海原-六盘山断裂带岩石圈变形机制讨论

<正>在印度板块推挤作用下,青藏高原深部物质发生了东向迁移。阿尔金断裂、祁连山断裂和海原断裂构成了青藏高原的北边界和东北边界。边界区域的岩石圈变形机制是研究青藏高原隆升机制和生长模式的重要边界条件。海原-六盘山断裂带可能是青藏高原物质东移的一个终点,该区域岩石圈变形机制的研究对于构建青藏高原隆升的完整模型具有重要意义。     

青藏高原东北缘壳幔各向异性的差异及含义

青藏高原东北缘是青藏块体东北部大型边界变形带,地处青藏块体、华南地块、鄂尔多斯地块和阿拉善地块的交汇处,为新构造时期以来较为活跃的地质构造单元,其内部发育了多条规模较大的断裂:阿尔金断裂、祁连山断裂带和海原断裂等.     

鄂尔多斯块体西缘地壳介质各向异性:从银川地堑到海原断裂带

通过收集鄂尔多斯块体西缘固定地震台网2010年6月至2017年8月的近场地震资料，选择符合剪切波分裂分析的14个台站记录的共137个有效事件波形，得到了剪切波分裂参数，即快剪切波（简称快波）偏振方向和慢剪切波（简称慢波）时间延迟.结果表明，研究区的快波偏振方向和慢波时间延迟具有明显的分区特征，快波偏振方向主要与构造应力场方向或者断层走向大体一致.鄂尔多斯西缘紧邻块体边界的台站，快波偏振方向自北向南呈现NS、NNE、NE向的变化，与青藏高原东北缘主压应力方向变化基本一致.银川地堑东西两侧的快波偏振方向有差异，东侧区域主要受青藏高原NNE向挤压和黄河-灵武断裂共同影响，而西侧区域可能受到阿拉善块体与鄂尔多斯块体之间的NW方向的主张应力和阿拉善块体内部应力分布的影响；鄂尔多斯块体、阿拉善块体与青藏高原的交汇区快波优势偏振方向为NE向，与青藏高原东北缘主压应力方向一致；海原断裂带及以南区域快剪切波优势偏振方向为WNW向，与断裂走向基本一致，较好的说明了海原断裂带为活跃的活动断裂.构造与断裂分布都是控制快波偏振方向的主要因素，走滑断裂上的台站快波偏振方向与断裂走向一致，表明这些台站主要受到断裂的强烈影响；走滑断裂附近的个别台站快波偏振方向呈现与构造应力场一致的方向，表明几乎没有受到断裂的影响.鄂尔多斯、阿拉善与青藏高原的交汇区平均时间延迟高于其他地区，反映了青藏高原在NE向运动过程中，受到稳定的鄂尔多斯块体阻挡作用，导致了交汇区地壳介质各向异性程度增加.以海原断裂带到六盘山断裂带为界，其两侧区域的各向异性差异性明显，揭示了应力与介质特性的差异，暗示其邻近区域，特别在海原断裂带东端到六盘山断裂带与鄂尔多斯块体西缘交汇区域，可能有较高的强震危险背景.本研究还对该区域的地壳和上地幔的耦合问题进行了初步讨论.     

祁连—海原断裂带库仑应力演化及地震危险性

祁连—海原断裂带是青藏高原东北缘重要的活动断裂带,调节着青藏高原北东向推挤作用和阿拉善地块的东西向运动.已有地震地质和数值模型结果显示,祁连—海原断裂带目前存在几个强震破裂空段且其上应力积累显著、断层闭锁程度高,2022年1月8日门源MS6.9地震即发生在祁连—海原断裂带西段的断层高闭锁、应力积累显著的破裂空段.为进一...     

