祁连山中东段地区断层构造和构造变形特征研究

周 琳 李长军 李 君 庄文泉

1 中国地震局第二监测中心，西安市西影路316号，710054

祁连山构造带中东段地区的断层结构、动力学机制及地震危险性一直是地学工作者关注的焦点。前人已从历史地震、滑动速率和地震危险性等方面进行大量研究。祁连山构造带中东段除具有明显的地壳缩短现象以外，同时存在十分显著的左旋走滑运动，且其运动幅度在空间分布上极不均匀。该地区晚第四纪滑动速率仍存在较大争议，国内学者研究结果表明[1-4]，祁连山构造带中东段地区断裂带的滑动速率并未达到国外部分研究数值(大于等于10 mm/a)，且自西向东具有一定的变化性。祁连山中东段地区断裂系统的空间展布、运动特征及深部断裂的精细分布研究仍存在不足，同时区域活动断裂的滑动速率研究结果存在分歧，需要结合地震学资料进行分析。

本文对祁连山中东段及周边2009-01～2018-12中小地震进行重新定位，通过多条小震剖面刻画研究区多条断裂的空间展布形态、断裂深部产状和主要活动断裂性质，结合区域应力场结果，分析祁连山构造带中东段地区的地震动力学特征，为地震危险性评估和动力学研究提供基础资料。

1 研究区概况

祁连山构造带中东段地区处于青藏高原东北缘(图1)，北部为阿拉善地块，东部为鄂尔多斯地块，南部为西秦岭褶皱带，内部多条断裂交错，主要发震断层包括龙首山断裂、皇城-双塔断裂、天桥沟-黄羊川断裂、老虎山-毛毛山断裂等。断裂性质基本上以左旋走滑性质为主，并兼具一定的逆冲性质[5]，是我国构造活动和地震活动最强烈的地区之一。

图1 研究区主要断裂Fig.1 The main faults of the studied area

祁连山中东段活动断裂主要位于青藏高原东北缘，晚第四纪以来表现为整体活动性强、地震活动频度高且强度大的特点。龙首山断裂带是河西走廊与阿拉善地块之间的分界断裂之一，可分为龙首山北缘断裂和龙首山南缘断裂，两条断裂带在深部存在一定关联性[6]，1974年山丹7级地震可能是龙首山断裂带两侧断裂共同作用的结果。冷龙岭断裂长约120 km，晚第四纪主要表现为左旋走滑运动，局部兼具倾滑分量，2016年门源6.4级地震就发生在该断层北侧。皇城-双塔断裂是祁连山中东段重要的活动断裂之一，全长141 km，倾向SW，该断裂东、西两侧地震活动具有明显差异。西段以逆冲运动为主，东段以局部拉张运动为主，中段为高角度、以右旋为主兼具正断的断裂[7]。天桥沟-黄羊川断裂为近东西走向，长约120～146 km，活动性质为左旋走滑兼具倾滑分量，在晚更新世尤其是全新世以来构造活动强烈，但长期以来无地表破裂型历史地震发生，全新世以来平均滑动速率为3.5 mm/a。武威-天祝断裂长约100 km，走向340°，倾向SW，倾角45°～80°，具有挤压逆冲兼右旋走滑特征，该断裂主要为隐伏断裂，为逆走滑型，1927年古浪地震时该断裂具有活动表现，沿断裂存在地震形变带[8]。金强河断裂东段(金强河段)倾向NE，倾角50°～70°，左旋走滑为主兼具倾滑分量。毛毛山断裂活动性自东向西逐渐减弱。老虎山断裂倾向NE，全长78 km，为全新世活动断裂，曾发生1888年景泰6级和1992年景泰-天祝6.2级地震[8]。

2 地震双差定位

使用双差定位方法[9]对祁连山中东段地区2009-01～2018-12期间M≥1.0中小地震进行重新定位。震相报告数据来自中国地震台网中心全国地震编目系统，双差定位方法中使用的速度模型参考祁连山中东段地区深地震测深剖面等研究结果[10-11]。重新定位后，均方根残差由0.679 s下降到0.517 s，EW方向、NS方向和UD方向的定位误差平均值分别为0.125 km、0.160 km、0.632 km。

