地球物理学报  2020, Vol. 63 Issue (6): 2230-2247   PDF    
鄂尔多斯块体北缘与西缘地区地壳各向异性特征
张晖1, 高原2, 石玉涛2, 陈安国2, 翟浩1, 魏建民1     
1. 内蒙古自治区地震局, 呼和浩特 010010;
2. 中国地震局地震预测研究所, 北京 100036
摘要:本研究使用内蒙古自治区数字测震台网2010年1月至2017年10月区域小地震的波形记录资料,采用SAM方法,进行了地壳剪切波分裂的分析,得到鄂尔多斯块体北缘与西缘地区地壳介质地震各向异性的初步研究结果.根据15个台站161个有效地震记录的分析,鄂尔多斯块体北缘与西缘地区的快剪切波平均偏振方向为NE44.4°±38.4°,慢剪切波平均时间延迟为1.7±1.6 ms·km-1.研究区域的快剪切波偏振显示出两个优势方向,一个是NE方向,另一个是近NS方向.区内的逆冲凸起与走滑正倾断层构造对剪切波分裂产生了直接的影响,造成了剪切波分裂参数的复杂分布,反映了剪切波分裂参数受到区域应力和构造共同作用的影响.鄂尔多斯块体北缘的快波偏振特征有NE和近NS两个优势偏振方向,其东区与西区的快剪切波偏振表现出明显不同的特征.东区的第一快剪切波优势偏振方向为NE,第二快剪切波优势偏振方向为近NS;西区的第一快剪切波优势偏振方向为近EW,第二快剪切波优势偏振方向为近NS.鄂尔多斯块体北缘的区域背景主压应力方向可能总体上为近NS方向,但空间分布有差异,东区NE方向的优势偏振与西区近EW方向的优势偏振更可能反映了断裂与构造的影响.鄂尔多斯块体西缘的快剪切波偏振特征显示出非常清楚的NE向的优势偏振方向,近NS向的优势偏振方向则不太明显,反映出该地区复杂构造对各向异性分布的影响.慢波时间延迟呈现出西低东高的特点,时间延迟的高值出现在鄂尔多斯块体北缘的东部,时间延迟的这种西低东高的各向异性强度变化,可能反映了区域构造活动西强东弱的特性.
关键词: 鄂尔多斯块体      地壳各向异性      剪切波分裂     
Crustal seismic anisotropy beneath the northern and western margins of the Ordos block
ZHANG Hui1, GAO Yuan2, SHI YuTao2, CHEN AnGuo2, ZHAI Hao1, WEI JianMin1     
1. Seismological Bureau of Inner Mogolia Autonomous Region, Hohhot 010010, China;
2. Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China
Abstract: This study builds on waveforms of small earthquakes recorded by the Inner Mongolia Autonomous Region Digital Seismic Network from January 2010 to October 2017. The purpose is to investigate directions and extents of seismic anisotropy in the crust using the SAM method. Results show NE44.4°±38.4° oriented average polarization of fast shear-waves and time-delay of 1.7±1.6 ms·km-1 at 15 stations in northern and western margins of the Ordos block from 161 splitting measurements. There are two predominant polarizations of fast shear-waves in the study area. Such complexity may be due a combination of local large-scale faults and regional principal compressive stress. The fast direction varies from NE and NS in the northeast to EW and NS in the northwest. The NS fast direction is approximately parallel to the direction of regional principal compressive stress. While the NE fast direction in the northeast and EW in the northwest is along the trend of major fault zones in the correspondent area. The time-delay in the northeast is larger than that in the northwest, which is probably associated with the feature that tectonic activity is intense in the west and weak in the east.
Keywords: Ordos block    Seismic anisotropy    Shear-wave splitting    
0 引言

本文研究区域处于华北块体的西北部和青藏高原块体的东北部,该区域有鄂尔多斯块体和阿拉善块体两个二级构造单元.鄂尔多斯块体形成于始新世,块体内部变形较小,但周缘边界断裂带变形强烈、强震频繁(国家地震局,1988).通过对鄂尔多斯块体地质构造、地震活动、震源机制和古地磁测量等资料研究,认为晚新生代鄂尔多斯块体本身具有逆时针旋转的特点(苏刚,1984徐锡伟等,1994),其边界表现为张性正断层活动为主,NE和近EW向断裂具右旋或左旋走滑性质的特征(邓起东等, 1994, 1999江娃利等,2000; 许忠淮等,2000范俊喜等,2003).前人基于地质构造、GPS、地震活动、人工源地震宽角反射、折射探测等资料对鄂尔多斯块体的速度结构、新生代构造运动特征和动力学机制进行了研究(邓起东,1999Wang et al., 2001李延兴等,2005徐伟进等,2008滕吉文等,2010韩晓明等,2016),认为鄂尔多斯块体的主压应力方向为NE—NEE向,主要与青藏块体的NE向挤压作用相关,同时盆地地下深部物质上涌产生的垂直力也起着重要作用,因此区域性水平应力场和深部物质运动产生的垂直力联合作用是鄂尔多斯块体新构造活动的动力条件.通过震源机制解的进一步研究发现,在鄂尔多斯块体西缘的主压应力方向表现出北端的方向偏北,南端的方向偏南的特征(赵知军和刘秀景,1990);在鄂尔多斯块体的北缘地区主压应力方向表现出由西向东逐渐偏东的特点(盛书中等,2015),这也与鄂尔多斯块体主要受到来自其西南角青藏高原的NE向挤压和其东北角深部物质上涌形成的NW—SE向拉张力联合作用的动力学机制相吻合.

