2001年MW7.8昆仑山地震震后形变观测、机制与青藏高原中北部岩石圈流变:认识与挑战

2001年M_W7.8昆仑山地震是近半个世纪以来青藏高原发生的最大震级地震。同震破裂产生的巨大应力扰动驱动控制着显著震后形变。二十年尺度的大地测量数据记录了地震后长时间、大范围、时空依赖的震后形变演化过程及差异,揭示了昆仑山地震破裂段复杂的断层分段震后运动学特征、分段摩擦性质差异和青藏高原中北部岩石圈流变性质/结构横向各向异性。本文简要回顾昆仑山地震后基于二十年尺度时序InSAR和GPS的震后形变观测方法和时空特征,特别是时空密集的InSAR观测,是该构造区震后GPS观测的重要补充及其不可替代的观测手段;总结大范围震后形变模拟方法及其揭示的震后运动过程、多种动力学机制及其关系。最后总结提出昆仑山地震震后形变20年研究取得的科学认识及尚待深入研究的科学问题,一方面要持续性地对东昆仑断裂带大范围地表形变进行观测研究;另一方面,要不断更新震后形变模型,进一步深化对该断裂带地震周期形变、区域构造对周期形变控制作用、复杂断层运动时空演化机制的认识。      

青藏高原东南缘的地壳各向异性及S波速度结构研究

<正>青藏高原东南缘地区是欧亚板块与印度板块碰撞的强烈变形地带,地质构造复杂,地震活动频繁,是研究青藏高原地壳形变模式和构造演化规律的重要地区。通过青藏高原东南缘地区的壳幔各向异性及深部结构的研究,可以讨论在青藏高原物质东向挤出作用下,青藏高原东南缘的地壳变形模式及其与区域构造应力的关系、块体之间的相互作用、深部的动力学     

青藏高原东北缘地壳地震各向异性研究进展

青藏高原东北缘是青藏块体与华北块体的接触前缘部位,是研究青藏高原隆升扩张和深部动力学问题的重要区域。本文收集了青藏高原东北缘及其邻区由不同方法和不同资料获得的地壳地震各向异性结果,介绍了中上地壳和全地壳各向异性特征;结合区域地质构造、地表运动、构造应力和深部结构,分析了研究区域地壳各向异性的区域分布特征及其与地质构造的关系。结果表明,青藏高原东北缘地震各向异性存在明显的横向区域差异性,体现区域深部构造和地壳介质变形的复杂性;上地壳与全地壳的垂向差异性,反映出该区域可能存在各向异性分层现象。由于青藏高原隆升在其东北缘的伸展边界、物质运移及深部动力模式等尚处在探讨之中,结合多种数据并综合多种方法分析,有助于获得精细、准确的地震各向异性信息,为研究青藏高原隆升演化机制和深部动力模式提供有效的约束。     

基于地下水位观测的震后孔隙回弹：以2000年冰岛地震为例

以2000年两次M_W 6.5冰岛地震为例，利用近场地下水位的同震响应和震后响应约束孔隙模型参数，分析了孔隙回弹效应造成的地表变形大小和时间演化过程。首先利用数值模拟方法获得地震造成的孔隙压力变化和测井水位响应的时间序列，并以测井水位的同震阶跃幅值和震后水位恢复速率分别约束孔隙模型中的Skempton系数和扩散系数；然后基于孔隙弹性模型使用最优孔隙参数模拟震后孔隙回弹效应引起的地壳变形。结果显示：孔隙压力的同震响应控制着孔隙回弹引起的地壳变形，其变形速率与流体扩散系数呈正相关关系；孔隙回弹造成的变形以垂直向为主，且随时间快速衰减。因此，利用近场地下水位的同震响应和震后响应可以约束孔隙模型参数，为获取震后孔隙回弹机制所致的地壳变形提供依据。     

