岩石圈塑性流动与大陆板内构造变形研究进展评述

人们对大陆板内构造变形机制有两种不同认识,即“刚性”板块通过弹性实现应力远程传递和岩石圈通过下层塑性流动实现应力远程传递。通过对岩石圈各层变形属性和塑性流动的研究。认为通过处于塑性状态的下地壳和岩石圈地幔的塑性流动实现应力远程传递和控制板内构造变形更为合理。     

莫哈韦沙漠地幔幂次率流动的证据

地球对大地震的响应研究可以看作大的岩石变形试验，其中突然的应力变化在下地壳和上地幔产生粘性流动使得地表产生可观测到的震后变形(Nur and Mavko，1974)．实验室中的试验表明，热的岩石层中岩石的粘性流动变形可由幂次率来表征，其中应变速率与应力的n次幂成比例(Kirhy and Kronenberg，1987；Carter and Tsenn,1987)。     

青藏高原及邻区的Rayleigh面波的方位各向异性

用Rayleigh波层析成像研究青藏高原地壳上地幔方位各向异性．收集了包括近年来在云南和川西藏东地区布设的流动台网在内的青藏高原及周边地区宽频带地震台站的记录,使得大部分地区有理想的射线覆盖,因此反演结果获得较高的分辨．模型分辨率的测试表明,大于400km范围内的各向异性特征以及大于2％的各向异性强度是可靠的．青藏高原内部的方位各向异性具有与大地构造相似的分区特征．高原东部大部分地区地壳各向异性强度大于2％,且表现为环绕喜马拉雅东构造结的顺时针旋转．在垂直方向上,高原内部的上地壳、下地壳和岩石圈地幔的各向异性方向基本一致,也与GPS所观测到的速度场和SKS快波方向基本一致,揭示高原下方的岩石圈变形是垂直连贯变形．在高原外部的云南地区,地壳和上地幔岩石圈方位各向异性的强度均小于2％,因此SKS波从核幔边界至台站间产生的分裂应主要归因于软流圈．     

大陆深俯冲的深浅动力学响应:来自帕米尔高原地壳精细结构的约束

帕米尔高原位于青藏高原西构造结,强烈的陆内中源地震活动指示帕米尔高原下方正发生着大陆深俯冲过程.文章基于帕米尔高原现有流动地震台阵观测资料,利用接收函数谐波分析和环境噪声方法,在有效协调接收函数与面波频散分辨尺度的情况下,通过接收函数和面波频散联合反演,重建了横跨帕米尔高原到费尔干纳盆地等主要构造单元的壳幔二维S波速度结构.通过与接收函数CCP叠加成像剖面之间的对比分析,可靠地揭示了帕米尔高原中源地震分布、Moho面形态、上地幔和壳内低速异常分区/分层之间的空间配置关系,不仅进一步证实了亚洲大陆下地壳在帕米尔高原下方与岩石圈地幔耦合在一起发生了深俯冲,而且指示了深俯冲地壳物质的变质脱水反应在该区中源地震活动和壳内变形中起到的重要作用,从而为认识和理解大陆深俯冲过程及其动力学响应提供了新的地震学制约.     

强震后地表变形的动力学机制研究—以1999年台湾集集地震为例

强震后地表变形的动力学机制是地球动力学研究的重要方面,现在普遍认为震后变形主要由断层的震后余滑或由介质的黏弹性松弛所至。1999年台湾集集地震GPS观测系统记录到了空前的资料,为研究震后变形的动力学机制提供了难得的机会。本研究认为集集地震后地表变形由震后断层余滑、下地壳／上地幔的黏弹性松弛、震源区介质的破裂、孔隙弹性回跳、地下流体的运移、介质孔隙度及孔隙压的变化等多种因素共同影响决定。为抓住重点,研究中将介质的破裂、地下流体的运移和孔隙弹性回跳等因素等效为震源区介质的物性变化。文中运用黏弹性有限单元模型（麦克斯威尔体）、利用GPS观测的时间序列资料对震后余滑、地壳／地幔黏度以及等效的震源区介质物性变化进行了反演。反演模型给出了震后余滑的分布及变化特征,反演结果初步显示台湾地区的下地壳／上地幔的黏度分别为2.7×10^18,4.2×10^20Pa·s。此外,反演结果还给出每种影响因素对地表变形的贡献大小,在集集地震后的450d时间里,断层的震后余滑引起的地表变形占总变形的44.6％,下地壳／上地幔的黏性松弛占34.7％,等效的震源区介质的物性变化占20.7％。     

