2015阿拉善左旗Ms5.8地震区布格重力异常及归一化总梯度的构造意义

吴桂桔 申重阳 谈红波 杨光亮

1 中国地震局地震研究所（地震大地测量重点实验室），武汉市洪山侧路40号，430071

据中国地震信息网报道，2015－04－15阿拉善左旗发生Ms5.8地震（N39.8°，E106.3°），震源深度约10km，位于贺兰山隆起与巴彦乌拉山之间的吉兰泰断陷带（磴口－本井断裂西侧约10km）。宏观地表烈度考察结果显示，震中烈度为VII度，长轴方向与磴口－本井断裂一致，说明其可能为该地震的发震构造。研究区内历史地震主要分布于银川盆地－贺兰山隆起－吉兰泰断陷带，从西北往东南呈条状分布（图1）。震区构造活动强烈，虽远离青藏高原，但高原隆升效应通过阿尔金断裂和昆仑山断裂系向北东传递，在鄂尔多斯西缘形成撕裂北东向的弧形山地。该地区因地球物理特征复杂而倍受地球物理学家的重视。由于受印度板块北向碰撞推挤，以及周围相对稳定的阿拉善和鄂尔多斯块体一定程度的阻挡，1993～2007年的GPS观测结果显示，该区内总体呈现近NE 向挤压兼NE－E－SE 向顺时针旋转的水平运动态势［1－3］。区域有关研究主要集中在贺兰山－银川盆地。20世纪80年代中国石油单位通过银川北横穿盆地的反射地震勘探发现，盆地内部发育两条规模较大的张性断裂。其后，又对银川盆地中北部作了比较详细的探测，获得0.8～8km 深度范围的人工地震、地电以及重磁等方面的资料［4］。1982年毛桐恩等［5］分析南北地震中北段的深部环境，给出重力以及地电等深度图，并探讨了贺兰山－六盘山地震带地壳和上地幔结构特征；2006年柴炽章等［6］通过多层次综合探测研究银川及其周边隐伏活动断层特征；2009年方盛明等［7－8］通过分析一条68.9km 跨银川断陷盆地的高分辨率地震反射探测剖面，获得黄河断裂、银川－平罗断裂、贺兰山东麓断裂的特征及深浅构造关系；2011年郑军［9］分析了鄂尔多斯地块的电性结构，其中Line39大地电磁剖面位于N39°，其研究结果展示，剖面西边电阻率值低，往东电阻率值变大，上地壳是一个高阻层，东西两侧埋深浅，中间埋深大；2013年尹秉喜等［10］分析了靖远－宁夏盐池剖面中上地壳电性结构特征。这些研究成果主要采用了地震反射测深以及大地电测探测手段，重点给出了黄河断裂、银川－平罗断裂以及贺兰东麓断裂的分布特征及其与深浅构造的关系，但针对阿拉善左旗地区附近的巴彦乌拉山山前断裂、磴口－本井断裂、和屯－本井断裂的研究甚少，特别是有关重力的研究成果少见。

2013年，中国地震局行业专项“中国地震科学台阵探测”在该地震区附近实施了苏海图－平罗－鄂托克旗重力剖面测量。该剖面跨越吉兰泰断陷带－贺兰山隆起－银川盆地和鄂尔多斯西缘，途径磴口－本井断裂南端。本文利用该剖面成果（布格重力异常及其归一化总梯度），结合区域背景布格重力异常图，从重力学角度探索阿拉善左旗Ms5.8地震区域断裂构造与地震之间的关系。

