中国大陆活动地块边界带最大震级分布特征研究

中国大陆活动地块边界带是强震活动的集中带,也是地震预测研究与防灾减灾的主要目标区,而最大地震震级是描述区域地震活动性的一个基本参数,被广泛应用于地震危险性分析研究中,因此有必要开展各活动地块边界带最大震级分布特征研究.本文利用广义极值(GEV)分布对各边界带作极值统计分析,对于分布参数进行估计,比较极值分布99％分位数和b值截距法最大震级、历史最大震级,并计算各震级水平下地震平均复发周期与发震次数,探讨活动地块各边界带未来强震活动的危险性.     

中国大陆活动地块边界带与强震活动

本文在前人对中国大陆及周边活动地块研究和划分的基础上，系统研究了6个Ⅰ级活动地块区和22个Ⅱ级活动地块之间共26个活动边界带的构造变形与强震活动，包括强震分布与活动边界带的关系，边界带构造活动速率与地震活动水平及强震复发期等的关系. 给出了边界带强震活动水平与构造活动速率之间的线性关系和强震复发期长短与构造活动速率的反向变化关系. 从而进一步揭示了中国大陆活动地块构造及其块体运动特征，以及块体边界带的构造变形对强震的控制作用.     

中国大陆活动地块边界带的地震活动特征研究综述

中国大陆80%以上超过7级的强震发生在活动地块边界带上,活动地块边界带已逐渐成为地震地质、地球物理、大地测量等学科重点研究的对象。文中回顾了与中国大陆活动地块边界带地震活动相关的研究结果,已有的主要认识和存在的问题包括:1)目前,在活动地块边界带地震活动领域的大部分研究工作仍然停留在统计分析层面,针对其工作基础或实际工作条件开展分析有助于深入研究中国活动地块边界带的地震活动; 2)活动地块边界带的构造运动速率决定了地震应变释放速率,但由于边界带内活动断层的复杂性,活动地块边界带的平均复发周期与构造运动速率之间的关系存在较大的不确定性,需要对这些断层系统的复杂性进行深入探讨; 3)中国大陆活动地块边界带的强震时间过程呈现出区域特征,如中国大陆东部活动地块边界带多为丛集型,青藏高原中北部地区的走滑型活动地块边界带多为准周期型,但仍需要深入研究其区域构造和区域动力学的物理机制; 4)中国大陆强震孕育发生的动力学环境整体上呈"纵向分层、横向分块"的特征,尽管随着地球物理、地球化学、大地测量、地震地质等研究的不断深入,不同时空尺度的物理模型对解释活动地块框架下大陆强震的孕育发生具有指导意义,但由于活动地块运动与变形并非只有刚性运动,壳幔介质物性的横向差异比较普遍,故对大陆型强震动力学过程的认识尚需完善,需要在活动地块理论框架下系统开展深入的研究,建立与震源物理相关的各类基础模型。     

活动地块假说理论框架的提出、发展及未来需关注的科学问题

由中国科学家提出的"中国大陆强震受控于活动地块运动与变形"的假说,不仅可用于解释中国大陆强震的空间分布,同时基于其理论和定义可将中国大陆划分为6个Ⅰ级活动地块和22个Ⅱ级活动地块。活动地块之间的边界带往往由活动构造带组成,一般宽约几km至百余km,是强烈地震的多发区。活动地块假说指出,已发生的近100%的8级以上强震、约80%的7级以上强震震中均位于地块边界带上。近年来,中国大陆几次7级以上强震也都发生在活动地块边界带,这不仅验证了活动地块假说的理论模型,同时还预测了未来强震就发生在活动地块边界带内某些有利于应力集中的部位。活动地块假说经过近20a的发展,已建立并逐步完善了其理论框架,奠定了中国活动构造与强震预测的理论基础,正推动着强震预测由概率预测向物理预测过渡。但就活动地块的概念和理论框架而言,还存在的诸多问题需进一步回答和解释。众所周知,强震是活动地块边界带特殊构造部位应变逐渐积累、介质突发失稳和能量释放的结果,地震预测的突破性进展需要建立在充分理解其整个物理过程的基础之上。因此,以边界带断裂的活动性、现今的变形状态、深浅构造的耦合关系、强震孕育环境及震源物理模型为主要研究内容,开展针对活动地块边界带强震活动机理与预测的研究,是活动地块理论完善和研究未来关注的重要内容和重要科学问题。     

