汶川地震后青藏高原东北缘中等地震活动特征分析

汶川地震后青藏高原东北缘地区发生了多次M_L≥4.0地震,本文利用甘肃数字地震台网的资料,采用CAP方法计算得到了31次M_L≥4.0地震的震源机制解,并对结果进行分析与讨论。研究表明:受汶川地震的影响,青藏高原东北缘区域应力场的调整过程使得中等地震分区、丛集活动,地震类型表现出明显的区域特征。31次中等地震的最大主应力方位显示,祁连山地震带优势方向为NE向,甘东南地区近EW向,表明区域应力场呈现局部性的特征。     

青藏高原东北缘构造应力场及动力学特征

青藏高原东北缘是高原物质挤出的重要通道,也是深入认识青藏高原构造隆升和横向扩展机制的重要区域.本文利用中国地震台网在青藏高原东北缘布设的宽频带地震仪记录的波形资料,利用CAP全波形反演方法及基于P波初动极性和S/P振幅比的HASH方法,获得了研究区内M_L≥3.0地震震源机制解781组,同时收集了M_W≥4.6中强地震震源机制解96组,利用STASI阻尼区域应力场反演算法对该区的构造应力场分布特征进行了分析.结果显示,研究区震源机制P轴、T轴以及最大主应力轴σ₁和最小主应力轴σ₃总体上倾伏角较小,揭示了近水平的挤压或剪切应力环境.σ₁以NE向为主,且由巴颜喀拉块体西南部向外呈扇形辐射,至祁连造山带逆时针偏转为NNE向,至秦岭造山带顺时针偏转为ENE向—ESE向,分布特征与区内走滑型边界断裂活动性质相对应.水平最大主应力S_Hmax方向与σ₁分布特征基本一致,应力结构类型以走滑型为主,且R值具有明显的空间差异分布特征.柴达木—陇西块体和巴颜喀拉块体东南部与秦岭造山带和四川盆地的过渡区域,深浅地壳S_Hmax方向具有差异性,深部地壳变形与浅部可能发生解耦,其余区域不同地壳深度的S_Hmax方向一致性较好.联合基于原位地应力实测获得的地壳浅表层地应力状态、基于地震各向异性获得的地壳和上地幔变形特征以及基于GPS观测获得的地壳浅表层形变特征,讨论了青藏高原东北缘岩石圈垂向变形特征及动力学机制.结果表明青藏高原东北缘应力场与应变场特征一致,地表形变主要受控于区域构造应力场.壳幔变形机制和深部动力学特征极为复杂,很难用单一模式解释,青藏高原东北缘可能以岩石圈连续增厚变形与下地壳通道流的共同作用模式为主.

     

青藏高原东北缘主要断裂带的库仑应力演化及其强震危险性

自1920年海原发生M8.5地震以来,青藏高原东北缘接连发生了1927年古浪M8.0地震、1932年昌马M7.6地震等一系列大地震,使其进入了强震活动的丛集期。为了探究青藏高原东北缘这一系列地震间的相互作用及区域地震危险性,建立青藏高原东北缘的三维Maxwell黏弹性有限元模型,模拟了区域自1920年以来17次M6.7以上地震的同震及震后库仑应力演化。结果显示：研究区自1920年海原M8.5大地震之后,后续的16次地震中,有13次地震发生在库仑应力变化为正的区域,说明了地震间的相互作用可能是导致区域地震丛集的主要原因之一。系列地震发生后,阿尔金断裂、柴达木盆地断裂西段、东昆仑断裂中段、鄂拉山断裂北段、共和盆地断裂南段、日月山断裂南段、庄浪河断裂、礼县—罗家堡断裂、成县盆地断裂西段、文县断裂西段、龙首山断裂南段、六盘山断裂东段、西秦岭北缘断裂东段、海原断裂西段和祁连断裂东段位于库仑应力变化为正的区域,且大部分断裂或断裂段的累积库仑应力变化超过了0.01 MPa,它们未来的地震危险性较高。     

基于地壳介质各向异性分析青藏高原东北缘构造应力特征

青藏高原东北缘由于受到多个构造块体的共同约束,表现出复杂的地球物理特性和地质特性,本文利用甘肃数字地震台网(2001—2008年)的观测资料,采用系统分析方法(SAM),进行地壳剪切波分裂分析,获得研究区内18个台站共1005条记录的剪切波分裂参数.研究结果表明,青藏高原东北缘介质各向异性在空间上存在差异,慢剪切波延迟时间表明了地壳介质各向异性的强弱变化特征,快剪切波平均偏振方向则反映了本区区域构造应力的空间变化特征.分析认为,祁连山—河西走廊活动构造区直接受青藏地块与阿拉善地块间相互作用,与青藏地块构造应力一致;甘东南活动构造区的应力环境主要受到内部活动断裂的共同作用,具有局部构造应力的特征.     