1 区域地质构造与重力异常背景

研究区处于鄂尔多斯、阿拉善和青藏3大块体的接壤镶嵌部位，其东部、西部分别为稳定的鄂尔多斯地块和阿拉善地块，中间为活跃的构造变形过渡带（银川盆地－贺兰山隆起－吉兰泰断陷带）。银川盆地－贺兰山隆起－吉兰泰断陷带是华北克拉通内部的板内构造变形带，该段的构造运动与阿拉善地块及鄂尔多斯地块的相互运动有关，新生代以来华北应力场的转变使得阿拉善与鄂尔多斯块体发生相互拉张作用，造成该区域的构造运动以大陆内部的伸展变形为主［11－14］，形成隆起的贺兰山和下沉的银川盆地。同时，它又位于中国南北地震带的北段，紧邻青藏块体的东北缘，受青藏块体东北缘的强烈挤压作用，形成陡变的地球物理场和强烈的地震活动［15］。

研究区内过渡带以及鄂尔多斯地块大部分被第四系沉积物覆盖，但阿拉善地块由于第四纪沉积物覆盖严重，露头状况较差，以华力西期为主。且断裂带也较为发育，主要分布于106°～107°E（即银川盆地－贺兰山隆起－吉兰泰断陷带内），以北东走向为主兼有北西或南东弧形断裂。该区地震活动强烈，曾在1739年发生平罗Ms8地震，历史记载地震Ms5.0～5.9两次，Ms6.0～6.9 三次，Ms8.0～8.9 一次。平罗Ms8大震的发震构造一直存在争议，李孟鸾、郭建增等不少学者认为该地震的发震构造为银川－平罗隐伏断裂，但也有学者认为贺兰山东麓活动断裂为该8级地震的发震构造［16－18］。目前对块体边界模糊不清或者模棱两可的认识，也使得人们对于块体间的相互运动和变形分析难以深入，块体边界深大断裂与块体内部次级断裂现今的活动差异性也无法得到合理解释。

图2为区域布格重力异常图（据地质矿产部1988年编制出版的1∶400万《中国布格重力异常图》绘制），反映了阿拉善地块与鄂尔多斯地块交接处构造长期变形、演化形成的物质整体分布状态。总体来说，区域重力异常（图2）从北西往东南呈高－低－高－低展布。巴彦乌拉山山前断裂与磴口－本井断裂之间为低值异常带，巴彦乌拉山山前断裂以西和磴口－本井断裂以东分别显示局部高值重力异常（－146～－128 mGal；－146～－122 mGal）。作为我国东部与西部之间具备明显地质构造差异的过渡带，反映了由于受青藏块体隆升和向四周扩展的影响，地壳厚度自西往东逐步减薄。区内断裂构造大多走向北东，与重力等值线走向基本一致，如巴彦乌拉山山前断裂、鄂尔多斯北缘断裂、磴口－本井断裂、贺兰东麓断裂带、银川－平罗断裂、黄河断裂等。研究区内地震主要发生在重力异常梯级带以及断裂带交汇处及其附近。Ms5.8阿拉善左旗地震发生在磴口－本井断裂以西，该处也是布格重力异常由低到高的转换带。

图2 研究区区域重力布格异常Fig.2 Region gravity Bouguer anomaly in the research area

2 剖面重力异常与归一化总梯度成像

2.1 实测剖面重力异常

苏海图－平罗－鄂托克旗剖面的测量使用2台相对重力仪（CG－5型）和2台GPS接收机准同步同址观测，按国家有关规范开展相对重力联测和高精度位置三维测定，并与银川绝对重力站联测。图2中蓝色五角星形所示剖面呈近东西向，跨越巴彦乌拉山山前断裂、和屯－本井断裂、磴口－本井断裂、正谊关断裂、贺兰东麓断裂、银川－平罗断裂以及黄河断裂，西起苏海图，东南至鄂托克旗，共109个测点，测量剖面长约258km。对野外观测重力数据进行预处理和绝对控制下的平差计算，得到各测点重力值（点值平均精度约为13.3 μGal）。同时，用GPS观测数据解算各测点坐标（即经度、纬度和高程），其水平精度在0.15m 以内，高程精度在0.2 m 以内。然后，按国内相关规范，对各测点重力值进行正常重力改正、高度改正、中间层改正和地形改正，得到各测点布格重力异常（图3）。