基于GNSS的青藏高原东北缘地壳运动场及强震趋势研究

利用“中国大陆构造环境监测网络”GNSS数据研究1998—2018年青藏高原东北缘排除同震影响等干扰后的速度场、主应变率场、最大剪切应变率场、面应变场等的变化,活动断裂滑动速率变化、跨活动断裂基线变化等。将研究区域内的二级块体再分区,获得各次级块体内部的应变率变化;获取研究区域地壳运动场的趋势性、动态特征。研究结果显示,阿尔金断裂带中东段、祁连块体和柴达木块体交界、巴颜喀拉块体与羌塘块体交界、祁连块体南边界中段、海原—六盘山断裂带和西秦岭北缘断裂带西段的逆冲运动,祁连块体北边界西段、庄浪河断裂的左旋走滑运动,祁连块体北边界东段、西秦岭北缘断裂带东段的左旋逆走滑运动,都属于造成一定程度地壳变形的持续性局部应变增强活动。阿尔金断裂带东段、东昆仑断裂带中西段、祁连块体北边界、庄浪河断裂北段、海原断裂南段、六盘山断裂北段、西秦岭北缘断裂带东段可能存在闭锁,未来十年可能发生M_S6.0以上地震。     

六盘山断裂带及其邻区地壳结构

新生代期间,中国大陆西部受印度一欧亚板块碰撞和青藏高原隆升影响,以地壳缩短、增厚、陆内造山和强烈地震活动等为主要特征.在青藏高原东北边缘,高原物质侧向移动被鄂尔多斯地块所阻,在六盘山地区发育了一系列左旋斜冲断裂.断裂带周缘构造变形强烈,地震活动频繁,是研究青藏高原横向扩展控制大陆内部弥散变形的理想场所.本文对穿越青藏高原东北缘一六盘山断裂带一鄂尔多斯地块的宽角反射与折射地震资料使用层析成像和射线反演算法进行成像,获得了研究区地壳速度结构模型,其结果反映出六盘山断裂带两侧地壳结构、构造特征差异显著:1)上地壳层析成像结果显示鄂尔多斯盆地一侧地壳上部速度较低,等值线呈近水平状,具有典型的沉积盆地特征,而青藏高原东北缘一侧上地壳速度相对较高,横向变化剧烈,呈褶皱状,二者的分界为海原一六盘山逆冲走滑断裂;2)全地壳射线反演结果显示鄂尔多斯地块地壳速度梯度大,下地壳底部速度高由铁镁质物质组成,具有典型稳定古老克拉通的特征,青藏高原东北缘地壳速度总体较低,主要由长英质及长英-铁镁质过渡物质组成,具有典型造山带的特征,而六盘山断裂带下方地壳速度结构复杂,层面呈拱形,部分层出现速度逆转,为两个构造单元的接触过渡带;3)青藏高原东北缘一侧地壳厚度~50 km,鄂尔多斯地块地壳厚度~42 km,六盘山断裂带下方莫霍面发生叠置,揭示出青藏高原东北缘、鄂尔多斯地壳在六盘山下汇聚,较薄且刚性的鄂尔多斯地壳挤入较厚且塑性的青藏高原东北缘地壳中的构造模式.     

