地球物理学报  2019, Vol. 62 Issue (11): 4239-4258   PDF    
鄂尔多斯块体西缘地壳介质各向异性:从银川地堑到海原断裂带
许英才1, 高原2, 石玉涛2, 王琼2, 陈安国2     
1. 宁夏回族自治区地震局, 银川 750001;
2. 中国地震局地震预测研究所, 北京 100036
摘要:通过收集鄂尔多斯块体西缘固定地震台网2010年6月至2017年8月的近场地震资料,选择符合剪切波分裂分析的14个台站记录的共137个有效事件波形,得到了剪切波分裂参数,即快剪切波(简称快波)偏振方向和慢剪切波(简称慢波)时间延迟.结果表明,研究区的快波偏振方向和慢波时间延迟具有明显的分区特征,快波偏振方向主要与构造应力场方向或者断层走向大体一致.鄂尔多斯西缘紧邻块体边界的台站,快波偏振方向自北向南呈现NS、NNE、NE向的变化,与青藏高原东北缘主压应力方向变化基本一致.银川地堑东西两侧的快波偏振方向有差异,东侧区域主要受青藏高原NNE向挤压和黄河-灵武断裂共同影响,而西侧区域可能受到阿拉善块体与鄂尔多斯块体之间的NW方向的主张应力和阿拉善块体内部应力分布的影响;鄂尔多斯块体、阿拉善块体与青藏高原的交汇区快波优势偏振方向为NE向,与青藏高原东北缘主压应力方向一致;海原断裂带及以南区域快剪切波优势偏振方向为WNW向,与断裂走向基本一致,较好的说明了海原断裂带为活跃的活动断裂.构造与断裂分布都是控制快波偏振方向的主要因素,走滑断裂上的台站快波偏振方向与断裂走向一致,表明这些台站主要受到断裂的强烈影响;走滑断裂附近的个别台站快波偏振方向呈现与构造应力场一致的方向,表明几乎没有受到断裂的影响.鄂尔多斯、阿拉善与青藏高原的交汇区平均时间延迟高于其他地区,反映了青藏高原在NE向运动过程中,受到稳定的鄂尔多斯块体阻挡作用,导致了交汇区地壳介质各向异性程度增加.以海原断裂带到六盘山断裂带为界,其两侧区域的各向异性差异性明显,揭示了应力与介质特性的差异,暗示其邻近区域,特别在海原断裂带东端到六盘山断裂带与鄂尔多斯块体西缘交汇区域,可能有较高的强震危险背景.本研究还对该区域的地壳和上地幔的耦合问题进行了初步讨论.
关键词: 鄂尔多斯块体西缘      剪切波分裂      地壳各向异性      主压应力      银川地堑      海原断裂带     
Crustal seismic anisotropy in the west margin of the Ordos block: from the Yinchuan graben to the Haiyuan fault zone
XU YingCai1, GAO Yuan2, SHI YuTao2, WANG Qiong2, CHEN AnGuo2     
1. Earthquake Administration of Ningxia Hui Autonomous Region, Yinchuan 750001, China;
2. Institute of Earthquake Forecasting, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China
Abstract: Near-field earthquake data from June 2010 to August 2017 recorded by seismic networks in the western edge of the Ordos block are collected, from which 137 waveforms of seismic events at 14 stations are chosen for shear-wave splitting analysis, yielding shear-wave splitting parameters, i.e. the polarizations of fast shear-waves (PFS) and the time delays of slow shear-waves. The results show that the PFS in the research area have a distinct zoning feature, largely consistent with the direction of the tectonic stress field or the fault strike. The PFS at stations in the western Ordos block, where are close to the block bordary, exhibits changes in NS, NNE and NE directions from north to south, which accords with the variation of the principal compressive stress in the northeastern Tibetan Plateau. The PFS is different in the eastern and western Yinchuan graben, the former is chiefly influenced by the NNE-directed extrusion from the Tibetan Plateau and the Huanghe-Linwu fault, and the latter is influenced by the principal compressive stress in NW direction between the Alax block and Ordos block and by internal stress distribution of the Alax block.The dominant direction of PFS in the intersection among the Ordos block, Alax block and Tibetan Plateau is in NE direction, consistent with the direction of the principal compressive stress of the northeastern margin of the Tibetan Plateau. The PFS dominant direction along the Haiyuan fault zone and its south is in WNW direction, which accords with the fault strike, suggesting the Haiyuan fault is active. Both tectonics and faults distribution are the main controlling factors to the PFS. The PFS of stations at the strike-slip faults are consistent with trends of these faults, which indicates that these stations are controlled by the faults, and the PFS of several other stations near the faults have the same direction with the tectonic stress, suggesting these stations are almst not affected by faults. The average delay time of slow shear-waves in the convergence zone of the Ordos block, Alax block and Tibetan Plateau are higher than other areas, suggesting that the degree of seismic anisotropy increases within this zone which is blocked by the Ordos block during the movement of the northeastern Tibetan Plateau towards northeast. Bounded by the Haiyuan fault zone to Liupanshan fault zone, the crustal seismic anisotropy on the both sides of the faults shows obvious differences, revealing the difference of stress and medium properties. It implies there may be risk of major earthquakes in adjacent areas, especially from the eastern end of the Haiyuan fault zone to the convergence zone between Liupanshan fault zone and the western Ordos block. In addition, the crust-upper mantle coupling in the research area is also preliminarily discussed in this paper.
Keywords: West margin of Ordos block    Shear wave splitting    Crustal anisotropy    Principal compressive stress    Yinchuan graben    Haiyuan fault zone    
0 引言