青藏高原东北缘岩石圈变形方式的动力学模拟研究

青藏高原东北缘是青藏高原横向扩展的前缘位置,其岩石圈变形方式和动力学机制是理解青藏高原横向扩展模式的关键.本研究利用数值模拟方法,以地表地形、岩石圈结构和地表热流等观测为约束,重点讨论了流变强度差异对青藏高原东北缘岩石圈变形方式的影响.结果表明:当青藏高原周缘地块岩石圈地幔强度相对较高,地壳强度相对较低的情况下,在不断扩展的青藏高原挤压作用下,周缘地块地壳增厚,增厚的地壳在重力作用下使得下覆岩石圈地幔俯冲下插;而当周缘地块岩石圈地幔强度非常高,则有限的地壳增厚不能使其俯冲下插,只能在地壳部分形成有限的缩短变形;低黏滞性、高速流动的下地壳使得下地壳整体增厚,从而对青藏高原地表的整体抬升有重要贡献,而对岩石圈地幔的变形方式影响有限.     

中国地震大地测量——半个世纪的历程与科学贡献

自1966年邢台地震以来,中国尝试用大地测量手段监测地震变形,至1976年唐山地震,变形监测到达高潮,但受地面技术局限,20余年可以用于分析震源的震例寥寥。自20世纪90年代初全面进入空间观测时代以来,境内或边邻6级以上强震大多数有相应的近场变形观测和破裂模型研究,这其中又以2001年昆仑山口西、2008年汶川和2015年廓尔喀3次特大地震的变形资料相对完整、破裂特征清晰、理论成果丰富,成为近期大陆内部最引人注目的大震事件。近30年来,对包括中国台湾在内的60余次强震变形的系统研究丰富了人们对区域地震活动性及危险性的认识,也为青藏高原构造演化研究提供了观测依据与理论参考。半个世纪积累的经验、夯实的基础以及未解的难题更为未来的地震大地测量提供了历史借鉴、前进动力和发展方向。     

2022年1月8日青海门源MS6.9地震震前变形特征分析

2022年1月8日1时45分27秒青海海北藏族自治州门源县发生 M_S6.9地震,基于大地测量资料详细分析震源区的构造运动、应变演化以及深部变形特征,对于发震机理及震后危险性分析具有重要的意义。本文利用1991—2016、2017—2020期中国大陆地区GNSS速度场,分析了青藏高原东北缘各断裂带的运动学特征、门源地震震中和周边区域的地壳应变及其动态演化特征;结合剖面投影和非线性拟合算法,定量计算了托莱山、冷龙岭断裂的滑动速率和闭锁深度,得到以下认识:①青藏高原东北缘不同断裂带的运动学特征差异较大,整体以地壳缩短运动为主,局部区域伴随旋转运动; ②震中位于面膨胀率和最大剪应变率高值区的边缘,与前人关于强震地点的认识基本一致; ③区域应变参数的时空演化过程显示,震中附近应变特征整体变化不大,表明断层可能处在孕震晚期阶段; ④托莱山断裂带具有较高的滑动速率和闭锁深度,结合库仑应力的研究结果认为,该断裂未来一段时间的地震危险性仍值得关注。     

汶川地震震后短期青藏高原东北缘地壳变形特征成因讨论

2007—2009年时段GPS数据资料显示青藏高原东北缘地区地壳运动较前期(1999-2007年时段)发生明显变化.本文分别对汶川地震同震影响、震后粘弹性松弛影响和震后余滑影响进行了分析.结果表明,同震对该区域地壳变形特征的形成存在一定影响,而震后粘弹性松弛和余滑产生的影响均可忽略不计.分析认为,对于中国大陆这种多块体系统而言,现有的震后变形机制并不能充分解释震后短期某些区域地壳运动变形特征的形成,汶川地震震后短期青藏高原东北缘的地壳变形特征的形成可能主要与震后块体运动调整有关.     

