地球内部结构及物性研究的进展及问题

本文对近几年中国地球物理学家在地球内部结构和物质性质方面的研究工作进行总结.从地球内部结构的地震波速度成像,地幔介质的各向异性,地幔间断面及地幔介质物性进行了综述,指出在一些原有的研究领域,工作更加深入,方法更加先进,而且进行了广泛的国际合作,合作的范围也逐渐扩大,方式多样,并开拓了一些新的研究方向.在肯定我们近几年取得的一些新的进展的同时,也提出了地球内部结构研究中应进一步研究的问题.     

基于广义极值理论的潜在地震海啸源震级上限及强震重现水平的估计——以琉球海沟俯冲带为例

以琉球海沟俯冲带作为研究区,将广义极值理论用于估计潜在地震海啸源震级上限,首先分析了琉球海沟俯冲带的地震地质构造特征以及历史地震资料,界定潜在地震海啸源区,然后根据地震活动性特征按时间域进行分割,并提取各时间段发生的极限震级的地震样本,最后通过广义极值分布模型估计了该区域的震级上限值和强震重现水平,并对其进行了不确定性分析。     

长江中下游成矿带三维S波速度结构及对深部过程的约束

利用73个固定台站记录的163个远震事件数据,采用多道互相关技术挑选了5524条S波到时数据,并对S波到时数据进行地壳校正,在此基础上采用天然地震层析成像方法和远震S波到时信息,获得了长江中下游成矿带上地幔的三维S波速度结构模型.研究结果表明:(1)研究区域上地幔存在着明显的低速异常,且走向与成矿带相同,可能为上涌的软流圈热物质;(2)研究区域地幔过渡带和上地幔底部存在着明显的高速异常,可能为俯冲的古太平洋板块和拆沉的岩石圈;(3)成矿带上地幔的低速异常呈现由南向北逐渐变浅的空间分布特征,该特征表明软流圈热物质由南向北上涌.综合分析认为,成矿带中生代大规模岩浆活动和成矿作用的深部过程主要与岩石圈的拆沉密切相关.     

2009年萨摩亚—汤加特大地震触发的两次大震

特大地震(≥8.0级的地震)一般都含有构造板块之间边界岩体的突然滑动。这种板间的破裂通常出现在俯冲带特大逆冲事件的海沟斜坡区,会产生动态及静态应力变化,从而激活周边的板内余震(Christensen and Ruff,1988;Dmowskaetal,1988;Layetal,1989;Ammonetal,2008)。本文研究的地震序列展示一少见的例子———特大海沟斜坡的一次板内地震触发了广泛的板间断层活动,颠倒了典型的活动模式,从而广泛地扩大了地震和海啸灾害。2009年9月29日,在汤加俯冲带北端的外海沟斜坡发生矩震级8.1的正断层地震事件,该震开始破裂后的2分钟内,发生了总地震矩等于矩震级8.0级的第二个特大地震,它由两次(矩震级均为7.8级)板间下插逆冲大地震组成,导致了周边俯冲带巨型逆断层的破裂。联合的断层作用引发了海啸,局部地区抬升约12m,导致萨摩亚、美属萨摩亚和汤加192人死亡。地震信号的重叠掩盖了这样的事实:相隔约50km的性质不同的断层发生了不同几何形状的破裂,这些被触发的逆冲断层滑动只有通过详细的地震波分析才能揭示出来。在汤加北部俯冲带的大部分区域内,激活了广泛的板间和板内余震活动。     

日本俯冲带地震发生过程的数值模拟研究

了解地震发生的动力学机制是研究地震发震原因的关键,而数值模拟的方法是高速、有效的手段.2011年3月11日日本东北部宫城县发生9.0级大地震,文中以该次大地震所在的日本俯冲带为研究对象,通过使用黏弹性有限元数值模拟,并引用接触对,建立了研究区二维数值模型,模拟俯冲带与上覆板片之间的滑动、黏滞到再滑动的过程,亦即断层失稳发生地震的过程.模拟结果显示,随着太平洋板块不断俯冲,在俯冲带上自发出现了断层闭锁、解锁到再闭锁的黏滑过程,且这种过程呈现一定的准周期性,大事件主要集中分布在20~30 km的深度范围内.根据俯冲带可能在俯冲过程中角度的变化,建立了不同的模型,进行模拟对比研究,结果表明,俯冲带的几何形态,以及俯冲角度变化所在的不同深度,对模拟的结果有不同的影响.     

2012年加拿大西海岸Mw7.7地震构造背景与区域地震活动

2012年10月28日加拿大西海岸发生了Mw7.7地震,震中位于板块边界的夏洛特皇后断裂南段,处于环太平洋地震带上,是太平洋板块相对北美板块以约6 cm/a的速率,使得断层面应变积累到一定程度引发破裂的结果.历史地震分析表明,该地震正好填充了南段一个多世纪以来存在的空区.该地震的发生可能表明一个新的地震周期的开始,未来几十年内该断裂带上可能以中强地震活动为主,发生8级左右地震的可能性不大.     

