劉雷 蔣鋒云 朱良玉

摘要：利用1991—2015年GPS數(shù)據(jù)，研究南北地震帶北段現(xiàn)今地殼水平速度場特征，根據(jù)區(qū)域地殼主應變率、面膨脹率及最大剪應變率的空間變化以及小震分布特征，對研究區(qū)主要斷層的活動性及地震危險性進行綜合分析。結(jié)果表明：①區(qū)域主應變率和最大剪應變高值區(qū)分布在海原斷裂弧形構造帶附近，香山—天景山斷裂和六盤山斷裂中南段應變率較低，結(jié)合歷史地震及離逝時間，認為其可能處于孕震晚期;②海原斷裂現(xiàn)今左旋走滑速率為（4±0.5）mm/a，香山—天景山斷裂、煙筒山斷裂和牛首山斷裂活動性較弱，總體顯示為逆沖兼走滑的性質(zhì);③震源深度剖面顯示老虎山斷裂、海原斷裂南東段小震分布較密集而均勻，海原斷裂北西段小震較少，香山—天景山東南段存在一個小震稀疏段，斷層可能已經(jīng)閉鎖，未來應重點關注。

關鍵詞：南北地震帶北段;應變率場;GPS速度場;地震危險性

中圖分類號：P315.725文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2020）04-0658-08

0引言

南北地震帶是中國東、西部構造域的一條重要分界線，地處中國大陸中部，北起鄂爾多斯地塊西緣構造帶，經(jīng)過秦嶺構造帶、沿著龍門山構造帶一直向南延伸，長達2 000 km（趙曉辰等，2016）。這條地震帶上，集中了中國有歷史記錄以來近一半的8級以上大地震，2008年汶川8.0級地震就發(fā)生在這個地震帶上。而南北地震帶北部位于鄂爾多斯地塊、阿拉善地塊、秦祁褶皺造山帶和興蒙褶皺帶4大構造單元的交會部位，構造環(huán)境復雜、強震多發(fā)，歷史上發(fā)生過1654年7月21日天水8.0級地震、1739年1月3日平羅8.0級地震、1920年12月6日海原8級地震和1927年5月23日古浪8.0級地震（國家地震局震害防御司，1995;中國地震局震害防御司，1999）。邵志剛和張浪平（2013）通過對現(xiàn)今5級以上地震活動分布特征的分析，認為南北地震帶北段地震活動水平相對較弱，并提出了未來需要關注毛毛山斷裂、金強河斷裂和香山—天景山斷裂東段發(fā)生7級地震的可能。

目前對南北地震帶北段的研究已有一些有價值的地球動力學和大地構造學的認識和結(jié)論。江在森和王雙緒（1997）研究了南北地震帶及青藏塊體東部地區(qū)20多年來的大地形變場演化特征及其與地震活動的呼應關系;武艷強等（2012）利用1999—2007年和2007—2009年GPS速度場、應變率場、斷層滑動速率和GPS速度剖面等數(shù)據(jù)，對南北地震帶北段主要斷層的顯著變形差異進行分析，認為莊浪河以東地區(qū)存在較高的應變積累背景;王靜等（2015）利用GPS速度場、跨斷層速度剖面以及基準站時間序列數(shù)據(jù)，分析了南北地震帶北段地殼運動的動態(tài)特征，認為祁連山斷裂具有較高的應變積累，六盤山斷裂存在閉鎖;鄒鎮(zhèn)宇等（2015）對1999—2013年南北地震帶地區(qū)多期GPS速度場做了以華南地塊為統(tǒng)一參考基準的處理，獲取了網(wǎng)格化結(jié)果，并分析提出汶川地震的影響在震后迅速衰減，南北地震帶中北部地區(qū)NE向運動增強的結(jié)論。上述成果為研究南北地震帶北段地殼運動特征以及該區(qū)域的中長期地震預測提供了重要依據(jù)，但仍存在一些不足，如已有研究多是對2期或多期的GPS速度場進行對比分析，探討各期速度場和應變場的變化，使用的資料最新只到2013年，并且很少使用長期GPS速度場分析南北地震帶北段的長期應變率變化特征，也較少結(jié)合小震活動性進行綜合分析。因此，為了更好地研究南北地震帶北段的水平運動特征以及各斷裂的現(xiàn)今應變特征，本文使用Zheng等（2017）計算的1991—2015年長期GPS數(shù)據(jù)，計算南北地震帶北段地區(qū)的主應變率、最大剪應變率和面膨脹率，分析區(qū)域現(xiàn)今水平運動的特征;再根據(jù)跨斷層GPS速率剖面分析南北地震帶北段各斷層運動狀態(tài)的差異，利用小震分布及震源深度剖面，分析各斷裂的地震活動性;最后，綜合分析區(qū)域的地震危險性。