在鄂尔多斯块体的西北侧是阿拉善块体,阿拉善块体是一个前寒武纪就已经形成的刚性块体,块体内部变形较弱,地壳稳定(高洪雷等, 2013),地震主要集中在阿拉善块体的南缘,块体内部和北部地区地震活动较弱(王萍和王增光, 1997).根据青藏块体东北缘水平运动与构造变形的研究发现,阿拉善块体受到青藏块体的挤压作用,地壳应变场以近NE向的主压应变为主,块体内部伴随有NWW向的张性应变,应变场形成的剪应变高值在阿拉善块体的南缘,以近EW向的左旋剪切为主体(江在森等,2001; 陈文彬和徐锡伟, 2006),地壳各向异性的研究也发现在阿拉善块体南侧存在NEE和NWW两个快剪切波偏振的优势方向(张辉等,2012郭桂红等,2015),这也反映出阿拉善块体复杂的应力应变环境.

地震各向异性是地球内部介质一个普遍的地球物理现象,是进行地球深部结构、介质特性和应力环境等研究的重要手段之一.地壳特别是上地壳遍布裂隙诱发的各向异性是地壳介质各向异性的主要原因(Crampin,19781981),同时地壳各向异性的分布还会受到区域内断裂性质、区域应力以及因地震造成的应力变化等因素的影响(Zhang et al., 2009高原等,2004).当剪切波穿过各向异性介质时会分裂成两列波,沿裂隙定向排列方向振动的波速度较快,被称为快剪切波(以下简称快波),而垂直于裂隙定向排列方向振动的波速度较慢,被称为慢剪切波(以下简称慢波),快波偏振方向与慢波时间延迟是剪切波分裂的两个基本参数.研究表明,快波偏振的优势方向总是与区域主压应力方向一致,慢波时间延迟能反映介质各向异性的强度(Crampin and Peacock, 2005高原等,1995),近年的研究还发现,快波偏振方向还受到复杂地质结构与断裂分布等因素的影响,位于活动断裂上的台站,其快波偏振方向与断层走向较为一致(Gao et al., 2011),在地质结构比较复杂的区域,如不同走向断层交汇处、地块交汇区域等,台站的快波偏振方向具有一定的离散性(姚陈等,1992雷军等,1997高原等,19951999高原和吴晶,2008b吴晶等,2010高原等, 2010),一些研究发现,慢波时间延迟还能够揭示区域应力的动态变化特征(Gao et al., 1998高原等,2004Wu et al., 2006),因此利用剪切波分裂可以对地壳介质的各向异性、应力场及断层性质进行研究.

目前针对鄂尔多斯块体北缘及西缘地区开展上地壳地震各向异性研究几乎还是一个空白,对该区域的地壳地震各向异性特征进行研究,关系到对该区域应力环境及变化、介质物性、深部介质变形等一系列问题的科学认识.本研究利用内蒙古区域地震台网的观测资料,依据剪切波分裂基本原理,采用SAM分析方法(高原等,2008a),对鄂尔多斯块体的北缘与西缘的地壳介质各向异性进行研究,探讨该区的剪切波分裂特性与应力环境及地震断层性质的关系.

1 地质构造背景与资料 1.1 断裂分布与地震活动

本文研究区位于图 1所示的鄂尔多斯块体西北缘,同时也处于鄂尔多斯块体西北部及阿拉善块体东南部两个Ⅱ级块体的交汇地带,包括河套断陷带,岱海断陷带,银川地堑等新活动构造单元,属于中国大陆构造活动比较活跃的地区之一.研究区内有NE或NEE向、近EW向和NW向断裂,在研究区域的西南部是由7条次级活动断裂组成的阿右旗断裂系,阿右旗断裂系的各断裂走向、长度和运动性质不尽相同,其中主断裂位于阿右旗县城以东的山间沟谷中,整体走向近EW方向,长约30 km,以左旋走滑运动性质为主(俞晶星,2017陈文斌和徐锡伟,2006).阿右旗断裂系的东侧为银川地堑系,银川地堑的西边界是贺兰山东麓断裂,贺兰山东麓断裂走向NE,倾向SE,为右旋正断层(黄雄南等,2012),银川地堑的北端,有横贯贺兰山北部的宗别立—正谊关断裂,断裂带总体走向EW,中生代为右旋走滑断层,第四纪以来为左旋走滑(邢成起和王彦宾, 1991Deng and Liao, 1996).研究区北部是鄂尔多斯块体北缘,主要包含西部的河套断陷带和东部的岱海—黄旗海断陷带.河套断陷带位于阴山—燕山块体与鄂尔多斯块体之间,西界为狼山山前断裂,北界是阴山(色尔腾山、乌拉山、大青山)山前断裂,东界为和林格尔断裂,南界为鄂尔多斯北缘断裂(李彦宝等, 2015).河套断陷带南北宽40~80 km,东西长约440 km,总体走向近EW向.断陷带内部基本形态为北深南浅的箕状断陷(国家地震局,1988).河套断陷带东部为岱海断陷带,是由两条NE向断裂所围限,即北侧的蛮汉山山前断裂和南侧的岱海—黄旗海盆地南缘断裂,两条断层均属于活动正断层,活动时代自晚更新世到全新世,自西向东活动性由强变弱(毕珉烽,2012).