中国大陆活动地块与强震活动关系

研究了中国大陆各Ⅰ级活动地块区强震活动特点, 包括强震活动的总体水平、地震应变能释放速率、震级频度关系、震源破裂特性和地震应力场特征等, 以及由GPS资料给出的各活动地块运动变形特征, 如各地块运动的速度、地块变形的应变速率、最大主压应变方向、地块运动变形中的张、压状态等. 在此基础上, 对中国陆区Ⅰ级活动地块区的强震活动特点和地壳运动变形性状进行对比研究, 给出各活动地块的构造动力环境及其运动变形的性状决定其地震活动的总体状况, 包括: 活动地块现今地壳运动变形的应变速率与地震应变能释放呈线性相关; 由震源机制给出的各活动地块的地震应力场与由GPS观测给出的现今地壳运动应变(应力)场的同一性, 以及震源破裂类型与地壳形变张、压状态的一致性等. 这些结果显示了中国大陆活动地块及其运动性状对强震孕育发生的控制作用.     

汶川8．0级特大地震前地震活动的显著特征

2008年5月12日四川省汶川县发生了MS8．0特大地震（本文震级均为MS）,该地震是中国大陆内部活动地块边界带的特大地震,它发生在青藏、华南一级活动地块区边界交汇部位的龙门山断裂带。本文结合活动地块划分结果阐述了汶川8．0级特大地震前7级强震格局,探讨了该特大地震前可能的动力学变化过程;以中国大陆地区为研究对象,分析...     

从块体中心论看中国近期强震成组活动的特征

从块体中心论的角度出发,根据中国活动地块研究的最新成果,对1977—2003年中国大陆强震成组发生的构造和震源机制特征进行了分析。结果表明,这些成组发生的强震大都位于活动地块区(Ⅰ级地块)的边界带上或活动地块区内活动地块(Ⅱ级地块)的边界带上。根据哈佛大学提供的CMT(矩张量)解,同组的强震大都具有相似的震源机制。事实表明活动地块区具有整体活动的特点,而且在动力学与运动学方面存在统一性。这些特征对认识强震成组活动的机理,缩小成组强震预测的空间范围具有现实意义     

中国大陆活动地块边界带强震震级分布特征研究

本文利用基于广义帕累托分布的超阈值分布模型,对中国大陆活动地块边界带强震震级分布特征开展研究,给出了各活动地块边界带强震震级的广义帕累托分布参数估计。结果表明,广义帕累托分布较好地拟合了各边界带强震数据,形状参数估计均为负值,说明对应震级应有上限,因此广义帕累托分布为潜在震级上限提供了一种自然的刻画。在此基础上,估计了震级上限,并给出了分布0.99997高分位数估计,通过与历史最大震级比较发现,高分位数估计相对稳健。在地震发生过程为泊松过程假设下,推导了广义帕累托分布与广义极值分布之间的联系,揭示了一种利用强震数据推断最大震级分布的可能途径。     

中国大陆活动地块边界带主要断层的强震震间晚期综合判定

由于中国大陆强震主要分布在活动地块边界带上,所以活动地块边界带主要断层成为我国大陆型强震研究的重要目标,各强震孕育阶段的判定是大陆型强震原地复发的动力学过程研究主要内容,而目标断层是否处于震间晚期也是强震时间预测的重要研究基础.虽然地震短临预测仍存在诸多科学难题,但最近20年来全球若干强震相关研究表明,如果放宽预测时间尺度的要求,有些方法也可用于强震震间晚期的判定.本文以中国大陆活动地块边界带的391条断层段为研究目标,利用地震地质的强震破裂空段、大地测量的断层运动闭锁段、地震活动的中小地震稀疏段、数值模拟的库仑应力增强显著段等方法,综合判定中国大陆活动地块边界带可能处于震间晚期的主要断层段.本文结果仅是初步结果,该结果的可靠程度有赖于监测条件,其科学性有赖于大陆型强震孕育发生动力学过程的认识水平,虽然本文尝试给出中国大陆活动地块边界带主要断层的震间晚期判定结果,但其结果可靠程度、精细程度等均存在巨大的改善空间.最后,从断层孕震阶段判定需求的角度,本文尝试给出大陆型震源物理模型的具体基础模型,期望起到抛砖引玉的作用,也期望更多地震学家关注大陆型强震的物理机制及其预测基础研究.     