地震各向异性是关系到地震学和地球动力学的重要研究内容,能揭示地球内部介质变形和构造运动(Silver and Chan, 19881991Kaneshima,1990).近些年来,地震观测资料不断丰富和完善,观测质量得到提高,地震各向异性的研究得到了快速发展和应用.剪切波分裂是地震各向异性的一种表现形式,20世纪80年代英国Crampin教授提出了著名的EDA(Extensive-Dilatancy Anisotropy)裂隙结构的概念,发现地震各向异性在地壳与上地幔广泛存在,认为上地壳各向异性主要是由于大量裂隙在应力作用下定向排列所导致(Crampin, 1978, 1984).对于地壳岩石来说,岩体内部大量存在着优势取向、含饱和流体的微裂隙和孔隙(称为EDA裂隙),在应力的作用下定向排列,EDA裂隙面趋于平行最大主压应力方向,这种结构对地震波呈现各向异性特性(高原等,1995).剪切波进入裂隙各向异性介质传播,会分裂为具有不同偏振方向和不同传播速度的两个或多个分量的现象称之为剪切波分裂(Crampin, 1978, 1984, 1998Gao and Crampin, 2006高原等,1995),类似光学的双折射.一般认为,地震的孕育和发生是地球介质与应力场相互作用和变化的结果(Silver,1998Crampin,1998Gao and Crampin, 2006).由于应力场的变化直接影响了岩石裂隙的几何参数,剪切波分裂对此有敏感的反应,快波偏振方向反映区域的主压应力方向,慢波时间延迟反映其各向异性程度,时间延迟的变化反映应力的变化(Crampin, 1978, 1984, 1998Gao and Crampin, 2006).因此,剪切波分裂成为地球介质和应力场状态的一个重要指标,对地震监测与地震预测预报等有着重要的意义(高原和冯德益,1993Crampin,1998Gao and Crampin, 2008Crampin and Gao, 2010).利用剪切波分裂方法研究区域地壳各向异性,并探讨应力及其变化特征已经取得了一些重要进展(Crampin et al., 2002Crampin and Peacock, 2005Gao et al., 2011高原等, 1995, 2013丁志峰等,2008),并在中国大陆的一些重要构造区域得到了应用(石玉涛等,2009马禾青等,2011张辉等,2012刘庚等,20152017李金等,2016苗庆杰等,2017).

鄂尔多斯块体西缘位于南北地震带北段,是华北克拉通西部与青藏高原东北缘祁连地槽的褶皱区域接触过程中形成的过渡带(张培震等,2002王伟涛等,2014苏德辰等,2013).区域内有个隆中盆地,由于地处青藏高原东北缘的祁连块体与鄂尔多斯块体、阿拉善块体的交汇处,构造运动强烈,活动断裂十分发育,区域地震活动频度高、强度大、破坏严重,一直是中国大陆构造与深部地球物理研究的重点地区.根据历史地震记载,研究区内以仅占中国大陆约6%的国土面积就承受了2次8级、3次7级、10次6级及多次5级地震,包括震惊世界且造成重大伤亡的1920年海原8.5级大地震.研究区所处的大地构造位置特殊,区域地震活动在强度、类型等方面表现出很大的差异(杨明芝等,2007).

鄂尔多斯块体西缘介质各向异性及其构造应力场分布特征,对了解区域动力学特征和构造演化具有重要的意义.已有学者利用远震SKS震相(常利军等,2011)以及增加PKS及SKKS等震相(王琼等,2013常利军等,2016)研究了鄂尔多斯周缘上地幔各向异性,得到快波方向总体上呈现NW或WNW方向,但在现象解释上有所不同.常利军等(2011, 2016)认为,各向异性的快波方向是由于受到青藏高原NE向推挤作用,导致其在NW-SE向产生了形变,鄂尔多斯西缘的各向异性主要由岩石圈变形引起,地幔变形与地表变形一致,地壳耦合于地幔,是一种垂直连贯的变形模式;王琼等(2013)根据得到的WNW快波方向与区域分布,认为各向异性的区域差异性特征揭示了鄂尔多斯内部的“化石”各向异性和海原断裂带周围区域的地幔流动各向异性的特征;马禾青等(2010, 2011)也分别通过远震SKS分裂和近震剪切波分裂的研究,认为鄂尔多斯西缘与青藏高原东北缘经历过相同的地幔流动过程,具有同一的地球内部动力源,而且部分台站地壳各向异性在2008年可能受到汶川地震的影响,导致其快波方向发生了变化.张辉等(2012)利用近震剪切波分裂得出青藏高原东北缘的活动断裂和构造应力都对各向异性产生了不同程度影响;远震接收函数方位各向异性研究结果认为(Wang et al., 2016),青藏高原东北缘是垂直隆升模式,尚无下地壳流的证据.太龄雪和高原(2017)利用7个固定地震台站的近震数据得出以牛首山断裂为界,快波方向在两侧区域的特征不一致.张艺和高原(2017)利用两期科学台阵资料研究了南北地震带的各向异性,其得到的涉及本研究区范围的近震剪切波分裂结果主要分布在阿拉善块体内部,而银川地堑到海原断裂区域的结果只有5个台站,该研究显示青藏高原东北缘的北段快波优势方向主要呈现NE或NNE向的特征.由于在鄂尔多斯西缘区域,已有研究使用的近震剪切波分裂的数据资料都较少,或者研究侧重于青藏高原东北缘部分的其他区域,导致在本研究区相关结果的可靠性不足.本研究充分利用宁夏地震台网大量的近场小震观测资料,根据剪切波分裂基本原理,采用SAM分析方法(高原等,2008),重点讨论鄂尔多斯块体西缘地壳介质各向异性分布、应力特征及其构造意义,为区域深部地球物理场探测、地震预测和地震危险性的研究提供基础资料.