图 1 研究区的构造背景与地震台站 研究区域分成A、B两个区域,方框A为鄂尔多斯块体北缘,方框B为鄂尔多斯块体西缘, 灰色虚线是A区再划分的子区域,用西段和东段表示(AW、AE).红色三角代表地震台站,黑色线条代表断裂带, 白色线条块体边界,黑色箭头表示主压应力方向, 红色圆圈为7.0级以上地震.图中主要断裂:F1北大山南麓断裂; F2阿右旗断裂; F3雅布赖山南麓断裂; F4贺兰山东麓断裂; F5磴口—本井断裂; F6巴彦乌拉山断裂; F7狼山—色尔腾山山前断裂; F8乌拉山北麓断裂; F9乌拉山山前断裂; F10大青山山前断裂; F11鄂尔多斯北缘断裂; F12和林格尔断裂; F13蛮汉山山前断裂; F14岱海—黄旗海盆地南缘断裂. Fig. 1 Tectonics background and seismic stations in the study area The research area is divided into two areas A and B. Rectangle A is the north margin of the Ordos block, rectangle B is the west margin of the Ordos block, and the gray dash line is the sub-area subdivided in area A. It is represented by the western and eastern sections (AW, AE), red triangles are the seismic station, the black curves are the fault zone, the white curves are the block boundaries, and black arrows mean the direction of compressive stress in this area, the red circles are earthquakes greater than 7.0. Major faults in Fig. 1: F1 Beidashan south edge fault; F2 Alxa right banner fault; F3 Yabulaishan Nanzhao fault; F4 Helan Dongshan fault; F5 Dengkou-Benjing fault; F6 Bayan Ul shan fault; F7 Langshan-Selteng mountain front fault; F8 UlShan north fault; F9 UlShan piedmont fault; F10 Daqingshan piedmont fault; F11 Northern margin of ordos fault; F12 Horiginger fault; F13 Manhanshan piedmont fault; F14 South margin of the Daihai-Huangqihai basin fault.

鄂尔多斯地块内部构造活动微弱,周边的地震活动却十分强烈,有历史记载以来发生了19次7级以上地震.1303年山西洪洞8级地震发生在其西边界,1556年陕西华县8级大地震发生在南边界的华山山前断裂,而1739年宁夏平罗8级地震和1920年宁夏海原8.5级地震则发生在地块的西边界(国家地震局,1988国家地震局地质研究所和宁夏回族自治区地震局, 1990).从公元1815年至今,块体周缘的6.0级以上地震则主要分布在鄂尔多斯块体的北缘和西缘,即银川—河套地震带的北段的河套地震带(张培震等,2013).

1.2 数据与方法

内蒙古区域地震台网自2008年以来建成了48个地震台站,连同并入的甘肃、宁夏、山西、河北、吉林、辽宁、黑龙江七邻省的60个台站,组成了108个固定地震台站的地震观测网,台站地震计采样率为100 Hz(刘芳等,2013).本文整理了内蒙古地震观测台网2010—2017年的地震观测资料,对区域内的小震活动进行统计分析,收集了研究区ML0.0以上地震共1841次,震源深度范围11~21 km.

本研究使用的SAM方法,其数据分析的主要内容包括相关函数计算、时间延迟校正和偏振分析检验三个部分.数据处理过程包括原始数据0.5~15 Hz的带通滤波和去除零漂,如图 2;重新投影即旋转剪切波的两个水平分量,再进行相关函数计算得到快波偏振方向和慢波时间延迟的初值,并依次分离快、慢波,对两列波进行时间延迟校正,校正后的偏振图应该呈线性,如图 3,否则要进行重新计算(高原等,2008a石玉涛等,2008).该方法结合了偏振分析方法和波形互相关方法,最大优点就是可以进行自我检验,能提高分析结果的准确性(高原和郑斯华,1994Crampin and Gao, 2006).

图 2 带通滤波后的地震波形 (a) WUH台于2015-07-01 00:01:36记录到的震源深度32 km,震中距37 km,震级ML1.0的地震事件;(b) CSQ台于2011年02月02日05时26分55秒记录到的震源深度8km,震中距6km,震级ML0.7的地震事件;自上而下分别为垂直向、北南向、东西向带通滤波记录;横坐标单位为秒. Fig. 2 Bandpass filtered seismic waveform (a) Waveforms recorded at station WUH.This earthquake is ML1.0 at 00:01:36 on July 1, 2015, with depth 32km and epicenter 37 km; (b) Waveforms recorded at station CSQ.This earthquake is ML0.7 at 05:26:55 on February 2, 2011, with depth 8 km and epicenter 6 km.The three filtered components from up to down are UD, EW and NS, respectively.
图 3 台站记录地震波形剪切波分裂分析过程 (a) 2015-07-01 00:01:36 WUH台记录的地震事件进行剪切波分裂分析过程,震级ML1.0,深度32 km,震中距37 km;(b) 2011-02-02 05:26:55 CSQ台记录地震事件进行剪切波分裂分析过程,震级ML0.7,深度8 km,震中距6 km.左上图的左侧为NS向和EW向剪切波波形,右侧为质点运动图,左下图的左侧为经过时间延迟校正后的剪切波偏振图;其中S1和S2分别表示快、慢波位置,以箭头示出.右图同理. Fig. 3 Shear-waves splitting analysis of seismic wave recorded at stations (a) The left is shear-waves splitting analysis of seismic wave recorded by station WUH at 00:01:36 on July 1, 2015, this earthquake is ML1.0, depth is 32 km and epicenter is 37km; (b) The right is shear-waves splitting analysis of seismic wave recorded by station CSQ at 05:26:55 on February 2, 2011, this earthquake is ML0.7, depth is 8 km and epicenter is 6 km.The left of upper-left graph shows the NS and EW shear wave waveforms, and the right is the particle motion map. The left of lower-left graph shows the trail of particle of fast shear-waves and slow shear-waves, which have eliminated the effect of time delay, where S1 and S2 indicate the beginning of fast and slow shear wave positions, and are shown by arrows.Others explanations are same as the left.

