黄秀铭
(中国地震局地质研究所,北京 100029)
孕震构造势位(LDLEPS)及其相关的地震地质信息分析
黄秀铭
(中国地震局地质研究所,北京 100029)
在全变率(NDR)指标的基础上,结合GIS技术进一步开发了孕震构造势位(LDLEPS)分析法,以便定量评估地震危险性。在充分利用已有资料基础上绘制了华北地区LDLEPS图和地震分布图,从图中发现,孕震构造势位与地震空间分布的轮廓、位置、震级大小等是完全匹配的,即LDLEPS图可以用来预测未来震情。为此,在2006年绘制了四川、青海等地LDLEPS图,并据图对该地未来震情进行了试验性预测,后来的结果表明预测基本上是正确的。文中进一步讨论了孕震构造的形成机制:华北幔柱亚热柱活动后期对地壳的热作用与构造再造作用而衍生出孕震的二元结构模型,即下层半塑性流变层与上层脆性层,下层动力因素控制上层孕震构造的形成与发展。根据LDLEPS图把华北地区划分出甲~己6个孕震构造异常区,其中乙异常区(京西北)地热资源丰富,是深部热物质溢出地表的表现。其地震成因是:下层流变层的流体沿断层面涌入上层,断层复活致震,这是下层动力因素对上层间接作用的结果,其发震机制类似于水库诱发地震。乙异常区仅产生中等震级以下的地震。甲孕震构造异常区(渤海及其边缘带)是下层流变层强劲动力因素直接控制上层孕震构造的形成与发展,从而产生中频强震以下的地震。另外对探槽剖面及海相沉积物震积岩的古地震遗迹研究发现,甲区史前曾发生大量古地震事件与古海啸事件。现今该区高势位孕震构造和强震事件是过去事件的延续和重复。同时指出,华北南缘之SN地块在构造地形与震情上存在明显差异。
GIS 地壳运动 地震危险性 孕震构造势位(LDLEPS) 古地震
近年来国内日新月异的计算机技术促进了地学研究迅速进展。随着图形技术与人机接口技术的发展,人们可以更多地同图形信息进行交互,可以利用高级的人机接口设备沉浸到由计算机生成的多种信息源构成多维信息空间中探索和分析问题。由虚拟现实系统生成的多维地质信息空间模拟地质环境。如3D地表环境污染场、构造运动应力场和本文的LDLEPS分布场等。通过GIS手段,可以使抽象的数据模型化,用3D图像语言把各种复杂地质现象变化的规律表现得淋漓尽致,一目了然。
地震是地壳运动突变事件之一。地壳运动含有丰富的孕震信息,充分了解地壳运动规律,是研究地震事件必经之路。笔者曾指出:速度(V)、地变率(Az)与全变率(NDR)分别表示地壳运动Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型的指标;地震事件与前者没有直接联系(黄秀铭,1988,1994);并通过具体震例证明:后二者具有定量评估地震危险性的功能。近年来,笔者在上述研究基础上,运用GIS技术,创制了孕震构造势位(LDLEPS)工作法,对地震地质研究与震情预测工作,在可视性、可操作性、有效性和定量化方面,作了新的探索与尝试。
所谓LDLEPS是指能够反映处于壳中震源层高应变状态的孕震体孕育势态的地壳运动数据模型,用3D图像语言使之转换成可定量评估地震危险性的虚拟地质环境的动态指标。
这里Mt为测区单元的地壳运动异常总强度;S为测区单元地壳变形弯曲度;τ为区内单元地壳变形反差度;K为因构造地质环境差异而引入的归一化的修正系数。
LDLEPS工作原理类同NDR(黄秀铭,1996)。依照上述思路,LDLEPS设制如下:
(1)NDR制作。在标有地壳运动参量值的地区,做以下计算
(2)LDLEPS制作。在NDR工作基础上,利用GIS技术,模拟地下孕震构造势态,把能够反映震前不同的震情势态的NDR数值场,用其不同的幅度及其分布范围的峰状体图像分别表示不同级别的孕震构造体的存在、分布范围、危险程度及其发展趋势,从而作出LDLEPS图(图1)。然后把处于同一投影坐标系的地震震中叠加到图上。其中1966—1998年华北(或1950—1998年青海、四川等地)地震震中资料主要取自邓志辉和杨竹转提供的“mapsis”应用软件。2000—2010年华北(或青海、四川等地)地震目录选自网络资料。因篇幅有限,LDLEPS作图过程与操作步骤请参阅本文参考文献(罗云启,2003;Duchham et al.,2003;吴信才,2004;Christopher,2008;Alias,2008,Chang,et al.,2009)。
图1 华北地区1966—2010年LDLEPS 3D图与1966—1998年及2000—2010年地震震中3D分布图Fig.1 A 3D map of both 1966-2010 LDLEPS and earthquakes during 1966-1998 and 2000-2010 in the North China region.