1 地质构造与资料情况 1.1 地质构造背景

据地质构造特征,本研究区(35—40°N;103.75—107.75°E)地跨两个重要构造区块,即位于青藏高原东北缘与华北克拉通西部(嘉世旭和张先康,2008沈其韩等,2016),区域地壳结构横向变化较大,地壳厚度变化范围约为36~58 km,大体呈现南厚北薄、西厚东薄的特征(国家地震局地学断面编委会, 1992a, b李松林等, 2001a, b沈旭章等,2013姚志祥等,2014).从银川地堑到海原断裂带,该区域位于构造活动强烈的南北地震带北段,受三个动力性质不同的地质块体(青藏高原、鄂尔多斯块体和阿拉善块体)的交互作用,其地壳结构特征复杂,结构层变异的程度强烈,地壳厚度变化很大.

始新世以来受到青藏高原NE向推挤的作用下,华北克拉通块体内的二级块体鄂尔多斯西缘发生裂陷作用,其中燕山运动导致了古贺兰山隆起的解体(王美芳和李慧勤,2008刘建辉等,2010).有一些区域则陷落形成了银川地堑,银川地堑为典型的拉张-挤压型沉积盆地,深地震反射剖面揭示了地堑的下地壳与莫霍面经历了挤压和拉张的过程(酆少英等,2011),银川地堑以东的区域则与鄂尔多斯的台拗拼接在一起,重新形成新的鄂尔多斯块体,而银川地堑、吉兰泰盆地以及贺兰山的隆起区域所组成的盆岭构造,则成为围绕鄂尔多斯断陷盆地区域的一部分.前人的接收函数结果表明(李永华等,2006刘启民等,2014Shen et al., 2017许英才等,2018),从青藏高原东北缘到鄂尔多斯西缘的区域,其地壳厚度约为45~58 km,地壳成分主要为中酸性的长英质岩石为主,其地壳增厚的方式主要为上地壳重叠,而且该区域下方可能不存在地壳流.从更大范围来看,从青藏高原到鄂尔多斯块体内部,尤其地壳厚度变化剧烈,变化范围是32~75 km(Wang et al., 2016).而这一区域在青藏高原NE向的挤压下,发育了一系列规模较大的断裂带(张晓亮等,2011),这些断裂带主要表现为WNW、NW和NNW向,其弧形构造呈现为向东南收敛而向北西撒开的特点(图 1),其中最著名的断裂带则为海原断裂带(F7),海原断裂带作为青藏高原东北缘所发育的弧形活动断裂中活动最为强烈、规模最大的一条左旋走滑型的断裂带(王海燕等,2012),也是控制现今中强震活动的活断层.研究区内除了牛首山断裂(F5)北部和云雾山断裂(F8)为第四纪活动过但晚更新世以来活动状况不清的断裂(邓起东等,2007),其余断裂主要为晚更新世-全新世以来的活动断裂. 图 1中,研究区主要由青藏高原东北缘弧形构造区(QTB)、鄂尔多斯块体(OB)、阿拉善块体(AB)这三个主要块体组成,其中牛首山断裂以南的弧形挤压走滑构造区则属于青藏高原东北缘弧形构造区,而阿拉善和鄂尔多斯块体以及夹持其间的银川—吉兰泰构造区则属于华北克拉通块体.

图 1 鄂尔多斯西缘地质构造及台站分布 F1:桌子山断裂;F2:正谊关断裂;F3:贺兰山东麓断裂;F4:黄河—灵武断裂;F5:牛首山断裂;F6:香山—天景山断裂;F7:海原断裂带;F8:云雾山断裂;F9:六盘山断裂.AB:阿拉善块体;OB:鄂尔多斯块体;QTB:青藏高原.图中白色箭头为构造应力作用方向(谢富仁等,2004杨明芝等,2007).图中白色粗线为块体边界.图中地震为中国大陆历史地震资料(公元876年—2017年)MS≥5.0级的地震. Fig. 1 The geological structure of the western edge of Ordos block and the distribution of stations F1:Zhuozi Shan fault; F2:Zhenyiguan fault; F3:Eastern Piedmont of Helan Shan fault; F4:Huanghe-Lingwu fault; F5:Niushou Shan fault; F6:Xiang Shan-Tianjing Shan fault; F7:Haiyuan fault; F8:Yunwu Shan fault; F9:Liupan Shan fault.AB:Alax block; OB:Ordos block; QTB:Qinghai-Tibet block.The white arrows represent the effect of tectonic stress direction(Xie et al., 2004; Yang et al., 2007).The white circles represent the historical earthquakes from historical records which are above MS5.0 from 876 AD to 2017 in China.

已有GPS和震源机制解研究表明(江在森等,2006许文俊等,2001曾宪伟等, 2013, 2015),青藏高原向北东方向的强烈挤压作用为研究区内的主要动力来源,其中ENE向的近水平挤压力是研究区内占主导的动力学因素,主压应力轴优势方向范围为北东方向40°至80°,其中,研究区南部的青藏高原东北缘部分主要受ENE向的压应力作用且形成右旋走滑型断层,同时又带有张性分量,这些断裂带南东段表现为地壳缩短、挤压及逆冲的特点,地震产生的震源区构造变形是北东向发生压缩,北西向发生相对扩张;其研究区中部(图 1中,台站LWU至NSS一带)受NNE方向(N27.5°E)的压应力作用,呈现左旋运动;而研究区北部的地震错动方式以走滑为主,其中阿拉善区域地震产生的震源区构造变形是近南北向发生压缩,近东西向发生相对扩张;银川地堑及北边地区地震产生的震源区构造变形也是北东向发生压缩,北西向发生相对扩张,研究区内各个不同构造块体的构造应力场主压应力方向都是以水平作用为主,而且研究区北部的银川地堑主要为张性构造特征,其南部的海原断裂带及附近主要以压性构造特征为主.

