利用剖面淺析鄂爾多斯西南緣Q值與斷層展布的關(guān)系

師海闊，張立恒，楊學鋒，賀永忠

（寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001）

0　引言

品質(zhì)因子Q值可用來精確測定地震的震源參數(shù)、預測地震動強度、監(jiān)測核爆炸，以及估計地震危險性[1-4]，等。同時，Q值更有助于研究者對與地球內(nèi)部的成分和物理條件有關(guān)的地震波衰減的物理機制的理解與研究[5-6]。在構(gòu)造活動地區(qū)，Q值亦可用于調(diào)查區(qū)域構(gòu)造特征和地下結(jié)構(gòu)[7]。

由于地震波在地球內(nèi)部傳播，當在其傳播路徑上所遇到的地下介質(zhì)的成分或物理性質(zhì)不同時，所產(chǎn)生的衰減效應也不盡相同。所以，結(jié)合地下速度結(jié)構(gòu)等其他的地球物理參數(shù)，三維Q值成像方法能夠更加真實地反映Q值沿傳播路徑的變化情況，從而使人們可能更加深刻地認識地下介質(zhì)的組成及其物理性質(zhì)的不均勻性。在斷裂帶密集地區(qū)，Q值通常較低；在一些斷裂帶兩側(cè)，Q值的分布也會出現(xiàn)明顯的陡變現(xiàn)象。已有研究表明，在低Q值或Q值發(fā)生明顯變化的區(qū)域，在其對應深度通常有斷層展布[8-11]，因此，可利用Q值的這一特性來推測震源區(qū)一些隱伏斷層的分布。

近年來，利用前期積累的大量的模擬地震波資料及日漸豐富的數(shù)字化地震波形數(shù)據(jù)，已經(jīng)有很多地震工作者對鄂爾多斯西南緣及其鄰區(qū)的地殼或上地幔Q值結(jié)構(gòu)進行了研究。比如：寧夏及鄰區(qū)、甘東南地區(qū)、渭河盆地和陜西地區(qū)[10-15]。以上研究所獲得的Q值結(jié)果大多為區(qū)域平均Q值結(jié)果，但對區(qū)域內(nèi)Q值分布的不均勻特征研究較少，并極少有討論Q值斷層的關(guān)系。在本研究中，將利用層析成像技術(shù)，通過剖面獲得鄂爾多斯西南緣Q值的垂向和橫向不均勻性，并探討其與斷層展布之間的關(guān)系。

1　Q值成像理論和計算方法

地震波位移譜可用下式表示：

2　資料選取和處理

本文研究區(qū)域的范圍（104o～111oE，33o～38oN）包括鄂爾多斯地塊以及其西南緣的祁連山加里東造山帶、秦嶺印支造山帶和渭河斷陷盆地帶（圖1）。研究區(qū)基本上位于中國版圖的正中心，其北部為青藏塊體東北緣與鄂爾多斯地塊的交匯區(qū)，南部為古生代和中生代的碰撞造山帶，南北兩側(cè)分別與揚子陸塊和華北陸塊相接，區(qū)內(nèi)活動斷裂帶分布密集且發(fā)育較好，構(gòu)造活動強烈。歷史上曾經(jīng)發(fā)生過多次6級以上破壞性地震，且現(xiàn)代中等地震活動也很頻繁。

本研究計算通過甘肅省地震局蘭州地震研究所張元生老師研發(fā)的3Dtomography軟件來實現(xiàn)[10-11]，地震目錄及震相報告來自于全國地震編目系統(tǒng)，所使用的地震波形數(shù)據(jù)由中國地震局地球物理研究所“國家測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心”提供[18]。抽取的數(shù)據(jù)包括由寧夏回族自治區(qū)、甘肅省和陜西省數(shù)字地震臺網(wǎng)的52個采樣率均為100Hz的基巖臺站的寬頻帶地震計所記錄的2529個地震的三分向波形記錄。地震數(shù)據(jù)起止時間為2009年1月至2015年11月，震級范圍為ML1.8～6.7，震中距小于800km。

對所選取的地震進行進一步挑選，首先，應用msdp軟件逐一打開地震事件，挑選出波形記錄清晰、信噪比較高且至少被3個臺站記錄到的地震波形，剔除余震，并核對地震報告，刪除記錄不清晰或誤差較大的震相，這樣共挑選出符合條件的有1847個地震事件的21018條Pg波到時數(shù)據(jù)。

