利用剖面浅析鄂尔多斯西南缘Q值与断层展布的关系

2018-04-03师海阔张立恒杨学锋贺永忠

防灾减灾学报 2018年1期

师海阔，张立恒，杨学锋，贺永忠

（宁夏回族自治区地震局，宁夏银川 750001）

0　引言

品质因子Q值可用来精确测定地震的震源参数、预测地震动强度、监测核爆炸，以及估计地震危险性[1-4]，等。同时，Q值更有助于研究者对与地球内部的成分和物理条件有关的地震波衰减的物理机制的理解与研究[5-6]。在构造活动地区，Q值亦可用于调查区域构造特征和地下结构[7]。

由于地震波在地球内部传播，当在其传播路径上所遇到的地下介质的成分或物理性质不同时，所产生的衰减效应也不尽相同。所以，结合地下速度结构等其他的地球物理参数，三维Q值成像方法能够更加真实地反映Q值沿传播路径的变化情况，从而使人们可能更加深刻地认识地下介质的组成及其物理性质的不均匀性。在断裂带密集地区，Q值通常较低；在一些断裂带两侧，Q值的分布也会出现明显的陡变现象。已有研究表明，在低Q值或Q值发生明显变化的区域，在其对应深度通常有断层展布[8-11]，因此，可利用Q值的这一特性来推测震源区一些隐伏断层的分布。

近年来，利用前期积累的大量的模拟地震波资料及日渐丰富的数字化地震波形数据，已经有很多地震工作者对鄂尔多斯西南缘及其邻区的地壳或上地幔Q值结构进行了研究。比如：宁夏及邻区、甘东南地区、渭河盆地和陕西地区[10-15]。以上研究所获得的Q值结果大多为区域平均Q值结果，但对区域内Q值分布的不均匀特征研究较少，并极少有讨论Q值断层的关系。在本研究中，将利用层析成像技术，通过剖面获得鄂尔多斯西南缘Q值的垂向和横向不均匀性，并探讨其与断层展布之间的关系。

1　Q值成像理论和计算方法

地震波位移谱可用下式表示：

2　资料选取和处理

本文研究区域的范围（104o～111oE，33o～38oN）包括鄂尔多斯地块以及其西南缘的祁连山加里东造山带、秦岭印支造山带和渭河断陷盆地带（图1）。研究区基本上位于中国版图的正中心，其北部为青藏块体东北缘与鄂尔多斯地块的交汇区，南部为古生代和中生代的碰撞造山带，南北两侧分别与扬子陆块和华北陆块相接，区内活动断裂带分布密集且发育较好，构造活动强烈。历史上曾经发生过多次6级以上破坏性地震，且现代中等地震活动也很频繁。

本研究计算通过甘肃省地震局兰州地震研究所张元生老师研发的3Dtomography软件来实现[10-11]，地震目录及震相报告来自于全国地震编目系统，所使用的地震波形数据由中国地震局地球物理研究所“国家测震台网数据备份中心”提供[18]。抽取的数据包括由宁夏回族自治区、甘肃省和陕西省数字地震台网的52个采样率均为100Hz的基岩台站的宽频带地震计所记录的2529个地震的三分向波形记录。地震数据起止时间为2009年1月至2015年11月，震级范围为ML1.8～6.7，震中距小于800km。

对所选取的地震进行进一步挑选，首先，应用msdp软件逐一打开地震事件，挑选出波形记录清晰、信噪比较高且至少被3个台站记录到的地震波形，剔除余震，并核对地震报告，删除记录不清晰或误差较大的震相，这样共挑选出符合条件的有1847个地震事件的21018条Pg波到时数据。

考虑到传统定位方法得到的地震深度数据不甚准确，在本研究中，在获得研究区域三维速度结构的基础上，应用三维网格搜索法对上述挑选的地震事件进行重新定位（主要是对于深度的修正）[10,11,19]，最后共筛选出1820个地震事件的16156条Pg波到时数据，作为最终参与Q值反演的地震波数据资料（图2-3）。因为本研究所选台站均为基岩台站，场地的放大倍数比较接近[20]，故在本文中场地响应项作简化处理。

