基于航磁与小震精定位结果研究断裂构造特征——以攀西地区为例

doi:10.11720/wtyht.2025.1082

基于航磁与小震精定位结果研究断裂构造特征——以攀西地区为例

李皎皎^,, 张永军, 何怡原, 李逸川, 李诗珺, 陈瑶

中国自然资源航空物探遥感中心,北京 100083

Investigating fault structure characteristics based on aeromagnetic data and precise relocation results of small earthquakes: A case study of the Panxi area

LI Jiao-Jiao^,, ZHANG Yong-Jun, HE Yi-Yuan, LI Yi-Chuan, LI Shi-Jun, CHEN Yao

China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources, Beijing 100083, China

第一作者: 李皎皎(1986-),女,高级工程师,主要从事航空地球物理数据处理与综合解释工作。Email:tzgrace0928@163.com

责任编辑: 朱晓颖

收稿日期: 2024-03-8 修回日期: 2024-10-26

基金资助:

中国地质调查局地质调查项目“西藏玉龙铜资源基地航磁调查”(DD20243246)

Received: 2024-03-8 Revised: 2024-10-26

摘要

本文以攀西地区为例,结合航磁和小震精定位数据,在划分断裂的基础上判断断裂现阶段活动性强弱。在研究区内共划分断裂42条,推断现阶段仍在活动的断裂21条,其中新推断活动断裂10条。选取区内主要断裂局部段进行了三维结构特征研究。结果表明,小震精定位结果能反映出活动性强的断裂,并刻画其深部结构,在航磁圈定基底断裂的基础上,对活动断裂的位置加以约束,并补充划分沉积盖层中的隐伏活动断裂。该方法对于促进航磁研究断裂构造空间分布及活动性方面具有一定的现实意义。

关键词： 航磁; 小震精定位; 断裂构造; 三维结构; 活动性; 攀西地区

Abstract

This study investigated the Panxi area as an example to delineate faults and determine their current activity levels using aeromagnetic data and precise relocation results of small earthquakes. A total of 42 faults were delineated in the study area. Among them, 21 faults were inferred to be active currently, including 10 newly inferred active faults. This study examined the three-dimensional structural characteristics of some local sections of major faults in the study area. The results indicate that precise relocation results of small earthquakes can identify highly active faults and characterize their deep structures. Additionally, based on the delineation of basement faults using aeromagnetic data, the locations of active faults were constrained, and concealed active faults within the sedimentary cover were also determined. The proposed method holds certain practical significance for promoting research on the spatial distribution and activity of fault structures using aeromagnetic data.

Keywords： aeromagnetic data; precise relocation of small earthquakes; fault structure; three-dimensional structure; activity; Panxi area

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本文引用格式

李皎皎, 张永军, 何怡原, 李逸川, 李诗珺, 陈瑶. 基于航磁与小震精定位结果研究断裂构造特征——以攀西地区为例[J]. 物探与化探, 2025, 49(1): 206-214 doi:10.11720/wtyht.2025.1082

LI Jiao-Jiao, ZHANG Yong-Jun, HE Yi-Yuan, LI Yi-Chuan, LI Shi-Jun, CHEN Yao. Investigating fault structure characteristics based on aeromagnetic data and precise relocation results of small earthquakes: A case study of the Panxi area[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2025, 49(1): 206-214 doi:10.11720/wtyht.2025.1082

0 引言

活动断裂是影响区域构造稳定性的主要因素,它与地震及地质灾害紧密相关^[1]。开展断裂划分,特别是查明地壳深、浅部断裂构造分布及活动性,已成为防灾减灾、城市规划、工程建设、土地利用等各项工作的重要内容^[2]。

