2017, Vol. 37
2. 河北省地震局, 石家庄市槐中路262号, 050021
鄂尔多斯地块位于华北克拉通块体内部，南邻南华块体，西南部与青藏高原相接，是中朝地台活化后残存的古克拉通，也是中国陆内著名的稳定块体。鄂尔多斯地块内部构造活动微弱，周边地震活动强烈，有历史记载以来共发生19次7级以上强震，最大的地震是1920年发生的宁夏海原8.5级大地震[1]。这些地震集中分布在块体周缘活动断裂带和断陷盆地带内，与块体周缘复杂的地质构造背景和动力学过程密切相关。基于新生代盆地的演化、现代地震活动以及区域应力场特征等，众多学者对鄂尔多斯地块周缘新生代断陷盆地形成的动力学演化机制进行了探讨[2-13]。
已有的研究表明，鄂尔多斯地块周缘断层性质、震源机制解和应力场分布具有复杂的特性[14-29]。然而，受以往观测台站稀疏或模拟记录等观测资料的限制，鄂尔多斯周边地区震源机制研究大多涉及中强地震或局部地区的小震震源机制，缺乏系统的震源机制解研究工作。2008年以来，随着中国数字地震观测台网正式运行和台站加密，地震观测资料数量和质量有了大幅度提高，为深入研究鄂尔多斯周缘断层深部性质和构造应力场提供了新的机遇。Li等[30]利用不同方法得到143个地震震源机制解结果，结合GPS、野外地质和水准观测等资料对山西断陷带的应力场进行了详细分析。盛书中等[31]利用P波初动极性资料在单一地壳速度模型下求解综合断层面解，给出鄂尔多斯块体周缘10 km深部的精细地壳应力场，但块体西缘与东南缘的矛盾比较高和综合震源机制解类型的不确定性，岱海断陷带、山西断陷带中部和北部大面积的正断层类型都体现了过度平滑的特征，没有表现出构造应力场的局部差异性。本研究采用基于P波初动和S波振幅比的HASH方法，系统反演鄂尔多斯块体周缘及邻近地区2008-01-01~2014-06-21期间发生的1 700个ML2.5以上地震的震源机制解(作为该地区应力场和形变场研究的基础资料，数据向读者公开，http://pan.baidu.com/disk/home#list/path=%2F)。在获得大量中小地震的震源机制解的基础上，反演其应力张量和最大水平主压应力方向，讨论鄂尔多斯地块周缘及其邻近区域震源机制解空间差异性及其所反映的构造应力特征，为未来地震活动分析提供参考。
1 震源机制本文收集整理了鄂尔多斯块体及其邻近地区2008-01~2014-06的ML2.5以上距离震中200 km以内所有台站的数字波形资料[32]，见图 1。利用基于P波初动极性和S/P振幅比的HASH方法求取震源机制[33-34]。根据人工地震探测和远震接收函数的研究结果，鄂尔多斯地块周边的地壳厚度平均值为42 km[35-36]。为保证初至震相为Pg，数据处理时仅选择震中距150 km以内、信噪比大于3的数字波形资料。求解过程利用SAC软件人工读取了每个台站垂直向的初至波极性、到时及S波到时，利用和达法进行走时校验，编程实现自动量取满足条件的P波、S波振幅。采用单一的速度模型计算离源角，可能会造成较大的计算误差。参考前人的研究[37-39]，反演过程中采用分区速度模型(图 2)，获得了研究区域1 700个地震震源机制解，其中A类731个，占43%；B类544个，占32%；C类306个，占18%；D类119个，占7%，分类标准见表 1。因为D类的断层面不确定度较高，在后文的讨论中只采用了A、B、C 3类的结果。
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图 1 地震震中及断层分布 Fig. 1 The distribution of earthquake epicenter and seismic fault 圆表示震中位置,黑色线段表示断层. F1 牛首山北麓断裂;F2 黄河断裂;F3 银川Ｇ平罗断裂;F4 贺兰山东麓断裂带;F5 正谊关断裂;F6 狼山-巴音乌拉山东麓断裂;F7 色尔腾山山前断裂;F8 乌拉山山前断裂;F9 鄂尔多斯北缘断裂; F10 大青山山前断裂;F11 和林格尔断裂;F12 蛮汉山山前断裂带; F13 岱海-黄旗海南缘断裂带; F14 口泉断裂; F15 桑干河断裂; F16 恒山北麓断裂;F17 五台山北麓断裂;F18 系舟山山前断裂;F19 交城断裂;F20 太谷断裂;F21 霍山断裂; F22 罗云山山前断裂;F23 峨眉台地北缘断裂;F24 临猗断裂;F25 中条山北麓断裂;F26 渭河断裂;F27 秦岭北麓断裂;F28 华山山前断裂;F29 六盘山东麓断裂;F30 南、西华山北麓断裂;F31 天景山北麓断裂;F32烟筒山东麓断裂;F33 麻河沿断裂; F34 成县盆地南缘 |