考慮到傳統(tǒng)定位方法得到的地震深度數(shù)據(jù)不甚準確，在本研究中，在獲得研究區(qū)域三維速度結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，應用三維網(wǎng)格搜索法對上述挑選的地震事件進行重新定位（主要是對于深度的修正）[10,11,19]，最后共篩選出1820個地震事件的16156條Pg波到時數(shù)據(jù)，作為最終參與Q值反演的地震波數(shù)據(jù)資料（圖2-3）。因為本研究所選臺站均為基巖臺站，場地的放大倍數(shù)比較接近[20]，故在本文中場地響應項作簡化處理。

為了更好地討論Q值的橫向變化，本文將研究區(qū)劃分為0.5o×0.5o的等間距網(wǎng)格，采用crust 1.0作為計算三維Q值的初始速度模型，并通過插值運算，將其轉(zhuǎn)換成研究本區(qū)域三維Q值結(jié)構(gòu)的速度模型。在深度方向，采取不等間距的網(wǎng)格劃分，在研究區(qū)域的上部，即沉積層—上地殼，層間距為5km；在中部，即上地殼—中地殼，層間距為10km；在下部，即中地殼—自由界面，厚度為50km。

圖1　研究區(qū)大地構(gòu)造分區(qū)及其地理位置示意圖（副圖中框內(nèi)為研究區(qū)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值層析成像

為了深入剖析Q值與地震斷層在深部展布的關(guān)系，筆者在研究區(qū)切出了6條剖面（圖2），并分別作出了頻率在6Hz、8Hz、10Hz、12Hz、14Hz上的Q值隨深度變化的圖像（圖4-9）。由于本研究區(qū)地震深度基本上都在25km以內(nèi)，故本研究只給出0～25km深度范圍內(nèi)的Q值分布結(jié)果。可以看出，隨頻率升高Q值也逐漸增大，但是在各頻率點的Q值變化形態(tài)非常相似。

圖2　研究區(qū)臺站、地震、斷層及剖面分布圖Fig.2　 The distribution diagram of stations, earthquakes,faults and profiles in the study area

圖3　研究區(qū)地震臺站射線分布圖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全長173.6km，起始于甘肅靖遠，橫切海原斷裂（F6）、香山—天景山斷裂（F5）、煙筒山斷裂（F4）和羅山東麓斷裂（F2）四條斷裂帶，終點位于寧夏同心。發(fā)生在該剖面的地震主要在5～20km深度范圍內(nèi)分布。

Q值整體隨深度增加呈梯度上升趨勢。在橫向上，在28km下方的海原斷裂（F6）處，Q值發(fā)生突變，海原斷裂（F6）以西Q值顯示為高值狀態(tài)，以東其值則較低，之后隨著距離的增加，Q值慢慢升高；但是在90km下方的香山—天景山斷裂（F5）處，Q值又發(fā)生明顯的陡變現(xiàn)象，在香山—天景山斷裂（F5）以東，垂向Q值隨深度變化出現(xiàn)明顯的分層結(jié)構(gòu)，在深度18km以下呈現(xiàn)出一個高Q值隆起帶，以上則顯示出明顯的低Q值狀態(tài)，這與該區(qū)段地震隨深度分布情況比較一致，低Q值則地震分布比較密集（圖4）。

圖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全長221.7km，起點位于甘肅臨洮，穿過馬銜山斷裂（F10）、會寧—義崗斷裂（F9）、六盤山斷裂（F7）和云霧山斷裂（F8）四條斷裂帶，終點位于寧夏固原。發(fā)生在該剖面的地震主要集中在云霧山斷裂（F8）附近，且主要在10～25km深度范圍內(nèi)分布。

Q值在剖面的最南端出現(xiàn)高值，隨深度增加，此處Q值略有下降，但仍顯示出比較高的水平；在40km處，Q值出現(xiàn)橫向陡變；在40～120km區(qū)間范圍內(nèi)，基底以下自會寧—義崗斷裂（F9）處Q值出現(xiàn)一個高值隆起帶，在基底以上則呈現(xiàn)出低值狀態(tài)；再往東130～190km距離范圍內(nèi)Q值一直保持低值；直至剖面尾端處Q值又開始略微升高（圖5）。

圖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全長162km，起始于甘肅舟曲，終止于甘肅武山，其間穿過的斷裂帶有迭部—白龍江斷裂（F15）、光蓋山—迭山南麓斷裂（F14）、光蓋山—迭山北麓斷裂（F13）、臨潭—宕昌斷裂（F12）和西秦嶺北緣斷裂（F11）五條斷裂帶。該剖面內(nèi)地震在0～25km深度范圍均有散布，且在100～130km區(qū)段有一個地震密集區(qū)。