青藏高原及邻区壳幔速度结构及面波方位各向异性

青藏高原是印度板块向欧亚板块碰撞俯冲的产物,其地壳上地幔结构复杂,深部结构是青藏高原隆升动力学机制研究的基础和关键。在近期的青藏高原地球动力学研究中,壳幔变形和耦合的问题是当前研究的热点之一。本文试图利用青藏高原及其周边的宽频带数字记录做Rayleigh面波的层析成像,以获得青藏高原及邻区从地壳到岩石圈地幔的群速度和方位各     

新马德里地震带的岩石圈强度与板内形变

提出一个简单的假说来解释为什么在相对稳定的板块内部地区会存在高地震活动区与高构造形变区．首先,对于大多数板内地区而言,特别是大陆地盾地区与老的海洋盆地,下地壳与上地幔的温度相当低,那里的岩石相对坚硬在这些地区不可能发生明显的岩石圈变形,因为岩石图累积强度大大超过板块驱动力．相反,如果下地壳与上地幔温度相对较高,板块驱动力则主要由上地壳承受,因为下地壳与上地幔相对软弱在这种地区,由于岩石圈累积强度与板块驱动力大小相当,构造形变相对较快．本文将这种假说应用在位于美国中部的新马德里地震带与周围地区．地震带内部热流密度值约为60mw／m2,略高于本区背景热流密度值45mW／m2．计算得到的地温梯度与实验室结果所揭示的延性流动定律表明,在地震带内下地壳与上地幔相当软弱,板内应力主要由上地壳传递．那里的形变速率相对较高．与此相反,在周围地区热流值相对较低,岩石四累积强度大大超过板块驱动力,构造应力由地壳与上地幔共同承受热流值的大小和下地壳上地幔的受力状态是决定地震活动性在地震带内与周围地区强烈对比的主要因素．     

青藏高原东北缘岩石圈变形方式的动力学模拟研究

青藏高原东北缘是青藏高原横向扩展的前缘位置,其岩石圈变形方式和动力学机制是理解青藏高原横向扩展模式的关键.本研究利用数值模拟方法,以地表地形、岩石圈结构和地表热流等观测为约束,重点讨论了流变强度差异对青藏高原东北缘岩石圈变形方式的影响.结果表明:当青藏高原周缘地块岩石圈地幔强度相对较高,地壳强度相对较低的情况下,在不断扩展的青藏高原挤压作用下,周缘地块地壳增厚,增厚的地壳在重力作用下使得下覆岩石圈地幔俯冲下插;而当周缘地块岩石圈地幔强度非常高,则有限的地壳增厚不能使其俯冲下插,只能在地壳部分形成有限的缩短变形;低黏滞性、高速流动的下地壳使得下地壳整体增厚,从而对青藏高原地表的整体抬升有重要贡献,而对岩石圈地幔的变形方式影响有限.     

岩石的脆性-延性转变及塑性流动网络

实验变形研究表明.随着矿物组成.粒度、温度、围压、应变率、液体介质等因素的变化岩石由脆性,半脆性,向半延性.延性转变,其中包括力学行为.微观机制和宏观结构的变化,而决定岩石脆性-延性转变的基本因素在于所含的粘塑性成分及其粘滞性.半延性流动具有共轭网络状的结构特征;延性流动则包括网络状流动和均匀流动两种宏观结构;半延性-延性流动网络以其近似正交性和非牛顿流动特性分别与半脆性破裂网络和均匀延性流动相区别.基于上述研究,可将地壳、上地幔划分为脆性-半脆性的中上地壳,半延性-延性网络状流动的岩石圈下层(含下地壳和岩石圈地幔)和均匀延性流动的软流圈.地壳多震层内的大型地震带及网络是岩石圈下层塑性流动网络的一种响应.     

