华北地幔亚热柱型地震机理探讨

中国是一个多地震的国家,以地震多、震级大、损失惨重为特征。介绍了西太平洋与欧亚大陆间的洋-陆俯冲带型地震;印度次大陆与喜马拉雅陆-陆碰撞型地震和华北地幔亚热柱拆离滑脱型地震等3种地震基本类型,并侧重探讨了华北地幔亚热柱外围拆离滑脱带型地震的发震构造、形成机制和地震模型。     

太行山东缘石家庄南部地壳结构及断裂活动性探测

采用深、浅地震反射和钻孔地质剖面相结合的方法,对太行山东缘石家庄南部的地壳结构和隐伏断裂的活动性进行了研究.深地震反射探测结果表明,该区地壳厚度33~38km,莫霍面从华北平原向太行山下倾伏.石家庄—晋县凹陷是受拆离断层控制的盆岭构造,太行山山前断裂为凹陷的西边界断裂,表现为上陡下缓的铲形断裂.石家庄—晋县凹陷中还发育北席断裂和栾城断裂,它们与太行山山前断裂一样受拆离断层的控制,未错断早更新世晚期以来沉积的地层不属于活动断裂.深地震反射剖面的中部还揭示了一个近垂直的穹窿状反射异常体,它可能起源于莫霍面,向上,穿过上、下地壳分界面,并延伸至上地壳.穹窿状反射异常体内部反射波视频率随深度增加而降低,在莫霍面附近的壳幔过渡带也出现明显的频率降低、界面扭曲和变形现象,推断它可能是上地幔岩浆上涌到地壳内部的侵入体.结合电磁测深结果可以发现,上地幔热物质的上涌和东、西向拉张可能是形成石家庄—晋县凹陷的动力学机制.探测结果为深入理解石家庄地区的深部地球动力学过程、华北克拉通破坏机制、深浅构造关系和地震构造提供了依据.     

青藏高原东南缘地壳速度结构及云南漾濞MS6.4地震深部孕震环境

青藏高原东南缘岩石圈变形强烈、地震活动频繁,对其深部结构进行研究有助于提高对其演化及强震发震机理等问题的认识.本研究利用青藏东南缘固定和流动观测台站记录的地震P波走时数据,采用体波走时层析成像方法得到研究区地壳、上地幔顶部三维P波速度结构.结果显示,峨眉山大火成岩省内带范围呈明显的高速异常,推测为二叠纪时期地幔柱活动残留在地壳内的基性和超基性幔源物质.川西北次级块体和大火成岩省内带东西两侧存在低速带,可能是壳内部分熔融存在和中下地壳流动的证据:高原物质向南运移时受大火成岩省壳内高速体阻挡后分为两支,东支沿安宁河断裂—则木河断裂—小江断裂延伸,西支沿红河断裂向上地壳运移并逐渐穿过红河断裂.云南漾濞M_S6.4地震序列全部位于西支低速通道之上,推测构造块体SE向运动和地壳流作用使得应力在上地壳震源区进一步集中,共同驱动断裂活动导致漾濞地震发生.     

华北地壳上地幔结构及其大地震深部构造成因

华北克拉通是中国大陆东部的一个重要的大地构造单元.20世纪60~70年代,华北地区发生了一系列强烈地震.近半个世纪以来,中国地震学家对华北地区地壳上地幔结构开展了大量的探测和研究,在地壳上地幔结构以及与强烈地震相关的深部构造环境等重大地球科学问题上取得了显著的进展.华北大震区的深地震剖面探测显示了地壳上部铲式正断层和低角度的滑脱构造与震源下方贯通下地壳直至莫霍面的高角度深断裂共存的复杂构造图像.地震层析成像揭示,华北大震大多都发生在高速与低速区的过渡带上,而唐山地震区中-下地壳存在明显的低速异常.震源区下方的低速异常带,地壳深浅构造不一致,高角度超壳深断裂,上地幔顶部速度偏低,以及莫霍界面局部隆起等,是华北伸展构造区深部孕震环境的共同特征,表明华北岩石圈结构具有高度不均匀性.华北克拉通现今的强烈地震活动性以及偏低的下地壳速度,显著区别于世界上其他稳定克拉通.所有这些都是华北克拉通破坏的重要证据.尽管深地震探测和地震层析成像研究大大丰富了深部构造和孕震环境的知识,一些深层次的问题需要进一步的研究.     