青藏高原东北缘海原构造带马东山阶区深部电性结构特征及其构造意义

海原一六盘山构造带是青藏高原东北缘地区的一条重要边界,在海原断裂带和六盘山断裂带接触区形成了特殊的马东山挤压阶区,本文对跨过该挤压阶区一条密集测点大地电磁剖面数据进行了处理和二维反演,获得的深部电性结构图像揭示在马东山挤压阶区深部电性结构表现为在高阻背景下镶嵌多个向西南倾斜的低阻条带电阻率结构样式,并在深度约25 km汇聚到中下地壳低阻层内,共同组成"正花状"结构;海原一六盘山构造带西南侧到陇中盆地区间呈现高、低阻相互"楔合"的深部结构特征,而其东北侧的鄂尔多斯西缘带自地表到中下地壳为较完整的高阻块体.另外结合跨过海原断裂带中段和西秦岭造山带的大地电磁探测结果,对海原一六盘山构造带分段性及其两侧的陇中盆地和鄂尔多斯地块的接触关系进行了研究分析.大地电磁探测成果佐证了在海原断裂带中段为具有走滑特点的断裂,而其尾端与六盘山断裂带斜交区域的马东山地区发生了强烈的逆冲推覆与褶皱变形;活动构造研究发现沿海原断裂带所产生的左旋走滑位移被其尾端的马东山、六盘山以东西向的地壳缩短调节吸收,GPS观测表明青藏高原东北缘地区现今构造变形分布在海原一六盘山构造带以西上百公里的范围内,陇中盆地一海原一六盘山构造带和鄂尔多斯地块一线的深部电性结构图像也很好地解释了该区变形状态:海原一六盘山构造带带及西南盘的陇中盆地的中下地壳非常破碎,在青藏高原向北东方向的推挤下容易发生变形,而北东盘鄂尔多斯地块地壳结构完整,很难发生构造变形.对海原一六盘山构造带马东山阶区和龙门山构造带的深部电性结构及变形特征等进行了比较分析,发现该区有与2008年汶川地震相似的深部构造背景,应重视该区强震孕育环境的探测研究.     

青藏高原东北缘活动断裂剪切模量及应力状态数值模拟

作为控制断层两盘相对运动的重要因素，断裂带介质力学性能与断层面上的滑动速率及应力状态、区域地壳运动速度场等密切相关.受印度板块北东向推挤以及阿拉善地块和鄂尔多斯地块的阻挡作用，青藏高原东北缘构造变形复杂.本文在综合区域动力学环境、活动断裂空间展布以及下地壳黏滞性结构的基础上构建了青藏高原东北缘三维有限元动力学模型；以GPS速度场为约束模拟研究了断层剪切力学性能对区域地壳运动速度场图像的控制作用，进而在最优模型基础上分析了当前青藏高原东北缘不同断裂的应力状态.结果显示：阿尔金断裂东段和广义海原断裂对区域地壳运动速度场控制作用强烈，但二者剪切力学性能相反，阿尔金断裂东段断层剪切模量与周边地壳介质相当，而广义海原断裂断层剪切模量可低至周边地壳介质剪切模量的1/10000；六盘山断裂和西秦岭北缘断裂对区域地壳运动速度场的控制作用较弱，模拟结果显示二者均具有较强的剪切力学性能.基于最佳模型的应力状态分析指出：阿尔金断裂东段，广义海原断裂西段的木里—江仓断裂、中段的金强河—毛毛山—老虎山断裂、东段的六盘山断裂，以及西秦岭北缘断裂中西段当前应力率水平较高，且与前人给出的青藏高原东北缘高闭锁区域吻合.动力学上的高应力率与运动学上的强闭锁良好吻合，预示着这些断裂是地震危险分析值得关注的区域.     

剪切波分裂揭示的青藏高原东北缘分层各向异性形态:从海原断裂至银川地堑

印度板块与欧亚板块的挤压导致青藏高原隆升,青藏高原东北缘的变形模式对于青藏高原隆升机制有重要意义,地震各向异性可用于揭示岩石圈变形以及壳幔作用模式.本文基于青藏高原东北缘15个固定地震台站的远震地震波形,通过SKS、PKS、SKKS(简称XKS)震相的剪切波分裂分析,分析并拟合各台站的视各向异性参数,发现海原断裂带和银...     

