地球物理学报  2018, Vol. 61 Issue (2): 545-559   PDF    
六盘山断裂带的地震构造特征与强震危险背景
杜方1, 闻学泽2 , 冯建刚3, 梁明剑1,2, 龙锋1, 吴江1     
1. 四川省地震局, 成都 610041;
2. 中国地震局地质研究所, 地震动力学国家重点实验室, 北京 100029;
3. 甘肃省地震局, 兰州 730000
摘要:集成活动构造与震源机制解、重新定位小震分布、历史与现今地震、GPS速度场等资料,综合分析了六盘山断裂带的构造动力学条件与变形方式、横剖面构造、历史强震破裂背景、GPS形变以及现代地震活动性,进而探讨了该断裂带的强震危险背景.结果表明:NNW向六盘山断裂带的运动与变形主要缘于青藏地块东北缘的向东水平挤出受到相对稳定的华北地块西缘(鄂尔多斯地块)阻挡而聚集的水平挤压作用;此外,海原和陇县-宝鸡两条NW向走滑断裂带的左旋运动在右阶区的局部会聚作用,也由六盘山断裂带的变形与运动来承受与转换.横剖面上,六盘山断裂带表现为向东推覆的大型逆冲构造带,主滑脱带位于~25 km深处,之下很可能存在分隔青藏与华北地块的超壳-岩石圈型深断裂带.沿六盘山断裂带中-南段以及更靠南东的陇县-宝鸡断裂带存在总长为120~140 km、至少最近~1400年未发生M ≥ 6½强震破裂的地震空区.地震空区内的断裂,GPS形变显示已有显著应变积累,地震活动上出现为小震稀疏或空缺的部位,以及低b值区,反映那里的断面业已闭锁,并已有高应力积累.因此,六盘山断裂带中-南段和陇县-宝鸡断裂带应是未来可能发生强震/大地震的两个危险地段,潜在地震的最大矩震级估值分别为MW=7.3±和7.2±.
关键词: 地震构造      地震空区      GPS形变      断层闭锁      强震危险背景     
Seismo-tectonics and seismic potential of the Liupanshan fault zone (LPSFZ), China
DU Fang1, WEN XueZe2, FENG JianGang3, LIANG MingJian1,2, LONG Feng1, WU Jiang1     
1. Earthquake Administration of Sichuan Province, Chengdu 610041, China;
2. State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China;
3. Earthquake Administration of Gansu Province, Lanzhou 730000, China
Abstract: This work was based on integrated multidisciplinary data, including active tectonics, focal mechanism solutions, relocated small earthquakes, historical and modern seismicity, as well as GPS velocity fields. The authors have studied the Liupanshan fault zone (LPSFZ) in China, analyzing its tectonic-dynamic conditions and deformation style, cross-section structure, historical ruptures, GPS deformation, as well as modern micro-seismicity. Furthermore the authors discussed major earthquake hazard associated with the LPSFZ and one of its adjacent fault zones. The study suggests that the NNW-trending LPSFZ has been moving and deforming under the horizontal compression due to the resistance of the stable western part of the North China block, the Ordos block, to the eastward extrusive motion of the northeastern Tibetan block. Besides, lying at the right stepover or restraining bend between the NW-trending and left-lateral strike-slip Haiyuan and Longxian-Baoji fault zones, the LPSFZ absorbs and transforms the locally horizontal convergence of the two strike-slip fault zones. On the cross sections, the LPSFZ shows its characteristic as a large-scale reverse fault thrusting to the east, with a deep detachment zone at depth of~25 km. A seismic gap with a total length of 120~140 km exists along the middle-southern segment of the LPSFZ and the farther southeastern Longxian-Baoji fault zone (LXBJFZ), in which no M ≥ 6½ events have occurred during the last~1400 years at least. GPS deformation suggests that the two fault zones along the seismic gap have accumulated significant amount of elastic strain. Furthermore, that modern small earthquakes along several parts of the two fault zones are either sparsely distributed or absent also suggests that some fault patches are locked. In addition, an area with long-term low b-values is present along the middle-southern segment of the LPSFZ and the northernmost segment of the LXBJFZ, probably indicating high stress built up there. Therefore, the middle-southern segment of the LPSFZ and the LXBJFZ should be two fault sections that have high potential of major earthquakes in the future. The estimated maximum moment magnitudes for the potential events are MW7.3±and MW7.2±, respectively.
Key words: Seismo-tectonics    Seismic gap    GPS deformation    Fault locking    Risk of major earthquakes    
0 引言

构造地震的孕育发生与地质构造的活动密切相关,探索与寻找中-长期时间尺度的强震/大地震危险区可基于地震空区(seismic gap)理论开展研究(Sykes, 1971Perez and Jacob, 1980Wen et al., 2007, 2008),还可综合活动断裂带分段、大地震复发间隔以及最晚破裂离逝时间等信息评估时间相依的发震概率(McCann et al., 1979Nishenko, 1991Charles et al., 1994闻学泽, 1995Wen, 1998);或者根据深-浅地震构造特征、历史和现代地震活动性、大地测量等信息综合分析活动断裂的分段应变积累/闭锁程度,判断不同断裂段落的地震危险背景(Becker et al., 2005杜方等, 2009Fialko, 2006Parsons, 2006; 闻学泽等, 2008, 2013).因此,探索活动断裂带的强震/大震危险性,可以通过集成与利用活动构造与区域动力学、历史强震破裂、大地测量、测震学以及现代地震活动性等多学科资料进行综合研究.

