地球物理学报  2013, Vol. 56 Issue (3): 916-928   PDF    
1954年山丹71/4级地震的孕震构造和发震机制探讨
郑文俊1 , 张竹琪1 , 张培震1 , 刘兴旺2,3 , 郭晓2 , 庞建章1 , 葛伟鹏1,2 , 俞晶星1     
1. 中国地震局地质研究所 地震动力学国家重点实验室, 100029 北京;
2. 中国地震局兰州地震研究所, 730000 兰州;
3. 兰州大学 西部环境教育部重点实验室, 730000 兰州
摘要: 龙首山断裂带位于青藏高原向北东推挤的最前缘, 是河西走廊与阿拉善地块之间的分界断裂之一.虽然观测精度有限, 1954年发生在该断裂带上的71/4级地震是该断裂上少有的有现代地震观测和记录的大地震.本次地震仅在龙首山北缘断裂带两个次级断裂段之间的一条转换断层上形成了长7 km左右的连续地震地表破裂带, 以北西向右旋兼正断为主要特征, 这与区域上近东西向左旋逆断构造运动特征差异较大.经过多次野外调查和地质填图, 发现在主断层上没有形成地震地表破裂带, 而地震震害的分布又完全受龙首山南北两条断裂所围限, 说明地震的孕震可能与龙首山断裂带主断裂有关, 转换断层上的地表破裂仅为局部的应力释放.利用震源机制解资料, 通过静态库仑应力变化模拟可以看到, 如果主震发生在南缘断裂上, 对地表破裂有显著的触发作用.综合考虑北缘断层可能存在的动态触发作用, 说明目前所见地表破裂是龙首山断裂带主断裂地震的同震响应.小震精定位也显示, 龙首山南北两侧的断裂在约10 km范围内形成一狭窄的倒三角形, 并有向北扩展的趋势.
关键词: 1954年山丹地震      地震破裂      孕震构造      正断转换      龙首山断裂带     
Seismogenic structure and mechanism of the 1954 M71/4 Shandan Earthquake, Gansu Province, Western China
ZHENG Wen-Jun1, ZHANG Zhu-Qi1, ZHANG Pei-Zhen1, LIU Xing-Wang2,3, GUO Xiao2, PANG Jian-Zhang1, GE Wei-Peng1,2, YU Jing-Xing1     
1. State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China;
2. Lanzhou Institute of Seismology, China Earthquake Administration, Lanzhou 730000, China;
3. Key Laboratory of Western China's Environmental Systems, Ministry of Education, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China
Abstract: Located in the front margin of the northeastern Tibetan Plateau, the Longshoushan fault zone is one of the boundary faults between the Hexi corridor and the Alxa block. Although the resolution of observation is limited, the 1954 M71/4 earthquake on the Longshoushan fault zone is a rare big event in this zone with modern seismological observation and documentation. During this earthquake, one continuous dextral-normal rupture occurred with a length of only 7 km along a transfer fault connecting two secondary faults of the Longshoushan fault zone. However, the dextral-normal sense of this surface rupture is contrary to the tectonic kinematics in this area. Based on recent field investigation and mapping, two phenomena were discovered. Firstly, except the one appeared on the transform fault, no surface rupture zone is found on the branches of the Longshoushn fault zone. Secondly, the main damage caused by earthquake is distributed on the region between the northern and the southern branches of the Longshoushan fault zone. These two findings indicate that the 1954 earthquake was caused by the main faults rather than the transfer fault of the Longshoushan fault zone, and the co-seismic surface rupture on the transfer fault is only a form of stress release at local portion. According to calculation of static co-seismic Coulomb stress change, the surface rupture could be triggered by an earthquake on the southern branch of the Longshoushan fault zone. Furthermore, in consideration of the possibility of dynamic triggering along the northern branch of the Longshoushan fault zone, the surface rupture should be the co-seismic response to the earthquake occurred on the main branches of the Longshoushan fault zone. Relocation of the small earthquakes also shows that a narrow inverted north-extending triangle about 10 km wide was formed between the northern and the southern faults of the Longshoushan fault zone..
Key words: 1954 Shandan earthquake      Earthquake rupture      Seismogenic structure      Transfer fault      Longshoushan fault zone     
1 引言