华北地区活动地块与强震活动

在华北活动地块的鄂尔多斯、华北平原和鲁东-黄海等3个二级活动地块中, 华北平原活动地块内部存在安阳-菏泽-临沂、唐山-河间-磁县两条活动构造带, 把该活动地块分割成太行山、冀鲁、豫淮等3个三级活动地块. 这些三级活动地块具有整体运动特征, 在新生代构造和深部构造上也有明显差异. 构成三级活动地块边界的活动构造带无论在活动强度、规模和地震活动水平上, 都小于一、二级活动地块的边界带. 华北地区活动地块边界带上M≥6级的地震密度比地块内部高出9 ~ 22倍, 平均而言, 在1个数量级以上. M≥7级的大震基本上都发生在活动地块边界带上. 这些差异不是偶然的, 而是反映了板内构造运动和强震活动特点, 是对活动地块假说非常有力的佐证.     

Active tectonic blocks and strong earthquakes in the continent of China

The primary pattern of the late Cenozoic to the present tectonic deformation of China is characterized by relative movements and interactions of tectonic blocks. Active tectonic blocks are geological units that have been separated from each other by active tectonic zones. Boundaries between blocks are the highest gradient of differential movement. Most of tectonic activity occurs on boundaries of the blocks. Earthquakes are results of abrupt releases of accumulated strain energy that reaches the threshold of strength of the earth's crust. Boundaries of tectonic blocks are the locations of most discontinuous deformation and highest gradient of stress accumulation, thus are the most likely places for strain energy accumulation and releases, and in turn, devastating earthquakes. Almost all earthquakes of magnitude greater than 8 and 80%-90% of earthquakes of magnitude over 7 occur along boundaries of active tectonic blocks. This fact indicates that differential movements and interactions of active tectonic blocks are the primary mechanism for the occurrences of devastating earthquakes.     

青藏高原北部活动地块内部的活断层定量资料

文中定义了祁连山活动地块的边界,列表给出了近十几年来在青藏高原北部活动地块内部的活断层定量资料。其内容主要包括:活断层的编号、名称、产状、主要的地质地貌标志、活动年代、断层分段、断层滑动速率、古地震及其年代、地震破裂带的主要特征等。这些资料表明:青藏高原北部活动地块的8级大地震集中在它的边界活断层上,断层的滑动速率都在5~12mm/a左右;7级左右的地震发生在其内部规模较小的断层上,断层的滑动速率都在1~3mm/a左右;青藏高原北部活动地块内部的活断层,可以将该活动地块划分为几个次级地块,这些次级活动地块以变形为主,没有发生旋转;我们的结果支持青藏高原"连续变形"的假说     

THE CONCEPT,REVIEW AND NEW INSIGHTS OF THE ACTIVE-TECTONIC BLOCK HYPOTHESIS

The hypothesis that strong earthquakes in China mainland are controlled by the movement and interaction of active-tectonic blocks was advanced by Chinese scientists, with the remarkable ability to encompass geological and geophysical observations. Application of the active-tectonic block concept can illustrate 6 active-tectonic block regions and 22 active-tectonic blocks in mainland China and its neighboring regions. Systems of active-tectonic block boundaries are characterized by a zone of decades or hundreds of strong earthquakes. One of the greatest strengths of the modern active-tectonic block hypothesis is its ability to explain the origin of virtually all the M8 and 80% M7 earthquakes on the main continent in eastern Asia. In other words, active-tectonic block boundary stands in strong causal interrelation with recurrence behaviors of strong earthquakes and thus, it is possible to predict an earthquake occurrence in principle. After nearly two decades of development and improvement, the active-tectonic block hypothesis has established its theoretical foundation for the active tectonics and earthquake prediction, and is promoting the transition from probabilistic prediction to physical prediction of strong earthquakes. The active-tectonic block concept was tested by application to a well-documented, high-frequent earthquake area, and was found to be an effective way of describing and interpreting the focal mechanism and seismogenic environment, but there are still many problems existing in the active-tectonic block hypothesis, which confronts with rigorous challenges. Future progress will continue to be heavily dependent on the high-precision synthetic seismogram, especially of critical poorly documented settings. It is well known that strong earthquakes occur anywhere in the interactions among the active-tectonic block boundaries where there is sufficient stored elastic strain energy driving fault propagation, and then releasing the stored energy. Therefore, future studies will focus on the mechanism and forecast of the strong earthquake activity in the active-tectonic block boundary zone, with fault activity within the active-tectonic block boundary zone, quantifying current crustal strain status, upper crust and deep lithosphere coupling relation, strong earthquake-generating process and its precursory variation mechanism in seismic geophysical model as the main research contents, which are the key issues regarding deepening the theory of active-tectonic block and developing continental tectonics and dynamics in the modern earth science.     

