地壳流变结构控制作用下的龙门山断裂带地震发生机理

青藏高原东缘低地形变速率的龙门山断裂带上相继发生了2008汶川M_w7.9级地震和2013芦山M_w6.6级地震.地震勘探与震源定位结果揭示了龙门山区域地震空间分布特征：纵向上,龙门山断裂带这两次地震主震均发生在龙门山断裂带上地壳的底部（14~19 km）,绝大部分余震均发生在上地壳范围（5~25 km）,而在其中、下地壳深度范围内鲜见余震发生;横向上,地震（M_w>3）在龙门山断裂带青藏高原一侧密集分布且曾有大震发生,而四川盆地地震稀少（M_w>3）.为探讨龙门山断裂带地震发生机理,并解释以上龙门山区域地震空间分布特征,本文建立了龙门山断裂带西南段跨芦山地震震中区域的四种不同流变结构的龙门山断裂带三维岩石圈模型,以地表GPS观测资料为约束边界条件,数值模拟龙门山断裂带岩石圈在数千年以上长期匀速构造挤压作用下的应力积累特征,探讨了地壳分层流变性质对地壳应力积累的影响,分析了该区域地震空间分布与构造应力积累速率的关系.计算结果表明：该区域在数千年的应力积累过程中,脆性上地壳中应力表现近于恒定值的线性增长趋势,龙门山断裂带上地壳底部出现应力集中积累现象,这一应力集中现象可以解释龙门山断裂带汶川地震与芦山地震主震的发生,及其大部分余震在脆性上地壳中的触发;青藏高原一侧上地壳应力积累速率远远高于四川盆地的应力积累速率,这一应力积累分布现象可以解释龙门山区域青藏高原一侧地震密集而四川盆地地震稀少的地震空间分布特征;通过比较不同流变结构模型中的应力积累状态,认为导致这一应力积累空间分布状态的重要控制因素在于青藏高原中、下地壳较低的黏滞系数与四川盆地中、下地壳较高的黏滞系数的差异.在柔性的中、下地壳内,应力增长近于指数形式,稳定状态之后其应力增长速率近于零,构造应力积累难以达到岩石破裂强度,因而鲜见地震发生.地壳各层位的应力增长率差异与地震成层分布的现象共同揭示了龙门山区域岩石圈分层流变结构：脆性上地壳、韧性中、下地壳（青藏高原一侧较弱,四川盆地一侧较强）、韧性岩石圈上地幔.     

华北岩石圈三维流变结构的一种初步模型

利用华北地区(105~124°E, 30~42°N)的地震P波速度资料和大地热流资料建立了华北岩石圈的三维波速分布及温度分布. 考虑了摩擦滑动、脆性破裂及蠕变三 种主要的流变机制在岩石圈中的作用. 计算了华北岩石圈流变强度及粘度的三维分布. 结果表明, 岩石圈的流变强度和粘度有着明显的分层特征. 在应变率为 的情况下, 上地壳上部为脆性区, 下部有可能是以蠕变为主的延性区; 中地壳可以是以脆性破裂为主的脆性区, 也可以是上层以脆性破裂为主而大部分是以蠕变为主的延性区; 而下地壳几乎均是以蠕变为主的延性区; 壳下岩石圈上部是以脆性破裂为主或以蠕变为主的高强度区. 同时可以看出, 流变强度在水平方向上有很大的不同, 与大地构造有着明显的联系. 讨论了岩石圈波速结构, 温度分布对流变结构的影响, 并对改进岩石圈流变结构的研究提出了建议.     

