基于深部电性结构特征的2013年甘肃岷县漳县M S 6.6地震孕震环境探讨

赵凌强 詹 艳 赵国泽 陈小斌 杨 皓 姜 峰

1)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

2)中国地震局第二监测中心，西安 710043

0 引言

2013年7月22日在甘肃省定西市岷县、漳县交界(34.5°N，104.2°E)发生了MS6.6地震，震源深度20km，此次地震造成95人死亡、千余人受伤、万余户受灾，近十万间房屋损毁(李志强等，2013)。在野外地震地质调查基础上综合本次地震的破坏特征认为，本次地震的发震断裂为临潭－宕昌断裂带(郑文俊等，2013a)。从区域大地构造可以看出，岷县漳县地震区位于EW向的中国大陆中央造山系、近SN向的川滇－贺兰构造带和中新生代以来形成的青藏高原之间交接转换构造结的西秦岭造山带西段，复杂的地质作用造就了该地区发育的一系列规模宏大、逆冲、近EW向走滑的断裂体系(张国伟等，1995，2004;程顺有等，2003)。该地区也是中国东部和西部、南部和北部地壳结构、地壳厚度和地球物理场发生变化的转折带或重要梯级带(张季生等，2007)。历史记载该地区发生过多次中强地震，如1573年岷县6.5级地震、1837年岷县6级地震、2003年岷县5.2级地震、2004年岷县5.0级地震等就发生在与本次地震关系密切的临潭－宕昌断裂带附近(郑文俊等，2007，2013a)。

为了揭示岷县漳县地震区的深部结构特征，了解该地震的深部孕震环境和发震机制以及西秦岭造山带西段与松潘－甘孜地块的接触关系等，地震发生后，中国地震局地质研究所于2013年7月底至8月中旬，跨地震区沿SW－NE方向开展了一条大地电磁剖面探测。在资料处理的基础上，解释了剖面跨过的西秦岭造山带、松潘－甘孜地块、陇西盆地的深部电性结构特征，并对岷县漳县6.6级地震区的深部电性结构特征及深部孕震环境进行了初步探讨。

1 野外观测与资料处理

1.1 大地电磁剖面和数据采集

大地电磁剖面西南起于四川松潘县东北，向东北经甘肃迭部、岷县、漳县至定西市，自SW向NE跨过了松潘－甘孜地块(北部)、西秦岭造山带和陇西盆地。剖面沿线主要断裂有东昆仑断裂带塔藏段(F1)、迭部－白龙江断裂(F3)、光盖山－迭山断裂(F4)、临潭－宕昌断裂(F5)、西秦岭北缘断裂(F2)、马衔山断裂(F6)、塔藏断裂(F7)。沿剖面布设了45个测点，剖面长约320km，测点间距在岷县地震区和西秦岭北缘断裂带附近较密(0.2～3km)，在迭部－白龙江断裂(F3)到东昆仑断裂带塔藏段(F1)之间由于地形和交通限制，有15km左右的距离无法布置测点(图1)(邓起东等，1994，2003;张培震等，2003;陈长云等，2012;郑文俊等，2013b)。

野外数据采集从2013年7月24日开始，到8月24日结束，采用加拿大凤凰公司MTU－5A设备进行数据采集(频带范围320～0.000 5Hz)，为了保证获得高信噪比的数据，所有测点记录时间均超过40h，在地震区进行数据采集的同时，在陕西乾县布置了远参考站进行同步观测，与测区进行同步记录，以便对测区数据进行远参考处理，图2给出了 WQL6001A、WQL6013D、WQL6019A、WQL626D 4个测点远参考前后的视电阻率和相位对比，可见经过远参考处理之后数据质量得到明显改善，特别是在大地电磁信号较弱的10～0.1Hz段改善尤为明显。

1.2 数据处理和定性分析

使用远参考和“Robust”技术(Egbert et al.，1986;Chave et al.，1987)，对全部测点数据进行了处理，获得了各测点的谱数据。运用大地电磁资料处理系统(陈小斌等，2004)对各测点的谱数据进行处理计算，获得了视电阻率和阻抗相位数据，使用相位张量分解方法(Caldwel et al.，2004)计算得到了2维偏离度值和电性走向角等参数。

图1 松潘－甘孜地块和西秦岭造山带接触区主要构造(郑文俊等，2013b)和大地电磁测点位置图Fig.1 The topography and tectonics of the junction area between the Songpan-Ganzi block and West Qinling orogenic belt(ZHENG Wen-jun et al.，2013b)，and magnetotelluric measurement points.