1應變場特征分析

水平速度場空間分布的不一致性是地殼形變的直接反映，而應變場是描述區(qū)域形變的重要指標。該指標不受參考框架的影響，并且能從不同分辨率反映區(qū)域形變特征。利用GPS資料進行應變分析，可以監(jiān)測研究區(qū)應變場隨著時間和空間的變化過程（孟國杰等，2009;楊國華等，2002;王巖等，2018;蔣鋒云等，2018）。本文利用Zheng等（2017）計算的1991—2015年的GPS數(shù)據(jù)資料，使用張希等（1998）根據(jù)最小二乘法計算應變場編制的h-velo-strain軟件，選取研究區(qū)內(nèi)114個GPS站點參與計算，得到了南北地震帶北段相對低頻的主應變率、最大剪應變率和面膨脹率。

地震研究43卷第4期劉雷等：南北地震帶北段現(xiàn)今運動特征及地震活動性分析1.1主應變率

如圖1a所示，區(qū)域內(nèi)主應變沿著青藏高原東北緣發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)。不同地區(qū)的主應變率差異較大，反映出南北地震帶北段的運動特征及構造活動比較復雜。在阿拉善地塊和鄂爾多斯地塊內(nèi)部變形較小，以拉張作用為主，表明地塊具有較好的剛性運動特征。主應變率沿著天橋溝—黃羊川斷裂附近具有NE向的擠壓，向東在香山—天景山斷裂上明顯減弱，在毛毛山—老虎山斷裂以及海原斷裂上較大，具有NE，NEE向的擠壓和NW，NNW向的拉張作用，主應變率大有可能是海原1920年地震后斷裂的震后調(diào)整作用。在六盤山斷裂、小關山斷裂附近主應變率較小，且由西邊的EW向擠壓到鄂爾多斯內(nèi)部變?yōu)镋W向的拉張，在莊浪河斷裂和馬銜山斷裂交匯處較大，而在銀川盆地內(nèi)主要以近EW向主張應變?yōu)橹鳌?/p>

1.2最大剪應變率

如圖1b所示，區(qū)域內(nèi)總體剪應變率呈現(xiàn)出中間高、周圍低的變化特征。剪應變率的高值區(qū)主要分布在毛毛山—老虎山斷裂和海原斷裂上，極值為10×10-8/a，且其展布方向與斷裂的走向有很好的一致性，形成一個SEE向長條狀的剪應變率高值區(qū)，與現(xiàn)今研究認為海原斷裂帶以走滑運動為主的結(jié)論相對應。香山—天景山斷裂與剪應變率值線平行分布，剪應變率較低，說明斷裂的剪切作用比較弱。六盤山斷裂與剪應變率分布正交，其北段位于高梯度帶和高值區(qū)，其南段剪應變作用較弱，小關山斷裂的剪應變率也較低。煙筒山斷裂、牛首山斷裂、馬銜山斷裂具有較高的剪應變率，為（4～6）×10-8/a，而阿拉善地塊和鄂爾多斯地塊則表現(xiàn)出低的剪應變率。