青藏高原东北缘地壳三维速度结构

本文用1980—2000年M≥1.5的2 032个天然地震事件的38 052个〖AKP-〗、〖AKS-〗、Pm、Sm、Pn和Sn震相到时及人工地震测深给出的Moho面形态资料,利用地震层析技术反演了32°~40°N, 100°~108°E区域内地壳地震波速度结构.从层析成像图象中可以得到,本区的地壳可分成4个层位.第1层（埋深约在0~3 km）为沉积层, 速度梯度约为0.2 s-1;第2层（埋深约在3~17 km）为上地壳, 其顶部速度梯度约为0.1 s-1, 下部速度横向变化较大且存在低速块体;第3层（埋深约在17~36 km）为中地壳, 速度梯度约为0.03 s-1;第4层（埋深约在36 km—Moho）为下地壳, 是一个契形层,总的趋势是西厚东薄,青藏高原较厚逐渐向鄂尔多斯地块和扬子准地台方向变薄,各处的地震波速度梯度不尽相同.     

青藏高原东北缘地壳应变与应力特征研究

青藏高原东北缘是青藏高原隆升和变形的前缘,地壳变形剧烈,研究其地壳运动和变形对理解该区的构造活动特征和动力学机制具有重要的意义。本研究收集1991—2016年的GNSS速度场数据,采用多尺度球面小波方法计算应变率张量,分析主应变率、面应变率和最大剪应变率的空间分布特征。面应变率结果显示青藏高原东北缘大部分区域具有轻微的压缩,平均压缩率小于15 nstrain/a,压缩率较高的区域集中在青藏高原东北缘的边缘地区,其中祁连山断裂带和海原断裂带区域的面压缩率大于20 nstrain/a。东昆仑断裂带、祁连山断裂带、海原断裂带和六盘山断裂带具有较高的剪应变率,最大约为40 nstrain/a。研究还收集青藏高原东北缘1904—2021年2.0级以上地震的震源机制解,通过区域阻尼应力反演方法得到该区域的应力场,最大主应力方向显示青藏高原东北缘35°N以南的区域表现为近EW向的挤压,而35°N以北的区域表现为NE向的挤压。根据最大、最小主应力的倾角把研究区划分为正断、逆冲和走滑3类区域,发现青藏高原东北缘内部的大部分区域和六盘山断裂的北部区域表现出走滑的运动特征,而祁连山断裂带、海原断裂带和西秦岭...     

青藏高原东北缘岩石圈变形及其机理

为了解青藏高原东北缘岩石圈变形特征,进一步研究该地区地壳运动的壳-幔耦合机理,本文通过处理分析该地区1999～2007年多期GPS观测数据、1972~2000年水准测量数据和1992年及2007年相对重力测量资料,获得了该区域地壳水平运动速度场、较长时间段的垂直形变场和相对重力变化场.分析发现青藏高原东北缘东西部的变化特征存在明显差异：西部以北东向地壳缩短运动为主,而东部以顺时针旋转为主;东部以地壳隆升为主,速率在2.1 mm/a左右,而西部隆升的速率小于1 mm/a;相对重力变化则表现为在整体增大的背景下东部升高速率较大,平均为9.0×10-8 m·s-2·a-1,而西部较小,平均值为3.1×10-8 m·s-2·a-1.我们还发现,地壳不同变形形式的转换不是渐变的,而是发生在较窄的一个转换带内.这个转换带的整体走向为NEE,北部位于金昌与武威之间,中部在祁连山东部、门源以西,南部位于德令哈以东青海湖以西.最后结合前寒武纪构造格架、重力均衡异常资料和地震SKS分裂结果对形成这种运动态势的机理进行了探讨,我们认为岩石圈物质侧向流动、岩石圈结构及壳-幔耦合方式差异可能是导致东部与西部岩石圈变形差异主要动因.     

