贺兰山-银川盆地三维深部电...结构特征及其地球动力学意义_赵凌强.pdf

贺兰山-银川盆地三维深部电性结构特征及其地球动力学意义赵凌强1,2,3,孙翔宇1,2,詹艳1,2*,韩静1,2,杨海波1,2,王培杰1,2,刘雪华1,21.地震动力学国家重点实验室,中国地震局地质研究所,北京 100029;2.西藏拉萨地球物理国家野外科学观测研究站,拉萨 850004;3.中国地震局第二监测中心,西安 710043*通讯作者,E-mail: 共同第一作者收稿日期:2022-01-19;收修改稿日期:2022-08-05;接受日期:2022-09-26;网络版发表日期:2023-02-08国家重点研发计划项目(编号:2018YFC1504103)和国家自然科学基金面上项目(批准号:41474057)资助摘要贺兰山-银川盆地位于阿拉善地块和鄂尔多斯地块相接触的南北地震带北段,构成了中国大陆典型的正断型盆山构造,1739年在该盆山构造的银川断陷盆地内曾发生过平罗8级强震.文章使用5条完全覆盖贺兰山-银川盆地不同区段的大地电磁剖面数据进行联合三维反演计算,获得了全区域的地壳上地幔尺度精细三维电性结构信息,结果表明:贺兰山-银川盆地及其邻近区域内各主要地块间的电性结构特征存在着东西横向分块的特点,黄河断裂与贺兰山东麓断裂在东西两侧以电性边界带的形态分割了鄂尔多斯地块、银川盆地和贺兰山.两个主要地块单元阿拉善地块和鄂尔多斯地块显示为明显的层状电阻率结构样式,贺兰山和银川盆地表现为典型的山脉高阻体和盆地低阻体的盆山构造特征,其中银川盆地北部存在着延伸至上地幔的大规模低阻结构,该低阻结构可能代表着幔源物质上涌活动.结合近期三维地壳运动场信息等资料,推测贺兰山-银川盆地系统是在区域拉张作用下形成的活动构造带,它的形成除了受青藏高原、阿拉善和鄂尔多斯三个地块的互相作用影响之外,还主要受银川盆地下方异常地幔活动控制,是深部地幔热物质底侵伴随重力作用的上涌分流以及区域构造应力再分配等联合作用在地表的反映,这可能是引起1739年平罗8级地震发生的主要动力学原因.关键词贺兰山,银川盆地,大地电磁,三维电性结构,1739年平罗地震1引言造山带和盆地作为大陆地质中最为基本的构造单元,在形成和时空演化上具有密切的关系.新生代以来在鄂尔多斯地块和阿拉善地块接触区发生了贺兰山的快速隆升及银川盆地的快速沉降(赵红格等,2007),形成了鄂尔多斯地块周缘地貌差异最为剧烈的构造区之一,山脊相对于盆地的高差达到2000m以上,是中国最为典型的盆山构造区(张岳桥等,2006).有关该盆山构造区所在的鄂尔多斯周缘断陷带的形成机制目前还存中文引用格式:赵凌强,孙翔宇,詹艳,韩静,杨海波,王培杰,刘雪华.2023.贺兰山-银川盆地三维深部电性结构特征及其地球动力学意义.中国科学:地球科学,53(3):481496,doi:10.1360/SSTe-2022-0025英文引用格式:Zhao L,Sun X,Zhan Y,Han J,Yang H,Wang P,Liu X.2023.Characteristics of the three-dimensional deep electrical structure in the HelanMountains-Yinchuan Basin and its geodynamic implications.Science China Earth Sciences,66(3):505520,https:/doi.org/10.1007/s11430-022-1014-y 2023 中国科学杂志社中国科学:地球科学2023 年第 53 卷第 3 期:481 496SCIENTIA SINICA T论 文在较多争议,如高原向外生长驱动或太平洋板块俯冲驱动等(Northrup等,1995;Zhang等,1998;Lei和Zhao,2016;Zhang等,2020;吴建平等,2022).