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图 2 鄂尔多斯地块周缘不同区域的速度模型 Fig. 2 The crustal velocity model of Ordos block |
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表 1 震源机制解的分类标准 Tab. 1 Focal mechanism quality parameters are computed by the HASH program |
参照世界应力图的划分原则[43]，对1 581个地震的震源机制解进行分类，见表 2。结果表明，走滑断层型地震为777个，占49.15%；具有正断层型和一定走滑分量的正断层为430个，占27.20%；具有逆断层和一定走滑分量的逆断层为291个，占18.41%；过渡型为83个，占5.25%。鄂尔多斯周缘震源机制解类型以正断和走滑型为主，震源机制解类型的分布与活动断裂和地质构造有一定的关系，但也表现出明显的局部特征，见图 3(红色：正断和正走滑型；绿色：走滑型；黑色：逆冲和逆走滑型；紫色：过渡型)。破裂方向近乎均匀地散布在各个方位，这可能是由于地震震级小，震源体积也小，所释放的能量也少，较多地受局部因素的作用，尤其在各个盆地内部，震源机制解节面受盆地边界的断裂走向控制。西北缘的银川-吉兰泰断陷带P轴方位优势方向从北部的NNE过渡到南部的NE向，T轴优势方向大体与盆地走向垂直，震源机制解类型以走滑和正断型为主，石嘴山-乌海附近区域有少量的逆冲型和过渡型地震。鄂尔多斯西南缘的海原-六盘山断裂带，震源机制解类型兼具逆冲、走滑和正断3种类型，P轴方位存在NE和NNW两组优势方向。鄂尔多斯块体东缘的太原盆地以南中小地震的震源机制，除了有与拉分盆地对应的正断和走滑型以外，少量的逆冲型和过渡型地震在盆地内部呈条带集中分布。忻定盆地、大同盆地、河套地区中小地震活动方式均以拉张剪切为主，少量逆冲和过渡型散乱分布在盆地边界。几个断陷盆地的主张应力轴都接近水平；而在海原-六盘山断裂带附近，主张应力轴近于直立；块体的西边界，西南缘的挤压兼左旋走滑状态向右旋走滑的剪切拉张应力状态的过渡，使得震源机制类型变化多样，主压应力轴方位也呈弥散性变化，见图 4。
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表 2 震源机制解类型划分 Tab. 2 Categories of tectonic stress regime for focal mechanism |
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图 3 震源机制解空间分布 Fig. 3 Distribution of focal mechanism |
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图 4 P、T轴水平分量投影分布 Fig. 4 Horizontal projections of principal compressive P(left)axes and extensional T(right) axes of focal mechanism solutions in Ordos block |
将鄂尔多斯地块周缘地区划分成1°×1°的网格，利用MSATSI软件对每个网格内的震源机制解进行反演得到最佳的拟合应力张量。