南北地震带是由北而南贯穿中国大陆中部的巨型地震构造带,其北段主要沿青藏、西域、华北以及华南等多个活动地块之间的边界带展布,包含诸多活动断裂带(图 1).其中,NNW—近SN向六盘山断裂带是青藏与华北地块之间的边界型活动断裂带之一;它的北段及其邻近断裂带历史上曾发生多次强震/大地震,但自从1622年宁夏固原7级地震、1921年固原南6½级地震以来,六盘山断裂带北段已有近395年无M≥7大地震和~95年无M≥6½强震发生,而中-南段无M≥6½强震的时间至少超过1000年(国家地震局震害防御司, 1995中国地震局震害防御司,1999).另外,2008年四川汶川8.0级地震发生后,六盘山断裂带北段及其以北的小地震一度较活跃(M7专项工作组,2012).这些使得研究六盘山断裂带的地震发生能力和地震危险背景等科学问题,对于探索区域中-长期地震预测和防震减灾具有重要意义.

图 1 六盘山断裂带及其邻近地区的活动断裂、现代地震与震源机制解 图例说明:1板块边界,2一级地块边界,3二级地块/块体边界,4块体运动,相对于青藏东北缘区域无旋转基准(杨国华等,2012),5走滑断层,6逆冲断层,7正断层,8震源机制解.黑、蓝、褐色的沙滩球分别表示走滑、逆冲和正断为主的震源机制解,资料来自张诚等(1990)许忠淮等(1994, 2000)以及Global CMT Catalog (http://www.globalcmt.org/CMTsearch.html).图中断层线据徐锡伟主编的《中国大陆地震构造图》(尚未公开出版),有修改和补充;1970—2015年ML≥2.0地震资料来自中国地震台网中心.虚线框A、B、C指示图 2图 6中的三个剖面地带.研究区位置底图据张培震等(2003). Fig. 1 Map showing active faults, modern seismicity and focal mechanism solutions of the Liupanshan fault zone and adjacent areas 1 Plate boundary, 2 Boundary of first-order tectonic block, 3 Boundary of second-order tectonic block, 4 Block motion relative to the no net-rotation reference frame of the northeastern Tibetan Plateau (Yang et al., 2012). 5 Strike-slip fault, 6 Reverse fault, 7 Normal fault, 8 Focal mechanism solutions. Beach balls in black, blue and brown show events with dominantly strike-slip, reverse and normal faulting, respectively (Zhang et al. 1990; Xu et al. 1994, 2000; and Global CMT Catalog at http://www.globalcmt.org/CMTsearch.html). Fault data are modified from the Seismotectonic Map of the China Continent (unpublished yet) by XU XiWei (in chief editor). Data of the epicenters for ML≥2.0 events of the period 1970 to 2015 are from China Seismic Network Center. The dashed rectangles A, B and C indicate zones for three profiles in Fig. 2 and Fig. 6. The index map is after Zhang et al. (2003).

本文拟通过集成南北地震构造带北段的多学科观测资料,综合分析区域构造与动力学环境、断裂带的地震构造特征、历史强震破裂背景与破裂空段分布、GPS速度场与断裂带形变、现代小震活动特征等,进而探讨六盘山断裂带及其邻近断裂带的潜在地震危险背景.

1 六盘山断裂带的构造动力学环境

本文研究重点是狭义的六盘山断裂带,它呈NNW—近SN走向,展布于宁夏固原西北,向南经甘肃华亭延至陕西陇县附近, 全带长度~175 km, 地表主要形迹是六盘山东、西麓断裂(图 1).六盘山断裂带是青藏、华北两个Ⅰ级活动地块边界主断裂带的一部分,也是西侧祁连山与东侧鄂尔多斯两个Ⅱ级地块的接触边界(张培震等, 2003).在固原北西侧,六盘山断裂带与NW向海原断裂带的南东段相接;而在陇县—静宁之间,六盘山断裂带被NW向陇县—宝鸡断裂带左旋截切,后者主要由固关—宝鸡和陇县—岐山—马召等断裂组成.紧邻六盘山断裂带,在东侧还发育有近SN向小关山断裂,它是控制鄂尔多斯地块西缘的近S—N向牛首山—罗山/云雾山—小关山断裂带的南段,其向南终止于华亭附近.在六盘山断裂带以西的陇中盆地发育有多条NW和NNW向的次级活动断裂,如马衔山和会宁断裂等.另外,在鄂尔多斯地块西南还发育一条NW—近EW向的新生断裂带,本文暂称为平凉—富平断裂带,其东段即口镇—关山断裂(图 1).

