图1为冷龙岭地区重定位后的中小地震震中分布和沿不同投影剖面线的震源深度分布。从图1a可以看出,经双差定位后的地震集中、紧凑地分布在断裂带两侧区域。民乐—大马营断裂是一条以挤压逆冲为主的断裂,全新世以来相对稳定(国家地震局地质研究所,1993; 陈文彬,2003),近十年来该断裂几乎没有地震发生,地震空区现象明显。

冷龙岭断裂位于北祁连褶皱带内,其北侧为河西走廊过渡带,其南侧为中祁连隆起带,全长127 km,倾向NE向,倾角50°(何文贵等,2010)。该断裂1540年发生7.2级地震、1986年发生6.4级地震。2016年门源M_S6.4地震的余震主要分布于冷龙岭断裂北侧。由图1b可以看出,门源地震余震震源深度呈连续状态展布在5～15 km,倾向SW,这与梁姗姗等(2017)研究结果相近,与大地电磁揭示的冷龙岭断裂系统下方5 km深度开始出现SW向低阻体并向下延伸的结果对应(赵凌强等,2019)。

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,在该断裂的东、西两侧,地震活动呈现截然不同的特征。断裂西段以逆冲运动为主,东段以局部拉张运动为主,中段为高角度运动性质以右旋为主兼具正断性质。断裂东段为逆倾滑性质,属全新世活动段,垂直滑动速率为0.54～0.8 mm/a(陈文彬,2003),中段全新世以来有过明显活动,西段自晚更新世晚期以来活动已不明显。震中分布显示,重新定位后中小震主要分布在冷龙岭断裂、天桥沟—黄羊川断裂和武威—天祝断裂的包络区内,沿皇城—双塔断裂两侧分布,形成了一个NW走向的地震条带。皇城—双塔断裂西段(图1b)和东段(图1d)地震震源深度基本在15 km以内,倾向SW,浅部倾角较大,倾角随着震源深度增加逐渐变缓。皇城—双塔断裂中段存在一个高角度地震条带(图1c),震源深度明显大于西段和东段。

门源断裂是门源盆地与北侧冷龙岭山地的边界断裂,晚更新世晚期以来该断裂活动性质以左旋走滑为主,垂直活动不明显(马保起,李德文,2008)。本文中小地震重定位结果显示,近十年来门源断裂地震分布较少。

图1 重定位后震中分布(a)及沿不同投影剖面线的震源深度分布(b)、(c)、(d)
Fig.1 Epicenter distribution after relocation(a)and the focal depth distribution along projection profiles A-A'(b),B-B'(c),and C-C'(d)

图2是冷龙岭地区相对于鄂尔多斯块体的GPS速度场。由图中可以看出,研究区整体相对于鄂尔多斯块体往NE向运动,跨过冷龙岭断裂带向北,GPS速度矢量减小,且运动方向转为NNW向。图3是冷龙岭地区主应变率和剪应变率、

面应变率和主压应力分布图,图3b中背景色负值为挤压,正值为拉张。从图3a可以看出,冷龙岭地区的主应变率为NE向的挤压,与主压应力方向基本一致(图3b),自西向东顺时针旋转。冷龙岭地区剪应变率为(18～22)×10^-9/a,峰值处位于冷龙岭断裂北侧、皇城—双塔断裂以西以及民乐—大马营断裂东段,该区域处于各断裂的交汇区域,断裂活动性强。冷龙岭地区面应变率为(-20～-10)×10^-9/a,呈现出明显的挤压特征,主应变率表现为NE—SW向挤压和NW—SE向拉张。

图2 冷龙岭地区GPS速度场
Fig.2 GPS velocity field in Lenglongling area

图3 冷龙岭地区主应变率、剪应变率(a)以及面应变率、主压应力图(b)
Fig.3 Plots of principal strain rate and shear strain rate(a),plane strain rate and principal compressive stress(b)

1986年8月26日和2016年1月21日在冷龙岭断裂北侧发生了2次M_S6.4门源地震,2次地震的震中直线距离仅15 km左右。1986年门源M_S6.4地震震源机制解反映出断层具有明显的拉张倾滑分量(徐纪人等,1986),与区域整体近NE向的挤压动力环境相悖。由于当时观测条件的限制,这次地震震源机制解的结果不尽相同,兰州地震研究所科考报告给出的震源机制解为NW向逆倾滑破裂; 而2016年门源M_S6.4地震的震源机制解表明发震断层走向为NW—NNW向,是纯逆冲型地震。2次门源地震皆发生在冷龙岭断裂带西北侧的次级断层上:1986年的地震发生在分支断裂的西段,2016年的地震发生在分支断裂的中段,破裂逐步向东传播,2次地震均没有产生大规模的地表破裂。这2次地震的发震断层走向与断层破裂所揭示的断层力学特征对比非常明显,且都区别于冷龙岭断裂带的左旋走滑运动性质。

