深地震反射剖面揭示的海原斷裂帶深部幾何形態(tài)與地殼形變

王海燕，高 銳＊，尹 安，熊小松，匡朝陽，李文輝，黃薇漪

1 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所巖石圈中心，北京 100037

2 中國地質(zhì)科學(xué)院地球探測與動力學(xué)重點實驗室，北京 100037

3 美國加州大學(xué)洛杉磯分校，洛杉磯 90095－1567

4 華東石油局第六物探大隊，南京 210011

1 引 言

青藏高原東北緣是青藏高原塊體與鄂爾多斯塊體、阿拉善塊體的交匯區(qū)［1］，是印度與歐亞兩大板塊碰撞作用由近南北方向向北東、東方向轉(zhuǎn)換的重要場所，是青藏高原向北東方向擴展的前緣部位［2-3］.長期以來，由于青藏高原不斷的隆升和推擠作用，在強大的由西南向東北的推擠作用下和東側(cè)揚子地塊、東北部華北塊體、阿拉善塊體的阻擋以及東北緣內(nèi)部如松潘—甘孜塊體擠壓形變的作用下，形成了多個走向不同的青藏高原東北緣構(gòu)造體系.區(qū)內(nèi)新生代構(gòu)造變形和地震活動強烈，分布多條大型深斷裂帶（圖1），其中多數(shù)不僅是重要的大地構(gòu)造區(qū)邊界斷裂，也是控制現(xiàn)今強震活動的活斷層.據(jù)記載，該區(qū)曾多次發(fā)生過7級以上地震，其中1920年海原8.6級大地震是中國大陸有歷史記載以來最為強烈的地震之一.可見，在該區(qū)開展地殼深部結(jié)構(gòu)精細(xì)探測等研究，對認(rèn)識青藏高原地殼變形動力學(xué)和地震災(zāi)害發(fā)生機制等具有十分重要的科學(xué)意義［4］.2009年在Sinoprobe－02項目的資助下，中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所完成了300km長的高分辨率深地震反射剖面（圖1中黑實線），南起西秦嶺北緣，向北穿過臨夏盆地、北祁連褶皺帶，止于阿拉善地塊南緣.本文利用跨越海原斷裂帶的部分約90km長的剖面資料（圖1中白色虛方框部分），對該段地震剖面進(jìn)行初步的構(gòu)造解釋，研究海原斷裂帶的深部幾何形態(tài)和其兩側(cè)地殼上地幔細(xì)結(jié)構(gòu)，為探討青藏高原東北緣巖石圈變形機制提供地震學(xué)依據(jù).

