引用本文
赵凌强, 詹艳, 周本刚, 孙翔宇, 陈小斌, 杨皓. 1631年常德历史地震区深部结构的大地电磁探测研究[J]. 地震地质, 2018,40(1): 155-170.
ZHAO Ling-qiang, ZHAN Yan, ZHOU Ben-gang, SUN Xiang-yu, CHEN Xiao-bin, YANG Hao. DEEP STRUCTURE BENEATH THE 1631 CHANGDE,HUNAN M6 EARTHQUAKE AREA DERIVED FROM MAGNETOTELLURIC SOUNDING [J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2018,40(1): 155-170.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2018.01.012
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1631年常德历史地震区深部结构的大地电磁探测研究
赵凌强1,2, 詹艳1, 周本刚3,*, 孙翔宇1, 陈小斌1, 杨皓1
1中国地震局地质研究所, 地震动力学国家重点实验室, 北京 100029
2中国地震局第二监测中心, 西安 710043
3中国地震局地质研究所, 活动构造与火山重点实验室, 北京 100029
*通讯作者: 周本刚, 男, 研究员, E-mail:zhoubg@ies.ac.ccn。

〔作者简介〕 赵凌强, 男, 1988年生, 中国地震局地质研究所在读博士研究生, 研究方向为大地电磁数据处理与解释, E-mail: zhaolingqiang0926@126.com。

收稿日期: 2017-11-03
基金项目: 大型先进压水堆核电站国家科技重大专项(2011ZX06002-010)与国家自然科学基金(41474057)共同资助
摘要

1631年在湖南省常德市以北约10km的太阳山凸起区发生的 63/4级地震是华南地块内部影响范围最大的1次破坏性地震; 随着常德市经济社会发展和城区规模的扩大, 需要进一步探查该次历史地震区的深部孕震环境和发震构造。2014年跨过太阳山凸起沿3条剖面开展了76个测点的大地电磁观测, 资料处理采用了远参考道、 “Robust”、 阻抗张量分解等技术。依据3条剖面的二维反演结果, 结合其他地质与地球物理资料对深部电性结构特征等进行了解译。3条剖面的结果揭示了研究区内主要断层的纵向延展状况和各构造单元的深部结构特征: 研究区规模最大的肖伍铺断层表现为明显陡立略向SE倾斜的电性变化带, 发育深度可达十几km; 拾柴坡断层为向W倾斜的低阻带, 延展深度约5km; 澧县凹陷、 洞庭湖沉降区自浅部至十几km深度具有稳定成层结构, 电阻率值较低, 对应于该区广泛发育的白垩系和新生界, 而两者之间的太阳山凸起自浅表至20km深度均表现为高阻特征, 高阻体范围在太阳山凸起的中段横向分布最宽, 太阳山凸起和洞庭湖沉降区接触边界自南向北具有明显的分段性。 通过大地电磁探测结果推断肖伍铺断层为1631年常德 63/4级地震发震断层, 震源区附近表现出高、 低阻电性过渡带的特征, 震源位于高、 低阻介质接触区且偏向于高阻体内, 断层附近低阻解耦作用的存在是该地区孕育地震的深部条件。 太阳山凸起位于江汉-洞庭湖断陷盆地的西南隅, 是江汉-洞庭湖盆地第四纪断块差异升降活动最剧烈和构造地貌反差最强烈的地区, 这是该区发生中强地震的外在动力。

关键词: 大地电磁; 1631年常德地震; 太阳山凸起; 肖伍铺断层
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2018)01-0155-16
DEEP STRUCTURE BENEATH THE 1631 CHANGDE,HUNAN M6 EARTHQUAKE AREA DERIVED FROM MAGNETOTELLURIC SOUNDING
ZHAO Ling-qiang1,2, ZHAN Yan1, ZHOU Ben-gang3, SUN Xiang-yu1, CHEN Xiao-bin1, YANG Hao1
1 State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
2 The Second Monitoring and Application Center, China Earthquake Administration, Xi'an 710043, China
3 Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano, Institute of Geology, China Earthquake Administration,Beijing 100029, China
Abstract