近年来青藏高原向北东扩展的方式和机制成为地球科学争论的焦点和热点之一[1-4].其争端主要涉及两个方面,一是青藏高原向北东扩展的活动最前缘是河西走廊南侧的祁连山山前还是更北边的河西走廊北部的阿拉善地块南缘[3, 5-12],扩展又是以什么样的方式进行的?二是在青藏高原北部边缘构造变形中起着重要作用的阿尔金走滑断裂是向东延伸进入阿拉善板块内部还是终止于河西走廊最西端或祁连山西端的逆冲隆起区[2, 3, 11-23]?这些有争议的构造模式直接约束了对现代地震发震构造和构造活动特征的理解,因此,对现代地震的孕震机制、发震构造等的研究,可以为回答这些问题提供一些直接或间接的证据.

20世纪50年代,在青藏高原北部河西走廊中段与阿拉善地块交汇地区,先后发生了两次7级以上地震,一次是1954年2月11日发生在山丹北的71/4级地震[24-26],另一次是1954年7月31日发生在民勤的7级地震[26-27],两次地震发生的构造位置正好位于青藏高原东北缘与阿拉善地块南缘的交汇部位(图 1).这两次地震的发生正值建国初期,当时甘肃省工业厅、铁道部设计局西北设计分局、中国科学院等单位组织了相关人员针对震害分布进行相关考察,但缺乏针对发震构造的综合调查和研究[28-30].自20世纪80年代后期开始,随着地震地质及活动构造学科的发展,前人陆续对这两次地震的地表破裂和发震构造开展了研究和探讨[24-25, 27, 31-32],特别是针对山丹71/4级地震,前人对地震产生的地表破裂的长度和性质进行了定性和定量的研究[24-25],同时结合古地震研究,探讨了龙首山北缘断裂的强震活动习性[32].这些结果显示山丹地震地表破裂带的运动学特征为右旋走滑[24-25, 32],同时具有局部的正断性质,这样的滑动方式与相关的大型断层的运动学特征和区域构造应力场的方向明显不一致.

图 1 青藏高原北部主要活动构造及龙首山断裂展布图 (a)青藏高原及周边地区地貌图,图中蓝色短线框为图b的范围;(b)青藏高原北部活动构造图像(断裂资料来源于文献[ 12]和[ 33],略做修改),图中蓝色点短线框为图c的范围,黄色点线框为图 8剖面所切的位置;(c)龙首山断裂带主要断裂分布图,图中白色点线框为图 3位置. Fig. 1 Active tectonics of the northeastern margin of the Tibetan Plateau and the faults in the Longshou Shan (a)Index map including the shaded DEM of the Tibet plateau and its adjacent regions, the blue dashed frame shows the range of Fig.b; (b)The north-eastern Tibetan Plateau and its adjacent regions with the major active strike-slip and reverse faults.These faults data have been modified after Zheng(2009)[12]and Yuan (2003)[33].The blue dashed frame shows the range of Figure c.The yellow dotted frame shows the region in Figure 8c.Distribution map of the main faults in Longshou Shan and its adjacent regions.The white dashed frame shows the range of Figure3.

带着对山丹地震的破裂机制的疑问,我们对现在还清晰保留的1954年山丹71/4级地震地表破裂带(图 2)开展了详细的现场考察,并沿破裂带进行断层追踪,结合遥感影像,发现该地表破裂带仅仅沿着龙首山北缘断裂两个分段之间的一条次级转换断层展布,即同震破裂并没有延伸到主断层上(图 3).该地表破裂的特征,是否代表了该地震主断层的破裂方式,它反映了怎样的孕震构造和发震机制?本文在地震地质调查的基础上,结合震源机制、现代小地震的分布特征、库仑应力变化等,综合分析和探讨山丹地震的孕震构造和发震机制,同时讨论该构造与机制所指示的区域构造变形和高原扩展的意义.