青藏高原松潘—西秦岭—临夏盆地深地震反射剖面——采集、处理与初步解释

由于印度洋板块向亚欧板块俯冲使青藏高原不断隆起,其形成不仅导致了亚洲大陆内部强烈的晚新生代构造变形,还对其边缘地区的地貌格局产生重大影响.青藏高原东北缘是青藏高原向北东方向扩展的前缘部位,是印度与欧亚两大板块碰撞作用由近南北方向向北东、东方向转换的重要场所.本文利用2004年和2008年完成的深地震反射剖面资料,采用关键处理技术和参数开展唐克-合作剖面与合作-临夏剖面联线处理,获得总长约400 km的深地震反射剖面,完整揭示了西秦岭造山带及其两侧盆地的地壳结构和构造变形样式.结果显示西秦岭造山带下地壳向若尔盖逆冲推覆的深部构造特征;西秦岭下地壳北倾的强反射及其北侧南倾的强反射特征揭示出扬子与华北两个大陆板块在西秦岭造山带下的汇聚行为.Moho的埋深和起伏形态表明青藏高原东北缘地壳经历了高原隆升后强烈的伸展减薄作用.     

Receiver function structures beneath the Haiyuan fault on the northeastern margin of the Tibetan plateau

We performed a receiver function analysis on teleseismic data recorded along two dense seismic profiles and from 4 broadband regional seismic stations across the northeastern Tibetan plateau. The crustal thickness and v_P/v_S ratio were measured by the H-κ domain search algorithm. The Moho discontinuity across the Haiyuan arc fault zone was also revealed by common conversion point (CCP) imaging. Our study results show that the crustal thickness and the v_P/v_S ratio were 42–56 km and 1.60–1.88, respectively. The crustal thickening on the northeastern margin indicates that the crust is shortening or that there was a superimposition of crusts during the collision of the Tibetan plateau with Eurasian block. Our results suggest that Haiyuan fault likely resulted from the interactions of high temperature and pressure conditions during the collision of the Indian and Asian continents. The Moho beneath the Haiyuan tectonic region exhibits an obvious offset and a vague discontinuity according to CCP imaging. This study suggests that the Haiyuan arc fault zone is a trans-crustal fault that cuts through the Moho in the northeastern Tibetan Plateau. Moreover, there are indications of strong deformation in the intensive crustal extrusion from the interior of the Tibetan Plateau to its northeastern margin.     

Study of crust-mantle transitional zone along the northeast margin of Qinghai-Xizang plateau

Introduction At the juncture of Qinghai-Xizang, Ordos and Alxa blocks lies the Qinghai-Xizang plateau, an area with complicated topographic and morphologic features, strong tectonic activities and frequent earthquakes (many large-magnitude earthquakes have taken place), has become a focal area for geoscience study. Many geophysical and geological surveys have been carried out in and around the area, such as deep seismic sounding (DSS), gravimetry, magnetotelluric sounding, magnetic anomaly …     

青藏高原东北缘壳幔过渡带研究

利用穿过青藏高原东北缘的两条地震测深剖面提供的PMP波形资料，研究了该区不同构造单元壳幔过渡带的复杂性、频谱特征和速度模型．结果表明, 鄂尔多斯盆地和陵中盆地Moho具有稳定的构造特征，壳幔耦合为简单的一级间断面；海原地震区和巴颜喀拉地块与柴达木地块结合带莫霍面具有明显的活动迹象，壳幔耦合为复杂的高、低速相间的多层壳幔过渡带，总厚度达到20多千米．不同构造单元的莫霍面差异性反映了研究区壳幔耦合层的非均匀特征；海原地震区和玛沁断裂壳幔过渡带的细结构差异, 则反映了两个陆 陆碰撞带不同的深部物质结构与地块之间的相互作用结果．      