1.3面膨脹率

由圖1c可見，銀川盆地表現(xiàn)為較大的張性作用，鄂爾多斯地塊表現(xiàn)為弱的張性作用，而阿拉善地塊呈現(xiàn)兩側(cè)擠壓和中間拉張的特征，兩側(cè)的擠壓作用可能是受到周邊斷裂活動的影響。天橋溝—黃羊川斷裂主要以擠壓作用為主，香山—天景山斷裂表現(xiàn)為西段弱的拉張作用，向東逐漸變?yōu)閿D壓作用，但總體的面膨脹率不高。海原斷裂總體表現(xiàn)為擠壓作用，在其東段具有弱的拉張作用，而六盤山斷裂以及小關山斷裂主要以弱的拉張作用為主，在斷裂兩側(cè)區(qū)域存在擠壓作用。莊浪河斷裂變?yōu)槿醯睦瓘堊饔?，馬銜山斷裂以擠壓作用為主。

2GPS速度場分析

為了進一步研究南北地震帶北段的地殼運動特征，筆者利用Zheng等（2017）計算的1991—2015年GPS數(shù)據(jù)，繪制了區(qū)域的GPS速度場（圖2），從圖2可看出：GPS速率自西向東整體在逐漸變小;GPS速度場速率在海原斷裂的WS方向較大，但經(jīng)過海原斷裂后，在斷裂NE方向有明顯的減小趨勢，在六盤山斷裂的東西兩側(cè)自西向東在變小;在阿拉善地塊和鄂爾多斯地塊內(nèi)部的速率都較小，說明在青藏高原東北緣地區(qū)，受印度—歐亞板塊碰撞推擠作用和穩(wěn)定塊體的阻擋作用的影響，在海原斷裂和六盤山斷裂受到的剪切和擠壓作用較強，區(qū)域地殼運動和應變變化主要由海原—六盤山斷裂組成的弧形構造帶來調(diào)節(jié)。GPS速度場方向自西向東具有順時針變化的特征，在莊浪河斷裂和馬銜山斷裂附近為NEE向，到了海原—六盤山斷裂和香山—天景山斷裂弧形構造區(qū)呈近EW向，過了弧形構造區(qū)后在鄂爾多斯地塊內(nèi)變?yōu)镾E或SEE向。水平運動方向的變化，可能是弧形構造區(qū)的斷裂走滑運動以及鄂爾多斯穩(wěn)定地塊阻擋共同作用的結(jié)果。

為了得到南北地震帶北段主要斷裂的滑動速率分布特征（海原斷裂、香山—天景山斷裂、煙筒山斷裂、牛首山斷裂），筆者在圖2中選取了一條跨斷層GPS速率剖面，將GPS速率分解為平行斷層和垂直斷層2個方向的速率，并繪制剖面圖（圖3）。從圖3a可以看出：從SW（8～9 mm/a）到NE（4～5 mm/a），平行斷層速率一直在減小，速率變化區(qū)域主要在海原斷裂附近。在海原斷裂兩側(cè)50 km以外區(qū)域，GPS速率變化不大，該斷裂表現(xiàn)為左旋走滑運動，走滑速率約為（4±0.5）mm/a;而在香山—天景山斷裂、煙筒山斷裂以及牛首山斷裂的走滑速率表現(xiàn)不明顯。從圖3b可以看出：從SW（3～5 mm/a）到NE（1～2 mm/a），垂直斷層速率也在減小，在海原斷裂的SW向，垂直斷層速率基本保持不變，而從海原斷裂NE方向，經(jīng)過香山—天景山斷裂、煙筒山斷裂和牛首山斷裂，垂直斷層速率在逐漸減小，這幾條斷裂基本都是處于擠壓環(huán)境中，具有逆沖斷層的性質(zhì)。所以，通過跨斷層GPS速率剖面可以看出，南北地震帶北段的現(xiàn)今地殼運動主要受斷裂活動性強弱控制，海原斷裂主要以左旋走滑運動為主，逆沖擠壓作用很弱。而香山—天景山斷裂、煙筒山斷裂和牛首山斷裂表現(xiàn)的左旋走滑運動不明顯，地殼縮短速率為1～2 mm/a，地殼縮短變形主要被這3條斷裂所吸收，具有以逆沖兼有左旋走滑的性質(zhì)。

