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。     

青藏高原东北缘地震时空迁移的有限元数值模拟

地震在大陆内部断层系统中的时空迁移和丛集的基本力学机制一直是地球科学家关注的重要问题.青藏高原东北缘地震活动频繁,其地震时空迁移和地震丛集现象显著,是研究这个问题的重要区域.我们建立了一个三维黏弹塑性有限元模型,模拟了青藏高原东北缘主要活动断层系统的地震循环和地震时空迁移;计算了断层系统的应力演化;并探讨了断层之间的相互作用及地震时空迁移和地震丛集的原因.模拟结果显示断层之间的相互作用通过增加或降低断层上的库仑应力,加速或延缓了地震发生,使得区域地震可以在短时间内集中发生,从而形成地震丛集;另外,区域经过多个地震循环的长期演化,一些孕震断层上的应力状态恰好都达到屈服的临界状态附近,从而也可以导致这些断层上的地震在短期内集中发生,因此产生地震丛集和地震迁移.我们发现当区域经历地震丛集之后,该区域的应力大大释放,区域进入地震平静期;随着构造加载的持续,区域应力逐渐恢复,为下一次地震丛集或地震序列累积应力和能量;上述过程可以重复发生.因此地震丛集期与平静期交替出现.我们还统计了各个断层的大地震相互迁移的模拟结果,结果显示青藏高原东北缘下一次大地震有很大的概率会发生在海原断层上.     

2016年以来门源2次6级地震的应力触发及其对祁连—海原断裂带地震危险性的指示

祁连—海原断裂带是青藏高原东北缘的边界断裂带,调节着青藏高原北东向的推挤和阿拉善地块的东向运动.前人动力学模拟指出,该断层有效摩擦系数可低至0.05,远小于通常在库仑应力计算及相关地震危险性分析中采用的0.4.本文基于库仑应力理论讨论了2016年门源6.4级对2022年门源6.9级地震的应力触发,并讨论了其对青藏高原东北缘地震危险性的指示意义.结果显示：随着有效摩擦系数降低,断层面最大库仑应力加载可达0.013 MPa,表明2016年门源6.4级地震可以增加2022年门源6.9级地震震源区的地震危险性.库仑应力随着有效摩擦系数的降低而增加,暗示祁连—海原断裂带的低有效摩擦系数可以促进2016年门源6.4级地震对2022年门源6.9级地震的应力触发.本文同时给出了祁连—海原断裂带两个库仑应力增强的区域,即西段的托莱山断裂和中段的天祝空段,这两个区域同时也是历史大震破裂空段和断层高闭锁段,预示着这两个断层段未来地震危险性高,值得进一步关注.     

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.     

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.     

九寨沟M_S7.0地震对巴颜喀拉块体东北缘活动断裂影响的有限元模拟

在详细调研地震地质资料的基础上,构建了巴颜喀拉地块东北缘三维有限元模型。以九寨沟M_S7.0地震同震位错为荷载,模拟计算了九寨沟地震的发生对巴颜喀拉块体东北缘主要活动断裂加卸载效应的影响。模拟结果显示,九寨沟地震的发生对龙日坝断裂、虎牙断裂、青川-平武断裂西段、迭部-白龙江断裂西段和东段、临潭-宕昌断裂东段,以及处于甘青川交界危险区内的东昆仑断裂东段、塔藏断裂西段,处于六盘山南-西秦岭东危险区的西秦岭北缘断裂东段表现为库仑应力加载;对岷江断裂、塔藏断裂东段库仑应力卸载效应显著。     

青藏高原北缘海原、古浪、昌马大地震间相互作用的动力学分析

基于Coulomb静应力变化的概念，研究了青藏高原北缘的海原（1920年2月,M=8.5）、古浪（1927年5月,M=8.0）和昌马（1932年12月,M=7.6）3次大地震之间的相互关系。结果表明，海原大地震发生可能诱发古浪大地震提前16～44a发生；而昌马地震发生可能不受海原和古浪地震诱发静应力变化的影响。     

祁连—海原断裂带强震库仑应力演化特征研究

研究祁连—海原断裂带及其附近区域自1920年海原M_S8.5地震后至今发生的6次M_S≥7.0强震间的相互触发关系,基于Burgers体构建粘弹性介质模型,模拟同震和震后库仑应力的演化过程;进一步针对祁连山北缘断裂带、西秦岭北缘断裂带及六盘山断裂带3条主要断裂带,分别计算自1920年至今6次强震在这3条断裂带上近百年尺度的应力累积。结果表明:1927年古浪M_S8.0地震受到1920年海原M_S8.5地震同震和震后库仑应力的共同加载,1954年民勤M_S7.0地震和1990年共和M_S7.0地震均受到之前发生强震的库仑应力的累积加载影响;西秦岭北缘断裂位于6次强震震后的综合累积应力卸载区,六盘山断裂带则位于累积应力加载区。研究强震间库仑应力演化特征及其对周围断裂带的较长时间尺度的累积影响,需要合理考虑粘弹性松弛效应下的震后库仑应力的累积作用,也可结合地震活动性进一步为明确危险断层段提供合理的参考。     

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.     