为了防止地面上剪切波全反射的影响,必须选择剪切波窗内的波形记录,对于泊松比为0.25的介质,剪切波窗一般约为35°,由于低速地表沉积层的存在,实际地震射线临界角可放宽至45°~50°(Crampin and Peacock, 2005).考虑研究区域地处青藏高原东北缘和鄂尔多斯块体北缘(周民都等,2006张永谦等,2011),本文选取入射角≤50°的资料进行分析.经过对地震资料进行剪切波窗挑选,剔除断记、干扰和无显著剪切波分裂特征的事件,本文最后得到15个台站共161条有效记录用于剪切波分裂计算.

2 鄂尔多斯块体北缘及西侧地区剪切波分裂特征

本研究得到的15个台站161条有效剪切波分裂计算结果中有4个台站为单条记录,其他台站均为多条有效记录(图 4).

图 4 研究区各台站快波偏振方向下半球等面积投影与等面积投影玫瑰图 Fig. 4 The equal-area projected rose diagram of fast shear-waves polarizations of all stations in the study area

15个台站快波偏振方向的等面积玫瑰图初步显示,快波偏振的优势方向主要有两个:一个是近NE向,另一个是NWW向.快波偏振优势方向为近NE的台站主要为DSM、BYT、HHC、BHS、HLG、WUH、QSH等台站,快波偏振优势方向为NWW或NW方向的台站主要是EKH、WJH、XSZ、CSQ等台站,而JIN和BTO台为NEE近EW方向,WLJ和LCH则为近NS方向.此外,WUH、QSH、XSZ、CSQ和BTO台表现出快波偏振有两个优势方向.由于计算上不便区分,WUH和QSH台按一个统计平均方向进行计算(表 1).

表 1 鄂尔多斯北缘与西缘地区台站剪切波分裂参数 Table 1 Shear-waves splitting parameters at stations in the north margin and the west margin of the Ordos block

把研究区全部有效数据进行统计,15个台站的快波偏振方向的平均值为NE44.3°±38.3°(图 5).其中WUH和XSZ台快波偏振方向的标准差较大,主要原因为WUH快波偏振表现出近NS和NE两个优势方向,XSZ台的第二快波偏振优势方向存在着近NS和NE两个结果,快波偏振方向的离散性是造成个别台站标准差较大的主要原因,而快波偏振方向离散主要是受到断层性质和原地主压应力的影响.慢波时间延迟参数用震源距进行归一化(或称标准化)得到慢波时间延迟的范围0.4~2.9 ms·km-1(表 1),15个台站全部有效数据的平均慢波时间延迟1.7±1.6 ms·km-1.时间延迟比较大的台站是位于鄂尔多斯块体北缘东端呼和浩特凹陷和岱海盆地的BHS、JIN台,但这两个台站都只有一条有效记录,故可信度不足.根据所得的结果,鄂尔多斯块体北缘与西缘地区的快波偏振优势方向为NE方向,这与鄂尔多斯块体及周围区域的区域主压应力方向基本一致(曾秋生,1989杨树新等,2012),但同时也可以看到另一个近NS向的优势方向(图 5).研究区内表现出的两个快波偏振优势方向的现象,反映了研究区内上地壳各向异性的复杂性,而近场剪切波分裂得到的上地壳各向异性结果比利用XKS震相得到的上地幔各向异性结果表现出更为复杂的特征(滕吉文等, 2000; 张中杰, 2002),造成上地壳各向异性复杂的主要原因是区域主压应力和局部断裂共同作用的结果,已有研究表明,断裂、区域应力和局部构造都会影响到快波偏振方向(Gao et al., 2011鲍子文和高原, 2017).

图 5 鄂尔多斯块体北缘与西缘地区所有台站剪切波偏振方向等面积投影玫瑰图 红色线段表示研究区所有台站全部有效数据的快波偏振平均方向. Fig. 5 Equal-area project rose diagram of fast shear-waves polarization of all the stations in the north and west margin of Ordos Block The red line means the dominant polarization direction of fast shear-waves at all stations in the study area.
3 鄂尔多斯块体北缘与西缘剪切波分裂参数特征及区域构造含义 3.1 快波偏振方向特征

研究区域内主压应力以NE—NEE方向为主(徐纪人和赵志新,2006).根据区域构造和剪切波分裂结果,把研究区分成二个分区,A区为鄂尔多斯块体北缘的河套断陷带和岱海断陷带周围区域,B区为鄂尔多斯块体西缘的银川地堑系北部地区.根据区域构造及快波偏振方向的分布特点,A区可再分为东西两个子区,其中东子区AE主要包含岱海断陷带周围区域,西子区AW包含河套断陷带周围区域.由于阿拉善块体的东南缘仅有WLJ和EKH两个台站,且结果较少,WLJ和EKH台将单独分析.