In 1631, an earthquake of MS63/4 occurred in the Taiyangshan uplift about 10km north of Changde City, Hunan Province, which is the largest destructive temblor documented in history of South China. With the economic and social development of Changde City and the expansion of the urban, it is necessary to conduct assessment of seismic hazard, including probing the deep structure beneath the region around this historical event. To this end, three magnetotelluric(MT)profiles have been carried out across the Taiyangshan area with 76 sites in 2014. Remote reference, “robust”, and phase tensor decomposition techniques were used to process the acquired MT data, and the NLCG two-dimensional inversion was made to image the deep electrical structure in combination with relevant geological and geophysical data available. The images of 3 MT profiles permit to delineate the deep extension of major faults and the deep structural features of the tectonic units in the study area. The largest fault, the Xiaowupu fault shows a steep southwest-dipping with extension of tens of kilometers from the surface to the subsurface. The Shichaipo Fault presents a low-resistivity body around a depth of about 5km. The Huanxian and Dongting Lake Basins show a low-resistivity characteristic from the ground to a depth more than 10km, good-electricity layering, meaning tectonic stability, and corresponding to extensive Cretaceous and Cenozoic strata. The electrical structure of Taiyangshan uplift overall presents a high-resistivity characteristic from the surface to a depth of about 20km, which is the widest in the central Taiyang Mountains. The deep electrical structure of 3 profiles together reveal that the contact between the Dongting Lake Basin and Taiyang Mountains is obviously segmented in NS direction. It is inferred that the Xiaowupu fault is probably the causative feature of the 1631 Changde MS63/4 earthquake. The deep electrical structure nearby the epicenter appears to be complex with alternating high and low resistivity, and the epicenter is located in the high resistivity zone. The low-resistance decoupling in proximity of the fault is likely responsible for the earthquake generation. The Taiyangshan uplift resides in the southwest corner of the Jianghan-Dongtinghu Basin, where differential up and down activity during Quaternary was most intense resulting in big landform contrast, forming the tectonic setting of medium-sized earthquakes in this region.

Keyword: Magnetotelluric; 1631 Changde earthquake; Taiyangshan Mountains; Xiaowupu fault
0 引言

1631年8月14日, 湖南省常德市以北太阳山地区发生的 63/4级地震是华南地块内部影响范围最大的1次破坏性地震, 波及到湖南、 湖北、 江西、 贵州、 安徽5省所辖70余县, 地震极震区烈度为Ⅷ 度, 等震线长轴方向为NNE(国家地震局震害防御司, 1995)。 同年11月在原地发生1次5.0级强余震; 1906年8月16日在肖伍铺乡以南区域还发生过5.0级地震(沈得秀, 2007; 沈得秀等, 2008)。迄今为止, 大家对1631年常德 63/4级地震的精确震中位置意见颇不一致, 一般认为震中位于太阳山附近, 沈得秀(2007)、 沈得秀等(2008)研究认为该次地震的发震构造可能与太阳山地区的肖伍铺断层有关, 震中位置基本确定在29.1° ~29.2° N, 111.7° ~111.8° E的区域。该次地震属于历史地震, 太阳山地区人文环境复杂, 第四系大片掩盖, 露头较少, 给地表地质观察研究工作带来了极大的困难; 而此地区又缺乏针对性的地球物理探测资料, 人们对于该次地震的认识和了解还远远不够。大地震的重灾带和破裂带都集中在它们各自的发震断层沿线及其附近地带, 其发震位置、 震后重灾带和破裂带的空间分布很大程度上取决于发震断层的几何结构特征; 对具有发震能力的活动断层的空间位置进行探查, 有可能避让活动断层从而减轻地震造成的危害(邓起东等, 2002; 徐锡伟等, 2002)。常德地震区的孕震环境和太阳山地区的断层分布、 深部延展情况以及今后是否还会出现破坏性地震等都是人们关注和担心的问题。因此, 有必要使用地球物理方法, 开展深部构造条件的探测研究, 以更加合理地解释该地区的地震构造背景。

大地震的发生是断层整体滑动失稳的结果, 断层由深部向上扩展的过程中需要1个解耦层为断层的整体错动提供条件。 Ma等(1996)认为地壳中强度相对较低的 “ 弱” 低阻低速流体可以提供这种解耦作用, 流体的存在和运移可以引起地壳内部和断层带内的电导率值大幅度增加; 大地电磁测深法对地壳内的岩体电导率反应灵敏、 分辨力高(陈乐寿等, 1990)。1982年日本学者利用大地电磁方法探测研究得到1个与活动断层结构密切相关的低阻异常带(Electromagnetic Research Group for the Active Fault, 1982); 在圣安德列斯断裂带地震区通过大地电磁观测也发现断层西侧存在着上地幔涌出的流体低阻层引起断层内部的电阻率显著变化(Unsworth et al., 1997; Michael Becken, et al., 2011)。在中国, 詹艳等(2004, 2005, 2008)在青藏高原东北缘强震活动区的大地电磁探测中发现, 西海原-海原-六盘山活动断层带的分段活动性和不同尺度破裂的原因, 与断层带不同深部的电性结构和介质物性有密切关系; 王绪本等(2009)、 Zhao等(2012)、 詹艳等(2013)在青藏高原东缘地区的松潘-甘孜地块及其龙门山地区也开展了大地电磁探测研究, 揭示了在松潘-甘孜地块至龙门山附近中下地壳存在的壳内低阻层与2008年 “ 汶川地震” 和2010年 “ 芦山地震” 的发生存在着关联; 赵凌强等(2015)通过横穿2013年岷县漳县地震区的大地电磁剖面发现, 岷县漳县地震震源区特殊的高、 低阻接触关系与该次地震的发生存在着联系。这些大地电磁探测结果揭示了地震震源区附近的电性结构存在着明显的横向不均匀性; 震源通常位于高阻区与低阻带的接触地带, 表明在地震活动中, 低阻体的解耦作用可能发挥了重要的作用。这些都说明大地电磁测深法对于现今活断层和孕震区深部结构的探测是1种有效手段, 但对于历史地震的深部结构以及发震背景的探测是否有效还需要进行试验。为此, 我们采用高密度、 宽频带大地电磁法对太阳山历史地震区深部精细电性结构进行了探测研究。