地壳主要岩石流变参数及华北地壳流变性质研究

岩石流变参数和变形机制是根据断层摩擦和岩石幂次流动本构关系建立岩石圈强度剖面的基础。近 30年来 ,高温高压实验取得了很大进展 ,获得了大量地壳矿物和岩石流变资料。本文系统总结了这些流变实验资料 ,并应用流变数据结合地震震源深度分布 ,对华北地壳流变性质进行了研究。结果表明 ,以花岗岩和低级变质岩为代表的上地壳为脆性破裂 ,其强度受断层摩擦约束 ,以长英质片麻岩为主的中地壳和以中性麻粒岩为主的下地壳上层处于塑性流变状态 ,由干的基性麻粒岩组成的下地壳下层处于脆性向塑性流变的过渡状态。华北地壳的这种物质组成和流变为地壳不同层次的解耦和强震孕育提供了力学条件 ,也构成了不同尺度块体的底边界     

唐山地震区地壳电性结构及 MT 探索潜在震源的可能性

在唐山地震区及其外围用数字大地电磁测深仪测量结果表明,在低电阻沉积表层下,地壳分为两层:高电阻的上地壳及低电阻的下地壳.高阻上地壳在地震区呈透镜状,其东、南、西三面为断层所切唐山主震及其绝大多数余震即发生在这高阻上地壳内.而低阻下地壳内余震则甚少,主震位于高阻上地壳底面 C 向下凸出的部位.居里等温面深度变化及余震深度下限的起伏与界面 C 的下凸相吻合.因此,无论从竖向分层还是从横向非均匀性上看,唐山主震及其大多数余震都与高阻上地壳密切相关.岩石力学性质从上地壳的脆性变为下地壳的延性,主要由于围压的增加、矿物的变化、温度的升高及孔隙压力的适当分布等因素联合作用的结果.考虑到岩石电性主要受岩石中的温度和自由水含量的控制,少量水的存在及温度的升高可使岩石电阻率明显降低,而岩石电性对所受静压力、矿物成分等因素的变化则不甚敏感,故推论无论从竖向分层,或从横向非均匀性上看,地壳中介质的高电阻与其脆性,低电阻与介质的延性,在成因上是有联系的,从而显示出地壳电性结构与潜在震源危险带之间可能有内在联系.      

大陆下地壳典型岩石的高温高压流变实验

用石英(或花岗岩)和橄榄岩分别代表大陆地壳和上地幔,得到的大陆岩石圈强度轮廓存在多个塑性流变层,类似于"三明治"结构.这种强度模式已经被广泛接受,并成为研究大陆岩石圈动力学不可缺少的手段.例如,采用石英和花岗岩的流变实验结果估计的中上地壳流变结构,与发生在中上地壳的地震及其余震深度分布规律具有很好的对应关系,表明根据实验结果估计的这种流变结构基本反映了大陆中上地壳的真实情况.然而,地壳成分分析表明,对地壳岩石变形机制起制约作用的主要矿物由上地壳、中地壳的石英(或石英-长石组合)、长石(或长石-角闪石组合)转变为下地壳的辉石(或长石-辉石组合).因此,石英(花岗岩)流变不能完全代表大陆地壳的流变特征.     

华北克拉通中东部地壳三维速度结构模型(HBCrust1.0)

华北克拉通中东部岩石圈减薄研究已经成为近年固体地球科学研究的热点,同时该区域也是中国强震的多发区.在华北及邻近地区已完成了二维人工地震宽角反射/折射探测(简称DSS剖面探测)剖面42条,文章收集了这些二维探测剖面的研究成果,在对二维剖面速度结构和界面结构进行网格化处理的基础上,采用克里金(Kriging)插值方法构建了华北克拉通中东部地壳三维速度结构模型HBCrust1.0.采用走时拟合的办法对模型进行了检验,结果表明,用HBCrust1.0地壳模型计算得到的初至波走时与实际台站观测到的初至波走时之间拟合良好.研究结果表明,上地壳是主要的孕震层,C界面(上、下地壳分界面)附近区域是地壳内部的脆韧转换带.唐山地震震源区下方Moho面深度有明显的变化,其低速结构一直延续到下地壳,推断唐山地震的应力积累与地幔物质运移和变形密切相关.克拉通东部华北盆地中心区域的下地壳平均速度明显要高于周围地区,可能是地幔岩浆长期底侵作用的结果.     

