大陆地震构造系统: 以青藏高原及邻区为例

青藏高原及邻区三角形发震构造域是全球大陆最显著的地震多发区.脆性活动断层及其弹性回跳模式无法合理解释该区深度集中分布在10~40 km的点状震源.针对发震构造和地震机理不明确这一重大科学问题, 以大陆动力学和地球系统动力学新思想为指导, 对青藏高原及邻区发震构造系统进行域、层、带、点相关研究, 阐明大陆地震构造系统的结构型式, 认为下地壳固态流变及其韧性剪切带是提供地震能量的孕震构造, 中地壳韧-脆性剪切带是累积地震能量的发震构造, 上地壳脆性断裂是释放地震能量的释震构造.在研究青藏高原及邻区地震构造系统及其形成背景的基础上, 进一步论证了大陆地震热流体撞击的形成机理: 地幔墙导致大洋中脊之下的软流圈热流物质层流到大陆特定部位汇聚加厚并底辟上升, 造成大陆下地壳部分熔融和固态流变, 并改变莫霍面的产状, 固态流变物质侧向非均匀流动, 形成大陆盆山体系, 流动的韧性下地壳与脆性上地壳之间具有韧-脆性剪切滑脱性质的中地壳不断积累由下地壳热能转换而来的应变能, 形成发震层, 震源定位于下地壳热流物质富集带("热河")中的固态-半固态流变物质撞击到强弱层块之间的构造边界, 不同热构造环境和撞击角度产生5种不同类型的地震.从而为大陆地震的科学预测奠定了全新的理论基础.      

大陆地表温度场的时空变化与现今构造活动

试图利用地表温度场数据获取中国西部的构造活动信息。在建立热与应变关系的基础上,对中国西部MODIS/Terra地表温度产品进行分析处理。研究发现:(1)地表温度在一些地区发生偏离年变现象,这种年变偏离与一些活动构造带的活动有关;(2)在扣除年变基准场等主要气候因素后,年变残差(ΔT)中长周期成分(LSTLOW)更接近构造活动所引起的热信息,能为构造活动提供一定的指示信息。研究发现,一个地震的发生对周围不同构造区的影响不同,有的地区升温,有的地区降温。2004年印尼地震最大的影响是引起青藏高原中部巴颜喀拉—松潘地块的降温;(3)与前者相对应,发生在中国周边地区的不同地震引起的温度变化格局不同,对同一地区的影响也不同,例如2001年东昆仑8.1级地震引起龙门山断裂带升温,而2003年斋桑泊7.9级地震和2004年印尼9级地震却引起该带的降温;(4)不同地区地温变化的时间过程不同。这些现象均对构造变形过程有一定的启示。在上述现象的基础上,笔者结合GPS观测结果,不同深度的地温信息以及地震活动等资料,对地表温度场中包含构造活动信息进行了初步检验,并对地表温度场反映的区域构造变形模型进行了讨论。     

“板块构造与大陆构造”专题讨论——大陆构造与板内地震

板块构造理论是地学研究的一次革命,它推动了当前地球科学的发展。但是用刚性板块运动学的理论不能解释大陆内部复杂的构造形变作用和强烈的地震活动,大陆构造理论是在板块构造的基础上加以补充和发展,本文简要地介绍大陆构造研究的要点,特别是大陆构造与板内地震活动的关系。我国是一个以大陆为主体的多震国家,板内地震活动应结合岩石圈结构、块体运动学和流变学进行研究。     