图 2 在龙首山北缘包代河到大峡一带一直保留的地震地表破裂遗迹 (a)包代河西侧高漫滩上的地表破裂,陡坎高度约0.7~1m(镜向SWW);(b)包代河西山坡上冲沟右旋位错约1.5m(镜向N);(c)包代河西山坡上的正断反向陡坎,坎高1~1.5m不等(镜向SWW);(d)自包代河到小峡延伸,保留有清晰的地表破裂(镜向NWW).图(a,c,d)中红色箭头指示破裂位置.图b中箭头指示破裂的滑动方向. Fig. 2 The earthquake rupture zone from Baodaihe to Daxia, at the northern margin of Longshou Shan (a)The surface rupture with 0.7~1.0 m height scarp on the floodplain at the western of Baodaihe(View to SWW); (b)The 1.5 m dextral displacement across small gully at the western of Baodaihe(View to N); (c)The reverse scarp of 1.0~1.5 m height normal ruptureat the Baodaihe(View to SWW); (d)We find clear rupture from Baodaihe to Daxia(View to NWW).The red arrows in Figures(a), (c)and(d) indicate the location of the rupture zone. The arrows in Figure b indicate the movement directions of the rupture.
图 3 龙首山北缘断裂西段及山丹地震地表破裂带条带状地质图 Fig. 3 Strip geological map of the co-seismic surface rupture of the Shandan earthquake and the western segments of the Longshou Shan northern fault
2  1954年山丹地震发震构造及地表破裂特征

位于河西走廊中段北部的龙首山,分隔了河西走廊和北部阿拉善地块,其南北两侧均发育有边缘逆冲断裂(图 1b).虽然其北侧的龙首山北缘断裂西段上的山丹71/4级地震发生于1954年,但直至20世纪80年代后期才陆续开展了关于发震断裂的定性研究和局部的定量调查,这些工作主要是对破裂产生的垂直和水平位移量进行测量,并讨论了地震发生的规模和性质[24-25, 29, 32].董治平[24]和何文贵等[32]通过测量显示山丹地震地表破裂带最大右旋位移为2.9 m左右,垂直位移为1.5 m左右;Xu等[25]采用了陡坎长期夷平使陡坎高度减半的计算方法获得垂直位移,结果显示垂直和右旋位移比例近1:1,最大垂直位移和右旋位移均为2.9m左右.根据前人调查资料[24, 28-29]和对目前遗留的地震地表破裂带的野外调查可知,除了地表近7km的地震地表破裂,以及周边地区不规则分布的地裂缝、基岩崩塌、滑坡等,本次地震并没形成更大规模的同震地表破裂.

图 1显示龙首山所处的构造位置是青藏高原东北缘与阿位善地块交汇处,其构造变形和断裂活动可能是对青藏高原向北东扩展的响应.沿地震地表破裂带的填图结果显示(图 3),该破裂带是一条位于龙首山北缘断裂西段的两条分段之间的转换断层,其错动性质表现为右旋正断特征,而与之相连的龙首山北缘断裂却以高角度逆冲为主要运动性质,局部可见左旋走滑的特征[31].

前人[24, 28]及本文调查的结果均显示,山丹地震地表破裂带的最大右旋位移2.9 m出现在包得河以西的山坡上(图 2(bc)),向两侧迅速降低,东侧甚至累积了一些早期的位移;垂直位移的最大值也出现在包代河西侧山脊上,多为1.0~1.5 m(图 2(cd)),而向东到包代河口仅为0.7~1 m(图 2a),向西到大峡口减小到0.5m甚至更低.但与之相接的主断裂上没有新的破裂迹象.这些结果说明山丹地震地表破裂仅发生在转换断层及其北西向延伸构造上,并没有发生在与之相斜接的主断裂上.

从地震发生后最早的一张灾害分布图(地震烈度等值线)[24, 30]图 4),可以清楚地看到烈度等值线分布的长轴方向与地表主要断裂带---龙首山断裂带(包括南缘和北缘)的延伸方向是一致的.综合考虑宏观震中位置、烈度分布和断裂展布形态,初步认为:山丹地震地表破裂仅是本次地震引起的局部能量释放,并不能反映全部发震构造特征;山丹地震的同震位错应该主要发生在以龙首山断裂带为主的断层上,因此,地震前的主要孕震断层应该是具有区域控制性的龙首山北缘或是南缘断裂.由于北缘逆冲断裂与地表破裂带位置最近,前人研究认为龙首山北缘断裂为该次地震的主要发震断层[24, 28, 32].