利用航磁数据推断基底断裂,特别是深大断裂是一种行之有效的方法。从20世纪50年代起,我国就开始利用航磁资料发现和揭示断裂^{[3⇓⇓⇓⇓-8]}。攀西地区作为我国重要的钒钛磁铁矿区,从1958年起开展过5次不同精度和不同比例尺的航磁测量。其中,中国自然资源航空物探遥感中心(简称航遥中心)于2013~2014年在研究区新获取了1∶5万高精度航磁数据,并开展了地质解释。在包含研究区在内的攀枝花—安益地区划分断裂80余条,其中13条为航磁新推断断裂;对主要断裂进行了性质特征分析,提出攀西地区楚雄盆地NNW向断裂具有重要地质意义^[9]。但以往航磁调查工区范围大,关注的重点区域不同,且划分的断裂未做活动性判断。

地震与活动构造密切相关,小震活动更是作为认识断裂存在和活动的重要标志,能为认识活动断裂深部结构提供可靠的基础资料^[10]。然而,常规地震定位具有的不确定性往往会模糊大量的构造信息^[11]。利用双差定位法^[12]对地震特别是小震进行重新定位,提高震源位置精度,可为更好地认识活动断裂深部结构提供可靠的基础资料。利用该方法,国内外学者在不同地区开展了大量研究工作,在地壳孕震层的深度范围、隐伏活动断裂揭示和断裂走向等方面均获得了富有成效的研究成果^{[13⇓⇓-16]}。就川滇地区而言,也有不少学者采用该方法对川西地区、攀枝花2008年M6.1发震断裂、川滇菱形块体东边界开展了研究^[17⇓-19]。上述研究工作虽然均应用了小震精定位结果,但未能将其与高精度航磁结合起来研究断裂结构和活动性。因此,本文使用2013~2014年获取的高精度航磁资料和2009~2020年最新的小震精定位数据,在攀西地区首次利用高精度航磁划分断裂,并结合小震精定位结果研究断裂三维结构和活动性。通过此次研究,取得了明显的地震地质效果,为区域构造稳定性评价服务,对加强航空物探资料在活动断裂探测、研究和工程地质等方面的推广应用具有一定的现实意义。

1 区域地质构造特征

研究区位于四川攀西地区,面积约12 000 km²(图1)。在大地构造上,位于扬子地块西缘康滇隆起(Ⅱ₂),西北角为松潘—甘孜造山带盐源—丽江陆缘活动带,西南临三江造山带,东南是华南地块。区内断裂构造十分发育,主要断裂方向为SN向,涉及的深大断裂有安宁河断裂带、磨盘山断裂带、金河—箐河断裂带、攀枝花大断裂和宁会大断裂^[20]。其中,磨盘山断裂带是一条现今仍在强烈活动的深大断裂带,其北起冕宁,向南经磨盘山直至云南元谋,再向南沿绿之江延伸。断裂内部结构复杂,由若干平行且不连续的断裂组成,在地貌上表现为断陷谷、盆。断裂活动始自太古宙—元古宙,古生代、中生代和新生代的活动均较强烈。

图1

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图1 研究区大地构造单元分布示意^[20⇓-22]

Fig.1 Geotectonic element distribution map of the study area^[20⇓-22]

区内地层发育较完整,分布有元古宇、古生界、中生界和新生界,其中古元古界康定群为最老地层。前寒武系和中生界地层的出露面积较大,而古生界和新生界地层分布面积较小。区内岩浆岩较发育,从古元古代至中生代具有不同程度的岩浆活动,其中前震旦纪、晚古生代—早中生代是岩浆活动的两个高峰期。前震旦纪侵入岩包括基性—超基性岩和酸性岩,另有少量中性岩;二叠纪伴随着玄武岩浆大规模喷发,有较多基性侵入活动和富铁质超基性岩侵入;三叠纪侵入岩主要为酸性岩^[20]。

2 小震精定位方法及结果

本次利用研究区周边200 km范围内2009年1月1日~2020年12月31日的地震目录和震相数据(四川和云南部分台站记录),记录到的P波和S波到时资料1 395条。

双差定位法^[12]主要采用绝对到时残差之差,即相对走时残差或称为双差来修定地震位置,是较为通用且成熟的提高地震定位精度的技术方法,可通过双差定位程序(震相预处理程序(ph2dt)和双差定位主程序(hypoDD))实现。本文对收集到的地震数据利用双差定位法进行精定位;在速度模型的选择上,使用了攀枝花地区的速度模型^[23];反演迭代采用共轭梯度法(LSQR)。