PROGRESS IN APPLICATION OF GNSS TO DIVISION OF ACTIVE TECTONIC BLOCKS IN CONTINENTAL CHINA

Chinese scientists proposed that large earthquakes that occurred in mainland China are controlled by the movement and deformation of active tectonic blocks. This scientific hypothesis explains zoned phenomenon of seismicity in space. The active tectonic blocks are intense active terranes formed in late Cenozoic and late Quaternary, and the tectonic activity of block boundaries is the intensest. Global Navigation Satellite System(GNSS)has advantages of high spatio-temporal resolution, broad coverage, and high accuracy, and is utilized to monitor contemporary crustal deformation. High accuracy and resolution of GNSS velocity field within mainland China and vicinities provided by previous studies clearly demonstrate that different active tectonic blocks behave as different patterns of movement and deformation, and block interaction boundaries have intense tectonic deformation. The paper firstly introduces the GPS networks operated by the Crustal Movement Observation Network of China(CMONOC)since 1999, and GNSS data processing methods, including GAMIT, BERNESE and GIPSY/OASIS, and discusses the advantages of using South China block as a regional reference frame for GNSS velocity field, then proposes three strategies of block division, F-test, quasi-accurate detection(QUAD), and clustering analysis. Furthermore, we introduce rigid and non-rigid block motions. Rigid block motion can be denoted by translation and rotation, while non-rigid block motion can be described by rigid motion and internal strain deformation. Internal strain deformation can be divided into uniform and linear strains. We also review the usage of F-test to distinguish whether the block acts as rigid deformation or not. In addition, combining with recent GNSS velocity results, we elaborate the characteristics of present movement of rigid block, such as the South China, Tarim, Ordos, Alashan, and Northeast China, and that of non-rigid block, such as the Tibetan plateau, Tian Shan, and North China plain. Especially, the Tibetan plateau and Tian Shan seem to deform continuously with significant internal deformation. In order to enrich and perfect the active tectonic block hypothesis, we should carefully design dense GNSS networks in inner blocks and block boundaries, optimize utilizing other space geodesy technologies such as InSAR, and strengthen combining study of geodesy, seismogeology and geophysics. Through systematic summary, this paper is very useful to employing GNSS to investigate characteristics of block movement and dynamics of large earthquakes happening in block interaction boundaries.     

中国西部及邻区活动地块边界带现代构造应力场

利用哈佛全球矩心矩张量解数据和许忠淮认为1920mdash;1999年可靠的中国大陆震源机制解数据, 反演了中国西部及邻区活动地块边界带上现代构造应力场．通过对FMSI反演程序多次的输入和检验, 得到了边界带上的应力场．边界带上最大主压应力sigma;1轴绝大多数近水平. 在90deg;E以西的中国西部大陆及邻区, sigma;1轴水平方向基本上为近SN向;在青藏高原的东北部, sigma;1轴水平方向基本上为近NE向;在青藏高原的东南部, sigma;1轴水平方向绕喜马拉雅构造东端顺时针方向旋转．最小主压应力sigma;3轴倾角呈两极分布,西域地块区内活动地块边界带和青藏地块区内东北缘部分段sigma;3轴倾角较陡, 而青藏地块区内sigma;3轴倾角近水平, 所以西域地块区和青藏地块区内东北部相对于其它大部分青藏地块区, 有更多的逆冲地震．应力场在同一个边界带具有非均匀性. 北天山带、南天山带、西秦岭mdash;德令哈带、岷山mdash;龙门山带和安宁河mdash;小江带的非均匀性相对要小一些, 西昆仑带、海原mdash;祁连带、东昆仑带、玛尼mdash;玉树带、澜沧江带和滇西西边界带的非均匀性相对要大, 而喀喇昆仑mdash;嘉黎带和喜马拉雅带的非均匀性最显著．由于震源机制解数据的限制, 本文给出的是边界带上部分段的应力场．      

