基于观测应力场的大华北地区动力学机制探讨

采用伪三维有限元方法, 利用观测应力场应力取向和应力状态作为主要约束, 对华北地区的构造应力场进行了数值模拟. 结果显示, 华北地区应力场主要受到来自太平洋板块和青藏高原挤压作用的控制. 太平洋板块的北西西向的挤压作用对这一地区, 尤其是华北平原地区构造应力场的影响更大. 同时, 上涌地幔沿盆地边缘法线方向的引张, 对这一地区的应力场的形成也起到一定的作用.      

东日本大地震地震序列的震源机制解特征及其动力学意义

日本本州及其邻近区域的应力状态以及弧后盆地的演化机制一直是人们所关注的问题.本文对2011年3月11日东日本大地震地震序列(2011年3月11日至2012年3月15日)的哈佛双力偶解进行了聚类分析,得到五种类型的震源机制解:与主震类型一致的低倾角逆断层型地震;主张应力方向垂直于日本海沟走向的正断层型地震;主张应力方向平行于日本海沟走向的正断层型地震;主压应力方向平行于日本海沟走向的逆断层型地震;包括走滑型地震在内的其他类型地震.东日本大地震地震序列中发生在弧前增生楔地震的震源机制解与大地震发生之前地震的震源机制解特征有显著区别,反映出该地区的应力状态与震前相比有较大改变.东日本大地震及其前震释放了附近区域的累积弹性应力,主震破裂区附近太平洋板块和其上覆板块接近完全解耦,降低了日本海盆地、中国东北地区的近东西向挤压应力水平.不过,整个本州岛东部区域太平洋板块和其上覆板块并没有完全解耦,但应力水平并不高.我们认为,日本海及中国东北应力水平的降低会使该区域的近东西向挤压型地震的危险性降低,而使NNE-SSW走向的走滑型地震活动性增强.同时,火山活动性也会增强.尤其是本州岛地区,存在近期火山爆发的可能性.东日本大地震地震序列的震源机制解特征还提示我们,日本海的应力状态及日本海的演化可能在一定程度上取决于太平洋板块和上覆板块的耦合状态.持续的弱耦合将不仅使得弧后大范围的地区保持岩浆上涌所必须的拉伸应力环境,而且还会因弧前隆起区发育大量正断层型地震而向深部提供促使岩浆生成所必须的水,因而造成日本海的再次扩张.     

华北地壳应力场的基本特征

地壳应力场的研究是地震学中的一个基本课题。本文根据对四个方面资料的分析得到了华北地区（φ30°-41°N,λ105°-124°E）地壳应力场的基本特征。这些资料是:1.地震机制,包括1937年至1979年地震的断层面解和最近十多年中的小地震综合断层面解;2.地震时的地面裂缝;3.公元143年至1976年41次M≥6地震的等震线的长轴方位;4.某些大地震地区的大地测量结果。这是一个一致性相当好的应力场,其最大压应力轴为北东东向,最小压应力轴为北北西向,并且都近于水平向。 从一些大地震的观测事实来看,具有这种一致性应力场的范围要比华北地区大,在远离华北的地方,仍表现出同华北以内相似的地壳应力场。这个事实表明,上述地壳应力场的来源,不限于华北地壳内部,而同更大规模的构造运动有关。欧亚板块、印度洋板块同太平洋板块三者之间的相互作用,以及华北所处远离板块边缘的特殊位置,可能是造成该应力场特征的主要原因。     