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。     

干盐池拉分盆地盆内新生断层大地震记录与海原断裂带级联破裂地震事件

沿大型走滑断裂带经常发生导致多个断层段同时破裂的级联破裂地震事件。海原断裂带在1920年海原M 8地震时3个段同时发生破裂,干盐池拉分盆地即为其西段和中段的分段边界。沿该盆地内新生断层的古地震研究揭示了晚更新世末期以来的至少7次古地震事件证据,最新1次事件为1920年海原地震,1920年海原地震之前的1次事件可能与1092年历史地震对应。对比分析表明,这些事件可能均为超过8级的大地震,其复发呈现地震丛集与单个事件相间排列的规律,当前可能处于最近的1个地震丛集期内。该古地震序列与整个海原断裂带的大地震活动历史的对比表明,干盐池拉分盆地内新生断层在级联破裂地震事件发生时并非总是同时破裂,该断层是否参与破裂可能与该次级联破裂事件的震级大小有关。讨论整个走滑断裂带大地震活动历史时应避免仅依据具有一定规模的拉分盆地内部断层的破裂记录。     

联合GPS和InSAR研究海原-六盘山断裂现今的地壳变形特征

海原—六盘山构造区为青藏高原东北部构造变形最为显著的区域之一,历史强震活动频繁,是研究青藏高原NE向扩展的重要窗口和地震孕育过程的理想场所。文中处理了跨海原-六盘山断裂2014—2020年期间2个轨道的时序Sentinel-1A/B SAR数据,获得了该区域InSAR视线向现今的地壳形变场。融合公开发表的近十多年时间尺度的水平GPS地壳运动速度场,获得了研究区高密度地壳水平形变场。对比GPS、水准和InSAR观测结果,以及GPS-InSAR融合的高密度水平形变场,分析讨论了该区域的地壳形变、应变场特征及其与构造之间的对应关系。主要结论如下：1)GPS和InSAR观测表明,1920年海原8.5级大地震的震后黏弹性松弛效应在海原断裂南侧至今仍较为明显;2)GPS-InSAR高分辨率水平形变场表明,狭义海原断裂左旋滑动速率的递减主要发生在中东段,而中西段递减并不显著,可能与海原断裂向六盘山断裂之间由左旋走滑向逆冲推覆构造转换有关;3)六盘山断裂中—南段的地壳垂直形变和水平形变场特征均显示,该段断裂可能处于强震孕育的中晚期,根据反演得到的断层运动参数和地震地质资料,估算六盘山断裂中—南段发生强...     

2015年尼泊尔M_W7.9地震对青藏高原活动断裂同震、震后应力影响

2015年尼泊尔MW7.9地震重烈度区从震中向东延伸,致灾范围包括尼泊尔、印度北部、巴基斯坦、孟加拉和中国藏南地区,其应力调整对邻区和周边活动断裂可能产生重要影响.本文基于地震应力触发理论,采用岩石圈地壳分层黏弹性位错模型,计算了尼泊尔MW7.9地震引起的周边断裂,特别是青藏高原活动断裂的同震和震后库仑应力变化.结果显示,尼泊尔地震同震效应引起大部分震区库仑应力升高,余震主要分布在最大同震滑动等值线外部库仑应力升高区域;少量余震靠近最大滑动量区域,可能该区域积累的地震能量在主震期间没有完全释放.尼泊尔地震同震库仑应力对青藏高原,特别是中尼边境区域活动断裂有一定影响.亚东—谷露地堑南段、北喜马拉雅断裂西段、当惹雍错—定日断裂和甲岗—定结断裂同震库仑应力升高,其中当惹雍错—定日断裂南端,北喜马拉雅断裂西段同震库仑应力变化峰值超过0.01 MPa;帕龙错断裂、班公错断裂、改则—洞措断裂库仑应力降低,其地震发生概率有所降低.震后应力影响方面,未来40年内黏弹性松弛作用导致北喜马拉雅断裂、改则—洞措断裂和喀喇昆仑断裂整体应力卸载;藏南一系列正断层震后应力持续上升,其中帕龙错断裂南段受到震后黏弹性库仑应力影响,由应力阴影区逐渐转化为应力增强区,当惹雍错—定日断裂南段应力进一步加强,震后40年其南端应力变化峰值达到0.1345 MPa,亚东—谷露断裂南段应力亦持续增强.藏南正断层的地震活动性值得进一步关注.     