地质与活动构造研究已证明六盘山断裂带具有晚第四纪活动性.其中,六盘山东麓断裂为全新世活动的逆-左旋走滑断裂,沿该断裂可见新近系逆冲于第四系之上,而且断裂沿线发育一系列年轻断错地貌,如水系左旋位错、断层陡坎与沟槽等,第四纪水平滑动速率1~3 mm·a-1,垂直滑动速率~0.9 mm·a-1(邓起东, 1989国家地震局地质研究所、宁夏回族自治区地震局, 1990孙昭民和邓起东, 1994向宏发等, 1998Zhang et al., 1991).沿六盘山西麓断裂也已发现有晚更新世逆冲活动的地质证据(史志刚等, 2014刘兴旺等, 2015).与此同时,地质与活动构造调查证明展布于六盘山断裂带北西和南东的NW向海原断裂带和陇县—宝鸡断裂带均是以左旋走滑为主的(国家地震局地质研究所、宁夏回族自治区地震局,1990孙昭民和邓起东, 1994).在固原以北,沿SN向牛首山—罗山/云雾山—小关山断裂带中-北段的震源机制解具有右旋走滑为主的近SN向节面,反映该段断裂近代运动的走滑分量是右旋的(图 1),与最新的地质调查结果(雷启云等, 2016)一致.另外,沿NW—近EW向平凉—富平断裂带的东段(即口镇—关山断裂)产生的现代构造地裂缝具有右旋蠕滑性质(米丰收等, 1993).本文第4节将进一步证明:鄂尔多斯地块西缘南段的小关山断裂,以及更南东的平凉—富平断裂带,现今运动与形变具有右旋分量.

关于六盘山构造带新活动与形变的动力源,已有基于地质与活动构造研究的认识是:由于位于NW向海原断裂带的东尾端,六盘山构造带发生了以挤压褶皱、缩短为主的转换运动与变形,以实现在海原断裂带的左旋走滑运动中SW盘SE端部变形的平衡; 主要是考虑沿海原断裂带的第四纪左旋走滑位移量(12~14.5 km)与六盘山构造带的横向褶皱与水平缩短量(11~13 km)相当(Zhang et al., 1991Burchfiel et al., 1991; 袁道阳等,2004).与此认识相比,本研究的稍有不同.图 1中空心箭头的方向与相对大小,是参照相对于青藏东北缘地区无旋转基准的GPS站速度矢量分布(杨国华等,2012)绘制的.这些空心箭头反映以海原—六盘山—陇县—宝鸡断裂带为界,西南侧的祁连和柴达木块体与东北侧的阿拉善和鄂尔多斯块体之间,总体是相向运动的.这一相向运动在NW向海原和陇县—宝鸡断裂带产生左旋走滑,而在六盘山构造带产生横向水平挤压和缩短(图 1).因此,若从较大区域的尺度来看,六盘山构造带活动的动力源,主要应是青藏地块东北缘(祁连+柴达木块体)偏东的水平挤出受到六盘山以东相对稳定的鄂尔多斯块体阻挡时产生的水平挤压作用.此外,因为位于海原和陇县—宝鸡两条走滑断裂带之间的右行阶列区(属于断裂几何上的限制型折曲(restraining bend)部位),六盘山构造带还叠加承受了这两条走滑断裂带左旋水平运动在右阶区的会聚作用,并以加强水平缩短变形-逆冲运动的形式进行转换.

地震震源机制解类型的空间分布支持本文的以上分析:沿NW向海原和陇县—宝鸡断裂带震源机制解中的NW向节面显示左旋走滑作用,而六盘山断裂带及其附近的震源机制解的NNW—近SN向节面显示以逆冲或逆-左旋斜滑作用为主(图 1).因此,六盘山断裂带的现今构造运动方式,应与它的第四纪地质活动方式—挤压逆冲为主或者逆-左旋走滑—基本相同,都是针对上述构造动力学条件的断裂运动与变形响应.

2 六盘山断裂带的横剖面结构

拟利用研究区重新定位的地震分布,结合已有的一些深部探测信息(詹艳等, 2005Wang et al., 2014; Guo et al., 2015韩松等, 2016),分析并解释图 1中A和B两个剖面地带的断裂带结构,以揭示六盘山断裂带及其旁侧断裂的横剖面地震构造特征.为此,本文作者采用改进的Hypoinverse绝对定位算法与程序(Klein, 1989Nelson and Vidale, 1990)对研究区2008年10月—2015年12月时段的地震进行重新定位; 此时段经过台站的增、改建,研究区的地震监测能力已明显改善.重新定位时台站下方的3D速度结构采用Crust2.0模型(https://igpp.ucsd.edu/),结果走时残差(RMS)的均值由重新定位前的0.35 s下降为0.24 s.由重新定位的地震目录绘制的、横跨六盘山断裂带的两个震源深度横剖面,位置如图 1中的剖面A和B.

