Preliminary study on isostatic anomaly and recent tectonic stress field——Taking East China Sea and its eastern marginal seas as an example

On the basis of the reality of recent tectonic movement and discarding such a viewpoint that the isostatic adjust-ment only results from excessive or insufficient compensation,we have discussed the tectonic stress causing ine-auality and regarded the isostatic anomaly as a load on the earth‘s interior,thus the earth‘s inner stress can be cal-culated.The research results show that in the East China Sea and its eastern marginal seas the change of the verti-cal stress derived from the isostatic gravity anomaly is more marked than that of the horizontal stress.Along the Ryukyu trench there is an enhancement of vertical stress by 5MPa,which evidently reflects the effect of plate subduction.On contrary,along the island are to the northwest of the trench the vertical stress weakens by about5MPa.The horizontal stresses in eastern and western parts are obviously different,the east westward stress on the oceanic crust σx is negative(while the pressure is positive)but on the continental crust in positive.These facts indicate the effect of compression between plates.     

利用重力/GPS联合观测数据计算地壳垂向构造应力的新方法

本文提出一种基于重力/GPS联合观测数据计算垂向构造应力的新方法.计算步骤如下:(1)通过重力/GPS联合观测数据计算布格重力异常;(2)依据布格重力异常数据推算莫霍面深度;(3)依据GPS观测数据,通过均衡理论计算均衡面深度;(4)依据莫霍面与均衡面之间剩余物质(壳幔物质密度差)所承受的附加浮力,计算地壳承载的垂向构造应力.本文利用上述构造应力新算法,计算了巴颜喀拉块体东边界及周边地区垂向构造应力分布,发现龙泉山断裂带以东地区垂向构造应力基本为零,龙泉山断裂带与龙门山断裂带之间地区垂向构造应力为正值,巴颜喀拉地块东部垂向构造应力为负值.鲜水河断裂带东南段周边蓄积了-40~-50 MPa的垂向构造应力,且梯度变化剧烈;松潘高原蓄积的垂向构造应力大约为-10~-20 MPa,相对较小.     

重力与地形数据揭示的巴颜喀拉块体东缘垂向构造应力场

利用基于消去-恢复原理的最小二乘配置方法,对2009-2013年相对重力/GPS联合观测数据与EGM2008模型数据进行融合,更新了巴颜喀拉块体东缘地区的自由空气与布格重力异常场.基于该布格重力异常数据,以CRUST1.0地壳密度模型为初始条件,使用二维多边形棱柱体正演与非线性最小二乘反演方法,获取了巴颜喀拉块体东缘地壳分层密度结构.基于地壳不可压缩和均衡调整原理提出了计算垂向构造应力新方法,并结合上述地壳分层密度结构和地形数据计算了巴颜喀拉块体东缘垂向构造应力分布.结果表明,龙门山断裂带中南段蓄积了较高的正向构造应力(约40 MPa),马尔康周边地区蓄积了较高的负向构造应力(约—30 MPa).对研究区域1970年以来5级(Ms)以上地震进行统计发现,地震多发生在垂向构造应力梯度带上,垂向构造应力为正的地区易触发浅源地震,为负的地区易触发深源地震.在地壳横向变形强烈的区域,垂向构造应力与地震深度的对应关系减弱.     