3現(xiàn)今地震活動分布特征

筆者利用中國地震局地球物理研究所房立華提供的小震重新定位目錄，將1980以來發(fā)生在研究區(qū)內(nèi)的小震繪制到區(qū)域平面圖上（圖4）。從圖4可以看出，南北地震帶北段的小震密集，4級以上地震基本都是沿著斷裂走向分布的，說明活動斷裂對大震的發(fā)生有很好的控制作用。阿拉善地塊內(nèi)存在一個小震密集帶，其余地區(qū)小震較少;鄂爾多斯地塊內(nèi)部地震稀少，地震主要集中于其西邊界上。

為了進一步分析研究區(qū)主要斷裂的現(xiàn)今運動狀態(tài)與小震活動之間的關系，以及小震活動空間差異的變化，進而研究不同斷裂的現(xiàn)今地震危險性，筆者選取了3個橫跨海原斷裂及北側(cè)的一些主要斷裂的震源深度剖面（圖4中橙色方框），走向為SW-NE向，基本上都是垂直斷裂走向，除了牛首山斷裂和黃河—靈武斷裂與剖面斜交。小震目錄剔除了震級小于0.5級、震源深度小于0.5 km的地震，并將結(jié)果繪制在震源深度剖面上（圖5）。

從剖面1可以看出（圖5a），在老虎山斷裂處地震密集分布，震源深度在25～30 km，小震在0～5 km深度、寬度約30 km分布較廣，說明斷裂在淺地表活動性強，這與Jolivet等（2012）研究認為老虎山斷裂現(xiàn)今存在蠕滑段的結(jié)論相對應。小震分布沿深度向下逐漸變窄，集中在寬度約10 km范圍內(nèi)，并向SW方向傾斜。4級以上地震分布與斷層傾向具有較好的一致性，傾向SW，與地質(zhì)資料（柴熾章等，1997;李傳友，2005）、地球物理資料（Gao et al，2013）得到的結(jié)果一致。在天橋溝—黃羊川斷裂上，小震分布較少，只在0～5 km深度集中分布，沿深度向下地震變少，跨斷裂向北20 km可以看到一個明顯的向SW傾的小震分界線，分界線北側(cè)小震震級低且分布稀少，這可能是香山地塊與阿拉善穩(wěn)定地塊的分界處。

從剖面2可以看出（圖5b），小震分布較少，震源深度在25 km左右，海原斷裂北西段的小震在0～20 km深度呈線性分布并向SW傾斜，可能是由于地震的發(fā)生受斷裂活動控制，在香山—天景山斷裂東段上小震分布較多，由淺到深小震沿剖面走向分布較寬，分布形態(tài)與Gao等（2013）利用地震深反射剖面得到的斷裂分布形態(tài)相似。

剖面3長度較長（圖5c），共包含了5條斷裂，在海原斷裂帶南東段，發(fā)生過1920年海原8級地震，現(xiàn)今小震分布較密集而均勻，震源深度約為30 km，在0～5 km深度范圍內(nèi)，小震分布廣，可能是斷裂面持續(xù)震后調(diào)整運動的表現(xiàn)。而在香山—天景山斷裂東南段小震分布少，自1980以來表現(xiàn)為明顯的小震稀疏段，與斷裂東段相比，在淺地表和15～25 km深度小震空缺，反映斷裂東南段可能已經(jīng)處于閉鎖的狀態(tài)。煙筒山斷裂小震分布密集，在0～30 km深度均勻分布。牛首山斷裂以及黃河—靈武斷裂附近的小震分布密集，也分布有許多4級以上的地震，震源深度在33 km附近，由于斷裂與剖面并不是正交，所以并不能顯示橫跨斷層的震源深度分布具體特征，只能表明這兩條斷裂現(xiàn)今地震活動性較強。

