鄂尔多斯周缘地壳应力场研究

邓山泉，盛书中

（1.防灾科技学院，河北 三河 065201；2.中国科学院大学地球科学学院，北京 100049）

0 引言

鄂尔多斯盆地，北起阴山、大青山，南抵秦岭，西至贺兰山、六盘山，东达吕梁山、太行山，是中国第二大沉积盆地。鄂尔多斯盆地是地质学上的名称，也称陕甘宁盆地，行政区域横跨陕、甘、宁、蒙、晋5 省（区）。鄂尔多斯块体在中生代时期是一个大型坳陷盆地，新生代以来逐渐抬升［1］。

鄂尔多斯块体四周被断裂和断陷盆地带所围限［2］（图1），鄂尔多斯北缘为河套活动断陷带，是鄂尔多斯周缘规模最大的断陷带，构造活动比较强烈，经渐新世、新近纪和第四纪左旋剪切拉张作用形成。鄂尔多斯南缘为渭河断陷带，主要包含华山山前断裂带、骊山山前断裂带和秦岭北麓断裂带三大断裂带［3］。鄂尔多斯东缘为山西断陷盆地带，它是在中生代左旋压扭性构造带的基础上，经上新世以来右旋拉张剪切作用形成的断陷盆地带。鄂尔多斯西缘中生代印支和燕山运动形成的冲断带（台褶带），其推覆体系为小松山和贺兰山两大冲断带，新生代与银川古背斜轴部拉张断陷，在贺兰山东麓断裂和黄河断裂控制下形成银川断陷盆地［1］。

鄂尔多斯地块在板内动力学和地震构造学的研究中具有其独特的地位。该块体周缘为张性断裂所限，内部是一个相当完整的块体，基本上没有第四纪活断层，强震活动也相当罕见，地震活动几乎都分布在它的周缘（图1和图3）。

许多研究人员的研究工作对鄂尔多斯地块周缘地区应力场都有所涉及，并且取得了一些重要成果［4－10］，但是有一些研究仅针对该区域的局部地区［4－8］，或者采用小震综合节面解研究了鄂尔多斯地块周围的地壳应力场［9］。本研究在搜集先前的震源机制解研究结果的基础上，应用万永革［11］给出的最新精细网格（1°×1°×1°网格）搜索应力反演方法，整体上探讨鄂尔多斯周边地壳应力场特点，为该区域地球动力学、地震孕育力学等研究提供基础资料。

1 鄂尔多斯周缘震源机制解资料

为了保证资料的准确性和单一性，在整理分析数据时舍弃了下述资料：①参数信息不完整的地震震源机制解；②节面解和P、T 轴参数明显不符的震源机制解；③2篇以上参考文献中重复的震源机制解。

图1 鄂尔多斯块体及周缘地区构造略图［2］

根据以上震源机制解数据的舍弃原则，从文献［4－5，9，12－19］中收集鄂尔多斯周缘的震源机制解资料。有许多关于该区域地震震源机制解的研究，由于部分研究中的震源机制解参数未在文中提供，造成数据资料无法使用。同时，我们也在全球地震矩心矩张量解（GCMT）网站上进行了查找，仅收集到了自1962年12月7日至1993年6月26日共297个地震的震源机制解。

研究中所用的地震震源深度范围为5≤h≤52 km，地震的震级范围为级2.0≤MS≤6.4，具体震级分布情况见图2。其中MS≤2.9级地震17次，占总数的15.7%；3.0≤MS≤3.9级地震140次，占总数的47.1%；4.0≤MS≤4.9 级地震109次，占总数的36.7%；5.0≤MS≤5.9级地震25次，占总数的8.4%；MS≥6.0级地震6次，占总数的2.0%。由于部分文献［4－5，12－15，17，19］中地震震级为面波震级MS，部分文献［9，16，18］中地震震级为近震震级ML，为了使所有地震的震级标度在本研究保持一致，根据汪素云等［20］的研究可知，当震源深度小于70km 时，地震的近震震级ML和其面波震级MS大体相等，故在图3和图4的绘制过程中将ML视为MS。