1.2 研究区内地震台网与资料情况

从台站分布看(图 1),研究区中的台站主要为宁夏地震台网.该台网从2003年3月正式投入观测以来(许英才等,2011),2007年6月开始对测震台网进行改造,增加了灵武(LWU)、陶乐(TLE)、同心(TXN)、香山(XSH)、西吉(XJI)、固原(GYU)等台站,改造后的地震台网于2008年1月1日投入正式运行.2009年以后,又将甘肃地震台网的平凉(PLT)、静宁(JNT)、景泰(JTA)、环县(HXT)、会宁(HNT)台,以及内蒙地震台网的巴彦浩特(BYT)、四个山(SGS)和乌海(WUH)以及后来宁夏境内新建的炭山(TSH)纳入宁夏地震台网,这些台站主要沿宁夏边缘分布,台站之间平均距离约为34 km,其中宁夏中南部相对稀疏一些;其观测频带1~20 Hz,地动噪声速度幅值均方根平均小于2×10-8m·s-1,灵武和陶乐台为井下观测,其地震计安放在黏土层内,其他台站的台基均为基岩(表 1).本研究使用的地震波资料记录时间段为2010年6月—2017年8月.

表 1 研究区内的台站基本信息 Table 1 The information of stations in the research area
2 方法与数据处理 2.1 分析方法

剪切波分裂的分析方法主要分为自动分析法和可视分析技术(Crampin and Gao, 2006孙长青等,2014).系统分析法(SAM)是在相关函数分析法的基础上(高原等,2008石玉涛等,2008),结合偏振分析法与旋转分析法,这从而弥补了单一方法计算可能误差较大的缺点.目前SAM法结合了计算程序自动化分析和可视化操作的优点,其主要步骤为相关函数计算、时间延迟与偏振分析检验,具有自我检验的优点.其具体步骤体现在首先对数据进行统一格式转换、滤波等预处理,选取直达剪切波主要部分,根据网格搜索原理,给出快波偏振方向和慢波延迟时间的参数范围,计算两水平分量的相关系数;然后将最大的相关系数对应的一组各向异性参数作为初始的解,通过质点的运动对初始解进行检验,最后得到剪切波分裂参数值.

2.2 数据处理

进行剪切波分裂研究之前,需要筛选落入剪切波分裂分析窗口(剪切波窗口)内的数据,剪切波窗口是指剪切波入射角达到临界角θc=arcsin(VS/VP)时会发生全反射现象,所以一般要求剪切波入射角小于全反射角(其中VSVP为地壳S、P波速度),对于泊松比为0.25的地壳介质其全反射角约为35°.地震波在接近地表时候遇到沉积层这样的低速层,波速变低,会发生弯曲折射现象,实际入射角一般小于所计算的临界角(Crampin and Peacock, 2005),从均匀介质直线入射的角度,地震射线的入射角可以放宽至45°~50°.考虑到鄂尔多斯块体西缘沉积层的存在(张先康等,2003周民都等,2006),本研究选用入射角为50°的剪切波窗口选取资料,分析区域地壳各向异性和构造应力特征.

通过收集研究区内22个台站2010年6月—2017年8月期间近场小震事件波形资料,其震源深度范围为5~33 km,最大震中距为26.77 km.鄂尔多斯块体(OB)之内的部分台站如宁夏盐池台(YCI)、甘肃环县台(HXT)和甘肃平凉台(PLT)以及其他区域的内蒙古巴彦浩特台(BYT)、乌海台(WUH)和四个山台(SGS)、甘肃会宁台(HNT)和宁夏中卫台(ZHW),没有收集到剪切波窗口内的有效数据(图 1表 1).最终该研究区内筛选得到入射角小于剪切波窗口的地震事件一共为137个.图 2图 3分别给出了两个台站(NSS和HYU)的地震波形记录的剪切波分裂分析过程.从图中可以看到,经过波形旋转和时间延迟校正后的偏振图更接近线性,NSS台记录的快波偏振方向为5°(正北顺时针方向,下同),慢波时间延迟为0.03 s;HYU台记录的的快波偏振方向为95°,慢波时间延迟为0.03 s.

图 2 NSS台记录波形数据的剪切波分裂分析 地震事件时间为2016年5月11日,其震级ML为0.4,震中距为1.56 km,震源深度为5 km,入射角为17.3°,采样率为100 Hz.(a)图分别为垂直、南北和东西向的地震波形;(b)图为南北(NS)和东西(EW)分量的质点运动轨迹图与剪切波波形,图中S1与S2各自为快剪切波与慢剪切波的到时. (c)图为已消除时间延迟影响后的快(F)和慢(S)剪切波的质点运动轨迹图以及快、慢剪切波波形,其中横坐标代表采样点个数,纵坐标代表振幅.两条竖线代表用于分析剪切波分裂的波形.本次地震记录的快波偏振方向为5°,慢波时间延迟为0.03 s. Fig. 2 Shear-wave splitting analysis of seismic wave recorded by station NSS The event was on May 11, 2016. The magnitude (ML) was 0.4, the epicenter distance 1.56 km, the focal depth 5 km, incident angle 17.3°and the sampling rate 100 Hz.The Fig(a) is original waveforms of vertical, north-south and east-west components.The Fig(b) is polarization diagram of original shear-wave and waveforms of north-south and east-west components. The S1 and S2 respectively represent the start position of fast shear-wave and slow shear-wave. The Fig(c) is fast shear-wave (F) and slow shear-wave (S), and polarization diagram of fast shear-wave and slow shear-wave, having eliminated the effect of time delay.The ordinate is the count value of amplitude and the abscissa is the number of sampling points.The two verical lines mark the segment of shear waveform showed in polarization diagram. The polarization of fast shear-waves is N5°E and the time delay of slow shear-wave is 0.03 s.
图 3 HYU台记录波形数据的剪切波分裂分析 地震事件时间为2015年03月29日,其震级ML为3.6,震中距为7.53 km,震源深度为9 km,入射角为39.9°.其他含义同图 2.本次事件的快波偏振方向为95°,慢波时间延迟为0.03 s. Fig. 3 Shear-wave splitting analysis of seismic wave recorded by station HYU The event was in March 29, 2015. The magnitude (ML) was 3.6, the epicenter distance 7.53 km, the focal depth 9 km, incident angle 39.9°.Others same as Fig. 2.The polarization of fast shear-waves is N95°E and the time delay of slow shear-wave is 0.03 s in the event.
3 鄂尔多斯块体西缘地壳各向异性