图3 剖面布格重力异常以及对应的GPS高程值Fig.3 Bouguer gravity anomaly of the profile and its corresponding GPS elevation

图3中红色曲线为实测布格重力异常，红色虚线为测点GPS解算高程值。从图中可以看出，布格重力异常的变化范围在－221～－147 mGal。在巴彦乌拉山山前断裂以及贺兰山东麓断裂附近布格重力异常变化较大，断裂两侧布格重力异常差异分别约47 mGal和69 mGal；贺兰山东麓至黄河断裂存在明显的重力低异常。该剖面上布格重力异常值变化较大，区域布格重力异常沿该重力剖面方向上总体趋势与剖面重力布格异常趋势相似。但在平罗地区附近，区域布格重力异常为高异常，剖面布格重力异常却为低异常，两者趋势相反。推断剖面重力该处低异常可能为物质亏损，在该地区附近煤矿丰富且开采较为严重，因此认为该处低异常为煤矿采空所致。

2.2 重力归一化总梯度成像

重力归一化总梯度法是一种利用在较高精度下测量的重力异常来确定场源、断裂位置及密度界面的方法。该方法的出发点在于利用剩余质量的引力位及其导数在场源体以外空间都是解析函数，而在场源处则为失去解析性（及函数的奇点），通过对异常的解析延拓来确定函数的奇点问题即确定场源。归一化总梯度的基本表达式如下：

其中，G（x，z）为xoz垂直面上的重力总梯度，为深度z上的M＋1 个测点总梯度的平均值，Vxz、Vzz分别为xoz面内布格重力异常水平方向和垂直方向的一阶导数。GH（x，z）为一个无量纲的比值，在xoz面内，按一定深度间隔求各点的GH（x，z），最后绘出GH（x，z）的等值线图。

将剖面布格重力异常按点距1km 进行线性内插，剖面有限级数展开n＝40阶，向下延拓采用2km 层间距，获得剖面重力异常归一化总梯度图（图4）。整条重力剖面的主要特征是：自西往东上地壳GH的分布较为复杂，剖面200km 以东以GH低值分布为主。在20km 以上，剖面起点至200km 之间存在7个GH值高低转换带，约位于30、50、70、100、140、160、180km 处，即图4中对应的F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7处。GH值的起伏变化是由于密度分布差异引起的，若密度分布未发生变化，那么GH的等值线为连续分布状态。剖面所跨越的大型断裂有巴彦乌拉山山前断裂F1、正谊关断裂F4、贺兰山东麓断裂F5、银川－平罗断裂F6、黄河－灵武断裂F7。其中F1走向北东，均南倾，倾角约50°左右；F4走向东西，南倾，倾角约60°；F5走向北北东，倾向南东，倾角约60°；F6走向大体北北东，倾向北西，倾角约60°；F7走向北东，倾向北西，倾角约67°。F1处的高GH值异常倾角约50°左右，并向下延伸至约30km，倾向剖面以西；F2、F3处异常倾角约60°左右，向下延伸至约15km，倾向剖面以东；F4、F5、F6处异常倾角均约60°，F4和F5向下延伸至约13km，F6向下延伸至约20km，F4 和F6 倾向剖面以西，F5倾向剖面以东；F7处异常值倾角约65°，延伸至约15km，倾向剖面以西。对比分析归一化重力梯度分布与区域地质构造背景可知，归一化梯度成像总体展示异常倾角与地质上的断裂分布以及倾角较为吻合，该剖面走向为东西向，更好地反映了F5（向东）、F6（向西）和F7（向西）断裂的倾向。剖面140km 附近（即平罗附近）形成一个GH相对较高值区域，该地区附近煤矿丰富，且开采较为严重，推断该区域为煤矿过度开采所致，详情待考。

图4 剖面归一化梯度成像Fig.4 The image of Normalized full gradient of the gravity profile

3 结 语

本文主要研究剖面重力归一化总梯度GH成像分布特征及其与有关断裂带的展布关系。GH变化是由地下构造变形引起的物质密度分布差异所致，这种变化也是深部动力环境变化和地震孕育发生的一种指示，构造变动过程中快速形成的高梯度变形带亦是判定较强地震孕育发生地点的一个标志。