为了更好地讨论Q值的横向变化，本文将研究区划分为0.5o×0.5o的等间距网格，采用crust 1.0作为计算三维Q值的初始速度模型，并通过插值运算，将其转换成研究本区域三维Q值结构的速度模型。在深度方向，采取不等间距的网格划分，在研究区域的上部，即沉积层—上地壳，层间距为5km；在中部，即上地壳—中地壳，层间距为10km；在下部，即中地壳—自由界面，厚度为50km。

图1　研究区大地构造分区及其地理位置示意图（副图中框内为研究区域）Fig.1　 The schematic diagram of the geotectonic partition and the geographical location in the study area（The study area is in the blue dotted line of the auxiliary chart）

3　剖面Q值层析成像

为了深入剖析Q值与地震断层在深部展布的关系，笔者在研究区切出了6条剖面（图2），并分别作出了频率在6Hz、8Hz、10Hz、12Hz、14Hz上的Q值随深度变化的图像（图4-9）。由于本研究区地震深度基本上都在25km以内，故本研究只给出0～25km深度范围内的Q值分布结果。可以看出，随频率升高Q值也逐渐增大，但是在各频率点的Q值变化形态非常相似。

图2　研究区台站、地震、断层及剖面分布图Fig.2　 The distribution diagram of stations, earthquakes,faults and profiles in the study area

图3　研究区地震台站射线分布图Fig.3　 The distribution diagram of rays between earthquakes and stations in the study area

3.1　P1剖面Q值分布特征

剖面P1全长173.6km，起始于甘肃靖远，横切海原断裂（F6）、香山—天景山断裂（F5）、烟筒山断裂（F4）和罗山东麓断裂（F2）四条断裂带，终点位于宁夏同心。发生在该剖面的地震主要在5～20km深度范围内分布。

Q值整体随深度增加呈梯度上升趋势。在横向上，在28km下方的海原断裂（F6）处，Q值发生突变，海原断裂（F6）以西Q值显示为高值状态，以东其值则较低，之后随着距离的增加，Q值慢慢升高；但是在90km下方的香山—天景山断裂（F5）处，Q值又发生明显的陡变现象，在香山—天景山断裂（F5）以东，垂向Q值随深度变化出现明显的分层结构，在深度18km以下呈现出一个高Q值隆起带，以上则显示出明显的低Q值状态，这与该区段地震随深度分布情况比较一致，低Q值则地震分布比较密集（图4）。

图4　P1剖面Q值分布Fig.4　 The distribution of Q values in the P1 profile

3.2　P2剖面Q值分布特征

剖面P2全长221.7km，起点位于甘肃临洮，穿过马衔山断裂（F10）、会宁—义岗断裂（F9）、六盘山断裂（F7）和云雾山断裂（F8）四条断裂带，终点位于宁夏固原。发生在该剖面的地震主要集中在云雾山断裂（F8）附近，且主要在10～25km深度范围内分布。

Q值在剖面的最南端出现高值，随深度增加，此处Q值略有下降，但仍显示出比较高的水平；在40km处，Q值出现横向陡变；在40～120km区间范围内，基底以下自会宁—义岗断裂（F9）处Q值出现一个高值隆起带，在基底以上则呈现出低值状态；再往东130～190km距离范围内Q值一直保持低值；直至剖面尾端处Q值又开始略微升高（图5）。

图5　P2剖面Q值分布Fig.5　 The distribution of Q values in the P2 profile

3.3　P3剖面Q值分布特征

剖面P3全长162km，起始于甘肃舟曲，终止于甘肃武山，其间穿过的断裂带有迭部—白龙江断裂（F15）、光盖山—迭山南麓断裂（F14）、光盖山—迭山北麓断裂（F13）、临潭—宕昌断裂（F12）和西秦岭北缘断裂（F11）五条断裂带。该剖面内地震在0～25km深度范围均有散布，且在100～130km区段有一个地震密集区。