为了更深入了解这2次地震发震构造的区别,还需要结合深部地球物理学资料。冷龙岭地区南北两侧存在明显的重力梯度异常现象(姜文亮,2018),北部的阿拉善块体和东部的鄂尔多斯块体表现为大范围重力高异常,这反映了莫霍面埋藏较浅、岩石圈密度较高,这两个地块为相对完整致密的刚性块体。青藏高原东北缘具有大范围重力低异常特征,这反映了莫霍面较深、岩石圈密度较低。冷龙岭地区在青藏高原NE向挤压应力下,地壳发生强烈缩短、增厚与褶曲变形。李晓姝(2020)通过多尺度层析成像反演技术获取了祁连山地区地壳及上地幔顶部的速度结构,发现冷龙岭地区中上地壳速度结构存在强烈的不均一性和差异性。在102°E附近地区,10 km深度速度切片显示出明显的东西两侧的速度差异带; 20 km深度速度切片显示,冷龙岭地区相对于南侧地区存在明显的高速异常。赵凌强等(2019)利用大地电磁技术获取了冷龙岭断裂及邻区的二维电性结构图,显示冷龙岭断裂存在明显的高角度SW倾向电性分界带特征。2016年门源M_S6.4地震震源区下存在较宽的SW向低阻体,断裂南部为中低阻混合构造带。冷龙岭断裂带及北部祁连山区域均表现为完整的不易变形的高阻结构。

已有的地质和地球物理研究结果均表明冷龙岭地区南北两侧存在显著的不均一性和差异性。冷龙岭地区多条断裂交汇错杂,在青藏高原东北缘NE向挤压作用下,这些断裂同时受到北侧完整的高阻结构的阻挡作用,地表浅层断裂与地下深处的剪切走滑活动断裂之间有密切关系,断层不同构造部位的应力应变也显著不同,再加上该区域南北两侧中下地壳深部构造结构的不均一性和差异性,促使冷龙岭断裂北侧区域中下地壳介质处于一种强烈的挤压变形构造环境中,这种环境促进了冷龙岭断裂北侧区域地震的蠕动、滑移和发生。这种动力学环境可能是门源M_S6.4地震发生的主要原因。

本文中小地震重定位结果显示,近十年来,民乐—大马营断裂几乎没有地震分布(图1a),地震空区现象明显,而地质研究认为民乐—大马营断裂全新世以来相对稳定(国家地震局地质研究所,1993)。皇城—双塔断裂西段和东段地震基本上发生在地下15 km以内,倾向SW,浅部倾角较大,随着震源深度增加倾角逐渐变缓,而断裂中段存在一个近乎垂直的地震条带,震源深度明显大于西段和东段。皇城—双塔断裂构造位置特殊,断裂交汇错杂,南侧为逆—走滑性质的冷龙岭断裂,东侧为挤压—逆冲兼走滑性质的武威—天祝隐伏断裂。在青藏块体NE向推挤的动力作用下,同时受到周围不同构造特征断裂和深部介质结构差异的影响,这可能是皇城—双塔断裂西段、东段和中段地震分布特征不同的原因。

冷龙岭断裂位于祁连—海原断裂带中西段,对于其滑动速率一直存在较大的争议,已有研究结果给出的滑动速率为2～19 mm/a(Gaudemer et al,1995; Lasserre et al,2002; 何文贵等,2000,2010; Zheng et al,2013; 郭鹏等,2017)。本文利用反正切法计算获得冷龙岭断裂现今滑动速率约为3.9 mm/a(图4),与Zheng 等(2017)研究结果相近。此外,冷龙岭断裂的闭锁深度约为7.9 km(图4),该断裂的最新一期事件的离逝时间为498 a(Guo et al,2019),估算得到该断裂存在M₀=7.21×10¹⁹ N?m的地震矩亏损,表明冷龙岭断裂未来存在发生M_W7.2地震的危险性。

图4 冷龙岭断裂GPS速度剖面图
Fig.4 GPS velocity profiles across the Lenglongling Fault