Q值在該剖面0～50km區(qū)段有一個垂向梯度變化帶，隨著深度增加，Q值也逐漸升高，且在15km左右深度，Q值表現(xiàn)出明顯的分層現(xiàn)象；在50km處的光蓋山—迭山北麓斷裂（F13）以北，在15km左右深度上方Q值突然由低變高，在此深度下方Q值則繼續(xù)保持著較高的水平；在100～130km區(qū)段，出現(xiàn)一個低Q值凹陷區(qū)，在此區(qū)域范圍內(nèi)地震分布比較密集，深度基本在5～25km范圍內(nèi)，故推測在100km處，或有一條隱伏斷層存在于中上地殼（圖6）。

3.4　P4剖面Q值分布特征

剖面P4全長211.7km，起始于甘肅武都，終止于甘肅甘谷，其間有5條斷裂帶穿過，分別是文縣斷裂（F16）、康縣北斷裂（F17）、成縣盆地北緣斷裂（F19）、禮縣—羅家堡斷裂（F21）和西秦嶺北緣斷裂（F11）。該剖面內(nèi)地震主要集中在5～25km深度范圍，且在180km處西秦嶺北緣斷裂（F11）地震比較密集。

Q值在剖面最南端的文縣斷裂（F16）的深部有一高Q值區(qū)；在康縣北斷裂（F17）、成縣盆地北緣斷裂（F19）和禮縣—羅家堡斷裂（F21）下方，Q值呈現(xiàn)出低值—高值—低值的變化趨勢，但這種趨勢變不是十分明顯；在西秦嶺北緣斷裂（F11）以北，在15km左右深度下方出現(xiàn)一個高Q值隆起區(qū)（圖7）。

圖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全長317.4km，自研究區(qū)最南端的甘肅康縣一直延伸至中部的寧夏彭陽，其間穿過的斷裂帶有：文縣斷裂（F16）、康縣北斷裂（F17）、成縣盆地南緣斷裂（F18）、成縣盆地北緣斷裂（F19）、麻河沿斷裂（F20）、西秦嶺北緣斷裂（F11）、隴縣—寶雞斷裂（F22）和云霧山斷裂（F8）。該剖面內(nèi)地震在0～25km深度范圍內(nèi)均有發(fā)生，且在云霧山斷裂（F8）附近有一個小震群出現(xiàn)。

Q值在該剖面上變化較大。0～35km段，Q值在垂向上表現(xiàn)出明顯的梯度變化；在60～220km段基底以下，以西秦嶺北緣斷裂（F11）為界出現(xiàn)兩個明顯的高值隆起帶，在此區(qū)段地震分布較少；在230～275km段出現(xiàn)一個低值條帶，經(jīng)過280km處的云霧山斷裂（F8）后Q值又呈現(xiàn)出比較高的水平。Q值在該剖面的分布表現(xiàn)出明顯的橫向不均勻性，且較劇烈的橫向梯度變化均是在斷層附近發(fā)生。地震分布也主要集中在低Q值地區(qū)或Q值變化較大的區(qū)域（圖8）。

圖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為一條沿著秦嶺北緣斷裂帶的近東西向展布的剖面，全長約509km。該剖面起始于甘肅漳縣，終止于陜西藍田，經(jīng)過的斷裂帶分別為：西秦嶺北緣斷裂（F11）、隴縣—寶雞斷裂（F22）、渭河北山山前斷裂 （F23）、扶風—禮泉斷裂（F24）、渭河斷裂（F26）、臨潼—長安斷裂（F38）和華山山前斷裂（F35）。該剖面內(nèi)地震主要集中在西秦嶺北緣斷裂（F11）附近，深度范圍主要為5～25km。

Q值在橫向上差異明顯，且變化比較劇烈。在剖面西端Q值變化比較劇烈。0～130km區(qū)段的西秦嶺北緣斷裂（F11）周緣為低Q值區(qū)，與該區(qū)段范圍內(nèi)存在密集的弱震分布相對應；在140～220km段為一高Q值條帶，顯示出該區(qū)穩(wěn)定的地下結(jié)構(gòu)；280～380km段出現(xiàn)一個高Q值隆起區(qū)；其余地區(qū)Q值變化較為緩慢（圖9）。

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

4　剖面Q值結(jié)果分析

從剖面Q值分布圖可以看出，Q值在斷裂帶兩側(cè)會出現(xiàn)明顯的差異，顯示出一定的橫向不均勻性。另外，Q值分布與地震深度分布有關(guān)，一般地，地震密集分布的深度范圍其Q值比較低，反之，則Q值較高。則可通過Q值在深度上存在的明顯陡變推測隱伏斷層在地下切割的深度范圍。