鄂尔多斯块体北缘(A区)包含有河套断陷带和岱海断陷带,根据台站快波偏振结果,可以发现A区快波偏振有明显的分段特性(图 6).西子区AW内有四个台站,其中XSZ、BTO、CSQ台均表现出近EW向的快波偏振优势方向,与鄂尔多斯块体由于青藏块体NE—NNE方向挤压作用在北边界形成左旋剪切拉张带的结果相符(邓起东等,1999崔笃信等,2016).WJH台位于在河套断陷带的西北角,快波偏振方向为NW向,与震源机制解结果得到的临河、五原一带区域主压应力方向为NNW的特征的结果吻合(郭祥云等, 2017),但是WJH台只有1条有效记录,还需要进一步的研究验证.

图 6 鄂尔多斯块体北缘及西缘地区快波偏振方向分布图 灰色实线是分区线, 灰色虚线是子区域的分区线, A主要为鄂尔多斯块体的北缘地区,A区内再划分的子区域, 用西段和东段表示(AW、AE), B区主要为鄂尔多斯西缘的北部地区.红色三角代表地震台站, 黑色线条代表断裂带, 白色线条代表块体边界, 黑色箭头表示主压应力方向.断裂带说明同图 1. Fig. 6 The spatial distribution of fast shear-waves on the north and west margin of Ordos block The gray solid line is the division line, and the gray dash line is the subarea division line.The A area is the northern margin of the Ordos block, the AW area is the west part of the northern margin of Ordos block, the AE area is the east part of the northern margin of Ordos block, the B area is the northern part of the western margin of Erdos.Red triangles are the seismic station, the black curves are the fault zone, the white curves are the block boundaries, and black arrows mean the direction of maximum principal compressive stress in this area. The description of the fracture is the same as Fig. 1.

此外,XSZ、BTO、CSQ台还表现出近NS向的第二快波偏振优势方向.XSZ、BTO这两个台站的位置在西山咀和包头地区,正好处于西山咀凸起和包头凸起这两个独特的地质构造区域,这两个凸起把河套断陷带分为临河、白彦花、呼和浩特三个凹陷.根据震源机制解的研究结果发现,在包头和西山咀地区存在少量过渡型和逆冲型震源机制解,在这两个区域断层存在逆冲的性质(郭祥云等,2017),XSZ和BTO台近NS向的第二优势方向也表现出与震源机制解P轴分布的一致性(盛书中等, 2015),已有研究表明,逆冲断裂对剪切波分裂有不同的影响(石玉涛等, 2009, 2012),这说明XSZ和BTO台呈现出两个快波偏振优势方向是受到区域主压应力和局部构造共同作用的影响.

CSQ台位于大青山山前断裂的土默特左旗,大青山山前断裂划分为4段,即召湾—雪海沟段,雪海沟—土默特右旗段,土默特右旗—土默特左旗段,土默特左旗—奎素段.土默特左旗是土默特右旗—土默特左旗段与土默特左旗—奎素段的分界点,为几何障碍点,断裂走向在这里发生较大转折,形成凹向盆地的钝角,地震勘探资料表明该节点位于盆地北部一新生代隐伏隆起上(马保起等,2000),因此局部构造是影响CSQ台快波偏振结果的主要原因.

东子区AE位于鄂尔多斯块体东北缘,有多个相互平行的拉张盆地,包括岱海断陷带.根据快波偏振方向分布(图 6),HHC、QSH、HLG、JIN、BHS五个台站的快波偏振方向均表现出接近NE的优势方向,与西段的AW有明显的不同.震源机制解和GPS观测等研究认为,在鄂尔多斯东北缘地区,盆地下方深部物质的上涌形成的拉张起主导作用,形成了岱海断陷带内沿NEE向展布的张性或张扭性正断层(盛书中等, 2015沈正康等,2003张静华等,2004何正勤等,2009),反映了岱海断陷带地区(AE)现今应力状态为拉张型,这可能是造成AE分区各台站快波偏振方向近NE方向的主要原因.LCH台快波偏振优势方向为近NS向,反映出邻近的断裂没有影响到台站下方的上地壳各向异性,LCH台下方的原地主压应力方向应为近NS方向.

B区包含鄂尔多斯块体西缘及银川地堑北部地区,区内BYT、WUH、DSM三个台站的快波偏振优势方向总体上呈NE方向,从南部的BYT台的NE逐步过渡到北部DSM台的NNE方向,这与其他学者利用震源机制解资料所得的区域主压应力结果相一致(郭祥云等,2017),即鄂尔多斯块体西缘地区主压应力方向以NE方向为主,从南向北主压应力方向从NE过渡为NNE.鄂尔多斯块体西缘北部区域主压应力方向呈现出NE—NNE的特征,主要是受到鄂尔多斯块体西缘NNE向的剪切破裂带的影响(邓起东等,1999李延兴等,2005).WUH台近NS向的快波偏振第二优势方向则可能与局部近NS向的构造走向相关.

阿拉善块体相对较稳定,块体内部断裂中更新世以来大部分不活动(张向红,2005),中更新世以来活动的断裂主要分布在块体边界,阿拉善块体东南缘的断裂以NNW向为主,其次是NEE和近EW向,断裂均表现左旋走滑为主兼压性的力学性质,块体内部区域主压应力方向为NNE—NE.EKH和WLJ台地处阿拉善块体的东南缘,EKH台两个快波偏振结果表现出较稳定的NWW方向的特征,与前人的研究结果相似(张辉等,2012郭桂红等, 2015).WLJ台快偏振方向为近NS向,但由于仅有1条有效记录,尚需更多资料的进一步验证.