图2是精定位前后地震震中分布对比。原本地震目录中给出的较为分散的地震震中,在精定位后,分布形态更加清晰,震中沿构造带分布密集,且条带状明显。尤其在磨盘山断裂中南段,地震震中沿断裂分布的集中度更高。应该说明的是,图中有几处团块状分布的地震丛集区与已知断裂对应不明显。分析其原因,可能有以下两点:一是对应的断裂级别小或是未圈定的隐伏断裂;二是考虑小震的产生也可能与采矿活动有关。经对比分析,由于3个矿区(图2b)(攀枝花矿区、红格矿区和白马矿区)与地震丛集区位置基本对应,无法确定地震是否由断裂活动产生。

图2

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图2 精定位前后地震震中分布对比

Fig.2 Earthquake epicentre distribution comparison before and after earthquake relocation

为获得小震的空间分布信息,在研究区中心点沿东西(A-B)(图2b)制作震源深度剖面图(图3),以便分析地震在精定位前后震源深度的分布变化情况。由精定位前的剖面局部放大图(图3b1)可见,震源呈现层状密集分布,震源深度集中分布在5~20 km之间,沿东西方向呈现明显的线状条带,在5 km处线状条带更为明显,M≥2的地震在各个深度均有分布,说明精定位前小震分布存在明显的方向误差。精定位后(图3b2),震源呈现丛集性,且地震丛存在一定的方向。在沿东西方向剖面图中,震源密集区位于剖面的中下部,M≥2的地震较集中地分布在10~20 km之间。

图3

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图3 精定位前后震源深度沿东西(A-B)剖面分布对比

Fig.3 Source depth distribution along East-west (A-B) direction comparison before and after earthquake relocation

3 断裂构造划分

本次研究使用航遥中心获取的研究区1∶5万高精度航磁数据,重新编制航磁ΔT等值线平面图。为了提高对航磁异常的分辨能力,突出更多有用信息,在航磁原始测量数据的基础上,开展航磁ΔT化极处理、化极上延和化极垂向一阶导数等位场转换处理,为利用航磁数据进行断裂构造划分奠定基础^[24]。

从航磁数据处理结果来看,区内航磁反映的构造信息更丰富,反映了不同深度的信息。断裂划分主要以航磁异常标志为主,小震精定位结果作为辅助和补充的方法,并结合地质构造资料,进行研究区断裂构造划分。

航磁划分断裂的标志包括不同磁场分区界线、磁异常梯度带、线性磁异常带、磁异常错动等,其中不同磁场分区界线一般为深大断裂或大断裂的反映。依据航磁划分断裂标志,并结合已有地质资料和物探解释成果划分的断裂,以及断裂在磁场图上的特征、规模及其对地质构造的控制作用等,将断裂分为三级,其中一级为深大断裂,二级为大断裂,三级为一般基底断裂。

依据研究区航磁推断的断裂构造,并结合成丛小震发生在活动断裂面及其附近的原则,推断研究区活动断裂的原则包括(表1):