青藏高原东南缘岩石圈变形特征及各向异性成因分析

正新生代印度大陆和欧亚大陆的碰撞引起了青藏高原强烈的变形和隆升,青藏高原东南缘作为在板块碰撞作用下高原物质向东南扩展的重要场所,其结构和动力学过程对于了解青藏高原的构造演化至关重要。地震波各向异性是了解地球内部物质变形方式的重要手段,近年来在青藏高原东南缘开展了大量的地震波各向异性测量,包括Pms震相、SKS震相等,并针对相应的地球物理测量结果提出了构造模型,但这些构造模型缺乏来自深部岩石学方面的约束来确定地球物理测量结果解释的合理性和可靠性。已有研究表明地震波各向异性主要受岩石     

基于地壳双层结构假设的大陆强震孕震机制探讨

通过对地壳低速高导层和地震震源深度等有关资料的分析研究,在对地震发生前兆、特征及物理机制研究的基础上,初步提出了一个简单的地壳双层孕震模式:地壳存在有两层孕震结构,上层为主孕震层,是地震应力集中积聚和发震后释放应变能的地方,主要是岩石发生脆性变形层,深度在中上地壳范围内;下层为低速高导层,是诱发和加强上层脆性层岩石变形、应变能积累和破裂的主要因素之一,处于岩石脆—韧性变形的过渡带,强震的发生与本层有着密切的关系,深度在中下地壳范围内。同时基于该双层孕震假设讨论了强震的孕育环境及作用。     

龙门山断裂带深部构造变形的黏弹性模拟及其与强震活动的关联性探讨

根据龙门山断裂带地区的主要构造特征,建立该地区的有限元模型,同时考虑地下深处的黏弹性蠕动和不同部位间的接触关系,模拟计算了研究区在强震轮回活动中的时间演化历程.模拟结果表明:龙门山断裂带深处的滑动速率比浅表的滑动速率大,龙门山断裂带周围是相对容易发生应变积累的地区,其5~19km深度也是高应力聚集成核区,随时间推移的应力集中程度加剧而引发强震.本模拟分析证实了重复地震观测所揭示的龙门山断裂带存在深浅活动速率差异的现象,这在一定程度上可以解释出乎预料的汶川MW7.9地震的孕育机理.综合分析研究提出:应充分利用重复地震这一天然的"地下蠕变计(subsurface creepmeter)"来探测深部构造变形的活动,为强震危险性分析提供必要的"原位(in situ)观测"约束信息.     

岩石圈结构对大地震震后形变的影响——以1976年唐山大地震和2001年昆仑山大地震为例

大地震发生之后通常会诱发一系列的余震序列,对比1976年M_S7.8唐山大地震和2001年M_S8.1昆仑山大地震周边区域的地震事件可以看出,唐山大地震余震活动时间要明显长于昆仑山大地震余震活动时间.余震序列往往与震后形变密切相关,而影响震后形变的因素不仅与地震发震断层和震级有关,同时与岩石圈的结构有关.考虑到唐山大地震的发震区华北地块和昆仑山大地震的发震区青藏高原有着较大的岩石圈结构差异,本文采用PSGRN/PSCMP软件计算了岩石圈分层模型的大地震同震和震后形变,分析了地壳弹性模量、弹性厚度以及黏滞性系数对同震和震后形变的影响,进而讨论了影响唐山地震和昆仑山地震余震序列差异的原因.计算结果显示,震后形变会在黏弹性效应的作用下逐渐调整,震后形变的持续时间与地壳弹性模量、地壳弹性厚度和下地壳黏滞性系数有关.上地壳和下地壳弹性模量越大,震后形变达到稳定值的时间越短,弹性模量对震后形变稳定值影响很小.地壳弹性厚度越大,震后形变达到稳定值的时间越短,当断层面底端深度小于地壳弹性厚度时,地壳弹性厚度的增加会引起震后形变稳定值的减小;下地壳厚度对震后形变达到稳定值的时间和稳定值基本无影响.下地壳黏滞性系数越大,震后形变达到稳定值的时间越长,反之亦然.结合唐山地震区的华北地块和昆仑山地震的青藏高原深部结构发现,两者之间的上地壳弹性模型差别不大,唐山地震区地壳弹性厚度略大于昆仑山地震区,但昆仑山地震区下地壳黏滞性系数明显低于唐山地震区.这些因素均决定了昆仑山地震的震后形变持续时间短（余震时间序列短）而唐山地震的震后形变持续时间长（余震时间序列长）.由此可见,岩石圈结构差异可能是导致唐山地震和昆仑山地震余震序列差异的主要因素之一.     