唐山大震区深部构造的初步研究

本文介绍利用地震转换波测深法研究1976年7.8级唐山大震区深部构造的某些结果,得出了沿两条测线的深部构造剖面图。发现在极震区的数十公里的范围内,地壳和上地幔具有异常结构,在地壳中部比震区外围多出一个中间层位,埋深约12-20km,地壳上部界面向上挠曲,而莫霍面和上地幔顶部界面却强烈地向下挠曲,引起了震区岩石圈厚度的加大,在震区存在深浅不等的深部断裂。深部构造与震源分布的对比表明,唐山主震和绝大多数余震均分布在壳内中间层之上,有的甚至就分布在壳内中间层的上、下界面附近。转换波测深结果表明,本区地壳上地幔中强烈的升降差异运动可能是唐山大震的重要促发因素。     

玉树地震震源区速度结构与余震分布的关系

利用玉树震区21个应急流动地震台站和青海省地震台网固定地震台站的观测数据,采用双差层析成像方法,对2010年4月14日至6月15期间发生的地震进行了重定位,并反演得到了玉树地震震源区的三维速度结构.重定位结果揭示余震主要沿NW向成窄带状分布在断层的两侧,表明脆性破裂应力释放主要集中于一个狭窄的区域内.在西北端,余震偏离玉树—甘孜断裂分布,在SW向也有分布,推测可能与南西向次级断裂有关.双差层析成像得到的速度结构在浅部与地表地质构造相一致,中上地壳的速度结构显示巴颜喀拉地块为高速异常,羌塘地块为低速异常.玉树地震余震分布与特定的速度结构存在相关性：主震发生在高低速过渡带偏高速体的一侧,余震主要分布在高速体外围,高速体内部几乎没有余震分布.一般说来,中上地壳的高速体通常具有较高的强度,可以积累较强的孕震能量.主震发生后,高速体内积累的弹性能量向周边释放,可能是导致高速体周边余震发生的主要原因.     

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.     

华北盆地边缘及邻区地壳S波速度结构及其地震孕育机制

利用分布在华北盆地及其周边(113°E—121°E,34°N—41°N)72个固定地震台站记录到的2009年和2010年远震地震波形记录,提取多频段P波接收函数,反演了台站下方的S波速度结构,并结合该区域1970—2016年的地震目录分析了反演结果.华北盆地周缘及邻区中下地壳普遍存在低速异常,首都圈地区Moho深度约在33 km左右,台站下方在4~10 km的深度范围内一般都存在2~5 km厚的高速层,紧随高速层之下又出现了2~6 km厚的相对低速层;在太行山隆起向华北盆地的过渡区,地壳结构较为复杂,Moho面深度变化较大,自西向东深度变浅,且太行山隆起区内明显存在壳内低速层,而接近华北盆地处的地壳内存在轻微的速度扰动异常(即低速层);鲁西隆起地区Moho深度在31~34 km之间,在大地热流高值区地壳高低速异常明显.基于华北盆地周缘地区地震在地壳高低速层均有分布,而分布在低速层内的地震事件相对较多,比较符合曾融生等(1991)提出的"双层破裂震源模型",即地幔热物质上侵导致了中下地壳的低速软弱层形成,并在软弱层处产生了附加的水平剪切力,进而其破裂诱发地震,同时将部分应力传递给上覆高速硬包体,为高速异常体内地震的触发积累能量.华北盆地周缘低速异常体的分布是该区域地震频发的重要诱因.     

中国大陆震源机制深度变化反映的地壳-地幔流变特征

大陆岩石层流变性质是一个重要而又没有完善解决的问题：既存在支持Moho面附近为强地幔-流动弱地壳模式的实验和观测事实，也存在支持流动弱地幔-强地壳模式的观测事实. 本文利用哈佛震源机制矩张量解及有关震源深度资料，对我国震源机制随深度的变化进行分析，发现虽然表浅地震震源机制主应力轴倾角接近水平或竖直，但中、下地壳和上地幔震源机制主应力轴倾角则多样化. 这与某些存在柔性下地壳软弱层地区具有孕震层下缘震源机制主应力轴也接近水平或竖直的特征明显不同. 它可能表明上述两种壳-幔流变模式在我国均存在，对我国岩石层流变性质还需要分区进行更细致的多方面研究.     

