青藏高原东北缘近期重力与地壳形变综合分析与研究

利用青藏高原东北缘2011—2014年期间的流动重力与GPS观测资料和1970—2011年水准观测获得的垂直运动背景场资料,结合区域地质构造动力环境和区内发生的强震事件,系统分析了区域重力场变化、地壳三维形变与区域构造环境和强震活动的关系,进一步研究和探讨了区域重力场变化与区域三维地壳运动的时空分布特征及其机理。结果表明:1)测区内重力场变化与GPS观测反映的水平运动和水准观测反映的垂直运动在空间上关系密切,地壳形变总体表现为沿水平运动的方向重力增加,高原山地挤压隆升,地面重力减少;断陷盆地相对伸展下沉,地面重力增加,反映了新构造活动的继承性。2)地壳形变场变化与活动断裂密切相关,重力变化和垂直形变等值线走向总体上与呈NWW向的祁连-海原断裂走向基本一致,水平形变也在祁连-海原断裂附近产生明显的左旋走滑运动。3)强震易发生在具有显著重力变化的活动断裂带上,也易发生在沿活动性断裂的断块垂直差异运动强烈或兼有强走滑运动的地方。2016年门源震中附近区域地壳受挤压变形显著、面压缩率和重力剧烈变化的特征最为显著。2013年岷县漳县6.6级地震发生在重力变化高梯度带拐弯的地区,也是面压缩率变化过渡带和垂直形变过渡带地区。4)文中第一作者等曾基于该区地壳形变资料在岷县、门源地震前做过一定程度的中期预测,尤其是地点预测。基于上述认识,进而强调在研究区形成的一些地壳形变异常部位可能仍存在中长期强震/大震危险背景。     

基于台阵的青藏高原东北缘海原-六盘山断裂带及邻区地壳结构研究

通过收集青藏高原东北缘海原-六盘山断裂带及邻区的喜马拉雅地震科学台阵112个台站的远震P波资料,并用时域迭代反褶积提取接收函数,用H-k扫描方法得到了各个台站下方的地壳厚度及波速比,且计算了其泊松比。结果表明,在天景山断裂带附近,地壳厚度存在急剧变化的陡变带,该陡变区域最大落差可达14km;研究区内泊松比值存在明显的横向不均一性,但是整体上都沿着GPS观测到的速度场方向递减。据此推测,在青藏高原东北缘可能存在一条以海原-六盘山断裂带为主的小规模的局部物质东流带,由于遇到稳定块体的阻挡,海原-六盘山构造区呈现为典型的挤压构造及持续的地壳缩短,这使得该构造区的地壳相对于研究区其他地区较厚,其青藏高原部分物质东移可能在天景山断裂带附近明显停滞。另外,研究区内的青藏高原东北缘弧形构造区的地壳泊松比陡变区域与5级以上的中强震对应关系较好。研究区的地壳厚度、泊松比变化特点与该区域的GPS速度场、应变场以及构造变形的变化特征有较好的对应关系。     

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。     

深地震反射剖面揭示的海原断裂带深部几何形态与地壳形变

由于活动的青藏高原不断的隆升和推挤作用,在西南向东北的推挤作用和周缘块体的阻挡以及东北缘内部块体挤压形变的作用下,形成了多个走向不同的青藏高原东北缘构造体系.新生代构造变形和地震活动强烈,区内分布多条大型深断裂带.海原断裂是青藏高原东北缘发育的弧形活动断裂带中规模最大、活动最为强烈的一条左旋走滑型断裂带,是重要的大地构造区边界,也是控制现今强震活动的活断层.本文利用2009年完成的高分辨率深地震反射剖面的北段资料,对其进行初步构造解释,揭示出海原断裂带的深部几何形态和其两侧地壳上地幔细结构.结果显示海原断裂并不是简单的陡立或者较缓,其几何形态随着深度变化.在海原断裂之下的Moho并未错断的反射特征显示海原断裂并不是直接错断莫霍面的超壳断裂.海原断裂带及两侧岩石圈结构和构造样式的研究为探讨青藏高原东北缘岩石圈变形机制提供地震学依据.     

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.     