青藏高原东北缘断层系统的大地震迁移概率及断层滑动速度的分段特征

青藏高原东北缘是青藏高原隆升、生长及变形前缘.区域地震活动频繁,且地震在其主要断层带之间时空迁移.为了研究区域大地震在主要断层带之间的迁移规律与概率,以及主要断层带大地震破裂的时空分布特征,本文建立了青藏高原东北缘地区的三维黏弹塑性有限元模型,模拟了区域断层系统的地震循环,得到了人工合成的万年时间尺度的地震目录.根据模拟的地震目录,并结合古地震数据,计算分析了大地震(MW≥7)在研究区各个主要断层带之间的迁移概率,探讨了黏度、高程、统计时间长度等因素对大地震在各主要断层带之间的迁移概率和大地震在各主要断层带上的发生概率的影响,并且初步调查了海原断层带和香山天景山断层带的大地震破裂时空分布特征.研究结果显示:继区域最近两次大地震(1920年海原断层带上的M8.5海原大地震和1927年香山天景山断层带上的M8古浪大地震)之后,下一次大地震(MW≥7)发生在海原断层上的概率最大,约为51%～81%;其次是在香山天景山断层上,概率约为9%～37%.模型结果显示,不同的青藏高原中下地壳上地幔黏度大小,对大地震在各个断层带之间的迁移规律和迁移概率的影响较小;而研究区的高程载荷对地震迁移则有显著的影响:高程载荷易于使得海原断层地震活动减弱及香山天景山断层的地震活动增强.研究结果也显示了青藏高原东北缘地区主要断层带的地震活动与断层滑动速率分布的分段性显著;大地震在断层带上的破裂位置并不固定,呈现不均匀性;并暗示了断层几何形状对地震活动、断层滑动速率分布与大地震破裂位置的控制作用.     

地壳流变结构控制作用下的龙门山断裂带地震发生机理

青藏高原东缘低地形变速率的龙门山断裂带上相继发生了2008汶川M_w7.9级地震和2013芦山M_w6.6级地震.地震勘探与震源定位结果揭示了龙门山区域地震空间分布特征：纵向上,龙门山断裂带这两次地震主震均发生在龙门山断裂带上地壳的底部（14~19 km）,绝大部分余震均发生在上地壳范围（5~25 km）,而在其中、下地壳深度范围内鲜见余震发生;横向上,地震（M_w>3）在龙门山断裂带青藏高原一侧密集分布且曾有大震发生,而四川盆地地震稀少（M_w>3）.为探讨龙门山断裂带地震发生机理,并解释以上龙门山区域地震空间分布特征,本文建立了龙门山断裂带西南段跨芦山地震震中区域的四种不同流变结构的龙门山断裂带三维岩石圈模型,以地表GPS观测资料为约束边界条件,数值模拟龙门山断裂带岩石圈在数千年以上长期匀速构造挤压作用下的应力积累特征,探讨了地壳分层流变性质对地壳应力积累的影响,分析了该区域地震空间分布与构造应力积累速率的关系.计算结果表明：该区域在数千年的应力积累过程中,脆性上地壳中应力表现近于恒定值的线性增长趋势,龙门山断裂带上地壳底部出现应力集中积累现象,这一应力集中现象可以解释龙门山断裂带汶川地震与芦山地震主震的发生,及其大部分余震在脆性上地壳中的触发;青藏高原一侧上地壳应力积累速率远远高于四川盆地的应力积累速率,这一应力积累分布现象可以解释龙门山区域青藏高原一侧地震密集而四川盆地地震稀少的地震空间分布特征;通过比较不同流变结构模型中的应力积累状态,认为导致这一应力积累空间分布状态的重要控制因素在于青藏高原中、下地壳较低的黏滞系数与四川盆地中、下地壳较高的黏滞系数的差异.在柔性的中、下地壳内,应力增长近于指数形式,稳定状态之后其应力增长速率近于零,构造应力积累难以达到岩石破裂强度,因而鲜见地震发生.地壳各层位的应力增长率差异与地震成层分布的现象共同揭示了龙门山区域岩石圈分层流变结构：脆性上地壳、韧性中、下地壳（青藏高原一侧较弱,四川盆地一侧较强）、韧性岩石圈上地幔.     