图2 典型测点远参考处理前(a)后(b)视电阻率和相位图Fig.2 Typical apparent resistivity and phase curves before(a)and after(b)remote reference processing.

图3 典型测点测量方向视电阻率和阻抗相位曲线图Fig.3 Typical apparent resistivity and phase curves of measurement points.

视电阻率曲线特征:分析沿剖面各测点的视电阻率曲线数值和形态特征，可以初步了解松潘－甘孜地块、西秦岭造山带、陇西盆地3个构造单元具有明显不同的深部电性结构特征，图3给出了沿剖面8个典型测点的视电阻率和阻抗相位曲线形态和数值(测点位置为图1中的蓝色实心圆点)。松潘－甘孜地块内各测点(WQL6002A)的视电阻率曲线自高频到低频呈现出低—高—低的变化特点，反映出松潘－甘孜地块自地表到一定深度具有低—高—低3层结构;在靠近东昆仑断裂东延的塔藏段(F1)的WQL6005A测点的视电阻率曲线形态与松潘－甘孜地块测点内相似，只是整体的视电阻率数值低于松潘－甘孜地块内的测点，说明在东昆仑断裂东延的塔藏段的深部电性结构仍然具有低—高—低3层结构，只是较松潘－甘孜地块埋深较浅，WQL6008D测点靠近迭部－白龙江断裂(F3)，该测点的视电阻率曲线形态在周期几十秒之后明显不同于东昆仑断裂带东延的塔藏段(F1)西南侧的测点，可能说明迭部－白龙江断裂带附近在深部两侧的电性差异较大。

光盖山－迭山断裂(F4)至西秦岭北缘断裂带(F2)之间的西秦岭造山带内的各测点(WQL614D，WQL6019D，WQL6022D)有相似的视电阻率曲线形态，自高频到低频表现为低—高—低的形态，但是各测点视电阻率曲线的高频段的数值高低不同，中频段视电阻率数值出现极大值的频段也不同，反映出西秦岭造山带西段深部电性结构成层性较差，表现为高低电阻相互叠合的样式。

西秦岭北缘断裂(F2)东北侧的陇西盆地内测点(WQL6028D，WQL6031A)视电阻率曲线自高频到低频呈现出由低到高再降低的特点，且电阻率曲线数值整体较低，反映出陇西盆地内的深部电性结构自地表到一定深度具有一定厚度的低阻沉积层。

区域电性走向和维性特征分析:大地电磁方法目前的反演技术还是基于2维反演，需要详细地分析沿剖面的2维性和电性构造走向。使用大地电磁资料处理系统(陈小斌等，2004)里的分频段和分点的相位张量分解方法，计算统计了各测点的分频段和全频段的电性走向角。图3给出了沿剖面全部测点分频段1 000～100Hz、100～10Hz、10～1Hz、1～0.1Hz、0.1～0.01Hz、0.01～0.001Hz、0.001～0.000 5Hz和全频段1 000～0.000 5Hz的相位张量电性走向玫瑰花瓣图。图3中分频段和全频段的电性走向玫瑰花瓣图显示了沿剖面的优势电性走向为NWW向(N60°W)或者NNE向(N30°E)，结合该区地质构造走向为NWW—SEE向，即可判断该区电性走向为NWW向(N60°W)，说明NNE向布置的测线方位基本垂直于NWW(N60°W)走向的构造方向。将剖面上45个测点按照测量方位(SN向)向西旋转60°，获得的N60°W方向的视电阻率和阻抗相位数据是平行构造方向的TE模式数据，N30°E方向的视电阻率和阻抗相位数据为垂直构造方向的TM模式数据(陈乐寿等，1990)。图5展示了全部测点相位张量2维偏离度随频率变化的立体图，图中可见沿剖面各测点的相位张量2维偏离度值整体＜0.3，且高频到0.1Hz频段2维偏离度值普遍＜0.1;仅仅在个别地段接近1 000s附近的低频段相位张量2维偏离度值＞0.3，说明沿该剖面自高频到低频普遍具有2维特性，只是在部分地区较深部的地下电性结构呈现3维特性(蔡军涛等，2010a)。

图4 全部测点相位张量分解电性走向玫瑰花瓣图Fig.4 The rose diagrams of the geoelectric strike direction using the phase tensor decomposition technique.