板块边界构造应力场的反演及其对华北地震的影响研究

利用全球震源机制解资料,采用力轴张量计算法,反演中国大陆附近板块边界线上的构造应力场空间分布,其最大主压应力轴的方位角与GPS研究得到的板块运动方向一致,太平洋板块西边界和菲律宾板块琉球岛弧段的最大主压应力轴的倾角与板块俯冲倾角基本相当,因此认为该方法反演的构造应力场真实可靠。1999年、2005年和2011年太平洋板块日本本州段的最大主压应力轴方位角存在转折现象,震例总结显示该转折现象往往对应华北地区5级以上,甚至6级左右地震,但2011年的转折变化对应华北地震的震级在5级左右。根据对太平洋板块西边界的分段研究,认为2011年的转折变化主要是由42°~50°N段的构造应力场转折引起的,而该段从地理位置结合俯冲方向来看,影响的主要地区是东北地区,而对华北的影响相对较小,因此导致对应地震的震级偏低。1992—2000年菲律宾板块琉球岛弧段的最大主压应力轴方位角存在大幅度、长时间的逆时针偏转现象,分析认为是造成同期华北南部地区发生多次具有典型华南应力场特征地震的原因。     

Characteristics of present-day active strain field of Chinese mainland

On the basis of the GPS data obtained from repeated measurements carried out in 2004 and 2007,the horizontal principal strain of the Chinese mainland is calculated,which shows that the direction of principal compressive strain axis of each subplate is basically consistent with the P-axis of focal mechanism solution and the principal compressive stress axis acquired by geological method.It indicates that the crustal tectonic stress field is relatively stable in regions in a long time.The principal compressive stress axes of Qinghai-Tibet and Xinjiang subplates in the western part of Chinese mainland direct to NS and NNE-SSW,which are controlled by the force from the col-lision of the Eurasia Plate and India Plate.The principal compressive strain axes of Heilongjiang and North China subplates in the eastern part direct to ENE-WSW,which shows that they are subject to the force from the collision and underthrust of the Eurasia Plate to the North America and Pacific plates.At the same time,they are also af-fected by the lateral force from Qinghai-Tibet and Xinjiang subplates.The principal compressive strain axis of South China plate is WNW-ESE,which reflects that it is affected by the force from the collision of Philippine Sea Plate and Eurasia Plate and it is also subject to the lateral force from Qinghai-Tibet subplate.It is apparent from the comparison between the principal compressive strain axes in the periods of 2004～2007 and 2001～2004 that the acting directions of principal compressive stress of subplates in both periods are basically consistent.However,there is certain difference between their directional concentrations of principal compressive stress axes.The sur-face strain rates of different tectonic units in both periods indicate that the events predominating by compressive variation decrease,while the events predominating by tensile change increase.     

陕西北秦岭中段构造应力场的初步研究

于华北板块南缘的北秦岭中段,在系统测量微断层的位移参数的基础上,通过采用滑动矢量拟合法,获得了该区自新生代以来的三期构造应力场的平均应力张量。三期应力场的方向及性质分别为:(1)以280°—310°方向拉伸为主的松弛期;(2)以305°—336°方向挤压为主的压缩期;(3)以294°—340°方向拉伸为主、辅以21°—68°方向挤压的现代扩张期。研究表明,最新一期即第三期构造应力场的特征与华北板块的区域构造应力场特征是基本一致的     

燕山地区承德盆地下白垩统磁性地层学研究 及其对华北克拉通破坏的制约

华北克拉通破坏的重要标志是岩石圈减薄、地幔性质转变以及伸展构造活动.长期以来这一重大地质事件发生的时代备受关注,目前已有大量地质、地球物理和地球化学研究结果,但对于华北克拉通破坏的准确时代,尚存争议.本文试图从地磁学的角度为华北克拉通破坏时代提供可靠约束.选取位于华北克拉通北缘的燕山造山带中段-承德盆地作为研究对象.磁性地层学研究结果表明研究剖面记录了三个磁极性段:下部正极性段(N2)、中部负极性段(R1)和上部正极性段(N1),与2004年地磁极性年表对比并结合129～128 Ma的火山岩同位素年龄(与B. Schoene 私人通信),认为剖面下部正极性段(N2)对应于M3n,负极性段(R1)对应于M1r,上部正极性段(N1)对应于M1n,由此得出承德盆地袁家庄剖面沉积作用起始年龄约为128 Ma.作为华北克拉通重要断陷盆地之一,承德盆地的沉积年龄可以为华北克拉通破坏时代提供有力约束.岩石磁学研究结果表明,研究剖面火山岩的剩磁载体十分复杂,可能与伴随华北克拉通破坏峰期出现的地壳变形、岩浆活动、地幔上涌、下地壳重熔等深部动力过程密切相关.综合分析结果表明,华北克拉通破坏的峰期为128～125 Ma.     

