壳-幔结构比值与地震活动

毛桐恩1, 姚家榴2

毛桐恩1, 姚家榴2. 1994: 壳-幔结构比值与地震活动. 地震学报, 16(4): 495-503.
引用本文: 毛桐恩1, 姚家榴2. 1994: 壳-幔结构比值与地震活动. 地震学报, 16(4): 495-503.

壳-幔结构比值与地震活动

  • 摘要: 本文首先研究分析了我国大陆东部(105E以东)不同构造块体以及构造块体内的不同部位的地震活动度的差异和特征, 进而从板块内部和深部探讨了造成这种差异的壳-幔结构因素;计算了不同块体的地壳厚度与岩石圈厚度之比, 即壳-幔结构比R值。发现R值的大小与地震活动度明显相关, R值的内涵标志着板内壳-幔的物质运动状况, 及其壳-幔间通过对流和侵入达到交换能量和物质的相互作用的程度。
  • 据中国地震台网测定,北京时间2014年2月12日,在新疆维吾尔自治区和田地区于田县(36.1°N,82.5°E)发生MS7.3地震. 此次地震的发震构造初步确定为阿尔金断裂带西南段的北东向左旋走滑正断层(徐锡伟,于贵华,2014); 据USGS(2014)显示,本次地震的矩震级为MW6.9,震源深度为10(±1.7)km,为走滑型地震. 在距离此次地震约100 km处,2008年3月21日曾发生MS7.3地震,震源深度12 km(USGS,2008). 通过地表变形调查(徐锡伟等,2011)、 干涉测量方式提取同震形变场(洪顺英等,2010)、 发震构造和震前地震活动(李志海等,2009)以及震源机制解( Global Centroid Moment Tensor,2008)等研究表明,2008年于田地震的破裂方式以拉张为主,兼有少量的左旋走滑分量. 因此,对于2008年于田(拉张型)地震对2014年于田(走滑型)地震的影响,以及2014年于田地震前的地壳变形特征等问题的研究有利于加深对此次于田地震发震机理的认识.

    针对上述问题,本文首先利用中国地壳运动观测网络1999—2007年和2009—2013年两期的GPS速度场资料,分析区域速度场动态特征; 然后利用最小二乘配置方法(武艳强等,2009江在森,刘经南,2010Wu et al,2011)求解应变参数,以分析2014年于田地震前区域地壳变形动态特征; 进而通过数据覆盖较为密集的2009—2013年GPS速度剖面结果分析与此次于田地震相关的构造变形特征; 最后讨论两次于田地震的关系.

    为了分析2014年于田MS7.3地震前的地壳变形特征,图 1给出了中国地壳观测网络1999—2007年和2009—2013年两期GPS速度场结果,两期GPS速度场解算共用到了1999,2001,2004,2007,2009,2011和2013年的观测数据(每期每点观测3天以上). 解算按以下步骤进行: 首先采用GAMIT软件(Herring et al, 2006ab)解算每期区域网、 连续站、 中国大陆周边IGS站的测站坐标和卫星轨道的单日松弛解; 然后利用QOCA软件融合上述GPS站点的单日松弛解,平差得到国际地球参考框架下的GPS速度场(Dong et al,1998武艳强等,2012); 最后通过基准变换扣除整体运动,得到中国大陆参考基准的速度场.

    图  1  新疆及周边地区1999—2007年(a)与2009—2013年(b)GPS速度场结果
    Figure  1.  GPS velocity fields in Xinjiang and its adjacent areas during 1999—2007 (a) and 2009—2013 (b)

    从两期的GPS速度场图像可以看出,受兴都库什—帕米尔构造结直接动力作用影响,新疆天山地区的地壳变形特征均表现为由南向北缩短,相对运动速率表现为由南向北、 由西向东逐渐减小. 该现象表明板块作用力随着远离板块边界,推挤力逐渐减弱. 整个区域的整体变形特征与前人的研究成果(王琪等,2000王晓强等,2005牛之俊等,2007杨少敏等,2008)相一致,因此最新GPS速度场结果在一定程度上反映了地壳变形具有长期稳定性和继承性. 另外,从测点分布较为密集的图 1b中可看出,2014年于田地震震源区的左旋剪切变形东侧明显大于西侧,表明此次地震发生在左旋剪切变形由快转慢的过渡地区.

    依据上述两期GPS速度场资料,利用最小二乘配置方法求解区域应变率参数,给出面应变率和主应变率的动态演化结果(图 2). 2008年于田MS7.3地震前,震源区域位于面应变率拉张—挤压的过渡地带. 主应变率的分布结果表明,震源区周边的北西向拉张变形自西向东呈衰减变化的特征,该应变率分布有利于近NS向构造发生正剪切破裂(图 2a). 2009—2013年面应变率结果表明,2008年于田地震(正断层发震)震源区WNW向变形幅度明显大于前一期,但其影响范围有限,在震源区周边呈现空间分布不均匀的特征. 该现象表明2008年于田地震的发生有利于增强柴达木—巴彦喀拉地块的东向运动,并且面应变率结果表明2014年于田MS7.3地震震中仍处于拉张与挤压变形的过渡地带,有利于阿尔金断裂带左旋走滑型地震的孕育(图 2b).