利用SAM方法对筛选出来的数据进行分析,得到了鄂尔多斯块体西缘的14个台站的分裂参数(表 2).图 4为台站的快波偏振方向等面积玫瑰投影图,每个台站至少有一个有效记录,最多的记录为SZS台.图 5为鄂尔多斯块体西缘各个台站快波的平均偏振方向以及分区图(蓝色线段代表3条以上数据的台站,红色线段代表1~2条数据的台站),图 6分别给出了各台站的平均时间延迟(圆圈半径代表时间延迟的大小).从图 46中可以看出其分区特征明显:从鄂尔多斯块体西缘自北向南,其快波优势偏振方向主要呈现NW、WNW及NNE、NE方向,表明研究区内地壳的地震各向异性在空间上具有差异性.

表 2 鄂尔多斯西缘各个台站下方的地壳剪切波分裂参数 Table 2 The parameters of shear wave splitting for stations in the edge of western Ordos block
图 4 鄂尔多斯西缘快剪切波偏振方向的等面积投影玫瑰图 黑粗线表示断层,白线代表块体划分线,红色三角形代表台站.其他符号含义同图 1. Fig. 4 The homolographic projection rose diagrams at seismic station in the west edge of Ordos block The black thick lines represent the faults, and the white lines represent block boundaries.Red triangles indicate the stations.Other symbols meaning are as same as the Fig. 1.
图 5 台站快波平均偏振方向与分区的快波偏振等面积投影玫瑰图 直线段显示台站的平均快波偏振方向,其中蓝色表示有效数据有多条,红色表示有效数据只有1~2条. Fig. 5 The average fast shear wave polarization at station and the homolographic projection rose diagrams in three subzones The lines represent the average fast shear wave plolarization at station, and the blue lines represent that there are many data, and the red represent that there are only one or two data.
图 6 台站慢波平均时间延迟空间分布 Fig. 6 The spatial distribution of the average time delay of slow shear-waves at stations
3.1 银川地堑

图 4所示,研究区北部的石嘴山台(SZS)、陶乐台(TLE)、灵武台(LWU)和银川台(YCH)处于银川地堑.从地质上来看,银川地堑处于鄂尔多斯块体和阿拉善块体之间的过渡带,沉积层厚度巨大(国家地震局“鄂尔多斯周缘活动断裂系”课题组,1988),受到青藏高原东北缘剪切挤压作用的影响,银川地堑发生NW向的拉张作用,使得边界断裂持续断陷,形成现今银川地堑的地质构造格局,地堑整体上主要为NNE向运动(王美芳和李慧勤,2008).由于印度板块北向运动,青藏高原持续隆升,对银川地堑基底的挤压作用未停止(酆少英等,2011),地堑主要受到贺兰山东麓断裂和黄河—灵武断裂的控制,其中黄河—灵武断裂为超壳断裂,显示出其走滑拉张作用;贺兰山东麓断裂只穿透中地壳(方盛明等,2009),断裂形成于燕山运动,由于构造应力场的变化导致原来的逆断层转变为正断层,新生代以来具有巨大的垂直位移量,始新世以来,在青藏高原受印度洋板块向北的强烈冲撞(田景雄和安娜,2015),导致地壳增厚且产生了侧向挤压力,造成该断裂带水平位移远大于垂直断距的右旋性质,并向东倾呈正断层.

由上述所知,研究区北部这4个台所处的环境差异较大.据图 4图 5,银川地堑区域的快波偏振方向特征具体体现在:银川地堑东西两侧的区域的快波优势方向及其平均方向不一致,即地堑东部的台站(TLE和LWU)和地堑西部的台站(YCH)分别呈现近NNE向和NW向的快波方向.其中,YCH台也位于阿拉善块体东缘,其呈现的NW向的平均快波方向,与张艺和高原(2017)得出的台站15630及台站15690的平均快波方向(这些台均位于阿拉善块体东缘)大体一致,但是台站64052(位于贺兰山区域)的结果不一致.YCH台结果和马禾青等(2011)的结果不一致,可能体现了银川地堑西缘的复杂构造背景,也可能与数据时间段以及数据分析技术的不同有关.由于这些台站数据不多,仍需要更多数据资料进一步验证.地堑东部的台站(TLE和LWU)所呈现的NNE向的快波方向可能与来自青藏高原NE27.5°向的压应力有关(许文俊等,2001),也可能受到NNE向的黄河—灵武断裂控制.地堑北边的SZS台快波优势偏振方向体现出一定的复杂性,其平均偏振方向主要呈现两个方向,即NE向和NW向,其中NE向的快波偏振方向和贺兰山东麓断裂走向基本一致,而NW向的快波优势偏振方向似乎与研究区北部的主张应力方向一致.据图 4中SZS台的等面积投影玫瑰图,显示NW向快波偏振方向的事件来自地堑另一侧的地体,包括台站YCH,地震事件皆不在地堑内,这个现象表明阿拉善地块东缘的地壳各向异性特征的一致性.此外,SZS台正好处于三个断层的交汇处,主要受到NE向的断裂和SE向的断裂共同约束,即桌子山断裂(F1)南端、正谊关断裂(F2)东端及贺兰山东麓断裂(F3)东北端,表明SZS台可能同时受到贺兰山东麓断裂(F3)等断裂和NW向的区域主张应力的控制,导致其快波优势方向呈现复杂的特征.