青藏高原东北缘与主要断裂带相关的构造应力率和应变率场的数值模拟

新生代以来,青藏高原东北缘发育了一系列大型走滑和逆冲断裂,构造活动强烈,大震发生频繁.这些主要断裂如何影响区域构造应力、应变场的分配及地震危险性一直没得到充分探讨.本文建立了三维黏弹性有限元数值模型,计算了该地区在现今构造加载作用下的地壳应力率场和应变率场.结果显示,受阿拉善块体和鄂尔多斯块体的阻挡,青藏高原东北缘水平主压应力率及水平主压应变率的方向整体呈顺时针旋转,这种旋转在东南方向更为显著.区域整体以北东-南西向的水平主压应力率为主,并伴随有北西-南东向水平引张应力率.模型0km深度处水平主压应变率的最大值在东昆仑断裂附近,约为4×10-8a-1;在稳定的阿拉善块体和鄂尔多斯块体内部较小,约为1×10-8a-1.计算得到的区域应力状态和实际震源机制解具有较好的一致性,表明青藏高原东北缘以走滑和逆冲型应力场为主.阿尔金断裂带、东昆仑断裂以及海原断裂均表现为最大剪应变率向东逐渐减小,并且最大剪应变率值的减小被其端部的造山隆起和地壳缩短所吸收.在阿尔金断裂的西段、东昆仑断裂的西段到中段,以及海原断裂的西段到中段,未来有较高的地震危险性.     

松潘-甘孜块体东北端强震间相互作用及地震危险性研究

松潘-甘孜块体位于中国大陆西南部、南北地震带的中段,其东段与扬子块体相接,拥有多条活动断裂带,是青藏高原北部的主要构造单元.该地区地震活动性强烈,历史上曾发生过多次灾难性地震.本文基于地震触发原理和黏弹松弛分层地壳模型,计算了松潘-甘孜块体东北端历史强震之间应力传输和相互作用的过程.模型结果显示,受之前地震导致的库仑应力场变化的影响,1879年武都地震和1976年8月23日松潘M7.2级地震震中库仑应力积累提升,将促进这些地震提前发生;1933年M7.5叠溪地震和1973年M6.5松潘地震震中库仑应力降低,前续地震的影响可能使得这两次地震的发震时间推迟;在研究历史地震对1960年漳腊M6.7级地震、1976年8月16日M7.2级和1976年8月22日M6.7级松潘地震的作用时,有效摩擦系数的取值十分重要,当有效摩擦系数取0.8时,前续地震导致的应力场变化将促进以上三次地震的发生.松潘-甘孜块体东北端的强震活动有效地增强了西秦岭北缘断裂、东昆仑断裂玛沁-玛曲段、鲜水河断裂康定-道孚段和岷江断裂中段上的库仑应力积累,将提升这些断裂今后发生地震的概率;有效降低了龙日坝断裂上库仑应力的积累,降低了该断层上发生地震的概率.松潘-甘孜块体的地震活动降低了汶川地震震中位置的库仑破裂应力,但提升了破裂面东北段的应力积累,有助于汶川地震向东北端破裂.     

Earthquake stress interaction in the northeastern Songpan-Garz(e) block and its implication for earthquake hazard

松潘—甘孜块体位于中国大陆西南部、南北地震带的中段,其东段与扬子块体相接,拥有多条活动断裂带,是青藏高原北部的主要构造单元.该地区地震活动性强烈,历史上曾发生过多次灾难性地震.本文基于地震触发原理和黏弹松弛分层地壳模型,计算了松潘—甘孜块体东北端历史强震之间应力传输和相互作用的过程.模型结果显示,受之前地震导致的库仑应力场变化的影响,1879年武都地震和1976年8月23日松潘M7.2级地震震中库仑应力积累提升,将促进这些地震提前发生;1933年M7.5叠溪地震和1973年M6.5松潘地震震中库仑应力降低,前续地震的影响可能使得这两次地震的发震时间推迟;在研究历史地震对1960年漳腊M6.7级地震、1976年8月16日M7.2级和1976年8月22日M6.7级松潘地震的作用时,有效摩擦系数的取值十分重要,当有效摩擦系数取0.8时,前续地震导致的应力场变化将促进以上三次地震的发生.松潘—甘孜块体东北端的强震活动有效地增强了西秦岭北缘断裂、东昆仑断裂玛沁—玛曲段、鲜水河断裂康定—道孚段和岷江断裂中段上的库仑应力积累,将提升这些断裂今后发生地震的概率;有效降低了龙日坝断裂上库仑应力的积累,降低了该断层上发生地震的概率.松潘—甘孜块体的地震活动降低了汶川地震震中位置的库仑破裂应力,但提升了破裂面东北段的应力积累,有助于汶川地震向东北端破裂.     

青藏高原北缘海原、古浪、冒马大地震间相互作用的动力学分析

基于Coulomb静应力变化的概念，研究了青藏高原北缘的海原（1920年2月，M＝8．5）、古浪（1927年5月，M＝8．0）和昌马（1932年12月，M＝7．6）3次大地震之间的相互关系。结果表明，海原大地震发生可能诱发古浪大地震提前16－44a发生；而昌马地震发生可能不受海原和古浪地震诱发静应力变化的影响。     

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.     

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。