东北亚地区地壳密度结构与垂向构造应力场

本文利用EIGEN-6C4重力数据和ETOPO1地形数据,在考虑物质密度横向不均匀的情况下,在东北亚地区展开地壳均衡研究,并重点分析了长白山的隆升机制.首先,针对穿越长白山和库页岛的两条近乎东西向的剖面（剖面A、B）展开详细研究,以CRUST1.0模型为初始条件,利用布格重力异常数据,基于Airy模型和Airy-Pratt模型分别反演了相应剖面的地壳密度结构,发现两剖面的地壳密度呈现一定程度的横向不均匀特性;接着基于上述密度结构和高程数据,利用Airy均衡理论计算了相应剖面的均衡面深度,并进一步比较莫霍面（Moho）和均衡面的差异,计算了剖面的垂向构造应力分布;然后,把上述方法应用到整个东北亚地区,计算了1°采样的21条东西向剖面的垂向构造应力,插值得到整个东北亚地区的垂向构造应力分布.结果表明,东北亚大部分地区垂向构造应力基本为零,总体处于均衡状态,长白山地区垂向构造应力为-15~-25 MPa,日本列岛垂向构造应力为-40~-50 MPa,太平洋海沟垂向构造应力为15~25 MPa;最后,本文运用自由空气重力异常导纳方法,计算了长白山地区的有效弹性厚度（T_e）和加载比,发现长白山地区的T_e为10 km,表明该地区的岩石圈较为柔软;加载比结果显示,岩石圈初始加载主要来自莫霍面,占总加载的78%,表明长白山的隆升主要源自地幔物质上涌.     

汶川MW7.9地震周边地区布格重力异常与岩石圈垂向构造应力场

前人研究给出, 龙门山断裂带中南段地壳均衡异常显著, 具有发生7级以上大地震的深部动力背景。 2016年6月, 我们围绕该均衡异常显著区域开展重力/GNSS加密观测, 提高了该地区布格重力异常和地壳均衡异常场的空间分辨率。 依据上述观测结果与前期同类观测数据, 反演了汶川M_W7.9地震周边地区地壳密度构造。 结果显示, 龙门山断裂带是地壳密度变化的高梯度带, 其东侧地壳较薄, 但其西部明显变厚, 上、 中、 下地壳变化趋势均呈现上述特征; 研究区东侧的莫霍面深度为35~40 km, 西侧为60~65 km。 此外, 利用重力/GNSS联合观测数据计算了汶川M_W7.9地震震中区周边地区岩石圈承载的垂向构造应力场, 结果表明, 汶川M_W7.9地震震中区北部、 宁强、 峨眉山周边地区蓄积了-30 MPa至-40 MPa的负向构造应力, 龙门山断裂带中南段蓄积了约40 MPa的正向构造应力, 区域最大垂向构造应力分布在龙门山断裂带中南段, 临近芦山M_W6.6地震。 统计结果表明, 地震多发生在垂向构造应力高梯度带附近, 或垂向构造应力的高值区域。     

华北地区中东部岩石圈挠曲与均衡特性以及地震活动性分析

华北地区中东部涵盖北京、天津以及即将建设的雄安新区等大型城市,区内发育了张渤地震带等多条大型活动断裂,地震活动性较强,历史上发生过多次6级以上地震.本文利用Fan小波的布格重力异常一致性方法研究该区的岩石圈有效弹性厚度和均衡调整初始加载比分布,同时基于均衡调整方法计算该区垂向构造应力分布,并将以上结果与历史地震活动进行统计分析.岩石圈挠曲分析表明,华北地区中东部的岩石圈有效弹性厚度为10~65 km,分布特征为自东南向西北逐渐减小.均衡调整初始加载比为0.5~0.8,表明现今的岩石圈挠曲状态主要由莫霍面加载形成.该区地壳承载的垂向构造应力约为-20~20 MPa,中西部地区垂向构造应力向上,东北和西南地区向下.统计分析结果显示,华北地区中东部的地震活动性随着岩石圈有效弹性厚度和均衡调整初始加载比的增加而减弱,垂向构造应力零值区域地震活动性较弱.雄安新区的岩石圈有效弹性厚度大约为15 km,均衡调整初始加载比为0.5~0.6,垂向构造应力为15~20 MPa,岩石圈参数对应的地震活动性较强,相关结果对于新区建设具有一定参考价值.     