利用Sentinel-1合成孔径雷达干涉测量技术监测海原断裂现今地壳变形特征

20世纪20年代，青藏高原东北发生了两次8级以上强震，其中1920年12月16日发生的海原M8.5地震距今已经100年。海原断裂带作为青藏高原东北缘最活跃的断裂带之一，至今仍控制着该区域微震及中强地震活动。本文基于ISCE软件和StaMPS平台，以2017年3月至2020年6月覆盖研究区的72景哨兵一号（Sentinel-1）SAR影像为数据源，采用PS-InSAR技术对海原断裂带进行时序形变监测，并以区域内GPS速度场进行校正，获取了其三年多来雷达视线向（Line of sight，LOS）的年平均形变速率。研究结果表明：①海原断裂带南北两盘形变速率差异明显，这与左旋走滑的运动性质相符；②毛毛山断裂、老虎山断裂西段处于闭锁状态，老虎山断裂中东段处于较为活跃状态，观测到蠕滑变形；海原地震破裂带部分断裂浅部处于愈合状态；③老虎山断裂中东段的蠕滑变形是青藏高原东北缘最为显著的区段，推断与1888年和1990年景泰的两次六级地震有关。     

青藏高原东北缘重力场深部结构及其动力学特征

本文采用欧拉反褶积、场源参数成像(SPI)、场源边界提取(SED)、莫霍面反演、地壳三维可视化等多源方法,对青藏高原东北缘地区的布格重力场进行反演与分析,深入研究该地区的深部结构与变形特征,探讨区域深部孕震环境及动力学机制.研究表明,青藏高原东北缘的布格重力场整体呈负异常值,具有明显的分区性,表现出鄂尔多斯盆地异常值相对偏高、阿拉善块体次之、青藏高原块体极低的特点,其中海源断裂系形成了一条宽缓的弧形重力梯度条带,梯度值达1.2 mGal·km^-1.欧拉结果显示,鄂尔多斯盆地相比于青藏高原块体而言,场源点具有较强的均一性,场源强度值高(密度值高)且深度稳定在25~32 km范围内,而高原块体的中下地壳尺度广泛分布着低密度异常体.SPI图可知,海源弧形断裂系位于“浅源异常”弧形区,反映其地壳较为活跃,易发生中强地震.SED图揭示青藏高原地壳向东北扩展,经过几大断裂系的调节后运动矢量向东或东南转化,SED与GPS、SKS运动特征大致相同,说明地表-地壳-地幔的运动特征有着较强的一致性.青藏高原东北缘地区壳幔变形是连贯的,加之莫霍面由北向南、由东向西是逐渐加深的,因此属于垂向连贯变形机制,不符合下地壳管道流动力学模式.区域形成了似三联点构造格局,其中海源弧形断裂系的深部地壳结构复杂,高低密度异常体复杂交汇,是青藏高原、阿拉善、鄂尔多斯三大块体相互作用的重要枢纽,其运动学特征总体为中段走滑尾端逆冲,而断裂系正处于大型的弧形莫霍面斜坡带之上,具备强震的深部孕震环境,因此大尺度的运动调节与深部孕震条件共同促使了该地区中强震的多发.     

青藏高原东南缘地质构造基本形态与地震各向异性基本特征

青藏高原东南缘受印度板块NE向推挤和高原物质SE向挤出及四川盆地、 华南块体阻挡的共同作用, 成为高原物质SE向逃逸的关键通道。 本文综述了青藏高原东南缘由不同震相和不同方法得到的不同深度的地震各向异性结果, 结合区域内断裂分布、 地表运动、 构造应力以及深部结构等方面, 全面分析了青藏高原东南缘上地壳至中下地壳及上地幔的介质各向异性与变形耦合特征。 青藏高原东南缘壳幔地震各向异性的差异反映了区域内复杂的深部构造和壳幔变形。 由于青藏高原形成机制、 壳幔耦合状态和软弱层分布形态等科学问题尚处于学术探讨之中, 有效结合不同数据和综合多种方法, 有益于获得更加准确、 精细的地壳—上地幔地震各向异性图像, 对深部物质运动与动力模式进行更有效的约束。     