    图  2  1999—2007年(a)与2009—2013年(b)区域面应变率和主应变率结果
    Figure  2.  Plane strain rate and principal strain rate results in Xinjiang and its adjacent areas during 1999—2007 (a) and 2009—2013 (b)

    最大剪应变率动态演化结果(图 3)表明,两次于田地震均位于最大剪应变率由高值到低值的过渡地区. 江在森等(2003)研究表明,与主断裂的构造活动背景相一致的剪应变率高值区或边缘区容易发生大地震. 由于2008年于田地震的发震构造为近NS向拉张性断裂,该区最大剪应变率分布特征与主震破裂方式关系不大. 两期动态演化结果均表明,震源区附近最大剪应变率维持较高水平,2008年于田地震并没有减缓该区剪切变形的积累. 根据两次于田地震震源机制分析认为,随着2008年于田地震张性破裂(带有少量剪切)的发生及震后的影响,震中及周边区域张性变形加强,进而导致阿尔金断裂带的左旋剪切应变积累增强. 本文认为2008年于田地震可能对2014年于田地震有促进作用.

    图  3  1999—2007年(a)与2009—2013年(b)区域最大剪应变率和主应变率结果
    Figure  3.  Maximum shear strain rate and principal strain rate results in Xinjiang and its adjacent areas during 1999—2007 (a) and 2009—2013 (b)

    利用震间的GPS数据分析断裂带的现今变形特征,可以给出远场断裂带稳定的滑动速率,也可以给出近场断裂带随时间衰减的滑动速率,而与地震有关的变形特征及应变积累则集中在断裂带附近的几千米或者几十千米的较窄范围内(Meade,Hager,2005; 魏文薪等,2012). 为了进一步分析震源区附近的构造变形特征,图 4给出了基于数据分布较为密集的2009—2013年GPS剖面及拟合结果(剖面A和剖面B位置见图 1).

    图  4  横跨断裂带的2009—2013年GPS站速度剖面和拟合结果(a)剖面A平行断裂带结果;(b)剖面A垂直断裂带结果;(c)剖面B平行断裂带结果;(d)剖面B垂直断裂带结果
    Figure  4.  GPS velocity profiles cross fault during 2009—2013, and model fitting results(a)Results of profile A(parallel component);(b)Results of profile A(vertical component);(c)Results of profile B(parallel component);(d)Results of profile B(vertical component)

    图 4a图 4c平行于断裂带的剖面表明,离开断裂带的远场速率约为8 mm/a,表现为阿尔金断裂带长期稳定的运动特征. GPS剖面拟合结果表明,剖面A的NE向断裂带的变形宽度较宽,剖面B的变形宽度较窄,即剖面A的断裂带剪切应变积累的程度高于剖面B. 这种显著的差异性说明同一断裂系统不同分段运动特征的不一致会导致区域构造的应变积累而发生强震. 另外,东侧剖面(剖面B)反映了断裂长期稳定的运动特性,应变积累水平较低,后续地震的发生可能仍需较长时间. 垂直断裂带的剖面结果(图 4b图 4d)表明,剖面A的拉张变形特征明显大于剖面B. 综上,震源周边不同区域的应变积累的差异性易于强震孕育,区域变形特征与两次于田地震的破裂方式一致.

    本文通过区域速度场、 应变率场和GPS剖面分析研究了2014年于田MS7.3地震震前的地壳变形特征,得到了以下认识:

    1)新疆天山地区的地壳变形总体表现为由南向北缩短,相对运动速率表现为由南向北、 由西向东逐渐减小. 于田地震震源区的地壳变形特征与天山地区存在明显差别,主要表现为WNW向拉张和NNE向挤压,且拉张变形幅度大于挤压变形. 该变形背景有利于近NS向断层发生张性破裂和NE向断层发生左旋剪切破裂.

    2)主应变率、 面应变率、 最大剪应变率的动态演化结果表明: 2008年和2014年于田MS7.3地震的震中区域均处于拉张与挤压变形的过渡地带,均具有发生强震的背景; 2008年于田地震张性(带有少量剪切)破裂的发生及震后影响使得震中及周边区域张性变形加强,进而导致NE向阿尔金断裂左旋剪切变形增强. 因此认为,2008年于田MS7.3地震可能对2014年于田MS7.3地震有促进作用.

    3)剖面分析结果表明: 阿尔金断裂带远场速率约为8 mm/a,表现为长期稳定的运动特征; 两次地震震源区的构造剪切变形宽度西侧大于东侧,这种应变积累的差异性有利于2014年于田地震的孕育.

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