华北克拉通北缘—西伯利亚板块南缘的地壳速度结构特征

华北克拉通北缘—西伯利亚板块南缘（张家口—中蒙边界）的深地震测深剖面长600 km,跨越华北板块、内蒙造山带和西伯利亚板块.沿测线采用8个1.5t的爆炸震源激发地震波,使用300套数字地震仪接收,取得了高质量的地震资料.通过资料分析和处理,识别出沉积层及结晶基底的折射波（Pg）、上地壳底面的反射波（P2）、中地壳内的反射波（P3）、中地壳底面的反射波（P4）、下地壳内的反射波（P5,仅在镶黄旗—苏尼特右旗下方出现）和莫霍面的反射波（Pm）等6个震相.采用地震动力学射线方法（seis88）得到的地壳速度结构表明：（1）在华北板块与内蒙造山带之间,内蒙造山带与西伯利亚板块之间,上地壳中存在明显的高速度局部变化,在地表发育大量的古生代花岗岩体、超基性岩体.（2）在中下地壳华北板块南缘的地震波速度大,为6.3~6.7 km/s,西伯利亚板块北缘的速度小,为6.1~6.7 km/s,且界面比较平缓.原因是在内蒙造山带内地壳的缩短和隆升造山引起了中下地壳界面的剧烈起伏,不同海陆块的拼合和物质交换导致了不同区域速度的不均匀性.（3）莫霍面在赤峰断裂带（F₂）以南和索伦敖包—阿鲁科尔沁旗断裂带（F₄）以北较为平缓,平均深度为40~42 km.在F₂—F₄之间呈双莫霍面,莫霍面1明显上隆,深度为33.5 km,层速度为6.6~6.7 km/s.莫霍面2明显下凹,在西拉木伦河断裂带（F₃）下方,最深达到47 km,速度达到最大为6.8~6.9 km/s,这可能是由壳幔物质混合引起的.依据莫霍面的特点,本文认为双莫霍面以南为华北板块北缘,以北为西伯利亚板块南缘,拼合位置在赤峰断裂带（F₂）与索伦敖包—阿鲁科尔沁旗断裂带（F₄）之间的区域.     

关于河北省地震危险性的探讨

在太平洋板块向西对欧亚板块俯冲以及印度板块向北推挤的共同作用下,河北省及其邻近地区的主压应力轴是北东东-南西西向。在这样的应力场作用下,河北省的主要构造运动特别是新构造运动形态是以太行山前断裂带为界,其两侧有大面积的继承性的升降差异运动,在升降运动中同时还有右旋的水平分量。与此相应,十六世纪以来,河北省的地震活动在时空分布上有以太行山前断裂带为“中脊”呈南北向迁移的特征。在进一步探讨了1679年三河、平谷8级地震与1830年磁县7.5级地震的前震活动特征之后,提出1980年前后河北省北部有发生7级以上地震的可能。     

Integrated Analysis on Gravity and Magnetic Fields of the Hailar Basin, NE China: Implications for Basement Structure and Deep Tectonics