表1 研究区主要活动断裂一览表

Table 1 List of main active faults in the study area

编号	断裂名称	地质构造特征	磁场特征	小震分布特征	解释结果
F₂	磨盘山	断裂两侧地质构造环境不同, 控制古元古界和中元古界, 以及不同时代岩浆岩分布	磁场分界线、磁异常梯度带串珠状异常带	断裂中、南段地震震中分布较密集	走向近SN,长度131 km,一级断裂,断裂活动强烈
F₃	安宁河	对元古宇地层、沉积地层和岩浆岩分布有明显控制作用	磁场分界线、串珠状异常带	断裂局部段有地震震中分布	走向近SN,长度131 km,一级断裂,活动断裂
F₂₉	麻坪子东	位于上三叠统宝顶组	磁异常梯度带	地震震中分布较密集	走向NNW,长度9 km,三级断裂,活动断裂
F₃₂	长田	位于下侏罗统冯家河组		地震震中分布较密集	走向NW,长度8 km,三级断裂,活动断裂
F₃₄	班庄	位于二叠纪石英闪长岩南部	磁异常错动线	地震震中分布密集	走向NW,长度14 km,三级断裂,活动断裂
F₃₅	下板桥	位于二叠纪石英闪长岩中部	磁异常梯度带	北段地震震中分布密集	走向SN,长度23 km,三级断裂,活动断裂
F₃₆	矮郎河	位于三叠纪中酸性侵入岩与上三叠统白果湾组交界处	磁异常梯度带	地震震中分布密集	走向NE,长度29 km,三级断裂,活动断裂
F₃₇	马脖子	位于震旦系观音崖组、灯影组	磁异常梯度带	地震震中分布密集	走向SN,长度8 km,三级断裂,活动断裂
F₃₈	龙河西南	位于下白垩统小坝组	串珠状异常带	地震震中分布密集	走向SN,长度7 km,三级断裂,活动断裂
F₄₀	酸水河南	位于中元古界会理群	磁异常梯度带	地震震中分布密集	走向NW,长度7 km,三级断裂,活动断裂
F₄₁	发展村	位于中元古界会理群	磁异常梯度带	沿断裂有地震震中分布	走向近SN,长度30 km,三级断裂,活动断裂
F₄₂	热水塘	位于上三叠统舍资组		地震震中分布密集	走向NNW,长度10 km,三级断裂,活动断裂

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1)对于已根据航磁资料圈定的断裂构造,如沿断裂存在地震丛集分布,则以航磁资料为主,局部根据地震震中分布走向进行微调。

2)对于有地震丛集分布,但磁场图中未反映或反映不明显的断裂构造,仅根据地震资料进行圈定。应该说明的是,研究区存在多处采矿区,若地震丛集区对应采矿区域,不进行断裂构造圈定。

3)研究区内小震地震震级较小,无法仅根据地震震中分布确定断裂级别,断裂级别仅由航磁资料判定。

依据上述断裂划分标志和原则,在研究区共划分断裂42条(图4),其中一级断裂4条,二级断裂12条,三级断裂26条,其中活动断裂21条(F₂、F₃、F₆、F₉、F₁₂、F₁₃、F₁₅、F₁₆、F₂₀、F₂₄、F₂₉ 、F₃₂~F₃₈、F₄₀~F₄₂)。通过与研究区区域地质图上的断裂进行对比,确定本次新划分的断裂14条,其中新发现的活动断裂10条(F₂₉、F₃₂、F₃₄~F₃₈、F₄₀~F₄₂)。

图4

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图4 研究区综合推断断裂分布

Fig.4 Synthetically inferred faults distribution map in the study area

在研究区内主要分布有近SN向、NNE—NE向、NWW—NW向3组断裂(图4),其中近SN向、NNE—NE向断裂具有数量多、规模大等特点,这些断裂不仅控制了磁场分区和构造单元的划分,也制约了基底褶皱、沉积建造、岩浆活动和金属矿产的分布。部分断裂或局部段有地震震中分布,表明这些断裂为活动断裂。

4 典型断裂构造特征——以磨盘山断裂为例

4.1 航磁与小震震中分布特征

磨盘山断裂带(F₂)位于研究区中部,从北部德昌打炭窑向南经米易垭口、会理鱼鲊至元谋姜驿西侧,近SN向贯穿研究区,区内延伸长度131 km,是区内一条重要的SN向断裂带。地质资料^[20]显示,区内该断裂北延与地质上已知的磨盘山断裂带相接,为磨盘山断裂带南段,也称昔格达断裂带。

该断裂在磁异常图上(图4a)有清晰的显示,它同时具备多种断裂构造的磁异常典型标志,主要为磁场分界线、磁异常梯度带和串珠状磁异常带。在航磁ΔT化极上延3 km图上(图4b),磁场特征依然清晰,表明其规模大、切割深。