3.2 牛首山断裂到海原断裂带之间的区域

牛首山断裂带(F5)是青藏高原东北缘物质向NE挤出的前缘(陈虹等,2013),是正在形成的弧形断裂带,该断裂带记录了青藏高原东北缘在外侧扩展与鄂尔多斯块体新生代构造转换的构造过程,其构造演化序列为:始新世末-渐新世近N-S向挤压逆冲变形,中新世晚期-上新世NW向的挤压与左行走滑活动,上新世末-中更新世NNE向的挤压与右行走滑活动,晚更新世以来近E-W向的挤压与伸展构造;而香山—天景山断裂(F6)主要遭受燕山期和喜马拉雅期的挤压逆冲推覆作用(李天斌等,2005李新男等,2016),其主压应力方向经历了NE到NNE向的变化,构造由WSW向往ENE逆冲推覆,晚更新世以来兼有左行走滑性质,整体呈现双弯构造,中间弯曲段在左旋走滑作用下形成局部挤压.

牛首山断裂到海原断裂带之间的区域的大部分台站(同心台TXN、香山台XSH和炭山台TSH)的快波优势方向大部分都体现为NE向,这和青藏高原东北缘的构造应力场方向具有很好的一致性.比较复杂的是NSS台,该台的快波优势方向及平均方向大体为NNW,与牛首山断裂的走向相关,表明该断裂的控制影响;NSS台似乎还有个第二快波优势方向,为NE向,由于台站处于牛首山断裂带向NE方向突出的弧顶部位附近,该区域以NE方向的挤压应力为主,由此产生与挤压方向垂直的褶皱变形(王伟涛等,2013).本研究的NSS台和XSH台的平均快波方向与张艺和高原(2017)的台站64039(位于牛首山断裂)以及台站64024(位于香山—天景山断裂)结果大体相一致,也与太龄雪和高原(2017)的相对应台站的结果基本一致,但其中XSH台结果和马禾青等(2011)的不一致.这个现象除了说明应力环境的复杂性,数据数量上的不足和数据分析技术的不同也可能是导致结果差异的原因.

3.3 海原断裂带及以南区域

海原断裂带(F7)及以南的弧形构造区主要由断块山和压陷型盆地组成(王伟涛等,2014王海燕等,2012),其区域主要受到活断层控制的影响,该断裂带在吸收了青藏高原NE向挤压作用下,以地壳缩短为特征进行变形,近期不断增加左旋走滑的分量,在其东部尾端转变为近EW向的地壳缩短.由图知,海原断裂带及以南区域的台站的快波优势方向和平均方向皆呈现WNW或NW的特点,较好的符合海原断裂带及六盘山断裂的产状,这说明这些台主要受到断裂的控制.六盘山断裂带(F9)产状为NNW向,该断裂受到青藏高原东北缘的向东水平挤压作用,而且遇到鄂尔多斯块体阻挡作用,使得该断裂带附近聚集了大量水平挤压力(杜方等,2018),XJI和JNT台呈现的水平偏振方向应该与原地水平主压应力有关.景泰台(JTA)位于海原断裂带西段,其快波偏振方向为110°,这和张辉等(2012)得出JTA台的104°基本一致.本研究的HYU台以及XJI台平均快波偏振方向与太龄雪和高原(2017)的结果基本相一致,与马禾青等(2011)的XJI台结果不一致.本研究海原断裂带台站所呈现的NNW向的结果与张艺和高原(2017)的台站62412与64013(均位于海原断裂带)的结果一致性较好.

3.4 地壳各向异性与构造应力场特征

根据区域各向异性空间分布特征,对研究区进行了分区,主要分为A、B和C三个区域(图 5).A区主要为海原断裂带区域,B区主要是鄂尔多斯块体西缘的银川地堑区域,C区主要为银川地堑西缘和阿拉善块体东缘区域.由表 3知,A区快波平均偏振方向为108.4±30.5°,慢波平均时间延迟为4.0±2.3 ms·km-1;B区快波平均偏振方向为67.7±49.9°,慢波平均时间延迟为4.1±2.6 ms·km-1;C区快波平均偏振方向有两个,分别为41.1±21.5 °和126.8±19.2°,慢波平均时间延迟为3.2±2.3 ms·km-1.

表 3 研究区地壳剪切波分裂参数分区结果 Table 3 The crustal shear-wave splitting parameters in subzones

图 5看出,A区WNW的快波优势偏振方向与海原断裂带的走向基本一致,B区NE-SW或NNE-SSW的快波优势偏振方向与青藏高原东北缘的背景构造主压应力方向变化一致性很好.可以看出B区的台站自南向北,其快波平均方向由NE向逐渐变化为NNE-SSW向,这和青藏高原东北缘的挤压力变化基本一致(谢富仁等,2004).银川地堑西边和东边的剪切波分裂的优势偏振方向不一样,其东部与青藏高原东北缘的背景构造主压应力方向一致,西部则似乎与主张应力方向一致.时间延迟方面,TLE台和TXN台的时间延迟最小,导致慢剪切波时间延迟小的原因可能与台站下方的断层分布及几何形态有关;XJI台、JNT台和TSH台的间延迟相对较高(图 6),这些台站共同点都是基本位于六盘山断裂带(F9)附近,紧邻鄂尔多斯西南缘,可能说明该区域应力程度相对较强烈,导致其各向异性程度偏高,然而XJI和JNT台的有效数据只有一条,需要更多的资料积累进一步验证,但如果根据3条以上有效数据的台站来看,TSH台时间延迟是最高,该台位于香山—天景山断裂双弯构造的末端,邻近稳定坚硬的鄂尔多斯块体,其各向异性程度比其他台站大. C区明显呈现的两个快波优势方向主要受到SZS台的影响,两个快波优势方向与SZS台基本一致,表明该区域受到银川地堑西北部复杂的构造背景影响,同时也与阿拉善块体内部应力分布的影响有关(张艺和高原,2017),由于银川地堑西部数据不多,该区的各向异性特征需要更多的资料进一步证实.