The Hailar Basin is one of the typical basins among the NE China Basin Groups, which is situated in the east of East Asia Orogene between the Siberia Plate and the North China Plate. Based on the detailed analysis of magnetic, gravity, petrophysical, geothermal and seismological data, we separate the Gravity and Magnetic Anomalies (GMA) into four orders using Wavelet Multi-scale Decomposition (WMD). The apparent depths of causative sources were then assessed by Power Spectrum Analysis (PSA) of each order. Low-order wavelet detail anomalies were used to study the basin’s basement structure such as major faults, the basement lithology, uplifts and depressions. High-order ones were used for the inversion of Moho and Curie discontinuities using the Parker method. The results show that the Moho uplifting area of the Hailar Basin is located at the NE part of the basin, the Curie uplifting area is at the NW part, and neither of them is consistent with the basin’s sedimentary center. This indicates that the Hailar Basin may differ in basin building pattern from other middle and eastern basins of the basin groups, and the Hailar Basin might be of a passive type. When the Pacific Plate was subducting to NE China, the frontier of the plate lying on the mantle transition zone didn’t pass through the Great Khingan Mountains region, so there is not an obvious magma upwelling or lithospheric extension in the Hailar Basin area. Finally, based on the seismological data and results of WMD, a probable 2D crust model is derived from an across-basin profile using the 2D forward modeling of the Bouguer gravity anomaly. The results agree with those from seismic inversion, suggesting WMD is suitable for identifying major crustal density interfaces.     

南北地震带和青藏块体东部近期大地形变与地震特征

通过研究南北地震带及青藏块体东部地区２０多年来大地形变场演化特征及其与地震活动的呼应关系，发现大地形变既具有时空分布的不均匀性，各分区形变场又具有同时段的宏观相似性；继承性运动是现代地壳运动的总趋势，而运动方式为波浪式，涌动式推进。地壳运动过程中存在着区域为能积累阶段和释放调整阶段，这可能是地震活动的相对平静与活跃的动力机制。     

华北克拉通东北部的远震S波走时层析成像研究

华北克拉通是近年来我国地学界研究的热点之一.本文利用布设在华北东北部地区的华北地震科学台阵所记录的远震波形资料,用波形互相关方法拾取了9105条S波走时残差数据,进而用体波走时层析成像方法反演获得了研究区从地表至600 km深度的S波速度结构.所获得的S波层析成像结果表明,华北克拉通中部块体的山西断陷带低速异常一直从地面延伸至上地幔约300 km深处,推测该低速异常体可能与中、新生代的大同火山群的形成与活动有关.研究发现华北东部存在一高速异常体由东部渤中凹陷的地壳一直向西延伸至太行山山前断裂下方地幔转换带410 km附近,推测该高速异常体可能为太平洋板片向西俯冲在华北克拉通东部块体下方地幔过渡带内的滞留.研究结果显示华北克拉通东部的华北盆地表现为高低速相间分布,表明该地区下方的岩石圈发生了破坏,而位于华北克拉通北缘的燕山造山带显示为高速异常,表明燕山造山带下方的岩石圈没有明显的破坏迹象.     

中国海—西太平洋莫霍面深度分布特征及其地质意义

中国海—西太平洋位于欧亚板块、印澳板块和太平洋板块的交汇处,构造运动剧烈,地质情况复杂,是认识板块运动、洋陆相互作用、物质交换和能量传递不可多得的窗口,而莫霍面深度对于研究壳幔结构以及深部动力过程有着重要的意义.本文使用最新的覆盖全球的重力和地形数据,收集了深地震测深、多道地震测深等剖面183条,数字化得到2982个控制点,使用带控制点的三维界面反演方法来约束反演过程,得到中国海—西太平洋莫霍面深度,由莫霍面形态分析可知大洋板块的俯冲和印澳板块与欧亚板块的碰撞对西太平洋边缘海的形成演化有着重要作用.结合地热、岩石圈厚度、地震活动等地质地球物理资料,分析得知研究区内各个海域莫霍深度和地壳性质的变化是处于不同构造演化阶段的表现.并在马里亚纳沟弧盆拟合一条重力2.5维剖面,结果表明热物质上涌导致了马里亚纳海槽处地幔密度减小,马里亚纳海槽以及帕里西维拉海盆到西马里亚纳海岭的下地壳高密度异常是由残留的岩浆岩引起的.     