图2 鄂尔多斯周缘地震震级分布图

鄂尔多斯周缘地震震中分布如图3所示。可见，鄂尔多斯西缘搜集到的震源机制解资料在研究时间段内较多，大体上覆盖了整个西缘地区。而北缘和东缘分布的地震则相对较少，南缘获得的地震震源机制解资料最少。

图3 鄂尔多斯周缘地震震中分布图

2 地壳应力场反演方法

震源机制解结果是研究地壳深部应力场问题时最重要的资料。目前，根据震源机制解求解构造应力场的方法和程序较多［21－23］。有的方法受到早期计算机性能的影响，在搜索时所用网格较大，影响计算结果的精度［19］；有的方法难于满足精确求解应力场的要求、或者无法考虑观测数据的精度或是没有给出计算结果的误差范围［22－23］。为了更好地利用震源机制解资料求解应力场，本文采用网格搜索程序求解应力场方向和相对大小（ISFM＿Ftest程序）［11］，使反演的应力场精度有了较大提高，同时可以给出主应力轴的走向、倾角的置信范围。该程序所采用的计算准则为滑动方向与最大剪切应力方向最为一致。该方法有以下3个方面的优势：①采用全局网格搜索法得到应力场的最优解，避免陷入局部极值；②可以考虑震源机制数据的不同权重；③可以查看解的稳定性，在输出最优解的同时还会输出拟合残差较小的解。

3 鄂尔多斯周缘的分区情况

依据鄂尔多斯地块周缘盆地构造特征，兼顾盆地周缘断裂带分布，和受收集到的震源机制解资料数量和空间分布的限制，我们将鄂尔多斯地块周缘划分为6个研究区域，对应力场进行分区研究，具体分区情况见图4。

各个分区内的地质构造情况：北区是河套断陷带，包含临河盆地、白彦花盆地、呼和浩特盆地，南与西3区以磴口东西向基底隆起为界。东区是山西断陷带，包含大同盆地、忻定盆地、恒山隆起、太原盆地、临汾盆地、运城盆地。南区是渭河断陷带，以渭河盆地为主。地块西部地区，西1区大体为鄂尔多斯块体西南缘弧形断裂带；西2区包括银川盆地、贺兰山隆起；西3区以吉兰泰盆地为主。各个研究区内的地震数目、起止时间、震级范围见表1。

图4 鄂尔多斯周缘应力场计算分区示意图

表1 各区地震数据资料统计表

从表1可以看出，在震源机制解覆盖的时段内，北区和西3区发生的地震均在3.0级以上，且6.0级以上地震在这2个区域均有分布，而南区没有5.0级以上地震发生。

4 鄂尔多斯周缘各分区应力场计算结果

利用震源机制求解构造应力场的方法［11］，根据6个分区内的震源机制解资料对各个小区内的应力场进行了反演，得到6个分区内的应力场结果，计算结果见图5；各分区计算结果的最优节面解参数详见表2；应力主轴方位和倾角在90%置信度内的变化范围见表3。

图5 各个分区内应力场反演结果等面积投影图

表2 各分区应力场反演结果表

表3 各应力主轴参数90%置信度内的变化范围表

以下为根据表2、表3及图5叙述和分析各分区的计算结果。

北区（图5a）内主压应力方向为ENE－WSW 向，主张应力方向为NNW－SSE向。分区中包含NE 向主要构造线。主压应力轴走向55.01°、倾角11.61°；中间应力轴走向165.00°、倾角59.00°；主张应力轴走向318.66°、倾角28.30°。