新加坡地应力测量

2008年和2009年, 通过和新加坡宜康地质技术有限责任公司合作, 在新加坡18个浅钻孔中进行了水压致裂地应力测量. 通过测量获得了新加坡地壳浅部的现今应力状态, 为新加坡拟建地下管缆隧道设计施工提供了地应力依据, 也为世界应力环境数据库提供了参考. 测试结果表明, 在38.00~56.95 m深度域内最大水平主应力σ_h值为3.45~9.64 MPa, 最小水平主应力σ_h为2.49~6.28 MPa. 水平主应力和用上覆岩层重量计算的垂直应力σv之间的关系为σ_h>σ_h>σv,最大、最小水平主应力平均值分别是垂直应力平均值的5.13倍和3.23倍, 表明新加坡应力场以水平应力为主导. 初步分析认为, 新加坡陆域浅部构造应力场的量值大致呈南、北两端偏低, 中间高的态势, 在北端最大与最小水平主应力值都小于它们各自的平均值, 而南端则与平均值相当. 最大水平主应力优势方向为NE—NEE向, 该方向与前人在其邻区获得的构造应力场方向和由震源机制解反映的主压应力方向较为一致. 新加坡现今构造应力场状态与印度板块、澳大利亚板块、菲律宾板块与欧亚板块的汇聚作用有着密切的联系. 根据库仑摩擦滑动准则, 断层面摩擦系数取0.6~1.0, 分析了研究区内断层产生摩擦滑动的可能性.     

1997年玛尼地震对青藏川滇地区构造块体系统稳定性影响的三维DDA+FEM方法数值模拟

本文用三维非连续变形与有限元相结合（DDA+FEM）的方法,在青藏川滇地区三维构造块体相互制约的大背景中,通过用GPS资料做位移速率边界约束和震源机制约束,计算得到研究区的初始位移场和应力场与该地区GPS测量结果和震源机制分布结果基本一致.在此基础上进一步数值模拟1997年玛尼7.9级大震的发生过程,研究大震引起研究区各块体边界断层应力状态变化的特征.（1）发震断层两侧发生左旋走滑错动,最大水平位错大约7 m;（2）深部位错面上位错分布与用地震波资料震源反演的结果类似;（3）最大差应力变化等值线图与由星载D\|INSAR技术获取的地表形变场图像相似;（4）地表垂直位移表明地震断层面略向北逆冲.计算模拟得到了玛尼地震发生引起青藏川滇地区构造块体系统各边界断层上库仑破裂应力变化的分布,表明玛尼大震的发生除了使其发震断层的两端库仑破裂应力增大,应力进一步集中外,位于上地壳层上东昆仑断裂中段的2001年昆仑山8.1大震（H=11 km）发震断层段的库仑破裂应力增加约2 MPa,位于中地壳层上喀拉昆仑断裂带中的2008年改则6.9级地震（H=30 km）发震断层段的库仑破裂应力也增加约0.7 MPa,可见这两个已接近破裂强度地段的失稳对发生大震起了一定促进作用.研究结果也表明：作者发展的三维DDA+FEM方法能有效地用于大震活动与各构造块体相互作用关系的研究.     

The Vertical Deformation and Horizontal Displacement Fields,Movement, and Seismicity of the Island Arc Tectonics

In this work,the vertical deformation,horizontal displacement,and stress fields of arcuate tectonics are theoretically derived from the horizontal tectonic stress; then the characteristics of tectonic movement,seismicity,and focal mechanism of arcuate tectonics of the entire world are explained.It is pointed out that the island arc and other arcuate tectonics are gradually developed under the displacement and stress fields of the arcuate tectonics and that the under-thrusting action of the ocean plate is secondary.The distance formulas between the volcanic arc and the trench are suggested and also that theoretical results are consistent with actual data.     