青藏高原东北缘活动断裂剪切模量及应力状态数值模拟

作为控制断层两盘相对运动的重要因素,断裂带介质力学性能与断层面上的滑动速率及应力状态、区域地壳运动速度场等密切相关.受印度板块北东向推挤以及阿拉善地块和鄂尔多斯地块的阻挡作用,青藏高原东北缘构造变形复杂.本文在综合区域动力学环境、活动断裂空间展布以及下地壳黏滞性结构的基础上构建了青藏高原东北缘三维有限元动力学模型;以GPS速度场为约束模拟研究了断层剪切力学性能对区域地壳运动速度场图像的控制作用,进而在最优模型基础上分析了当前青藏高原东北缘不同断裂的应力状态.结果显示：阿尔金断裂东段和广义海原断裂对区域地壳运动速度场控制作用强烈,但二者剪切力学性能相反,阿尔金断裂东段断层剪切模量与周边地壳介质相当,而广义海原断裂断层剪切模量可低至周边地壳介质剪切模量的1/10000;六盘山断裂和西秦岭北缘断裂对区域地壳运动速度场的控制作用较弱,模拟结果显示二者均具有较强的剪切力学性能.基于最佳模型的应力状态分析指出：阿尔金断裂东段,广义海原断裂西段的木里—江仓断裂、中段的金强河—毛毛山—老虎山断裂、东段的六盘山断裂,以及西秦岭北缘断裂中西段当前应力率水平较高,且与前人给出的青藏高原东北缘高闭锁区域吻合.动力学上的高应力率与运动学上的强闭锁良好吻合,预示着这些断裂是地震危险分析值得关注的区域.

     

青藏高原东北缘地震波衰减特征及地震震源参数研究

文中基于青藏高原东北缘2010—2019年中小地震三分量S波数据,采用联合反演方法,获得了研究区的地震波几何衰减模型、Q值、区内444次地震的震源参数以及118个台站的场地响应结果。研究显示,青藏高原东北缘几何衰减符合三段式分段函数形式,在该几何衰减模型的基础上,非弹性衰减模型满足Q(f)=401.8×f^0.2963;在研究区内的118个台站中,88个台站场地响应符合基岩场地特征,20个台站场地响应存在一定的放大效应,且多数台站的放大效应表现在高频段,另有10个台站的场地响应计算结果整体略<1,可能受到速度结构和Q值空间各向异性的影响。通过地方震级、矩震级、应力降和视应力的相关性研究,发现矩震级与地方震级整体呈线性相关,在矩震级相同的情况下,地方震级与地震应力降和视应力整体呈正相关。应力降和视应力间存在较为显著的统计相关性,在对数坐标系下呈明显的线性相关关系。在矩震级相同的情况下,地方震级较低的地震视应力与应力降的比值较高,表明地震破裂较充分,地震波辐射能相对较小;地方震级较高的地震视应力与应力降的比值较低,表明断层破裂过程中损耗的能量较小,地震波辐射能相对...     

Crustal structure of northeastern margin of the Tibetan Plateau by receiver function inversion

Using seismic data of about one year recorded by 18 broadband stations of ASCENT project,we obtained 2547 receiver functions in the northeastern Tibetan Plateau.The Moho depths under 14 stations were calculated by applying the H-κ domain search algorithm.The Moho depths under the stations with lower signal-noise ratio(SNR) were estimated by the time delay of the PS conversion.Results show that the Moho depth varies in a range of ~40–60 km.The Moho near the Haiyuan fault is vague,and its depth is larger than those on its two sides.In the Qinling-Qilian Block,the Moho becomes shallower gradually from west to east.To the east of 105°E,the average depth of the Moho is 45 km,whereas the west is 50 km or even deeper.Combining our results with surface wave research,we suggest a boundary between the Qinling and the Qilian Mountains at around 105°E.S wave velocities beneath 15 stations have been obtained through a linear inversion by using Crust2.0 as an initial model,and the crustal thickness that was derived by H-κ domain search algorithm was also taken into account.The results are very similar to the results of previous active source studies.The resulting figure indicates that low velocity layers developed in the middle and lower crust beneath the transition zone of the Tibet Block and western Qinling,which may be related to regional faults and deep earth dynamics.The velocity of the middle and lower crust increases from the Songpan Block to the northeastern margin of Tibetan Plateau.Based on the velocity of the crust,the distribution of the low velocity zone and the composition of the curst(Poisson's ratio),we infer that the crust thickening results from the crust shortening along the direction of compression.     