Seismic anisotropy of upper mantle in eastern China

Based on the polarization analysis of teleseismic SKS waveform data recorded at 65 seismic stations which respectively involved in the permanent and temporary broadband seismograph networks deployed in eastern China, the SKS fast-wave direction and the delay time between the fast and slow shear waves at each station were determined by use of SC method and the stacking analysis method, and then the image of upper mantle anisotropy in eastern China was acquired. In the study region, from south to north, the fast-wave polarization directions are basically EW in South China, gradually clockwise rotate to NWW-SEE in North China, then to NW-SE in Northeast China. The delay time falls into the interval [0.41 s, 1.52 s]. Anisotropic characteristics in eastern China indicate that the upper mantle anisotropy is possibly caused by both the collision between the Indian and Eurasian Plates and the subduction from the Pacific and Philippine Sea Plates to the Eurasian Plate. The collision between two plates made the crust of western China thickening and uplifting and the material eastwards extruding, and then caused the upper mantle flow eastwards and southeastwards. The subduction of Pacific Plate and Philippine Sea Plate has resulted in the lithosphere and the asthenosphere deformation in eastern China, and made the alignment of upper mantle peridotite lattice parallel to the deformation direction. The fast-wave polarization direction is consistent with the direction of lithosphere extension and the GPS velocity direction, implying that the crust-upper mantle deformation is possibly a vertically coherent deformation. Supported by Special Project for the Fundamental R & D of Institute of Geophysics, China Earthquake Administration (Grant No. DQJB06B06), Special Program of the Ministry of Science and Technology of China (Grant No. 2006FY110100), China Digital Earthquake Observation Network Project “North China Seismic Array”, and National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 40334041 and 40774037)     

华北地区近期地壳水平运动与应力应变场特征

利用华北GPS监测网 1 992年、1 995年、1 996年的观测资料 ,应用最小二乘配置给出了华北地区相对水平位移场、应变场的分布图像 .经初步研究表明 :华北地区 1 992-1 995年间的水平位移和应变场表现为整体性不均匀的压性运动 ,1 995- 1 996年测区东部仍以水平压性运动为主 ,但测区西部则主要表现为张性运动 .水平运动 （方向、大小 ）发生显著变化和应变高值区的地带主要位于块体边界带和主要断裂带附近 .燕山断块南边界的北东向断裂存在着较显著的左旋运动 .区内最大剪应变、面膨胀的高值区在天津、北京、唐山一带 .结合非连续变形数值分析方法 （DDA）初步分析认为 ,1 992- 1 995年GPS观测结果显示的华北地区存在东、西部构造应力作用的明显差别 ,华北东部以东西向压应力作用为主 ,而西部的南北向构造应力作用又明显大于东部 .     

东北深源和浅源地震同步活动的地球动力机制

本文研究了东北大陆地区深源及浅源地震同步活动特征及构造特征,认为造成深浅源地震同步活动的地球动力是西北太平洋岩石圈板块的作用。西北太平洋岩石圈板块消亡于珲春地区上地幔内590km深处,导致了深源地震活动,同时又直接影响着内陆郯庐断裂带、松辽盆地边缘断裂带及其附近的浅源地震活动。     

安徽区域地震应力场的分布特征

本文以安徽省境内的12个地震台的平均机制解以及较为可靠的中小地震机制解结果出发,讨论了安徽境内区域地震的应力场分布特点。在与华北地区的应力场方向检验结果的基础上,认为:本省北纬32。以北地区的应力场分布具有华北块体的特点;而北纬32°以南的中南部地区已具有华北块体向华南块体过渡地区的应力场分布特点,而皖南地区已属于华南应力场的范畴。上述分布特点为划定华北块体的南边界提供了应力场方面的依据     