青藏高原东北缘莫霍界面的三维空间构造特征

通过在青藏高原东北缘设计专门的三维地震观测系统而获得的莫霍界面反射波,利用三维反演方法反演重建了该区莫霍(M)界面的构造形态,得到了研究区M界面的三维构造图像和地壳深断裂的展布,研究区M界面总体上由东北向西南方向呈逐渐下倾趋势,而在不同的块体内部又具有不同的倾斜态势,反映了不同块体之间的差异和复杂程度的不同.鄂尔多斯块体M界面变化平缓,内部结构完整且坚硬;弧形构造区M界面的倾斜趋势发生了逆转,此现象可视为该区域在挤压、变形构造作用下M界面发生了明显的扭曲变形;秦祁块体M界面呈现出较陡的倾斜趋势,在本块东南端与弧形区结合部,M界面所显示出的局部隆起可视为地壳发生了强烈扭曲变形的迹象.综合二维、三维结果认为,特殊而复杂的构造变形环境,为海原8.6级大地震的孕育和发生提供了地质条件和深部背景.     

DEFORMATION CHARACTERISTICS AND KINEMATIC PARAMETERS INVERSION OF HAIYUAN FAULT ZONE BASED ON TIME SERIES INSAR

Located at the bend of the northeastern margin of Qinghai-Tibet Plateau, the Haiyuan fault zone is a boundary fault of the stable Alashan block, the stable Ordos block and the active Tibet block, and is the most significant fault zone for the tectonic deformation and strong earthquake activity. In 1920, a M8.5 earthquake occurred in the eastern segment of the fault, causing a surface rupture zone of about 240km. After that, the segment has been in a state of calmness in seismic activity, and no destructive earthquakes of magnitude 6 or above have occurred. Determining the current activity of the Haiyuan fault zone is very important and necessary for the analysis and assessment of its future seismic hazard. To study activity of the Haiyuan fault zone, the degree of fault coupling and the future seismic hazard, domestic and foreign scholars have carried out a lot of research using geology methods and GPS geodetic techniques, but these methods have certain limitations. The geology method is a traditional classical method of fault activity research, but dislocation measurement can only be performed on a local good fault outcrop. There are a limited number of field measurement points and the observation results are not equally limited depending on the sampling location and sampling method. The distribution of GPS stations is sparse, especially in the near-fault area, there is almost no GPS data. Therefore, the spatial resolution of the deformation field features obtained by GPS is low, and there are certain limitations in the kinematic parameter inversion using this method. In this study, we obtain the average InSAR line-of-sight deformation field from the Maomaoshan section to the mid-1920s earthquake rupture segment of the Haiyuan earthquake in the period from 2003 to 2010 based on the PSInSAR technique. The results show that there are obvious differences between the slip rates of the two walls of the fault in the north and the south, which are consistent with the motion characteristics of left-lateral strike-slip in the Haiyuan fault zone. Through the analysis of the high-density cross-fault deformation rate profile of the Laohushan segment, it is determined that the creep length is about 19km. Based on the two-dimensional arctangent model, the fault depth and deep slip rate of different locations in the Haiyuan fault zone are obtained. The results show that the slip rate and the locking depth of the LHS segment change significantly from west to east, and the slip rate decreases from west to east, decreasing from 7.6mm/a in the west to 4.5mm/a in the easternmost. The western part of the LHS segment and the middle part are in a locked state. The western part has a locking depth of 4.2~4.4km, and the middle part has a deeper locking depth of 6.9km, while the eastern part is less than 1km, that is, the shallow surface is creeping, and the creep rate is 4.5~4.8mm/a. On the whole, the 1920 earthquake's rupture segment of the Haiyuan fault zone is in a locked state, and both the slip rate and the locking depth are gradually increased from west to east. The slip rate is increased from 3.2mm/a in the western segment to 5.4mm/a in the eastern segment, and the locking depth is increased from 4.8km in the western segment to 7.5km in the eastern segment. The results of this study refine the understanding of the slip rate and the locking depth of the different segments of the Haiyuan fault zone, and provide reference information for the investigation of the strain accumulation state and regional seismic hazard assessment of different sections of the fault zone.