南北地震带岩石圈S波速度结构面波层析成像

本文利用天然地震面波记录和层析成像方法,研究了南北地震带及邻近区域的岩石圈S波速度结构和各向异性特征.结果表明南北地震带的东边界不但是地壳厚度剧变带,也是地壳速度的显著分界.其西侧中下地壳的S波速度显著低于东侧,强震大多发生在低速区内部和边界.青藏高原东缘中下地壳速度显著低于正常大陆地壳,在松潘甘孜地块和川滇地块西部大约25～45 km深度存在壳内低速层;这些低速特征与高原主体的低速区相连,有利于下地壳物质的侧向流动.地壳的各向异性图像与下地壳流动模式相符,即下地壳物质绕喜马拉雅东构造结运动,东向的运动遇到扬子坚硬地壳阻挡而变为向南和向北东的运动.面波层析成像结果支持青藏高原地壳运动的下地壳流动模型.南北地震带的岩石圈厚度与其东侧的扬子和鄂尔多斯地块相似但速度较低.川滇西部地块上地幔顶部(莫霍面至88 km左右)异常低速;松潘甘孜地块上地幔盖层中有低速夹层(约90～130 km深度).岩石圈上地幔的速度分布图像与地壳显著不同,在高原主体与川滇之间存在北北东向高速带,可能会阻挡地幔物质的东向运动.上地幔各向异性较弱且与地壳的分布图像显然不同.因此青藏高原岩石圈地幔的构造运动具有与地壳不同的模式,软弱的下地壳提供了壳幔运动解耦的条件.     

Coseismic and postseismic subsurface displacements and strains for a vertical strike-slip fault in a three-layer elastic medium

A three-layer elastic-gravitational fault displacement model using dislocation theory has been developed and used to examine the effect of layering of earth elastic moduli on surface and subsurface displacement fields for a vertical strike-slip fault. The model has been used to examine the effect of depth variation of elastic properties at coseismic and postseismic time scales. For pure strike-slip motion the effect of gravity on coseismic and postseismic horizontal deformation is negligible. For coseismic deformation the model predicts that (for constant Poisson's ratio) an increase in elastic moduli with depth attenuates the displacements within the upper layers with respect to displacement distribution for a uniform half-space, while an inclusion of a soft layer between the top layer and lower half-space amplifies upper layer displacements. The effect of variation in Poisson's ratio on surface and subsurface displacements has also been examined.The effect of postseismic stress relaxation on surface and subsurface displacements for a three-layer model has been calculated and compared with that of a uniformly relaxed half-space model. Layer 1 is assumed to correspond to the upper crust, layer 2 the lower crust and layer 3 the upper mantle. The effect of postseismic stress relaxation within a uniform half-space and within just the lower crust and upper mantle has been examined. Stress relaxation within the whole half-space decreases the amplitude and shortens the wavelength of displacements, while stress relaxation within the lower two layers increases the amplitude and broadens the wavelength of displacements. The difference between uniform and layered postseismic relaxation is particularly pronounced at the base of the crust.Coseismic and postseismic normal and volumetric strains for a vertical strike-slip fault have also been examined. For a uniformly relaxed half-space model, an increase in normal strains is shown with respect to the coseismic elastic solution, whereas the postseismic volumetric strain is effectively zero. For a three-layer model with stress relaxation in the lower layers only, the normal and volumetric strains within the top elastic layer resemble coseismic strains, while in the lower layers which suffer a rigidity decrease, the postseismic volumetric strain is effectively zero.     

青藏高原及邻近地区地壳与上地幔剪切波三维速度结构

本文利用30个基准台所记录的238条长周期面波资料,经过适配滤波和分格频散反演,得到中国大陆及邻区147个分格10-105s的纯路径频散,进而反演出青藏高原及邻近地区深至170km的剪切波三维速度结构.研究表明,青藏高原中西部地区和东部地区的地壳平均厚度分别为70±7km和65±7km,地壳平均剪切波速度分别为3.55和3.62km/s,上地幔顶盖平均速度分别为4.63和4.61km/s; 岩石层厚度均为120±10km;东部地区下地壳内30-40km深度处普遍存在低速层;青藏高原及其东侧的上地幔低速层内有横贯东西且明显向上隆起的低速腔.滇西缅北地区的地壳厚45±5km,上地壳及下地壳内都有低速层;上地幔顶盖的速度为4.42km/s,比青藏高原本体及恒河平原都低.恒河平原地壳厚34±2km,速度平均为3.45km/s;上地幔顶盖厚86±10km,速度平均为4.63km/s,顶盖内55-83km深处有一个低速夹层.     

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     

Scales of Heterogeneities in the Continental Crust and Upper Mantle

—A seismological characterization of crust and upper mantle can refer to large-scale averages of seismic velocities or to fluctuations of elastic parameters. Large is understood here relative to the wavelength used to probe the earth.¶In this paper we try to characterize crust and upper mantle by the fluctuations in media properties rather than by their average velocities. As such it becomes evident that different scales of heterogeneities prevail in different layers of crust and mantle. Although we cannot provide final models and an explanation of why these different scales exist, we believe that scales of inhomogeneities carry significant information regarding the tectonic processes that have affected the lower crust, the lithospheric and the sublithospheric upper mantle.¶We focus on four different types of small-scale inhomogeneities (1) the characteristics of the lower crust, (2) velocity fluctuations in the uppermost mantle, (3) scattering in the lowermost lithosphere and on (4) heterogeneities in the mantle transition zone.     