2.1 阻尼系数的确定Hardebeck等[41]对不同的数据选取方式作过研究，发现在反演过程中加入最优阻尼系数，可以消除传统应力反演方法中人为因素带来的应力旋转，实现观测值与理论值的最佳符合，最大限度地减少相邻区域之间的应力差异。本文采用MSATSI软件包提供的方法[42]，通过设定一系列的阻尼值，得到应力场反演模型长度与数据拟合误差之间的折中曲线，见图 5。折中曲线的拐点(本文中e=1.2)即为最佳阻尼系数。拐点左侧，模型复杂程度提高，反演误差有所改善，但是观测值和理论值匹配度急剧降低；拐点右侧，随着模型的简化，反演误差会急剧增大。
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图 5 应力场反演模型长度-数据拟合误差之间的折中曲线 Fig. 5 Trade-off between model length and misfit, calculated from a discreet set of damping parameters 空心旁所标数字是阻尼系数e的取值,+字表示所选择的最佳阻尼系数 |
反演过程中，选取最佳的阻尼系数1.2，震源机制解个数少于6个的网格不参与应力反演。在95%的置信区间内对原始数据进行600次bootstrap重采样，利用2D阻尼区域应力反演技术获得每个网格的最佳构造应力张量，通过计算应力张量的特征值和特征向量得到每个网格内的应力主轴。采用Lund等[43]给出的公式得到每个网格点内的最大水平主压应力。图 6(红色表示正断层类型，绿色表示走滑类型，黑色表示逆冲类型；同时给出95%置信区间最大水平主压应力方向误差)为反演结果，给出了鄂尔多斯地块周缘最大水平压应力方向和应力状态，从中可以分析出地块周缘背景应力场的作用方式。
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图 6 鄂尔多斯地块周缘应力场反演结果 Fig. 6 Surface distribution of the stress field orientation in the Ordos block |
应力场反演结果表明，鄂尔多斯周缘应力状态以拉张为主，块体东、西、北边界最大水平主应力优势方位为NE-NEE向，与水压致裂、孔壁崩落、套心解除、断裂滑动矢量和地震地表破裂[3]基本特征相同，这一方位与青藏块体对本区的NE-NEE向挤压作用及太平洋板块在距今4 000万年以来的向西俯冲是一致的；与块体现今应力场的挤压方向一致[12, 26, 41, 45]，与利用中等以上地震震源机制解反演得到的应力场结果一致，与范俊喜等[16]和盛书中等[31]利用小震综合断层面解应力场得到的鄂尔多斯地块周缘拉张的应力状态及应力方向基本一致，但在块体的西北边界与一些局部地区存在着差异。具体表现为西北边界的南段应力状态为剪切，分析认为是因为此地近NS向活动断裂带在NE向的挤压应力作用下作右旋剪切运动。西南边界弧形断裂束受区内主要活动断裂——六盘山断裂带强烈的挤压性质及左旋走滑运动的影响，表现出了区别于鄂尔多斯地块周缘其他边缘的应力结构，既有近EW向拉张，又有NEE向挤压、剪切。块体北边界的河套断陷带在盆地内部从东往西应力方向发生了明显改变，盆地外部更为复杂，既有NE向的挤压，还有NW向的挤压。
3 鄂尔多斯块体周缘不同构造带的特征分析与讨论 3.1 银川-吉兰泰断陷带银川-吉兰泰断陷带内断层内发育着第四纪以来活动性最强的NNE、NE向断裂，它不仅控制地堑的形成，而且在NE向挤压应力作用下，近NS向断陷带作右旋剪切运动[11]，致使盆地内部和边缘发生走滑和正断层类型地震。银川附近区域震源机制解类型存在逆断层和过渡型，这与小震综合断层面解结果相一致[28]。出现这种现象的原因，目前推测其可能和该处有近东西向的正谊关断裂有关，其现代活动为挤压兼左旋走滑为主。从图 7震源机制解主压应力轴的投影分布看出，在银川-吉兰泰断陷带内P轴方位角从北向南总体表现为NNE至NE向和NW向，在吉兰泰盆地内还有少量NS向，银川盆地的北部近EW向，不同区段具有明显不同的构造动力学环境，不存在统一的东西向挤压和推覆，这与先前的研究结果基本一致[31, 47]，与盛书中等[31]利用P波初动综合震源机制解推断地壳内10 km处的P轴方位角近NS向具有明显的差异性。产生这种差异的原因可能是由于综合震源机制解平滑过渡或者深度差异，而单个震源机制解更能真实地表现应力场特征。