鄂尔多斯块体北缘与西缘的快波偏振优势方向均近NE,这与鄂尔多斯块体北缘与西缘的主压应力方向一致,反应出鄂尔多斯块体北缘与西缘的主压应力总体呈现NE方向,见图 7a.但两个分区都有近NS向的第二快波偏振优势方向,近NS方向的第二快波偏振优势方向应该反映的是原地的主压应力方向.

图 7 鄂尔多斯块体北缘及西缘地区分区及子分区快波偏振方向等面积投影玫瑰图 (a) A、B分区的快波偏振方向等面积投影玫瑰图;(b) A分区的东、西子分区的快波偏振方向等面积投影玫瑰图, 红色线段表示子分区内台站快波偏振优势方向, 黄色线段表示第二快波偏振优势方向. Fig. 7 Equal-area project rose diagram of fast shear-waves polarization of subarea in the study area (a) is equal-area project rose diagram of fast shear-waves polarization in A and B regions; (b) is equal-area project rose diagram of fast shear-waves polarization of the east and west sub-areas of the A partition. The red lines mean the predominant polarization of the fast shear-waves in the subarea of the study area, the yellow line is the second predominant polarization of the fast shear-waves.

A区的快波优势偏振方向表现出NE和近NS向两个优势方向,其中近NS向的快波优势方向在A区的两个子区都有显示, 如图 7b.A区东段(AE)快波偏振以NE向为主要的优势方向,第二优势方向为近NS方向;A区西段(AW)快波偏振的优势方向也是两个,主要的优势方向为近似EW,第二优势方向为近NS向.区域应力和断裂分布的双重影响是引起鄂尔多斯块体北缘地区快波偏振方向这种特征的主要原因(Gao et al., 2011),反映出该地区上地壳各向异性的复杂性.

3.2 快波偏振方向与活动断裂

虽然许多台站的快波优势偏振方向与震源机制解所得到的区域水平主压应力方向基本一致(郭祥云等, 2017; 盛书中等, 2015; 徐纪人等, 2008),但有些台站的快波偏振优势方向与主压应力方向存在不一致的现象,显示出台站所在位置或邻近地区的断裂等构造因素对快波优势偏振方向的影响.区域应力是影响剪切波分裂参数的一个主要因素,但由于局部的构造和断裂特性会引起区域应力的改变,从而会导致上地壳各向异性的复杂化(高原等, 1999, 2010高原和吴晶, 2008b吴晶等,2007).比较台站快波偏振方向与区域断裂带的特性及构造边界的分布特点,可以看到两者之间存在着明显的关联.

鄂尔多斯块体北缘(A区)的西段(AW),包含WJH、XSZ、BTO、CSQ四个台站,他们分别邻近或处于色尔腾山山前断裂、乌拉山北麓断裂、乌拉山山前断裂和包头断裂上(图 8).WJH台地处色尔腾山山前断裂的乌加河段,走向近东西,正断性质(陈立春等, 2003).WJH台快波偏振表现出NW向的特征,与断裂走向有差异,但因为仅有一个有效记录的结果,暂不做进一步分析.XSZ台位于乌拉山北麓断裂,BTO台位于乌拉山山前断裂东端,CSQ位于大青山山前断裂中段.这三个台站附近的断裂走向均为近EW向,以正断运动为主,兼具左旋运动(黄雄南等,2012),XSZ、BTO、CSQ三个台站所表现出的快波优势偏振方向近EW向的特点,主要是受到以上断裂的影响.三个台站显示出近NS向的第二优势偏振方向,则可能是台站下方地壳受到近NS向的挤压,揭示出原地的主压应力方向.

图 8 鄂尔多斯块体北缘(A区)快波偏振方向分布图 黑色虚线是子区域的分区线, 将A区划分两个子分区, 用西段和东段表示(AW、AE).红色三角代表地震台站, 黑色曲线表示断裂带,白色曲线表示一级块体边界,红色线条代表第一快波偏振优势方向, 黄色线条代表第二快波偏振优势方向.F1狼山—色尔腾山山前断裂; F2乌拉山北麓断裂; F3乌拉山山前断裂; F4大青山山前断裂; F5和林格尔断裂; F6鄂尔多斯北缘断裂; F7蛮汉山山前断裂; F8岱海—黄旗海盆地南缘断裂. Fig. 8 Polarization of fast shear-waves in the northern margin of Ordos block (A area) The black dash line is subarea division line. the AW area is the west part of the northern margin of Ordos block, the AE area is the east part of the northern margin of Ordos block. Red triangles are the seismic station, the black curves are the fault zone, the white curves are the first-order block boundary, the red lines are the frist predominant polarization of the fast shear-waves, the yellow lines are the second predominant polarization of the fast shear-waves. F1 Langshan-Selteng mountain front fault; F2 Ulashan north fault; F3 Ulashan piedmont fault; F4 Daqingshan piedmont fault; F5 Helinger fault; F6 Northern margin of ordos Fault; F7 Manhanshan piedmont fault; F8 South margin of the Daihai-Huangqihai basin fault.