中国大陆与各活动地块、南北地震带实测应力特征分析

本文以"中国大陆地壳应力环境基础数据库"为基础,补充了迄今为止查阅到的中国大陆水压致裂法与应力解除法的实测地应力数据,在1474个测点上得到3586条数据,研究区经度范围75°E－130°E,纬度范围18°N－47°N,深度范围0~4000 m,基本覆盖了中国大陆的各活动地块与南北地震带各段等研究区.本文采用等深度段分组归纳的方法解决了实测地应力数据样本数量沿深度分布的不均匀问题,给出了中国大陆与各研究区地壳浅层测量深度范围内应力量值、方位特征.结果显示:(1)中国大陆地壳浅层最大水平应力、最小水平应力、垂直应力随深度呈线性增加;(2)中国大陆地区侧压系数随深度的变化特征为:浅部离散,随着深度增加而集中,并趋向0.68,D=465 m是水平作用为主导向垂直作用为主导的转换深度,K_av=1;(3)中国大陆水平差应力在地表为3 MPa左右,随深度增加以5.8 MPa/km的梯度增大;(4)在测量深度范围内,中国大陆各研究区最大水平应力中间值(深度为2000 m时的统计回归值)从大到小的顺序是:青藏地块63.6 MPa、南北带北段57.3 MPa、华南地块51.4 MPa、华北地块50.5 MPa、南北带中段47.9 MPa、西域地块47.5 MPa、南北带南段45.4 MPa、东北地块44.8 MPa,总体表现为"西强东弱"的基本特征,反映了印度板块与欧亚板块的强烈碰撞是中国大陆构造应力场强度总体特征的主要来源;(5)与其他研究区相比较,青藏地块地壳在从南向北的挤压作用下呈现出明显的"浅弱深强"特点;(6)最大水平应力方向的总体特征,基本以青藏高原为中心,呈辐射状展布,由西向东,从近N-S方向逐步顺时针旋转至NNE-SSW、NE-SW、NEE-SWW、NW-SE方向,与深部的震源机制解研究结果有一致性.     

巴颜喀拉地块东部及邻区重力均衡与岩石圈有效弹性厚度

基于SIO(Scripps Institute of Oceanography)最新全球重力和高程模型,计算了巴颜喀拉地块东部及邻区的布格重力异常、均衡重力异常、岩石圈有效弹性厚度及荷载比.结合大地热流、地震速度结构、地震活动和断裂构造分布等,分析了地壳均衡状态和岩石圈有效弹性厚度、地质构造单元间的差异及与地震活动的相关性特征.研究结果表明,该区域布格重力变化范围约为-500～0mGal(1mGal=10~(-5)m·s~(-2),下同),在巴颜喀拉块体东部区域形成弧形重力梯度带,近年来的中强地震活动频发于该梯度带不同部位,应与其应力依次释放有关;均衡重力异常结果表明,其变化范围约为-80～+100mGal,且大部分区域处于±20mGal以内的被认为处于重力均衡的状态,重力非均衡(正或负)多出现于块体边界带附近,地震多发生在靠近块体边界的均衡重力异常(正或负,主要为正)区域内;巴颜喀拉地块东部及邻区岩石圈有效弹性厚度(T_e)为10～65km,不同构造单元之间T_e空间分布差异明显,较低的T_e值出现在龙门山构造带附近,T_e值为20km左右,岩石圈荷载加载比为0.5～0.8,表明现今的岩石圈挠曲状态主要由莫霍面加载形成.进一步分析表明,巴颜喀拉地块东部挤压增生与横向流动同时发生,是造成该区域地震发生与重力均衡异常高值重合、岩石圈有效弹性厚度和大地热流值较低的主要原因.本文获得的地壳均衡特征及岩石圈有效弹性强度结果,加深了对巴颜喀拉东部及邻区岩石圈构造演化过程的认识.     

Volcanoes and regional geophysical trends

Active volcanoes occur in at least two fundamentally different tectonic settings. Taphrogenic volcanoes are aligned along the mid-ocean fracture system which is characterized by a broad ridge of rugged relief, «tensional» horizontal stress components perpendicular to the ridge, shallow earthquakes in a zone vertically beneath the ridge crest, thin to normal occanic crust and low to normal seismic velocities in the uppermost mantle, positive free-air gravity anomalies, and high heat flow. Orogenic volcanoes are aligned along the mobile Pacific rim and Indonesian archipelago which are characterized by double or single arcuate ridges with a deep oceanic trench on the convex side, compressional horizontal stress components perpendicular to the arcs, shallow to deep earthquakes in a zone dipping from the trench to beneath the volcanoes and beyond, transitional crustal thicknesses and seismic velocities, parallel belts of negative and positive free-air gravity anomalies from the trench to the volcanic arc, and low heat flow from the trench. The diverse nature of most geophysical lineaments associated with volcanism suggests that magma generation is independent of these phenomena. The remaining correlation of shallow earthquakes with taphrogenic volcanocs and intermediate depth earthquakes with orogenic volcanoes suggests that active fracture systems reaching these depths can tap latent magma sources. Seismic evidence for a low velocity layer beginning 100 km beneath continents and 60 km beneath oceans gives independent support to this hypothesis.     