鄂尔多斯及邻区地壳S波速度和各向异性结构的全波形层析成像研究

鄂尔多斯及邻区一直是研究活动地块间相互作用和物质运移的热点区域.青藏高原的扩展与鄂尔多斯地块内部及周缘的变形之间的耦合关系仍有待厘定.基于“中国地震科学台阵探测”项目的密集台阵和固定台网数据,本文利用区域地震全波形层析成像方法获得了研究区三维S波速度和径向各向异性结构,结果表明：鄂尔多斯地块存在以37°N为界的南北速度结构差异,南部的相对低速反映了较厚的地壳,与地形地貌相对应;鄂尔多斯西南缘在中、上地壳表现为负径向各向异性结构特征,S波速度扰动在中地壳呈显著的低速异常,延伸到鄂尔多斯西南部,该区域作为青藏高原扩展的前缘,速度结构特征反映了中地壳滑脱,上地壳缩短变形的地壳增厚模式;具有扩展早期构造变形特征的阿拉善地块南部呈相对低速,在上地壳表现为明显的负径向各向异性;鄂尔多斯东缘的山西断陷带存在南北速度结构差异,断陷带北部下地壳为低速异常,反映受地幔热物质改造的软弱物质堆积,断陷带中部则呈相对高速结构特征,推测其深部构造应力、应变环境比较稳定;负径向各向异性结构在南北地震带北段和山西断陷带浅部均有分布,为深入研究地震活动性与地壳速度结构的关系提供了波形成像证据．     

冀中坳陷滑脱构造动力的数值模拟

根据地质资料及新近完成的临城——巨鹿深地震反射剖面的分析结果，初步断定冀中坳陷地壳内存在低角度滑脱构造．利用有限元数值模拟方法，分析地幔热物质侵入到地壳内，对华北新生代盆地构造运动方式的影响．着重讨论坳陷西侧太行山稳定地壳的阻挡作用与滑脱构造发育的关系．模拟结果显示:① 地幔热物质的侵入在冀中坳陷上地壳造成张应力区，随时间推移，上地壳的拉张应力状态基本不变，与坳陷区上地壳现代正断层活动形迹基本一致；② 中生代曾经活动过的逆冲断层的存在与太行山的阻挡，可以形成滑脱构造；③ 随着地幔热物质侵入时间的推移，侵入体上方中地壳承受的水平向压应力逐渐加强，随水平向压应力的集中，在侵入体上方的中地壳可能孕育走滑断层的地震．      

太行山东缘汤阴地堑地壳结构和活动断裂探测

采用深、浅地震反射和钻孔地质剖面相结合的探测方法,对太行山东缘汤阴地堑的地壳结构和隐伏活动断裂进行了研究.结果表明,该区地壳厚度约36~42 km,莫霍面从华北平原区向太行山下倾伏.汤阴地堑是一个受汤东断裂控制的半地堑构造,其基底面形态与莫霍面展布呈"镜像"关系.汤东断裂是1条继承性的隐伏活动断裂,该断裂向上错断了埋深约20 m的中更新世晚期地层,向下延伸至上地壳底部.综合分析深地震反射和已有深地震宽角反射/折射剖面结果,发现深地震反射剖面上的中-下地壳强反射层和壳幔过渡带反射,与深地震宽角反射/折射剖面上出现的中-下地壳正负速度梯度变化层有着较好的对应关系,这表明本区中-下地壳和壳幔过渡带可能为一系列速度递变层或高低速物质的互变层,埋深约15~16 km的强反射带为上地壳与中-下地壳的转换带,壳幔过渡带的底界为地壳与地幔的分界.研究结果为深入理解该区的深部动力学过程、分析研究深浅构造关系、评价断裂的活动性提供了依据.     

邢台震区地壳上地幔电性结构及其构造意义

用大地电磁测深（ＭＴ）方法在邢台地震区作了４条观测剖面，资料解释结果表明探测区地壳上地幔的电性结构主要特征为：震源区复杂，周边区简单；发震深度复杂，非发震深度简单；震源区电性突变，显示隐伏高角度断裂；高导层代表１０ｋｍ和２０ｋｍ深度的滑脱面；地幔上隆可能意味着地幔物质向上运移。这些观测结果对于了解测区构造背景、发震构造和深浅构造的关系有重要意义     

组构对花岗质岩石流变影响的实验研究

正华北克拉通减薄是近年来地学界的热点问题,拆离断层形成与地壳伸展减薄是华北克拉通岩石圈减薄的浅部响应,而拆离断层内岩石的流动及变形机制直接受控于岩石流变学状态。对于华北克拉通地壳流变研究,流变实验和天然样品流变分析多数集中在下地壳,对于与拆离断层对应的中上地壳流变实验研究比较少。目前为止,有关于地壳伸展和拆离断层形     

郯庐断裂北带地区主要构造单元壳幔结构特征与地震活动性.