图 4 山丹地震烈度等值线与龙首山断裂带 烈度等值线资料来源于铁道部设计局西北分局,1954年,《山丹地震调查报告》,未刊资料. Fig. 4 The contour of seismic intensity due to Shandan earthquake and the Longshou shan fault zone The data for the contour of seismic intensity come from "the Survey Report on Shandan Earthquake" edited by the Northwest Branch of the Ministry of Railways Design Bureau. The report hasn′t been published officially.
3 震源机制及局部库仑应力变化反映的地震特征

地震地表破裂及地表断层的展布形态是研究地震构造最直观的依据,但其仅反映地震能量释放的浅表特征.只有将浅表和深部的断层特征结合起来,才能更好地讨论地震构造,更清楚地反映地震的孕震和发震过程.震源机制反映了地震发生时深部震源区的结构与运动学特征.利用远场资料,前人给出山丹震源机制显示主破裂为近东西走向的逆断或逆断走滑位错(表 1图 5[24, 34],这与断层所在区域以北东-南西向的挤压-缩短变形为主的构造背景相一致[31]图 1),而与北西西向地表破裂的右旋正断破裂存在矛盾.另外,地表破裂长度仅为7km,远小于71/4级地震破裂面长度的经验值[35].综合第2节所述现象,可以认为龙首山北缘的右旋正断层不是1954年山丹71/4级地震的主要发震构造,而只是浅层的局部构造.地表破裂与震源机制之间的矛盾说明,地表破裂有可能是受主震的触发而发生的同震响应.因此,我们在总结以前的震源机制资料的基础上,探讨同震库仑应力触发的可能性.

表 1 山丹地震震源机制解[ 2434] Table 1 Focal mechanism solutions of Shandan Earthquake[ 24, 34]

我们利用位错引起的无限半空间弹性变形解[36]计算山丹地震同震库仑应力变化[37-39].为不失一般性,在计算模型中,假设介质的杨氏模量和泊松比分别为8000 MPa和0.25,断层面的摩擦系数为0.4.根据野外调查,接收断层即地表破裂的断层走向、倾角和滑动角分别为120°、75°和-156°,主震破裂面的走向、倾角和滑动角由震源机制来约束.但是,表 1图 5中显示的震源机制解存在较大不确定性,部分参数与先验信息明显不符:机制解1的节面II向北倾,与北缘断裂几何特征不符;机制解2的节面I的走向近南北,节面II走向近东西,但向北倾,均与北缘断裂不相符;机制解3节面I为右旋逆断,而节面II走向与北缘和南缘断裂存在显著差异.综合以上结果,无法判断主破裂究竟发生在南缘断裂还是北缘断裂上.因此,假设两种情况,其一为主破裂发生在北缘断层上,根据断层走向和倾向,进一步假设破裂方式与机制解1的节面I相同;其二为主破裂发生在南缘断层上,从断层走向看,机制解1和机制解2的节面II均与南缘断层一致,但机制解1的断层倾角太缓(20°),这与地表看到的断层宏观特征不符,因此,进一步假设南缘破裂方式与机制解2的节面II相同.另外,根据破裂长度与震级的经验关系[35],假设断层长度为60km,考虑震源深度(12.5km)并假设断层为对称破裂模式,取断层底部深度为25km.为了符合地表缺少主震破裂痕迹的现象,假设位错由1km深度开始向地表自2 m递减至零,并约束震源模型的标量地震矩对应震级MW7.3.

图 5 山丹地震震源机制解(据文献[ 24]、[ 34]) Fig. 5 Focal mechanism solutions of Shandan earthquake. Data from Dong(2007)[24]and Zhang et al.(1990)[34]

库仑应力计算结果表明,如果主震破裂发生在北缘断裂上,由于地表破裂位于北缘断裂偏下盘一侧,因此破裂面上库仑应力显著降低(约-0.5 MPa;图 6a),即北缘断裂的活动将抑制地表破裂的发生;如果地震发生在南缘断裂上,地表破裂面上库仑应力显著增加,即南缘断裂活动对地表破裂有明显的促进作用(约0.5 MPa;图 6b).跨断层的剖面显示,北缘和南缘断裂活动产生的应力变化都分布于一定的深度范围(图 6c6d),而不只是分布在浅表.

