1. 引言
宁夏地处南北地震带北段，是青藏块体、阿拉善块体、鄂尔多斯块体的交汇地区。该地区构造活动强烈，历史上曾经发生过1739年平罗8.0级和1920年海原8.5级等多次强震，目前宁夏境内5级以上地震已持续平静37.4年。
地震是地壳运动的产物。GNSS可提供高精度、大范围和准实时的地壳运动定量数据[1]，使得我们能够探索地壳运动的演化过程及其与地震的关系，从而为地震形势判定提供依据。基于GNSS资料，学者们已在中国大陆开展了大量研究研究[1]-[5]，但有关宁夏的专门研究较少。许文俊[6]首次在宁夏地区开展了GNSS研究，结果表明在宁夏中部地区GNSS测区附近中强地震前约年，可观测到该区GNSS测站的形变异常及主应力方向发生转变异常；测区附近中强地震前及周边地区强震前，该区GNSS 形变模拟矢量场能够预示未来地震的大体方位。这些结果可作为地震预测的特征值加以考虑。基于GNSS资料，开展宁夏地区地震危险性研究具有重要意义。
2. GNSS数据与数据处理
本文使用了1998~2018长时间尺度和1998~2007、2009~2013、2015~2020三期短时间尺度GPS速度场结果(鉴于2021、2022年宁夏北部GNSS流动观测站未测量，速度场未使用2021、2022年数据)，数据来源于中国地震局地震研究所。
3. 结果与分析
3.1. 区域地壳运动与变形分析
3.1.1. 区域速度场分析
如图1所示，在欧亚框架下，南北地震带北段内部各点呈NE向运动，揭示了印度板块对欧亚板块的俯冲作用；速度矢量自东南向西北递减，反映了印度板块楔入欧亚大陆的地壳缩短作用；青藏高原东北缘由北部的NNE向运动，转向NEE向，呈顺时针旋转，揭示了坚硬的鄂尔多斯块体对欧亚板块NEE向运动的阻挡作用。
三期速度场存在一些微小变化，主要表现在阿拉善地块和六盘山断裂附近2015~2020期速度场较前两期速率值有小幅度增加，但增加幅度小误差范围内，可忽略不计。
为了反映区域内部地壳运动的差异，本文进一步获取了宁夏及邻区相对于鄂尔多斯块体速度场。图2给出了宁夏及邻区相对于鄂尔多斯块体速度场，海原–六盘山断裂以南，即青藏高原东北缘地区呈逆时针旋转，其余区域均呈NW向拉张运动；三期速度场对比显示，2009~2013年、2015~2020年，六盘山断裂附近速度场有所减小，表明六盘山断裂附近区域远离鄂尔多斯块体的速度减小。
Figure 1. Velocity field of the northern section of the north-south seismic belt (Figures (a) and (b) show the velocity field of the Eurasian frame from 1998 to 2018 and the comparative velocity field of the Eurasian frame in three periods from 1998 to 2007, 2009 to 2013, and 2015 to 2020 respectively; the black, blue and red arrows in Figure (b) represent the comparative velocity fields of the three periods from 1998 to 2007, 2009 to 2013 and 2015 to 2020 respectively)
图1. 南北地震带北段速度场(图(a)、(b)分别为1998~2018年欧亚框架速度场和1998~2007、2009~2013、2015~2020三期欧亚框架的对比速度场、图(b)中黑色、蓝色、红色箭头分别为1998~2007年、2009~2013、2015~2020年三期速度场对比)
Figure 2. Velocity fields of Ningxia and its adjacent areas relative to the Ordos block ((a) (b) and (c) represent the velocity fields from 1998 to 2007, 2009 to 2013, and 2015 to 2020, respectively)
图2. 宁夏及邻区相对于鄂尔多斯块体速度场((a) (b) (c)分别为1998~2007年、2009~2013年、2015~2020年速度场)
3.1.2. 区域应变率场分析
本文利用最小二乘配置法[7]计算了南北地震带北段应变率场。图3给出了南北地震带北段1998~2018年的长期应变率场，从图中可知，除南北地震带北段除西南部外，其余区域均以以主压应变为主，主张应变较小；西南部主张应变和主压应变。主应变率呈现出自西南向东北逐渐减小的特征，西北部的阿拉善地块和东部的鄂尔多斯地块主应变率较小，而西南部的青藏高原东北缘弧形构造区主应变率较大，与该区域的地块分区特征一致(图3(a))。最大剪应变率的结果显示，剪应变率高率亦呈现由西南向东北逐渐减小的趋势，与主应变率空间分布较一致(图3(b))。面应变率结果显示：南北地震带北段面应变率变化不大，低值区位于祁连断裂中部(图3(c))。