根据重新定位、精度已改善的震源深度排列特征,结合地表活动断裂信息(图 1),参考已有的、位置与图 1中剖面A和B很接近的MT电性结构剖面和地震探测剖面及其构造解释,我们开展综合分析与解释,得到六盘山断裂带及其两侧主要断裂的横剖面结构(图 2a2b).结果显示:六盘山活动断裂带在两个横剖面上均表现为自西向东推覆的大型逆冲构造带.深部主滑脱带在六盘山东、西麓断裂以西发育于~25 km深度,显示出较多小震的近水平排列,也是密集小震活动的底界,同时在MT电性结构剖面上表现为电阻率局部垂向显著变化的层位(詹艳等(2005)的插图6下,韩松等(2016)的插图8a),另外,在地震波接收函数偏移剖面上(Wang et al.(2014)Fig. 6c)对应了20~30 km深度之间、转换波振幅由负值向下突变为正值的近水平层位(仅六盘山以西).六盘山东、西麓断裂均朝西倾,向下汇于深部主滑脱带; 在东麓断裂以东,主滑脱带变浅至14~17 km深.六盘山断裂带的前缘活动断裂,在剖面A中是云雾山—小关山断裂以东的次级断裂, 部分断裂段尚未错断到地表(图 2a),但在剖面B中是小关山断裂以东的平凉断裂(图 2b),即图 1中平凉—富平断裂带的最北西段.另外,在六盘山断裂带东、西两侧的鄂尔多斯块体和陇中盆地内,上地壳底部各自发育一个12~15 km深的浅层滑脱带.六盘山西麓断裂以西25~35 km处的月亮南山断裂和静宁断裂均为NEE倾的反冲断裂,仅发育于不超过浅层滑脱带的深度.陇中盆地内NW向会宁断裂的主体朝SW倾,向下也汇于浅层滑脱带(图 2).另外,六盘山东麓断裂两侧的地形高差最大达到1000 m±,且在MT电性结构上该断裂两侧地质体的电阻率差异最显著(詹艳等, 2005韩松等, 2016),因此,应属于六盘山断裂带中累积断距与规模最大的断裂,即主活动断裂.

图 2 横跨六盘山断裂带的两个震源深度分布及地震构造解释剖面A和B 剖面A和B及其与已有4个探测剖面位置的关系参见图 1,Moho面分布韩松等(2016).断裂解释不仅依据震源分布,还参考已有的深探测剖面(詹艳等, 2005; Wang et al., 2014; Guo et al., 2015; 韩松等, 2016)及其解释. Fig. 2 Cross sections across the Liupanshan fault zones for distribution of hypocenter depths and interpretation of seismotectonics SeeFig. 1 for positions of these two sections, and of four pre-existing profiles of deep seismic reflection and deep MT surveys. The distribution of Moho is after Han et al. (2016). Faults on these two sections are interpreted not only by using the alignment of seismic hypocenters, also by considering the information from pre-existing deep-prospecting profiles and their interpretation by Zhan et al. (2005), Wang et al. (2014), Guo et al. (2015), and Han et al. (2016), respectively.

小震震源排列还指示出六盘山断裂带之下很可能存在一条深断裂带,表现为从下地壳开始向上分岔、撒开成为大型花状结构(图 2).我们分析已有的深部探测剖面,可看出这一深断裂带的位置对应了从中地壳至Moho之下的、MT成像电阻率显著差异地质单元之间的陡立分界(詹艳等, 2005; 韩松等, 2016),以及对应了中-下地壳沉积构造岩-结晶岩地质单元的陡立分界(Guo et al., 2015).因此,本文图 2推测的深断裂带,是很可能存在的、六盘山地区分隔青藏与华北两大地块的超壳-岩石圈型断裂带,尽管它的细结构还有待于进一步揭示.另外,图 2b显示沿六盘山东、西麓断裂在15~25 km深度上,沿主断面存在明显缺少小震的部位,对此本文第5节将进一步分析.

图 2对六盘山断裂带深-浅构造关系的解释,进一步反映该断裂带的发展形成以及地震活动主要是青藏地块东北缘(祁连块体)朝偏东方向的水平挤出在此受到相对稳定的华北地块西南缘(鄂尔多斯块体)阻挡时发生的、由北西西朝南东东的中-上地壳尺度的逆冲运动与变形响应,并可能受到下方深断裂带运动的制约.由此可见,作为祁连与鄂尔多斯两个活动块体的紧密接触边界、中-上地壳差异运动与变形作用强烈、且具有晚第四纪至全新世活动性的六盘山断裂带,应具有孕育与发生大地震的构造能力与动力学条件,其中具有最大发震能力的应是规模与累积断距最大的六盘山东麓断裂.

3 历史强震破裂展布与地震空区

根据沿发震断裂的地震烈度分布确定地震破裂延伸的方法以及半定量经验关系(Wen et al., 2008),M7专项工作组(2012)已集成相关活动断裂与历史地震烈度或相对重破坏区分布资料,编绘出南北地震带北段的历史强震破裂区分布图.基于这一结果,我们进一步针对本文的研究区分析历史文字记载的强震破坏信息(国家地震局兰州地震研究所,1989国家地震局震害防御司,1995中国地震局地球物理研究所,复旦大学历史地理研究所, 1990a, 1990b, 1990c)以及近代补充调查、研究的结果(国家地震局地质研究所,宁夏回族自治区地震局, 1990袁道阳等, 2008闻学泽等, 2009史志刚等, 2011),修改、完善了M7专项工作组(2012)的结果,得到六盘山断裂带及其邻近地区新的历史强震破裂区分布图(图 3).

图 3 六盘山断裂带及其邻近地区历史强震破裂区分布 断层数据来源、断层类型符号参见图 1的说明. Fig. 3 Map showing rupture zones of major historical earthquakes in the Liupanshan fault zone and adjacent areas Explanations of fault data source and fault types are same as in Fig. 1.