从图2可以看出，重新定位后，祁连山中东段地区中小地震震中分布更加集中，呈条带状分布在断裂带两侧区域， 102°E以东地震分布更加密集(图2(a))。龙首山北缘断裂和南缘断裂均有地震分布，但北缘断裂地震分布更多，龙首山断裂东段与河西堡-四道山断裂交汇处小震频发；民乐-永昌断裂地震分布较少，民乐-大马营断裂几乎无地震分布；托勒山北缘断裂与冷龙岭断裂交汇处地震分布密集，冷龙岭断裂北侧有小震(主要为门源6.4级地震的余震)分布； “古浪窗”为古浪8.0级特大地震形成的地震活动相对独立区域，位于祁连山构造带和海原断裂带交汇区，重新定位后“古浪窗”走向为北西向，长约100 km，主要分布在皇城-双塔断裂两侧，形成一条NW走向的地震带。在102°E附近，冷龙岭断裂向东分为天桥沟-黄羊川断裂和金强河断裂，北侧天桥沟-黄羊川断裂近10 a来中小地震分布较少，存在明显的地震空区现象；南侧小震活动主要沿金强河断裂东段呈条带状分布，毛毛山断裂地震分布较少。103.5°E向东分出3条断裂带，北侧白墩子断裂地震分布密集；中间五佛寺断裂西段地震呈条带状分布，推测可能为隐伏断裂；南侧老虎山断裂东段与海原断裂交汇处中小地震分布集中，呈条带状。中小地震重新定位结果显示，民乐-大马营断裂、天桥沟-黄羊川断裂、金强河断裂西段和毛毛山断裂存在明显的地震空区现象。

图2 双差定位后震中分布及不同剖面震源深度分布Fig.2 Epicenter distribution after double-difference earthquake location and focal depth distribution along different profiles

从震源深度剖面可以看出，祁连山中东段震源深度主要分布在2～20 km。震源深度自西向东逐渐增大，102.5°E以东区域深度大于20 km的地震频发。横切龙首山断裂的重定位后深度剖面显示，中小地震震源深度形成一个明显的上宽下窄的倒三角形(图2(b))；门源地震余震震源深度呈连续状态展布于5～15 km，倾向SW(图2(c))；金强河断裂东段地震活动性强，倾向NE，倾角较高(图2(d))；老虎山断裂东段地震活动性强，倾向NE，深部呈近垂直产状(图2(e))。

3 震源区构造应力场

本文搜集到祁连山中东段地区3级以上地震震源机制解78个[12]，将震源机制解数据分为9个网格，通过MSATSI软件包[13]计算78个地震的应力张量，得到祁连山中东段地区震源区构造应力场(图3)。

滑动速率资料来自文献[14]图3 M≥3地震震源机制解及应力场分布Fig.3 Focal mechanisms of M≥3 earthquakes and distribution of stress field

祁连山中东段地区震源机制解类型以走滑型地震和逆冲兼走滑型地震为主，中强地震主要发生在祁连山块体和阿拉善块体边界地带。桃花拉山-阿右旗断裂、龙首山北缘断裂自西向东呈现一条NW向的中强地震带，主要为走滑、逆冲型地震。河西堡-四道山断裂东段以逆走滑型地震为主，托勒山北缘断裂以逆冲走滑型地震为主。102°E以东中强地震主要分布在“古浪窗”内，沿皇城-双塔断裂分布，主要为走滑和逆冲型地震。天桥沟-黄羊川断裂作为阿拉善地块与青藏地块之间的重要构造边界，具有较强活动性，其在青藏高原东北部相对于阿拉善地块向北东方向挤压中具有重要的边界调整作用，但近10 a来该断裂附近中强地震较少。武威-天祝断裂以逆走滑型地震为主，金强河断裂东段主要为走滑型地震，老虎山断裂附近的震源机制解为走滑兼逆冲性质，海原断裂西段地震类型以逆冲型为主。祁连山中东段地区主压应力方向为NE-NEE，自西向东顺时针旋转。在102°E以东区域，祁连-海原断裂从较为平直单一的冷龙岭断裂转换为南、北两条弧形断裂带，两条分支断裂带滑动速率(2～3 mm/a、3～5 mm/a)之和与冷龙岭段滑动速率(4～5 mm/a)相当。祁连-海原断裂自西向东滑动速率递减，可能是其与东缘各分支走滑断裂发生构造转换所致。