图4给出了不同时期应变率场对比图，结果显示：1998~2007、2007~2013年两期主应变率场与长期
Figure 3. Long-term strain rate fields of the north-south seismic belt from 1998 to 2018 ((a) (b) and (c) represent the principal strain rate field, the maximum shear strain rate field, and the volumetric strain rate field, respectively)
图3. 南北地震1998~2018长期应变率场((a) (b) (c)分别为主应变率场、最大剪应变率场、面应变率场)
Figure 4. Phased strain rate field of the northern section of the north-south seismic belt
图4. 南北地震带北段分期应变率场
应变率场基本一致，2015~2020年主应变率场较前两期及长期应变率场略有减小。2007~2013、2015~2020两期最大剪应变率场与1998~2018年长期应变率场较一致，1998~2007年最大剪应变率场与前两期及1998~2018长期应变率场存在一定差异，主要表现在1997~2007年最大剪应变率场西南部变化较大，存在高低值转换区域。1998~2007、2009~2013年、2015~2020年三期面应变率场与长期应变率场均存在一定差异，随着时间的推移，面应变率梯度逐渐减小。相关震例研究表明，应变率高值区和高值区边缘为地震高发区，从主应变率场、最大剪应变率场、面应变率场结果来看，宁夏及邻区短期发震可能性较低。
3.2. 主要活动断裂地壳变形分析
3.2.1. 断层闭锁与滑动亏损分布分析
本文利用defnode程序[8]-[10]，采用1998~2018年的GPS速度场数据，反演确定了研究区一些活动断裂—贺兰山西麓断裂、贺兰山东麓断裂、黄河断裂、三关口—牛首山—罗山断裂、烟筒山断裂、六盘山东麓断裂的断层闭锁与滑动亏损分布。Defnode程序基于断裂位错模型，假设块体内部点的运动由块体旋转、块体内部均匀应变与块体边界断层闭锁产生的位移亏损引起的地表变形之和，使用网格搜索和模拟退火算法反演获得断层闭锁深度、闭锁系数、滑动亏损速率等参数。在实际反演中，本报告利用《鄂尔多斯块体西缘断裂带基本活动特征和孕震分析》的最新研究成果，进行次级块体和断层倾角划分，块体划分如下：阿拉斯地块、鄂尔多斯地块、青藏高原东北缘和银川–吉兰泰盆地四个次级块体划，断层结构设置。断层结构设置如下：贺兰山西麓断裂、黄河断裂、三关口断裂、罗山断裂、牛首山断裂、均设置3条等深线，每条等深线上4个节点，断层倾角依次为60˚、60˚、60˚、60˚、70˚。六盘山断裂设置6条等深线，每条等深线8个节点，断层倾角为45˚。反演过程中，设置断层闭锁程度随深度单调递减，并通过调整GPS速度场误差权重因子获得最佳χ2，最终误差权重因子为1.121。
反演结果如图5、图6所示，北部断裂闭锁与滑动亏损分布整体一致，表明断层的应变积累程度和应变积累速率整体分布一致。贺兰山西麓断裂闭锁系数由北向南递减，北段闭锁程度较高，闭锁系数在0.833~0.945之间，闭锁深度达到25~28 km；黄河断裂中北部闭锁，闭锁系数在0.814~0.956之间，闭锁深度达到22~26 km，断层滑动亏损速率在2.312~3.778 mm/a之间，应变积累范围、应变积累程度和应变积累速率均较大，具有较大的地震危险性；N38˚~39˚之间的区域在地表3 km之内存在强闭锁，闭锁系数在0.798~0.854之间，滑动亏损速率较大，达到7 mm/a以上，表明该区域存在较快的应变积累，未来可
(a) (b)
Figure 5. Distribution of fault locking and sliding deficit in northern ningxia fault zone
图5. 宁夏北部断裂断层闭锁与滑动亏损分布
(a) 闭锁程度分布 (b) 滑动亏损分布
Figure 6. Distribution of fault locking and sliding deficit in the southern ningxia fault zone
图6. 宁夏南部断裂断层闭锁与滑动亏损分布
能获得高于周边区域断层的应变积累量，潜在发震能力较大。三关口断裂南端闭锁，闭锁系数在0.787~0.864之间，闭锁深度在15 km左右，滑动亏损速率在2.223~2.432 mm/a之间。牛首山断裂中部强闭锁，闭锁系数由中部向两端递减，中部强闭锁系数在0.765~0.876之间，滑动亏损速率在2.433~2.453之间，闭锁深度在10 km左右。罗山断裂北端、南端闭锁，闭锁系数在0.723~0.867之间，滑动亏损速率在2.243~2.256 mm/a之间。烟筒山断裂北端闭锁，闭锁系数在0.789~0.865之间，闭锁深度在20 km左右滑动亏损速率在1.156~2.232 mm/a之间。六盘山断裂闭锁程度在0.001~0.884之间，存在5个闭锁区域，其中北端的闭锁区域闭锁范围最大、闭锁深度最深，达14 km (图6)；六盘山断裂的滑动亏损速率在0.004~2.519 mm/a之间，其中北部和中部滑动亏损分布速率较大。
