青藏高原东北缘岩石圈有效弹性厚度与地震分布关系

岩石圈有效弹性厚度（T_e）表征岩石圈综合力学强度,对理解区域深部构造孕震环境具有重要意义.青藏高原东北缘地质构造复杂,强烈地震活动频发.为进一步了解该区域深部岩石圈力学性质特征及其与地震活动的关系,本文利用基于Fan小波的谱方法,使用WGM2012重力异常数据、ETOPO1地形数据和CRUST1.0模型,通过导纳和相关联合反演计算了青藏高原东北缘的岩石圈有效弹性厚度（T_e）与荷载比（F）.结果显示研究区T_e整体呈明显的东高西低分布,青藏块体T_e变化剧烈,西部高值（>40 km）和东部低值（< 20 km）共存;鄂尔多斯地块T_e较高（>30 km）,变化相对平缓;荷载比F存在局部西南高,巴颜喀拉和羌塘地块荷载比F较高（>0.5）,说明以地下荷载为主,其他地块荷载比F较低（< 0.2）,以地表荷载为主.鄂尔多斯地块结构稳定,岩石圈强度较大,T_e值较高;内部构造活动性微弱,深部物质密度横向变化较小,岩石圈所受荷载以地表为主,荷载比F较低.柴达木地块东部与巴颜喀拉地块东部可能发生有下地壳流,岩石圈较为软弱,T_e值较低;巴颜喀拉地块内部与鲜水河断裂的荷载比F较高,岩石圈所受荷载以地下为主,可能是地壳物质向东流动导致岩石圈深部物质密度横向变化较大引起的.通过对比分析研究区T_e和T_e梯度、F和F梯度与地震之间的对应关系,发现地震一般发生在区域相对低T_e值、T_e梯度值和荷载比F梯度值较大的区域,震级较小的地震多发生在荷载比F较小的地区,6级以上强震则较多发生在荷载比F约为0.1和0.8的区域.因此,岩石圈有效弹性厚度T_e值较低、T_e梯度和荷载比F梯度较大的地区,更易出现地震.

     

中国大陆岩石圈震磁异常年变统计分析

根据2010—2020年中国大陆岩石圈磁场年变数据与M_S≥6.0地震事件,按照0.5°×0.5°网格筛选出震前1年震中所处的网格中心点所对应的地磁要素进行对比分析。结果表明:(1)2011—2012年M_S≥6.0地震往往发生在磁偏角D、总强度F、垂直分量Z的零变线附近,但其梯度等值线图特征不显著。(2)2010—2020年M_S≥6.0地震共15次,D值在±0.5’之间的震例占比40%,F值在±4 n T之间的震例占比53.33%,Z值在±6 n T之间的震例占比53.33%;66.67%的震例分布在磁偏角梯度值为0.5～1’/°的地区,仅13.33%的震例分布在总强度梯度值为8～10 n T/°的地区,6.67%的震例分布在垂直分量梯度值为8～10 n T/°的地区。(3)水平矢量模|P|分布在10～12 n T、梯度在8～10 n T/°的震例占比分别为:20.00%、26.67%;矢量模|P_f|分布在12～14 n T、梯度在8～12 n T/°的震例占比分别为26.67%、20.00%。     

新疆精河6.6级地震周边地区密度构造、均衡异常以及岩石圈挠曲机理

依据EIGEN-6C4重力模型和ETOPO1高程模型数据,围绕新疆精河6.6级地震展开岩石圈均衡与挠曲机理研究,得到如下结论：（1）震中附近的布格与自由空气重力异常分别为-221和-92 mGal（10^-5m·s^-2）,震中位于重力异常高梯度带上;（2）震中周边地区地壳厚度约为50 km,密度结构总体变化平缓,东西方向地壳厚度变化较小,但自南向北地壳厚度逐渐变薄,精河6.6级地震初始破裂发生在上中地壳分界面附近;（3）震中附近岩石圈承载的垂向构造应力为20 MPa左右,震中位于岩石圈垂向构造应力极大值附近的高梯度带上;（4）地震周边地区岩石圈有效弹性厚度最优解为26 km,加载比最优解为F₁=1,F₂=F₃=0,表明该区域岩石圈相对坚硬,且导致岩石圈变形的初始加载全部来自地表.