六盘山断裂带及其邻近的其他主要活动断裂带,在有历史文字记载的时期(2000多年)中至少发生过11次强震和大地震.其中,至少有5次M=7~8¼的大地震,分别是公元前780年陕西歧山M>7、1219年宁夏固原南(六盘山北段)M7、1556年陕西华县M8¼、1561年宁夏中宁M7¼、1622年宁夏固原北M>7等大地震,以及至少6次M=6~63 / 4的强震(国家地震局震害防御司,1990;中国地震局震害防御司, 1999).其中,5次大地震已破裂了鄂尔多斯块体西南和南边界活动断裂带的大部分段落,仅剩下两个段落尚未发生M≥7的大地震破裂,成为破裂空段或者第一类地震空区.空区之一位于鄂尔多斯块体南边界的渭河活动断陷带中段的周至—西安之间,本文对此空区暂不做分析讨论;空区之二位于鄂尔多斯块体西南边界的甘肃平凉以西—陕西宝鸡之间,即沿着六盘山断裂带的中-南段和陇县—宝鸡断裂带,可称为六盘山中-南段至宝鸡地震空区(图 3).

固原—平凉以西之间的六盘山断裂带北段,不仅历史上至少发生过3次强震和大地震(图 3),其东麓断裂在最近35000多年来还至少发生过6次断错地表松散堆积层的古地震事件(向宏发等, 1999).在平凉以西—陇县之间的六盘山断裂带中-南段,历史时期中未记载发生过M≥6½的地震,但探槽开挖研究也已发现最近15000多年来至少发生过3次地表破裂型的古地震事件(史志刚等,2014).另外,展布于陇县—宝鸡之间的陇县—宝鸡断裂带,除了1703年在陇县附近发生一次M6±的地震外,有史以来也未记载发生过M≥6½的强震(图 3).因此,沿六盘山中-南段至宝鸡地震空区中缺少M≥6½强震破裂的空段总长度有120~140 km.比较相邻断裂带/段最早有文字记载的强震发生年代(BC780年—AD600年和AD734年)(图 3),六盘山中-南段至宝鸡地震空区缺少M≥6½地震的时间可能至少已有1400多年.

4 地震空区内断裂的GPS形变

前面针对图 3的研究已揭示出沿六盘山断裂带中-南段和陇县—宝鸡断裂带存在总长度达到120~140 km、至少1400多年来缺少M≥6½强震破裂的地震空区.这里,我们基于1999—2007年以及2008—2014年的两期区域GPS速度场资料(图 4)绘制横跨该地震空区断裂带的GPS站速度剖面(图 5),进而分析该空区内主要断裂的现代形变特征.

图 4 六盘山断裂带及其邻近地区1998—2007年和2009—2014年的两期GPS速度场 GPS速度场资料由Zhao et al. (2015)解算, 使用GLOBK软件和参考框架ITRF2008.断裂数据来源同图 1.图例说明:1走滑断层,2正断层,3逆断层,4 1998—2007 GPS速度矢量,5 2009—2014 GPS速度矢量,6 2008年四川汶川M8.0地震的地表破裂带(闻学泽等,2009),7 GPS站速度剖面地带(参见图 5). Fig. 4 Map of GPS velocity fields in the Liupanshan fault zone and adjacent areas for periods of 1998 to 2007 and 2009 to 2014 GPS station velocities were calculated by Zhao et al. (2015) using software GLOBK and Reference Frame ITRF2008. The fault data have the same source with those in Fig. 1. 1 Strike-slip fault, 2 Normal fault, 3 Reverse fault, 4 GPS velocity vector of 1998 to 2007, 5 GPS velocity vector of 2009 to 2014, 6 The surface rupture zone of the 2008 Wenchuan, Sichuan, earthquake (after Wen et al., 2009), 7 Zones for GPS velocity profiles in Fig. 5.
图 5 横跨六盘山断裂带中-南段和陇县—宝鸡断裂带的GPS站速度剖面 剖面(a)、(b)和(c)、(d)分别采用1998—2007年和2009—2014年的数据.绿色和蓝色虚曲线代表对数据的最佳拟合.剖面位置参见图 4的GPS剖面地带. Fig. 5 GPS station-velocity profiles across the middle-southern segment of the Liupanshan fault zone and the Longxian-Baoji fault zone Profiles (a) and (b) use GPS station-velocity data for the period 1998 to 2007, and profiles (c) and (d) use GPS station-velocity data for the period 2009 to 2014. Green and blue dashed curves represent the best fits to the station-velocity distributions across the fault zones. See Fig. 4 for the position of these profiles.

分析表明:1998—2007年在主断裂(六盘山东麓断裂中-南段和陇县—宝鸡断裂)及其西侧(即祁连块体一侧)~50 km宽的地带中,平行断裂的GPS站速度分量显示左旋剪应变积累的势态,平均左旋角变形率为~-1.50×10-8/a (图 5a); 垂直断裂的站速度分量表现为自北西西朝南东东的水平缩短变形,其中,主断裂以西250~135 km(马衔山断裂南西侧)、135~75 km(马衔山与会宁断裂之间)、75~ 0 km(会宁断裂与主断裂带之间)的水平缩短率分别约为-0.7、-2.0和-0.4 mm·a-1/50 km (图 5b).同一时期,主断裂西侧的马衔山和会宁断裂也表现出一定程度的左旋剪应变积累,后者还伴有显著的压应变积累;但静宁断裂的应变积累势态相对较弱(图 5a5b).