基于GPS数据的海原-六盘山断裂带滑动速率亏损时空分布

利用青藏高原东北缘及周缘地区1999—2007年和2009—2014年2个时段的GPS水平运动速度场做约束,反演获取了海原-六盘山断裂带的闭锁程度和滑动速率亏损的时空分布演化。结果表明,海原断裂带以左旋走滑亏损为主,六盘山断裂北段以逆冲倾滑速率亏损为主,南段则以正向倾滑为主。其中,毛毛山断裂和老虎断裂西段在2个时段的闭锁深度都达到25km,最大左旋滑动亏损为6mm/a。老虎山东段和海原断裂(狭义)闭锁程度低,主要处于蠕滑状态。六盘山断裂2个时段的闭锁深度可达35km,最大逆冲滑动速率亏损为2mm/a。汶川地震后,六盘山断裂上逆冲滑动速率亏损高值区由中段迁移至北段且范围减小,南段则变成正倾滑速率亏损。毛毛山、老虎山西段和六盘山断裂的地震危险性要明显高于海原-六盘山断裂带其他断层段。     

六盘山断裂带的地震构造特征与强震危险背景

集成活动构造与震源机制解、重新定位小震分布、历史与现今地震、GPS速度场等资料,综合分析了六盘山断裂带的构造动力学条件与变形方式、横剖面构造、历史强震破裂背景、GPS形变以及现代地震活动性,进而探讨了该断裂带的强震危险背景.结果表明：NNW向六盘山断裂带的运动与变形主要缘于青藏地块东北缘的向东水平挤出受到相对稳定的华北地块西缘（鄂尔多斯地块）阻挡而聚集的水平挤压作用;此外,海原和陇县-宝鸡两条NW向走滑断裂带的左旋运动在右阶区的局部会聚作用,也由六盘山断裂带的变形与运动来承受与转换.横剖面上,六盘山断裂带表现为向东推覆的大型逆冲构造带,主滑脱带位于~25 km深处,之下很可能存在分隔青藏与华北地块的超壳-岩石圈型深断裂带.沿六盘山断裂带中-南段以及更靠南东的陇县-宝鸡断裂带存在总长为120~140 km、至少最近~1400年未发生M ≥ 6½强震破裂的地震空区.地震空区内的断裂,GPS形变显示已有显著应变积累,地震活动上出现为小震稀疏或空缺的部位,以及低b值区,反映那里的断面业已闭锁,并已有高应力积累.因此,六盘山断裂带中-南段和陇县-宝鸡断裂带应是未来可能发生强震/大地震的两个危险地段,潜在地震的最大矩震级估值分别为M_W=7.3±和7.2±.     

青藏高原东北缘主要断裂闭锁特征和滑动亏损研究

利用1999—2015年GPS水平速度场, 基于块体-位错模型, 反演了青藏高原东北缘4条主要断裂(海原断裂, 六盘山断裂, 陇县—宝鸡断裂, 西秦岭北缘断裂)的闭锁程度和滑动亏损速率的空间分布, 并分析了各断裂的地震危险性。 结果显示, 六盘山断裂南段、 陇县-宝鸡断裂北段、 西秦岭北缘断裂东段闭锁程度最强, 闭锁深度达到24 km左右; 西秦岭北缘断裂东段滑动亏损速率最大, 平均值达到3 mm/a; 六盘山断裂南段、 陇县—宝鸡断裂北段滑动亏损速率平均值达到1.9 mm/a, 稍弱于西秦岭北缘断裂东段; 海原断裂闭锁程度和滑动亏损速率相对较小, 闭锁程度和滑动亏损都仅分布在浅部。 我们认为现阶段海原断裂的地震危险性相对较小, 六盘山断裂南段、 陇县—宝鸡北段、 西秦岭北缘断裂东段地震危险性高于这些断裂的其他段落。 这些结果对于青藏高原东北缘地震危险性判定和地震灾害评估具有参考意义。     

时序InSAR断层活动性观测研究进展及若干问题探讨

基于大量SAR数据的时序InSAR技术已被广泛应用于断裂带震间长期缓慢地壳形变的观测研究,文中对现有多种时序InSAR方法(如Stacking,PSInSAR,SBAS等)的基本原理和技术特点进行了概括总结。采用PSInSAR技术,利用2003—2010年的17景降轨ENVISAT/ASAR数据,在海原断裂带中段开展了震间地壳形变观测的实验研究,获得了海原断裂中段的跨断层InSAR形变速率场整体图像,显示了约5mm/a的左旋走滑运动速率,与GPS和地质学研究基本一致。在此基础上,对时序InSAR断层活动性观测研究中的若干问题,如LOS形变速率与目标断层走向的关系、LOS形变速率与跨断层观测宽度的关系、LOS形变速率与GPS等其他形变速率的关系以及LOS形变速率场揭示的断层相互作用及断层滑动方式等进行了分析探讨。这些将为进一步推进InSAR构造变形监测研究提供参考。     

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.     