贺兰山-银川盆地也位于中国地震活动最为频繁的南北地震带北段,构造运动受青藏高原、阿拉善地块和鄂尔多斯地块三个地块共同作用(图1a).其中青藏高原作为地球上新生代以来变形最为剧烈的地区,构造运动极其活跃,而位于青藏高原地块东北侧的阿拉善地块和鄂尔多斯地块长期以来构造活动相对较弱(邓起东等,2002).地质调查(邓起东等,2003)表明,贺兰山-银川盆地与其南部的海原弧形构造带形成了属性截然不同的断裂属性.海原弧形构造带形成了以数条左旋走滑与端部逆冲断裂组成的弧形构造带,而贺兰山-银川盆地在地质历史上经历了多次拉张和闭合构造演化,形成了数条正断裂控制且兼具右旋活动性质的盆山构造(雷启云等,2016)(图1).贺兰山-银川盆地与海原弧形构造带同处于青藏高原、阿拉善地块和鄂尔多斯地块三个主要地块接触区却形成了不同运动性质的断裂体系,除了区域动力环境存在显著差别之外,两个构造带不同的形成机制可能还存在着其内部原因,这需要详细的深部地球物理资料来揭示.贺兰山-银川盆地内发育有黄河断裂、银川断裂、芦花台断裂、贺兰山东麓断裂和贺兰山西麓断裂等主要活动断裂.该地区历史上曾发生多次地震,其中包括1739年在银川市平罗县附近发生的8级强震,这是一次正断层引起的破坏性地震.研究该地震的发震构造对认识贺兰山-银川盆地内孕震环境和地震危险性具有重要意义,也对研究由正断层活动引起的地震活动以及地震危险区的工程抗震设防具有借鉴作用.对于该地震的相关科学问题争论较大,主要体现在该地震是由贺兰山东麓断裂、银川断裂以及黄河断裂中的某单一断裂作用还是多条断裂共同作用还存在着明显争议(白铭学和焦德成,2005;柴炽章等,2011;Lin等,2013;雷启云等,2015;包国栋等,2019).目前,陈一方等(2020)依据地震学研究成果厘定出了贺兰山-银川盆地精细的莫霍面分布状态,并发现阿拉善地块与鄂尔多斯地块显示出截然不同的莫霍面分布特点.两条深地震反射剖面(剖面位置见图1b中P1和P2)(酆少英等,2011;黄兴富等,2016;刘保金等,2017)穿过贺兰山-银川盆地核心区,揭示出了银川盆地内部的几条断裂共同组成了“负花状”的构造样式.王帅军等(2019)构建了穿过贺兰山-银川盆地剖面的二维地壳速度结构模型,发现贺兰山造山带和银川盆地地壳结构呈现“隆凹”起伏变化.这些已完成的地震学资料具有较高质量的纵向分辨率和较大尺度的探测深度,然而由于施工成本高,已进行的研究主要是以单条剖面探测方式为主,所获结果存在着一定局限性,也没有涉及1739年平罗8级地震的孕震环境.常利军等(2011)在总结鄂尔多斯块体及周缘上地幔各向异性特征时发现贺兰山-银川盆地区域的各向异性的快波方向为NW-SE方向,这与地壳各向异性的快波方向基本上和活动断裂走向一致的规律矛盾.吴建平等(2022)整合了China-Array项目中在鄂尔多斯地块及邻区600多个台站的地震数据,地震台站距离平均30km,获得了鄂尔多斯地块及周边地区的地壳上地幔大尺度的三维S波速度结构,提出了青藏高原地幔热物质向外扩张和华北克拉通上地幔热上升流是导致鄂尔多斯地块岩石圈减薄的主要原因.数值模拟表明,稳定的鄂尔多斯地块横向上的水平运动具有良好的整体性(陈小斌等,2011).这些研究聚焦于鄂尔多斯地块整体性构造变形,没有过多涉及鄂尔多斯周缘一系列断陷盆地的形成机制和精细结构的讨论.大地电磁探测技术作为一种有效的深部地球物理探测方法,由于其对低阻体敏感,野外作业方便,勘探费用相对较低的特点,得到了广泛的应用(Bai等,2010;Zhao等,2012;Xiao等,2017;赵凌强等,2019;底青云等,2021).前人在鄂尔多斯地块及其周缘地区已经完成了多条大地电磁探测剖面,结果发现鄂尔多斯地块属于稳定的地块单元,并揭示出了鄂尔多斯地块与周边地块的接触关系(赵国泽等,2004,2010;Dong等,2014;詹艳等,2017;李晨晶等,2017;许林斌等,2017;Han等,2022).