地壳的均衡差运动──一种新的地壳构造运动理论模式的简介

本文提出了地壳的构造运动，本质上是地壳与岩层的均衡差运动。它主要由重力作用产生的三种形式的差应力所推动：一是地球整体意义上的真正的重力均衡差应力；二是水平向的均衡差应力；三是垂直向的均衡差应力。本文讨论了这三种差应力产生的机制与规律，三种均衡差运动的规律与地壳实际构造运动普遍存在的对应关系，此外还讨论了地壳构造运动不息的主要原因。     

2011年M_W9.0东日本大地震动力学破裂过程的数值模拟

力学上,地震可以看作在应力场作用下由于断层带介质的突然损伤或软化导致的断层带失稳事件.本文基于这个地震动力学模型,利用一种可以模拟断层大位错的有限元方法,研究了2011年MW9.0东日本大地震(Tohoku-Oki)的动力学破裂过程.比较了无障碍体和具有不同刚度障碍体的断层带模型产生的断层位移、位错和应力降.主要结果表明,障碍体的存在并不明显地改变障碍体区域的初始构造应力场.对有障碍体情形,准静态结果显示断层上盘最大逆冲位移和最大剪切位错分别为51m和58m,均发生在海底表面海沟处,与无障碍体的结果(最大剪切位错约55m)相比差别不大;下盘最大倾向位移(-10m)并不与上盘最大值出现在同一位置,而是在障碍体处.障碍体处剪应力降(约11 MPa)大于周围非障碍体区域.障碍体处正应力降的最大值约为3 MPa.模拟结果似乎不支持海山是导致本次地震异乎寻常大位错的原因,而倾向于断层带剪切刚度在地震过程中极度损伤或软化.     

Isostasy of the Eastern Anatolia (Turkey) and Discontinuities of its Crust

This paper presents a probable isostatic model of the East Anatolian Region, which lies in a belt of significant plate movements. Probable locations of the horizontal and vertical discontinuities in the crust structure were determined using the normalized full gradient (NFG) method. For the purpose of explaining the mechanism that supports topography corresponding to the crust thickness in the region, calculations of effective elastic thickness (T _e) were carried out initially by utilizing admittance and misfit functions. According to these results, the effective elastic thickness value obtained was less than the crust thickness, even though the isostatic model does not conform with the Airy model. Consequently, it was assumed that there could be problems beneath the crust. Hence, the NFG method was applied on the Bouguer gravity data of the region in order to investigate probable discontinuities in the crust structure. According to the NFG results, vertical structural transitions were observed at a depth ranging between 10 and 30 km, which begin immediately north of the Bitlis Zagros Suture Zone (BZSZ) and continue in a northerly direction. The relationship between the effective elastic thickness (T _e; 13 km in average as determined in the last stage), and the seismogenic zone in the region was investigated. If the T _e value happens to be less then the crustal thickness, then one can say that there are problems in the crustal structure of the region similar to Eastern Anatolia. Indeed, when NFG results of the study area are examined, numerous vertical and horizontal discontinuities in the crust can be observed. These discontinuities, which correspond to low Bouguer gravity anomalies and shallow focal depth-earthquakes, are probably the source of the factors which rule the tectonic mechanism of the region.     

