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川滇地区强震孕育的深部动力环境研究

马宏生  
【摘要】: 构造地震的成因是国内外地震学家致力于探索的重要问题。许多学者对此进行了大量的探索,归纳起来,可以认为地壳结构与介质显著不均匀的部位是利于应力集中增强和应变能积累而发生大震的场所(震源区)。强震的孕育过程是在区域构造应力场的作用下,周围区域的构造运动与震源区介质非弹性变形相互作用的结果,是现代地壳构造运动的产物和表现。因此区域构造应力场、地壳结构、介质物性等的研究,成为研究地震孕育发生过程的重要内容。 本研究通过对川滇地区地壳上地幔相关介质物性参数研究,如区域P波速度结构、地震横波衰减的空间分布、尾波Q_c值空间分布等,获取川滇地区强震孕育的深部介质信息;通过区域构造应力场横向分块和纵向分层研究,如地壳S波分裂、中强地震震源机制解、GPS应变场和反映岩石形变历史的Pn各向异性以及反映上地幔各向异性的SKS分裂等,获取川滇地区各种物理参数所表征的深部动力学信息;通过构建动力学模型,以有限元数值模拟为工具,剖析不同圈层间的耦合关系,深化对地壳结构、介质物性以及应力应变场等的认识,进而揭示川滇地区强震孕育的深部动力学环境。 根据川滇地区205个区域台站记录的近60000条地震初至P波走时资料,采用层析成像理论与伪弯曲射线追踪方法,反演了川滇地区地壳上地幔的三维P波速度结构。结合区域地质构造以及地球物理背景,分析和解释了三维速度结构图像反映的川滇地区不同深度的介质结构与构造特征。结果表明:1)川滇块体周缘大型活动断裂带附近的中下地壳内普遍存在低速层,其可作为调节断裂和块体运动的深部解耦层;2)根据对P波速度结构图像的分析,识别和推断出川滇地区若干与古板块边界有关的深部构造特征,以及主要活动断裂带的倾向与延伸深度;3)高山山地主要表现出速度负异常的特征,有的负异常可深达下地壳与上地幔,反映了新造山带的强烈构造隆升与相伴的重力均衡作用。 通过震源与速度结构联合反演,利用2000年4月至2006年3月云南和四川区域地震台网给出的初至P波走时资料,确定了川滇地区的三维速度结构,同时获得了川滇地区6642次中小地震的重新定位结果。结果表明:1)川滇地区地震震源平均深度随震级增大而加深的特征明显,地震震级越大,震源深度越深,但震源下界不超过25km;2)在瑞丽-龙陵、丽江-小金河以及龙门山等断裂带以西地区,震源深度偏浅,大多在15km以上,15km深度以下地震稀少;3)川滇地区中小地震分布具有与强震相同的地壳深部介质背景,震源大多分布于正负异常过渡区的速度相对较高一侧,而其下方主要为低速异常分布。 利用由149个台站记录的中国地震年报、四川和云南区域地震台网观测报告的5897个近震的27530条横波振幅与周期资料,反演得到川滇地区及周边(大致为南北地震带及邻近地区)的地壳衰减Q_0值(频率为1Hz时的Q值)空间分布图像。结果表明:川滇及周边地区的地壳横波衰减Q_0值在200~600范围内变化,平均值为400,横向变化显著。在川西-滇西北-保山地区、云贵交界-昆明-思茅地区以及海原-祁连、汾渭和东昆仑等活动块体边界带的Q_0值明显较低,这些地区地震和构造活动相对活跃;而构造相对稳定的四川盆地、马尔康块体、桂西滇东断块以及鄂尔多斯等地区的Q_0值则明显较高。 利用云南地区22个区域数字地震台站记录到的,自1999年下半年至2003年年底的5668个地震的数字波形资料,采用Sato单次散射模型,计算了各台站周围50公里内的1371条地震记录的尾波Q_c。依据Q_0和η的不同,将得到的Q_c进行分类。其分类结果显示云南地区的介质结构具有区域性分布特征,而且可以从地质构造、地震活动,以及大地热流分布等方面对其予以初步解释。总体来说,在构造复杂、活动强烈的滇中块体及其周边变形带上的Q_c值显著小于构造活动一般的其它区域;就地震活动性而言,高Q_c值的地方,通常没有地震发生或者仅仅发生较低震级的地震,而低Q_c值的地方则有较大地震发生;此外,云南地区的Q_c值的分布与大地热流分布也有负的对应关系,即高热流区域的Q_c值低,低热流区域的Q_c值高。 利用云南及邻区遥测台网记录到的6361条近震数据,采用互相关系数法计算16个台站共64条S波分裂事件,同时收集了8个序列的S波分裂研究结果,初步给出了云南及邻区横波分裂的分布特征;应用哈佛大学给出的43个中强震震源机制解,利用其P轴方位角平均结果,给出了云南及邻区3个主要分区地壳应力场的最大主压应力方位;根据“中国地壳运动观测网络”基本网1999~2004年的观测资料,按观测点给出了云南及邻区的主应变率分布;此外,还搜集到云南及邻区的SKS分裂结果和Pn波各向异性资料。通过研究发现:1)云南及邻近地区不同分区(滇中块体、滇西南、滇西北)具有不同的地震动力学特征(同类动力学参量方位存在差别、不同动力学参量之间耦合程度不同);2)各类地震动力学参量所反映的力学行为随深度而变化,具有明显的分层特性;3)由各分区地震动力学参量之间的耦合程度,似可显示出块体的分类特征(地壳型块体和岩石圈型块体);4)由于各块体间存在横向与纵向的动力作用差异,导致块体边界及其附近地区成为强震孕育和发生的最主要场所。 在前人工作基础上,基于多学科的新研究成果,综合考虑活动地块构造、三维波速结构、大地测量、地震活动性等多种因素,建立了川滇地区的三维动力学模型。利用GPS观测资料,确定川滇地区有限元模型的边界位移速率,结合SKS各向异性资料确定上地幔顶部物质流动方式,模拟给出川滇地区地壳运动速度场图像,确定边界约束与底部拖曳力在川滇地区运动学及动力学研究中所起的作用。研究结果表明:川滇地区整体绕喜玛拉雅东构造结旋转的GPS速度场特征主要受区域的边界动力作用控制,川滇地区中上地壳的应力场(震源机制解)分布特征同样受其区域的边界动力作用控制;川滇地区上地幔对地壳运动可能存在拖曳作用,且在北纬26°以南地区存在向西拖曳的可能性较大;在考虑川滇地区介质特性具有粘弹性时,滇中块体及其周边(100.9°-103.4°E,22.9°-27.6°N)地壳出现上下层应力场解耦现象,区域内其他块体则上下耦合较强,表明川滇地区下地壳物质的流变强度在横向分区上存在差异可能是导致纵向应力场出现横向分区差异的主要原因。 通过以上较系统的研究,可以得到的总体认识是:地壳介质在结构、物性和动力作用等方面的非均匀性,特别是下地壳、上地幔介质的流变特性,和上地幔顶部对于地壳拖曳的深部动力作用等因素,是川滇地区强震孕育发生最为重要的深部动力学环境。


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