内蒙古1979年五原6.0级和1996年包头6.4级地震的震源区构造

闻学泽

1)中国地震局地震预测研究所，北京 100036

2)四川省地震局，成都 610041

0 引言

发震构造或者震源区构造属于地震地质研究的一个空间尺度较小、但更细致的方面。大陆浅源构造地震通常孕育发生于地下10～30km，这是一个仅使用地质、地貌、遥感等资料与方法的研究不可能涉及的深度，需要集成地质调查、地震观测、多种地球物理探测以及大地测量等多学科资料进行深－浅构造耦合的综合研究。在这一方面，针对美国新马德里历史大震区以及洛杉矶盆地盲冲断层区的发震构造研究(Shaw et al.，1999;Mueller et al.，2001;Tavakoli et al.，2010)曾经给出很好的范例。随着活动构造详查、较高分辨率的多手段深部构造探测、数字地震观测、空间大地测量资料的积累以及相关研究的日益增加，集成多学科信息、基于地震地质的分析思路研究并揭示不同类型活动构造带上特定段落的历史和潜在强震/大地震震源区的构造特征，是一项有重要意义及应用前景的工作，不仅可为地震监测预报和危险性评价提供更准确、详细的震源区构造特征(De Martini et al.，2003;徐锡伟等，2008;Xu et al.，2009;Zhang et al.，2010;闻学泽等，2011，2013)，而且能为相关的地震构造动力学分析(Freed et al.，2001;Zhang et al.，2010)、地震构造物理模拟实验(马瑾等，1996;马胜利等，2003)、震源/破裂过程追踪以及地震的物理预测/数值预测探索等提供更加具体的发震构造信息。

研究震源区构造的捷径应从揭示历史和现今强震/大地震震源区的构造特征开始。中国内蒙古的河套断陷带是鄂尔多斯块体与燕山块体之间的活动构造边界带，也是华北西北部一条以拉张作用为主的大型地震构造带(邓起东等，2002;张培震等，2003)，历史上至少发生过2次大地震(聂宗笙等，2010，2013)，并已发现许多古地震证据(江娃利等，2001;杨晓平等，2002，2003;冉勇康等，2003;聂宗笙等，2011);20世纪以来已发生4次6.0～6.4级强震，其中，有现代地震台网记录(1970年)之前发生过1934年五原6级地震，1970年以来发生了1979年五原6.0级和1996年包头6.4级地震(中国地震局震害防御司，1999)。对于最晚2次地震的发震构造，已有相关研究和认识(曹刚等，1990;薛丁等，2002;李建华，2005)，但随着资料的增加，有可能初步开展涉及地震成核深度的震源区构造研究。

本文的目的是针对1979年五原6.0级地震和1996年包头6.4级地震发震构造，在分析与评述已有研究及认识的基础上，提出相关问题;然后集成活动构造、石油物探、地震分布、烈度分布以及震源机制解等信息进行分析，初步揭示这2次地震震源区及其附近的深－浅构造耦合特征，进而对相应的发震构造进行再认识。

1 1979年五原6.0级地震的发震构造

1.1 已有研究的认识与问题

1979年8月25日内蒙古五原6.0级地震的震区位于河套断陷带西段的临河断陷北缘附近(图1)，已有的发震构造研究主要获得2种认识:1)根据卫星影像判读，推断发震构造是影像上有显示的NE向海子堰断裂，理由是该断裂与极震区(Ⅶ度区)的长轴展布一致(李建华，2005)。2)在《中国震例》(1976—1980)的相关总结中，推断发震构造是五原县城西侧、通过余震区的一条近SN向的次级断裂，理由是主震震源机制解的节面I(走向177°)与余震区及Ⅵ度烈度区的展布相一致(曹刚等，1990)。

对于第1种认识，本研究注意到在五原地震震区的西南侧、横跨临河断陷的82－172号物探剖面的相应位置附近(色尔腾山山前断裂带与五原断裂之间)并不存在显著的断裂构造(图1，2)，说明已有地质与石油物探的资料并不支持仅依据卫片线性影像推测的海子堰断裂的存在。

对于上述第2种观点的推断，本文基于相关资料进行如下的评述及再分析:

(1)由55个台站P波初动获得的1979年五原6.0级地震的震源机制解，矛盾符号比达到20%(参见 http:∥data.earthquake.cn/data/zhenli/liuying/zhenli/html/zhenli037.htm 中的图 10)，因此结果并不可靠。本研究从Harvard的CMT目录得到这次地震的矩张量解，其显示出正断层作用的特点，但并不存在走向近SN向或NNW向的节面。CMT解的节面I走向111°，SSW倾角44°，滑动角－65°;节面Ⅱ走向 259°，NNW 倾角 51°，滑动角－112°(http:∥www.globalcmt.org/CMTsearch.html)(图 1)。

(2)Ⅶ度和Ⅵ度烈度区的长轴并非近SN向或NNW向，而是与色尔腾山山前主断裂的展布(近EW向)基本一致，且这2级烈度区均位于山前主断裂的上盘，向南的烈度衰减要缓慢得多;这种烈度分布特征并不支持通过震区的一条近SN向或NNW向次级断裂是发震断层的推断(图1)。

图1 1979年内蒙古五原6.0级和1996年包头6.4级地震的震区构造、烈度、余震与震源机制解Fig.1 Map of active tectonics of source regions of the M S 6.0 Wuyuan earthquake of 1979 and the M S 6.4 Baotou earthquake of 1996，Inner Mongolia，and seismic intensities，aftershocks and focal mechanism solutions of the two events.

(3)从表面上看，余震区的展布似乎是近SN向或NNW向的，但本文已圈出的密集余震区实际上位于山前主断裂以南(上盘)、距主断裂地表迹线5～18km的断陷带内，大体呈一多边形，在近EW方向上的长度大约为16km(图1的灰色小虚线框)。

1.2 发震构造的再分析

图2 横跨1979年五原6.0级地震震源区及临河断陷的地震构造剖面Fig.2 A seismic-tectonic profile across the source area of the M S 6.0 Wuyuan earthquake of 1979 and the Linhe graben.

由1.1小节可知，前人关于1979年五原6.0级地震发震构造的分析与认识存在一些问题。本研究进一步集成该震区及其附近的地质/活动构造和石油物探资料、余震与重新定位的背景小震深度分布等信息，编绘出通过五原地震震区并横跨临河断陷的构造横剖面(图2)。另外，鉴于该地震的P波初动震源机制解(曹刚等，1990)的信度较低(矛盾符号比达到20%)，本文改用从全球CMT目录中获得的矩张量解①。在图2中，地表至12km深度上各主要断层的位置及其倾向与倾角，可由82－172号勘探剖面(地质解释)的投影进行较好约束，而延伸更深的断层，则由主震、余震和重新定位的背景小震的深度分布等信息，结合主震的CMT解进行推断。

将图2配合图1进行分析，可揭示出横跨五原地震震源区及临河断陷的地震构造特征:色尔腾山山前主断裂在剖面上呈现南倾、上陡下缓的大型铲式正断层，其缓倾的基底滑脱面(拆离带)可能位于≥30km的深度;临河断陷内部及南缘的五原断裂、五原南断裂以及乌拉山北缘断裂(西延部分)等，应属于山前主断裂上盘的反向正断层。由图2与图1可进一步分析五原6.0级地震的发震构造如下:

(1)从图2勘探剖面82－172(地质解释)的左端看到:在色尔腾山山前主断裂和五原反向正断层之间存在一个较明显的断层弯曲褶皱，说明这一部位是临河断陷带的构造形变相对集中区。剖面上，五原6.0级主震的震源很靠近山前主断裂，且绝大部分余震(图2的蓝色震源点)分布在山前主断裂以及五原和五原南2条反向正断层之间的楔形部位及其附近。这种余震相对密集分布的位置符合正断层带的构造形变理论——主断层运动会引起反向正断层及断层弯曲褶皱区域内发生调节性运动(Suppe，1983;Xia et al.，1992)。

(2)密集余震区大体平行而且很靠近山前主断裂(图1的灰色小虚线框)，在近EW方向上长约16km，符合6.0级左右正断层型地震的破裂尺度(Wells et al.，1994)。

(3)主震震源机制CMT解的节面Ⅰ为正断层错动性质，走向111°、倾SSW、倾角44°，与色尔腾山山前主断裂很好吻合(图1，2)。

(4)极震区(Ⅶ度区)长轴与色尔腾山山前主断裂一致，且位于山前主断裂的上盘(南盘);Ⅵ度区似乎在山前主断裂的上盘和五原断裂附近分别出现近EW向和NEE向2个长轴，且相对于Ⅶ度区而言，Ⅵ度区的烈度衰减是南、北极不对称的，向南的衰减要缓慢得多，反映了发震断层应是向南倾斜的色尔腾山山前主断层(图1)。