2 地質(zhì)背景

海原斷裂是青藏高原東北緣發(fā)育的四條弧形活動斷裂帶中規(guī)模最大、活動最為強烈的一條左旋走滑型斷裂帶，整體走向北西［5］，它是河西走廊過渡帶與北祁連褶皺帶的分界線［6］.該斷裂帶西起甘肅景泰興泉堡，東至寧夏哨口，西段呈北西西方向，走滑速率約為20±5mm·a-1，東段走向北西，走滑速率約為12±4mm·a-1［7-8］，向東南與六盤山斷裂接連，并呈向北東方向凸起的弧形，全長約240km［9-10］.斷裂帶形成于加里東期，并經(jīng)歷多次構(gòu)造運動，早期為擠壓逆沖性質(zhì)，自早更新世中晚期至中更新世初以來，在青藏高原向北東推擠下發(fā)展為以左旋走滑活動為主的斷裂帶，自早更新世中晚期以來，斷裂帶最大左旋走滑總量可達(dá)12～14.5km.1920年海原地震發(fā)生后又發(fā)生過7次5級左右中強地震，說明全 新世以 來 活 動 仍 然 強 烈 而 頻 繁［5，11-12］，并 引 起 國內(nèi)外學(xué)者對于斷裂的結(jié)構(gòu)、形變特征、位移量及走滑速率等方面的研究，取得了豐碩成果［13-21］.近年來，許多學(xué)者利用地球物理方法等多種技術(shù)手段對海原斷裂帶地殼深部幾何形態(tài)和屬性進(jìn)行了深入的研究：（1）根據(jù)研究區(qū)大地電磁測深資料得到的深部電性結(jié)構(gòu)特征，認(rèn)為海原斷裂規(guī)模和切割深度較大，且該斷裂錯斷莫霍面，斷距達(dá)4km，為陡立的超殼斷裂［22-23］；（2）根據(jù)中國地震局完成的瑪沁—蘭州—靖邊地震測深剖面的結(jié)果可知，海原斷裂往南10～20km處，下面的Moho面為一陡變帶，表明海原斷裂為一陡立的超殼斷裂［24］；（3）樊計昌等［9，25］對中國地震局地球物理勘探中心在2001年完成的穿過海原大震區(qū)的深地震反射剖面中的折射波進(jìn)行走時反演獲得的結(jié)果確定了從地表到地殼10km深處海原斷裂均處于陡立狀態(tài)的幾何形態(tài)［9，25］，屬于擠壓走滑型斷裂；（4）GPS觀測結(jié)果表明，海原走滑斷裂帶為青藏高原東北緣現(xiàn)今運動邊界之一［26］，認(rèn)為青藏高原現(xiàn)今地殼運動的東北邊界應(yīng)為海原走滑斷裂帶和祁連山北緣斷裂帶［27］.上述關(guān)于海原斷裂帶的屬性和幾何形態(tài)的研究結(jié)果基本一致，均認(rèn)為海原斷裂為陡立的超殼斷裂，但并沒有高分辨率的資料揭示出從地表到地殼上地幔海原斷裂的幾何形態(tài)，2001年中國地震局曾在海原大震區(qū)完成了一條深地震反射剖面跨越海原斷裂，揭示出在弧形構(gòu)造帶的位置有逆沖斷層的存在.本文利用2009年完成的深地震反射剖面跨越海原斷裂段（約長90km）首次展現(xiàn)出海原斷裂帶的深部幾何形態(tài)及其兩側(cè)精細(xì)地殼結(jié)構(gòu)，揭露了青藏高原東北緣巖石圈變形差異.

圖1 研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造與深地震反射剖面位置示意圖F1-青銅峽-固原斷裂；F2-六盤山斷裂；F3-天景山斷裂；F4-海原斷裂；F5-龍首山斷裂；F6-北祁連斷裂；F7-西秦嶺北緣斷裂.Fig.1 Regional tectonic map and location of the deep seismic reflection profilingF1-Qingtongxia－Guyuan fault；F2-Liupanshan fault；F3-Tianjingshan fault；F4-Haiyuan fault；F5-Longshoushan fault；F6-North Qilian fault；F7-West Qinling north margin fault.

3 數(shù)據(jù)采集與處理

3.1 數(shù)據(jù)采集

測線南起臨夏、經(jīng)劉家峽水庫、永靖、永登、皋蘭、景泰向北進(jìn)入阿拉善地塊南緣，跨越西秦嶺北緣、臨夏盆地、北祁連褶皺帶和阿拉善地塊南緣.全長300km，測線位置見圖1中黑實線，本文研究區(qū)范圍見圖中方框部分，長約90km.為獲得高分辨率的地震數(shù)據(jù)，野外數(shù)據(jù)采集中采用多種采集方法相結(jié)合.三種藥量（24、96kg和500～1800kg，分別稱其為小炮、中炮和大炮）的炸藥震源激發(fā)，同時接收.野外采用428XL地震儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.小炮炮間距250m，井深25m，接收道數(shù)600道；中炮炮間距1000m，井深25m雙井組合激發(fā)，接收道數(shù)720道；大炮炮間距平均25000m，井深40～50m，接收道數(shù)不少于1000道.小炮和中炮采樣率2ms，記錄長度30s，大炮采樣率4ms，記錄長度60s.

3.2 精細(xì)數(shù)據(jù)處理

本次精細(xì)處理采用CGG、OMEGA、ProMAX和PSG－SEIS多個處理軟件相結(jié)合的手段.在詳細(xì)分析原始資料的基礎(chǔ)上，針對影響資料成像效果的主要問題，通過大量的對比和測試工作，最終確定處理流程和關(guān)鍵處理技術(shù).本文中僅對關(guān)鍵處理技術(shù)作以簡單介紹.