B区的平均时间延迟略高于A区,说明块体交汇处的构造变形强烈,各向异性程度也更强.C区的平均时间延迟是三个分区里最小的,可能表明银川地堑西北边界与阿拉善东边界交汇区各向异性程度低于其他地区.A、B两个分区大部分台站在研究区南部,马禾青等(2011)利用2004年至2009年的数据研究地壳各向异性,得到南部的时间延迟高于北部,与本研究结果矛盾不大.

位于A区的台站,快波偏振方向一致性较好,主要呈现WNW或近EW向,说明受断裂和水平挤压力影响较大.位于B区的台站,其快波偏振方向较为复杂,由于B区位于青藏高原东北缘、鄂尔多斯西缘和阿拉善块体东南缘三个构造块体的过渡区,快波偏振方向的复杂性体现了交汇区域的复杂构造,而复杂地质构造影响着剪切波的偏振方向(高原等,1995),在海原断裂带区域的台站(JTA、HYU和GYU台)的快波优势方向大致为NW或WNW向,与海原断裂带的走向基本一致,可能与海原断裂带活跃的活动断裂有关.TLE台快波优势偏振方向和黄河—灵武断裂走向一致,NSS台快波优势偏振方向也和牛首山断裂走向基本一致,表明这些台站的快波偏振方向都明显地受到断裂的控制影响.

YCH台、TXN台、TSH台和XSH台都离相邻的断裂带很近(贺兰山东麓断裂和香山—天景山断裂),而且快波优势方向大体与断裂的走向垂直,表明这些台站快波优势方向主要受区域构造应力的影响,没有受到附近断裂的影响.

3.5 地壳剪切波分裂参数与深度关系的初步讨论

地震事件震源深度间接表明地壳岩石圈脆性变形层的厚度变化特点,为了分析研究区上地壳各向异性特征与深度的关系,把获得的剪切波分裂参数按震源深度进行了深度剖面展示(图 7).从图 7中可以看出,这些地震事件大部分都发生在地壳的脆性区域(地震主要集中在20 km以上).根据大量的研究所知,近场小地震剪切波分裂主要受到区域构造应力(裂隙定向排列)和断裂构造的影响(Gao et al., 2011).青藏高原地震的震源深度研究结果表明(郑斯华,1995),20 km以上的上地壳主要以脆性变形为主,而20~70 km的中、下地壳主要以塑性流动为主.

图 7 台站有效地震事件分布与各向异性深度剖面分布图 (a)有效地震事件分布与深度剖面位置示意图;(b) AA′剖面时间延迟的深度分布;(c) BB′剖面时间延迟的深度分布;(d) AA′剖面快波偏振方向随深度的分布;(e) BB′剖面快波偏振方向随深度的分布. Fig. 7 Distribution of earthquake events and AA′ or BB′ profile of depth anisotropy (a) Earthquake events distribution; (b) Depth of time delay from AA′ profile; (c) Depth of time delay from BB′ profile; (d) Depth of PFS from AA′ profile; (e) Depth of PFS from BB′ profile.

为分析快波偏振方向与震源深度及反方位角是否有关联,把每个台站得到的快波偏振方向分别与地震事件的震源深度及反方位角关系绘制成图 8,可以看到,通过剪切波分裂分析得到的快波偏振方向与地震事件的震源深度没有显著相关性,只有LWU一个台显示出一定的相关性(相关系数也只有0.73).快波偏振方向与地震事件的反方位角没有展示出任何的显著相关性.

图 8 台站快波偏振方向与震源深度及反方位角的关系(三条数据以上) 图里的圆圈代表快波方向与震源深度的关系;“+”代表快波方向与反方位角的关系.图中字母是台站代码.纵坐标h、Baz分别为震源深度、反方位角,横坐标皆为PFS,指快波偏振方向. Fig. 8 Relationships between PFS and earthquake depth or back azimuth(more than three data) The circles represent the relationship between PFS(X-axis) and earthquake depth (Y-axis); "+"represent the relationship between PFS (X-axis) and back azimuth (Y-axis).The left side of image is station code.

根据每个台站得到的慢波时间延迟与震源深度及反方位角的关系(图 9),从图 9可以看到,慢波时间延迟与地震事件的震源深度没有显著相关性,只有XSH一个台显示出随震源深度的增加时间延迟也增加的相关性.慢波时间延迟与地震事件的反方位角则没有显著相关性.

图 9 台站慢波时间延迟与震源深度及反方位角的关系(三条数据以上) 图里的圆圈代表时间延迟与震源深度的关系;“+”代表时间延迟与反方位角的关系.图中字母是台站代码.纵坐标h、Baz分别为震源深度、反方位角,横坐标皆为t,指慢波时间延迟. Fig. 9 Relationships between time delay and earthquake depth or back azimuth(more than three data) The circles represent the relationship between time delay (X-axis) and earthquake depth (Y-axis); "+"represent the relationship between time delay (X-axis) and back azimuth (Y-axis).The left side of image is station code.