亚洲大陆逃逸构造与现今中国地震活动

2008年5月12日汶川地震让中国地学界强烈感受到深入研究地震地质与构造变形的重要性和肩负防震减灾巨大的社会责任。本文作者从构造地质学家的角度对中国大陆地震分布、成因规律以及发展趋势做了一些讨论。按地震分布,中国大陆可以粗分为两个区域,其交界是一条过渡带。该过渡带的东界是郯庐断裂及其和海南岛的连线,西界是齐齐哈尔—北京—邯郸—郑州—宜昌—贵阳—(越南)河内连成的线,后者其实就是松辽盆地的西界(大兴安岭的东界、太行山的东界、大娄山的东界）。我们不妨将上述两线所夹过渡带称之为“地震区分界线”。分界线以西的广大地区,活动断裂、活动褶皱、活动盆地都与印度板块楔入欧亚大陆造成的青藏高原隆升、快速侧向扩展、亚洲大陆逃逸构造活动有关。流变性较好的造山带(如青藏高原和天山)和流变性较差的古老地块(如塔里木、准噶尔、阿拉善、鄂尔多斯、四川盆地等)在其边界强烈对抗,形成强震。地震区分界线以东的中国沿海地区受太平洋和菲律宾海板块运动的影响也会发生地震,但其强度和频度与该线以西的青藏高原周边、天山、鄂尔多斯地块周缘以及张家口渤海断裂带上地震低得多。由太平洋板块在日本海沟向西深俯冲形成的地震在中国仅分布在吉林省珲春—汪清一带,这些深源地震对地面工程建筑破坏性不大。处于欧亚、菲律宾海和南海3个板块的交汇部位的我国台湾地震不断。受我国台湾地震的影响,闽粤沿海NW和NE向断裂往往被激活,形成地震。总之,虽然中国大陆的现代地震受太平洋、欧亚、印度和菲律宾海四大板块联合作用控制,但最主要、最直接、影响最大的还是印度板块楔入欧亚大陆造成的青藏高原隆升、快速侧向扩展和大陆逃逸。因此,对中国的地震研究不能仅局限于某区域或某条断裂,而应把整个亚洲大陆逃逸构造作为整体的、统一的“一盘棋”看待。     

青藏高原构造变形与热应力场

自新生代以来,青藏高原构造变形的特点表现为强烈的SN向挤压、逆冲、推覆构造,在后期出现伸展拉张构造。这些构造的形成除了与印度板块推挤有关外,尚与地壳深部温度变化引起的热应力有关。该文计算了由于地壳温度升高引起的热应力场及位移场,指出热应力场及位移场的基本特点,分析了他们在青藏高原构造变形中的作用。考虑到印度板块的推挤、重力和热应力场的共同作用,可以较好地解释青藏高原构造变形的特点及动力学机制。     

青藏高原东北缘现今构造变动与地震活动特征

笔者利用青藏高原东北缘20世纪70年代以来的精密水准网和跨断层流动形变网监测资料和近10a来高精度GPS观测结果,结合地质构造和地震活动,研究和探讨了该区现今构造变动和强震活动的一些特征和初步机理。结果表明：①研究区现今构造变动具有空间分布的不均一性和随时间演化的非平稳性,其总体趋势呈现为新构造时期以来的继承性;②构造变动过程中的快速隆升异常区和与之相伴生的高梯度变形带、以及显著地断层活动异常,是较强地震孕育的标志,地震往往发生在具有较高应变积累的区域附近;③印度板块对青藏高原的强烈挤压是该区构造变动与地震活动的主动力环境;构造变动和地震与块体活动及区域构造应力场变化密切相关。     

浅谈大陆构造-板块构造的回顾与反思

60年代提出的板块构造理论拓宽了人们的思路,给地球科学带来了活力。但是随着对大陆区域地质调查的深入,发现大陆板块与大洋板块差异很大,用刚性板块运动学理论不能解释大陆内部复杂的构造形变和板内地震活动。J. Dewey(1986)和P. Molnar(1988)相继提出大陆构造及其研究方法。我国青藏高原是一个典型而独特的大陆构造单元,是最强烈的板内形变带和地震活动区,同时是亚洲大气环流的启博器。青藏高原很可能成为新的地球科学理论的诞生地。     

浅谈活动构造标志──以陕西活动构造标志与地震关系为例

挽近时期（新第三纪）以来的构造运动称为新构造运动,是迄今仍在继续活动的构造,往往是具有明显活动特征的活动性断裂带。活动构造的活动性可根据活动断裂、地貌水系、温泉地热、地形变、地震活动、地裂缝等标志鉴定出来。陕西尤其是关中盆地的活动构造十分发育,宏观标志明显,地震活动频繁。     