Q值在该剖面0～50km区段有一个垂向梯度变化带，随着深度增加，Q值也逐渐升高，且在15km左右深度，Q值表现出明显的分层现象；在50km处的光盖山—迭山北麓断裂（F13）以北，在15km左右深度上方Q值突然由低变高，在此深度下方Q值则继续保持着较高的水平；在100～130km区段，出现一个低Q值凹陷区，在此区域范围内地震分布比较密集，深度基本在5～25km范围内，故推测在100km处，或有一条隐伏断层存在于中上地壳（图6）。

3.4　P4剖面Q值分布特征

剖面P4全长211.7km，起始于甘肃武都，终止于甘肃甘谷，其间有5条断裂带穿过，分别是文县断裂（F16）、康县北断裂（F17）、成县盆地北缘断裂（F19）、礼县—罗家堡断裂（F21）和西秦岭北缘断裂（F11）。该剖面内地震主要集中在5～25km深度范围，且在180km处西秦岭北缘断裂（F11）地震比较密集。

Q值在剖面最南端的文县断裂（F16）的深部有一高Q值区；在康县北断裂（F17）、成县盆地北缘断裂（F19）和礼县—罗家堡断裂（F21）下方，Q值呈现出低值—高值—低值的变化趋势，但这种趋势变不是十分明显；在西秦岭北缘断裂（F11）以北，在15km左右深度下方出现一个高Q值隆起区（图7）。

图7　P4剖面Q值分布Fig.7　 The distribution of Q values in the P4 profile

3.5　P5剖面Q值分布特征

剖面P5全长317.4km，自研究区最南端的甘肃康县一直延伸至中部的宁夏彭阳，其间穿过的断裂带有：文县断裂（F16）、康县北断裂（F17）、成县盆地南缘断裂（F18）、成县盆地北缘断裂（F19）、麻河沿断裂（F20）、西秦岭北缘断裂（F11）、陇县—宝鸡断裂（F22）和云雾山断裂（F8）。该剖面内地震在0～25km深度范围内均有发生，且在云雾山断裂（F8）附近有一个小震群出现。

Q值在该剖面上变化较大。0～35km段，Q值在垂向上表现出明显的梯度变化；在60～220km段基底以下，以西秦岭北缘断裂（F11）为界出现两个明显的高值隆起带，在此区段地震分布较少；在230～275km段出现一个低值条带，经过280km处的云雾山断裂（F8）后Q值又呈现出比较高的水平。Q值在该剖面的分布表现出明显的横向不均匀性，且较剧烈的横向梯度变化均是在断层附近发生。地震分布也主要集中在低Q值地区或Q值变化较大的区域（图8）。

图8　P5剖面Q值分布Fig.8　 The distribution of Q values in the P5 profile

3.6　P6剖面Q值分布特征

剖面P6为一条沿着秦岭北缘断裂带的近东西向展布的剖面，全长约509km。该剖面起始于甘肃漳县，终止于陕西蓝田，经过的断裂带分别为：西秦岭北缘断裂（F11）、陇县—宝鸡断裂（F22）、渭河北山山前断裂（F23）、扶风—礼泉断裂（F24）、渭河断裂（F26）、临潼—长安断裂（F38）和华山山前断裂（F35）。该剖面内地震主要集中在西秦岭北缘断裂（F11）附近，深度范围主要为5～25km。

Q值在横向上差异明显，且变化比较剧烈。在剖面西端Q值变化比较剧烈。0～130km区段的西秦岭北缘断裂（F11）周缘为低Q值区，与该区段范围内存在密集的弱震分布相对应；在140～220km段为一高Q值条带，显示出该区稳定的地下结构；280～380km段出现一个高Q值隆起区；其余地区Q值变化较为缓慢（图9）。