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图 7 鄂尔多斯块体西边界P、T轴空间分布 Fig. 7 Horizontal projections of principal compressive P axes and extensional T axes of focal mechanism solutions in the western boundary of Ordos block |
鄂尔多斯块体的西南边界P轴方位角大体上以NE至NNE向为主，T轴NW至NWW向(图 4)，P、T轴方位角的优势分布大体上和先前结果较为一致[16, 26, 28, 44, 50]。震源机制解类型较为复杂，几种类型在该区域均有，在海原-景泰断裂至牛首山断裂间，震源机制解类型大多为正断和走滑型(图 3)，与先前认为该区域的逆冲兼有左旋走滑性质不一致，具体原因还有待于进一步研究。差异最显著的地区当属甘肃平凉，逆冲型与该区域NNW向的六盘山挤压性构造和马东山断裂上盘发育了一条倾向西南的反冲断层密切相关，但在挤压构造区出现正断层型地震值得关注。赵凌云等[51]认为平凉地区地震为煤矿诱发地震，可能的发震机理为煤体压缩、顶底板拉伸、断层矿震等机制，大区域的构造运动和局部的煤矿开采影响联合作用，导致该区域各种类型震源机制解的地震均有发生。此处既呈现近EW向正断层类型的应力状态，也呈现出NEE向逆冲类型、走滑类型的应力状态，诠释了该区域复杂的动力学背景，既受到来自青藏高原的北东向挤压，又有来自鄂尔多斯东北角深部物质上涌形成的北西-南东向拉张力。
3.3 渭河断陷带渭河断陷带夹持在鄂尔多斯地块与秦岭山脉之间, 是分隔华北、华南地块一条重要的大地构造分界线。该区域的应力场主要为正断层类型，与盛书中等[34]综合震源机制解一致，而与区域内单个地震震源机制解类型以正断和走滑为主(图 3)有所差别。出现这种差别的原因可能是单个地震震源机制解是反映单个地震破裂的情况和受力特征，而综合震源机制解与应力场反演反映的是一个区域内的平均应力场。应力反演结果表明，秦岭造山带和渭河地堑两侧的最大水平主压应力是NWW-SEE和近EW方向与剪切波分裂[45]，区域内主要活动断裂走向展布一致。应力状态为正断层类型，进一步表明渭河断陷带现今的拉张应力状态。
3.4 山西断陷盆地带鄂尔多斯块体东边界的山西断陷盆地带，震源机制解类型总体上以纯正断和走滑型为主，在各个盆地内部震源机制解节面受盆地边界的断裂走向控制(图 3)。太原盆地震源机制解最为复杂，剪切拉张为主，少量逆冲型和过渡型地震在盆地内呈带状分布，呈现出不同于山西断陷盆地带的局部应力场特征。忻定盆地中小地震震源机制解以剪切拉张为主，这与区内主要活动断裂云中山、五台山和系舟山山前断裂的活动性相一致，表明该地区除了有显著的正断层活动之外，还有走滑断层在活动。区域应力反演结果表明，该区是一个正断层的应力状态，这与以前在忻定盆地的地质调查不太一致[46-47]，但与GPS的结果一致，忻定盆地只有明显的拉张，没有剪切分量[48-49]。忻定、太原盆地间的石岭关隆起存在少量逆断层地震，可能与大型右旋走滑断裂带岩桥区所特有的一种推挤构造相关[3-4]。大同盆地区内主要活动断裂有阳高-天镇，口泉、六棱山、恒山，这些具有走滑分量的正断层活动断裂控制着该地区的地震活动，使得该区域表现出与忻定盆地和太原盆地不同的区域应力状态，呈现走滑为主、少量正断层的应力状态。单个地震震源机制解和浅部基于多个地震震源机制解区域应力反演结果均表明，该地区呈现出走滑的应力状态，只在局部地区表现为拉张，造成这种状态也可能与大同盆地受火山喷发影响，下地幔物质上涌，导致俯冲的太平洋板块在地幔过渡带停滞不前，浅莫霍面不连续所造成的扩散应力场有关[50-51]。运城盆地北端霍州附近出现过渡型地震与盛书中等[31] P波初动综合震源机制解一致，呈现不同于山西地堑带的局部应力场特征。Li等[27]对山西断陷带的应力模式研究也表明，最小应力轴方向和倾角表现为比较稳定、整体一致，而最大应力轴和中等应力轴的走向，尤其是倾角，沿山西断陷带不同分区的走向变化剧烈，表明该区构造应力场存在局部差异性。山西断陷带内P轴方位角与最大水平压应力都集中分布在NE和NNE的优势方向，与剪切波分裂结果相一致[52-53]，与由华北强震的震源机制得到的构造应力场具有良好的一致性[59-61]，与利用山西带中强地震震源机制解推断的应力场特征完全相符[30]。