剖面重力归一化总梯度GH成像（图4）显示，约160～170km 处往西陡倾的GH等值线条带解释为与银川－平罗断裂相关，银川－平罗断裂与1739年平罗Ms8.0 地震的震中投影在深约15 km 处交汇。这一现象表明，平罗Ms8.0地震的发震构造是银川－平罗断裂，不是贺兰山东麓断裂，震源深度约15km。

图4可见，邻近磴口－本井断裂带（F3）存在一个变形较大的GH东倾条带，F3断裂为条带的东界，阿拉善左旗Ms5.8地震震源夹于GH东倾条带西界与下伏局部稳定区之间，F3断裂与其并不相交，说明F3断裂不是Ms5.8地震的发震构造，Ms5.8 地震的构造应为受F3 断裂控制的新生构造。

上述研究可为阿拉善地块和鄂尔多斯地块之间构造活跃带的构造变形解译和发震条件研究提供基础。

［1］江在森，张希，崔笃信，等.青藏块体东北缘近期水平运动与变形［J］.地球物理学报，2001，44（5）：636－644（Jiang Zaisen，Zhang Xi，Cui Duxin，et al.Rencent Horizontal Movement and Deformation in the Northeast Margin of Qinhai－Tibet Block［J］.Chinese Journal of Geophysics，2001，44（5）：636－644）

［2］张希，江在森，王琪，等.1999～2001年青藏块体东北缘地壳水平运动的非震反位错模型及变形分析［J］.地震学报，2003，25（4）：374－381（Zhang Xi，Jiang Zaisen，Wang Qi，et al.Aseismic Negative Dislocation Model and Deformation Analysis of 1999to 2001Crustal Horizontal Movement in the Northeast Margin of Qinghai－Tibet Block［J］.Acta Seismologica Sinica，2003，25（4）：374－381）

［3］张希，张晓亮，王双绪，等.青藏块体东北缘近期地壳水平运动与应变积累［J］.大地测量与地球动力学，2008，28（4）：12－16（Zhang Xi，Zhang Xiaoliang，Wang Shuangxu，et al.Recent Horizontal Crustal Movement and Strain Accumulation in Northeastern Margin of Qinghai－Tibet Block［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2008，28（4）：12－16）

［4］宁夏地质局研究队地质学编图组.宁夏回族自治区构造体系图（1：50万）［M］.银川：宁夏人民出版社，1980（The Geology Editing Group of Ningxia Geology Bureau.The Structure System in Ningxia Huizu Zizhiqu（1：500 000）［M］.Yinchuan：Ningxia Renmin Press，1980）

［5］毛桐恩，姚家榴.中国南北地震带（北段、中段）的深部环境与地震关系的初步探讨［J］.地震地质，1982，4（2）：21－31（Mao Tongen，Yao Jialiu.A Preliminary Discussion on the Relationship of Deep Environment to Seismic in North－South Seismic Belt（Its Northern and Middle Sections），China［J］.Seismology and Geology，1982，4（2）：21－31）

［6］柴炽章，孟广魁，杜鹏，等.隐伏活动断层的多层次综合探测：以银川隐伏活动断层为例［J］.地震地质，2006，28（4）：536－544（Chai Chizhang，Meng Guangkui，Du Peng，et al.Comprehensive Multi－level Exploration of Buried Active Fault：An Example of Yinchuan Buried Active Fault［J］.Seismology and Geology，2006，28（4）：536－544）

［7］方盛明，赵成彬，柴炽章，等.银川断陷盆地地壳结构与构造的地震学证据［J］.地球物理学报，2009，52（7）：1 768－1 775（Fang Shengming，Zhao Chengbin，Chai Chizhang，et al.Seismic Evidence of Crustal Structures in the Yinchuan Faulted Basin［J］.Chinese Journal of Geophysics，2009，52（7）：1 768－1 775）

