青藏高原东北缘断层系统的大地震迁移概率及断层滑动速度的分段特征

青藏高原东北缘是青藏高原隆升、生长及变形前缘.区域地震活动频繁,且地震在其主要断层带之间时空迁移.为了研究区域大地震在主要断层带之间的迁移规律与概率,以及主要断层带大地震破裂的时空分布特征,本文建立了青藏高原东北缘地区的三维黏弹塑性有限元模型,模拟了区域断层系统的地震循环,得到了人工合成的万年时间尺度的地震目录.根据模拟的地震目录,并结合古地震数据,计算分析了大地震(MW≥7)在研究区各个主要断层带之间的迁移概率,探讨了黏度、高程、统计时间长度等因素对大地震在各主要断层带之间的迁移概率和大地震在各主要断层带上的发生概率的影响,并且初步调查了海原断层带和香山天景山断层带的大地震破裂时空分布特征.研究结果显示:继区域最近两次大地震(1920年海原断层带上的M8.5海原大地震和1927年香山天景山断层带上的M8古浪大地震)之后,下一次大地震(MW≥7)发生在海原断层上的概率最大,约为51%～81%;其次是在香山天景山断层上,概率约为9%～37%.模型结果显示,不同的青藏高原中下地壳上地幔黏度大小,对大地震在各个断层带之间的迁移规律和迁移概率的影响较小;而研究区的高程载荷对地震迁移则有显著的影响:高程载荷易于使得海原断层地震活动减弱及香山天景山断层的地震活动增强.研究结果也显示了青藏高原东北缘地区主要断层带的地震活动与断层滑动速率分布的分段性显著;大地震在断层带上的破裂位置并不固定,呈现不均匀性;并暗示了断层几何形状对地震活动、断层滑动速率分布与大地震破裂位置的控制作用.     

青藏高原东北缘主要断裂带的库仑应力演化及其强震危险性

自1920年海原发生M8.5地震以来,青藏高原东北缘接连发生了1927年古浪M8.0地震、1932年昌马M7.6地震等一系列大地震,使其进入了强震活动的丛集期。为了探究青藏高原东北缘这一系列地震间的相互作用及区域地震危险性,建立青藏高原东北缘的三维Maxwell黏弹性有限元模型,模拟了区域自1920年以来17次M6.7以上地震的同震及震后库仑应力演化。结果显示：研究区自1920年海原M8.5大地震之后,后续的16次地震中,有13次地震发生在库仑应力变化为正的区域,说明了地震间的相互作用可能是导致区域地震丛集的主要原因之一。系列地震发生后,阿尔金断裂、柴达木盆地断裂西段、东昆仑断裂中段、鄂拉山断裂北段、共和盆地断裂南段、日月山断裂南段、庄浪河断裂、礼县—罗家堡断裂、成县盆地断裂西段、文县断裂西段、龙首山断裂南段、六盘山断裂东段、西秦岭北缘断裂东段、海原断裂西段和祁连断裂东段位于库仑应力变化为正的区域,且大部分断裂或断裂段的累积库仑应力变化超过了0.01 MPa,它们未来的地震危险性较高。     

基于人工合成地震目录的地震发生概率初步分析

统计分析历史地震数据和记录的区域地震活动而得到区域地震复发间隔及地震发生概率是地震危险性分析的关键环节,其结果的好坏强烈依赖于使用的地震目录数据的完整性.而现有的地震目录往往记录时间较短或不完备.因此如果能够用基于物理的数值模拟方法形成更长时间尺度的人工合成地震目录,并且模拟结果能够与变形、地震活动等观测数据吻合,这样的人工合成地震目录有助于我们进一步理解地震活动特点以及分析地震危险性.文章以青藏高原东北缘为例,建立区域的三维黏弹塑性有限元模型,模拟了区域断层系统的地震循环和地震序列的时空演化,获得了万年时间尺度的人工合成地震目录.在模型满足区域地球动力学背景的基础上,根据模拟的人工合成地震目录分析了青藏高原东北缘各断层上不同位置、不同震级的地震复发特征,以及长期平均的地震发生概率,为区域地震危险性评估提供参考,为基于物理的地震数值预报工作提供基础.     

