擠壓和NW—SE向拉張。

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

圖3 冷龍嶺地區(qū)主應(yīng)變率、剪應(yīng)變率(a)以及面應(yīng)變率、主壓應(yīng)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(qū)構(gòu)造特征

1986年8月26日和2016年1月21日在冷龍嶺斷裂北側(cè)發(fā)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(jī)制解反映出斷層具有明顯的拉張傾滑分量(徐紀(jì)人等，1986)，與區(qū)域整體近NE向的擠壓動力環(huán)境相悖。由于當(dāng)時觀測條件的限制，這次地震震源機(jī)制解的結(jié)果不盡相同，蘭州地震研究所科考報告給出的震源機(jī)制解為NW向逆傾滑破裂；而2016年門源6.4地震的震源機(jī)制解表明發(fā)震斷層走向為NW—NNW向，是純逆沖型地震。2次門源地震皆發(fā)生在冷龍嶺斷裂帶西北側(cè)的次級斷層上：1986年的地震發(fā)生在分支斷裂的西段，2016年的地震發(fā)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(chǎn)生大規(guī)模的地表破裂。這2次地震的發(fā)震斷層走向與斷層破裂所揭示的斷層力學(xué)特征對比非常明顯，且都區(qū)別于冷龍嶺斷裂帶的左旋走滑運動性質(zhì)。

為了更深入了解這2次地震發(fā)震構(gòu)造的區(qū)別，還需要結(jié)合深部地球物理學(xué)資料。冷龍嶺地區(qū)南北兩側(cè)存在明顯的重力梯度異常現(xiàn)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(xiàn)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(qū)在青藏高原NE向擠壓應(yīng)力下，地殼發(fā)生強(qiáng)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(shù)獲取了祁連山地區(qū)地殼及上地幔頂部的速度結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)冷龍嶺地區(qū)中上地殼速度結(jié)構(gòu)存在強(qiáng)烈的不均一性和差異性。在102°E附近地區(qū)，10 km深度速度切片顯示出明顯的東西兩側(cè)的速度差異帶；20 km深度速度切片顯示，冷龍嶺地區(qū)相對于南側(cè)地區(qū)存在明顯的高速異常。趙凌強(qiáng)等(2019)利用大地電磁技術(shù)獲取了冷龍嶺斷裂及鄰區(qū)的二維電性結(jié)構(gòu)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(qū)下存在較寬的SW向低阻體，斷裂南部為中低阻混合構(gòu)造帶。冷龍嶺斷裂帶及北部祁連山區(qū)域均表現(xiàn)為完整的不易變形的高阻結(jié)構(gòu)。

已有的地質(zhì)和地球物理研究結(jié)果均表明冷龍嶺地區(qū)南北兩側(cè)存在顯著的不均一性和差異性。冷龍嶺地區(qū)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(cè)完整的高阻結(jié)構(gòu)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(guān)系，斷層不同構(gòu)造部位的應(yīng)力應(yīng)變也顯著不同，再加上該區(qū)域南北兩側(cè)中下地殼深部構(gòu)造結(jié)構(gòu)的不均一性和差異性，促使冷龍嶺斷裂北側(cè)區(qū)域中下地殼介質(zhì)處于一種強(qiáng)烈的擠壓變形構(gòu)造環(huán)境中，這種環(huán)境促進(jìn)了冷龍嶺斷裂北側(cè)區(qū)域地震的蠕動、滑移和發(fā)生。這種動力學(xué)環(huán)境可能是門源6.4地震發(fā)生的主要原因。

本文中小地震重定位結(jié)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(qū)現(xiàn)象明顯，而地質(zhì)研究認(rèn)為民樂—大馬營斷裂全新世以來相對穩(wěn)定(國家地震局地質(zhì)研究所，1993)。皇城—雙塔斷裂西段和東段地震基本上發(fā)生在地下15 km以內(nèi)，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(gòu)造位置特殊，斷裂交匯錯雜，南側(cè)為逆—走滑性質(zhì)的冷龍嶺斷裂，東側(cè)為擠壓—逆沖兼走滑性質(zhì)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(gòu)造特征斷裂和深部介質(zhì)結(jié)構(gòu)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(jié)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(xiàn)今滑動速率約為3.9 mm/a(圖4)，與Zheng 等(2017)研究結(jié)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(fā)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(jié)論

本文通過分析冷龍嶺地區(qū)的中小地震重定位結(jié)果以及區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場和應(yīng)變率場等結(jié)果，得到如下結(jié)論：

(1)冷龍嶺地區(qū)相對于鄂爾多斯塊體整體往NE向運動，剪應(yīng)變率為(18～22)×10/a，峰值處位于冷龍嶺斷裂北側(cè)、皇城—雙塔斷裂以西及民樂—大馬營斷裂東段，該區(qū)域處于各斷裂的交匯部位，斷裂活動性強(qiáng)。然而，該區(qū)域近十年來小震活動弱，地震空區(qū)現(xiàn)象明顯。冷龍嶺地區(qū)的面應(yīng)變率為(-20～-10)×10/a，呈現(xiàn)出明顯的擠壓特征，主應(yīng)變率表現(xiàn)為NE—SW向擠壓和NW—SE向拉張。冷龍嶺地區(qū)的主壓應(yīng)力方向為NE向，與主應(yīng)變率揭示的主壓應(yīng)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(cè)，而中段和東段的小震主要集中在斷裂的南側(cè)。皇城—雙塔斷裂西段和東段地震基本上發(fā)生在15 km深度內(nèi)，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(gòu)造特征斷裂和深部介質(zhì)結(jié)構(gòu)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(xiàn)為左旋走滑運動，斷裂南側(cè)存在明顯的地殼縮短。平行于斷層的GPS速度分量呈現(xiàn)出明顯的震間“S”型變形特征，反映了該區(qū)域存在明顯的應(yīng)變積累。GPS速度剖面顯示冷龍嶺斷裂現(xiàn)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(fā)生7.2地震的危險性。

感謝中國地震局地震預(yù)測研究所潘正洋博士提供震源機(jī)制解數(shù)據(jù)。