此方法适合于板内震前地壳运动参量变化场,尤其适用于浅源型多震区;地下孕震构造变动的高剪切应变场可径向传递到地表,可充分表现在地表垂直差异运动上;本法适用于中长期地震预测工作。
该方法不适于震后短期地壳运动参量变化场。这是因为:大震后由于震源体应力充分释放、弹性回跳等,造成地壳应力重新调整,地表块体处于松弛状态,即震中附近很大范围的地表块体呈“四分五裂”状态(Riccardo,2004)。此时获得的LDLEPS信息混杂着此类地表无序运动的信息,因而不能反映地下孕震构造变动的真实情况。
图1包含两部分内容,华北1966—2010年 LDLEPS分布和1966—1998年、2000—2010年震中分布。下面对二者分布的空间关系,LDLEPS内容与该区地震地质信息的关系,以及LDLEPS功能等方面,进行论述。
图1中LDLEPS分布图显示:既有高矗峰状的高势位孕震构造区,也有呈平坦或低矮细小条形峰状的低位势位值地区,还有介于二者之间的不同幅度的势位值居中的地区。有的孕震构造图像彼此关系紧密,成丛或成串地组合在一起,有的稀疏、松散,彼此互不相联。据此,将图1中的LDLEPS划分成甲~己6区,某些区再进一步划分为几个次区。甲异常区:峰状体成丛地组合,面积较大,如邢台(甲1)、渤海西侧(甲2)、海城(甲3)和唐山地区(甲4);乙异常区:在一定范围内呈多条成串的峰状链,如从京西北至包头五原一带;丙异常区:偶有中等幅度峰状体及多条低矮的峰林链的图像,如银川附近;丁异常区:峰状体图像成丛有度、峰幅不高,如郑州以东、东北和鲁西南一带;戍异常区:呈规模小、幅度不大的孤立峰状体分布,如石家庄西南、太原东南与郑州以北交会带,即昔阳、和顺及平定等地(戍a区),太原附近(戍b区),蒲县、霍州附近(戍c区)和运城一带(戍d区)等;己正常区:孤立的峰状体、低矮呈小链条的小峰状体与平坦的地区。
此期华北大震频频,中小震不断,地震较密集地分布在甲至戍的LDLEPS异常区。甲1-甲4区出现强震及其余震(编号见图1):1)1966年M7.2邢台地震(包括1966年M6.8河间地震、M6.7宁晋东南地震、M6.2束鹿南地震,1967年M6.3河间大城地震、M5.7束鹿南地震);2)1969年M7.4渤海地震;3)1975年M7.3海城地震;4)1976年M7.8唐山地震;5)1976年M7.1滦县地震;乙区:京西北一带,如1990年M4.9大海坨地震(京北);6)1976年M6.2和林格尔地震;7)1979年M6五原地震;8)1981年M 5.8丰镇地震;9)1989年M6.1大同堡村地震;10)1996年M6.4包头地震;11)1998年M6.2张北地震;丙区:发生大量中小地震,12)1976年M6.2内蒙古阿拉善左面旗北地震、1982年M5.7宁夏海源地震等;丁区:1998年M5.9菏泽地震,近20年来在河南郑州东侧与东北侧小震频仍,如2008年M4.3封丘-兰考地震和M3濮阳地震、2010年M4.7周口市(太康县、扶林县和西华县交界)地震等;戍区:近年来小震频繁,如戍a区2010年M3.1昔阳地震、M3.2和顺地震及M3.2平定地震;戍b区:1989年ML4.5太原附近地震、1992年ML4.3榆次地震、2010年M4.6阳曲地震;戍c区:2010年M3.1霍州地震、M3.7蒲县地震和M4.7洪洞地震;戍d区:2010年M3.5和M3.1万荣地震、M4.8河津地震;己区:几乎无地震。
上述分析表明,图1各异常区的孕震构造图像类型及其势位特征与其相应的地震分布范围及规模是完全匹配对应的。即孕震构造异常区的势位强度甲d>乙d>丙d>丁d>戊d>己d,异常区地震强度甲e>乙e>丙e>丁e>戊e>己e,相呼对应。换言之,图1的LDLEPS图本身就具有预测未来震情的功能。例如,2009年发生在西安附近的M4.4小震和M3陕西榆林府谷神木小震,一度引起人们恐慌,当时许多人为正在筹备世界园艺博览会的西安安全问题心焦如焚。其实从图1的LDLEPS判断,西安地区充其量只会发生M≤5的地震。神木地区(是矿震)亦然,是安全的。这2个地区以后的震情完全印证了这个判断的正确性。
