大陆地震构造系统: 以青藏高原及邻区为例

青藏高原及邻区三角形发震构造域是全球大陆最显著的地震多发区.脆性活动断层及其弹性回跳模式无法合理解释该区深度集中分布在10~40 km的点状震源.针对发震构造和地震机理不明确这一重大科学问题, 以大陆动力学和地球系统动力学新思想为指导, 对青藏高原及邻区发震构造系统进行域、层、带、点相关研究, 阐明大陆地震构造系统的结构型式, 认为下地壳固态流变及其韧性剪切带是提供地震能量的孕震构造, 中地壳韧-脆性剪切带是累积地震能量的发震构造, 上地壳脆性断裂是释放地震能量的释震构造.在研究青藏高原及邻区地震构造系统及其形成背景的基础上, 进一步论证了大陆地震热流体撞击的形成机理: 地幔墙导致大洋中脊之下的软流圈热流物质层流到大陆特定部位汇聚加厚并底辟上升, 造成大陆下地壳部分熔融和固态流变, 并改变莫霍面的产状, 固态流变物质侧向非均匀流动, 形成大陆盆山体系, 流动的韧性下地壳与脆性上地壳之间具有韧-脆性剪切滑脱性质的中地壳不断积累由下地壳热能转换而来的应变能, 形成发震层, 震源定位于下地壳热流物质富集带("热河")中的固态-半固态流变物质撞击到强弱层块之间的构造边界, 不同热构造环境和撞击角度产生5种不同类型的地震.从而为大陆地震的科学预测奠定了全新的理论基础.      

东昆仑、玉树、汶川地震的发生规律和形成机理:兼论大陆地震成因与预测

青藏高原东北部东昆仑、汶川、玉树等强震的同震地表破裂不对称发育,伴随余震有规律地分别向东、南东和北北东方向迁移,很可能是源于恒河盆地流经亚东、当雄、安多、库赛湖、治多、玉树、甘孜、汶川的弧形下地壳“热河”的流速和流向变化形成的,下地壳热流物质正在向云南及邻区汇聚形成下地壳“热海”,导致长时间跨季度构造热干旱,其影响超过大气环流的作用。地表破裂不一定受断层控制,震源也不在断层面上,下地壳流动导致中地壳发震并进一步影响上地壳形成同震脆性破裂系统。大陆板内盆山过渡带地震密集,大陆板内地震是在下地壳层流的热动力作用下导致活动地壳分层变形的产物。在大陆盆山耦合、圈层耦合的非线性开放系统中,从大洋底部的软流圈层流进入大陆底部使得地幔软流圈加厚,底辟上升为大陆下地壳流动,为地震活动提供了巨量热能;热软化的下地壳缓慢的韧性流动孕育了大陆板内地震;中地壳韧 脆性剪切带易于积累能量,发生热能与应变能的转化,产生地震,形成震源层;上地壳脆性断层活动和地表破裂是地震释放深部能量的载体和方式之一。地壳稳定性评价的依据应当是地壳的活动性而不是断层的活动性。大陆活动构造区地震活跃期与平静期交替实际上是下地壳地震能量的聚散过程,体现在下地壳热主导的韧性流动构造与上地壳应力主导的脆性破裂构造之间的相互作用。下地壳热软化物质流动过程中流速、流向等突然改变触发地震,并产生共振波。大陆下地壳流层在厚度、温度、粘度、流速、流向上的变化产生一定程度的温度异常、流体异常及与其相关的大气层、电场、磁场、重力场、地球化学场、应力场、应变场、生物场等异常。合理布置天空网、地面网、地下网,综合立体监测有效的地震前兆,系统地开展长期、中期和短临地震预测,能够不断地提高地震预测水平。     

龙山门断裂带活动特征与工程区域地壳稳定性评价理论

2008年5月12日发生的里氏8.0级汶川地震处于龙门山造山带与四川盆地的构造边界上。350km长的地表破裂带呈右行左阶雁行排列在具有逆冲和右行走滑性质的汶川茂县青川、映秀北川和江油都江堰3条断层带上。下地壳的韧性流动伴随中地壳韧-脆性剪切带应力和应变的积累,产生上地壳脆性发震断层,并控制地表破裂带和滑坡的分布。震源出现在上地壳脆性断层与中地壳脆-韧性剪切带的交汇部位。〖KG2〗以汶川地震为例,结合板内地震基本特征,提出引入大陆动力学理论完善工程区域稳定性理论基础,构建基于板块学说、地质力学和大陆动力学理论的相互补充的工程区域稳定性评价体系;对活断层与地震活动性预测提出见解,强调仅仅从活断层的存在及其活动强度来预测地震活动性与强度是远远不够甚至是错误的,必须将下地壳、中地壳和上地壳结构作为一个整体加以研究和判别;提出工程区域地壳稳定性评价指标体系,指出了大陆内部安全岛划分应采用的核心指标。     