华北盆地强震的震源模型兼论强震和盆地的成因

华北盆地自第三纪以来产生不均匀沉降,形成众多凹陷和隆起.传统的热张裂模型或是拉一分模型均不适用于华北盆地.我们根据反射和折射地震探测以及地震体波层析成象的结果,说明震源区附近存在Moho界面断裂,而且有明显的迹象表明,上地幔高温物质（低速度）向地壳下部入侵.因此,作者提出华北盆地强震以及凹陷形成的新模型,即在水平板块构造应力场的背景中,上地幔热物质向地壳下部入侵,它所产生的扰动应力场不仅在横向是不均匀的,而且在垂向也是不均匀的.它能够在地壳上部产生足够大的伸张应力场,同时在地壳中部或下部产生水平切应力场.这个新模型也能解释华北盆地的地壳厚度没有减薄,而地面热流又较大的现象. 由于地壳中力学性质随深度而改变,所以强震可能是由中部地壳的塑性形变以及上部地壳的脆性断层所组成的,即所谓两层破裂的震源模型.     

A preliminary model for 3-D rheological structure of the lithosphere in North China

3-D rheological structure is mainly the spatial distribution of lithospheric strength or viscos-ity, its strength and viscosity are indispensable parameters in quantitative study of the lithosphere deformation. Plate tectonics theory initially divided the…     

基于地壳双层结构假设的大陆强震孕震机制探讨

通过对地壳低速高导层和地震震源深度等有关资料的分析研究,在对地震发生前兆、特征及物理机制研究的基础上,初步提出了一个简单的地壳双层孕震模式:地壳存在有两层孕震结构,上层为主孕震层,是地震应力集中积聚和发震后释放应变能的地方,主要是岩石发生脆性变形层,深度在中上地壳范围内;下层为低速高导层,是诱发和加强上层脆性层岩石变形、应变能积累和破裂的主要因素之一,处于岩石脆—韧性变形的过渡带,强震的发生与本层有着密切的关系,深度在中下地壳范围内。同时基于该双层孕震假设讨论了强震的孕育环境及作用。     

首都圈地区精细地壳结构——基于重力场的反演

本文以地质与地球物理资料作为约束条件,利用小波多尺度分析方法,对首都圈地区重力场进行了有效分离,应用Parker位场界面反演法及变密度模型对莫霍界面进行了反演分析,并构建了两条地壳密度结构剖面模型,对该区精细地壳结构进行了深入研究.研究结果表明首都圈地区受多期构造运动的改造,形成坳、隆相邻,盆、山相间,密度非均匀性,壳内结构与莫霍面埋深相差比较大的地壳分块构造格局.受华北克拉通岩石圈伸展、减薄以及岩浆的上涌底侵作用,首都圈地区莫霍面起伏比较大,莫霍面区域构造方向呈NE-NNE方向,在盆地向太行山、燕山过渡地带形成了莫霍面陡变带;盆地内部莫霍面形成东西向排列、高低起伏的框架,最大起伏约5 km,但平均地壳厚度比较小,北京、唐山地区地壳厚度最小约29 km,武清凹陷地壳厚度最大约34 km.在重力均衡调整作用下,西部太行山区地壳厚度较大,但地壳密度小于华北裂谷盆地内部;中上地壳重力场特征与地表地形及地貌特征具有很大的相关性.受新生代裂谷作用影响,首都圈中上地壳结构非常复杂,形成了NNE方向为主体的构造单元,断层多下延至中地壳;下地壳发生明显的褶曲构造,表现出高低密度异常相间排列的典型特征;首都圈地区地壳密度具有明显的非均匀性.研究认为首都圈地区地震的发生与上地幔顶部及软流层物质的上涌有一定关系.     