图 6 主破裂发生在龙首山北缘断层上(a)或发生在南缘断层上(b)引起的静态库仑应力变化分布.(c)和(d)分别为相应的剖面.库仑应力变化是由发震断层产生的应力张量按接收断层的破裂机制投影的剪应力与正应力计算所得 Fig. 6 Static Coulomb stress change due to a source on the northern branch (a)or on the southern branch (b)of the Longshoushan fault. The corresponding profiles are shown in (c)and (d)respectively. The tensor of stress change induced by source fault is resolved onto the plane receiving fault and along its slip direction to give the Coulomb stress change

定量研究中,不确定性因素如观测误差、模型参数设置等均会引起结果的不同,甚至有可能导致结果出现极性差异.为避免不确定性因素对深入讨论的影响,我们定性地分析了引起类似山丹地震中应力触发的关键因素,分别计算了左旋走滑和逆冲分量对地表正断和右旋断层的库仑应力作用.结果表明,不论正断层位于发震断层顶部或者其上盘,左旋分量对正断层的库仑应力作用很小(约等于零;图 7a),可以忽略;但是,左旋分量对位于发震断层面顶部附近的右旋断层有明显的抑制作用(约-0.5MPa),对上盘的右旋断层则有显著的触发作用(约0.4 MPa;图 7b);逆断层分量对位于下盘发震断层面顶部附近的正断层和右旋走滑断层均有抑制作用(约-0.5MPa),对上盘离发震较远的断层作用较低(约-0.2~-0.1 MPa;图 7c-7d);上盘离发震逆断层较近的断层(5km距离内)上库仑应力有可能增加;图 7e-7g中相应的剖面显示应力变化分布于一定深度范围.这些定性关系不随介质性质的设置(在上地壳岩石属性的范围内)的变化而改变.以上分析说明,由于只有逆断分量(参考震源机制解),北缘断裂对位于顶部下盘的地表破裂有一定的抑制作用;如果北缘断裂存在左旋分量,应力影区的范围将包括部分上盘区域.野外考察显示北缘断裂确有明显左旋分量,因此,主震断裂为北缘断裂并通过静态库仑应力作用触发地表破裂的可能性较低.相反,南缘断裂的左旋分量对地表破裂的右旋分量有显著触发作用,其逆断分量对地表破裂的抑制作用比较有限,因此,从静态库仑应力作用的角度来判断,南缘断裂是主震断层并触发了地表破裂的可能性较高.

图 7 不同断层滑动分量引起的库仑应力变化 (a,b)为左旋走滑分量引起的近地表库仑应力变化;(c,d)为逆断层分量引起的近地表库仑应力变化;(e-g)分别为相应的剖面.黑色、绿色和红色断层符号分别表示发震断层、未受触发断层和受触发断层.发震断层的左旋分量和逆断分量分别取1m,其他模型参数与山丹地震模型相同. Fig. 7 Near-surface Coulomb stresse change induced by different components of fault slip Coulomb stress change is due to sinistral component(a, b)and reverse slipping component(c, d), respectively. The corresponding profiles are shown in e-g.The source faults, inhibited faults and triggered faults are represented by black, green and red symbols, respectively. The modeling parameters are same as that of the Shandan earthquake model in figure 6, except that uniform magnitude of 1 m is assigned to the dislocations on source faults.

发震断层位错的横向分布是影响库仑应力分布的重要因素[40-41],当断层存在分段和间隔时,端部区可能发生显著的库仑应力迁移.现有的断层资料尚不足以完全排除地表破裂是受到了北缘断层端部的应力增加的影响.但是这种位于端部的应力增加有可能被另一子断层端部的应力阴影所抵消(图 7a-7d),其综合结果有可能是子断层端部的应力降低(图 6b).另一方面,地表破裂与龙首山北缘断裂相衔接,当破裂从其西侧向东侧扩展,或者反之时,都有可能引起该处浅表发生强烈的振动或引起高峰值动态应变、应力变化,因此也有可能地表破裂是北缘断裂动态触发的结果.

综合考虑以上结果,可知山丹地震很可能是龙首山断裂带两侧断裂深部共同作用的结果,地表的右旋正断破裂带仅是一种应力在局部释放的表现形式,而不是真正意义的主地震断裂.

4 山丹地震发震机制及特征的讨论 4.1 震害分布与断裂构造展布的相关性讨论

图 4显示山丹地震烈度的分布明显受两条主要边界断裂---龙首山北缘断裂和龙首山南缘断裂所控制,极震区(Ⅹ和Ⅺ度)几乎完全位于两条断裂带之间,呈狭长的条带状.地震发生的地区居民相对较少,破坏以山体滑坡、基岩崩塌、地裂缝为主要特征[24, 28, 30],这与建筑物密集的人类居住区的地震灾害分布特征有明显不同.