中国大陆及周边地区现代岩石圈演化动力学模拟

采用有限元方法模拟了近20万年来青藏高原岩石圈形变演化过程，探讨了印度-欧亚大陆的碰撞对中国大陆岩石层形变和应力场的影响以及它们与强地震活动性的关系.结合现代GPS、地震和地质学观测的结果，对比分析了中国大陆在百万年、十万年和十年尺度上的形变和构造应力场的基本格局.研究表明：（1）印度-欧亚大陆的碰撞以及印度大陆的持续向北推进、挤压所产生的应力环境，一直主导了以青藏高原为核心的我国西部地域岩石圈构造、运动和演化，但其影响随着远离青藏高原地区而逐渐变小.（2）断层滑移和重力势作用对于青藏高原东西部以及塔里木盆地的影响相当大，它们导致青藏高原岩石层东西向形变速率增大，对青藏高原的中南部地区产生拉张效应，同时导致塔里木盆地出现整体的右旋趋势.（3）青藏高原区域水平方向形变速率和GPS观测结果吻合较好.但在垂直方向上，一些地区计算结果与观测数据相差较大，这说明单纯的挤压作用不是现代青藏高原隆升的惟一机制.现代青藏高原的隆升可能与其他驱动机制，如地幔对流、重力均衡以及剥蚀作用等有关.（4）印度板块的挤压作用基本上决定了中国大陆西部的主压应力场分布.（5）印度板块的碰撞对中国大陆的强地震活动性有重要影响，但华北地区是个例外，该地区的地震活动性很强而印度板块的挤压在该区域产生的影响却很小，说明其他的驱动力在一定程度上活化了华北地块.     

西太平洋俯冲板块对中国东北构造演化的影响及其动力学意义

中国东北地区在古生代期间以众多微陆块的拼合以及古亚洲洋的闭合为特征,其后又经历了中-新生代太平洋构造域及中生代蒙古—鄂霍茨克构造域的叠加与改造,以致东北地区的构造行迹显得极为复杂,而大兴安岭重力梯级带及其西部地区构造演化是否与西太平洋俯冲有关仍然存在争议.本研究利用分布于中国东北、华北地区以及韩国、日本等部分台网所接收的近震与远震走时数据获得了中国东北地区壳幔精细的三维P波速度结构.成像结果显示,太平洋板块持续西向俯冲,俯冲板片的前缘停滞在大兴安岭—太行山重力梯度带以东区域的地幔转换带之中;长白山火山区上地幔存在着显著的低速异常体,推测西太平洋板块的深俯冲脱水导致了上地幔底部岩石的熔点降低,从而形成了大范围的部分熔融物质上涌.通过分析上地幔的速度结构,我们认为由于太平洋板块的大规模西向深俯冲,在大地幔楔中发生板片脱水、低速热物质上涌等复杂的地球动力学过程;俯冲板片前缘带动上地幔中不均匀分布的地幔流强烈作用于上部的岩石圈,这对东北地区深部壳幔结构乃至大兴安岭重力梯级带的形成、演化有着重要的影响.     

The paleomagnetism and geological significance of Mesoproterozoic dyke swarms in the central North China Craton

The Mesoproterozoic mafic dyke swarms are extensively distributed in the central North China Craton(NCC) including North Shanxi, Wutai and Lüliang areas, which are not deformed and metamorphic but high magnetic, so the dyke swarms become the mark to compare the high metamorphic rock areas in magnetism. Based on the analysis of paleomagnetism of mafic dyke swarms in North Shanxi, Wutai and Lüliang areas, NCC inclined southward about 18ü so that North Shanxi lifted up and rotated 10ü left to Wutai area. The dyke swarms in Lüliang developed later than in North Shanxi and Wutai area. The NNW-trending and WNW-trending dyke swarms developed in Lüliang while the North China Plate moved northward consistently so that the paleomagnetism of dyke swarms in Lüliang is greatly different from North Shanxi and Wutai area.