鄂尔多斯地块周缘大地震间相互作用研究

活动地块作为地质构造单元,其周缘的地震常常较为活跃,并且有时表现出大地震丛集发生的现象.鄂尔多斯地块处于受来自青藏高原NE向的主压应力等多重构造应力作用下的区域构造环境中,地块周缘大地震间相互作用的机制值得研究.本文以鄂尔多斯地块周缘的几次历史地震为例,分别研究了级联断层、地块同侧断层、地块不同侧断层间大地震间应力转移的现象,尝试对地块在其周缘发生大地震时的应力传递和转移行为获得新的认识.得到的结论有：1920年宁夏海原8 1/2级和1927年甘肃古浪8.0级地震分别使六盘山东麓断裂和香山-天景山断裂的大地震期望复发时间提前了800年和20年,六盘山东麓断裂当前的大地震危险性较高.1626年山西灵丘7级地震和1654年甘肃天水南8级地震分别使五台山北麓断裂的大地震复发期望时间提前了50年和279年,鄂尔多斯地块可能将其西南缘受到的部分库仑应力扰动传递到了东缘的五台山北麓断裂.     

汶川地震前后青藏高原东北缘重力场动态变化研究

通过对青藏高原东北缘重力观测资料进行整体平差计算, 系统分析了该区重力场在汶川8.0级地震前后重力场的时空动态演化特征。 研究结果表明, 汶川地震的发生使青藏高原深部物质向北东运移, 且部分通道受鄂尔多斯陆块的阻隔, 青藏高原东北缘区域重力场出现大空间尺度的趋势性显著重力变化; 汶川地震后, 甘、 宁、 陕交界的六盘山断裂带与西秦岭北缘断裂带以及之间地区重力场出现显著的非均匀变化, 该地区受汶川大地震的影响显著。     

大陆板内地震活动的时空复杂性:地球动力学数值模拟的启示及对地震危险性评估的意义

大陆板内地震活动通常表现为偶发性、丛集和迁移。地震观测数据显示了沿地震带的空间聚集和散布于板内的大部分区域、长期平静后的地震活动时间丛集,以及地震带间的迁移。这里,我们使用三维粘-弹-塑性有限元模型,对板内地震活动时空图像的复杂性进行了探索。模型模拟了动力加载、地震的地壳失稳以及同震和震后的应力演化。对于地壳强度预设随机扰动的横向均匀岩石层,模型预测了不同时间尺度下地震活动不同的时空图像：经过数百年后,空间聚集于窄带和散布于大区域,在数千年后,连成地震带,以及数万年后遍布于模型区域。地震带的方位与动力加载引起的最优失稳方向一致。应力转换和迁移造成地震的时空丛集。当考虑弱化带的影响时,模型预测地震初期在带内活动,之后扩展至远处。如果大震后断层带发生弱化,则在没有强动力加载的条件下,同一断层带也可能再次发生大震。通过简单模型揭示的板内地震活动时空复杂性表明,依赖于有限地震记录的地震危险性评估可能存在偏差,以致于在近代发生过大震的地区高估地震危险性,而在近代少震的地区低估地震危险性。     

青藏高原东北部的库仑应力积累演化对大地震发生的影响

假定地震可以模拟为多层弹粘性介质中的位错，考虑大地震(Mge;7.0)和GPS数据得出的长期构造加载为形变源，依据多层麦克斯韦弹粘性介质中位错产生的应力变化，计算得到了地震产生的应力变化，给出了青藏高原东北部1920年以来积累库仑破裂应力演化. 地震破裂的断层长度、宽度和滑动量根据前人统计公式和野外地质调查得到. 研究表明，20次Mge;7.0地震中， 除1990年共和地震、1952年当雄地震和1976年松潘双震的后一个事件外，17次大地震均发生在库仑破裂应力变化为正的区域， 触发率达85%. 本研究为中长期地震危险性估计在一定程度上提供了基础数据.      

历史大地震断层滑动模型的建立及其对同震数值计算的影响——以1920年宁夏海原MS8.5大地震为例

大地震的发生会引起区域位移场和应力场发生变化,进而改变区域内及临近断层的应力状态和地震活动性.目前,研究学者可据已有的断层滑动模型来计算分析大地震同震应力变化,同时采用库仑应力触发理论来进一步分析震后余震分布和断层危险性.然而,历史上曾经发生过不少大地震,例如,1920年的海原M_S8.5大地震,是全球范围内少见的特大地震之一.局限于无确切的地震台站地震波等资料,前人在研究历史地震的影响时往往给出一些简单的断层滑动模型,将断层面上错动量视为均匀分布.为更准确地了解历史地震对后续地震的影响,基于前人研究和一般地震滑动形态分布规律及地震反射剖面等资料,以海原M_S8.5大地震为例,探讨了如何建立海原大地震断层滑动模型,并分别搭建了简单断层滑动模型和复杂断层滑动模型的全球同震横向不均匀并行椭球型地球模型.通过对海原M_S8.5地震的同震位移场和应力场的计算,发现采用复杂断层滑动模型比简单断层滑动模型地表位错分布更切合实际.同时,进一步计算和分析了此次大地震对青藏高原东北缘近100年历史地震和周围断层的应力触发作用,得出断层滑动模型对同震计算结果的影响集中在发震断层附近而对远场影响较小.     