青藏高原东南缘地震各向异性及其深部构造意义

青藏东南缘是青藏高原物质东流的通道,为了更全面了解复杂的岩石圈结构和强烈的变形特征,本文介绍了青藏东南缘岩石圈各向异性的形态,综合其他研究者得到的该区域壳幔各向异性结果,增加了部分新的资料,更新了青藏东南缘岩石圈方位各向异性图像,探讨了区域深部构造意义.
基于近场小震、远震和背景噪声资料计算结果,青藏东南缘地震各向异性展现出独特的区域空间分布和垂向层次性分布形态,展现了3个主要特征.（1）青藏东南缘上地壳各向异性与地表变形测量结果相符,快剪切波偏振方向（即快波方向）呈现与地表运动特征一致的发散性,与主压应力方向一致,但受到地质构造的影响.（2）青藏东南缘下地壳方位各向异性展现了更好的方向一致性,但方位各向异性程度相对较弱,在红河断裂带西北端部和小江断裂带下方有两个下地壳低速区,其方位各向异性程度与上地壳相当.（3）青藏东南缘岩石圈方位各向异性,呈现南、北分区特征,南北分界线大致在26°20'N,快波方向在北部近似为NS方向,在南部近似为EW方向.
本文推测：（1）在26°20'N北侧的上地幔有较厚的高速体,高速体南侧边缘呈现出近EW走向的直立墙形构造,其南侧软弱的上地幔物质在EW方向上流动,导致了岩石圈方位各向异性特征在空间发生突然的变化,快波方向由北部的NS变为南部的EW方向;（2）小江断裂带是现今的华南地块的地壳西边界,但岩石圈尺度的方位各向异性展现出的趋势性表明,华南地块的上地幔物质越过了小江断裂带到达其西侧,揭示了华南地块与青藏地块接触碰撞造成的岩石圈物质变形和上地幔软流圈物质运移的深部图像.地震各向异性能揭示区域深部构造与介质变形的信息,不同观测资料的综合分析有助于获得更清晰的各向异性三维图像.     

青藏高原东缘的地壳流及动力过程

黏滞性地壳流对地壳及上地幔变形作用及动力机制,是大陆新生代造山带的一个重要研究内容.青藏高原中下地壳存在部分熔融或含水物质的黏滞性流体,已为一系列地球物理及岩石学研究所证实.为研究青藏高原东缘地壳流的动力作用,本文用密集的被动源宽频带地震台的观测数据,反演了地壳上地幔精细速度结构和泊松比.研究表明,川西及滇西北高原的中地壳内普遍存在低速层,而高泊松比的地壳只分布在川西北地区.位于中地壳的黏滞性地壳流从青藏高原腹地羌塘高原流出,自北西向南东流入青藏高原东缘.这些黏滞性地壳流带动了上地壳块体水平移动,当它们受到刚强的四川盆地及华南地块阻挡时将发生分层作用,地壳流将分为二或更多分支不同方向的分流,向上的一支地壳流将对上地壳产生挤压,引起地面隆升,向下的一支地壳流将使莫霍面下沉加厚下地壳·黏滞性地壳流的运动在地壳中产生应变破裂发生强烈地震活动,地震的空间分布与震源机制也受到地壳流动力作用控制.     