已完成的结果主要是涉及鄂尔多斯地块与青藏高原地块接触区的六盘山挤压构造区(赵国泽等,2004;詹艳等,2017),鄂尔多斯地块与阿拉善地块接触区(王鑫等,2010;Han等,2022),以及鄂尔多斯地块与阴山构造带接触区等(李晨晶等,2017;许林斌等,2017).这些结果也普遍以单条剖面的二维反演结果为主.近些年来,随着数值方法不断成熟和超级计算机的应用,大地电磁三维反演算法日趋实用化(殷长春等,2020),大尺度面积状的大地电磁三维反演技术开始广泛应用于各种大地电磁探测的实际研究之中(Siripunvaraporn等,2005;Egbert和Kelbert,2012;Kelbert等,2014;Dong等,2014;Sun等,赵凌强等:贺兰山-银川盆地三维深部电性结构特征及其地球动力学意义4822019,2020;胡祥云等,2020;李世文等,2020;Zhao等,2022;唐裕等,2021).通过详细的三维面状深部地球物理探测方法可以系统揭示贺兰山-银川盆地内部及其两侧地块间不同区段的接触关系和多条断裂的深部延展特征,不但有助于理解研究区各主要地块之间的相互作用关系,还可以探讨贺兰山和银川盆地的正断型盆山构造形成机制和深部动力学背景,也可以探索1739年平罗8级地震的发震构造和孕震环境等科学问题,还能为鄂尔多斯地块周缘断陷盆地的演化过程提供一定的启示.本文在国家重点研发计划项目的资助下,跨过贺兰山和银川盆地采集了4条宽频带大地电磁剖面(YCL4、YCL3、YCL2、YCL1),收集了早期完成的剖面(HYFN)(王鑫等,2010),基于这5条剖面获得了完全覆盖贺兰山-银川盆地不同区段的大地电磁数据.2区域构造和大地电磁探测研究区位于阿拉善地块和鄂尔多斯地块接触区(见图1a),核心区是由贺兰山与银川盆地构成的典型盆山构造(见图1b黑色虚线方框).其中贺兰山西部发育的贺兰山西麓断裂为全新世活动的断裂,是三关口-牛首山断裂的北延部分,雷启云等(2016)研究表明该断裂代表着青藏高原北东向作用的最前缘,以右旋走滑运动为主,是贺兰山与阿拉善地块之间的分界断裂.贺兰山东部发育有分割银川盆地和贺兰山的贺兰山东麓断裂(Zhang等,2020),地震学资料(酆少英等,2011;黄兴富等,2016;刘保金等,2017)揭示出该断裂与芦花台断裂、银川断裂,以及黄河断裂共同组成了银川盆地内部正断型断裂系统.黄河断裂是银川盆地与鄂尔多斯地块的分界断裂,芦花台断裂为晚更新世以来不图 1研究区区域位置(a)及贺兰山-银川盆地地貌与大地电磁测点位置图(b)(a)中白色箭头代表下地壳流模型图(Clark和Royden,2000),黑色箭头代表鄂尔多斯地块逆时针旋转方向.(b)中红色箭头代表研究区区域应力分布(张岳桥等,2006),断裂分布引自雷启云等(2016);黑色虚线方框为贺兰山-银川盆地核心区.AB,阿拉善地块;HLM,贺兰山;YCB,银川盆地;OB,鄂尔多斯地块;TP,青藏高原;F1,贺兰山西麓断裂;F2,贺兰山东麓断裂;F3,芦花台断裂;F4,银川断裂;F5,黄河断裂;F6,正谊关断裂;F7,乌海断裂;F8,巴彦乌拉山断裂;F9,三关口-牛首山断裂;地震探测剖面P1(刘保金等,2017)、地震探测剖面P2(酆少英等,2011;黄兴富等,2016)中国科学:地球科学2023 年第 53 卷第 3 期483活动的隐伏活动正断裂,其东侧的银川断裂为隐伏活动正断裂.此外,在贺兰山北侧还存在近东西走向的新生代重新活化的正谊关走滑断裂,以及巴彦乌拉山断裂等(邓起东等,2003;王银等,2007;雷启云等,2016).图1b显示了研究中使用的5条大地电磁剖面的位置,剖面自北向南为YCL4、YCL3、YCL2、YCL1和HYFN.新采集的4条剖面方向约为NW60,基本上垂直于贺兰山-银川盆地,西北起于阿拉善地块的腾格里沙漠,穿过贺兰山-银川盆地核心区,东南止于鄂尔多斯地块内部的鄂托克前旗附近,依次跨过贺兰山西麓断裂、贺兰山东麓断裂、芦花台断裂、银川断裂和黄河断裂.其中YCL3剖面最长,约3