图9　P6剖面Q值分布Fig.9　 The distribution of Q values in the P6 profile

4　剖面Q值结果分析

从剖面Q值分布图可以看出，Q值在断裂带两侧会出现明显的差异，显示出一定的横向不均匀性。另外，Q值分布与地震深度分布有关，一般地，地震密集分布的深度范围其Q值比较低，反之，则Q值较高。则可通过Q值在深度上存在的明显陡变推测隐伏断层在地下切割的深度范围。

剖面P1的图象结果显示，在海原断裂（F6）两侧，Q值表现出明显的横向变化，尤其在深部，变化更为剧烈，显示出该断裂带切割较深，在其北侧Q值较低，表明其内部介质比较破碎，著名的1920年海原大地震曾发生于此；其南侧Q值较高，说明该区地壳构造性质相对比较稳定。在香山—天景山断裂（F5）两侧，Q值也出现明显的陡变态势，但这种变化只是在浅部0～15km发生，故此映射出此断裂切割较浅。

剖面P2在0～40km下方的定西地区显示出高Q值的状态，该区以东基底以下Q值继续保持高值状态，大地电磁测深资料表明，该区的会宁、定西地区在地壳内缺失低阻层，可将此地区地壳视为刚性地壳，完整性较好[8]；但基底以上却转变为低值状态，显现出一个低Q值的凹陷带，推测在40km下方浅部或有一条隐伏断层存在。

剖面P3整体Q值较低。在100km两侧，Q值在基底以上出现比较明显的变化，且在其东部区域，存在一个地震密集带，故推测在剖面100km下方有一条隐伏断层存在于上地壳浅部。

剖面P4以西秦岭北缘断裂（F11）为界，表现出北高南低的态势。其中，该断裂以北地区磁场强度较小，介质变化比较稳定，且地壳内缺失低阻层，为一较完整的地块，故该区显示出较高的Q值；断裂以南地区Q值变化较小，且地震分布比较密集，1654年天水8级地震就发生在该地区的礼县—罗家堡断裂（F21），受大震影响，该区地壳介质比较破碎，故Q值较低[8]。

P5剖面在其北端为一地震密集带，该区段处于六盘山断裂（F7）、云雾山断裂（F8）和陇县—宝鸡断裂带（F22）三条地震活动断裂带的交汇区，历史上也有多次大震发生于此，故而该区地壳介质比较破碎，Q值较低；在西秦岭北缘断裂（F11）下方的天水地区，Q值在其基底以上为低值状态，而基底以下则呈现高值隆起，这是因为该区低阻层仅存在于10km以上的地壳上部[8]，所以介质强度较弱，孔隙较为发育，含水较多，造成基底以上Q值降低；而地壳中部没有低阻层，故而地壳中部介质性质比较稳定，Q值较高。

P6剖面在0～140km区段的岷县及其附近地区显示出低Q值状态，而在140～220km下方的天水地区显示有一高Q值条带，且以140km为界，Q值从低值状态突然变为高值状态，因此推测在140km附近有一条隐伏断层存在于中上地壳。在剖面东部为多个断裂交汇地带，故而地下介质较为破碎，Q值较低，故而推测在220km附近的清水—徽县一带的中上地壳存在一条隐伏断裂。

5　结论与讨论

通过对研究区Q值进行剖面分析，可深刻地反映出Q值随深度的变化；并可通过Q值在纵向和横向的变化，验证已知断层在地下的发展规模及推测可能存在的隐伏断层。在海原断裂（F6）两侧，Q值表现出明显的横向变化，尤其在深部，变化更为剧烈，显示出该断裂带切割较深；在香山—天景山断裂（F5）两侧，Q值在0～15km深度出现明显的陡变态势，故此映射出此断裂为一条浅部断裂；会宁—义岗断裂（F9）切割较深，Q值的横向陡变发生在15km以下；岷县地区地震分布密集，且在此区域内存在一个低Q值凹陷带，故推测在此区域有一条隐伏断裂存在于中上地壳；另外，根据航磁资料发现在研究区存在西吉—清水断裂，该断裂规模较小[8]，本研究剖面结果则显示该断裂或可延伸至清水—徽县一带。

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