3.3.1.1 包括甲区在内的渤海及周缘古地震遗迹
图1中的甲LDLEPS异常区涵盖邢台、西渤海、海城及唐山地区(1976年震源体下方为低速体),它们位于渤海断陷区边缘。此乃中国东部新构造运动最强烈的地区。这里地震频发,古地震遗迹很多,如探槽剖面揭示的唐山古地震遗迹和海相沉积物的震积岩(Seismite)(Seilacher,1969)。震积岩是M>6地震时海底陡坡沉积物滑坡与崩积的产物,被认为是古地震的遗迹。一般标志有:断裂递变层、震裂缝、微同沉积断裂、振动液化卷曲变形构造和火焰状构造、液化砂、(泥)岩脉、假结核、层内褶皱等。近年来在渤海地区发现大量震积岩。如济阳拗陷古近纪地层(陈世悦等,2003)和山东惠明凹陷东营古近纪三角洲(袁静,2004)中的震积岩,山东临朐红丝石层中古地震遗迹(田洪水等,2006a);山东安丘地区郯庐断裂带古近纪冲积物震积岩(田洪水等,2006b);惠明凹陷地层的震积现象(张小莉等,2006);东营凹陷现河地区沙三段震积岩(魏垂高等,2006);济阳坳陷阳信洼陷古近纪震积岩(王克等,2008)等等;鲁中临朐山旺盆地古地震遗迹:中新世晚期山旺硅藻土页岩中蕴藏大量动植物化石,其中显现栩栩如生的动物活动景象与动物临死挣扎景象并存的大量动物被掩埋的场面,这无疑是突如其来的古地震事件造成的。渤海沿岸还发现多处古地震引发的海啸海侵的古地震遗迹,如两千多年前莱州湾南岸滨海地带,汉武帝曾视察过现今昌邑城北瓦城村庄,如今仅剩一片瓦砾,城址与古村址均被海砂埋积了。西汉末期莱州湾海侵,井水变咸,迫使寿光、益都和广饶县城南迁,并有地震记录佐证。综上可见,渤海地区过去一直是强震多发区。
3.3.1.2 图1中甲1 LDLEPS异常区——邢台地区的古地震遗迹
甲1邢台LDLEPS异常区是图1中甲孕震构造异常区的重要组成部分。这里以甲1邢台古地震遗迹为例进行说明。邢台地区位于河北滏阳河与小漳河之间,即束鹿断陷盆地。1966年地震高发区是沿着滏阳河走向延伸到渤海边。其震源体下方为低速体,极震区被若干组深浅不同的断层切割成破碎带。邢台地区古地震遗迹很多。现今宁晋泊是古代大面积广阿沼泽的一部分。在这样地表坑坑洼洼易被洪水泛滥的泥沙淤平的环境中,出现大型湖泊断陷地,当属地震构造产物。据钻孔资料揭示,在邢台宁晋地面以下1m左右,广泛分布着湖相淤泥黑色土层,在地面以下50m深度之内,它们共有3层:1~13m;18~26m和30~47m深度。这说明过去这里经历过地震构造断陷与河流泥沙淤平的重复地质过程。由此推测历史上这里可能发生3次古强震事件,表明邢台地区过去也是强震多发的地区。
图1中甲LDLEPS异常区和强震出现的部位正处于渤海裂谷地震构造分布范围,它们与那里的古地震信息是一脉相承的,不是偶发事件,是有其构造活动历史渊源的。
乙孕震构造异常区位于燕山山前与阴山山前的地带,起自京北,经涿鹿、大同、包头直至五原附近,由许多短小断裂构成的NW向断裂带是深部构造变动较为剧烈的地带。
乙孕震构造异常区的地热资源丰富,如北京地热异常区,下花园-怀来-张山营一带有4个地热异常区:后郝窑-万家窑、暖泉-沙营、奚家堡-西辛堡和塘子庙-胡家营,赤城塘子沟,涿鹿汤宁寺,宣化烟筒铁矿区温泉,蔚县暖泉,广灵作疃温泉,三马坊温泉,浑源汤头温泉、灵丘泉与门头泉,天镇温泉,西册田南水域,大同县瓜园李汪涧村地热温泉,包头滨河新区(万水泉镇)地热温泉等。此区如此丰富的地热资源是该区深部热流物质经壳中断裂裂隙向地表外溢的表现。这与本区广泛分布玄武岩、火山口及有色金属矿体的地质事实一样,意味着该区深部蕴藏着丰富的热源流变物质。