同在1998—2007年期间,主断裂东侧及其以东的GPS测站虽然偏少(图 5a5b),但参考后一时段(2009—2014年期间)站速度剖面(图 5c5d)仍可推断形变状态:云雾山—小关山断裂在1998—2007年期间已显示右旋剪应变积累的势态,右旋角变形率为~1.02×10-8/a(图 5a);而横跨云雾山—小关山断裂再向东进入鄂尔多斯块体内部,水平缩短率由~-0.25 mm·a-1/50 km(有不确定性)下降到<-0.1 mm·a-1/50 km(图 5b).由此可见,与六盘山—陇县—宝鸡断裂带主断裂运动/形变水平分量的旋性(左旋)相反,云雾山—小关山断裂及其东侧的平凉—富平断裂带最北西段(平凉断裂现今运动/形变水平分量的旋性是右旋的(参见图 1图 4).目前,野外调查已分别证实鄂尔多斯块体西边界中-北段的近SN向牛首山断裂(即罗山/云雾山断裂的北延部分)以及该块体西南角新生的NW—近EW向平凉—富平断裂带的东段(即口镇—关山断裂)新活动的水平分量都是右旋的(雷启云等, 2016米丰收等, 1993).我们初步认为这种右旋运动/形变与鄂尔多斯块体相对其周边发生整体的逆时针旋转运动(Tapponnier and Molnar, 1976李延兴等, 2005)有关,但这一逆时针旋转运动在该块体的西南边界并不沿着六盘山—陇县—宝鸡断裂带主断裂,而是沿着罗山/云雾山—小关山断裂至平凉、华亭后,再继续沿着新生的平凉—富平断裂带.

2009—2014年期间,主断裂西侧~50 km范围内的左旋角变形率为~-1.46×10-8/a,横跨主断裂的水平横向缩短率从西盘的-0.4 mm·a-1/50 km减小到东盘<-0.1 mm·a-1/50 km,反映仍然持续前一时段的剪应变和压应变积累状态(图 5c5d).这一时段主断裂东侧的GPS测站有显著增加,使得可确定出沿云雾山—小关山断裂仍然有右旋剪应变积累,右旋角变形率为~1.01×10-8/a(图 5c);横跨云雾山—小关山断裂再向东进入鄂尔多斯地块内部,水平横向缩短率由~-0.2-0.4 mm·a-1/50 km下降到<-0.1 mm·a-1/50 km(图 5d).与1998—2007年期间的形变特征(图 5a5b)相比,2009—2014年期间主断裂以及云雾山—小关山断裂的剪切形变和横向缩短形变状态未发生明显变化.因此,至少自从有区域GPS观测的1998年以来,六盘山断裂带中-南段以及陇县—宝鸡断裂带总体上一直处于应变积累状态.

比较图 5中1998—2007年和2009—2014年两个时段的形变特征,可注意到后一时段马衔山断裂的左旋剪应变积累势态有所减缓,但出现了前一时段并不明显的水平横向挤压变形(缩短率由西盘1.0 mm·a-1/50 km减小到东盘0.8 mm·a-1/50 km).另外,在后一时段,会宁断裂的左旋剪应变积累状态还出现明显的松驰—发生了平均~0.75 mm·a-1的反向运动,同时减缓了前一时段的水平横向挤压形变状态(图 5c5d).后一时段(2009—2014年)是本研究区南南西方向350~650 km外发生2008年四川汶川M8.0地震后的头5年,因此,本文图 5中马衔山以及会宁断裂在两个时段形变状态的差异,很可能与汶川地震的影响有关; 观测与模拟研究也表明汶川地震的同震和震后运动,以及由此产生的应力和形变的调整,向北已影响到青藏高原的东北缘地区(杨国华等, 2012;Liu and Wang, 2013).然而,图 5也反映出2008年的汶川地震对本文研究的主断裂(六盘山断裂带以及陇县—宝鸡断裂带)应变积累状态的影响不显著.

综上所述,本文研究的六盘山中-南段以及陇县—宝鸡断裂带,至少在过去20年中一直处于压应变与左旋剪应变的积累状态.其中,水平横向缩短率在断裂带西侧75 km范围仅为-0.4 mm·a-1/50 km,这与2008年汶川M8.0地震前龙门山断裂带中段的水平横向形变特征(张培震等, 2009杜方等, 2009)非常相似,说明该主断裂带已经具有相当高的应变积累.

5 地震空区内的现今地震活动 5.1 沿主断裂的地震活动性分段

图 1显示沿六盘山和陇县—宝鸡断裂带现今ML≥2.0的小震活动密度、分布宽度等在不同的段落存在差别.我们利用重新定位的地震资料绘制沿主断裂平均走向的震源深度纵剖面(位置如图 1的剖面C),根据震源深度沿断裂走向分布的非均匀性,结合历史强震破裂的展布信息(图 3)以及相关理论分析小震活动空间差异的可能原因,进而推断不同断裂段的现今滑动行为,结果划分出以下4个小震活动明显差别的断裂段(图 6):

图 6 沿六盘山和陇县—宝鸡断裂带平均走向的震源深度剖面以及断裂的地震活动性分段 剖面位置参见图 1.重新定位的ML≥2.0地震资料时段是2008年10月—2015年12月. Fig. 6 Cross-section along the average strike of the Liupanshan and Longxian-Baoji fault zones for hypocentral depth distribution and seismicity segmentation of faults SeeFig. 6 for the section′s position. The relocated ML≥2.0 events occurred during the period from Oct. 2008 to Dec. 2015.