3.2.1 靜校正技術(shù)

研究區(qū)地表條件復(fù)雜，北部為沙漠、草原區(qū)，地勢相對平坦，南部為黃土塬地貌，溝壑縱橫，單炮初至極不規(guī)則，且由于近地表低、降速帶的速度和厚度的變化，難以找到穩(wěn)定的折射層.通過方法對比試驗，本次處理采用無射線層析靜校正方法和多反射界面剩余靜校正方法解決靜校正問題.無射線層析靜校正技術(shù)結(jié)合了首波延遲方法的穩(wěn)定性和走時層析反演方法的靈活性，無需射線追蹤，不依賴于初始模型，可以利用全炮檢距范圍的折射波初至和回折波初至，能夠解決地表速度橫向突變所導(dǎo)致的射線陰影區(qū)問題，提高了靜校正的計算速度［28-33］，獲得了理想的效果.

多界面剩余靜校正法是沿著兩個或多個反射截面求取“剩余靜校正量”，所求取的數(shù)值中，包括靜校正量、剩余動校正量、巖石速度橫向變化引起的時間差和速度各向異性引起的時間差等.通過剩余靜校正處理后，剖面成像質(zhì)量有明顯改善.

3.2.2 疊前去噪

提高原始資料信噪比是數(shù)據(jù)處理的重要環(huán)節(jié).分析原始資料，干擾波較為嚴(yán)重，主要包括面波、線性干擾波、高頻干擾、隨機干擾和50Hz干擾等，需進(jìn)行疊前去噪處理.根據(jù)地震資料上干擾波的能量關(guān)系、頻率、速度分布規(guī)律等特點，采用多域組合去噪技術(shù)對不同的噪聲進(jìn)行壓制，取得了較好效果［34］.采用地表一致性反褶積和多道預(yù)測反褶積相結(jié)合的方法壓制子波提高地震資料的縱向分辨率［35-36］.

3.2.3 基于起伏地表的克希霍夫疊前時間偏移

因研究區(qū)地表復(fù)雜，高程變化劇烈，老地層出露，地下地質(zhì)情況復(fù)雜，逆掩斷層發(fā)育多，造成速度建模很困難，從而影響地震偏移成像精度.基于起伏地表的克希霍夫疊前時間偏移（PSG－MIG）方法為彎曲射線偏移，具有較好的保幅特性［37-39］，明顯改善了成像質(zhì)量，波組特征清楚，反射特征突出，斷面成像清晰，有利于分析構(gòu)造特征.

4 深地震反射剖面解釋

根據(jù)深地震反射數(shù)據(jù)精細(xì)處理的結(jié)果剖面顯示的反射特征（圖2），對地震剖面進(jìn)行了初步解釋（圖3）.深地震反射剖面揭示了海原斷裂的深部幾何形態(tài)及兩側(cè)精細(xì)地殼結(jié)構(gòu)和變形樣式.

4.1 斷裂帶地表位置、深部幾何形態(tài)和規(guī)模

深地震反射剖面揭示出海原斷裂的地表位置、深部幾何形態(tài)和規(guī)模.

圖2 跨越海原斷裂的深地震反射剖面（偏移）Fig.2 Deep seismic reflection section across Haiyuan fault（migration）

海原斷裂為北祁連褶皺帶與河西走廊過渡帶的分界帶.在深地震剖面上可以清楚地看到海原斷裂垂向延伸至45km埋深處的深大斷裂.地震剖面顯示，海原斷裂構(gòu)造系由多條逆沖斷裂帶組成，表現(xiàn)為逆沖走滑構(gòu)造特征.地表可追蹤到海原斷裂在地表有三個分支，南部分支在1.8s處與其南側(cè)的逆沖斷裂歸并在一起出露地表（見圖3），1.8s以下傾角向北，幾何形態(tài)隨著深度變化，在近地表傾角約70°～75°，隨著深度增加傾向變緩，傾角約為40°～45°.中間分支南傾，近地表傾角約40°～45°，在埋深約12km處歸并于南部分支.北部分支南傾，近地表傾角約45°～50°，隨著深度增加傾向變緩，傾角約30°～35°，在埋深約13km處歸并于南部分支，斷裂向下延伸至20km以下傾向變陡，傾角約80°～85°，并連續(xù)截斷一系列反射層和巖體.深地震反射結(jié)果剖面發(fā)現(xiàn)，在海原斷裂下面莫霍面并未發(fā)生錯斷，而是分別在海原斷裂系深部端點的南側(cè)16～20km處和其北側(cè)20～25km處分別發(fā)生錯斷.表明海原斷裂并不是直接錯斷莫霍面的超殼斷裂，而是在埋深約46km（雙程走時約15.3s）處被錯斷莫霍面南傾的逆沖斷裂所截斷.綜上所述，海原斷裂帶為地殼規(guī)模的高陡傾角的深大斷裂帶，在近地表表現(xiàn)為逆沖走滑斷裂帶的構(gòu)造特征.