综合以上图 79的结果,根据本研究得到的数据,快波偏振方向和慢波时间延迟皆与震源深度与反方位角没有显著相关性.由于本研究的有效数据依赖于天然地震的记录,获得的台站剪切波分裂参数数据有限,地震定位的精度还需要进一步提高,若深入探讨地壳各向异性参数与深度的关系,还需要积累更多的可靠资料进行检验.

4 讨论与结论

在鄂尔多斯块体和青藏高原、阿拉善块体之间的相互作用下,鄂尔多斯块体西缘呈现为复杂的地质构造和地球物理特性,区域应力场具有典型的分块特征.本研究利用鄂尔多斯块体西缘获得的14个地震台站的有效数据,进行了剪切波分裂的分析,得到各个台站的剪切波分裂参数结果,获得了研究区的地壳各向异性分区特征,并分析了构造应力特征.

根据本研究得到的全部记录的快波偏振特征,表明地壳各向异性在地理空间上具有明显的差异性.总体来看,鄂尔多斯块体西缘及银川地堑的地壳各向异性显示出分区性,鄂尔多斯块体西缘紧邻块体边界区域的快波优势偏振方向主要为NS、NNE或NE,区域优势方向近似为NE向,这与青藏高原主压应力方向变化一致性较好.银川地堑的地壳各向异性受到区域构造应力和局部构造活动的双重影响,其各向异性呈现复杂的变化,呈现复杂的局部构造特征.银川地堑东部和西部区域的快波平均偏振方向不一样,其西部似乎主要受到阿拉善块体和鄂尔多斯块体之间NW向的主张应力作用的影响,但更可能与阿拉善块体内部的应力分布有关.SZS台呈现出双优势方向的复杂快波偏振特征,地壳各向异性特征主要受到台站附近断裂与青藏高原东北缘区域构造应力的共同影响.SZS台位于多条断裂交汇处附近(图 1图 5),其NE向的快波偏振方向与桌子山断裂和贺兰山东麓断裂走向一致,而NW向的快波偏振方向与银川地堑西部的贺兰山东麓断裂正断层的拉张方向一致.青藏东北缘深部物质NE向挤入银川地堑南部下方导致NW方向的拉张,但SZS台位于地堑与阿拉善块体交汇处,其NW向的快波偏振方向巧合与主张应力方向一致,揭示出由于受到相对较坚硬阿拉善块体的阻挡,台站下方的上地壳介质实际上处于一种挤压状态.牛首山断裂到海原断裂带之间的区域是三个块体(阿拉善块体、鄂尔多斯块体和青藏高原)的交汇处,也是构造活动比较强烈的区域,主要受到到青藏高原东北缘主压应力的影响.海原断裂带及以南区域的快波平均方向主要为NW或WNW向,与断裂走向基本一致,表明该区域主要受到活动断裂的影响,其地壳介质各向异性特征应为局部构造和区域构造应力场的共同作用结果.走滑断裂上的台站快波偏振方向与断裂走向基本平行,揭示了主要断裂构造的强烈影响.个别位于走滑断裂附近的台站快波偏振方向几乎和断裂走向垂直,且与主压应力方向大体一致,表明台站几乎没有受到断裂的影响.

对比慢剪切波时间延迟结果,三个块体交汇处平均时间延迟高于其他地区,表明青藏快体向华北克拉通西部鄂尔多斯块体的挤压过程中,由于受到稳定鄂尔多斯块体的阻挡,交汇区的应力增加导致了地壳介质的各向异性程度更高.

本研究的结果显示,研究区内有明显的地壳各向异性,快波偏振优势方向主要有NE和NW两个优势方向,表明地壳各向异性主要受到青藏块体NE向的挤压和海原断裂、黄河—灵武断裂等构造的影响.大部分台站的快波偏振方向的优势取向都与区域主压应力方向一致,但有些台站的快波偏振方向不同,表明区域构造应力是一个重要的背景,但局部的构造和断裂分布会造成区域应力的复杂变化.

总体来看,以海原断裂带—六盘山断裂带为界,其两侧区域的各向异性呈现较大差异性,尤其是快波优势偏振方向差异明显,表明海原断裂带—六盘山断裂带在青藏高原东北缘弧形构造区的构造运动过程中具有重要的关键作用,其明显的变化特征也说明了地壳结构的复杂.由于处于青藏高原东北缘区域地壳缩短相对强烈的区域(Tapponnier et al., 2001李强等,2013),该地区具有破坏变形的特征,具有发生强震的潜在危险.

对比上地幔各向异性研究结果(马禾青等,2010王琼等,2013常利军等,2016Chang et al., 2017),研究区的上地幔快波偏振方向基本以WNW为主,与海原断裂带区域、银川地堑西部的快波方向基本一致,表明这些区域壳幔可能是耦合的.而在青藏高原、阿拉善块体和鄂尔多斯块体这三大块体的交汇处(图 5中B区),其大部分台站的快波偏振方向和上地幔的快波方向特征不一致,暗示该区域的地壳和上地幔可能存在解耦现象,导致壳幔变形机制的复杂.易桂喜等(2010)利用Rayleigh面波研究中国大陆各向异性得出青藏高原中东部及东部地区壳幔变形模式存在明显差异,壳幔似乎不具备垂直连贯的变形特征.由于剪切波分裂主要是体现在横向分辨率方面,仅反映了上地壳或上地幔深度的平均各向异性.关于该交汇区复杂的壳幔变形机制问题还需要更多不同种类的观测资料的进一步验证.

致谢  本研究的图件主要用GMT软件(Wessel et al.,2011)绘制.感谢宁夏地震局监测中心为本研究提供波形数据,感谢2017年中国地震局访问学者计划的支持,感谢两位审稿专家和编辑部老师宝贵的修改建议.
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