A区东段(AE)的HHC和BHS位于大青山山前断裂的东端,大青山山前断裂的东端走向近NEE,断裂带从剖面上表现为一组阶梯状正断层(梁金鹏等,1997).A区东段的走向与HHC和BHS台快波偏振优势方向一致,尤其是HHC台4条快波偏振方向表现出很好的一致性.HLG台西侧是和林格尔断裂,该断裂是断面倾向北西的张性正断层(国家地震局,1988),HLG台近NE向的快波偏振方向与和林格尔断裂及东侧的断裂有关联,显示出原地主压应力方向为近NE向.LCH台位于蛮汉山山前断裂和岱海—黄旗海盆地南缘断裂之间,两条断裂走向均为NE,呈正断层性质,岱海断陷带地壳水平运动弱于垂直运动,且该地区断裂带多为高倾角正断层有关(孟宪纲等,2017),LCH台NNE近NS向的快波偏振方向特征,显示出与周边断裂带走向的不一致,揭示了LCH台站下方原地水平主压应力的方向.QSH台快波偏振呈现两个优势方向,近NS向的优势方向可能指出了原地的主压应力方向,而NE向的优势方向则可能表示台站下方或附近有近NE走向的断裂,也可能是局部不规则地形的影响.JIN台仅有一个有效记录,这里暂不做进一步分析.

在鄂尔多斯块体西侧(B区),BYT、WUH、DSM台快波偏振的优势方向均表现出近NE向的特性(图 9).BYT台周边主要的断裂是东边的贺兰山东麓断裂,WUH台周边主要断裂是其西侧的磴口—本井断裂,DSM台处于狼山山前断裂带上.贺兰山东麓断裂走向NE,为右旋正断层(黄雄南等,2012),断层走向基本与BYT快波优势偏振方向吻合;此外,磴口—本井断裂往西南方向的延长线,也大致经过BYT台的位置.在BYT台南侧偏西约北纬38°处,有一个LWU台站的快波偏振方向为NNE或NE(太龄雪和高原,2017),从区域上看,这两个相邻台站的结果有很好的区域一致性.磴口—本井断裂是一条隐伏断裂,WUH台在该断裂东侧,而贺兰山东麓断裂东北方向的延长线经过WUH台附近,故WUH台NE向快波偏振优势方向可能是受到断裂构造的影响所致,近NS向的第二快波偏振优势方向可能是WUH台原地主压应力方向.狼山山前断裂以正断层为主,走向NE,与DSM台快波优势偏振方向一致, 揭示出断裂构造对快波方向的影响.B区三个台站快波优势偏振方向与周边主要断层走向密切相关,且三个断层均表现出走滑正断的性质,这也与青藏块体对鄂尔多斯块体的NE或NEE向挤压,从而在鄂尔多斯块体西边界产生了NNE右旋剪切破裂的动力学机制吻合(邓起东等, 1999).

图 9 鄂尔多斯块体西缘地区(B区)快波偏振方向分布 黑色矩形是B区,主要为鄂尔多斯西缘的北部地区.红色三角代表地震台站, 黑色曲线代表断裂带,白色曲线代表一级块体边界,红色线条代表第一快波偏振优势方向. F1北大山南麓断裂; F2阿右旗断裂; F3雅布赖山南麓断裂; F4贺兰山东麓断裂; F5巴彦乌拉山断裂; F6磴口—本井断裂. Fig. 9 Polarization of fast shear-waves on the west margin of the Ordos block (B area) The black rectangle is the area B, the red triangle represents the seismic station, the black curves are the fault zone, the white curves are the the first-order block boundary, the red lines are the frist predominant polarization of the fast shear-waves. F1 Beidashan south edge fault; F2 Alashan right banner fault; F3 Yabulaishan Nanzhao fault; F4 Helan Dongshan fault; F5 Bayan UlShan fault, Wulashan fault; F6 Dengkou-Benjing fault.

EKH台有两个有效记录的结果,均表现出WNW向,这可能与EKH台周边的断裂相关.阿右旗断裂系整体走向近东西方向,以左旋走滑运动性质为主,阿右旗断裂系的特性应该是造成EKH台快波偏振方向NWW的主要原因.由于WLJ台仅有一个有效记录,这里暂不做进一步分析.

根据研究区域的快波优势偏振方向结果,可以发现大多数台站的快波优势偏振方向与周边具有走滑性质的正断层有平行关系,如HHC、DSM、BYT和WUH等台站;而在发生过逆冲型震源机制地震的区域及地壳水平运动较强的区域,如XSZ、BTO和CSQ等台站,快波优势偏振方向比较离散,呈现出双优势方向的形态,揭示出应力与断裂及构造共同作用的信息,这个结果与其他同类研究获得的认识较为一致(高原等,1995雷军等,1997吴晶等,2007石玉涛等,2009张辉等,2012太龄雪等,2015鲍子文和高原,2017),反映了应力和区域构造的局部信息.

3.3 慢波时间延迟的空间分布特征

研究区域内各个台站的慢波时间延迟也表现出一定的规律,在鄂尔多斯块体的西缘和北缘地区,均表现出从西到东时间延迟逐渐增大的特征(图 10). B区的时间延迟为1.3 ms·km-1,A区平均时间延迟为2.0 ms·km-1.从特征上看,A区可分为东、西两个分区,A区的西部分区(AW)平均时间延迟为1.9 ms·km-1, 有两个快波优势偏振方向,其中近EW向快波偏振方向对应的平均时间延迟为2.1 ms·km-1, 近NS向快波偏振方向对应的平均时间延迟为1.2 ms·km-1(见表 2),A区的东部分区(AE)时间延迟为2.1 ms·km-1, 时间延迟整体上表现出西低东高的特征(图 11).