1 测区地质构造和大地电磁剖面位置

太阳山地区位于常德以北, 是1个新生代时期处于隆起的地质体, 为NNE走向的低山丘陵区(沈得秀, 2007)。从大地构造的分区来看, 太阳山地区位于扬子地台内的二级构造单元, 是江南古陆和江汉-洞庭盆地的交接地带(图1b); 两侧的地层构造特征明显不同, 西部古生界、 中生界广泛分布, 东部地区前第四系分布零散, 广大地区为第四系覆盖, 构造活动以断层活动为主, 褶皱不发育, 构造线方向为NE— NNE向(沈得秀, 2007)(图1a)。太阳山地区发育多条断层, 分布在太阳山东麓、 西麓和中部; 大地电磁探测研究区内及附近共有5条断层, 分别是岗市-河袱断层(F1)、 拾柴坡断层(F2)、 肖伍铺断层(F3)、 仙峰峪断层(F4)、 扬坡冲断层(F5), 走向主要为NE、 NNE。研究区最为重要的肖伍铺断层(F3)为活动时代最新的断层, 断错了中更新世晚期的地层, 沿大龙站谷地的东缘NNE向分布; 岗市-河洑断层(F1)位于太阳山西侧, 北起石板滩, 经岗市向南至河洑; 拾柴坡断层(F2)位于太阳山西麓, NNE向展布; 仙峰峪断层(F4)位于太阳山东侧, 发育于蜘蛛山, NNE向展布并终止于凤凰山东麓的仙峰峪村附近; 杨坡冲断层(F5)发育于凤凰山凸起区, NNE向展布(沈得秀, 2007; 沈得秀等, 2008)。

图 1 湖南常德太阳山地区地质图(沈得秀, 2007)、 大地电磁探测剖面位置图(a), 区域构造简图(b)(据韩竹军等, 2006修改)与研究区地貌图(c)
F1岗市-河袱断层; F2拾柴坡断层; F3肖伍铺断层; F4仙峰峪断层; F5扬坡冲断层; F6太阳山凸起东侧断裂Fig. 1 Geology of study area and MT sites(a), tectonic setting and location of study area(b) and topography of study area(c).

结合测区主要为NNE向的区域地质构造情况, 设计完成了横跨太阳山地区几条重要断裂的3条NWW向大地电磁剖面(图1), 其中: 剖面1(TYS-L1)经过肖伍铺乡附近, 穿过拾柴坡断层(F2)和肖伍铺断层(F3)南段; 剖面2(TYS-L2)跨过1631年湖南常德地震区, 穿过拾柴坡断层(F2)和肖伍铺断层(F3)中段; 剖面3(TYS-L3)西起张家冲, 东至冲天湖附近, 穿过拾柴坡断层(F2)北延部分和肖伍铺断层(F3)北段, 3条剖面的长度皆约为40km。

2 野外观测与资料处理分析
2.1 大地电磁数据采集与分析

大地电磁探测的野外数据采集工作在2014年3— 4月进行, 使用加拿大凤凰公司的MTU-5A电磁仪器。 为保证视电阻率、 阻抗相位资料的周期长度, 所有测点记录时间均超过40h; 在湖北省潜江市布置了远参考站与测区进行同步记录, 以便对测区数据进行远参考处理。最后实际完成的野外数据测点数为沿剖面1(TYS-L1)20个测点, 沿剖面2(TYS-L2)32个测点, 沿剖面3(TYS-L3)24个测点。使用远参考和 “ Robust” 技术(Egbert et al., 1986; Chave et al., 1987), 对全部测点数据进行了处理, 获得的大部分测点资料有效周期范围是0.003, 125~2, 000s, 部分测点低频有效周期超过2, 000s。图2给出了TYS-L2剖面上5个测点远参考处理后、 前视电阻率和阻抗相位曲线对比; 经远参考处理后, 曲线质量得到了一定的改善。太阳山地区距离常德市区约十几km, 人口密度大, 还有露天煤矿, 电磁干扰环境较大, 尽管在野外数据采集处理时采用 “ 远参考” 技术, 并加长了数据观测时间, 但是太阳山地区较大的电磁干扰还是影响到部分测点的中高频段数据质量。

图 2 TYS-L2剖面上典型测点远参考处理后(a)、 处理前(b)视电阻率和阻抗相位曲线图Fig. 2 Typical apparent resistivity and phase curves of after(a) and before(b) remote reference processing of TYS-L2 profile.