据地质资料显示,断裂东西两侧构造环境不同。西侧主要出露古元古界康定群,而东侧鱼鲊以南(F₁₃南侧)地区出露古元古界河口群和中元古界会理群。二叠系峨眉山玄武岩、三叠系白果湾组分布于断裂东侧,而三叠系宝鼎组仅大片出露于断裂西侧。沿断裂及两侧,震旦系观音崖组、灯影组、新近系昔格达组局部出露;不同时代岩浆岩(古、中元古代、二叠纪、三叠纪)十分发育,中酸性、中基性、基性—超基性岩体均有分布。

由断裂两侧航磁、地质特征的差异可见,磨盘山断裂带是一条古老的、活动时间长的深断裂,它不但控制了康定群、河口群、会理群等基底的分布边界,而且对震旦系、三叠系和新近系的沉积建造及不同时期岩浆岩的发育分布也有明显控制作用。

对照地震震中分布图(图4a),沿该断裂及两侧地震震中呈带状分布,且断裂中、南段沿线,地震震中分布密集,北段地震震中分布相对较少,说明该断裂活动性具有南强北弱的特点。此外,该断裂为1955年9月1日、23日四川会理鱼鲊5.5级、6.8级地震、2008年8月30日攀枝花6.1级地震发震构造,表明该断裂带至今仍在强烈活动。

4.2 小震剖面分布特征(磨盘山断裂带南段)

为了更细致地了解震源深度剖面是否能刻画出断裂深部结构,选择磨盘山断裂带南段的一条垂直构造线的EW向剖面E-F(图4a)制作了剖面地震精定位前后震源深度分布图(图5)。结果显示,精定位前,震源零散分布于3~20 km间,分布规律不强;精定位后,震源主要密集分布在15 km深度上下,在深度剖面上分布整体倾向NWW,该结果与已有大地电磁测深结果较一致^[25]。

图5

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图5 E-F剖面精定位前后震源深度分布

Fig.5 Source depth distribution of E-F profile before and after earthquake relocation

4.3 断裂带南段三维结构特征(白石岩—平厂段)

本次断裂三维结构研究是在多条垂直构造线的航磁异常剖面人机交互反演结果的基础上,叠加小震精定位结果,将二者反映的断裂面位置、走向、倾向等断裂要素在三维空间中进行展示和对比,综合研究断裂在深部空间的展布特征。在磨盘山断裂带南段迤沙拉、平厂、白石岩和菁尾等地选取5处圈闭航磁异常,这些异常均由磁性岩体引起。横穿航磁异常,沿东西向,即近垂直断裂带方向,设置5条剖面进行人机交互反演(图6)。

图6

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图6 研究区人机交互反演剖面分布

Fig.6 The interactive inversion profiles distribution map of the study area

4.3.1 剖面人机交互反演结果

人机交互反演结果(图7)表明,剖面1~3航磁异常由隐伏、半隐伏的蘑菇状具磁性的超基性岩引起,其中剖面1岩体距地表埋深约500 m,剖面2、3岩体西半部分出露地表,东半部分隐伏。岩体东侧受磨盘山断裂带控制,在剖面上显示为向西倾斜,考虑到断裂带走向为NNE向,推断F₂断裂带倾向为NWW。剖面4、5航磁异常分别是距地表埋深400 m左右的隐伏超基性岩体和出露地表的超基性岩体的反映,岩体呈现为边界东陡西缓的西倾形态。相比剖面4拟合结果,剖面5中的岩体位置略偏西,因岩体东侧受磨盘山断裂带控制,表明在剖面4、5之间,磨盘山断裂带走向为NNE向,倾向NWW。综合剖面1~5人机交互反演结果,磨盘山断裂带白石岩—平厂段走向为NNE向,倾向为NWW。而剖面1~3断裂位于剖面4、5西侧,表明断裂在剖面3、4之间被错断。