［8］赵成彬，方盛明，刘保金，等.银川盆地断裂构造深地震反射探测试验研究［J］.大地测量与地球动力学，2009，29（2）：33－38（Zhao Chengbin，Fang Shengming，Liu Baojin，et al.Experimental on Fault Tectonics with Deep Seismic Reflection Detection in Yinchuan Basin［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2009，29（2）：33－38）

［9］郑军.鄂尔多斯块体电性结构研究及其与地质构造的关系［D］.北京：中国地质大学（北京），2011（Zheng Jun.The Research on Electric Structure in Ordos and Its Relationship between Geological Structure［D］.Beijing：China University of Geosciences（Beijing），2011）

［10］尹秉喜，程建华，闵刚，等.宁南弧形构造带甘肃靖远－宁夏盐池剖面中上地壳电性结构特征［J］.地学前缘，2013，20（4）：332－339（Yi Bingxi，Cheng Jianhua，Min Gang，et al.The Conductivity Characteristics of Middle and Upper Crust of Jingyuan－Yanchi，Southern Ningxia Arc Structure［J］.Earth Science Frontiers，2013，20（4）：332－339）

［11］Ye H，Zhang B T，Mao F Y.The Cenozoic Tectonic Evolution of the Great North China：Two Types of Rifting and Crustal Necking in the Great North China and Their Tectonic Implications［J］.Tectonophysics，1987，133：217－227）

［12］An Y，Harrison T M.Geologic Evolution of the Himalayan－Tibetan Orogen［J］.Annu Rev Earth Planet Sci，2000，28：211－280

［13］许忠淮，汪素云，高阿甲.地震活动反映的青藏高原东北地区现代构造运动特征［J］.地震学报，2000，22（5）：472－481（Xu Zhonghuai，Wang Suyun，Gao Ajia.Present－Day Tectonic Movement in the Northeastern Margin of the Qinghai Tibetan Plateau as Reveled By Earthquake Activity［J］.Acta Seismologica Sinica，2000，22（5）：472－481）

［14］李孟銮，万自成.1739年平罗8.0级地震的发震构造及其孕育特 征［J］.地震 地 质，1984，6（3）：23－28（Li Mengluan，Wan Zicheng.Characteristics of the Earthquake－Generating Structures for Magitude 8.0Pingluo Earthquake of 1739 and the Process of Its Preparation［J］.Seismology and Geology，1984，6（3）：23－28）

［15］刘建辉，张培震，郑德文，等.贺兰山晚新生代隆升的剥露特征及其隆升模式［J］.中国科学：地球科学，2010，40（1）：50－60（Liu Jianhui，Zhang Peizhang，Zhen Dewen，et al.Pattern and Timing of Late Cenozoic Rapid Exhumation and Uplift of the Helan Mountain，China［J］.Sci China Earth Sci，2010，40（1）：50－60）

［16］邓起东，尤惠川.断层研究与地震危险性估计——以贺兰山东麓断层崖为例［J］.西北地震，1985，7（1）：29－38（Deng Qidong，You Huichuan.Fault Scarps Research and Earthquake Risk Estimation－Example in Eastern Holanshan Fault Scarps［J］.Northwestern Seismological Journal，1985，7（1）：29－38）

［17］国家地震局“鄂尔多斯活动断裂系”课题组.鄂尔多斯周缘活动断裂系［M］.北京：地震出版社，1988（“Ordos Active faults”Group of the China Earthquake Administration.The Ordos Surrounding Active Faults［M］.Beijing：Earthquake Press，1988）

［18］丁国瑜，田勤俭，孔凡臣，等.活动断裂分段：原则、方法与应用［M］.北京：地震出版社，1993（Ding Guoyu，Tian Qinjian，Kong Fanchen，et al.The Division of Active Fault：Principle，Method and Application［M］.Beijing：Earthquake Press，1993）