     

巴颜喀拉地块东部及邻区重力均衡与岩石圈有效弹性厚度

基于SIO（Scripps Institute of Oceanography）最新全球重力和高程模型,计算了巴颜喀拉地块东部及邻区的布格重力异常、均衡重力异常、岩石圈有效弹性厚度及荷载比.结合大地热流、地震速度结构、地震活动和断裂构造分布等,分析了地壳均衡状态和岩石圈有效弹性厚度、地质构造单元间的差异及与地震活动的相关性特征.研究结果表明,该区域布格重力变化范围约为-500~0 mGal（1 mGal=10^-5m·s^-2,下同）,在巴颜喀拉块体东部区域形成弧形重力梯度带,近年来的中强地震活动频发于该梯度带不同部位,应与其应力依次释放有关;均衡重力异常结果表明,其变化范围约为-80~+100 mGal,且大部分区域处于±20 mGal以内的被认为处于重力均衡的状态,重力非均衡（正或负）多出现于块体边界带附近,地震多发生在靠近块体边界的均衡重力异常（正或负,主要为正）区域内;巴颜喀拉地块东部及邻区岩石圈有效弹性厚度（T_e）为10~65 km,不同构造单元之间T_e空间分布差异明显,较低的T_e值出现在龙门山构造带附近,T_e值为20 km左右,岩石圈荷载加载比为0.5~0.8,表明现今的岩石圈挠曲状态主要由莫霍面加载形成.进一步分析表明,巴颜喀拉地块东部挤压增生与横向流动同时发生,是造成该区域地震发生与重力均衡异常高值重合、岩石圈有效弹性厚度和大地热流值较低的主要原因.本文获得的地壳均衡特征及岩石圈有效弹性强度结果,加深了对巴颜喀拉东部及邻区岩石圈构造演化过程的认识.

     

龙门山断裂带及其周边地区重力场 和岩石层力学特性研究

继2008年汶川M_S8.0地震之后, 2013年4月20日又发生了芦山M_S7.0地震, 两次地震的发震构造同属龙门山断裂带. 根据最新的重力和地形资料, 采用岩石层弹性板模型, 计算了龙门山断裂带及其周边地区的二维岩石层有效弹性厚度分布, 并从岩石层的力学特征分析了穿过两次地震震中位置的重力剖面特征; 结合以往在该地区的研究成果, 分析了岩石层的力学变形问题. 结果表明, 以龙门山为界, 四川盆地所在的扬子板块弹性厚度为33(±4) km, 龙门山西北的松潘—甘孜地块的弹性厚度为13(±4) km, 两侧岩石层存在明显的力学强度差异. 包括两次地震震中范围的龙门山断裂带南部区域的有效弹性厚度值小于北部地区, 说明该区域的岩石层更容易发生变形, 可以解释在构造上具备强震发生的岩石层动力学条件.     

岩石圈有效弹性厚度估算方法研究进展

岩石圈有效弹性厚度(Te)是度量岩石圈力学强度的一个定量指标,是研究岩石圈大规模构造的有力工具.研究岩石圈有效弹性厚度,对于了解岩石圈力学强度及其横向变化特征、重力均衡状态、热状态、地壳厚度变化、岩石圈内部圈层耦合关系和壳幔流变结构等信息具有重要作用.本文介绍了岩石圈有效弹性厚度的研究背景和基本估算原理,并总结了国内外...     

南秦岭大巴山和米仓山-汉南穹隆中生代隆升幅度

确定大陆造山带在地质时期的隆升幅度对认识大陆造山过程、动力学机制,以及气候环境变化等问题具有重要的科学意义.秦岭造山带是中国大陆主要造山带之一,对其隆升过程的认识是理解中国,乃至东亚大陆构造格局及深部动力学的关键.研究表明,南秦岭造山带大巴山和米仓山-汉南穹隆在中生代发生隆起,但是,隆起的幅度缺乏定量约束.文章基于四川盆地北缘中生代山前盆地沉积数据,通过模拟岩石圈挠曲变形,获得南秦岭造山带大巴山和米仓山-汉南穹隆中生代山体隆升量及相应的山前盆地岩石圈有效弹性厚度(T_e).结果显示,大巴山和米仓山-汉南穹隆在中侏罗世和早白垩世分别隆升了~1220和~880m.山体的现今高程是在此基础上于新生代继承性构造隆升的结果.不同构造单元隆升时限和幅度的差异表明南秦岭造山带中生代和新生代的隆升进程和驱动机制是不同的:中生代隆升受控于自东向西的华北-华南陆块汇聚,新生代隆升则由西南-东北向的印度板块对欧亚大陆的挤压驱动.四川盆地北缘从中侏罗世到早白垩世岩石圈强度发生了弱化,T_e由73km减小为57km,其机制可能源于山体作用下的挠曲应力加载.     

