依兰—伊通断裂带是划分中蒙和中朝两个活动地块的重要边界断裂,属于广义郯庐断裂的北延部分(邓起东等,2003)。该断裂经过地区人口密度较大、工业发达,是我国东三省最重要的经济发展区域,因此对于该断裂及邻近地区的地震风险性研究具有较重要的现实意义。

迄今为止,依兰—伊通断裂带上所记录到的最大地震为 1963年黑龙江省萝北M_S5.8地震,因此,传统观点认为该断裂不具有强活动性,不具备强震构造背景,其抗震设防水准和参数较低,仅Ⅵ度设防。进入21世纪,荆凤等(2006)利用遥感数据结合DEM数据发现依兰—伊通断裂带除发生垂直升降运动外还发生过强烈的侧向挤压; 闵伟等(2011)基于高分辨率卫星影像解译和探槽古地震研究,首次在吉林省境内舒兰段发现该断裂断错的最新地层年龄距今约1 780 a,地表破裂长度逾10 km,相当于发生了一次M≥7地震。这些研究成果表明:依兰—伊通断裂带的部分段落在全新世有过强烈活动,该结果改变了人们对该断裂“不活动或弱活动”的传统认识,引起了国内外同行的高度关注。此后,国内一些学者围绕依兰—伊通断裂带的活动构造与地震地质工作开展了更为深入的调查研究(Min et al,2013; 疏鹏等,2014; Zhu et al,2015; 余中元等,2016; Gu et al,2016,2017; Yu et al,2017,2018),发现该断裂带的大部分段落在晚第四纪以来构造变形强烈,地表断续发育且保存有明显的破裂遗迹和地貌变形特征,古地震活动呈现出明显的丛集特征。以舒兰段为例,在晚第四纪期间发生过多次强烈古地震事件(M≥7),具备强震的孕震能力和构造背景,且呈现出明显的分段活动特征。

目前在依兰—伊通断裂带的研究主要为高分辨率卫星影像解译、断错微地貌测量和测年以及开挖古地震探槽等方面,尚缺少有关断裂深部精细结构方面的研究工作。该断裂由于长期受植被影响,伊通地区地质体出头较少,给野外地质调查带来了诸多困难。而大地电磁法所获岩石圈尺度的电性结构信息能够为地块单元的划分提供依据,是探测断裂带深部延展特点的一种重要深部地球物理方法(Zhao et al,2012; Cai et al,2017; 詹艳等,2021)。鉴于此,2021年,我们穿过依兰—伊通断裂带舒兰段布设了一条长约70 km的高密度、宽频带大地电磁剖面,并对剖面所获数据进行了精细化处理和二维反演,获得了该断裂及其两侧地块的深部电性结构特征。

在对剖面上所有数据进行张量分解定性分析之后,需要对剖面上所有数据进行反演计算。在分析二维偏离度角|β|时认为沿剖面符合二维假设条件,所以我们将对整条剖面进行二维反演计算。本文确定的沿剖面的电性优势走向方向为北偏东45°,二维反演计算时将该剖面所有的测点旋转至优势走向方向,获得了TE和TM模式的数据,将这2类数据作为输入数据。在计算前,需要删除游离的飞点,还需要进行一维拟合分析,删除无法一维拟合的部分频点。

结合蔡军涛和陈小斌(2010)关于二维反演结果的研究,认为TM模式的视电阻率和相位数据更能代表真实的地下结果。所以在二维反演计算中,通过使用不同的门槛误差方式来调节不同的数据权重,尽可能地使用TM模式数据。在实际操作中,将TM和TE模式数据的门槛误差分别设置为2%和5%。本文使用非线性共轭梯度法(NLCG)的算法程序进行二维反演计算,结合研究区的实际电阻率值分布特点,确定初始模型为100 Ω·m电阻率的均匀半空间。在二维反演计算中,通过使用不同的正则化因子(Tau)进行多次反演计算并进行对比分析,最后选用Tau=10的反演结果作为最终解释结果,总迭代次数共72次。图4中两种极化模式实测和响应对比显示,本次反演计算拟合情况较好,表明反演结果较为理想,能够较好地反映地下实际的介质分布特征。