(1) 海原断裂带南东段,是1920年海原M8.5特大地震破裂的南段; 现今小震分布较密集而均匀,可能是断裂面持续震后调整运动的表现,因为横跨海原断裂带的GPS站速度剖面显示1920年破裂的断裂段仍持续震后调整运动,尚无显著应变积累(M7专项工作组,2012).

(2) 六盘山断裂带北段,也是三次M6.5~7历史强震的破裂段;现代小震集中在深部滑脱带(22~25 km)(图 2)以及浅层(0~3 km)两个深度上,而在3~22 km的深度缺少小震.这符合震间期断层面地震活动的表现,因为基于速度-状态相依摩擦理论的断层运动时-空演化理论及数值模拟研究已揭示:震间期的早-中期,在占发震层大部分深度范围的断层面—摩擦的速度弱化层—首先发生闭锁; 此时伴有小震活动的蠕动可在脆-延转换带顶部(发震层底部或者本文图 2的深部滑脱带附近)以及在与沉积盖层厚度相关的浅部—摩擦的速度强化层—两个深度范围的断层面发生(Scholz, 1998; Kaneko et al., 2013).

(3) 六盘山断裂带中-南段,历史期间未发生M≥6地震,主要表现现今小震稀疏活动的特征,尽管存在深部两处、浅部一处小震密集区.比较图 6图 2可看出:沿六盘山东、西麓断裂在15~25 km深度上明显缺少小震活动(图 2b);图 6中深部的两处小震密集区的地震主要发生在六盘山东麓断裂以东的小关山和平凉断裂下方,并可能与深部断裂带有关(图 2a2b),而中浅部小震密集区的地震则可能与华亭—平凉之间采煤诱发的小震活动有关(杨国栋等, 2006).因此,在明确图 6中三处小震密集区几乎与六盘山断裂带的中-南段无关的情况下,可看出本段的稀疏小震活动与第(2)段的主要差别是:在0~3 km的浅层(速度强化层)明显缺少小震.这种小震活动格局也可采用基于速度-状态相依摩擦理论的数值模拟结果(Kaneko et al., 2013)进行解释:震间期的晚期,随着主断面的闭锁愈加紧密,浅层(速度强化层)断层面的蠕滑明显减小甚至消失,即断层面速度弱化层的顶部深度越来越浅甚至直达地表.因此,现今小震活动格局可能反映六盘山断裂带的中-南段可能已紧密闭锁,闭锁程度可能要高于该断裂带的北段的,即前述第(2)段的.

(4) 陇县—宝鸡断裂带,该断裂带整体至少自2008年以来表现为明显的小震空缺段,在0~3 km的浅层(速度强化层)无小震,但20~24 km的深度(脆-延转换带附近)仍有少量小震活动.这与美国加州1989年Loma Prieta M7.1地震前20年沿发震断裂的小震分布特征(Olson and Hill, 1993)非常相似,从而反映陇县—宝鸡断裂带也已处于整体紧密闭锁状态(图 6).

以上的现代小震活动特征反映沿六盘山中-南段—宝鸡地震空区的主断裂已发生闭锁,且闭锁程度要高于该空区以北的六盘山断裂带北段.

5.2 沿断裂带及其附近的b值图像

Gutenberg-Richter震级(M)-频度(N)关系lgN=a-bM中的b值是一个与应力积累水平呈反比的地震活动性参数,可通过b值空间扫描与填图识别活动断裂带的相对高应力段落或者凹凸体部位(Wiemer and Wyss, 1997; Wyss et al., 2004; 易桂喜等, 2006).本小节采用以下步骤对六盘山断裂带及其邻近地区进行b值的空间扫描与填图,进而由结果分析主断裂的应力积累背景:(1)地震目录预处理:考虑到华亭及其附近地区自2001年起由于加大了煤矿的开采量和范围,这一地区的诱发小震活动明显增多,小震年频次与当地煤矿的年产量相关(杨国栋等, 2006),进而引起这一地区ML≥2.5地震的数量在区域地震台网目录中不完整了—因为测震上认为属于矿震、不进行编目的事件中,不仅有矿震,可能还包含一部分非矿震的事件.因此,本小节仅采用1980—2000年时段的地震目录(http://10.5.202.22/bianmu/index.jsp),以最大限度减小采矿诱发小震活动对b值计算的影响; 另外,1980—2000年时段的地震目录已长达21年,足以计算出能代表长期平均的b值.(2)确定最小完整性震级:由研究区震级-频度关系的左“拐点”对应的震级,确定出最小完整性震级Mmin=ML2.0(图 7a),从而计算b值仅使用MLMmin=2.0的地震资料.(3)b值空间扫描与填图:采用自编程序(冯建刚等,2016),以0.05°经纬度间距将研究区网格化,选取以每个网格节点为圆心、r为半径的圆形统计单元内MLMmin的地震,采用最大似然法计算b值;为满足每个统计单元的地震样本数不小于20,将统计单元的半径r设为可变的(多数在20~30 km之间,少数在35~45 km之间);若r≥45 km,地震样本数仍小于20,则该单元不进行b值计算(无b值).(4)对b值空间扫描与计算结果进行彩色编码,结果如图 7b.