4討論

4.1主應變結(jié)果可靠性論證

關于模擬值的可信度問題，武艷強等（2009a，b）通過分析對比模擬數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)最小二乘配置解算應變場，幾乎沒有邊緣效應，能夠很好地反映大范圍應變場的狀態(tài)，該方法的穩(wěn)定性比較好，對附加的隨機誤差的反應不明顯。本文最大剪應變率結(jié)果與武艷強等（2012）的結(jié)果量值有一定差異，可能的原因有：①計算使用的GPS速度場不同;②計算應變率時選取的相關距離不一樣。因為江在森等（2000）討論過關于應變率與計算圖形尺寸的相關性問題，認為隨著尺度的增大，應變值的統(tǒng)計平均值和均方差都是呈冪指數(shù)衰減的，本文選取的相關距離為100 km，有可能是距離較小引起了應變率偏大，但是只是量級上的變化，最大剪應變的高值區(qū)和圖像分布趨勢不會變化太大。所以，本文利用該方法計算得到的南北地震帶北段的應變場結(jié)果可信度較高。

4.2區(qū)域斷裂地震危險性分析

通過計算應變場的應變分布和變化規(guī)律，結(jié)合小震分布特征，分析其與區(qū)域地殼運動的方式、方向及區(qū)域構造發(fā)育的關系，對于認識大陸內(nèi)部構造應變及應力分布，并進行地震危險性評估具有十分重要的意義（Abdrakhmatov et al，1996;楊少敏等，2008;Zubovich et al，2010）。由研究區(qū)的應變場分布特征以及小震分布特征可以看出：①海原斷裂現(xiàn)今的活動性較強，主應變率較大，具有以NEE向為主的主壓應變，與斷裂走向小角度斜交，同時最大剪應變率分布也顯示在海原斷裂附近具有10×10-8/a的剪應變高值區(qū)，表明該斷裂現(xiàn)今以走滑為主，與前人研究結(jié)果（Thatcher，2007;李煜航等，2015;李彥川，2016）一致。而跨斷層GPS速率剖面也顯示海原斷裂具有速率為（4±0.5）mm/a的左旋走滑，速率變化集中在斷裂兩側(cè)50 km范圍內(nèi)，說明應變集中在斷裂附近，兩側(cè)區(qū)域無顯著應變積累，震源深度剖面也顯示小震分布密集，可能是1920年海原8.5級地震震后的調(diào)整作用，與M7專項工作組（2012）的研究結(jié)果一致。②香山—天景山斷裂西段以NW向的主張應變?yōu)橹?，向東逐漸變小，且變?yōu)橐訬E向的擠壓為主，與面膨脹率變化相對應，在斷裂西段呈現(xiàn)張性，而向東則變?yōu)閴盒?，最大剪應變率分布顯示在西段和東南段剪應變較大，而在東段較小。綜合應變場特征說明斷裂西段具有拉張兼剪切作用、東段為擠壓作用、東南段以剪切和弱擠壓作用為主，應變場特征與前人研究認為的香山—天景山斷裂西段為正斷-走滑性質(zhì)、東段為逆斷-走滑性質(zhì)、東南段為走滑-逆沖性質(zhì)的結(jié)論基本一致（柴熾章等，1997;李新男，2014;Li et al，2005）。