2.2 区域维性特征分析

相位张量(Caldwel et al., 2004; 蔡军涛等, 2010; 陈小斌等, 2014)是分析构造维性特征的一种非常有用的工具, 无需对地下介质的电性维性特征作先验性假设, 而且不受局部电场畸变的影响; 用阻抗张量实部矩阵的逆矩阵与虚部矩阵的乘积定义相位张量, 一般用椭圆来表示, 张量椭圆的主轴表示感应电流的方位, 可类比于电性主轴方位。椭圆长轴与短轴长度越接近, 表明研究区一维性越好; 椭圆长轴与短轴长度差距越大, 表明研究区方向性越强。每个频点的相位张量椭圆还对应二维偏离度角β , β < 5时地下介质可近似为二维情况; β > 5时, 区域电性结构应视为三维情况; β 值越大表明 MT 数据的三维性越强。

图3给出了各个测点在0.017s、 0.1s、 0.67s、 14.3s、 344.8s、 1, 369.9s 这6个周期下相位张量椭圆的情况, 其中用不同颜色表示各个椭圆的二维偏离角β 的值。如图所示, 在代表浅部的0.017s、 0.1s、 0.67s这3个周期范围内, 太阳山凸起区两侧的澧县凹陷和洞庭湖沉降区绝大多数测点的β 值< 5, 张量椭圆短轴与长轴几乎退化为圆, 表示太阳山凸起区两侧浅部构造较为简单, 近似为一维层状结构, 主要为沉积层; 在代表中深部的14.3s、 344.8s、 1, 369.9s周期范围内, 大部分测点β 值< 5, 而在太阳山凸起区的β 值出现了明显> 5的情况, 表明研究区在沿剖面的一定深度下, 电性结构特征表现出较为复杂的特性; 从主轴方位来看, 位于太阳山凸起区东西两侧断裂带附近测点的张量椭圆的主轴与构造走向几乎平行, 方位角集中在NNE向。总体来看, 相位张量椭圆图自高频至低频具有一维或二维特性, 只在部分地区较深部和太阳山凸起区电性结构呈现三维特性。使用大地电磁资料处理系统MTP5.0(陈小斌等, 2004a)里的分频段和分点的相位张量分解方法, 统计计算了沿剖面全部测点全频段320~0.001Hz的电性走向角(图1a); 图1a中可见3条剖面的全频段电性走向为近SN向。二维反演需确定1个统一的角度, 陈小斌等(2008)研究大地电磁二维反演中数据旋转方向的选择问题时发现, 测线与构造倾向之间的夹角< 30° 时即可以获得可靠的反演结果。 综合考虑高频、 低频以及全频段的电性走向方向, 结合该区的区域构造方向, 在对太阳山地区的3条电磁剖面进行二维反演时, 我们确定使用近SN方向为最佳主轴方向, 所以SN测量方向视电阻率和阻抗相位曲线数据为平行走向方向的TE模式数据, EW测量方向的视电阻率和阻抗相位数据是垂直构造方向的TM模式(陈乐寿等, 1990)。

图 3 常德太阳山地区TYS-L3、 TYS-L2、 TYS-L1剖面相位张量分解图Fig. 3 Skewness using the phase tensor decomposition technique on profiles TYS-L3, TYS-L2, and TYS-L1.

2.3 实磁感应矢量特征分析

由于磁感应矢量只涉及到磁场分量, 而磁场基本不受浅部局部小异常体引起的局部畸变的影响, 因此是用来分析电性结构的1种重要的物理参量; 其中磁感应矢量实部反映地下介质导电性分布的横向不均匀性, 矢量大小反映横向导电性差异, 磁感应矢量实部方向由高阻指向低阻一方(Parkinson, 1959; Schmucker, 1964; 陈小斌等, 2004b)。图4给出了太阳山地区3条电磁探测剖面上各测点的0.006, 25s、 0.016, 7s、 0.05s、 85.5s、 169.5s、 684.9s周期的磁感应矢量实部的平面指向分布图。可以看出, 磁感应矢量实部的指向和幅度自高频至低频有所变化, 表现为: 在0.006, 25s, 0.016, 7s周期, 在澧县凹陷和洞庭湖沉降区各测点的磁实感应矢量幅度较小, 在太阳山凸起区较大, 说明太阳山凸起区电性横向变化剧烈; 在0.05s周期, 太阳山凸起区3条剖面上的各测点的磁实感应矢量基本都指向SW, 说明在太阳山凸起区的SW方向存在1个明显的低电阻率区; 而在85.5s、 169.5s、 684.5s周期范围内各测点的实磁感应矢量都指向NNE方向, 说明在较深部, 在太阳山北侧区域的电阻率值比太阳山凸起区的低。

图 4 常德太阳山地区TYS-L3、 TYS-L2、 TYS-L1剖面的磁感应矢量图Fig. 4 Magnetic induction vectors on profiles TYS-L3, TYS-L2, and TYS-L1.