以东北地区的地学断面及其相关资料为基础,分析了郯庐断裂北带地区的地壳-上地幔结构特征与不同地壳构造单元地震活动性之间的关系．结果表明:郯庐断裂北带两侧的壳幔结构存在明显差异,断裂带本身的发育与壳幔结构变异带关系密切;断裂的活动特点及分段明显受到地壳介质力学特性影响;郯庐断裂北带地区软流层的起伏与地貌形态呈明显的镜像关系,前者还制约着不同地壳构造单元的构造活动性及变形方式;郯庐断裂北带地区南、北两端地震较为活跃地段均与壳内低速 高导层发育地段相对应的事实,证明了刚性地块中壳幔结构较为复杂的活动断裂段是构成中强地震的主要控震构造．      

三维黏弹性数值模拟华北盆地地震空间分布与构造应力积累关系

华北盆地为我国板内地震多发区域,历史以来相继发生多次破坏性大地震.前人地震勘探与震源定位结果揭示了华北地震的空间分布特征:横向上,华北地震基本发生在地壳的薄弱地带(Moho面上隆),或者地壳厚度的急剧变化带;纵向上,华北地震在地壳一定深度范围内呈现成层分布特征;主震一般在上地壳底部9~15 km深度范围,余震多发生在大约深5~25 km的上地壳与中地壳范围内,在中地壳下层与下地壳中仅有少量或者鲜见有余震发生.为研究解释华北盆地地震空间分布的以上特征,本文建立了华北盆地岩石圈三维黏弹性有限元模型.震源机制和GPS反映华北盆地处于NNE最大主压应力方向挤压,因此对模型边界施以恒定的位移速率边界条件;数值模拟华北岩石圈各层位在数百年以上长期匀速构造挤压作用下的应力积累特征,分析了华北地震空间分布与构造应力积累速率的关系,探讨了地壳结构与地壳分层流变性质对地壳应力积累的影响.计算结果表明,Moho面的隆起与地壳各层位岩石介质的黏滞系数是华北盆地地震孕育的重要因素.华北盆地在构造挤压的持续作用下,Moho面隆起处产生明显应力集中现象.该区域应力在长时期的积累过程中,在脆性的上地壳与中地壳上层,应力表现近于线性增长趋势,上地壳底部较其它深度有最大的应力增长率,其主震可以在应力积累至岩石破裂强度时发生;在脆、韧性转换的中地壳下层,应力增长速率次之,华北地震的大部分余震可能在该层位为主震所触发;而在柔性的下地壳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,而鲜有地震发生.地壳各层位的应力增长率差异与地震成层分布的现象揭示了华北地壳的分层流变性质:脆性(上地壳)-较弱脆性(中地壳上层)-较弱韧性(中地壳下层)-较强韧性(下地壳)-韧性(岩石圈上地幔)的分层流变结构.     

用Rayleigh面波方位各向异性研究中国大陆岩石圈形变特征

中国大陆地质构造历史非常复杂,岩石圈长期积累的形变较大,而利用地震面波传播的各向异性是研究岩石圈形变特征的强有力手段. 本文利用双台窄带通滤波-互相关方法与基于图像分析的相速度频散曲线提取技术,提取Rayleigh面波相速度频散资料,进而反演中国大陆及邻区20～120 s周期Rayleigh面波相速度方位各向异性空间分布图像. 检测板测试结果显示：中国大陆大部分区域的方位各向异性横向分辨率在5°左右. 各向异性研究结果表明：中国大陆地壳上地幔方位各向异性特征存在显著的空间差异,反映出形变特征的空间差异;104°E以东地区地壳上地幔各向异性弱于西部地区,表明其构造变形总体弱于西部地区. 青藏地块及其东缘地区地壳与上地幔顶部变形最为强烈. 但东部的局部地区如华南地块与珠江口地区、鄂尔多斯盆地西南缘以及秦岭-大别造山带,较强的各向异性显示这些区域在不同时期也经历了强变形. 青藏地块内中短周期快波方向自西向东顺时针旋转变化可能指示板块碰撞与挤压过程中软弱物质的流变方向. 青藏地块西部中下地壳和上地幔形变模式相似,可能处于壳幔耦合状态;而中东部及东缘地区地壳上地幔形变模式存在明显差异,壳幔似乎不具备垂直连贯的形变特征. 位于青藏地块北部的塔里木盆地、柴达木盆地以及祁连褶皱带同样经历了强变形. 包括四川盆地在内的上扬子地块快波方向的变化显示中地壳与下地壳上地幔形变模式不同,而形变特征一致的下地壳与上地幔应为强耦合. 大约以103°E为界,龙门山断裂带可分为南西段和北东段,南西段处于低速区,而北东段位于高速区,且方位各向异性强度明显大于南西段;2008年5月12日汶川M_S8.0级地震沿断裂带的单侧破裂模式除与北东段的高应力积累有关外,还可能与北东段地下介质物性存在密切关系,高速坚硬岩体的发育有利于应变能的积累与集中释放.     