Three-dimensional crustal velocity structure model of the middle-eastern north China Craton (HBCrust1.0)

Lithosphere thinning and destruction in the middle-eastern North China Craton (NCC), a region susceptible to strong earthquakes, is one of the research hotspots in solid earth science. All 42 seismic wide-angle reflection/refraction profiles have been completed in the middle-eastern NCC. We collect all the 2-D profiling results and perform gridding of the velocity and interface depth data, building a 3-D crustal velocity structure model for the middle-eastern NCC, named HBCrust1.0, by using the Kriging interpolation method. Our result shows that the first-arrival times calculated by HBCust1.0 fit well with the observations. The result demonstrates that the upper crust is the main seismogenic layer, and the brittle-ductile transition occurs at depths near interface C (the interface between upper and lower crust). The depth of interface Moho varies beneath the source area of the Tangshan earthquake, and a low-velocity structure is found to extend from the source area to the lower crust. Based on these observations, it can be inferred that stress accumulation responsible for the Tangshan earthquake may have been closely related to the migration and deformation of the mantle materials. Comparisons of the average velocities of the whole crust, the upper and the lower crust show that the average velocity of the lower crust under the central part of the North China Basin (NCB) in the east of the craton is obviously higher than the regional average. This high-velocity probably results from long-term underplating of the mantle magma.     

S-wave velocity structure in Tangshan earthquake region and its adjacent areas from joint inversion of receiver functions and surface wave dispersion*

Using the seismic records of 83 temporary and 17 permanent broadband seismic stations deployed in Tangshan earthquake region and its adjacent areas (39°N–41.5°N, 115.5°E–119.5°E), we conducted a nonlinear joint inversion of receiver functions and surface wave dispersion. We obtained some detailed information about the Tangshan earthquake region and its adjacent areas, including sedimentary thickness, Moho depth, and crustal and upper mantle S-wave velocity. Meanwhile, we also obtained the v_P/v_S structure along two sections across the Tangshan region. The results show that: (1) the Moho depth ranges from 30 km to 38 km, and it becomes shallower from Yanshan uplift area to North China basin; (2) the thickness of sedimentary layer ranges from 0 km to 3 km, and it thickens from Yanshan uplift region to North China basin; (3) the S-wave velocity structure shows that the velocity distribution of the upper crust has obvious correlation with the surface geological structure, while the velocity characteristics of the middle and lower crust are opposite to that of the upper crust. Compared with the upper crust, the heterogeneity of the middle and lower crust is more obvious; (4) the discontinuity of Moho on the two sides of Tangshan fault suggests that Tangshan fault cut the whole crust, and the low v_S and high v_P/v_S beneath the Tangshan earthquake region may reflect the invasion of mantle thermal material through Tangshan fault.     

塑性流动网络控制下华北地区构造应力场与地震构造

文中所述华北地区位于中东亚塑性流动网络系统的东部 (偏北 ) ,在岩石圈下层内含右向和左向塑性流动网带多条 ,受其控制 ,在其上方多震层内形成地震带 ,并导致上层构造应力场在总趋势上与下层基本保持一致。发震断裂以不同交角沿网带展布 ,组成地震构造带 ,其中少数地震构造带的视成熟度较高 ,多数尚属未成熟的准地震构造带     

利用接收函数方法研究四川地区地壳结构

采用接收函数反演和共转换点(CCP)偏移叠加成像方法, 利用四川数字地震台网宽频带的52个区域固定地震台站和布设的两条52个宽频带流动地震观测台站的远震地震波形数据资料, 对四川地区地壳结构进行研究。 结果表明, 四川地区的Moho面深度在青藏高原和四川盆地差异明显, 在川西高原地区地壳厚度为52~68 km, 在川滇地块地壳厚度为50~60 km, 在中地壳内存在不连续的低速层分布; 而在四川盆地地壳厚度为38~45 km, 地壳内没有低速层存在。 Moho面深度从川西高原的60多公里至四川盆地的约40 km, 在二者的交界处龙门山断裂带下面, 存在厚度约30 km左右宽的下降过渡带, 说明其下的Moho面可能受断层影响, 结构比较复杂; 在高原地区的上地壳界面和下地壳上界面比四川盆地的相应界面深; 高原地区在中地壳的上部有不连续的低速层分布, 在松潘—甘孜地块的上地壳下部存在向南东运动的脆性推覆体, 在羌塘—理塘地块的上地壳下部存在向南东和南运动的脆性物质流动。