海原弧形构造区地壳三维精细速度结构成像

利用海原弧形构造区及周围区域地震台网1970—2015年期间记录的天然地震到时数据,采用双差地震层析成像方法对构造区地壳三维速度结构与地震震源位置进行联合反演,获得了高分辨率的三维V_P、V_S以及V_P/V_S模型,分析讨论了速度、波速比分布与强震发生以及断裂等之间的关系.结果显示：研究区域内地震主要沿断裂呈弧状展布,速度在横向分布上具有较大的差异,波速比变化范围为1.60~1.80,平均值约为1.70.大型断裂诸如海原—六盘山断裂带、青铜峡—固原断裂带等位于高速与低速的过渡带,断裂两侧地震波速差异较大.研究区内历史强震多处于高低速过渡区域,海原强震下方下地壳存在低速、高导薄弱层（25~30 km深度）,推测原因主要为流体作用所致.依据相对较低的速度与波速比分布推测研究区地壳主要组成成分为酸性的长英质.速度剖面显示地壳可分为上、下两层,上、下地壳厚度变化由西南向东北逐渐减薄,减薄幅度相近;结合前人研究结果推测构造区地壳增厚模式可能主要为上、下地壳共同增厚.     

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。     

青藏高原东北缘六盘山构造带及邻域的动力学响应数值模拟

青藏高原东北缘地区是青藏高原向北东方向扩展的前缘部位,也是探索青藏高原深层动力过程的重点区域.本文基于该区已有的地球物理探测工作,构建了横跨青藏高原东北部块体、六盘山构造带和鄂尔多斯盆地的二维剖面的数值模型,采用黏弹性数值模型对竖直向重力场展布对其构造演化过程及动力学响应进行了探讨.研究结果表明:(1)深部竖直向异常重力场特征导致了复杂的垂向动力学响应变化,造成了深部物质的复杂运移,而印度板块向北运动的挤压推力依然是青藏高原东北部—鄂尔多斯盆地深部动力学响应的主导因素.(2)流变结构及应变能的计算结果证明,在六盘山构造带地壳内能量最为聚集的地方与海原地震的深度大致相当,而青藏高原东北部地域与六盘山构造带的物性结构、形变速率、升降幅度等方面的差异,亦是造成低速层边界岩石破裂,且导致海原强震发生的主要原因.(3)在青藏高原东北部—鄂尔多斯构造区域的特异流变性结构,并不利于下地壳物质的流动.     

近年来南北地震带北段地壳运动特征

南北地震带北段构造活动强烈,强震频发。近年来地震活动有增强的趋势,震防形势严峻。利用GPS速度场、跨断层速度剖面以及基准站基线时间序列数据,分析了近年来南北地震带北段地壳运动的动态特征。结果表明,祁连山断裂具有较高的应变积累;六盘山断裂存在闭锁,静宁、平凉、陇西以及定西地区闭锁程度较深;2004—2009年六盘山断裂闭锁程度加深。2009—2013年与1999—2004年、2004—2009年相比,南北地震带北段地壳运动减弱,且呈现出一些特征:1)祁连山断裂—海原断裂—六盘山断裂附近减弱较显著;2)祁连山-海原断裂以北区域较以南区域减弱显著,造成了2009—2013年祁连山断裂挤压逆冲变形增强以及祁连山断裂和海原断裂带左旋剪切变形减弱;3)六盘山断裂西侧50km以西区域较以东区域减弱显著,导致六盘山断裂2009—2013年闭锁范围扩大到断裂带附近100km以内,而此前六盘山断裂的闭锁范围在断裂带附近50km内。GPS基线时间序列分析还显示银川地堑正在持续拉张,且西部拉张强度强于东部。     

