柔性下地壳在构造动力学中的作用——以青藏高原东缘与华北盆地为例

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青藏高原是我国板内地震多发地区,华北盆地是我国东部人口密集区域内的地震活动地区,这些区域都有复杂的地质构造及演化历史。在过去30年中,在这些地区开展的空间大地测量、地震震源定位与震源机制分析,高分辨率地震层析,地震广角反射,地震接收函数工作,和岩石圈流变结构研究取得了该地区大量宝贵的地球物理资料。不同方面的研究成果均表明这两个区域的岩石圈流变结构较为复杂,区域内下地壳的粘滞系数相对较低,以韧性变形为主导。为探讨这两个区域的地震发生机理,分析构造应力积累与区域内的地震空间分布之间的关系,我们分别建立了青藏高原东缘龙门山地区和华北盆地区域的岩石圈三维粘弹性有限元模型,数值模拟了青藏高原东缘与华北盆地岩石圈的构造应力积累与地壳形变过程,以讨论柔性下地壳在区域构造动力学过程的影响与作用。  对于青藏高原东缘而言,2008年5月12日在低地形变速率的龙门山断裂带上突发汶川强震,引发人们对该地震孕震机制的思考。本文根据GPS观测资料确定边界条件,通过高原下方存在低粘滞系数的下地壳的三维粘弹性数值模拟,探讨了汶川地震的孕震机理,计算了该区域岩石圈的应力积累过程和增长速率,以及汶川地震同震应力变化与震后应力松弛,在此基础上估算了汶川Ms8.0级大地震的复发周期。数值模拟结果表明:印度板块对欧亚板块的推挤造成青藏高原的物质东向运动,在龙门山断裂带下方遭到相对坚硬的四川盆地的阻挡,由于高原柔性中、下地壳的存在,造成了高原一侧上地壳的应力集中、特别是龙门山断裂带的应力高度集中;这一物质运动过程也造成了龙门山区域相对四川盆地的强烈的垂直差异变形。两个重要因素为应力集中提供了重要控制作用:其一是青藏高原中、下地壳相对较低的粘滞系数与四川盆地中、下地壳相对较高的粘滞系数的差异,其二是从青藏高原到四川盆地的Moho面深度在龙门山断裂带的突变。在时间上,龙门山断裂带岩石圈在数千年时间尺度的应力积累过程中,脆性上地壳的应力随时间近乎线性增长,并且上地壳深部的应力增长率超过浅部,垂直于断裂带的压应力增长速率达到-3.6KPa/a;而柔性的中、下地壳以及岩石圈上地幔的应力在均匀的边界位移条件下,增长一段时间之后会趋于稳定。在空间上,应力积累速率在青藏高原上地壳远远高于四川盆地上地壳,而应力积累速率最大值则位于龙门山断裂带。该应力积累状态解释了青藏高原东缘地震横向空间分布特征:青藏高原东部有若干大地震纪录,且中小地震频繁发生,最大地震(汶川Ms8.0地震)在龙门山断裂带,而四川盆地内地震鲜见发生。并且,龙门山断裂带受到的压应力从断层西南向北东方向逐渐减小,而剪应力从西南到北东方向逐渐增大,该应力状态有利于地震发生时断层的破裂方式从西南的逆冲运动向北东的逆冲兼走滑运动的方式发展。通过计算应力积累到该次地震的应力降所需要的时间,估计汶川Ms8.0级大地震的复发周期约为5400年。  对于华北盆地而言,华北盆地为我国东部人口密集区内的板内地震多发区域,历史以来相继发生多次破坏性大地震。前人地震勘探与震源定位结果揭示了华北地震的空间分布特征:横向上,华北地震基本发生在地壳的薄弱地带(Moho面上隆),或者地壳厚度的急剧变化带;纵向上,华北地震在地壳一定深度范围内呈现成层分布特征;主震一般在上地壳底部9-15km深度范围,余震多发生在大约深5-25km的上地壳与中地壳范围内,在中地壳下层与下地壳中仅有少量或者鲜见有余震发生。为研究解释华北盆地地震空间分布的以上特征,本文建立了华北盆地岩石圈三维粘弹性有限元模型;震源机制和GPS反映华北盆地处于NNE最大主压应力方向挤压,因此对模型边界施以恒定的位移速率边界条件;数值模拟华北岩石圈各层位在数百年以上长期匀速构造挤压作用下的应力积累特征,分析了华北地震空间分布与构造应力积累速率的关系,探讨了地壳结构与地壳分层流变性质对地壳应力积累的影响。计算结果表明,Moho面的隆起与低粘滞系数的下地壳的存在是华北盆地地震孕育的重要因素。华北盆地在构造挤压的持续作用下,Moho面隆起处产生明显应力集中现象。该区域构造应力在长时期的积累过程中,在脆性的上地壳与中地壳上层,应力表现近于线性增长趋势,上地壳底部较其它深度有最大的应力增长率,主震可以在应力积累至岩石破裂强度时发生;在脆、韧性转换的中地壳下层,应力增长速率次之,华北地震的大部分余震可能在该层位为主震所触发;而在柔性的下地壳应力增长近于指数形式,稳定状态之后其应力增长速率近于零。地壳各层位的应力增长率差异与地震成层分布的现象揭示了华北地壳的分层流变性质:脆性(上地壳)-较弱脆性(中地壳上层)-较弱韧性(中地壳下层)-较强韧性(下地壳)-韧性(岩石圈上地幔)的分层结构。
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