华北克拉通地区基于程函方程的面波层析成像

利用布设在华北克拉通地区的流动和固定地震台站记录到的地震波数据,使用基于程函方程的面波成像方法获得了整个华北克拉通地区瑞利波15~150 s周期的相速度,并反演了研究区S波速度结构.中长周期相速度结果显示,在上地幔及岩石圈深度范围内,燕山地区表现为高速特征,华北克拉通中部大同盆地及其以南地区、太行山等区域的低速体与华北盆地的低速体相连,呈现大面积的低速异常,低速体的速度值比青藏高原东北缘的速度值更低;S波速度显示鄂尔多斯岩石圈厚度较厚,克拉通中部和华北盆地岩石圈厚度相差不大,燕山地区岩石圈厚度要厚于华北盆地.本文认为华北克拉通岩石圈破坏存在分区性,克拉通中部和燕山地区均存在一定的克拉通破坏,但破坏程度不同,鄂尔多斯地块北部存在局部克拉通改造,但克拉通稳定性特征依然存在;破坏的主要动力学来源更可能是太平洋板块的西向俯冲.研究发现克拉通中部和东部的强震分布区与克拉通破坏区域重合,大部分强震发生在岩石圈强度边界上,分析认为岩石圈强度的差异是岩石圈强度边界上显示出较高的强震活动性的原因.

     

青藏高原东南缘岩石圈有效弹性厚度及其构造意义

本文利用三维有限差分方法,基于EIGEN6C4布格重力异常和SIO V15.1地形数据,计算了青藏高原东南缘岩石圈有效弹性厚度.结果表明：青藏高原东南缘岩石圈有效弹性厚度为0~100 km,四川盆地和喜马拉雅东构造结岩石圈有效弹性厚度最大,达50~100 km;巴颜喀拉块体东部、川滇菱形块体大部、滇西等地区岩石圈强度弱,有效弹性厚度一般小于15 km;羌塘块体东部的玉树—德格附近地区岩石圈有效弹性厚度大于40 km;滇南地区岩石圈有效弹性厚度为10~30 km,大于云南北部地区.研究区域有效弹性厚度分布特征与岩石圈结构关系密切.四川盆地、喜马拉雅东构造结地区内部结构稳定,因而岩石圈强度大.川滇菱形块体等岩石圈有效弹性厚度小的地区与壳内低速、低阻/高导层分布有很好的对应关系,推测壳内岩石的部分熔融软化可能是造成高原东南缘岩石圈强度较弱的重要原因.羌塘块体东部的局部高力学强度岩石圈则可能是高原形成过程中的残留克拉通.根据本文计算的岩石圈有效弹性厚度特征,结合地震学、大地电磁等研究成果,认为青藏高原物质向东南缘挤出后受四川盆地等阻挡,造成下地壳软弱物质在理塘—稻城—丽江一带堆积,少部分物质可能穿过鲜水河断裂带的康定—道孚地区向北运动,但大部分物质向南运动,在受到滇南块体阻挡后一支流向西南的腾冲方向,另一支流向东南的攀枝花—东川方向.

     

GPS水平形变面应变率梯度与强震危险区关系探讨

全球定位系统(GPS)观测和信息处理技术的发展, 为获取高精度地壳水平运动和相关的应用研究提供了良好的基础． 应用中国地壳运动观测网络中心提供的1999—2007年GPS水平形变速率观测结果, 研究了地壳水平形变面应变率梯度与强震发生的关系, 探索了地震中长期预测对强震危险区的判识方法． 结果表明, 中国大陆2001—2011年发生的大部分M_S6.8以上强震, 地震地点均位于面应变梯度高-低值过渡区与块体边界带相交汇的部位; GPS面应变率梯度可以作为中长期强震危险区判识的一种方法, 与最大剪应变率分布相比, 缩小了强震孕育地点的判识范围． 文章最后给出了中国大陆地区未来10年或稍长时间的强震危险区.     

华北地区中东部岩石圈挠曲与均衡特性以及地震活动性分析

华北地区中东部涵盖北京、天津以及即将建设的雄安新区等大型城市,区内发育了张渤地震带等多条大型活动断裂,地震活动性较强,历史上发生过多次6级以上地震.本文利用Fan小波的布格重力异常一致性方法研究该区的岩石圈有效弹性厚度和均衡调整初始加载比分布,同时基于均衡调整方法计算该区垂向构造应力分布,并将以上结果与历史地震活动进行统计分析.岩石圈挠曲分析表明,华北地区中东部的岩石圈有效弹性厚度为10~65 km,分布特征为自东南向西北逐渐减小.均衡调整初始加载比为0.5~0.8,表明现今的岩石圈挠曲状态主要由莫霍面加载形成.该区地壳承载的垂向构造应力约为-20~20 MPa,中西部地区垂向构造应力向上,东北和西南地区向下.统计分析结果显示,华北地区中东部的地震活动性随着岩石圈有效弹性厚度和均衡调整初始加载比的增加而减弱,垂向构造应力零值区域地震活动性较弱.雄安新区的岩石圈有效弹性厚度大约为15 km,均衡调整初始加载比为0.5~0.6,垂向构造应力为15~20 MPa,岩石圈参数对应的地震活动性较强,相关结果对于新区建设具有一定参考价值.