青藏高原板内地震震源深度分布规律及其成因

青藏高原板内地震以浅源地震为主, 下地壳基本上没有地震, 地震震源多集中在15~40 km的深度范围, 主要在中地壳内, 呈似层状弥散分布.其中30~33 km深度是一个优势层, 与壳内分层有关.总体上青藏高原南、北部的震源面略呈相向倾斜特征.70~100 km深度区间出现了比较集中的震级较小的地震, 可能与壳幔过渡带的拆离作用有关.高原内部的正断层系与板内地震密切相关, 是板内浅源地震的主控构造.总之, 青藏高原地震震源沿着活动的上地壳脆性层与软弱层之间的脆-韧性过渡带分布.这些板内地震活动属于大陆动力学过程, 与板块碰撞和板块俯冲无关.初步认为青藏高原浅层到深层多震层的成因分别是韧性基底与脆性盖层、韧性下地壳与脆性上地壳、韧性下地壳与脆性上地幔的韧-脆性转换、拆离和解耦的产物.      

地震动力学:震源分布与岩石圈流变特性(英文)

地震震源分布强烈依赖于构造环境的温度和压力条件。震源机制可使大陆地壳脆性-韧性转换带(下部稳定性过渡边界)的温压条件复杂化。该过渡边界伴随速度弱化作用(有震活动)向速度强化作用(无震活动)的转化。在岩石圈流变和壳幔动力学的基础上研究了与板块边界有关的地震活动,包括板缘地震和俯冲板片地震。俯冲带板缘地震的深度分布受约于脆性摩擦动力机制,而摩擦剪切机制不能满意地解释深震活动,包括俯冲板片地震。这是因为深震震源机制可能与高压、高温条件下的固一固相变有关,而用脆性破裂或摩擦作用来解释就不近合理。以理论与实验研究为依据,本文对与震源物理和震源分布有关的岩石圈流变特性进行了较为深入的论述。     

南北地震带南段震源空间分布特征及其构造意义

大陆浅源地震震源空间分布可以看作是一种地球物理特征,大量震源的空间位置数据可用来刻划大陆地壳结构。通过研究南北地震带南段震源的空间分布特征,发现研究区震源深度分布在横向上的疏密变化与地质构造特征相对应。剖面震源分布等密度图显示,中、下地壳不同深度广泛分布着多震层。多震层的分布与地壳低速、低阻层具有相关性,多震层一般位于低速、低阻层的上方。中地壳层次的低速、低阻层很可能是壳内滑脱层,是韧性下地壳与脆性上地壳发生拆离解耦的构造层次;下地壳低速、低阻层是部分熔融、含流体的韧性流变层;壳内多震层的构造属性应是上地壳硬的脆性层,容易发生突然破裂,产生地震。低速、低阻层是大陆板块内部上地壳脆性层构造过程的主控因素,包括对大陆内部浅源地震的控制;因此,在低速、低阻层之上往往形成多震层,越是活动性强的低速、低阻层,其上多震层震源密度越高。南北地震带南段不同层圈和块体之间的差异运动控制了其地壳层次的构造活动,包括大量地震的发生,其中,下地壳流层与上地壳脆性层的差异运动在中地壳层次发生剪切拆离是最重要的因素。     