Deep crustal structure of the kamchatkan volcanic regions

Crustal structure in a number of Kamchatka volcanic regions is deduced from geophysical data. Anomalous structure and physical properties of the crust are found beneath some volcanic groups. Beneath the Klyuchevskaya and Avachinskaya volcanic groups crustal layers have high elastic properties. There is a thick transition layer from the crust to the upper mantle which has lower clastic properties and electrical resistance. These data, supported by experimental investigations of elastic properties of xenoliths in volcanic rocks at high pressures and temperatures, enable the probable substance composition of the crustal layers to be defined. The feeding zones and magma chambers of individual volcanoes are deduced from anomalies in gravity, electrical conductivity and seismic wave propagation.     

青藏高原东缘的地壳流及动力过程

黏滞性地壳流对地壳及上地幔变形作用及动力机制,是大陆新生代造山带的一个重要研究内容.青藏高原中下地壳存在部分熔融或含水物质的黏滞性流体,已为一系列地球物理及岩石学研究所证实.为研究青藏高原东缘地壳流的动力作用,本文用密集的被动源宽频带地震台的观测数据,反演了地壳上地幔精细速度结构和泊松比.研究表明,川西及滇西北高原的中地壳内普遍存在低速层,而高泊松比的地壳只分布在川西北地区.位于中地壳的黏滞性地壳流从青藏高原腹地羌塘高原流出,自北西向南东流入青藏高原东缘.这些黏滞性地壳流带动了上地壳块体水平移动,当它们受到刚强的四川盆地及华南地块阻挡时将发生分层作用,地壳流将分为二或更多分支不同方向的分流,向上的一支地壳流将对上地壳产生挤压,引起地面隆升,向下的一支地壳流将使莫霍面下沉加厚下地壳·黏滞性地壳流的运动在地壳中产生应变破裂发生强烈地震活动,地震的空间分布与震源机制也受到地壳流动力作用控制.     

川滇地区下地壳流动对上地壳运动变形影响的数值模拟

根据活动断裂分布和区域流变结构建立川滇地区三维有限元模型, 采用上地壳为弹性介质,下地壳和上地幔为Maxwell体的粘弹性模型,模拟川滇地区地壳现今运动和应力分布,探讨川滇地区地壳运动变形的动力学机制. 通过4种不同边界条件和深度分层结构有限元模型的计算结果的对比,认为川滇地区绕喜玛拉雅东构造结顺时针旋转的地壳运动模式主要受川滇地区特殊的边界动力作用控制,川滇菱形块体下地壳流动对上地壳的拖曳作用亦不容忽视. 同时,川滇地区各块体的现今地壳运动场和应力场还受到区域主要活动断裂带的影响, 呈现分块特征.      

基于2001年MW7.8可可西里地震震后形变模拟研究藏北地区岩石圈流变学结构

青藏高原岩石圈的流变学结构和形变机制是地学界长期争论的重大科学问题.2001年发生在东昆仑断裂带的M_W7.8可可西里地震造成青藏高原北部地区岩石圈构造应力场的很大改变,引起下地壳与上地幔的快速弛豫形变,从而为研究这一问题提供了难得的机会.本研究采用该区域的GPS震后观测,反演这一地区岩石圈的流变学参数并探讨其形变机制.反演所采用的数据来自45个GPS观测点,其中包括一个中国地壳运动观测网络的基准站,数据最长时间跨度达6.4年.大地震震后形变场主要来源于地壳、上地幔的黏弹性松弛与断层面上的震后余滑,因此本研究同时反演介质的黏滞系数和断层的震后余滑.考虑到东昆仑断层南侧的巴颜喀拉-羌塘地区与北侧的柴达木盆地地区具有明显不同的地壳结构,断层南北两侧采用不同的Burgers体流变学结构,其下地壳-上地幔的短期和长期黏滞系数采用网格搜索法获得;断层震后余滑反演则同时施加近似正比于库仑应力的约束.最终结果显示：东昆仑断层北侧柴达木盆地地区下地壳-上地幔短期和长期黏滞系数分别为5×10¹⁸ Pa·s和1.5×10²⁰ Pa·s;东昆仑断层南侧巴颜喀拉-羌塘地区下地壳-上地幔短期和长期黏滞系数分别为1.5×10¹⁸ Pa·s和1.5×10¹⁹ Pa·s.这一结果表明：巴颜喀拉-羌塘地区下地壳-上地幔黏滞系数显著低于柴达木盆地,意味着巴颜喀拉-羌塘地区下地壳可能存在部分熔融,其地壳形变模式更趋近于连续形变,而柴达木盆地形变模式更趋近于块体运动.研究区下地壳长期黏滞系数比下地壳流模型所主张的黏滞系数高2~3个数量级,表明下地壳流在本地区可能不存在.     