3.5 河套断陷带河套断陷带P轴方位优势分布为NNE向，T轴方位为NNW向(图 4)，与先前研究结果较为一致[16, 45, 49]，但在块体西北角临河、五原一带P轴方位出现NNW向，这一现象在先前的研究中没有出现[16, 49]，但与P波初动综合震源机制解推断的应力场一致[31]，同时在中国大陆现代应力场图中也有类似情况[23]。在整个河套断陷带内，震源机制解类型仍以正断和走滑为主(图 3)，在包头地区和西山嘴地区存在少量过渡型和逆冲型震源机制，推测可能与两个次一级的隆起，即西山嘴凸起和包头凸起有关。在和林格尔、呼和浩特一带，震源机制解类型以走滑为主，正断次之，与综合震源机制解有所差别。在西北角最大水平主应力方向分布杂乱，各个方向均有，一方面可能是由于该区域位于青藏块体和鄂尔多斯块体与阿拉善块体交界带，受到多种力源的作用；另一方面可能是由于该地区地震不多，对应力场的约束不是很好造成。
综上所述，鄂尔多斯地块周缘中小地震破裂方式以走滑和正断两种类型为主，大约占3/4，另外还存在少量的过渡型，表明鄂尔多斯地块周缘除了以剪切拉张作用为主之外，还存在其他动力源与复杂构造的共同作用。应力场反演结果表明，鄂尔多斯周缘应力状态以拉张为主，块体东、西、北边界最大水平主压应力优势方位为NE-NEE向，与水压致裂、孔壁崩落、套心解除、断裂滑动矢量和地震地表破裂基本特征相同[3]，这一方位与青藏块体对本区的NE-NEE向挤压作用及太平洋板块在距今约4 000万年以来的向西俯冲是一致的。这说明鄂尔多斯地块及其周缘断裂带基本继承了新生代以来的运动方式，其主要的动力来源是印度板块对中国大陆的碰撞和推挤作用以及太平洋板块的俯冲作用[9, 57]。一方面青藏高原在印度板块的碰撞和推挤作用下持续扩张，对鄂尔多斯块体产生NE向的挤压，另一方面太平洋板块通过伊豆-小笠原俯冲边界向块体东边界产生SW的挤压作用，NNW-SSE方向的主张应变场大于NEE-SWW方向主压应变场[58-60]，使得剪切带的拉张特征更加突出，在剪切带两侧形成平行于剪切带的挤压隆起带，这也解释了逆冲类型和过渡类型震源机制解出现的原因。块体南缘最大水平主应力近EW向和NWW向，这可能是青藏高原向东挤压过程中，受到华北块体和扬子块体两大刚性块体的碰撞所造成的。鄂尔多斯地块周缘多样化的应力特征，反映出鄂尔多斯块体与欧亚板块、太平洋板块和印度板块之间的相互作用紧密相关。由于鄂尔多斯地块特殊的构造位置和地震活动情况，其运动状态包含中国陆内各地块之间的相互作用、东西部地区构造活动的关联以及板内地震的孕震机理等重要信息。
震源机制反映发震断层深度上的构造应力场，大范围、丰富的中小地震的震源机制解可以得到板块运动控制下的大环境构造应力场，但同时应力场研究是一个复杂的问题。断裂都具有一定的分段性，每一段落发生的地震破裂不受相邻段落的制约，在同一走滑断裂带不同段落的阶区可能会产生正断层或逆断层的破裂类型[61]，同时，逆冲断层也会伴生一些走滑和正断(sp.lyellcollection.org)。还有一些小震由于其破裂尺度小，没有完全发生在主干断裂带上，而是位于次一级的小断裂带上，以及断层不同段落的缓慢变形，应力积累的改变，震源深度的不同，导致同一断层上小震的破裂方式趋于多样性[62]，从而造成鄂尔多斯地块周缘中小地震震源机制解在空间上的不一致性。尤其位于鄂尔多斯地块西南缘的六盘山断裂带位于海原和陇县-宝鸡两条NW向左旋走滑断裂带之间的限制型折曲部位，承受并转换来自这两条左旋走滑断裂带的水平运动在六盘山地区的局部汇聚，挤压隆起，这样各种不同的力源导致小震的破裂形式各异，这就需要增加更多的中小地震震源机制解资料，提高数据分布的均匀性，对它的应力状态进行更加详细的讨论。