地震预测:从芦山地震到大陆地震

自从1990年以来,通过对青藏高原的调查和研究,认识到下地壳流动同步形成盆地和造山带,并受控于相关洋盆地幔软流圈向大陆的顺层流动和底辟作用。下地壳不均匀流动通过韧脆性中地壳热能-应变能转换孕育地震,部分发震能量通过上地壳脆性断层释放。在地震孕育过程中通常会伴生跨年度干旱和异常降雨,构成热灾害链。近5年内青藏高原东部连续发生汶川、玉树、芦山大地震,形成于从亚东流经羊八井、安多、玉树并分支流向汶川和芦山—康定的下地壳"热河"的仰冲式和侧冲式撞击作用。从2008年9月以来连续发表5篇论文,根据地壳热构造和热灾害链的时空结构对芦山地震的三要素进行了长期和中期预测。2008年9月预测从2013年开始可能发生大地震,2012年9月将鲜水河—安宁河—小江异常热流构造带5年内将发生多个7级地震的首个大震锁定在芦山或西昌。芦山地震只释放了亚东—羊八井—安多—玉树—鲜水河—安宁河—小江"热河"剩余热能中的一小部分,在西昌—会理—昭通地区、道孚—康定地区、通海—石屏地区近5年内很可能发生4个7级左右的地震。此外,华北典型的热灾害链结构表明震情严峻,环渤海地区近3年内很可能发生大地震。从地震热流体撞击机理与地震异常之间的关联性出发,提出了动态立体监测及短临预测地震的思路和方法。     

关于汶川地震发震机制

2008年5月12日汶川8级地震的发震断层是四川龙门山逆冲带的前锋灌县—安县断层,或此断层附近新产生相同产状的断层。发震断层走向NE倾向NW,逆冲兼右行平移。汶川地震的发震机制是印藏陆-陆碰撞后,印度次大陆活塞状嵌入欧亚板块造成青藏高原东部向SEE方向近水平挤压,在龙门山冲断带前锋向东南逆冲到四川盆地,构造应力积累和释放的结果。汶川地震演示了一个青藏高原东缘龙门山隆起的构造模型,即其经由龙门山冲断带的地壳冲断作用和缩短作用而隆升。这与Burchfiel的模型不同,该模型认为龙门山上升是由于韧性下地壳流受到四川盆地高强度地壳阻挡而上涌所致。这两种模型可能各有其适用时间阶段,然而本文的模型是不可或缺的,因汶川地震已显示了它的真实性。     

汶川8.0级特大地震震源断裂特征及其动力学分析

笔者根据地壳表层地质构造和地震地质研究与地震测深和大地电磁测深成果,运用现代构造解析理论与方法,论证了汶川8.0级特大地震的深部构造环境,探讨了汶川8.0级特大地震震源区的地震断裂和震源断裂基本特征与相互关系,及其形成的地球动力学问题。笔者认为龙门山碰撞造山带深处隐伏壳幔韧性剪切带可能是汶川8.0级特大地震主震区的震源断裂,而地壳表层发育的映秀断裂带、北川断裂带和彭县—灌县断裂带等可能是汶川8.0级特大地震主震区的地震断裂,该区震源断裂与地震断裂既有显著区别,又有密切联系。研究表明,在印度板块与太平洋板块和菲律宾海板块对欧亚板块俯冲碰撞的动力学作用下,形成上扬子地块向青藏高原东缘碰撞—楔入以及青藏高原东缘向东仰冲,深部向东俯冲的动力学态势,造成龙门山碰撞造山带切割莫霍界面的壳幔韧性剪切带向中上地壳扩展,应力高度集中与能量快速释放破裂,从而引起汶川8.0级特大地震的发生,以及大型同震地表破裂带的形成。探索震源断裂与地震断裂区别与联系,对进一步研究地震机制与发震动力学以及防震减灾有重要意义。     

九寨沟7.0级地震的地震断裂及震源破裂的构造动力学机理研究

本文针对九寨沟7.0级地震的发震构造及震源破裂的构造动力学问题,从地质调查、测试与震源构造动力学理论分析相结合的角度阐明:此次地震发生在处于高法向应力左旋剪切受力状态的岷山隆起带北端与西秦岭地槽褶皱带之南缘文县-玛沁断裂相交汇部位;沿"九寨天堂"-震中-五花海以及上四寨村-中查-比芒一线发育的两条具有构造破裂特征的NW向地裂缝带,是"隐伏状"地震断裂错动造成的地表同震破裂,前者是本次地震的控震构造,后者是NW向断层的次级同震复活及扩展;此次地震的震源断层错动过程受NW331°走向的陡倾角（∠87°）断层节面控制的走滑型剪切破裂,断裂两端的剪切破裂表现出持续扩展趋势;震源构造动力学过程实质上是地壳深部沿NW方向左旋剪断"凸出体";地震断裂带两端破裂扩展的持续发展,将导致地壳"凸出体"逐步剪断贯通。