青藏高原北部地区构造变形特征及与强震关系

通过对1993～1999、1999～2001年青藏高原北部地区GPS水平运动资料的非震负位错模型反演和形变应变场时空演化分析,结合地质构造和有资料积累以来的强震活动,研究块体及边界带的构造变形特征,以及与强震孕育的关系．结果表明：(1)5级以上,特别是6级左右及6级以上地震多发生在区域应变场剪切应变率或面膨胀率高值区、边缘或其附近,尤其是与区域主干断裂构造运动一致的剪切应变率高值区;形变差异显著的块体边界附近;沿块体边界断裂带的高应变积累的闭锁区段及其附近．(2)1999～2001年较1993～1999年大范围的水平运动速率明显减弱,但应变率的减弱幅度不大,可能揭示昆仑山口西8．1大震孕育对北东向的构造应力传递起了某种“阻隔和调制作用”及太平洋板块的西进作用加强．(3)目前应变场分布高值区、块体间差异运动显著的边界带及高应变积累闭锁段有阿尼玛卿断裂中东段与鄂拉山断裂交汇区、祁连山构造带中东段及与海原断裂西段交汇区、日月山一拉脊山断裂与西秦岭北缘断裂交汇区、庄浪河断裂与西秦岭北缘断裂交汇区、六盘山断裂附近．     

用GPS数据反演海原断裂带断层滑动速率和闭锁深度c

以ldquo;中国地壳运动观测网络rdquo;区域站在海原断裂带附近的所有观测数据及跨断裂GPS剖面观测数据作为约束,用Smith 3-D体力模型反演了海原断裂带断层滑动速率和断层闭锁深度．从西到东断裂共分为5段,采用遗传算法拟合GPS水平运动速度场,拟合残差均方根为1.1mm/a.反演结果为:毛毛山断裂左旋走滑运动速率为3.5mm/a,闭锁深度为22.0km;老虎山断裂左旋走滑速率为6.5mm/a,闭锁深度为１10.3km;海原断裂带西段、中段和东段的滑动速率依次为4.5mm/a、5.6mm/a和5.5mm/a,闭锁深度依次为8.4km、3.6km和4.3km．表明毛毛山断裂左旋走滑运动速率小,闭锁深度大,有利于应变能的积累,使得该断裂及附近地区存在发生强震的背景．      

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。     

青藏高原东北部及邻区快速走滑断层作用的散逸

青藏高原东北部的构造模式、全球定位系统(GPS)速度和第四纪断层的滑动速率表明,自昆仑断裂到东北方向海原断裂的200km宽的横跨带内发生了左旋滑动,地壳有小的缩短与旋转。相关的形变也至少持续了数百千米,海原断裂的北部进入到一个扩散的张性(?)剪切或旋转区,该区之下有平均厚度的地壳。沿昆仑断裂中部的快速、局部滑动转换为下地壳软弱区域横跨500km的分散形变。穿过该区平行于断层的GPS速度分布暗示断层滑动向断层的东端变小,向青藏高原的北部而非以前所提出的东部逐渐散逸。     

用GPS数据反演海原断裂带断层滑动速率和闭锁深度

以"中国地壳运动观测网络"区域站在海原断裂带附近的所有观测数据及跨断裂GPS剖面观测数据作为约束,用Smith 3-D体力模型反演了海原断裂带断层滑动速率和断层闭锁深度.从西到东断裂共分为5段,采用遗传算法拟合GPS水平运动速度场,拟合残差均方根为1.1 mm/a.反演结果为:毛毛山断裂左旋走滑运动速率为3.5 mm/a,闭锁深度为22.0km;老虎山断裂左旋走滑速率为6.5 mm/a,闭锁深度为10.3 km;海原断裂带西段、中段和东段的滑动速率依次为4.5 mm/a、5.6 mm/a和5.5 mm/a,闭锁深度依次为8.4 km、3.6km和4.3 km.表明毛毛山断裂左旋走滑运动速率小,闭锁深度大,有利于应变能的积累,使得该断裂及附近地区存在发生强震的背景.     

南北地震带北段现今运动特征及地震活动性分析

利用1991—2015年GPS数据,研究南北地震带北段现今地壳水平速度场特征,根据区域地壳主应变率、面膨胀率及最大剪应变率的空间变化以及小震分布特征,对研究区主要断层的活动性及地震危险性进行综合分析。结果表明:①区域主应变率和最大剪应变高值区分布在海原断裂弧形构造带附近,香山—天景山断裂和六盘山断裂中南段应变率较低,结合历史地震及离逝时间,认为其可能处于孕震晚期;②海原断裂现今左旋走滑速率为(4±0.5)mm/a,香山—天景山断裂、烟筒山断裂和牛首山断裂活动性较弱,总体显示为逆冲兼走滑的性质;③震源深度剖面显示老虎山断裂、海原断裂南东段小震分布较密集而均匀,海原断裂北西段小震较少,香山—天景山东南段存在一个小震稀疏段,断层可能已经闭锁,未来应重点关注。