Smooth constraint inversion technique in genetic algorithms and its application to surface wave study in the Tibetan Plateau

IntroductionThe dispersion phenomena, which can be observed when surface wave travels through the Earth interior, has been extensively applied in investigating the velocity structure of the Earth interior. Usually, the dispersion curve is a nonlinear function of the thickness, S and P wave velocities and density of each layer. Because surface wave inversion is a multiple-minima problem, the result strongly depends on the initial model in traditional linear inversion. Genetic algorithm (GA) …     

青藏高原东北缘中新生代构造演化: 来自磷灰石和锆石裂变径迹的证据

青藏高原东北缘隆升机制和过程一直以来备受争议,本文为了进一步限定北祁连山及其北缘地区山体的隆升历史,在旱峡、白杨河和红山以及酒泉盆地以北的黑山和金塔南山进行了磷灰石和锆石裂变径迹分析.测试结果表明,研究区基岩样品的磷灰石裂变径迹年龄分布在晚白垩世—上新世（82~4.2 Ma）,径迹长度介于9.6~13.6 μm;锆石裂变径迹年龄分布范围为106.3~480.5 Ma,多数介于106~195 Ma.结合镜质体反射率,热史模拟曲线揭示了中新生代三期主要的冷却降温事件：早白垩世期间（140~100 Ma）、始新世期间（55~30 Ma）、中新世（10~8 Ma）以来.早白垩世期间的隆升剥露冷却过程可能由于拉萨地块的北向拼贴碰撞引起;始新世期间的隆升剥露冷却事件可能是印度与欧亚板块碰撞远程快速响应的结果;中新世以来的隆升剥露冷却过程与北祁连山逆冲断层的构造活动有关.

     

Asymmetrical river valleys in response to tectonic tilting and strike‐slip faulting,northeast margin of Tibetan Plateau

The northeast margin of the Tibetan Plateau, a particularly important area to understand the mechanism of plateau formation, is characterized by large transpressional arcuate faults. There is debate on the amount of Quaternary sinistral displacement on the major Haiyuan Fault. Previously unrecognized systemic asymmetrical valleys have developed between the Haiyuan and Xiangshan faults. Southeast tilting and sinistral displacement on the northeast side of the Haiyuan Fault resulted in southeast migration of large rivers and asymmetrical widening of their valleys, leaving a systematic distribution of tilted strath terraces along their northwest sides. Where asymmetrical widening created by tilting kept pace with sinistral displacement, rivers have not been deflected, and the increase in valley width downstream from the fault should equate to total lateral displacement since river formation (e.g. Yuan River, a 7 km asymmetrical valley with a c. 2.2 Ma paleomagnetic age). Where river deflection and asymmetrical valley growth are coeval, valley width is less than total horizontal displacement (e.g. Hebao River, a c. 2.1 km asymmetrical valley with c. 2 km deflection). All rivers north of the Haiyuan Fault converge to cut across the Xiangshan Mountains as a gorge. Northeast thrusting of the upthrown side of the Xiangshan Fault has resulted in degradation and related strath terrace formation as the valleys asymmetrically widened. A probable earthquake‐induced landslide caused by movement on the Xiangshan Fault in latest Pleistocene blocked the gorge causing aggradation along all rivers and their tributaries. Deposition terraces were formed after the landslide dam was breached. Together with previous research on the Xiangshan Fault, it is concluded that there has been c. 7 km of Quaternary sinistral displacement on the Haiyuan and Xiangshan faults along the northeast margin of the Tibetan Plateau since the formation of rivers that intersect them. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