祁连山中东段地区是青藏高原东北缘与阿拉善地块、鄂尔多斯地块之间的复杂边界地带。祁连山中东段向NE方向的斜向挤压逆冲作用受到东侧鄂尔多斯和北侧阿拉善刚性块体阻挡，形成一系列以挤压和走滑性质为主的断裂带，主要呈现山体两侧向山前盆地双向逆冲、山体内部发育逆走滑断裂。近10 a来祁连山中东段地区中小地震频发，在102°E附近，冷龙岭断裂向东分为南北两条弧形断裂带，分别为天桥沟-黄羊川断裂和金强河断裂；103.5°E向东分为3条断裂带，中间的五佛寺断裂西段地震呈条带状分布，推测可能为隐伏断裂。中小地震重新定位结果显示，民乐-大马营断裂、天桥沟-黄羊川断裂、金强河断裂西段和毛毛山断裂存在明显的地震空区现象。沿龙首山北缘断裂北侧自西向东呈现一个NW向中强地震条带，祁连山中东段NE方向的斜向挤压逆冲作用可能已经影响到阿拉善地块西南缘。

4 结 语

通过对祁连山中东段地区中小地震重定位结果、震源区应力场进行分析，结合前人对该区域构造活动特征方面的研究成果，得到以下结论：

1)祁连山中东段震源深度主要分布在2～20 km范围内，民乐-大马营断裂、天桥沟-黄羊川断裂、金强河断裂西段及毛毛山断裂存在明显的地震空区现象。龙首山断裂震源深度分布呈上宽下窄的倒三角形。冷龙岭断裂北侧主要为门源6.4级地震的余震，震源深度为5～15 km，倾向SW；“古浪窗”中小地震主要沿皇城-双塔断裂分布，形成近100 km长、走向NW的地震条带；金强河断裂东段地震活动性强，倾向NE，倾角较高；老虎山断裂东段地震活动性强，倾向NE，深部呈近垂直产状。祁连山中东段地区震源深度自西向东递增(图4)，推测祁连山东段地区更深部可能已发生构造活动。

图4 祁连山中东段重定位后震源深度分布Fig.4 Distribution of focal depth after relocation of the middle-east Qilian mountain

2)祁连山中东段地区主压应力方向为NE-NEE向。龙首山北缘断裂自西向东呈现一个NW向的中强地震条带(以走滑、逆冲型地震为主)，“古浪窗”地区中强地震主要为走滑和逆冲性质，天桥沟-黄羊川断裂近10 a来地震活动性较弱。武威-天祝断裂以逆走滑型地震为主，金强河断裂东段主要为走滑性质，老虎山断裂中强地震为走滑兼逆冲性质，海原断裂西段地震类型以逆冲为主。

3)祁连山中东段NE向的斜向挤压逆冲作用受到东侧鄂尔多斯和北侧阿拉善刚性块体阻挡，形成一系列以挤压和走滑性质为主的断裂带。在102°E附近，冷龙岭断裂向东分为天桥沟-黄羊川断裂和金强河断裂，两条分支断裂带滑动速率(2～3 mm/a、3～5 mm/a)之和与冷龙岭段滑动速率(4～5 mm/a)相当。103.5°E以东小震沿3条分支断层分布，具有明显条带状，中间的五佛寺断裂西段地震呈条带状分布，推测可能为隐伏断裂。祁连-海原断裂自西向东滑动速率递减，可能是其与东缘的各分支走滑断裂发生构造转换所致。沿祁连山中东段地区一系列走滑断裂与前缘逆冲断裂的组合破裂是青藏高原北东向挤出的一种重要的构造变形调节模式。