3 二维反演

在进行二维反演之前, 对剖面上每个测点TE和TM模式的视电阻率曲线和阻抗相位曲线进行了静位移分析和辨别, 首先对每条剖面上位于同一地层区的各测点高频段视电阻率数值进行了统计分析和比较, 辨别发生静位移的测点并进行校正。校正后的视电阻率和阻抗相位数据作为二维反演计算的输入数据, 在反演中还需要多次反复比较反演模型理论响应和实测数据的拟合, 再对部分测点静位移系数进行适当调整, 确定静位移的测点和具体校正因子。最后对101(TE: 8.0)、 109(TE: 5.8)、 120(TE: 0.7)、 128(TM: 0.16)、 228(TM: 0.25)、 232(TM: 0.6)、 319(TM: 1.5)、 320(TM: 1.5)、 320(TM: 2.1)测点进行了静位移校正。在对视电阻率曲线静位移校正后, 对各测点视电阻率、 阻抗相位曲线上偏离的 “ 飞点” 采用加大误差的方式, 以减少这些 “ 飞点” 在反演计算中的权。对TM模式的视电阻率和阻抗相位分别使用5%和5%的本底误差, 对TE模式的视电阻率和阻抗相位分别使用10%和5%的本底误差进行反演。

二维反演计算过程是在 “ MTDATABASE” 大地电磁数据处理反演集成系统(肖骑彬, 2005)下进行的。 利用NLCG(Rodi et al., 2001)二维反演方法, 对3条剖面采用TE和TM两种极化方式的视电阻率和阻抗相位数据进行二维联合反演计算。初始模型为100Ω · m电阻率的均匀半空间, 使用多个正则化因子(Tau)进行多次反演计算, 综合分析不同正则化因子(Tau)拟合误差值和模型光滑程度(Roughness)的L曲线(图5)(Patro et al., 2009), 最后选定TYS-L3、 TYS-L2、 TYS-L1剖面都使用Tau=3的反演结果作为最后的解释结果, 这3条剖面的总体拟合误差(RMS)为TYS-L3:3.63, TYS-L2:3.76, TYS-L1:3.50。

图 5 常德太阳山地震区HTY-L3、 HTY-L2、 HTY-L1剖面不同正则化因子二维反演得到的模型粗糙度、 拟合误差曲线Fig. 5 L-curves of RMS values and roughness with different regularization factors on profiles TYS-L3(left), TYS-L2(middle), and TYS-L1(right).

图6给出了太阳山地区3条电磁剖面二维反演得到的理论响应和实测的视电阻率和阻抗相位数据对比图。 从图中可见实测的视电阻率和阻抗相位曲线与二维反演得到的理论响应拟合较好, 二维反演模型较好地反映了该区的深部电性结构特征。

图 6 TYS-L3、 TYS-L2、 TYS-L1剖面实测TM和TE极化模式的视电阻率和阻抗相位与2-D模型理论响应等值线比较图Fig. 6 Comparison of measured TM and TE apparent resistivity and impedance phase and calculated response of 2-D theoretical model on profiles TYS-L3, TYS-L2, and TYS-L1.

图 7 常德太阳山地区3条剖面的深部电性结构图与相位旋转不变量
F1岗市-河袱断层; F2拾柴坡断层; F3肖伍铺断层; F4仙峰峪断层; F5扬坡冲断层Fig. 7 Electrical resistivity models derived from 2D inversion of MT data on 3 profiles and phase-tensor data.

4 深部电性结构特征和1631年常德 63/4级地震深部构造环境

根据地表地质调查结果和深部电性结构特征, 把测区内发育的拾柴坡断层(F2)和肖伍铺断层(F3)位置和向下延伸情况解译于图7(深度0~20km)中, 将徐杰等(1991)对洞庭湖凹陷的古近系、新近系和第四系的厚度解释也标示在3条剖面上。在图7右侧还绘制出了对应3条剖面全部测点全频点使用相位分解技术获得的相位旋转不变量, 相位值> 45° 时, 电阻率随深度增加而降低, 相位值越大, 电阻率随深度的增加降低得越快; 相位值< 45° 时, 电阻率随深度增加而增加, 相位值越小, 电阻率随深度的增加升高得越快(Caldwell et al., 2004; Bibby et al., 2005; Heise et al., 2008), 结合相位旋转不变量与二维电性结构图可以共同探讨研究区深部电性结构特征。