2 2维反演

在进行2维反演之前，对剖面上每个测点TE和TM模式的视电阻率曲线和阻抗相位曲线进行了静位移分析和辨别，首先对每条剖面上位于出露同一地层区的各测点高频段视电阻率数值进行了统计分析和比较，辨别发生静位移的测点并进行校正。校正后的视电阻率和阻抗相位数据作为2维反演计算的输入数据，在反演中还需要多次反复比较反演模型理论和相应的实测数据的拟合等，再对部分测点静位移系数进行适当调整，最后确定静位移的测点和具体校正因子。

在对视电阻率曲线静位移校正后，对各测点视电阻率、阻抗相位曲线上偏离的“飞点”采用加大误差的方式，以减少这些“飞点”在反演计算中的权。西秦岭地区地形较为复杂，从该剖面上的电性走向和2维偏离度参数，沿剖面有些测点较低频率还是存在3维性。根据蔡军涛等(2010b)对大地电磁2、3维结构的理论反演结果对比:3维结构下，使用TM模式进行2维反演得到的结果更接近实际的3维模型，TE模式的视电阻率曲线容易受到3维畸变影响。因此，在后续的反演过程中，对TM模式的视电阻率和阻抗相位分别使用5%和5%的本底误差，对TE模式的视电阻率和阻抗相位分别使用20%和5%的本底误差进行反演。使TE视电阻率在反演过程中权重减小，主要依靠TE相位和TM视电阻率和相位进行2维反演。2维反演计算是在“MTDATABASE”大地电磁数据处理反演集成系统(肖骑彬，2005)下进行的，利用NLCG 2维反演方法(Rodi，2001)，对各测点的TE和TM两种极化方式的视电阻率和阻抗相位数据进行带地形2维联合反演计算，初始模型为100Ω·m电阻率的均匀半空间，使用多个正则化因子(Tau)进行多次反演计算。图6给出了该剖面不同正则化因子(Tau)反演得到的模型粗糙度(Roughness)和拟合误差(Rms)的L曲线图，图中可见Tau=5的模型粗糙度和拟合误差处于L曲线拐点，说明使用Tau=5反演得到的结果综合了拟合误差值和模型光滑程度(Prasanta et al.，2009)，最后确定使用Tau=5的反演结果，总体拟合误差Rms为2.2。

图5 沿剖面相位张量分解2维偏离度随频率变换的立体等值线图Fig.5 Skewness using the phase tensor decomposition technique alone profile.

图6 沿剖面不同正则化因子反演得到的模型粗糙度和拟合误差的L曲线图Fig.6 L-curve of RMS values and roughness for profile when Tau is changed.

图7 给出了沿剖面2维反演得到的理论响应和实测的视电阻率和阻抗相位数据对比图，图中空白部分为不参加反演的“飞点”。可见实测的视电阻率和阻抗相位曲线与2维反演得到的理论响应拟合较好，沿剖面2维反演得到的电性结构即为可接受的深部电性结构特征。

图7 沿剖面实测TE和TM极化模式的视电阻率和阻抗相位与2－D模型理论响应值的曲线和柱状图比较Fig.7 Comparison of TE and TM apparent resistivity and impedance phase of measured values and calculated values from 2-D theoretical response along the profile.

3 深部电性结构特征

图8 深部电性结构图Fig.8 Electrical resistivity models derived by 2-D inversion of the MT data along the profile.

图8给出了沿剖面2维反演得到的深部电性结构图像。该剖面穿过了岷县地震区附近，将中国地震台网中心网站(CENC)测定的岷县地震主震震源深度20.0km放置于剖面图中。在电磁剖面西北侧穿过阿尼玛卿缝合带东端完成的一条近SN向深地震宽角反射/折射剖面探测结果显示，该地区莫霍面埋深在48～51km范围内，呈现出北浅南深的特点(张先康等，2008)，将莫霍面深度也绘制在深部电性构造图7中，同时也将沿剖面的地形变化绘制在深部电性构造图上部。根据地质构造(郑文俊等，2013b)和测点的相对位置，把沿剖面的东昆仑断裂带塔藏段(F1)、西秦岭北缘断裂(F2)、迭部－白龙江断裂(F3)、光盖山－迭山断裂(F4)、临潭－宕昌断裂(F5)以及马衔山断裂(F6)位置标示于图7中。深部电性结构图像揭示了沿剖面的各断裂、构造单元以及2013年岷县漳县地震区的深部电性结构特征。

3.1 断裂结构

地表地质调查研究认为迭部－白龙江断裂带(F3)和光盖山－迭山断裂带(F4)构造变形主要受控于东昆仑断裂塔藏段(F1)向NE扩展;而北部的临潭－宕昌断裂(F5)先期形成，主要受控于西秦岭北缘断裂带(F2)(郑文俊等，2013b)，深部电性结构图像显示与地表地质调查基本一致的断裂体系。