青藏高原东北缘晚第四纪活动构造的几何图像与构造转换

青藏高原东北缘所在的柴达木-祁连活动地块内的晚第四纪活动构造可以划分为主边界左旋剪切构造带、块内次级右旋剪切构造带和挤压会聚构造带等三种基本类型。在区域北东向构造应力作用下,块体发生了NE向的挤压缩短、顺时针方向的旋转和向SEE方向的挤出等构造变形。在块体内部形成了挤压推覆构造、次级剪切构造、剪切压扁构造和弧形挤出构造等四种典型的构造转换方式,实现不同方向与不同性质活动构造之间的转换平衡。     

青藏高原周边地区河流分形特征与地貌、构造活动耦合关系

青藏高原周边地区的地貌特征与形成演化机制一直是科学界研究的热点。选择青藏高原周边典型地区河流分形特征、地貌特征及构造活动性进行研究,发现喜马拉雅断裂带、龙门山断裂带和阿尔金断裂带控制的区域构造活动性强烈,历史地震记录频繁,大震较多,河流形态与地貌演化特征也非常相似,河流纵剖面变化很快,长波长下凹型,河流坡降比大,地形起伏度大,河流形态变化简单,河流分维值低;青藏高原东北缘构造活动性不强烈,历史地震记录偏低,大震极少,河流纵剖面变化缓慢,近似长波长微振幅上凸型,河流坡降比小,地形起伏度较小,河流形态错综复杂、分维值高;青藏高原东南缘,构造活动性较强烈,历史地震记录频繁,大震较多,但由于该区域平均多年侵蚀速率比较低,同时河流下切深度大,河流纵剖面变化缓慢,也是近似长波长微振幅上凸型,河流坡降比小,河网发育较成熟,河网分维值较高。通过对比发现,降水量的变化对该区域侵蚀速率的影响远小于构造活动性的作用,在分析河网形态特征时可以不考虑降水量空间变化的影响。     

青藏高原渐新世构造岩相古地理

在研究区已发表的渐新统资料的基础上,分析了青藏高原渐新世残留盆地的构造背景、岩石地层序列,并对青藏高原渐新世构造岩相古地理特征进行了讨论,该时期总体地势格局仍为东高西低,塔里木、柴达木、羌塘、可可西里、成都等地区主体表现为大面积的压陷湖盆沉积,冈底斯、喜马拉雅和喀喇昆仑等大面积隆升,沿雅鲁藏布江自东向西的古雅江河形成。渐新世构造岩相古地理的演化特征揭示出该时期青藏高原及邻区构造隆升与沉积响应的耦合关系,划分出2个强隆升期,分别是强隆升期A(34～30Ma)和强隆升期B(25～23Ma)。     

青藏高原中新世构造岩相古地理

系统分析青藏高原新生代中新世50余个沉积盆地的类型、构造背景、岩石地层序列,对青藏高原中新世构造岩相古地理演化特征进行分析和探讨。中新世,青藏高原海相沉积已经全面退出,全部转为陆相沉积,约23Ma时高原及周边不整合面广布,标志高原整体隆升。塔里木、柴达木及西宁-兰州、羌塘、可可西里等地区主体表现为大面积的构造压陷湖盆沉积。约17.2Ma左右,阿尔金山显著隆升,使柴达木盆地西叉沟一带再无生物礁灰岩出现,且在盆地西部出现了短暂的沉积间断。这一时期,柴达木盆地西部开始进入湖退期,而东南部则快速湖进;同时,大约17.7Ma索尔库里山间盆地初始凹陷形成。另外,高原腹地五道梁-沱沱河盆地受南部唐古拉山的挤压抬升,在16Ma左右结束了五道梁组的沉积,在可可西里—唢呐湖一带则再次凹陷接受唢呐湖组沉积,形成高原腹地的大型压陷湖盆。13～10Ma期间,藏南南北向断陷盆地的形成,是高原隆升到足够高度开始垮塌的标志;约8Ma以来,高原东北部几乎所有湖盆均进入湖退期,普遍出现冲积扇、辫状河和水下扇砂砾岩堆积。     