伽师强震群的深部动力学条件

根据天山造山带及其两侧的塔里木盆地和准噶尔盆地的岩石圈二维速度结构、二维密度结构、二维电性结构、壳幔过渡带的详细结构以及大地热流和震源深度的分布,再结合对新疆西北部的蛇绿岩带、高压变质带和岩浆岩分布的综合分析,建立了天山造山带的地球动力学“层间插入消减”模型。该模型认为,塔里木板块的中上地壳在库尔勒断裂附近向天山造山带的中下地壳层间插入;而下地壳连同岩石圈地幔向天山造山带的上地幔俯冲消减。在天山的西段（哈萨克斯坦境内）,费尔干纳地块由北向南插入到南天山之下约180km的深处,在其东段（中国境内）,塔里木盆地由南向北插入南天山之下。这两个具有不同方向的下降板片的接触部位为费尔干纳走滑断裂。我国的伽师、喀什、乌恰地震区均落在这两个具有不同俯冲方向板块的结合部位附近,有着特殊的深部构造背景。南、北两大板块的双向挤压必定产生强大的应力,在地震区附近,这种应力的积累与释放具有4个显著的特点：（1）板片的俯冲消减速度约高达每年22mm左右;（2）应力的积累与释放速率加快;（3）应力释放较容易;（4）应力释放较为集中。这4个特点可能是伽师地区在较短的时间内连续发生数次强震的构造因素。     

华北地区壳内低速层与地壳流变的关系及其对强震孕育的影响

京津唐张地区普遍存在壳内低速层 ,鄂尔多斯块体内部没有发现低速层 ,壳内低速层的这种分布受新生代裂陷伸展的控制。华北地区中地壳下部和下地壳低速层是岩石塑性流变的结果 ,中地壳上部低速层是地壳裂陷伸展时形成的水平拆离带和韧性剪切带 ,岩石各向异性和流体作用可能是引起低速的原因。壳内软弱层 (低速和塑性流变层 )增强了块体层间的解耦作用 ,对地震孕育起着重要作用     

On the dynamics of extensional basin

Geological and geophysical data from the North China-Bohai Basin and “Basin and Range” Province were examined and compared. They are similar to each other in many respects. Surficial geological structures are characterized by a series of half-grabens with their one flank constituted by normal fault. Those extensional structures usually extend to a depth of 6–8 km. Therefore, the stress condition in the upper 8 km can be written as $$\sigma _2 > \sigma _x > \sigma _y$$ wherex, y denote the directions of maximum compression and maximum tension on the horizontal plane, whilez signifies the vertical direction. Some people think that this kind of stress condition exists through the entire crust in the extensional basin. However, the focal mechanisms of the earthquakes in the extensional basins with focal depths usually at 12–20 km are dominated by strike-slip faults. The stress condition in the focal regions can be expressed by $$\sigma _x > \sigma _z > \sigma _y .$$ Geodetic measurements conducted before and after the Tangshan earthquake in 1976 and the Xingtai earthquake in 1966 showed that both horizontal and vertical surficial deformations with magnitudes of a similar order occurred during the earthquakes. The surficial deformations during the earthquakes can be explained by a summation of the motions produced by both stress fields in the upper crust and the middle crust. Dynamical processes other than the homogeneous horizontal regional tectonic field are required to explain the vertical variation of the stress condition in the upper and middle crusts. Evidence from the seismic refractions, reflections and the three-dimensional seismic tomography from both local earthquakes and teleseismic events provide convincing evidence that magmatic intrusions from the uppermost mantle to the middle crust occur near the hypocenters of both the Tangshan and Xingtai earthquakes. The variation from the extensional stress regime at the upper crust to the compressional stress regime in the middle and lower crusts is considered to be the common feature in extensional basins. And the magmatic intrusions from the upper mantle to the middle crust observed in the extensional basin is suggested to be its genetic cause. Numerical simulations of magmatic intrusion from the uppermost mantle to the middle crust were studied. Both the intruded compression and the thermal stress due to magmatic intrusion were considered, also the viscoelasticity of the middle and lower crusts were assumed. The results successfully explain the vertical variation of the stress condition in the crust and the process producing an extensional basin.     