青藏高原东南缘构造旋转的古地磁学证据

本文在总结青藏高原东南缘近年来地质研究进展的基础上,从古地磁学的角度讨论其新生代以来的构造运动特征.结果表明:相对稳定的欧亚大陆,新生代以来山泰地块发生了约20°～80°顺时针旋转,局部地区旋转量甚至高达135°,且中部地区的旋转量明显高于南北地区;印支地块经历了～30°的顺时针旋转;川滇地块的顺时针旋转量沿102°E经度线由南向北由30°逐渐减小;另一方面,古地磁数据还揭示出山泰地块新生代以来发生了～8°的南向滑移运动.旋转量随时间的变化表明主要构造旋转发生在始新世与中中新世之间,与哀牢山—红河断裂的左行走滑时间相一致.这表明青藏高原东南缘的新生代构造运动具有差异性和复杂性,现今国际流行的挤出逃逸、地壳缩短增厚及下地壳流模式均有其局限性.值得注意的是,青藏高原东南缘可靠的新生代古地磁数据在时空分布上的严重不足,制约了我们对印度与欧亚大陆碰撞在青藏高原东南缘的运动学响应过程的深入探讨和正确理解.因此,进一步对该地区新生代地层开展深入细致的古地磁学等综合研究,无疑具有重要的科学意义.     

利用接收函数方法确定青藏高原东北缘近地表S波速度

公式推导和数值实验都表明远震接收函数直达波幅度对近地表S波速度比较敏感,可以用于确定近地表（如沉积层）的S波速度值.本文利用该方法分析了青藏高原东北缘区域数字地震台网36个台站的远震资料,得到了研究区近地表S波速度分布特征.研究结果表明：在深度5±2.5 km范围内,祁连山—河西走廊区域近地表S波速度均值较小;位于地形梯度带的甘东南区域近地表S波速度呈现较为复杂的分布.通过与该区域沉积层厚度结果对比,发现近地表S波速度与沉积层厚度呈现较好的负相关.本研究是对目前接收函数方法的有效补充,在探测研究近地表速度结构方面,相比人工地震方法其成本几乎可忽略且环保.在目前地震波观测数据海量增长的背景下,该方法对于确定不同区域近地表结构具有较大潜力.     

青藏高原东北缘岩石圈三维密度结构

综合重力观测资料和地震波走时资料反演了青藏高原东北缘岩石圈三维密度结构,并对该区岩石圈结构及动力学特征进行了讨论.首先利用收集到的P波近震和远震走时数据进行地震层析成像,得到研究区岩石圈三维P波速度结构.然后利用速度-密度经验关系式,将速度扰动转化为密度扰动建立研究区三维初始密度模型.最后利用分离的布格重力异常反演得到了岩石圈三维密度结构.反演结果表明:青藏高原东北缘地壳密度结构特征有利于地震孕育发生和地壳物质侧向流动;地壳内,密度异常等值线走向与地表断裂走向基本一致,进入地幔后,密度异常等值线走向发生了顺时针旋转,这表明青藏高原东北缘地壳和地幔具有不同的构造运动模式,暗示该区可能发生了壳幔解耦;80~100 km深度上,P波速度异常较密度异常明显偏低,推测该区可能发生了部分熔融或者岩石含水量的增加;印度板块俯冲和周围坚硬块体阻挡联合作用,使得青藏高原东北缘形成了强大的区域构造应力场,并导致深部软流圈热物质上涌,为该区壳幔解耦、部分熔融和P波速度降低创造了条件.     

青藏高原东北缘地壳各向异性的构造含义

青藏高原东北缘记录了印度-欧亚大陆板块碰撞和汇聚的远场效应,且仍正处于侧向生长阶段.而地壳各向异性则反映了高原地壳的形变特征.为此,本文主要利用甘肃数字地震台网(2001年1月-2010年10月)波形记录资料,采用SAM方法进行剪切波分裂研究,得到青藏高原东北缘地壳各向异性的平均剪切波分裂参数及剩余地震各向异性参数,两个参数分别反映了区域构造和应力场特征及局部构造和局部断裂特征.研究结果表明:快剪切波2个优势偏振方向分别为NE47.72°±21.83°和121.65°±22.07°,慢剪切波平均时间延迟为2.63±1.31 ms·km-1.快剪切波平均偏振方向反映了该区域的水平主压应力方向,快剪切波偏振方向的第二优势取向揭示了NWW的局部构造意义,表明应力环境受本区NWW深大断裂带的影响.各个台站的剩余快剪切波偏振方向的优势取向与断裂走向一致,表明活动断裂控制着剩余快剪切波偏振方向.剩余慢剪切波时间延迟变化反映了断裂引起地震各向异性程度,形变具有区域特征.