4.2 斷裂兩側(cè)地殼精細(xì)結(jié)構(gòu)

以海原斷裂為界，南側(cè)為北祁連褶皺帶，北側(cè)為河西走廊過渡帶.深地震反射剖面顯示，北祁連地殼變形相對復(fù)雜，上地殼（0～6s）表現(xiàn)為斷彎褶皺的構(gòu)造特征，而中地殼反射層變形更復(fù)雜，地層被多條斷裂多次錯斷，局部出現(xiàn)地層疊置，位移量較大，最大位移量可達(dá)20km.下地殼變形變緩，并有巖體侵入，可能發(fā)生于晚元古代.斷裂帶以北為河西走廊構(gòu)造帶，上地殼變形較劇烈，出現(xiàn)雙重逆沖推覆構(gòu)造特征，在埋深約18km處存在一個滑脫層，使得上下地殼變形特征完全不同.下地殼出現(xiàn)多套強的近水平的反射層，表現(xiàn)為韌性變形的構(gòu)造特征，并被海原斷裂在地殼深部的分支所錯斷.下地殼出現(xiàn)的花崗巖體表明可能在寒武紀(jì)之前晚元古代發(fā)生過巖體侵入.

4.3 莫霍面的幾何形態(tài)和埋深

深地震反射剖面清楚地展現(xiàn)了莫霍面埋深及幾何形態(tài).莫霍面總體表現(xiàn)為近水平的反射特征，圖3顯示的剖面南段莫霍面平均埋深約48km（雙程走時約16s，按照地殼平均速度為6km／s估算），該結(jié)果與深地震測深獲得的海原斷裂附近莫霍面深度相一致［40］，莫霍面對應(yīng)地殼中地層被多次錯斷，且莫霍面也發(fā)生錯斷，位移量約10km.向北，分別在海原斷裂系在地殼深部端點南側(cè)16～20km處和其北側(cè)20～25km處發(fā)生錯斷，位移量分別為7～8km和4～5km.再向北，在CDP24058附近莫霍面又被錯斷2～3km，進(jìn)入阿拉善地塊，莫霍面加深到約51km，表現(xiàn)為近平的反射特征.深地震反射資料得到的莫霍面深度與根據(jù)深地震測深數(shù)據(jù)獲得的研究區(qū)莫霍面度范圍（祁連褶皺帶莫霍面深度范圍43～64km）相近［41-42］.

圖3 跨越海原斷裂的深地震反射剖面的初步解釋Fig.3 Preliminary interpretation of deep seismic reflection section across Haiyuan fault

5 結(jié) 論

斷層的幾何形態(tài)與其動力學(xué)過程密切相關(guān).海原斷裂在加里東期就已開始活動，且經(jīng)歷了多次構(gòu)造運動.在新生代早期，該斷裂帶以強烈擠壓為主，更新世以來，海原斷裂轉(zhuǎn)為以左旋走滑為主兼有逆沖的活動特點，這一特點已被大多數(shù)學(xué)者所接受.走滑斷層的傾角往往是近于直立的，而逆斷層的傾角則較緩.本研究利用深地震反射剖面得到的海原斷裂的幾何形態(tài)并不是簡單的陡立或者較緩，幾何形態(tài)隨著深度變化.該斷裂被地殼深部錯斷莫霍面的剪切帶所截斷，但其本身未直接錯斷莫霍面，表明該斷裂并非直接切穿莫霍面的超殼斷裂，而屬于殼內(nèi)深大斷裂.

海原斷裂南側(cè)為北祁連褶皺帶，上下地殼變形不同，上地殼主要表現(xiàn)為斷彎褶皺構(gòu)造體系，下地殼地層被多條剪切帶所錯斷疊覆，強烈縮短變形.海原斷裂北側(cè)的河西走廊帶上下地殼變形不同，在埋深為12～16km之間存在滑脫層使得上下地殼變形解耦.上地殼表現(xiàn)為雙重構(gòu)造特征，下地殼主要以韌性變形為主.

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