在地震灾害调查时可以根据破坏程度反映断层两侧的运动和变形特征,也就是常说的地震灾害评价中的上盘效应[42-43].龙首山南北两侧分别发育向北和向南方向逆冲的断层(图 1c),是一种反冲形式的断裂系统,隆起的龙首山就处于南北两侧断裂共同的上盘,因此地震不论是沿着那条断层发生,震害都将主要分布在两条断裂之间的山区.地表调查和库仑应力变化所反映的都是一个共同的特征,地震震害分布的主要地区与库仑应力增加的地区是一一对应的.另外,震害分布的调查也显示,龙首山南侧的山丹境内的震害相对严重,根据相关碑文和史料记载[24, 26, 28],山丹县政府房屋也遭到了不同程度的破坏,这也在某种程度上为我们提出的山丹地震可能是龙首山南北两侧的断裂共同作用的结果提供了佐证,而地震地表破裂仅是构造形态转换形成的一个局部应力集中区,受深部地震破裂触发而活动,因此会表现出与区域断裂性质不一致的破裂特征.两条主要断裂间震害的条带状分布也说明了控制龙首山隆升和目前构造形态的两条主要断裂不仅在地表控制了龙首山现今变形和地貌特征,而且在地壳深部的一定范围内围限了龙首山这一次级活动地块(图 8).同时也进一步说明,龙首山的隆起和活动,可能受到了青藏高原向北东推挤和扩展的影响,是对高原隆升和扩展的一种响应.

4.2 库仑应力变化与小震精定位共同反映深浅构造关系

库仑应力变化不仅反映了地表,而且也反映了一些深部的特征,这是由于库仑应力的积累主要与断层滑动速率和闭锁深度及断层的几何参数有关[44-45],而闭锁深度又往往决定于相互作用和关联的一系列断层.图 6的结果可以看出,不论是南缘还是北缘断裂是主要的地震断裂,其库仑应力的积累区均位于稍离开断裂一定的范围内,而在深度剖面上,库仑应力变化反映了龙首山南缘和北缘断裂在深部可能相互关联形成一个完整的断裂系统,图 8横切剖面的断层模式,更能说明青藏高原向北东推挤过程中,局部地壳(或上地壳)发生缩短变形,引起应力的集中,这也正印证了图 6库仑应力变化的结果.

图 8 横穿祁连山、河西走廊及龙首山的构造变形剖面 图中的虚线表示推测的断层,在龙首山地区南北两侧断裂围限10km左右宽的狭窄条带.图中实线断层主要依据文献[ 3133]及甘肃省地质矿产局-1:20万永昌幅(J-47-ⅩⅧ)水文地质普查报告(1967),国家地震局兰州地震研究所-河西走廊及其附近地区的大地电磁测深(1984)等资料综合绘制). Fig. 8 Schematic diagram presenting postulated model of tectonic deformation of the Qilian Shan at the northeastern margin of the Tibetan Plateau Red dashed lines are inferred faults at depth.The narrow block with about 10 km width is limited by the southern and the northern segments of the Longshoushan fault. The solid line showing fault traces are modified after references[ 31, 33]and two other parts of data including the "1:200000 Hydrographic Survey Report on Yongchang region(J-47-Ⅹ Ⅷ)"edited by Gansu provincial Bureau of Geology and Mineral resources and the "Electrical Sunding Report on Hexi Corridor and its adjacent regions" edited by Lanzhou institute of seismology, SSB. The two latter reports haven't been published officially.

地震活动与构造活动密切相关,现代地震特别是小地震的活动可能包含了丰富的不同深度的构造信息.但是仪器直接记录的地震位置的不确定性使震源分布缺乏关联,不能清晰地反映构造和地震活动的关系.通过对小地震的精确定位,可以在某种程度上减少这些不利因素的影响,使小地震的空间分布更能反映其与构造的真实关系,也为我们研究构造形态和深、浅部构造关系提供了又一个重要的证据.地震定位的方法有很多[46],我们选用了张元生等[47]开发的绝对定位的遗传定位算法,该算法在反演过程可以利用已有的人工地震资料解释结果对反演模型进行约束来提高反演结果的精度,还能够利用S-P资料进行反演来避免发震时刻的不准确性而引起的误差,定位震中误差≤3km,震源深度误差≤5km,定位速度模型为三维层状模型[48-50],选取了龙首山及邻区自1970年1月至2011年12月期间,仪器记录5.0>ML≥1.0级以上地震2188次,其中有震源深度数据的地震为1172次.经对区域内所有仪器记录地震2188次进行地震精确定位事件挑选,其中满足定位条件(S-P记录台站数≥3)并进行了精确定位的地震共1501次,约占地震总数的68.6%(图 9).