东区（图5b）内主压应力方向为ENE－WSW 向，主张应力方向为NNW－SSE 向。主压应力轴走向54.16°、倾角48.13°；中间应力轴走向270.00°、倾角36.00°；主张应力轴走向165.99°、倾角18.43°。和北区相比，主压应力方向和主张应力方向几乎不变，主压应力轴倾角变大，而主张应力轴倾角变小。该区域的主张应力轴倾角较小且近水平，主压应力轴倾角最大，故应力场类型表现为走滑拉张型，和山西地堑带的右旋剪切拉张性质相一致。

南区（图5c）内主张应力方向为NNE－SSW 向。与北区和东区比，主张应力轴方向顺时针偏转。主压应力轴走向78.20°、倾角65.06°；中间应力轴走向275.00°、倾角24.00°；主张应力轴走向182.14°、倾角6.39°。表明该区断裂是处于水平拉张作用下的活动。

西1区（图5d）具有ENE－WSW 向的水平主压应力轴，主张应力方向为NNW－SSE向。主压应力轴走向244.25°、倾角10.27°；中间应力轴走向148.00°、倾角31.00°；主张应力轴走向350.43°、倾角56.98°。主张应力轴倾角变化范围55.98°～59.98°，主张应力轴倾角最大，反映了该区的强烈挤压性质，和先前研究认为该区受到青藏高原北东向的挤压作用相一致。

西2区（图5e）内主压应力方向为NNE－SSW 向，主张应力方向为WNW－ESE 向。主压应力轴走向221.33°、倾角1.79°；中间应力轴走向316.00°、倾角69.00°；主张应力轴走向130.65°、倾角20.92°。反映该区域断裂运动以走滑为主兼有一定的逆冲分量。

西3区（图5f）内主压应力方向为NNE－SSW 向，主张应力方向为WNW－ESE 向。主压应力轴走向30.86°、倾角11.82°；中间应力轴走向290.00°、倾角42.00°；主张应力轴走向133.20°、倾角45.59°，反映该区域断裂运动以逆冲为主兼有一定的走滑分量。

5 讨论与结论

综合鄂尔多斯周缘地区震源机制解数据，分区反演了该地区的平均应力场。在研究区西缘和北缘的主压应力轴倾角均小于12°，北缘、东缘、南缘的主张应力轴倾角均不超过30°，说明鄂尔多斯周缘是以水平作用力为主的应力场。

鄂尔多斯东缘主压应力轴倾角较大，主张应力轴倾角较小，该区是以NNW 向水平拉张作用为主的应力场，这和刘巍等［5］利用小震综合断面解得到的山西地区平均应力场研究结果一致。鄂尔多斯西缘地壳应力场格局是NNW 或近NW 向拉张、NEE或近NE向挤压，在李孟銮等［13］得到的宁夏地区现代构造应力场中也提到这一点。从表2可以看出，该区主压应力轴接近水平，和谢富仁等［6］利用断层滑动资料反演得到的海原、六盘山断裂带至银川断陷构造应力场特征相符合，证明了该区构造作用的动力主要来自块体间的水平相互作用，主要受到印度板块向北挤压运动的影响。EW 两侧主压应力轴总体走向为NNE向，相应的断裂带表现为右旋剪切拉张性质。

鄂尔多斯北缘受到NE－SW 方向的挤压和NW－SE方向的拉张作用，主压应力轴和主张应力轴都接近水平。鄂尔多斯南缘主压应力轴的倾角比主张应力轴的倾角大，说明该区应力场以NW 向的水平拉张为主要特点，渭河断陷带的活动是处于水平拉张作用下的正断层活动。NS两侧断陷带总体走向为近东EW 向，表现为左旋剪切拉张带。

从图5可以看出，鄂尔多斯周缘各区都具有NW向的主张应力轴，并且主张应力轴的倾角变化较大。鄂尔多斯周缘主压应力轴方向以地块南缘为中心呈扇形分布。在地块西缘，由南段的ENE向逐渐向中段逆时针转为近NE向，继而往北转为NNE向，这和青藏高原板块向NE向运动有关。在地块东缘，主压应力轴方向转为ENE向。

致谢 感谢万永革研究员为研究提供了计算机程序和对研究工作的指导。

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