据深部地球物理探测资料(王帅军等,2011),乙区上、中、下地壳均有低速层,如张北,涿鹿;怀来上、中地壳存在低速层,天镇下地壳有低速层,并且地壳出现高、低速层相间的结构(俗称“三明治”)。低速层的存在意味着那里有半塑性流变层。乙区丰富的地热资源表明深部热物质的存在与通过地壳某些构造断裂孔隙向地表外溢的事实,这说明区内低速层-流变层可能存在较强的动力因素。该带地震活动特点是:小震频频,M4~5地震常见,M5~6地震较多,震级上限约为M6.4。基于此,推测该区地震成因可能是:软流层流体上涌到上层-脆性层的断层面,使其孔隙水压力增加,或断层面矿物被溶解掉,摩擦力因之减弱,触发断层复活,孕震构造得以形成与发展,当断裂面上凹凸障碍体破裂之时,即发地震。鉴于以上事实与本区地震活动特点,一般认为乙区地震成因类似于水库诱发地震机制,是流变层动力因素间接诱发上层地震,其特点是:这里频发中等震级以下的地震,不易产生大震;仅在局部出现分布范围不大、幅度中等的孕震构造的峰状体。
乙异常区的高势位孕震构造及地震,均分布在包头、张北、和林格尔、丰镇、大同等地,它们正处于地壳厚度突变的和M面陡坡带之上的地质环境部位。力学分析认为:上述地质环境是不稳定的。原因是:假定依附于M陡坡上的是岩体A,其重量为G,垂直向下的重力矢量,可分解成两个分量g1及g2。g1为垂直于M陡坡面且方向向里的分量,它被陡坡反向支撑力抵消;g2为方向向下且平行陡坡的分量,其中小部分被陡坡面的摩擦力消耗掉,但大部分下滑重力分量仍作用于陡坡上。换言之,任何一块出现在陡坡上,定然受到与陡坡面平行且下滑的重力分量作用。这样岩体A无论是静态还是动态,均处于不稳定的失衡状态,从而使附近空间存在趋于“变平”势态,地体易产生雪崩式的滑塌现象,并波及其上岩层,引致孕震构造形成。显然它也成为乙区形成孕震构造的深部构造背景条件之一(图6)。
简言之,乙孕震构造异常区出现是与其深部构造变动的背景密切相关的。
由图1可见,华北各地的LDLEPS峰状体组合图案显著不同。北侧峰状链平直,呈NWW向,这是因为它们受北部内蒙古地轴与南部华北平原沉降区的大地构造分界影响。中间地区的LDLEPS峰状体组合图案呈海星放射状、环形或流线型弧形链状的形式,鲜见平直峰链。这些形态可能显示流变层顶面的流体运移的痕迹(下述),或者它们对上层冲击造就LDLEPS样貌于平面投影的轨迹。华北南侧的峰状体幅度相近,彼此组合图案相似,分布较为零乱,但总体仍隐隐约约显示EW方向的趋势,与前述样貌不同。这是由于它的大地构造背景使然。南侧以北为华北地块,以南为华南地块。前者由太古代基底岩构成,后者以元古代基底为主,兼有少量太古代岩石。它们在元古代末同为超大陆联合体,约700Ma前发生分裂。古生代期间,二者各自独立运动。经历古生代,原位于南半球的华南地块开始向北飘移,在三叠纪中期(约230Ma前)与华北地块碰撞,潜入后者南缘之下。西自西安秦岭以南,南至大别山,东至苏鲁接壤地带均有其超高压变质岩带踪迹。稳定的华南古陆地块,因其形成久远的碰撞缝合带缘故,主要特点是:二者碰撞带在构造与地形上形成诸如秦岭、中条山与鲁南的EW向山脉,一改晋西南风陵渡黄河中上游水系流向多变的习性,至此以下(入黄海的)黄河呈西东流向,那里呈蜈蚣状的地表主干水系走向EW,NS成行、如渭河、丹江口以上的汉水、入黄海时黄河(风陵渡以东)下游河段、淮河、长江等,其地震活动颇具特色:地震频度中等,一般仅发生M6.4以下地震。震中常呈孤状分布,1900年前主要分布在长江沿岸、南黄海至郑州环围地带等,1900年之后分布在武汉北侧、九江、溧阳至南黄海环围地带等。这与华北地区下述特点大相径庭:即盆岭构造、水系顺势而行,方向多样与频发中、强地震的特点。
应当指出,图1时段在华南地块潜入华北地块南缘的复合带地震活动并不强烈,但潜伏带附近独具特色:具有该地域近EW向强震带的构造背景。历史上那里强震频发:如甘南礼县东北1654年M8地震,武都西南1879年M8地震,天水东734年M7地震及甘谷附近143年M7地震,陕南华县1556年M8地震及1501年M7朝邑地震,晋南1303年M8洪洞地震及1695年M8临汾地震,冀南1830年M7.5磁县西地震,鲁西南1937年M7菏泽地震和1668年M8.5鲁南汤头东(郯城—莒县之间)地震。人们发现:晋南到鲁南一带呈现b值低和LURR峰值的异常带,即该带边界附近可能潜伏地震异常信号(Zhang Lang-ping et al.,2011)。
上面3个方面的论述表明,LDLEPS的内涵彰显它在洞察一个地区地震地质内在矛盾与运行规律上是富有成效的,同时在定量与可视性方面也能体现其新的思路与风格。更为重要的是,它有助于了解LDLEPS形成的主要原因即下述的二元结构致震模式。