青藏高原巴颜喀拉地块构造形变特征的数值模拟

1997年以来发生在青藏高原主体的一系列强震均围绕巴颜喀拉地块周缘断裂带分布。在现今GPS观测的约束下,利用弹塑性平面应力有限元模型,模拟分析了巴颜喀拉地块在周缘断裂带控制下的构造形变特征。结果表明,弹性模型不能解释现今利用GPS观测到的巴颜喀拉地块的构造形变特征,当昆仑山断裂带中段和玉树—鲜水河断裂带处于塑性屈服状态（有较大相对滑动）时,计算得到的速度场与GPS的观测值吻合较好,表明该区现今的地壳运动主要被这2条断裂的变形所吸收。进一步的模拟分析发现,如果依据断裂带上强震的复发周期给定各个断裂带的相对塑性屈服强度,则在玉树—鲜水河断裂带和东昆仑断裂带中段进入塑性屈服之后,玛尔盖茶卡—若拉岗日断裂带玛尼段和黑石北湖断裂带会先后进入破裂滑动状态,东昆仑断裂带东段和龙门山断裂带南段最后进入屈服状态,指示巴颜喀拉地块的整体运动在周缘断裂带控制下具有分段性和分期性。     

青藏高原的现今构造变形与地球动力过程

作为地球陆地上最高、最大、最平坦的地貌单元,青藏高原晚第四纪—现今构造变形的运动学状态是研究其深部地球动力作用的重要基础。全球卫星导航系统能够观测几十年时间尺度的地壳运动定量资料,历史记载和仪器观测获得的历史地震资料提供着数百年时间尺度的构造运动和深部变形数据,而上万年时间尺度的活动断裂定量研究数据则揭示着长期、平均构造变形状态。综合这三类不同时间尺度的地表构造变形定量数据,就能够定性推测或定量模拟驱动地表构造变形的深部地球动力作用。本文综合利用上述三类资料,发现青藏高原晚第四纪—现今的运动状态受控于统一的应变场,地表与深部一致,现今与长期一致。最大剪切应变主要分布在高原周边的主要逆冲断裂带和内部的巨型活动走滑断裂带,产生众多的强震;收缩应变和地壳缩短主要发生在周边山系及其伴随的前陆盆地,形成逆冲断裂和逆冲型强震;面膨胀应变和地壳拉张发生在高海拔的青藏高原内部,形成近南北向正断层和北东/北西向共轭剪切断裂系,并控制着正断层型地震的发生;青藏高原的所谓“向东挤出”,不是刚性岩石圈地块在走滑断裂夹持下的向东滑移,而是高原内部岩石圈物质的向东流动和绕喜马拉雅东构造结的顺时针旋转。这种运动状态...     

利用三维地震属性分析识别阿尔金断裂新生代早期构造活动

阿尔金断裂是青藏高原最显著也是最重要的地质构造单元之一,其新生代起始活动时间的认定一直都是大家关注的热点,对研究高原的形成和应力传递均有着重要的意义.前人的研究成果证实阿尔金断裂新生代的开始活动时间大约在35.5Ma,在柴达木盆地其对应的沉积层位为下干柴沟组上段.本文以盆地内部近阿尔金断裂带的红柳泉-七个泉地区为例,开展了钻井约束下的三维地震资料属性提取及分析工作,并进行同期岩相古地理研究.结果表明在下干柴沟组上段从XG2时期起,研究区岩相古地理从深湖相开始分异,逐渐发育为控制岩性差异的同沉积水下隆起,这些隆起带渐次演化为与左旋剪切相关的雁列褶皱带,对应于与阿尔金早期隆升相关的构造演化过程.表明阿尔金断裂新生代活动的沉积响应最早在约40Ma开始,该方法对于和构造隆升相关的沉积记录识别比直接的地质学方法更为敏感.     