基于横波分裂的青藏高原多圈层各向异性研究进展

有关青藏高原横波分裂的各向异性研究已经开展了近30年,在理论方法和实际应用方面取得了重要进展,并获取了大量的横波分裂测量结果,为认识青藏高原壳幔各向异性变形特征和动力学机制提供了重要的依据.本文首先介绍了地震各向异性的来源与应用,随后回顾了横波分裂分析方法的发展,简述了各种横波分裂方法的原理,最后通过总结近30年来青藏高原上地壳、整个地壳和上地幔横波分裂各向异性研究成果,系统分析了青藏高原壳幔各向异性变形特征.基于各横波分裂结果的对比分析来看,XKS波分裂测量结果最为稳定,近震直达S波分裂测量结果次之,而Pms波分裂测量结果相对离散,往往相同区域内不同的研究结果差异较大,主要原因可能是相比XKS波和近震直达S波,Pms波的信噪比较低,次要原因可能是各研究在方法和处理分析等方面的差异.     

Three-dimensional crustal velocity structure model of the middle-eastern north China Craton (HBCrust1.0)

Lithosphere thinning and destruction in the middle-eastern North China Craton (NCC), a region susceptible to strong earthquakes, is one of the research hotspots in solid earth science. All 42 seismic wide-angle reflection/refraction profiles have been completed in the middle-eastern NCC. We collect all the 2-D profiling results and perform gridding of the velocity and interface depth data, building a 3-D crustal velocity structure model for the middle-eastern NCC, named HBCrust1.0, by using the Kriging interpolation method. Our result shows that the first-arrival times calculated by HBCust1.0 fit well with the observations. The result demonstrates that the upper crust is the main seismogenic layer, and the brittle-ductile transition occurs at depths near interface C (the interface between upper and lower crust). The depth of interface Moho varies beneath the source area of the Tangshan earthquake, and a low-velocity structure is found to extend from the source area to the lower crust. Based on these observations, it can be inferred that stress accumulation responsible for the Tangshan earthquake may have been closely related to the migration and deformation of the mantle materials. Comparisons of the average velocities of the whole crust, the upper and the lower crust show that the average velocity of the lower crust under the central part of the North China Basin (NCB) in the east of the craton is obviously higher than the regional average. This high-velocity probably results from long-term underplating of the mantle magma.     

基于GPS观测研究2010年青海玉树MS7.1地震震后地壳形变特征及其机制

2010年4月14日青海玉树M_S7.1地震发生在青藏高原东南部甘孜-玉树地震带,在震后7~10天内,我们快速建立了由15个GPS测站组成的跨地震破裂带观测剖面,包括1个连续站,3个半连续站和11个流动站,对所有站进行了240多天的观测,获取了该次地震的震后形变时空特征.采用欧拉矢量和位错模型解算了背景速度场,并从GPS观测的形变场中扣除该分量.采用分层黏弹性位错模型计算余震引起的地表形变,结果表明余震对部分测站的位移造成不可忽视的影响.采用对数模型拟合位移时间序列,表明特征衰减时间为6.7±1.2天.利用最速下降法反演震后余滑时空分布,反演结果表明震后断层活动以左旋滑动为主,断层南盘具有少量的抬升.在空间分布上,余滑主要位于同震破裂区的两侧,西北侧的余滑几乎达到地表,而东南区的余滑基本在同震破裂区的下方,余滑最大的区域位于结古镇东南下方10~20 km的深度范围.随着震后离逝时间的增加,2个余滑区在空间上保持不变,余滑区的面积逐渐扩大.余滑的矩释放为（1.5~5.1）×10¹⁸Nm,相当于1个M_W6.1~6.4地震释放的能量.分层岩石圈黏弹性模型计算的地壳孔隙弹性反弹形变与地表观测值相差较大,不能解释观测到的震后变形.采用麦克斯维尔流变体模型计算下地壳和上地幔松弛引起的地表形变,显示出其对地表形变的贡献较小.GPS观测得到的震后形变所具有的快速衰减特征,以及余滑模型能够较好地拟合GPS地表形变,表明2010年玉树M_S7.1地震后早期阶段的地壳形变主要是由余滑机制决定的.