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.     

2007年5～6月滇西南地区M≥5成组地震活动中、短临异常特征及预测

给出了2007年滇西南地区中等地震丛集活动的跟踪预测过程,以及云南地区地震活动异常和前兆异常的动态演化图像。这组中等地震中期阶段的异常特征主要是:云南地区长达3年多和滇西南地区长达12年的6级地震平静,小震调制比、高水位和部分前兆的趋势异常显示滇西南从2006年以来处于应力水平相对较高状态;中短期阶段在滇西南出现3级地震活动增强,并形成空区,小的单元体破裂后把能量集中到更大单元体,发生更大地震;短临阶段小震活动不断向震中迁移,空区被打破。中等地震丛集活动过程中,每次新的M≥5地震发生前,滇西南均出现3级震群活动,前兆均有新的异常过程出现。     

青藏高原东北缘—鄂尔多斯地块地壳上地幔S波速度结构

1999～2000年从青海玛沁到陕西榆林，横跨青藏高原东北缘和鄂尔多斯布设了一条由47台宽频带数字地震仪组成的长约1000km的流动地震台阵观测剖面.利用记录到的远震体波波形资料和接收函数方法获得了剖面下0～100km深度的地壳和上地幔S波速度结构.结果表明，沿观测剖面地壳结构显示了明显的分块特征; 地壳厚度自东向西由40km增加到64km左右；在海原地震带下方和西秦岭断裂以西到日月山断裂之间的区域Moho间断面结构复杂；在1920年海原震区及其西侧，上地壳存在明显的低速层，在该地区的绝大部分地震分布在该低速层东边界偏向高速区一侧；祁连山东缘Moho面有约4km的深度间断，壳内向西逐渐减薄的低速层内有大量微震发生，沿祁连山的逆冲加走滑的构造运动在深度上已经穿透了Moho面；在玛沁断裂和日月山断裂之间，上地壳存在厚度很大的低速层，同时该区域下地壳也明显加厚.研究结果表明，青藏高原东北缘与鄂尔多斯地块之间的过渡带地壳变形强烈，地壳结构较为破碎，这与该地区地震频发相一致.     

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.     

MIGRATION OF LARGE EARTHQUAKES IN TIBETAN BLOCK AREA AND DISSCUSSION ON MAJOR ACTIVE REGION IN THE FUTURE

On the basis of summarizing the circulation characteristics and mechanism of earthquakes with magnitude 7 or above in continental China, the spatial-temporal migration characteristics, mechanism and future development trend of earthquakes with magnitude above 7 in Tibetan block area are analyzed comprehensively. The results show that there are temporal clustering and spatial zoning of regional strong earthquakes and large earthquakes in continental China, and they show the characteristics of migration and circulation in time and space. In the past 100a, there are four major earthquake cluster areas that have migrated from west to east and from south to north, i.e. 1)Himalayan seismic belt and Tianshan-Baikal seismic belt; 2)Mid-north to north-south seismic belt in Tibetan block area; 3)North-south seismic belt-periphery of Assam cape; and 4)North China and Sichuan-Yunnan area. The cluster time of each area is about 20a, and a complete cycle time is about 80a. The temporal and spatial images of the migration and circulation of strong earthquakes are consistent with the motion velocity field images obtained through GPS observations in continental China. The mechanism is related to the latest tectonic activity in continental China, which is mainly affected by the continuous compression of the Indian plate to the north on the Eurasian plate, the rotation of the Tibetan plateau around the eastern Himalayan syntaxis, and the additional stress field caused by the change of the earth's rotation speed.
Since 1900AD, the Tibetan block area has experienced three periods of high tides of earthquake activity clusters(also known as earthquake series), among which the Haiyuan-Gulang earthquake series from 1920 to 1937 mainly occurred around the active block boundary structural belt on the periphery of the Tibetan block region, with the largest earthquake occurring on the large active fault zone in the northeastern boundary belt. The Chayu-Dangxiong earthquake series from 1947 to 1976 mainly occurred around the large-scale boundary active faults of Qiangtang block, Bayankala block and eastern Himalayan syntaxis within the Tibetan block area. In the 1995-present Kunlun-Wenchuan earthquake series, 8 earthquakes with M_S7.0 or above have occurred on the boundary fault zones of the Bayankala block. Therefore, the Bayankala block has become the main area of large earthquake activity on the Tibetan plateau in the past 20a. The clustering characteristic of this kind of seismic activity shows that in a certain period of time, strong earthquake activity can occur on the boundary fault zone of the same block or closely related blocks driven by a unified dynamic mechanism, reflecting the overall movement characteristics of the block. The migration images of the main active areas of the three earthquake series reflect the current tectonic deformation process of the Tibetan block region, where the tectonic activity is gradually converging inward from the boundary tectonic belt around the block, and the compression uplift and extrusion to the south and east occurs in the plateau. This mechanism of gradual migration and repeated activities from the periphery to the middle can be explained by coupled block movement and continuous deformation model, which conforms to the dynamic model of the active tectonic block hypothesis.
A comprehensive analysis shows that the Kunlun-Wenchuan earthquake series, which has lasted for more than 20a, is likely to come to an end. In the next 20a, the main active area of the major earthquakes with magnitude 7 on the continental China may migrate to the peripheral boundary zone of the Tibetan block. The focus is on the eastern boundary structural zone, i.e. the generalized north-south seismic belt. At the same time, attention should be paid to the earthquake-prone favorable regions such as the seismic empty sections of the major active faults in the northern Qaidam block boundary zone and other regions. For the northern region of the Tibetan block, the areas where the earthquakes of magnitude 7 or above are most likely to occur in the future will be the boundary structural zones of Qaidam active tectonic block, including Qilian-Haiyuan fault zone, the northern margin fault zone of western Qinling, the eastern Kunlun fault zone and the Altyn Tagh fault zone, etc., as well as the empty zones or empty fault segments with long elapse time of paleo-earthquake or no large historical earthquake rupture in their structural transformation zones. In future work, in-depth research on the seismogenic tectonic environment in the above areas should be strengthened, including fracture geometry, physical properties of media, fracture activity behavior, earthquake recurrence rule, strain accumulation degree, etc., and then targeted strengthening tracking monitoring and earthquake disaster prevention should be carried out.     