青藏高原东部及其邻区力学耦合的岩石圈变形模式

根据青藏高原东部及其邻区布设的143个宽频带固定和流动地震台站的远震记录的SKS波分裂分析获得了各台站的快波偏振方向和快慢波之间的时间延迟。SKS分裂分析结果总体上反映了高原东部的上地幔物质流动方向,即高原内部表现为环绕喜马拉雅东构造结的顺时针旋转。在造山运动过程中有关岩石圈地壳和地幔力学耦合的造山变形方式,用从GPS和第四纪断裂滑动速率数据确定的地面变形场和由地震波各向异性数据推断的地幔变形场联合分析来定量求得。在青藏高原东部和云南、四川等地区新近快速增加的GPS和SKS波分裂观测数据,提供了对青藏高原岩石圈地幔实际变形方式的检验。这些新的数据不仅加强了高原内部力学耦合岩石圈的证据,而且也解释了高原外部相同的耦合特征。文中引入简单剪切变形和纯剪切变形的概念,用于解释高原内外不同的耦合变形特征。青藏高原和周围区域力学耦合岩石圈的垂直连贯变形有两个方面的大陆动力学含义:第一,岩石圈垂直强度剖面被一个重要的条件所约束,即要求与重力势能变化相关的应力能够从地壳传递到地幔;第二,青藏高原各向异性的空间变化反映了一个岩石圈变形的大尺度模式,以及从高原内部的简单剪切变形向高原外部的纯剪切变形的过渡带。文中提出的力学耦合岩石圈变形模型与当前已有的多种造山运动变形模型具有不同的变形含义,因此,地幔变形在青藏高原隆升过程中起主要作用。     

深地震反射剖面揭露青藏高原陆-陆碰撞与地壳生长的深部过程

印度板块与亚洲板块的碰撞使喜马拉雅-青藏高原隆升,地壳增厚和生长扩展。探测青藏高原深部结构,揭露两个大陆如何碰撞,碰撞如何使大陆变形的过程,是全球关切的科学奥秘。深地震反射剖面探测是打开这个科学奥秘的最有效途径之一。20多年来,运用这项高技术探测到青藏高原巨厚地壳的精细结构,攻克了难以得到下地壳和Moho清晰结构的技术瓶颈,揭露了陆陆碰撞过程。本文在探测研究成果基础上,从青藏高原南北-东西对比,再到高原腹地,系统地综述了青藏高原之下印度板块与亚洲板块碰撞-俯冲的深部行为。印度地壳在高原南缘俯冲在喜马拉雅造山带之下,亚洲板块的阿拉善地块岩石圈在北缘向祁连山下俯冲,祁连山地壳向外扩展,塔里木地块与高原西缘的西昆仑发生面对面的碰撞,在高原东缘发现龙日坝断裂而不是龙门山断裂是扬子板块的西缘边界,高原腹地Moho 薄而平坦,岩石圈伸展垮塌。多条深反射剖面揭露了在雅鲁藏布江缝合带下印度板块与亚洲板块碰撞的行为,印度地壳不仅沿雅鲁藏布江缝合带存在由西向东的俯冲角度变化,而且其向北行进到拉萨地体内部的位置也不同。在缝合带中部,显示印度地壳上地壳与下地壳拆离,上地壳向北仰冲,下地壳向北俯冲,并在俯冲过程发生物质的回返与构造叠置,使印度地壳减薄,喜马拉雅地壳加厚。俯冲印度地壳前缘与亚洲地壳碰撞后沉入地幔,处于亚洲板块前缘的冈底斯岩基与特提斯喜马拉雅近于直立碰撞,冈底斯下地壳呈部分熔融状态,近乎透明的弱反射和局部出现的亮点反射,以及近于平的Moho都反映出亚洲板块南缘的伸展构造环境。