为了更好地了解LDLEPS的地震预测功能,2006年我们又编制了图2及图3中的2000—2020年LDLPES 3D图,2011年又把该区2000—2010年M8.2震中3D图叠加到前图上,则成现在的图3,对青海、四川等地专门进行未来震情预测的试验。
此图2可见,孕震构造异常区分布在下列地区:A1区——从105°E与35°N交会处附近,向NWW方向延伸,经兰州附近,并延及武威与西宁附近的地区;A2区——从西宁向SW延伸的地区;A3区——兰州向NE延及40°N附近的地区;A4区——100°E东西两侧与30°N以南的地区;A5区——昆明东北侧与西南侧的地区。
图2 1950—1998年青海、四川等地LDLEPS 3D图与M4.7~7地震3D分布图Fig.2 A 3D map for both LDLEPS and earthquake epicenters with M4.7~7 in Qinghai and Sichuan Provinces in the western part of China during 1950—1998.
1950—1998年本区发生的地震:A1区8次M4.7~7地震;A2区3次M6~7地震;A3区10次M4.7~6.2地震;A4区7次M6~7地震;A5区2次M6.3~6.6地震。值得指出,在成都西北侧与西侧的广大地区未见孕震构造,也未发生地震。
由图3可见,这里显示两处极其明显的孕震构造异常区:1)西北部B区范围为90°~100°E与33°~40°N,在圆环状基座背景上矗立着许多高势位孕震构造峰状(丛)体区域,并在其西北角与南边分别出现井喷式峰状体;2)东南部C区范围为100°~103°E与30°N交会处,高势位孕震构造的峰状丛体,向NE方向逐然变窄变矮,朝105°E与35°N相交处附近延伸着,且在成都西侧与西北侧也出现另一井喷式峰状体。另外,还存在较小的势位值的D区范围:在武威外侧附近、北面40°N附近、40°N与105°E相交附近,以及100°E东西侧与30°N以南的小型孕震构造区。此外还发现:图3中C区大型孕震构造异常区,特别是成都西侧和西北侧呈井喷式峰状体恰好位于该区地壳厚度突变和M面陡倾斜坡(地震危险标志)之上的地质环境部位(图6)。基于图3中B和C孕震构造异常区(包括井喷式峰状体)突然出现的反常现象与图6中的深部异常构造背景,2006年作者曾预测本区未来15年震情:B和C区可能分别发生M7.3以上与M7.5以上地震。结果该区相继发生(图3):B区2010年M 7.1青海玉树地震(包括2001年M 8.2青海地震或称昆仑山山口西MS8.1地震)和C区2008年M8四川汶川地震(该震源层下方为低速体)及余震。这3处大震震中均分别位于上述大型孕震构造异常区井喷式峰状体范围内。
这次做的预测该区未来震情试验,在空间位置与时间方面尚可,但震级预测略有偏差。但已经证明:LDLEPS确有预测未来震情的功能。
图3 青海、四川等地2000—2020年LDLEPS 3D图与2000—2010年M 6~8.2地震震中3D分布图Fig.3 A 3D map for both 2000-2020 LDLEPS and earthquake epicenters with M6~8.2 in Qinghai and Sichuan Provinces during 2000—2010.
图4 由下层半塑性流变动力因素引致上层岩体脆性变形的地质遗迹Fig.4 Photos showing the geologic relics resulting from the rheologic deformation of the lower rock mass and the brittle deformation of the upper rock mass.
图5 剖面上显示的岩石变形现象Fig.5 Rock deformation revealed on the cross sections.