图 10 鄂尔多斯块体北缘及西侧地区台站快波偏振方向及时间延迟分布 蓝色线段为结果小于2个的台站的快波偏振方向, 蓝色圆圈为对应快波偏振方向的时间延迟; 红色和黄色线段为结果大于2个的台站的快波偏振方向, 其中红色线段为第一快波偏振优势方向, 黄色线段为第二快波偏振优势方向, 红色圆圈为第一优势方向所对应的时间延迟,黄色圆圈为第二优势方向所对应的时间延迟.白色线条代表块体边界, 黑色线条代表断裂带, 断裂带说明同图 1. Fig. 10 The distribution of fast shear-waves and the time-delay slow shear-waves on the north and west margin of the Ordos block The blue lines are the results of the fast shear-waves polarization of the station with less than 2 fast shear-waves polarizations, and the blue circles are the delay-time corresponding to the polarizations of the fast shear-wave. The red and yellow lines are fast shear-waves predominant polarization with more than 2 stations, where the red lines are the first predominant polarizations, the yellow lines are the second f predominant polarizations, and the red circles are the time-delay corresponding to the first predominant polarizations, the yellow circles are the time-delay corresponding to the second predominant polarizations. The white curves are the block boundaries, the black curves are the fault zone, the description of the fracture is the same as Fig. 1.
表 2 鄂尔多斯块体北缘与西缘剪切波分裂参数分区统计 Table 2 Shear-waves splitting parameters in different subzones in the north margin and the west margin of the Ordos block
图 11 鄂尔多斯块体北缘及西缘分区平均时间延迟经度分布 蓝色线段为台站平均时间延迟随经度的变化, 蓝色线段的端点为台站的平均时间延迟, 红色虚线表示各子分区的起止经度. Fig. 11 The Distribution of the average time-delay and longitude of northern and western margins of Ordos block The blue lines are the change of the average time delay of each station with longitude, the endpoints of blue lines are the average time delay of the stations, the red dotted lines are the start and end longitudes of the sub-areas.

研究区表现出慢波时间延迟西低东高的特征与岩石圈有效弹性厚度在空间的分布上有相似性.岩石圈各向异性受先存构造、温度、组分以及构造应力等影响,使晶格排列在空间上出现优势取向,造成岩石圈抵抗变形的能力沿不同方向存在差异.通过对岩石圈有效弹性厚度的研究发现,鄂尔多斯块体的南北两端岩石圈有效弹性厚度值比较高,中西部和中南部地区岩石圈有效弹性厚度值比较低(郑勇等,2012).慢波时间延迟与岩石圈有效弹性厚度空间分布上是否存在关联及其科学意义,还需要今后进一步的探讨.

4 结论与讨论

使用内蒙古自治区地震台网近8年(2010年01月—2017年10月)的近场地震记录资料,使用SAM分析技术,获得了鄂尔多斯块体北缘与西缘地区地壳剪切波分裂的初步结果.基于15个台站161个有效记录的剪切波分裂计算结果,得到研究区剪切波快波平均偏振方向为NE44.4°±38.4°,慢波平均时间延迟为1.7±1.6 ms·km-1.通过对数据结果的分析,本研究得到如下主要结论.

鄂尔多斯块体北缘与西缘地区的快波平均偏振方向是NE,但等面积投影玫瑰图显示出两个优势方向,一个是NE方向,另一个是近NS方向.鄂尔多斯块体北缘和西缘的地壳剪切波分裂参数分布均受到区域应力和区域构造共同作用的影响,这一点与应力、断裂(走滑或逆冲)和构造同时影响地壳剪切波分裂参数的研究结果相符合(Gao et al., 2011石玉涛等,2009).本研究区内既有凸起构造及逆冲型地震的发生,也有走滑正倾性质的断层分布,这些不同性质的断裂构造对剪切波分裂产生了直接影响,也造成了剪切波分裂参数的复杂分布特征.

鄂尔多斯块体北缘的快波偏振特征有NE和近NS两个优势偏振方向,但在鄂尔多斯块体北缘的东部与西部两个地区,快波偏振特征表现出明显的差异.东区的第一快波优势偏振方向为NE,第二快波优势偏振方向为近NS;西区的第一快波优势偏振方向为近EW,第二快波优势偏振方向为近NS.尽管不同台站也显示出一定的差异性,但不考虑明显的断裂构造的直接影响后(高原等,2010),鄂尔多斯块体北缘的快波优势偏振特征揭示了区域主压应力背景方向可能总体上为近NS方向.东区NE方向的优势偏振与西区近EW方向的优势偏振更可能反映了断裂与构造的影响.

鄂尔多斯块体西缘的快波偏振特征显示出非常清楚的NE向的优势偏振方向,而近NS向的优势偏振方向则不明显,反映出该地区复杂构造对各向异性分布的影响.

慢波时间延迟呈现出西低东高的特点,高值出现在鄂尔多斯块体北缘的东部,大青山山前断裂的东端.这种西低东高的各向异性强度变化与岩石圈有效弹性厚度分布特征有一定的相似性,这是否与地幔热物质上涌以及华北克拉通东西两部分岩石圈不同的结构性质有关(毛慧慧等,2016),是否反映了区域构造活动西强东弱的特性,还需继续探索.

阿拉善块体内部及南侧的固定台站数目较少,有效数据缺乏,本研究不做深入的探讨.开展阿拉善块体及周边地区地壳剪切波分裂研究,对于探讨阿拉善块体的地壳各向异性及构造性质很有必要,但需要更多的观测资料.

致谢  本次研究得到了中国地震局地震预测研究所付媛媛研究员、王琼博士、武岳博士以及宁夏自治区地震局徐英才工程师的帮助,同时本文还受益于与王峻副研究员的多次讨论,在此深表谢意.特别感谢审稿专家和编辑部提出的宝贵意见和建议.
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