应用地震学方法研究中国大陆活动地块应力应变场

在中国大陆活动地块假说及活动边界研究的基础上，将中国大陆按照地震活动特征进行分区. 利用大地震的震源机制资料和历史强震资料，结合小震综合节面解，研究了各地震区的应力应变状态，给出了各地震区的平均应力主轴方向和平均应变率. 应用地震应变能积累释放模型研究了各地震区的地震活动水平. 结果表明最大剪切应变率与地震活动水平存在线性关系. 将地震资料给出的中国大陆地壳应力应变场与GPS测量给出的结果进行了比较，初步说明了两种结果存在着统一性，从而显示出活动地块运动变形与强震活动的内在联系.     

Active blocks and strong seismic activity in North China region

The active North China block consists of three second-order blocks: Ordos, North China Plain, and East Shandong-Huanghai Sea blocks. Two active tectonic zones, the Anyang-Heze- Linyi and Tangshan-Cixian zones, exist in the active North China Plain block and have separated the active block into 3 third-order active blocks, Taihangshan, Hebei-Shandong, and Henan-Huai blocks. The 3 third-order active blocks are characterized by their entire motion and are clearly different in their Cenozoic structures and deep structures. The active boundary tectonic zones between the third-order active blocks are less than those between the first- and second-order active blocks in their movement strength, extent, and seismic activity. The density of M ≥ 6 earthquakes in the boundary zones between active blocks is higher than that within the blocks by 9-22 times in the North China region, up to one order of magnitude on average. M ≥ 7 earthquakes occurred basically in the boundary zones between active blocks. The difference is not occasional, but reflects the nature of intraplate movement and the characteristics of strong seismic activity and is the powerful evidence for hypothesis of active blocks.     

不同构造环境中地震活动对新疆地震形势的影响

在对构造运动差异较大的柯坪块体和天山中部地区地震活动研究基础上,深入分析了这两个不同构造单元的中强地震活动对整体新疆地震形势的影响。不同构造环境下不同构造单元地震活动差异性很大。柯坪块体内构造运动强烈,它是新疆6级地震主要活动区之一。6级地震发生后的1年内,天山地震带是中强地震的主要响应区,在时间上具有短期预测意义。位于特殊构造环境的中天山地区地震少,地震强度低。4次5级地震后的1~3年,新疆地震活动呈明显增强趋势,中天山地区中强地震活动对周边地区中强地震活动会产生触发作用。     

中国大陆构造块体的现今活动和变形

在重新对 1998年和 2 0 0 0年的中国地壳运动观测网络基准站和基本站的 2期观测资料进行预处理的基础上 ,得到了ITRF97坐标框架下 ,参考时刻分别为 1998年 9月 5日和 2 0 0 0年 6月 8日 ,分布在全国各主要构造块体上的 79个GPS站的坐标和协方差矩阵。分别以中国岩石圈动力学地图集 (马杏垣 ,1989)中的中国大陆主要构造单元 (称之为亚板块 )和张培震等 ( 2 0 0 2 )给出的中国主要活动块体为格架 ,用笔者提出的 1种推广了的QUAD方法对中国大陆的 2 0个主要构造块体逐个进行判别检验。那些现今无明显相对运动的相邻块体则被归并起来 ,从而确定了活动块体和它们的边界。采用刚体运动 +块体均匀应变 +局部变形的模型作为描述中国大陆构造块体的现今活动和变形的模型。求出了有明显相对运动块体的欧拉运动矢量和块体的整体均匀变形参数、各块体内部的不均匀局部变形以及活动边界的活动方式和强度。在此基础上 ,除了一般地指出中国大陆地壳运动西强东弱的特征之外 ,还对西部主要活动块体和边界活动强弱给出了定量比较结果 ,从而为强震危险区的判别提供了形变背景依据