幔柱构造理论(Manuyama,1994)认为,地幔热物质可直通岩石圈,形成幔柱构造。据李红阳等(2002)的研究成果、地球物理深部探测资料、地热异常以及地震地质资料,华北地下发育很多不同级别的幔柱亚热柱构造,如新生代时期,渤海西部深度50~70km出现顶部呈蘑菇状亚热柱隆升构造,其顶部之上厚度约为20km的低速层分别向周围山体之下延伸。深部热物质涌入地壳,壳内增温,中下地壳塑性增强。同时隆顶的中、下地壳向外侧向流变,顶部中下地壳减薄,向外围增厚,产生侧向拆离滑脱。地震地质观点强调,幔柱亚热柱活动后期对地壳的热作用与构造再造作用,衍生出二元结构:下层半塑性的流变与上层脆性层,亦即下地壳呈半塑性,中地壳具有高速、低速相间的特征,而上地壳呈现脆性特性。通过火山喷发、间歇性泥火山喷泉、升至地表的深成岩浆岩与变质核杂岩的韧性剪切带、金属矿床以及大气、海洋流体学和地热异常等资料,人们逐渐了解:壳中流变层物质呈4态,包括固体以及流体的3态——液态、气态和等离子体;存在流变介质的对流、扩散以及相伴的物理、化学过程,导致质量、动量、能量输送的动力学现象出现。它包括:1)若轻的流体在下面,重的在上面,就会发生上下翻滚的对流运动;2)扩散,指2个相邻的、温度或浓度不同的流体团间的质量、能量、动量交换,湍流扩散可以是分子扩散的几百、上千倍;3)黏弹性流体,当它发生旋转时,会以“龙卷风”似的方式沿着中间旋转轴向上爬升;4)流体具有在下层围压下向上层岩隙强烈增压喷泻作用与动力回抽减压下岩体坍塌作用;5)对上层产生不均匀浮力的振荡与摇晃作用;6)流变层顶部大型强势的水平流动对上层底部产生层间水平切变作用。下层强大动力因素无疑会对上层产生不断冲击作用:撕裂上层岩体、流体向上层脆性层的断裂裂隙渗透与挤压或令其瓦斯爆炸(类似矿震)等,引发构造变形。图4为原位于中地壳层位而后隆升至地表的北京云蒙山北部天仙溪黄土良村的地质剖面。上下层构造形态迥然不同。图4c,d,e,f处于中地壳范围的上层,其岩脉前身乃为不同时期形成的不同方向的裂缝、断裂及其位移,且后者穿插前者的断裂裂隙网络系。它是历史积淀的现象,是中地壳范围近邻的下层(图4 a)各期不同方向流变动能对上层控制作用的结果,之后流体物质才上涌并分别充填各自前期的裂隙中,形成岩脉。图5a,b表示曾处于壳中上层脆性层的两处相距甚远的长城系大理岩,共同受到下层(花岗岩质流变层)流变动力作用,导致它们同时发生类似的构造变形、碎裂,并部分坠落到下层流变层的花岗岩层中,成为后者的捕虏体。其具体过程可能是:上层脆性层大理岩先发生构造事件-沿叶理面断裂位移,继而碎裂,终至个别碎块沿着撕裂的裂隙下坠到下层流变层中。图5d表示下层流变层花岗岩质流体沿着裂隙侵入上层脆性层闪长岩的地质剖面。火山地震模型(上部脆性发震层与下部塑性岩浆层,且二者层位与时同步变浅)凸显二元结构致震的真谛。地震成因是由下层流变活动引致上层脆性层孕震构造形成,致震。其类型包括图1中甲和乙异常区的事件以及上述事件;也包括上地壳上层(或中地壳内上层)的底部层间滑脱事件,如均为低角度正断层的北京密云云蒙山东南侧河防口-怀北庄拆离滑脱(片理走向SE)断层(朱大岗等,2006)和云蒙山石城断层带(含有假玄武岩玻璃),二者生成的环境均是壳中韧性剪切与弹塑性的过渡层即地壳震源层部位(史兰斌等,1984),以及意大利中部Elba的isle中Zuccale拆离型震源断层(其性状:低角度正断层、断层角砾岩和碎裂岩、渗透性强、富含CO2含水流体灌入及叶片状断层核存有水破裂作用的碳酸盐岩脉)。
显然,下层动力因素使上层应变场增强,这是板内孕震构造形成与发展的主要原因。
利用地热异常、玄武岩、有色金属矿床、剖面低速层以及地震地质等资料,编制出由华北幔柱亚热柱活动后期对地壳热作用与构造再造作用衍生的(部分)二元结构分布图(图7)。从古地震遗迹与历史地震记录可见,这些二元结构区活性是变化的。如图7中4区自渤海幔柱亚热柱出现以来一直存在二元结构,大震不断。近300a来其活性集中在其西北、西南、东和北的边缘。1区自中卫南经银川向NNW至中蒙边界,并与蒙古和贝加尔裂谷的亚热柱遥相呼应。其活性历来强势。16、18、20世纪最活跃,至今余威不减。5区活性在4ka前北边强势,17世纪东南活跃。之后适度转向西南。3区1ka前LDLEPS值在定襄、忻县一带增大。17区在14、17世纪末活性最强。6、7区是图7中最弱的。显然,这些二元结构的上层的孕震构造活化与平静期的习性,与其垂向相对应的下层的相应空间部位附近的流变层动力因素活跃与平静期的属性相匹配的。分析图7发现,二元结构活跃的地区,大多出现在以Qh断裂为界的地块边缘带,如鄂尔多斯块体边缘带,而很少出现在腹部地带。因为腹部断裂少,地层水平(倾角不到1°),LDLEPS值低。一般认为,二元结构的下、上层和孕震构造呈如下关系:若下层动力因素弱(如鄂尔多斯地块下地壳存有含CO2盐水的流体层,电阻率低,且康氏面附近可能有不透水岩层阻隔(Zhao et al.,2011),流体无力向上层渗透,上层整体性好,则不易产生较大孕震构造;若下层流体动力较强,中层整体性差,流体容易上涌,令上层断裂复活,容易产生孕震构造,即图1中乙异常区的情形。若下层极强劲,中层整体性一般或较差时,会撕裂上层岩体,易产生类似图1中甲异常区的孕震构造。
图6 图3中D孕震构造异常区和2008年M 8四川汶川地震及其余震区之下的M面3D示意图Fig.6 A 3D map of M surface under both the anomalous LDLEPS region D in Fig.3 and the 2008 M8 Wenchuan epicentral area and its aftershock region.
图7 华北地区幔柱亚热柱活动后期由地壳热作用和构造再造作用而衍生的(部分)二元结构区分布Fig.7 The distribution map of bilayer structures generated by both geothermal process and tectonic reworking of the crust during the late-stage evolution of sub-mantle plume and mantle branch in North China.