青藏高原东北缘祁连山造山带至阿拉善地块壳幔电性结构研究

在青藏高原东北缘祁连山造山带至阿拉善地块之间完成了一条372km的大地电磁剖面,通过二维反演计算,获得了沿剖面180km深的壳幔电性结构模型,结合研究区地质和地球物理资料开展综合分析,研究结果表明:(1)剖面自南向北所经过的祁连山造山带、走廊过渡带和阿拉善地块对应3种壳幔电性结构模型:东祁连壳幔高-低-高阻似层状电性结构、河西走廊壳幔低阻带状电性结构和阿拉善南缘壳幔高-低-高阻层状电性结构.(2)剖面所经过的主要断裂带在电性结构上表现为低阻异常带或电性梯度带,并且止于中上地壳或消失于下地壳低阻层中.除这些分布于中上地壳的断裂系统以外,在下地壳至上地幔顶部还存在两条切割莫霍面的壳幔韧性剪切带:西华山北缘壳幔韧性剪切带和阿拉善南缘壳幔韧性剪切带.其中,西华山北缘壳幔韧性剪切带可能是1920年海原8.6级地震发生的深部背景之一;而阿拉善南缘壳幔剪切带可能是卫宁北山燕山晚期和喜山期幔源岩浆上升到地壳浅部或喷出到地表的通道,为在该区域寻找晚中生代至新生代含矿隐伏岩体提供了深部电性结构依据.(3)由若干形状不规则、彼此不相连的"碎块状"极高阻块体组成的中上地壳与"似层状"的中下地壳低阻层共同构成的地壳电性结构,是引起青藏高原东北缘强烈破坏性地震最佳的地壳电性结构组合之一.印度板块向欧亚板块俯冲碰撞楔入引起青藏高原块体向北东方向运移与阿拉善地块向南的俯冲碰撞楔入,是青藏高原东北缘强震活动带产生的动力学背景.     

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.     

青藏高原东北隅弧形构造区现代中小地震密集区与历史强震的关系探讨

青藏高原东北隅地区位于青藏高原、鄂尔多斯和阿拉善三大块体交汇部位,发育一组以逆走滑活动为主的弧形断裂系,其新活动性强,历史及现代强震频发,是探讨现代中小地震密集区与历史强震关联性的理想地区,也是检验和发展小震密集区值方法及其适用条件的有利地区。本文采用甘肃省地震局对该区1970年以来1～5级地震仪器监测目录,利用网格点密集值方法进行计算分析,共划分出21个地震密集区。通过分析每个地震密集区内小震活动的时间分布特征及前人对历史地震和活动构造的研究结果,综合判断地震密集区与历史强震之间的对应关系,归纳总结不同震级历史强震密集区的持续时间,给出运用网格点密集值方法校核青藏高原东北隅历史地震的限定条件。研究结果表明:青藏高原东北隅弧形构造区大约66.7%的密集区对应历史强震,两者之间有较密切的关联性;且地震震级越大密集区持续时间越长,两者之间的拟合关系为:T=4.38×10~(-7)×M~(10.91)。