从图7可见东昆仑断裂带塔藏段(F1)、迭部－白龙江断裂带(F3)和光盖山－迭山断裂带(F4)处于统一的深部结构环境中，其中F1为主要电性边界带，错断了松潘－甘孜地块中下地壳的低阻层，该低阻层往东北延伸到光盖山－迭山断裂带(F4)，这两条断裂在深部约10km深度范围有归并到东昆仑断裂带塔藏段(F1)上的趋势。从图7还可看出东昆仑断裂带塔藏段(F1)自浅部到地下几十千米都表现为较宽的低电阻带;断裂内部介质具有低电阻属性，这可能是东昆仑断裂带在塔藏段的水平滑动速率逐渐减小、垂向运动逐渐增强(陈长云等，2012)的深层原因。

西秦岭北缘断裂带(F2)表现为陡立略向SW倾斜的电性边界带，电性差异范围可从浅表延伸到地下几十千米，穿过了莫霍面。临潭－宕昌断裂带(F5)南北两侧都为高阻体，临潭－宕昌断裂带(F5)在十几千米深度以上呈现为高角度电性边界带，在十几千米深度左右向北归并到西秦岭北缘断裂带(F2)(郑文俊等，2013a)。马衔山断裂(F6)在本剖面位置未出露地表，但是电性结构图像仍然显示出马衔山断裂(F6)在该剖面区域的深部还是表现为电性边界带，深度延伸至上地壳。

3.2 地块深部电性结构

松潘－甘孜块体(北部):剖面西南端跨入松潘－甘孜地块北部。深部电性结构图显示在松潘－甘孜地块北部呈现为高—低—次高电阻的3层结构样式，在深度约20km附近存在中下地壳低阻层，与在松潘－甘孜地块中部区域的电磁探测成果一致(Bai et al.，2010;Zhao et al.，2012)。该低阻层在松潘－甘孜地块北部表现为西南深、东北浅的趋势，显示出青藏高原向NE方向运动的趋势。在迭部－白龙江断裂带(F3)和光盖山－迭山断裂带(F4)之间的深部存在明显的“锥形”高阻体，该“锥形”高阻体有阻挡松潘－甘孜地块中下地壳低阻层向东北发展的作用。

西秦岭造山带:东昆仑断裂带塔藏段(F1)和西秦岭北缘断裂带(F2)之间区域，总体看来西秦岭造山带从地表到深度约20km范围深部电性结构呈现高阻特征，高阻层的埋深表现为东北和西南浅、中部深的倒“梯形”样式;在高阻层之下出现低电阻层，低电阻层与高阻层相互契合，呈现相互堆积的式样;该低阻层在倒“梯形”的高阻体下方厚度较大。临潭－宕昌断裂(F5)正位于倒“梯形”高阻体的中心部位，表现为电性异常边界带。

陇西盆地:西秦岭北缘断裂(F2)以北区域。陇西盆地靠近西秦岭断裂带附近的深部电性结构自地表到几千米深度范围为低电阻特性，表现出新生代盆地样式;到十几千米深度出现几百Ω·m的次高阻层，其下电阻率降低到几 Ω·m，与陇西盆地内其他地段的深部电性结构特征一致(詹艳等，2005;赵国泽等，2010)。

3.3 2013年甘肃岷县漳县地震区深部孕震环境

2013年甘肃岷县漳县MS6.6地震震源深度约为20km，现场调查和震害特征综合判断认为，临潭－宕昌断裂带是本次地震的发震构造(郑文俊等，2013a)。从图7可以看出该次地震的震源区处于呈现倒“梯形”的高阻体的西秦岭造山带的核部，亦处于上地壳的高电阻体和中下地壳低电阻体的接触区，也就是切割了地壳表层表现为低阻破碎带的临潭－宕昌断裂带(F5)附近。