     

青藏高原东西向差异形变与隆升机制

高精度布格重力异常约束下的三维空间域挠曲形变模拟显示,大约以90°E为界,青藏高原东、西两部分的岩石圈强度存在明显的差异.在90°E以东,岩石圈有效弹性厚度为35~45 km,该岩层厚度可使刚性的上地壳与上地幔岩石通过中下地壳柔塑性地层的黏滞流动产生构造解耦;地壳处于区域均衡状态,下地壳热物质的流动膨胀是地壳隆升的主控要素.而在90°E以西,断裂带严重削弱了该区域的岩石圈机械强度,岩石圈有效弹性厚度小于15 km,向西逐渐减小,至喀喇昆仑断裂带变为零,断裂切穿莫霍面进入地幔,发生纯剪切构造形变;这里的地壳接近局部均衡,厚皮逆冲是地形隆升的主要因素.震源深度大于80 km的地幔地震大多发生在青藏高原西部,其岩石圈深部具有的脆裂特征很好地支持了岩石圈机械强度模拟的结果.     

Effective elastic thickness of island arc lithosphere under Japan

Abstract Using topography and observed gravity anomalies, we have estimated the effective elastic thickness as a measure of strength of Japanese island arc lithosphere. The thickness is found to range from about 3 km to >20 km. The thickness seems to be controlled primarily by the thermal state of the lithosphere. The higher the heat flow, the thinner is the elastic plate. However, several areas show significant deviations. The smaller effective elastic thickness in the northern Ryukyu arc than that inferred from heat flow may be attributed to the stress regime. In Japan, extensional tectonics are going on only in the Ryukyu arc region. Shallow subducting slab under the south-western Japan frontal arc probably increases the effective thickness by several kilometers. The determined effective elastic thickness suggests that when we consider vertical movements in the volcanic arc, we should take account of topographic and subsurface loading over a few hundred kilometers. However, if the dip of the slab is shallow, the flexural responses of the underlying slab, not only that of the island arc lithosphere, should be taken into account for the compensation, as is the case of the south-western Japan frontal arc.     

A comparison of the estimated effective elastic thickness of the lithosphere using terrestrial and satellite-derived data in Iran

The effective elastic thickness of the lithosphere has an important role in constraining compositional structure, geothermal gradient and tectonic forces within the lithosphere and the thickness of this layer can be used to evaluate the earthquakes’ focal depth. Hence, assessment of the elastic thickness of the lithosphere by gravitational admittance method in Iran is the main objective of this paper. Although the global geopotential models estimated from the satellite missions and surface data can portray the Earth’s gravity field in high precision and resolution, there are some debates about using them for lithosphere investigations. We used both the terrestrial data which have been provided by NCC (National Cartographic Center of Iran) and BGI (Bureau Gravimetrique International), and the satellite-derived gravity and topography which are generated by EIGEN-GL04C and ETOPO5, respectively. Finally, it is concluded that signal content of the satellite-derived data is as rich as the terrestrial one and it can be used for the determination of the lithosphere bending.     

Effective elastic thicknesses of the lithosphere in the Central Iberian Peninsula from heat flow: Implications for the rheology of the continental lithospheric mantle

The traditional view of the rheology of the continental lithosphere, sometimes known as the “jelly sandwich model”, consists of a strong upper crust, a weak lower crust, and a strong upper lithospheric mantle. Some authors argue, however, that the lithospheric mantle is weak and contributes little to the total strength and the effective elastic thickness of the lithosphere; this weakness is claimed to be due to the mantle being wet or subjected to temperatures higher than usually believed. This paper uses the relationship between rheology of the lithosphere and heat flow to calculate theoretical effective elastic thicknesses for three regions of the central Iberian Peninsula (the Duero Basin, the Spanish Central System and the Tajo Basin), taking into account the contribution of the crust and the lithospheric mantle, for dry and wet rheologies. We found that a wet peridotite rheology for the lithospheric mantle is generally consistent with independent (based on Bouguer coherence or flexural modeling) estimates of the effective elastic thickness for the study area, whereas a dry peridotite rheology cannot be reconciled with them. Moreover, the contribution of the mantle to the bending moment of the lithosphere, and therefore to both the effective elastic thickness and the total strength of the lithosphere, is important, and it may even be the dominant contribution. Therefore, the jelly sandwich model may be considered valid for the central Iberian Peninsula.