图 9 龙首山及邻区小震精定位结果 (a)精定位前后的震中分布,图中蓝色虚线框为图b中所选用的地震的分布范围;(b)横穿山丹地震极震区的震源深度剖面.图中★是宏观震中位置. Fig. 9 Relocation of small earthquakes in Longshoushan and its adjacent regions (a)Small earthquakes relocated in Longshoushan and its adjacent regions. In the blue dashed frame, the earthquake events are selected and shown in figure b in details.(b)Focal depth profile across the Shandan earthquake zone. Red five-pointed star in figure indicate location of macroscopic epicenter.

图 9a显示的精定位前后龙首山及其邻区的小震分布情况,可以清楚地看到,龙首山地区的小地震基本上都密集分布在以龙首山南北缘断裂所围限的一个条带内,更为明显的是在1954年山丹地震的极震区,地震呈簇状分布,这反映了山丹地震震中是位于一个应力易集中地段.而横向切过龙首山中段的精定位后的震源剖面(图 9b)显示,以龙首山南北缘断裂为界小震多集中在该区域内,形成了一个明显上宽下窄的倒三角形,这也正与图 8中的构造剖面的形态相似,进一步证明了1954年山丹地震是由龙首山两侧断裂带共同作用的结果.

地震地表破裂是地震发生过程中地壳弹性应变转换为永久变形的表现形式之一[51],是观察地震断层运动特征的最直接地表现象,但由于深部构造之间的相互作用和制约,往往造成局部的地表现象发生异常而与区域构造形态及应力状态不一致.对于山丹地震而言,前面的讨论已经得出,山丹地震是龙首山南缘和北缘断裂共同作用的结果,小地震精定位的结果也显示了在深部的构造主要以龙首山南北两侧的断裂及北部的萨布尔台-陈家井逆冲断裂为主,地震地表破裂带是龙首山北缘断裂东西段之间的转换断层,这也说明在地震孕育和发生过程中,由于转换断层与区域主要构造龙首山北缘断裂的形态不一致,转换断层成为了应力逐渐集中区,也最终成为应力突破区而形成地表破裂带.

5 结论

1954年山丹地震发生在青藏高原向北东推挤的最前缘,对其孕震构造和发震机制的探讨,有助于研究该区域,特别是青藏高原北部的河西走廊与阿拉善块体交界部位的强震活动特征,为未来强震预测提供科学依据.本论文从地震地质、库仑应力变化、小震精定位等方面综合探讨了山丹地震的孕震构造和发震机制,对本次地震以往研究中没能明确回答的问题进行解释,指出了该地震的发震构造及地表破裂的关系.

(1)1954年山丹地震形成的长7km的右旋正断地表破裂带展布于龙首山北缘断裂两个次级段落之间的转换断层上,其运动特征与区域左旋逆冲构造运动特征存在明显的差异.野外调查显示的右旋分量最大值为~2.9m,正断分量最大值为~1.5m.

(2)山丹地震的震害调查显示,极震区完全受控于龙首山南北两条断裂带,呈狭长条带状,而且主要震害分布集中于两条主要的断裂之间,说明在深部龙首山断裂带相互有一定的关联,地震孕育可能不单独局限于某条断层上.

(3)龙首山地区库仑应力变化显示,即使地震发生在龙首山南缘断裂上,也可以通过静态库仑应力作用触发地表破裂.

(4)综合地震地质、库仑应力变化模拟,结合小震精定位的结果,认为1954年山丹地震的孕震构造在深部可能为整个龙首山断裂带中段.地表破裂仅为局部应力释放的一种表现,而不能代表主震本身.山丹地震应该是青藏高原向北东推挤过程中与阿拉善地块相互作用,导致龙首山双侧断层均发生应变积累,从而孕震和发震的结果.

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