另外，本研究没有将1979年五原地震的发震断层归为与色尔腾山山前主断裂平行的次级断裂，主要是考虑到:1)石油物探剖面上，在山前主断裂与五原断裂之间没有别的显著断裂;2)五原断裂倾向北，若考虑它为发震断层，则与地震烈度的不对称衰减方向特征相矛盾;3)主震的震源位置更靠近山前主断面(图1，2)。

综上所述，本研究判断近EW走向、朝南倾的色尔腾山山前主断裂更可能是1979年五原6.0级地震的发震构造。

2 1996年包头6.4级地震的发震构造

2.1已有研究的认识与问题

1996年5月3日内蒙古包头6.4级地震的震中位于河套断陷带中段的一处相对隆升的山地——乌拉山凸起区内，北侧是由乌拉山北麓断裂和色尔腾山山前断裂东段夹持的次级断陷——临河断陷的东端，南侧则是以乌拉山山前断裂为北界的白彦花次级断陷的东端尾部(图1)。关于包头6.4级地震的发震构造，目前有2种认识:

第1种观点认为NEE向乌拉山北缘断裂是发震构造。主要依据有:1)烈度Ⅷ度区的主体位置及长轴与乌拉山北缘断裂接近或基本一致(图1)(薛丁等，2002;李建华，2005;张建业等，2005);2)地震时在乌拉山北缘断裂的下盘(乌拉山凸起区)顺着基岩岩脉发生裂缝，断续延伸约5km，走向N70°E，与乌拉山北缘断裂基本一致(薛丁等，2002;张建业等，2005);3)主震后头4天的余震为NNE向分布，与主震P波初动震源机制解的节面I(走向32°，NW倾角55°)基本一致，同时也接近于乌拉山北缘断裂的走向(图1)，由此判断节面I代表这次地震的主破裂面(薛丁等，2002)。

第2种观点认为包头6.4级地震破裂是NW向断层的左旋－正断型错动的结果，主要依据是:余震区、Ⅶ度烈度区的长轴均为NW向，与波形反演+P波初动约束的震源机制解的节面Ⅱ(走向308°，NE倾角84°)大体相同(马淑田等，1998)，或者与P波初动震源机制解的节面Ⅱ(走向115°，SW倾角80°)基本一致(张晁军等，1999)。然而，这种观点没有与具体的地质断层相联系。

以上第1种观点的主要问题有:1)乌拉山北缘断裂走向NEE，长约150km，是倾向NNW、倾角55°～65°的正断层，也是临河断陷东段的南边界(薛丁等，2002;冉勇康等，2003)。因此，如果它是发震断裂，则重新定位的余震密集区、Ⅷ度烈度主体区的大部分都应该位于该断裂地表迹线附近及其以北。但实际情况是:余震密集区(图1的紫色小虚线框)位于乌拉山山地的中偏南部，且更靠近乌拉山山前断裂;同时，烈度Ⅷ度的主体区面积的多半(约)位于该断裂地表迹线以南的乌拉山山地，而且，沿乌拉山山前断裂还有2个小型的Ⅷ度(异常)区(图1)。2)主震时产生明显基岩裂缝、发生山崩地裂、房屋倒塌的地方主要位于乌拉山山地中(薛丁等，2002;张建业等，2005)，但那里属于乌拉山北缘断裂的下盘，并不位于正断层形变最显著的构造部位——主断裂上盘且靠近主断裂(Suppe，1983;Xiao et al.，1992);何况主震发生时除了乌拉山山区外，在乌拉山山前断裂带附近也出现严重的基岩裂缝与滑坡，且有显著的人员伤亡(薛丁等，2002)。3)由52个台的P波初动求得的主地震震源机制解，矛盾比仅为5.6%(薛丁等，2002)，信度较高;但该机制解的节面I(走向32°，倾向NW，倾角55°)与乌拉山北缘断裂的走向相差较大。

以上反映前人在分析1996年包头6.4级地震的发震构造时，在结论性认识与所使用的依据之间存在一些矛盾之处，同时仅以地表现象与资料为主。

2.2 发震构造的再分析

本研究集成包头6.4级地震震区及其附近的活动构造与石油物探资料以及重新定位的余震与背景小震深度分布等，并结合该地震的P波初动解综合分析，得到通过包头地震震源区并横跨乌拉山凸起与白彦华断陷东端的地震构造横剖面(图3)。

图3 横跨1996年包头6.4级地震震源区的地震构造剖面Fig.2 A seismic-tectonic profile across the source area of the M S 6.4 Baotou earthquake of 1996.