反演过程中，断层模型的不同参数化对结果有一定影响，因此对于断层模型参数的设置需要尽可能接近断层实际情况[11]。由于《鄂尔多斯块体西缘断裂带基本活动特征和孕震分析》的断层参数来源于详细的野外调查结果，因此本文采用其断层模型参数进行负位错反演应当是一个合理的选择。
3.2.2. 跨断层速度剖面分析
为了进一步分析主要活动断裂断层运动情况，本文选取了4个跨断层速度剖面剖面(图7)，将4个剖面内断层两侧站点速度矢量分解为平行于断层的运动速率和垂直于断层的速率(图8)。
图8(a)~(b)分别给出了正谊关断裂平行于断层方向运动速率和垂直于断层方向运动速率。平行于断层方向，断层两侧均呈E向运动，断层以南运动速率大于断层北侧，相对运动速率在2~3 mm/a之间，显示断层呈左旋走滑运动(图8(a))。垂直于断层方向，断层南侧呈N向运动，断层北侧呈S向运动，相对运动速率在1~2 mm/a之间，显示断层呈挤压运动；这与地质结果给出的正谊关断裂走滑兼逆冲的运动性质一致(图8(b))。
图8(c)~(d)给出了银川盆地主要活动断裂跨断层速度剖面结果，平行于断层方向，银川盆地站点均呈N向运动；贺兰山东麓断裂两侧，西侧运动速率略大于东侧，相对运动速率在0.5~1 mm/a，显示贺兰山东麓断裂以微弱的速率呈右旋走滑运动；银川–平罗断裂两侧，西侧运动速率大于东侧，相对运动速率在2~4 mm/a之间，显示断层呈右旋走滑运动；黄河断裂两侧，西侧运动速率小于东侧，相对运动速率再1~2 mm/a之间，显示断层呈左旋走滑运动(图8(c))。垂直于断层方向，银川盆地站点均呈E向运动；贺兰山东麓断裂两侧，东侧运动速率大于西侧，相对运动速率在2~3 mm/a，断层呈拉张运动；银川–平罗断裂两
Figure 7. Distribution map of fault locking and slip deficit in Ningxia and its adjacent areas (Figure A and Figure B show the distribution of fault locking and fault slip deficit respectively)
图7. 宁夏及邻区断层闭锁与滑动亏损分布图(图A、图B分别为断层闭锁、断层滑动亏损分布图)
侧，东侧运动速率大于西侧，相对运动速率在1~2 mm/a之间，断层呈拉张运动；西侧运动速率大于东侧，相对运动速率在2~3 mm/a之间，断层呈挤压运动(图8(d))。
图8(e)~(f)为青藏高原东北缘弧形构造区的跨断层速度剖面结果，平行于断层方向，剖面内站点均呈S向运动；海原断裂两侧，西侧运动速率大于东侧，相对运动速率在2~6 mm/a之间，断层呈左旋走滑运动；香山–天井山断裂两侧，西侧运动速率小于东侧，相对运动速率在2~4 mm/a之间，断层呈左旋走滑运动；烟筒山断裂两侧，西侧运动速率小于东西，相对运动速率在1~2 mm/a之间，断层亦呈左旋走滑运动(图8(e))。垂直于断层方向，剖面内站点均呈E向运动；海原断裂两侧，断层西侧运动速率大于东侧，相对运动速率为2~4 mm/a，断层呈挤压运动；香山–天景山断裂两侧，西侧运动速率大于东侧，相对运动速率为2~3 mm/a，断层呈挤压运动；烟筒山断裂两侧，西侧运动速率大于东侧，相对运动速率为1~2 mm/a，断层呈挤压运动(图8(f))。综合来看，青藏高原东北缘弧形构造区的断层均呈左旋走滑挤压运动，且自西向东，随着越来越接近青藏高原边缘，相对运动速率逐渐减小。
六盘山断裂两侧，断层均呈S向运动，西侧运动速率略大于东侧，相对运动速率在1~2 mm/a之间，呈左旋走滑运动(图8(g))。垂直于断层方向，西侧运动速率大于东侧，呈挤压运动(图8(h))。
3.3. 结论与讨论
地震是地壳运动过程中产生应力应变集中、积累导致地壳局部发生脆性破裂错动并释放弹性应变能的过程[10]。因此，获取地壳弹性应变积累，特别是发震断裂带应变积累状态，对地震预测具有重要意义。相关研究表明，汶川8.0级地震[8]、芦山7.0级地震[9]、尼泊尔Mw7.9级[12]地震均发生在断层闭锁区域；昆仑山口西8.1级地震[10]、汶川8.0级地震[11]前均存在应变率场异常。根据以往震例总结，断层闭锁反映的往往是长期尺度的背景性异常，应变率场、速度场和应变率场异常可以在一定程度上揭示中短期异常，但应变率场往往对7级以上大震敏感，对5~6级地震往往反映较小，速度场对5~6级地震有
Figure 8. Results of cross-fault velocity profiles of major active faults
图8. 主要活动断裂跨断层速度剖面结果
一定反映。从以上分析来看，三关口断裂南端、罗山断裂北端及南端、烟筒山断裂北端、黄河断裂中北部、贺兰山西麓断裂、六盘山断裂北端存在闭锁，具备中长期发震背景。区域应变率场近年与长期应变率场无显著变化，未来1~3年宁夏及邻区发生7.0级以上大震的可能性较小。
基金项目
宁夏自然科学基金(2023AAC03806)。