4.1 深部电性结构特征

4.1.1 断裂带深部结构

3条大地电磁剖面跨过了该区的拾柴坡断层(F2)和肖伍铺断层(F3), 岗市-河袱断层(F1)在太阳山凸起的西南地区出露(图1)。3条剖面的深部电性结构图像揭示了拾柴坡断层(F2)和肖伍铺断层(F3)是电性差异带或者是边界带, 相位旋转不变量同时也出现了明显的高、 低值变化带, 同时揭示了肖伍铺断层(F3)在SN走向的分布可能与地表地质调查有差异。

岗市-河袱断层(F1): 地表出露位置在TYS-L1剖面的西南, 在TYS-L1剖面上的103测点附近下方深部电性结构存在差异, 相位旋转不变量在103和104测点之间也出现了明显的高、 低值边界带, 推测该断层可延伸到TYS-L1剖面上的103测点位置附近, 发育深度大约在5km左右。

拾柴坡断层(F2): 在TYS-L1和TYS-L2剖面的209、 109测点附近出露地表, TYS-L3剖面区域由于第四系覆盖在地表未发现断层。深部电性结构图揭示在TYS-L2和TYS-L1剖面的209、 109测点的下方存在1条明显的向NW倾斜的低阻带, 随着深度增加, 该低阻带向NW发展, 延伸到深度约十几km, 相位旋转不变量在209和109测点附近也出现了明显的高、 低值边界带; 在TYS-L3剖面上的307测点下存在与TYS-L1和TYS-L2剖面下相似的低阻带, 推断拾柴坡断层(F2)向北在深部也存在, 说明拾柴坡断层(F2)从北至南贯穿了整个太阳山凸起西缘。

肖伍铺断层(F3): 比较3条剖面的深部电性结构特征, 发现在TYS-L1、 TYS-L2、 TYS-L3剖面的112、 219、 315测点附近下方和113、 222、 316测点附近下方分别存在电性差异带; 其中在TYS-L1、 TYS-L2、 TYS-L3剖面的112、 219、 315测点附近下方的电性差异带规模较大, 其两侧的电性差异比较明显, 表现为较陡立的略向SE倾斜的电性边界带, 而在TYS-L1、 TYS-L2、 TYS-L3剖面113、 222、 316测点附近下方的电性边界带规模较小。

地表地质调查发现肖伍铺断层(F3)在TYS-L2、 TYS-L3剖面的219、 315测点附近出露(沈得秀等, 2008), 在TYS-L1剖面的112测点附近也曾发现断裂出露迹象(1), 相位旋转不变量在112、 219和315测点附近也出现了最明显的高、 低值边界带; 据此推断肖伍铺断层(F3)在地表分别位于TYS-L1、 TYS-L2、 TYS-L3剖面的112、 219、 315测点附近(图1a)。从3条剖面深部电性结构图像上揭示的肖伍铺断层(F3)的深部延伸状况推测在TYS-L1剖面上该断裂不是在113测点附近, 而是在112测点附近。在TYS-L1剖面深部电性结构图像显示113测点下方也为电性边界带; 向北到TYS-L2、 TYS-L3剖面上的222、 316测点下方也存在类似的电性边界带, 命名为太阳山凸起东侧断裂(F6)。在地表地质图中(图1)显示在TYS-L3剖面北侧地表出露有仙峰峪断裂(F4), 太阳山凸起东侧断裂(F6)也可能与仙峰峪断裂(F4)为同1个断裂, 只是由于在太阳山地段地表覆盖了第四系未出露地表; 3条剖面揭示出肖伍铺断层(F3)是该地区规模最大, 延伸范围最广的断裂。

4.1.2 地块深部电性结构

3条电磁剖面自西到东跨过了澧县凹陷、 太阳山凸起和洞庭湖沉降区, 深部电性结构图像揭示了3个构造单元具有不同的深部电性结构特点。

澧县凹陷: TYS-L3和TYS-L2剖面上澧县凹陷的深部结构相似, 从浅表到十几km深度表现为低— 高— 低— 高的4层结构; 在浅表几百m深度以上为低阻层, 几百m以下到3km深度为高电阻层, 在深度3~5km之间为低阻层, 深度5km以下电阻率增高。在TYS-L1剖面上澧县凹陷内的结构虽然也表现为4层结构, 但是与TYS-L3和TYS-L2剖面上的结构相比稍有差别, 表现在第2层的高阻层和第3层低阻层的电阻率值比TYS-L3和TYS-L2剖面上的小, 第3层的低电阻层厚度大于TYS-L3和TYS-L2剖面, 说明在太阳山凸起区的西南方向存在1个明显的低电阻率区。