论华北地区的均衡状态(二)——复合补偿与深部构造

由试验均衡的理论出发,得到了该区的均衡响应函数并建立了复合补偿模式。地形高度对重力场的影响很复杂,波长小于300km的地形起伏具有偏高的均衡响应值。 局部补偿是华北地区的主要补偿机制,所占比例达90%。区域补偿的等效弹性板厚度偏小,仅18km, 表明了华北地壳破裂程度严重和下地壳流变性突出。 均衡重力异常具有块体分布和均衡调整方向同新生代构造运动方向不完全符合等特点,其中一些成分是由于表浅层地质体的非均匀载荷所造成,不能简单地归因于欠补偿或过补偿。均衡异常的垂直导数分布清晰地揭示了华北地区几条重要的断块分界线。从深部构造上看,均衡补偿过程发生在下地壳特别是上地幔中。本文从均衡的角度探讨了地震危险性。      

基于Monte Carlo方法数值反演区域初始构造应力场——以巴颜喀拉块体为例

构造应力场往往对地震活动性具有控制作用,应力快速集中的地方常常是地震频繁发生的地方.本文以巴颜喀拉块体及其边界断裂带近20年来的7次中强震为例,结合区域历史地震震源信息、地质背景及GPS等观测数据,利用Monte Carlo方法和库仑-摩尔破裂准则为计算依据,反演该块体的震前初始构造应力场.通过将初始应力场反演中不确定部分限定在一个合理的上下限范围内进行独立的重复性随机试验,并运用统计学方法得到了巴颜喀拉块体1997年玛尼M_W7.5地震震前区域初始应力场.计算结果显示：（1）巴颜喀拉块体10 km深度处最大水平主应力方向自西向东呈顺时针旋转趋势,由NS向转变为近EW向,与浅部实测地应力数据、历史地震类型和板块运动方向吻合较好.（2）最大/最小水平主应力和二者差值自西向东均逐渐增加,最大水平主压应力值~400 MPa,最小水平主压应力值~250 MPa.差应力在昆仑山断裂带与阿尔金断裂带交汇处及甘孜—玉树断裂带西段较低（~150 MPa）;在昆仑山断裂带东端和甘孜—玉树断裂带的东南段局部地区较高（~220 MPa）.     

利用黏弹性有限元模型研究挪威北海北部地区末次冰期以来的冰后回弹和应力演化

挪威北海北部在末次冰期存在较大范围的冰盖,其冰盖的加载和卸载会对地表变形和内部应力调整产生重要影响.本文基于Maxwell黏弹性本构关系,根据初应力法自主开发了一套Maxwell黏弹性体有限元程序,它可以考虑重力和构造加载、地球介质弹性的纵向和横向不均匀性以及黏性的分层性,可以计算冰川载荷变化引起的地球表面变形及内部应力状态的变化.利用它研究了挪威北海北部1.1 Ma以来的冰川载荷变化、特别是两万多年以来冰盖的消退引起的地表冰后回弹.结果表明,自2万年以来,冰后回弹效应在冰盖载荷变化的不同阶段呈现明显的时空变化,现今地表垂直变化速率为几个毫米/年,与观测结果一致.下地壳和上地幔的黏弹性松弛效应明显,上地壳的应力状态在现今海岸线两侧存在差异性,水平和垂直正应力变化可达几十兆帕,剪应力变化有一个先增加后迅速减小至零的过程,与古地震、现今地震时空分布及应力测量结果也比较符合,研究结果有助于加深对冰后回弹的动力学过程的认识.     

闽粤沿海全新世垂直构造运动的速率

基于华南地区新构造运动具有断块垂直差异运动的特征,本文主要根据目前已测定的,分布于闽粤沿海地区的若干个全新世海相沉积物的放射性年代,海拔高度等数据,初步估算和对比闽粤沿海不同断块构造区的垂直构造运动的速率,并探讨它与地震活动的关系     

中国大陆应变应力场研究

根据1999～2009年网络工程GPS观测资料计算得到的应变率参数,研究了中国大陆地壳的应变应力场及其地壳现今的水平活动特征。结果表明,中国大陆地壳西部青藏亚板块的压应力主方向围绕藏南和阿萨姆构造结向北、东、南依次辐射撒开。新疆亚板块自西向东由近SN向变为NE向。中国大陆东部地壳的压应力主方向自北向南由NEE变为近EW向,再变为SEE向。中国大陆主压应力作用强度西部显著大于东部。中国大陆地壳西部强于东部,南部强于北部,现今西部地壳以挤压、走滑为主,东部地壳既有挤压、走滑,也有拉张。