本电磁剖面西南段跨入了松潘－甘孜地块北部，深部电性结构图像揭示在松潘－甘孜地块北部存在西南深、东北浅的中下地壳低阻层，与松潘－甘孜地块南部和中部区域电磁探测成果一致(Bai et al.，2010;Zhao et al.，2012)，为松潘－甘孜地块中下地壳存在着广泛的低阻层和青藏高原东缘物质流通道的推论提供了电磁学证据，并表明青藏高原东缘地区有向NE推挤西秦岭造山带的趋势(张培震等，2002，2008;闻学泽等，2011)。本电磁剖面东北段跨入陇西盆地，深部电性结构揭示了陇西盆地具有稳定的成层性结构，西秦岭北缘断裂带(F2)为陡立略倾向SW的电性边界带，说明西秦岭造山带处于东北侧稳定的陇西盆地阻挡中(程顺有等，2003)，西秦岭造山带上地壳处于松潘－甘孜地块的挤压作用下，再加之北侧稳定的阿拉善地块的阻挡，造就了该区东昆仑断裂带塔藏段(F1)、临潭－宕昌断裂(F5)、西秦岭北缘断裂带(F2)等一系列具有逆冲性质的走滑断裂(郑文俊等，2013b)，这种SW向NE推挤、NE侧相对阻挡的相互作用正是本次岷县漳县MS6.6地震发生的动力学原因。

大量在活动地震区的探测研究(Sleep et al.，1992;Byerlee et al.，1993;胥颐，1995;Unsworth et al.，1997，1999，2000;Bedrosian et al.，2002，2004;Makoto et al.，2005)表明，在中下地壳断层带内出现的中低阻层是由于介质在高温高压条件下使岩石发生相变脱水或熔融所致，反映了介质的力学性质，同时断裂带中游离水的存在又增加了岩石的导电性，形成导电性能良好的构造层位，由于断裂带中流体的存在和运移降低了岩石破裂所需要的剪应力，促进了地震的发生，因此低阻的存在不仅表示应力聚集区，也反映了这些地区的构造不稳定性。

2013年岷县漳县地震震源区上部为高电阻体，其下存在低阻层，地震发生在切割了地壳表层表现为低阻带的临潭－宕昌断裂带附近。松潘－甘孜地块和陇西盆地对西秦岭造山带形成挤压、阻挡作用，其能量可能通过西秦岭造山带中上地壳区的高电阻构造传递，被临潭－宕昌断裂带附近低阻带所吸收，当这种从南向北挤压和阻挡持续作用超过该地区介质的应力临界值时，该区临潭－宕昌低阻破碎带显示出了不稳定性而发生形变，导致该区附近的高电阻特性的岩石产生破裂或层间滑动，进而发生了岷县漳县地震，因此2013年岷县漳县地震震源区特殊的介质属性和接触关系是该次地震发生的内部因素。

4 结论

2013年岷县漳县MS6.6地震发生后，跨过西秦岭造山带和岷县漳县地震区沿一条NNE方向的大地电磁剖面开展45个测点的观测，使用远参考和“Robust”技术以及相位张量分解技术处理数据，采用NLCG 2维反演方法进行反演。获得的深部电性结构图像揭示了西秦岭造山带深部电性结构特征及其与南北两侧地块的接触关系，也揭示了2013年漳县地震震源区的深部孕震环境。

(1)东昆仑断裂带塔藏段(F1)错断了松潘－甘孜地块中下地壳低阻层，迭部－白龙江断裂(F3)和光盖山－迭山断裂带(F4)延伸深度不大，在深部归并于东昆仑断裂带塔藏段(F1);东昆仑断裂带塔藏段(F1)内部结构和介质的低阻特性是东昆仑断裂带在塔藏段水平滑动速率逐渐减小、垂向运动逐渐增强的深层原因。西秦岭北缘断裂(F2)为陡立的大型电性边界带，延伸深度穿过莫霍面，临潭－宕昌断裂带(F5)表现出具有一定宽度的低阻带，延伸深度归并到中下地壳低阻层中。

(2)在松潘－甘孜地块北部呈现为高—低—次高电阻的3层结构样式，在深度约20km附近存在西南深、东北浅的低阻层，显示出青藏高原东缘地区向NE方向运动的趋势。西秦岭造山带自地表到深度约20km范围表现为东北和西南浅、中部深的倒“梯形”高电阻层，在高阻体之下出现低电阻层，低电阻层与高阻体相互契合，呈现相互堆积的式样。陇西盆地具有稳定的成层性结构。西秦岭造山带正处于松潘－甘孜地块向北挤压和陇西盆地向南阻挡的共同作用中。

(3)2013年甘肃岷县漳县MS6.6地震震源区处于倒“梯形”高阻体的西秦岭造山带的核部，亦处于上地壳的高阻体和中下地壳低阻体的接触区，同时发生在切割了地壳表层表现为低阻破碎带的临潭－宕昌断裂带(F5)附近。松潘－甘孜地块从SW向NE推挤、东北侧陇西盆地相对阻挡的相互作用是岷县漳县MS6.6地震发生的动力学原因，同时岷县漳县地震震源区的特殊介质属性是该次地震发生的内部因素。