4 震源机制解结果可靠性分析为了评估震源机制解结果的可靠性，本文选取研究区域内10个ML=4.0~5.0的地震，分别给出了利用CAP(cut and paste)波形反演方法[63]和HASH方法求取的震源机制解，结果列于表 3。从表 3和图 8(红色：CAP方法；蓝色：HASH方法)可以看出，虽然两种方法获得的结果具体数值上存在些许差异，但每个地震震源性质是一致的。除2011-03-07发生在山西五寨的MS4.0地震(图 9)节面解差异达20°，其余均在10°以内。HASH方法中震源机制解节面的空间位置由振幅比控制，CAP方法是通过理论波形与观测波形相拟合，利用格点搜索的方法得到震源机制解。从图 8可以看出，有个别台站记录波形拟合得不是特别好，这可能是由于所采用的速度结构不当、震源深度或者滤波波段的问题，也可能是由于射线在震源球面上出头点位置误差引起的地震节面解误差。
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表 3 不同方法得到的ML4.0以上地震震源机制解 Tab. 3 The focal mechanism derived from different methods (ML≥4.0) |
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图 8 2011-03-07山西五寨MS4.0地震的CAP方法结果 Fig. 8 The waveform fitting and focal mechanism solution of Shanxi Wuzhai, on Mar.7, 2011 |
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图 9 表 1中所列10次不同方法获得的震源机制解对比 Fig. 9 Comparison of focal mechanisms derived from different methods for ten shocks in Table 1 |
本文利用HASH方法计算得到了鄂尔多斯地块周缘2008-01-01~2014-06间1 700个ML≥2.5地震的震源机制解，在获得可靠震源机制解的基础上，通过MSATIS软件分析了鄂尔多斯地块周缘现今地壳应力状态总体特征与不同构造带地壳应力状态特征。主要结论如下：
1) 应力场反演结果表明，鄂尔多斯周缘应力状态以正断层为主，块体东、西、北边界最大水平主压应力优势方位为NE-NEE向，这一方位与青藏块体对本区的NE-NEE向挤压作用及太平洋板块在距今约4 000万年以来的向西俯冲是一致的。
2) 西北缘的银川-吉兰泰断陷带中，不同区段具有明显不同的构造动力学环境。P轴方位角从北向南总体表现为NNE至NE向和NW向，银川盆地的北部近EW向，不存在统一的东西向挤压和推覆，最大水平主压应力方向与区域内主要活动断裂的走向基本平行NE向，应力状态呈现正断层类型，但南端近NS向活动断裂带，在NE向的挤压应力作用下作右旋剪切运动，应力状态为走滑型。
3) 西南边界弧形断裂束受区内主要活动断裂海原-六盘山断裂带强烈的挤压性质及左旋走滑运动的影响，表现出区别于鄂尔多斯地块周缘其他边缘的应力结构，既有EW向拉张，又有NEE向挤压、剪切，反映在西南缘受到青藏高原北东向的挤压和高原物质侧向挤出的共同作用。
4) 地块东北缘的大同盆地内呈现走滑型应力状态，与忻定盆地和太原盆地的正断层类型的区域应力状态不同。这可能是由于盆地内主要活动断裂有阳高-天镇，口泉、六棱山、恒山，这些具有走滑分量的正断层活动断裂控制着该地区的地震活动。
5) 南缘的渭河断陷带的最大水平主应力方向NWW-SEE和近EW向，与地块周缘其他断陷带的方向有所不同。
致谢: 感谢中国地震局地球物理研究所“国家数字测震台网数据备份中心”(doi：10.7914/SN/CB)为本研究提供地震波形数据；感谢Generic Mapping Tools (GMT) (Wessel & Smith，1995)制作者；感谢吴建平主任和房立华博士给予的帮助。
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