华北盆地强震的震源模型兼论强震和盆地的成因

华北盆地自第三纪以来产生不均匀沉降,形成众多凹陷和隆起.传统的热张裂模型或是拉一分模型均不适用于华北盆地.我们根据反射和折射地震探测以及地震体波层析成象的结果,说明震源区附近存在Moho界面断裂,而且有明显的迹象表明,上地幔高温物质（低速度）向地壳下部入侵.因此,作者提出华北盆地强震以及凹陷形成的新模型,即在水平板块构造应力场的背景中,上地幔热物质向地壳下部入侵,它所产生的扰动应力场不仅在横向是不均匀的,而且在垂向也是不均匀的.它能够在地壳上部产生足够大的伸张应力场,同时在地壳中部或下部产生水平切应力场.这个新模型也能解释华北盆地的地壳厚度没有减薄,而地面热流又较大的现象. 由于地壳中力学性质随深度而改变,所以强震可能是由中部地壳的塑性形变以及上部地壳的脆性断层所组成的,即所谓两层破裂的震源模型.     

中国及其邻区地球三维结构初始模型的建立

对人工地震测深及天然地震面波体波三维层折反演数据进行统一处理，建立了中国及其邻区地球三维结构初始模型．此模型图像表明，中国及其邻区地球各圈层横向变化明显．岩石圈及软流圈内速度分布主要反映这一区域自古生代以来板块及地块拼合模式．各主要板块或地块（塔里木、扬子、中朝、青藏、哈萨克斯坦、印度、印度支那）岩石圈增厚或有很深的地慢根，板块或地块间的造山带岩石圈减薄，软流圈速度降低。下地幔底部及核幔边界D″层出现高速异常，表明古太平洋及古特提斯洋俯冲板块因重力坍塌已进入地球深层，形成亚洲超级下降地幔柱。这一下降地幔柱引起地球表层物质向中亚、东亚地区集中，印度半岛、青藏高原、新疆、蒙古至贝加尔一带，成为全球岩石圈最大的汇聚场所．     

S-wave velocity structure in Tangshan earthquake region and its adjacent areas from joint inversion of receiver functions and surface wave dispersion*

Using the seismic records of 83 temporary and 17 permanent broadband seismic stations deployed in Tangshan earthquake region and its adjacent areas (39°N–41.5°N, 115.5°E–119.5°E), we conducted a nonlinear joint inversion of receiver functions and surface wave dispersion. We obtained some detailed information about the Tangshan earthquake region and its adjacent areas, including sedimentary thickness, Moho depth, and crustal and upper mantle S-wave velocity. Meanwhile, we also obtained the v_P/v_S structure along two sections across the Tangshan region. The results show that: (1) the Moho depth ranges from 30 km to 38 km, and it becomes shallower from Yanshan uplift area to North China basin; (2) the thickness of sedimentary layer ranges from 0 km to 3 km, and it thickens from Yanshan uplift region to North China basin; (3) the S-wave velocity structure shows that the velocity distribution of the upper crust has obvious correlation with the surface geological structure, while the velocity characteristics of the middle and lower crust are opposite to that of the upper crust. Compared with the upper crust, the heterogeneity of the middle and lower crust is more obvious; (4) the discontinuity of Moho on the two sides of Tangshan fault suggests that Tangshan fault cut the whole crust, and the low v_S and high v_P/v_S beneath the Tangshan earthquake region may reflect the invasion of mantle thermal material through Tangshan fault.     

应力场演化与强震间相互作用的有限元模拟研究

针对川滇地区,在大量搜集前人资料和结果的基础上,建立了包括上地壳、中地壳、下地壳、上地幔等4层结构的三维有限元模型。通过反复调试,确定了其边界条件。然后计算了川滇地区背景应力场、断层蠕动产生的应力场和强震触发的应力场,以及它们的动态变化。结果表明后续地震大多发生在前面地震引发的库仑破裂应力正值区,前一地震对后续地震有一定的触发作用,强震是在较高的应力背景下成组发生的。这对判断、识别地震异常,提高地震预测水平有着很大的意义。