将图3配合图1进行分析可看出:重新定位的、密集的余震震源深度排列已清楚揭示出包头地震的发震断层既不是乌拉山北缘断裂，也不是乌拉山山前断裂，而是一条位于乌拉山凸起之下、向南倾的隐伏断层。这一无名的隐伏断层在剖面上呈现铲形，大体与其南侧的乌拉山山前断裂平行。余震深度的密集分布范围指示出主震时沿该隐伏断层可能在10～23km的深度发生了错动。另外，该无名隐伏断层的位置很好地对应了包头6.4级地震P波初动震源机制解中的节面Ⅱ(走向115°，倾向SW，倾角80°)，显示出这次地震是兼有左旋走滑分量的斜滑正断层作用的结果(图1，3)。

本研究将1996年包头6.4级地震的发震构造判定为乌拉山凸起之下一条走向NWW、倾向SSW的无名斜滑正断层，不仅对应了P波初动震源机制解的节面Ⅱ，可以很好解释密集余震区、Ⅶ度烈度区的展布位置与方向(图1)，而且可以很好解释地震时在乌拉山山地中以及乌拉山山前地带产生的严重震害以及基岩裂缝等宏观现象。惟一不能很好解释的现象是:宏观极震区(烈度Ⅷ度区)主体的面积约有位于所判定发震断层的北侧(下盘)(图1)。涉及后一问题的可能原因有:1)乌拉山北侧断陷(临河断陷东端)的松散堆积层可能加重了地震时的地面破坏;2)震后调查时在乌拉山山地内的烈度调查点可能不足，使得圈划的烈度分布存在问题;等等。

需要指出的是:在断陷带内基岩隆起区(或凸起、地垒)之下存“隐伏正断层”是现实的，也符合构造地质学相关原理。在Peacock等(2000)编写的“Glossary of Normal Faults(正断层术语)”一文中，用于直观表示拉张断陷带典型构造组合的插图中，绘出了2处位于horst(地垒)之下的隐伏正断层;当然，其属于断陷带内的次级正断层，规模上与活动程度或累积位移也应明显次于断陷带的边界型正断层。另外，在油气地质勘探中，由于高分辨率地震反射探测技术应用，已揭示出在一些拉张断陷带内的相对凸起(或者盆内小地垒)之下存在“隐伏正断层”①http:∥www.offnews.info/verArticulo.php?contenidoID=7582，Figure 7。。

3 结论与讨论

关于内蒙古1979年8月25日五原6.0级地震和1996年5月3日包头6.4级地震发震构造问题，尽管已有相关研究与推断，但考虑到若站在不同视角，根据相关资料进行再分析，或许会得到更有说服力的结论。有鉴于此，本文在集成活动构造、石油物探、重新定位的地震分布、烈度分布以及震源机制解等信息的基础上进行了再分析，结果表明:

(1)1979年五原地震更可能是南倾的色尔腾山山前主断层发生正断层作用的结果，而1996年包头地震更可能是乌拉山凸起之下的一条走向NWW、倾向SSW的无名隐伏断层发生伴有左旋走滑分量的斜滑正断层作用的结果。

(2)对这2次地震发震断层的新认识，能够最大程度符合并解释各自震源区的活动构造、余震分布、烈度分布、震源机制解以及地面宏观破坏等现象。但不能完全解释包头地震的极震区有较大面积位于所判定发震断层的北侧(下盘)，可能涉及其他的未知原因。

(3)本文揭示的包头地震的发震构造，反映在大型活动断陷带内的相对凸起区之下，也可以存在具有强震发生能力的活动正断层。

(4)发震构造判定是地震地质研究的一个细致的方面，需要有多学科资料支持的深－浅构造耦合分析。通过精定位的地震分布与震源机制解，结合地表构造背景推断地下的或隐伏的发震构造，是国内外地震构造研究的重要手段之一，可以了解地表地质资料难以涉及深度的震源构造信息，同时可以弥补研究区物探资料的不足。当然，既然是推断，就难免存在一定程度的不确定性。就图3使用的震源深度(由双差法重新定位)以及震源机制解(A类精度)资料来看，所推断的1996年包头地震的隐伏发震断层的位置与错动方式应是可信的。然而，受地震定位精度及物探剖面范围及深度所限，对2次地震震源区深部构造的推断，准确程度仍然有限。

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