图4 TE(a)和TM(b)极化模式实测和响应对比图
Fig.4 Comparison of the measured values and the calculated values obtained by TE polarization mode(a)and TM polarization mode(b)

沿剖面60 km深度的二维电性结构图像和解译如图5所示,图中标注了依兰—伊通断裂带舒兰段的实际位置及其在地下可能的分布情况。

如图5所示,整体上看,研究区表现出明显的东西横向分块的特点,在电性差异最大的区域正好对应着依兰—伊通断裂的穿过位置,其中松辽盆地和那单哈达岭地体以高阻体为主,依兰—伊通断裂带穿过位置以中低阻结构为主,将其分别标注为R1,R2和C。其中松辽盆地浅部存在着约1～2 km深的低阻层,呈明显的层状分布,向东延伸至依兰—伊通断裂带附近截止。结合野外实际观测,我们推测这些低阻层是新生代沉积层较厚所致,与二维偏离度角|β|显示的该区域浅表为一维或者二维层状结构相对应。研究区东侧的那单哈达岭地块浅部存在类似的高阻层,与该地区基岩出露的现象相对应。松辽盆地浅层低阻之下存在着延伸超过40 km的高阻基地(R1),该深度可能超过了莫霍面,这表明松辽盆地下方构造相对稳定。研究区东侧的那单哈达岭地块自浅表至中下地壳也表现为较为完整的高阻体,且呈现出西浅东深的铲向高阻体特点。高阻层之下以中低阻结构为主,该中低阻结构延伸至依兰—伊通断裂下方,并向上延伸至5 km深度。

如上所述,松辽盆地和那单哈达岭地块的电性构造特征差异较大,显示出这两个地块可能分属不同的构造单元,图5中显示的分布特征也表明依兰—伊通断裂带舒兰段是一条切割地壳尺度的深大断裂。为了确定该断裂段的具体位置,我们在该区域进行了加密观测,确定出该断裂段的准确位置位于SLL1-08A测点附近,这与地震地质调查认为的断裂可能穿过区域相吻合(图1)。该断裂表现为宽度约为5 km的中低阻结构,向下延伸至莫霍面,表明该断裂可能贯穿了整个地壳尺度。依兰—伊通断裂带舒兰段整体特点为断裂以较窄的中低阻结构夹在东西两侧高阻体之中,高阻体更容易累积构造应力,中低阻结构易于发生塑性变形,呈现出极为不稳定的构造特点。结合中国大陆其他容易发生大地震的活动断裂区的大地电磁探测结果(Zhao et al,2012; Cai et al,2017; 赵凌强等,2019,2020,2022a,b; 詹艳等,2021; 操聪等,2022),推测依兰—伊通断裂带舒兰段主断裂这种分布特点不但有利于应力累积,还可能在长期的摩擦锁定期内,进一步促进地震的发生。

图5 深部电性结构图和解译图
Fig.5 Deep electrical structure and interpretation of profile along the Shulan section of the Yilan-Yitong fault zone

本文对一条在穿过依兰—伊通断裂带舒兰段的大地电磁剖面上获取到的数据进行了精细化处理和二维反演,获得了该断裂带及其两侧地块的深部电性结构特征,得出以下主要结论:

(1)电性结构模型显示,大致以依兰—伊通断裂带为分界,断裂带两侧的松辽盆地和那单哈达岭地块表现为两种不同的电性结构特征:断裂西侧的松辽盆地浅部电性表现为低阻,层状分布明显,中下部电性表现为高阻体; 东侧的那单哈达岭地块表现为自西向东由浅至深的铲状高阻体,这种电性结构特征可能指示这两个地块分属不同的构造单元。

(2)依兰—伊通断裂带舒兰段为向下延伸至莫霍面的低阻结构,呈现出高低阻梯度带的特征,强度较大易于应力积累,发生运动变形。结合中国大陆其他活动断裂区的大地电磁探测结果,未来需要注意其地震孕育的风险。