太阳山凸起: 3条剖面的深部电性结构都揭示太阳山凸起为1个高电阻体, 仅在浅表几百m以上为低阻层, 对应于风化层; 几百m以下至20多km深度深部电性结构都表现为高电阻, 对应该区古生代Pt地层, 其中太阳山凸起高电阻体的范围在TYS-L2剖面上EW方向最宽。相位旋转不变量显示出太阳山凸起在TYS-L3剖面上电阻率值随深度的增加上升得最快, 表明在该区域太阳山凸起呈现出比较明显的高阻构造, 在TYS-L2剖面EW方向最宽, 在TYS-L1剖面上规模最小。

洞庭湖沉降区: 3条剖面的深部电性结构图像揭示在约2km深度以上存在层状的低阻层, 电阻率值仅为几Ω · m, 在TYS-L3剖面上靠近肖伍铺断层(F3)区域厚度最大, 石油勘探剖面(徐杰等, 1991)揭示, 在常德附近的洞庭湖沉降区发育厚2~3km的古近系、 新近系和第四系, 该层主要由湖泊沉积物组成, 表现为低电阻特性, 该低阻层应该与新生代地层对应; 在古近系、 新近系和第四系低阻层之下电阻率增大, 对应于白垩系。相位旋转不变量显示出洞庭湖沉降区在3条剖面上电阻率值在浅部均为随深度的增加而降低, 在中深部电阻率开始上升的趋势, 这样的特征也与电性结构较为相似。

4.2 1631年常德 63/4级地震深部发震构造研究

徐杰等(1991)统计出了江汉-洞庭湖盆地近代小震分布图。 该区地震分布相当分散, 成带性不明显, 大致可分出2个相对集中的地震带, 即NE向常德-沔阳地震带和NWW向宜昌-公安地震带。 常德-沔阳地震带地震活动具有明显的分段性, 太阳山凸起和常桃凹陷的交接地带就位于常德-沔阳地震带的南段; 地震史料记载中, 在该地段不仅发生了1631年常德 63/4级地震, 还发生了5次5~53/4级地震, 可见这一带在历史上为地震多发区, 地震活动水平较高, 且地震强度较大, 影响范围广。沈得秀(2007)、 沈得秀等(2008)通过对太阳山地区的地震地质调查研究, 认为肖伍铺断层(F3)为研究区内活动时代最新的断层, 推断为中更新世晚期至晚更新世早期有活动的断层, 南部比北部构造活动强烈, 与地貌上的太阳山隆起南高北低的趋势一致。 1631年8月14日发生的 63/4级地震的宏观震中位置及其极震区长轴呈NNE方向展布的特点, 与肖伍铺断层(F3)走向一致, 最后推断肖伍铺断层(F3)为该次地震的发震断层。

图7中3条剖面的深部电性结构图像揭示了肖伍铺断层(F3)自南向北在深部的延伸状况, 在太阳山南段和中段该断层为明显陡立略向SE倾斜的高、 低阻电性边界带, 发育深度可达十几km; 在太阳山凸起北段肖伍铺断层(F3)规模小于中段和南段。拾柴坡断层(F2)在深部电性结构图上表现为向W倾斜的低阻带, 延伸到约5km深度, 表明肖伍铺断层(F3)的规模大于拾柴坡断层(F2), 且在太阳山凸起南段和中段规模较大。董瑞树等(2009)进一步核实了该地震极震区烈度等问题, 并根据震中烈度、 震级和震源深度之间的统计关系, 认为1631年 63/4级地震震源深度为15~18km。把1631年 63/4级常德地震按照震源深度15~18km放置于TYS2-L2剖面的肖伍铺断层(F3)下方附近, 可见该地震震源区位于高、 低阻介质接触区且偏向于高电阻率体内, 这样的地震震源区介质电性特征与其他中强地震区的电磁探测结果相似(Electromagnetic Research Group for the Active Fault, 1982; Unsworth, et al., 1997; 詹艳等, 2004, 2008, 2013; Michael, et al., 2011; Zhao et al., 2012; 赵凌强等, 2015); 同时Ma等(1996)认为地壳中强度相对较低的 “ 弱” 的低阻层可以提供解耦作用, 肖伍铺断层(F3)附近下方存在的这种低阻解耦作用为断层的整体错动提供了条件, 从而诱发中强地震的发生, 这是该区容易孕育地震的潜在介质条件。据大地电磁探测结果结合沈得秀(2007)、 沈得秀等(2008)地表地质调查结果判断肖伍铺断层(F3)为1631年常德 63/4级地震发震断层, 且震中位置可能位于TYS2-L2剖面区域; 同时, 1906年8月16日在肖伍铺乡以南的5.0级地震也可能发生在肖伍铺断层(F3)的南延部分。