地壳结构是分层的。壳中主震源层分布在中层位,即花岗岩质及其上下界面附近,一般深度在8~22km,并以层状“三明治”形式交替出现。由于二元结构模型的存在,地壳深层处于半流变状态,能量便于自由传递与转化,应力在流动过程中得以快速释放,却不利于弹性应变能存储积累和突发式释放,故地震较少。地壳表层因距离太远,下层动力因素对地壳表层的直接作用或影响不甚显著,一般能够波及或分配到地壳表层的能量相对是间接缓慢的。此外地壳表层为开放性刚体,隶属另一构造动力学系统。岩石主要表现为脆性,浅部围压低,岩石强度低,在应力作用下岩体易产生裂隙,应力迅速释放,有点能量可以通过调节表层块体运动的途径得以缓慢释放,它的能量存储积累和突发性释放的条件较差,故该层位地震活动亦少。唯有壳中主震源层即二元结构的上层范围,既易从下层获得能量,本身又是封闭性刚体,岩体不易生成裂隙,那里又没有较强的塑性流动,故应力便于积累,既具有有利于能量以弹性应变能存储积累又难以快速释放的特点。那里储能一旦超过本身负荷就会突发性地释放,故该层发震频繁。地震时此层地震波向上传播,沿途几无耗能,仅于空-地分界面,传递受阻,大量能量驻积于地表附近,且于数百秒内全部释放,并以剩余变形与地面振动形式对建筑物施加破坏。地震问题实际上就是堆积于地表至深度70m左右范围的能量如何处置的问题。是否可以对这些能量通过反射屏反射、波场干涉、涂料吸收、与建筑物隔绝联系等,予以遏抑、转化、削弱,实现减轻震灾目标。
综上所述,可以得出以下初步结论:
板内幔柱亚热柱活动后期对地壳的热作用与构造再造作用,衍生出二元结构。LDLEPS是定量评估地震危险性的地质指标,适用于板内中长期地震预测工作。它兼具新颖性、可视性、可操作性与有效性,工作可以计算机化。它在地学研究、地震预测与工程建设方面,有着广阔的应用前景。
工作区LDLEPS异常区的出现,可能与地壳中二元结构模型密切相关。下层流变层的动力因素可以对上层脆性层产生控制作用,导致包括二者界面之上底层层间低角度滑脱断层在内的孕震构造形成发展,致震。
由包括第四纪地壳运动项目在内的综合地震地质研究和地球物理深部探测获取的信息源,是分析二元结构模型的有效工具。
致谢 在工作过程中,中国科学院地质与地球物理研究所赵希涛及高浩中提供云蒙山野外工作条件,原地质部系统诸单位同仁野外工作中给予赐教,密云县旅游局关昊和优山美地公司(北京)马少辉在野外工作中给予关照,优山美地公司工程师梅友尧无偿提供计算应用软件,在此一并表示真诚谢意。
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THE METHOD OF LATENT DEVELOPMENT LEVEL OF EARTHQUAKE-PREGNANT STRUCTURES AND THE ANALYSIS OF RELEVANT SEISMOGEOLOGICAL INFORMATION
HUANG Xiu-ming
(Institute of Geology,China Earthquake Administration,Beijing 100029,China)
The approach of latent development level of earthquake-pregnant structures in the crustal movement(LDLEPS)is a seismogeologic dynamic indicator for evaluating seismic risk quantitatively,developed based on the net deformation ratio using GIS techniques.The following concerns are addressed in this paper,including the working principle and applying conditions for LDLEPS,the drawing of LDLEPS maps,the relationship between the distribution characteristic of LDLEPS and earthquake in the North China region,and the seismogeologic analysis of the LDLEPS anomaly areas in North China.An example is presented of the use in forecasting earthquakes with LDLEPS method,and more discussions are made on the origin of formation of LDLEPS.Contrasting the spatial distribution of LDLEPS with earthquakes of 1966 -1998 in the North China region in Fig 1,we found that they match and correspond completely to each other in terms of lineament,location,and size.This demonstrates that the LDLEPS method can be used in quantitative evaluation of seismic risk.To verify this conclusion,we drawn the LDLEPS maps of Sichuan and Qinghai regions and used them to forecast experimentally the earthquake trend in these regions in 2006,and the afterward outcomes have proved that the forecast is basically correct,as shown in Fig.2 and 3.As a consequence,the 2008 M8 Wenchuan earthquake