图 7 六盘山断裂带及邻近地区两个时段的震级-频度关系(a),以及后一时段的b值图像(b) (b)图中的断裂图例同图 1. Fig. 7 (a) Magnitude-frequency relations in the Liupanshan fault zone and adjacent areas for two periods. (b) Mapped b-value distribution for the later period For the fault types in (b) see Fig. 1.

图 7b是本文获得的六盘山及其邻近地区的地震b值空间分布图像,它反映相对低的b值区几乎位于六盘山断裂带最南段和陇县—宝鸡断裂带最北段及其东侧地区,那里的b值普遍≤0.65,华亭附近≤0.55,远低于整个研究区在相同时段的平均b值(0.96±0.01).因此,六盘山断裂带的最南段以及陇县—宝鸡断裂带的最北段,相比于相邻的和周边的其他活动断裂带/段,应该已有相对高而显著的应力积累.

6 潜在地震危险性讨论

前述研究已揭示出沿六盘山断裂带中-南段及其以南的陇县—宝鸡断裂带存在总长度120~140 km、至少在过去1400年中未发生M≥7地震破裂的地震空区(图 3);GPS形变显示该空区内的断裂带已具有显著的压应变和剪应变积累(图 5);现代地震活动性反映沿空区内的主断裂存在现代小震稀疏甚至明显空缺的部位—可能指示断层面的闭锁区(图 6);沿六盘山断裂带中-南段和陇县—宝鸡断裂带的最北段表现为小震活动的长期异常低b值区,反映已有高应力积累(图 7b).另外,该空区内的主断裂具有晚第四纪—全新世活动性,最近15000多年发生3次地表破裂型的强震或大地震(史志刚等,2014),具有发生强震/大地震的能力和背景.因此,六盘山断裂带中-南段和陇县—宝鸡断裂带应是未来强震/大地震发生的潜在危险地段.

考虑到沿上述地震空区的六盘山断裂带中-南段和陇县—宝鸡断裂带,分别具有逆冲和左旋走滑为主的运动性质,断裂带的走向与结构也不相同,因此可将图 3的地震空区划分成两段:北段沿六盘山断裂带中-南段展布,长度70~80 km; 南段沿陇县—宝鸡断裂带展布,长度60~70 km.由全球断层的破裂长度L-矩震级MW经验关系式MW=5.00+1.22lgL(逆断层)和MW=5.16+1.12lgL(走滑断层)(Wells and Coppersmith, 1994),可分别估计出潜在地震的最大矩震级MW=7.3±(六盘山断裂带中-南段)和MW=7.2±(陇县—宝鸡断裂带).

7 结论

本文研究了六盘山断裂带的构造动力学背景、横剖面地震构造、历史强震破裂与地震空区背景、GPS形变以及现今地震活动等特征,进而讨论了该断裂带以及相邻的陇县—宝鸡断裂带的强震危险背景.研究主要表明:

(1) 青藏地块东北缘(祁连块体)的偏东水平挤出受到相对稳定的华北地块西缘(鄂尔多斯块体)阻挡而聚集的水平挤压是六盘山断裂带构造活动与变形的主要动力源;此外,NW向海原和陇县—宝鸡两条走滑断裂的左旋运动在右阶区的水平汇聚,加强了六盘山断裂带的活动与变形.

(2) 六盘山活动断裂带自西向东推覆,主滑脱带位于西盘~25 km深处, 六盘山东麓断裂是连接主滑脱带的主活动断裂;在六盘山东、西两侧块体内还发育有14~17 km深的浅层滑脱带,西侧发育有深度止于浅层滑脱带的反冲活动断裂;六盘山断裂带之下很可能存在分隔青藏与华北地块的超壳-岩石圈型深断裂带.

(3) 六盘山断裂带北段历史上已至少发生过3次M≥6½的地震,但该断裂带中-南段和陇县—宝鸡断裂带至少已有1400年未发生过M≥6½的地震破裂,表现为总长度为120~140 km的地震破裂空段,即六盘山中-南段至宝鸡地震空区.

(4) 在六盘山中-南段至宝鸡地震空区内,主断裂带已具有显著的压应变和左旋剪应变积累,而其东侧的小关山断裂已具有右旋剪应变积累; 沿主断裂的现代小震分布稀疏甚至空缺,反映断层面业已闭锁; 另外,现代地震活动上,六盘山断裂带中-南段和陇县—宝鸡断裂带最北段存在异常低b值区,反映已有相对高的应力积累.

(5) 沿上述地震空区的两段主断裂(六盘山断裂带中-南段和陇县—宝鸡断裂带)应是未来潜在大地震发生的两个危险地段,潜在地震的最大矩震级的估值分别为MW7.3±和7.2±.

致谢

本文使用的两期区域GPS速度场数据是由原中国地震局地震研究所杜瑞林研究小组提供、赵斌解算的;两位审稿人提出有益的修改意见与建议.作者在此一并向他们表示衷心感谢.

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