4.3 湖南常德太阳山历史地震区孕震环境分析

区域新构造运动是研究地震活动的基础, 是揭示大震震源处动力边界及受力状态的先成构造格架和地震的发展、 孕育、 发生过程的科学依据。高海丽(2012)通过洞庭盆地西部地表垂直形变研究认为, 太阳山地区断裂带是江汉— 洞庭地区规模较大的断裂带, 控制着洞庭盆地西部地表垂直形变大的格局。此次大地电磁探测结果揭示出太阳山地区断裂带是由分布在太阳山凸起两侧及其附近区多条规模较大的断层组成断裂系统, 东西两侧的澧县凹陷、 洞庭湖沉降区自浅部至十几km深度具有稳定成层的构造特点。其中拾柴坡断层(F2)、 肖伍铺断层(F3)等均为规模较大的强烈高、 低阻电性边界带, 而地震易发生在高、 低阻接触区且偏向于高电阻体内以及低阻解耦作用的存在, 是常德太阳山历史地震区形成的内部原因。常德太阳山历史地震区处在扬子准地台二级构造单元江汉-洞庭湖断陷盆地的西南隅, 邻近上扬子地台、 江南抬隆与江汉-洞庭断陷盆地的交会区, 又是江汉-洞庭湖断陷盆地与武陵-雪峰山隆起的垂直差异运动过渡区; 震区新构造运动主要表现为掀斜和间歇性升降运动, 其中包含差异运动成分, 为地震的孕育、 发生提供了应力积累和释放条件(肖和平等, 2012)。徐杰等(1991)对江汉-洞庭湖盆地的演化过程研究也认为, 太阳山地区所处的常德-沔阳地震带南段是江汉-洞庭湖盆地第四纪断块差异升降活动最强烈的地区。高海丽(2012)通过洞庭盆地西部地表垂直形变研究发现太阳山断裂带西侧地表形变主要表现为抬升运动, 东侧主要表现为沉降运动。沈得秀等(2008)通过地表地质调查表明太阳山和凤凰山掀斜凸起的掀斜方向相反, 构造地貌反差强烈, 反映出它们之间具有明显的差异运动。这些因素均为该区中强地震频发的外部动力条件。

5 结论

本研究分别跨过常德太阳山地区的南段、 中段和北段布置了3条大地电磁探测剖面, 采集到76个测点的有效观测数据; 在资料处理中应用 “ 远参考道” 、 Robust、 阻抗张量分解、 静效移校正等技术。使用NLCG方法对所有剖面进行二维反演, 系统地获得了各剖面的二维电性结构图像。常德太阳山地区各个测点的视电阻率曲线和3条电磁探测剖面的二维反演结果再结合张量椭圆、 磁感应矢量以及相位不变量等参数, 共同揭示了常德太阳山地区展布的多条断层向深部延伸的情况, 3条剖面跨过的澧县凹陷、 太阳山凸起和洞庭湖沉降区具有不同的深部电性构造特征, 所获得的结果概括为:

(1)3条大地电磁探测结果不仅揭示了肖伍铺断层(F3)是太阳山地区规模最大的1条断层, 在深部电性结构图像上表现为明显陡立略向SE倾斜的电性边界带, 发育深度可达十几km; 还进一步厘定了肖伍铺断层(F3)具体位于肖伍铺乡西北侧的TYS-L1剖面的112测点附近, 向北位于TYS-L2剖面的219测点和TYS-L3剖面的315测点附近, 在其东侧沿TYS-L1、 TYS-L2、 TYS-L3剖面的113、 219、 315测点附近还存在规模较小的电性边界带即太阳山凸起东侧断层(F6), 可能与太阳山北段以北的仙峰峪断层(F4)相连, 拾柴坡断层(F2)在深部电性结构图上表现为向W倾斜的低阻带, 延伸至约5km深度。

(2)澧县凹陷、 洞庭湖沉降区自浅部至十几km具有成层的深部结构特点, 电阻率值普遍较低, 对应于该区广泛发育的白垩系和新生界。 太阳山凸起自浅表延伸至深部20km均表现为高阻体特性; 高阻体的范围在太阳山凸起的中段(即推测的1631年常德 63/4级地震震中位置)横向范围最宽。3条剖面的深部电性结构图也揭示了太阳山凸起和洞庭湖沉降区接触边界具有分段结构特征。

(3)大地电磁探测结果验证了肖伍铺断层(F3)为1631年常德 63/4级地震发震断层的推论。 震源区的介质电性结构表现出高、 低阻电性分界带的特征, 震源区位于高、 低阻接触区且偏向于高电阻体内以及断层低阻解耦作用的存在是容易孕育地震的潜在条件。太阳山凸起位于江汉-洞庭湖断陷盆地的西南隅, 是江汉-洞庭湖盆地第四纪断块差异升降活动最剧烈和构造地貌反差最强烈的地区, 这是该区发生中强地震的外在动力。

致谢 野外数据采集过程中得到了余文斌, 杨涛, 杨飞等人的大力协助, 审稿专家提供了建设性的意见, 在此一并表示感谢。

The authors have declared that no competing interests exist.

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