松嫩地块东缘和佳木斯地块西缘电性结构

横过松嫩地块东缘和佳木斯地块西缘的大地电磁测深剖面揭示了两块体结合带附近的深部电性结构.本文对剖面测点做了标准化数据处理,并对二维偏离度、构造走向进行了计算和分析,采用非线性共轭梯度(NLCG)二维反演方法对TM模式的数据进行了反演,获得了该剖面的地壳、上地幔电性结构模型,划分出三个典型构造单元:松嫩地块东缘、碰撞拼合带和佳木斯地块西缘.研究结果表明,研究区上地壳基本呈高阻特征,可能为岩浆岩,代表其经历了多期次岩浆作用,而松嫩地块东缘和佳木斯地块西缘的中下地壳的高导体可能与地幔物质的上涌有关;拼合带下方存在西倾的高导体和高阻体,可能是佳木斯地块向西俯冲到松嫩地块下方的构造遗迹;研究区可能发生了拆沉作用,与之伴随的地幔物质上涌可能是后期伸展作用的一个动力.     

四川盆地深部地壳结构——深地震反射剖面探测

四川盆地位于扬子地块的西北部,被褶皱构造带所围绕,受周缘构造带的侧向挤压作用,盆地卷入了多期次和多边界的构造变形,为开展盆山耦合作用及多边界、多期次构造叠加与复合关系的研究提供了不可多得的理想野外实验室.为揭示四川盆地地壳结构,本文通过对3条不同时间采集的深地震反射剖面数据进行拼接联线处理,获得跨越四川盆地的330 km深地震反射偏移成果剖面,揭示了四川盆地地壳上地幔细结构：沉积层从西北向东南逐渐变薄,在龙门山前沉积层厚度超过15 km,在华蓥山下沉积层减薄到~8 km,且褶皱变形形成华蓥山薄皮褶皱冲断带;莫霍面出现在13~15 s（双程走时）,埋深约40~45 km;并发现从下地壳延伸至地幔的东南向的倾斜反射,从13 s向下延伸至18 s,结合四川盆地及其周边地区其他地球物理和地球化学花岗岩同位素年龄等资料,我们认为这些倾斜反射层是扬子克拉通地台西北缘发生的新元古代俯冲的遗迹.

     

双地震带的影响因素探讨

讨论了全球39个俯冲带内的双地震带层间距、应力类型与俯冲参数的相互关系,这些俯冲参数包括动力学参数(板块年龄、热参数、板片拉力)、运动学参数(俯冲板块速度、上覆板块运动速度、海沟迁移速度、弧后形变特征)、几何形态参数(浅俯冲角、深俯冲角、俯冲深度、长度)及上覆板块性质等. 结果表明:(1)I型双地震带易形成于年龄较古老(>60 Ma)的俯冲板块,其层间距主要与动力学参数有关;(2)II型双地震带出现在较年轻(<60 Ma)的板块,其层间距及应力状态更容易受局部应力场的影响;(3)当热参数大于5000 km时仅能形成I型双地震带,而当热参数小于5000 km时,两类双地震带都能形成;(4)上覆板块的性质似乎决定着双地震带层间距的上下限,其中大陆型上覆板块所对应的双地震带层间距小于20 km;而海洋型对应DSZ层间距则大于15 km. 限于现有的观测条件,本文基于有限样本的统计结果仍需要进一步验证.     

利用断层应力积累探讨大地震发生的地点——以日本2011年东北9级大地震为例

大地震在哪里发生是地震预报首先要解决的问题.利用反演GNSS观测数据得到的2011年日本东北9级大地震前7年（2004—2010年）断层上的应力变化,我们发现了这次地震断层的孕震区.为了进一步研究该孕震区的演化过程,本文继续反演这次大地震在1997—2003年间的断层应力变化过程.通过这两期的反演工作,我们看到,在这14年中,断层应力的年变化图案的主要特征基本是稳定的,并存在明显的应力增加区和降低区.前者与地震的破裂区吻合,后者与前震、重复小地震和无震滑动的区域一致.显著的剪切应力增加区不但与主震,而且还与大余震的破裂区相符合.我们发现断层面上高应力积累区的零剪应力和零正应力变化的等值线不重合,前者在断层面上的深度大于后者,这意味着在剪应力增加区存在着正应力降低区或剪切强度降低区（由于剪切强度与正应力成正比）.断层初始破裂点似乎更偏好零正应力等值线附近的位置,这是因为该处不但靠近剪切强度降低区,而且位于剪应力积累最显著的地方.研究结果表明,正应力变化对大地震的初始破裂有影响;本文所使用的断层应力变化反演方法,可以用来作为预测大地震发生位置的一种手段.