小震剖面顯示香山—天景山斷裂東南段缺少小震活動，而東段小震分布均勻，并且東南段的主應變率值低，為（1～2）×10-8/a?？鐢鄬覩PS速率剖面顯示斷裂具有逆沖兼左旋走滑的性質(zhì)，斷裂附近的剪切形變和橫向縮短形變都較弱，斷裂現(xiàn)今有可能處于閉鎖狀態(tài)。③六盤山斷裂的主應變率低，但其東、西兩側(cè)反向變化，東側(cè)以EW向拉張為主，西側(cè)以近EW向擠壓為主。面膨脹率也顯示斷裂位于正負分界處，最大剪應變率分布顯示斷裂走向垂直于剪應變等值線，斷裂北段剪應變較高、中南段較低，應變場變化較弱。結(jié)合歷史地震破裂情況、現(xiàn)今小震稀疏段以及大震離逝時間等認為斷裂可能已經(jīng)閉鎖（杜方等，2018），可能處于孕震晚期。

5結(jié)論

本文利用1991—2015年GPS速度場數(shù)據(jù)，對南北地震帶北段的主應變率、面膨脹率以及最大剪應變率的空間變化進行研究，結(jié)合跨斷層GPS剖面、小震活動分布特征，對研究區(qū)主要斷層的活動性及地震危險性進行綜合分析，取得如下認識：

（1）研究區(qū)應變場特征顯示毛毛山—老虎山斷裂和海原斷裂NE向的主壓應變率較大，最大剪應變率較高（10×10-8/a），以走滑為主兼有弱的擠壓作用;香山—天景山斷裂、六盤山斷裂中南段和小關山斷裂應變率變化弱，結(jié)合歷史地震及離逝時間，認為其可能處于孕震晚期;銀川盆地具有走滑兼拉張的環(huán)境，鄂爾多斯地塊和阿拉善地塊總體穩(wěn)定性較好，應變率較低。

（2）跨斷層GPS速率剖面顯示海原斷裂現(xiàn)今以左旋走滑為主（4±0.5）mm/a，香山—天景山斷裂、煙筒山斷裂和牛首山斷裂活動性較弱，總體顯示為逆沖兼走滑的性質(zhì)。

（3）地震活動主要沿著斷裂走向分布，小震分布密集顯示現(xiàn)今小震活動性強。震源深度剖面顯示老虎山斷裂、海原斷裂南東段小震分布較密集而均勻，海原斷裂北西段小震較少，香山—天景山東南段存在一個小震稀疏段，這說明斷層可能已經(jīng)閉鎖，未來應重點關注。

感謝中國地震局地球物理研究所房立華研究員提供小震重新定位目錄。

參考文獻：

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（The Second Monitoring and Application Center，China Earthquake Administration，Xian 710054，Shannxi，China）

Abstract

Using the GPS velocity field during 1991 and 2015，we describe the characteristics of the current crustal horizontal movement of the northern section of the North-South Seismic Belt.We investigated the tectonic dynamics and seismic hazard in the northern section of the North-South Seismic Belt by analyzing the spatial distribution characteristics of the principal strain rate，surface expansion rate，maximum shear strain rate，and small earthquakes.And we also analyzed the activity and seismic risk of main faults in the northern section of the North-South Seismic Belt.The results show that：①The high? main strain rate and the high maximum shear strain rate are distributed near the Haiyuan fault tectonic belt，while the Xiangshan-Tianjingshan fault and the middle-southern segment of the Liupanshan fault have lower strain rate.Combined with the historical earthquake and the elapsed time，we deduced that Xiangshan-Tianjingshan fault and the Liupanshan fault may be in the Late phase of strong earthquake preparation;②Therecent strike-slip rate of the Haiyuan fault is（4±0.5）mm/a.And the seismic activity of the Xiangshan-Tianjingshan fault，the Yantongshan fault and the Niushoushan fault was weak，these faults are generally characterized by thrust and strike-slip;③The seismic depth profile shows that the distribution of earthquakes in the Laohushan fault and the south-eastern section of the Haiyuan fault is relatively dense and uniform，while few earthquakes are distributed in the north-western section of the Haiyuan fault.There is a sparse section of earthquakes in the south-eastern section of the Xiangshan-Tianjingshan fault，and the fault may have been locked which should be paid more attention to in the future.

Keywords：the northern section of the North-south Seismic Belt;strain rate field;GPS velocity field;seismic risk