in Sichuan Province and the 2010 M7.1 Yushu earthquake in Qinghai Province just happened in the expected abnormal LDLEPS regions and times,respectively.Formation mechanism of earthquake-pregnant structures is discussed in detail in the paper.According to the geophysical exploration and seismogeologic survey data,a bilayer-structured earthquake-generation model is proposed,derived from the crustal thermal processes and tectonic reworking resulting from the late-stage evolution of sub-mantle plumes and mantle-branch structures in North China,i.e.the semi-plastic rheologic layer or lower layer in the middle crust and the rigid layer or upper layer in the upper crust,and that the dynamic of the lower layer induces the formation and development of the seismogenic structures in the upper layer,causing tectonic deformation and generating earthquakes.Based on LDLEPS maps,we divide the North China region into 6 seismogenic structure anomaly zones,as shown in Fig.1.Of them,the anomalous seismogenic structure zone B,located in the northwestern Beijing,is rich in geothermal resources,where hot fluids upwell into the fault planes of the upper layer from the lower rheologic layer,reactivating the faults and generating the moderate and lower-magnitude earthquakes,with a causative mechanism similar to that of reservoir-induced earthquake.In the anomaly zone A of seismogenic structures(Bohai Sea area and its margins),the powerful driving force from the lower rheologic layer controls directly the generation and development of the upper seismogenic structures,producing moderate and lower-size earthquakes.Researches on palaeoseismic traces from trench profiles and seismites in marine sediments reveal that there are many strong seismic events with magnitude≥6 and palaeotsunami events in this region in the prehistoric times.The nowadays high level of LDLEPS and strong earthquake events are the continuation and repetition of their past activities.It is also noted that there are obvious differences in structural landforms and earthquake trends between the South and North China blocks owing to difference of their tectonic background.Having the advantage of novelty,uniqueness,visibility,operability,effectiveness and computerization,the LDLEPS method can be widely applied to areas of earth science research,earthquake prediction and engineering.
GIS,crustal movement,seismic risk,latent development level of earthquake-pregnant structure(LDLEPS),paleoseismology
P315.2
A
0253-4967(2012)03-0500-16
10.3969/j.issn.0253 - 4967.2012.03.011
2011-07-05收稿,2011-12-29改回。
黄秀铭,男,1940年生,1966年毕业于华东师范大学地貌专业,副研究员,主要从事地震地质与新构造运动研究,电话:010-62365465,E -mail:HXM1940@Yahoo.com.cn。