岩石圈结构对大地震震后形变的影响——以1976年唐山大地震和2001年昆仑山大地震为例

大地震发生之后通常会诱发一系列的余震序列,对比1976年M_S7.8唐山大地震和2001年M_S8.1昆仑山大地震周边区域的地震事件可以看出,唐山大地震余震活动时间要明显长于昆仑山大地震余震活动时间.余震序列往往与震后形变密切相关,而影响震后形变的因素不仅与地震发震断层和震级有关,同时与岩石圈的结构有关.考虑到唐山大地震的发震区华北地块和昆仑山大地震的发震区青藏高原有着较大的岩石圈结构差异,本文采用PSGRN/PSCMP软件计算了岩石圈分层模型的大地震同震和震后形变,分析了地壳弹性模量、弹性厚度以及黏滞性系数对同震和震后形变的影响,进而讨论了影响唐山地震和昆仑山地震余震序列差异的原因.计算结果显示,震后形变会在黏弹性效应的作用下逐渐调整,震后形变的持续时间与地壳弹性模量、地壳弹性厚度和下地壳黏滞性系数有关.上地壳和下地壳弹性模量越大,震后形变达到稳定值的时间越短,弹性模量对震后形变稳定值影响很小.地壳弹性厚度越大,震后形变达到稳定值的时间越短,当断层面底端深度小于地壳弹性厚度时,地壳弹性厚度的增加会引起震后形变稳定值的减小;下地壳厚度对震后形变达到稳定值的时间和稳定值基本无影响.下地壳黏滞性系数越大,震后形变达到稳定值的时间越长,反之亦然.结合唐山地震区的华北地块和昆仑山地震的青藏高原深部结构发现,两者之间的上地壳弹性模型差别不大,唐山地震区地壳弹性厚度略大于昆仑山地震区,但昆仑山地震区下地壳黏滞性系数明显低于唐山地震区.这些因素均决定了昆仑山地震的震后形变持续时间短（余震时间序列短）而唐山地震的震后形变持续时间长（余震时间序列长）.由此可见,岩石圈结构差异可能是导致唐山地震和昆仑山地震余震序列差异的主要因素之一.     

Dynamic mechanisms of the post-seismic deformation following large events: Case study of the 1999 Chi-Chi earthquake in Taiwan of China

The mechanism of postseismic deformation related to strong earthquakes is important in geodynamics, and presumably afterslip or viscoelastic relaxation is responsible for the postsesimic deformation. The 1999 Chi-Chi, Taiwan of China, earthquake occurred in the region where GPS observation station is most densely deployed in the world. The unprecedented GPS data provides a unique opportunity to study the physical processes of postseismic deformation. Here we assume that the interactions of viscoelastic relaxation, afterslip, fault zone collapse, poroelastic rebound, flow of underground fluids, and all these combined contribute to the surface displacements following the main shock. In order to know the essence of the postseismic deformation after the strong event, fault zone collapse, poroelastic rebound, flow of underground fluids, and so on, are represented equivalently by the variations of the focal medium properties. Therefore, the viscoelastic relaxation, afterslip, and the variations of the equivalent focal medium properties are inverted by applying the GPS temporal series measurement data with viscoelastic finite element method. Both the afterslip rate distribution along the fault and the afterslip evolution with time are obtained by means of inversion. Also, the preliminary result suggests that viscosities of the lower crust and the upper mantle in Taiwan region is 2.7×10¹⁸ and 4.2×10²⁰ Pa·s, respectively. Moreover, the inversion results indicate that the afterslip contributing to postseismic deformation of 44.6% in 450 days after the Chi-Chi earthquake, with 34.7% caused by the viscous relaxation and 20.7% by other factors such as fault zone collapse, poroelastic rebound, and the flow of liquids.