图7

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图7 人机交互反演剖面推断解释

Fig.7 The inference interpretation map of interactive inversion profiles

4.3.2 断裂带三维结构特征

从小震精定位结果在三维空间中的分布(图8)可以看出,磨盘山断裂南段(白石岩—平厂段,剖面1~5之间),小震整体呈NNE走向分布,倾向呈NWW向的面状分布,大致刻画出该段断裂面的空间展布特征。根据地震分布特征,该断裂带地震分段活动特征明显,从北到南可将该断裂分为三段(图8b、c,标号1~3)。北段(标号1)小震分布数量相对较少,震源深度稀疏散布于7~20 km之间;中段(标号2)小震分布数量介于北段和南段之间,震源深度多集中分布于10~20 km之间;南段(标号3段)小震分布数量多,震源深度纵向分布宽度相对较大,多分布于1~20 km之间,其中深度10 km左右为一分界面,该界面以下震源分布密集,且东西向的震源分布宽度变窄。从南到北,三段交界处均存在向西错动现象;且南段相较于中段,倾向更偏北西、倾角更小,而北段震源分布倾角及倾向特征不明显。

图8

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图8 小震分布特征及推断断裂对比

Fig.8 The comparison map of small earthquakes segmentation and inference faults map

对比航磁化极图及推断断裂图(图8c)可以发现,北段(第1段)被大龙滩—大村断裂(F₁₃)错断向西位移,断裂西侧为强磁异常区,东侧为负磁异常区;中段(第2段)位于宁会断裂(F₁₅)与大龙滩—大村断裂(F₁₃)之间,该处磁场相对平静;南段(第3段)位于磨盘山断裂(F₂)与宁会断裂(F₁₅)交汇处及其南部地区,断裂东侧为强磁异常区,并分布几处铁矿点,西侧为负磁异常区。大龙滩—大村断裂(F₁₃)、宁会断裂(F₁₅)南北两侧小震空间分布特征(横向和纵向分布)明显不同,可能是受断裂交汇处断层间复杂的相互作用影响,断裂活动性产生的差异所致。

从剖面5(图9)可以看出,小震分布在剖面宽度以内的区域里,并非沿具体的某一条线分布,而是基本沿着断裂带的中线,分布于断裂带及其两侧的老地层中,宽度6~7 km。而剖面1~3上小震分布数量较少,总体上表现为震源深度在10~15 km处沿断裂分布相对密集的特征。

图9

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图9 航磁推断断裂与小震分布三维展示

Fig.9 Fault distribution inferred by aeromagnetic and 3D display map of earthquakes distribution

根据地质资料^[20]记录,磨盘山断裂带鱼鲊附近(鱼鲊位于剖面3与剖面4之间)动力变质带宽2.8 km,表明断裂带宽度至少达到了2.8 km以上。因此,推断磨盘山断裂带主断裂及一些分支断裂至今一直在活动,其错动引发了分布宽度6~7 km的小震。

5 结论及讨论

就本研究区而言,航磁反映的构造信息更加丰富。本文断裂划分以航磁资料为主,小震精定位资料为辅。通过小震精定位后,研究区地震震中分布形态更加清晰化,震中分布更加密集,条带状更加明显,为研究区确定活动断裂提供了重要依据。

1)本文共划分断裂构造42条,其中一级断裂4条,二级断裂12条,三级断裂26条;新圈定断裂14条;推断或判定现阶段仍在活动的断裂21条,其中本次新推断的活动断裂10条。

2)磨盘山断裂带南段三维结构特征研究结果显示,受到断裂交汇处断层间复杂的相互作用影响,磨盘山断裂带南段地震分段活动特征明显;同时,地震丛在各段分布特征的差异也刻画出了断裂带各段倾向、倾角的差异。

3)通过本次研究发现,结合航磁数据和小震精定位数据综合解释,在航磁资料圈定基底断裂的基础上,将小震精定位数据作为断裂划分的辅助资料,可以约束活动断裂的位置,同时反映和刻画出活动性强的断裂的深部结构,并补充划分沉积盖层中的隐伏活动断裂。需要注意的是,在地震活动性弱的地区,小震精定位数据并不能作为区域断裂划分的主要手段。

致谢

感谢新疆维吾尔自治区地震局李金高级工程师为本文提供双差定位法程序及技术支持;感谢中国地震台网中心为本文提供地震数据。

参考文献

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被引期刊影响因子

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An analysis of the fault framework in southern Ningxia based on geophysical data

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