剖面P1的圖象結(jié)果顯示，在海原斷裂（F6）兩側(cè)，Q值表現(xiàn)出明顯的橫向變化，尤其在深部，變化更為劇烈，顯示出該斷裂帶切割較深，在其北側(cè)Q值較低，表明其內(nèi)部介質(zhì)比較破碎，著名的1920年海原大地震曾發(fā)生于此；其南側(cè)Q值較高，說明該區(qū)地殼構(gòu)造性質(zhì)相對比較穩(wěn)定。在香山—天景山斷裂（F5）兩側(cè)，Q值也出現(xiàn)明顯的陡變態(tài)勢，但這種變化只是在淺部0～15km發(fā)生，故此映射出此斷裂切割較淺。

剖面P2在0～40km下方的定西地區(qū)顯示出高Q值的狀態(tài)，該區(qū)以東基底以下Q值繼續(xù)保持高值狀態(tài)，大地電磁測深資料表明，該區(qū)的會寧、定西地區(qū)在地殼內(nèi)缺失低阻層，可將此地區(qū)地殼視為剛性地殼，完整性較好[8]；但基底以上卻轉(zhuǎn)變?yōu)榈椭禒顟B(tài)，顯現(xiàn)出一個低Q值的凹陷帶，推測在40km下方淺部或有一條隱伏斷層存在。

剖面P3整體Q值較低。在100km兩側(cè)，Q值在基底以上出現(xiàn)比較明顯的變化，且在其東部區(qū)域，存在一個地震密集帶，故推測在剖面100km下方有一條隱伏斷層存在于上地殼淺部。

剖面P4以西秦嶺北緣斷裂（F11）為界，表現(xiàn)出北高南低的態(tài)勢。其中，該斷裂以北地區(qū)磁場強度較小，介質(zhì)變化比較穩(wěn)定，且地殼內(nèi)缺失低阻層，為一較完整的地塊，故該區(qū)顯示出較高的Q值；斷裂以南地區(qū)Q值變化較小，且地震分布比較密集，1654年天水8級地震就發(fā)生在該地區(qū)的禮縣—羅家堡斷裂（F21），受大震影響，該區(qū)地殼介質(zhì)比較破碎，故Q值較低[8]。

P5剖面在其北端為一地震密集帶，該區(qū)段處于六盤山斷裂（F7）、云霧山斷裂（F8）和隴縣—寶雞斷裂帶（F22）三條地震活動斷裂帶的交匯區(qū)，歷史上也有多次大震發(fā)生于此，故而該區(qū)地殼介質(zhì)比較破碎，Q值較低；在西秦嶺北緣斷裂（F11）下方的天水地區(qū)，Q值在其基底以上為低值狀態(tài)，而基底以下則呈現(xiàn)高值隆起，這是因為該區(qū)低阻層僅存在于10km以上的地殼上部[8]，所以介質(zhì)強度較弱，孔隙較為發(fā)育，含水較多，造成基底以上Q值降低；而地殼中部沒有低阻層，故而地殼中部介質(zhì)性質(zhì)比較穩(wěn)定，Q值較高。

P6剖面在0～140km區(qū)段的岷縣及其附近地區(qū)顯示出低Q值狀態(tài)，而在140～220km下方的天水地區(qū)顯示有一高Q值條帶，且以140km為界，Q值從低值狀態(tài)突然變?yōu)楦咧禒顟B(tài)，因此推測在140km附近有一條隱伏斷層存在于中上地殼。在剖面東部為多個斷裂交匯地帶，故而地下介質(zhì)較為破碎，Q值較低，故而推測在220km附近的清水—徽縣一帶的中上地殼存在一條隱伏斷裂。

5　結(jié)論與討論

通過對研究區(qū)Q值進行剖面分析，可深刻地反映出Q值隨深度的變化；并可通過Q值在縱向和橫向的變化，驗證已知斷層在地下的發(fā)展規(guī)模及推測可能存在的隱伏斷層。在海原斷裂（F6）兩側(cè)，Q值表現(xiàn)出明顯的橫向變化，尤其在深部，變化更為劇烈，顯示出該斷裂帶切割較深；在香山—天景山斷裂（F5）兩側(cè)，Q值在0～15km深度出現(xiàn)明顯的陡變態(tài)勢，故此映射出此斷裂為一條淺部斷裂；會寧—義崗斷裂（F9）切割較深，Q值的橫向陡變發(fā)生在15km以下；岷縣地區(qū)地震分布密集，且在此區(qū)域內(nèi)存在一個低Q值凹陷帶，故推測在此區(qū)域有一條隱伏斷裂存在于中上地殼；另外，根據(jù)航磁資料發(fā)現(xiàn)在研究區(qū)存在西吉—清水斷裂，該斷裂規(guī)模較小[8]，本研究剖面結(jié)果則顯示該斷裂或可延伸至清水—徽縣一帶。

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