川滇交界地段强震潜在危险区深部结构和孕震环境研究

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川滇地区位于青藏高原东南缘,其特殊的地震构造环境和频繁的强震活动特征表明该地区是研究现今构造运动、大陆强震孕育背景和预测未来强震危险区的理想场所,对该区深部构造环境和介质物性特征的研究将有助于探查川滇活动块体的深部构造环境和形变场特征,深化各向异性与构造变形作用的认识,以及研究块体内部和边界地震成因的深部构造背景。近年来,川滇交界地段地震频次增加,地震强度增大,该地段强震/大地震的中-长期危险背景和潜在的发震能力已经引起了国内外地学科研工作者的强烈关注。但由于该地段长期缺乏可靠的深部地球物理场资料,这就给研究强震潜在危险区内地震孕育、发生的深部介质环境和地震构造背景、地震活动性之间的关系带来了很大的困难。由于各种地球物理反演方法往往存在程度不同的非唯一性,所以,对同一研究区域,采用不同的地球物理观测数据源和多种数据处理和反演方法研究其深部结构背景无疑成为解决这一问题的有效途径。本文充分收集了四川省和云南省及其周边区域所布设的区域数字地震台网、流动地震科考台站和中国地震科学探测台阵(“喜马拉雅”项目一期)共计634个台所记录到的18530个近震事件和754个远震事件(具体包括四川、云南等区域数字地震台网中224个固定地震台站2009年1月~2014年12月的观测数据、“中国地震科学台阵探测—南北地震带南段"356个流动地震台阵2011年8月~2013年5月的观测数据、四川芦山Ms7.0地震科学考察35个台阵2013年6月~2014年9月的观测数据、四川西昌19个流动台阵2013年5月-2015年3月的观测数据),拾取了249316条P波到时和103902条相对P波走时残差,应用近震和远震联合反演的方法获得了川滇地区三维P波速度结构;接着,采用重力三维视密度反演和航磁数据的位场分离和异常特征提取的方法获得了川滇地区重磁异常的分布特征。在此基础上,综合分析和讨论了川西高原中下地壳是否具备发生塑性流动的环境、高原东缘中下地壳物质的塑性流展边界以及中下地壳物质流动方向转变的重磁响应依据等问题,并重点剖析和研究了川滇交界地段强震潜在危险区(莲峰、昭通断裂带、木里—盐源弧形构造带和攀西构造带)的深部结构和孕震环境,取得的主要成果如下:(1)P波成像结果表明,川西高原20km深度以下的中下地壳显示出明显的低速异常分布特征,松潘—甘孜地块和川西北次级块体均有大范围的低速层存在,结合三维视密度反演结果表明在松潘—甘孜地块存在低密度中心带,低速、低密度的塑性层的存在成为松潘—甘孜地块深部动力作用的依据。同时,大凉山块体在中下地壳深度范围内也存在连续的低速层分布,且低速异常的优势展布方向为近SN向,与大凉山断裂的走向基本一致,该低速层自西向东越过大凉山断裂,最终止于四川盆地西缘的荥经—马边断裂构造带附近。壳内低速层的存在也是大凉山块体内部及边界断裂构造变形和地震活动的深部动力来源。(2)重磁异常特征的研究结果表明,四川盆地西缘、雅安-泸定-石棉一带及其东侧表现出高密度、强磁性的重磁场响应特征,随着川青块体向南东方向滑移,受到高密度、强磁性的四川盆地西缘、雅安-泸定-石棉一带及其东侧刚性基底的强烈阻挡,青藏高原东缘的中下地壳物质的塑性流动转向强度较低的大凉山次级块体内部。因此,雅安-泸定-石棉一带刚性基底的存在是造成青藏高原东缘中下地壳物质塑性流展过程中转向南东—南南东方向的深部制约因素。(3)莲峰、昭通断裂带:P波速度结构结合视密度反演、航磁正则化滤波等结果,共同揭示了鲁甸Ms6.5地震及其余震位于上地壳高、低速异常的交会地带,而余震沿着高低速异常的分界线NW向聚集分布,这与航磁正则化滤波结果揭示出鲁甸Ms6.5地震的震中位于正负磁异常的分界线附近相互吻合。视密度反演结果和P波速度结构特征均表明了鲁甸地震震源体下方低速、低密度的异常体的存在,进而论证了鲁甸地震震源体处在坚硬的、脆性的中上地壳介质内。考虑到昭通断裂北段(鲁甸—彝良段)沿着高波速、正磁异常区呈NE向的条带状展布,表明昭通断裂北段上地壳深度范围内的介质较之南段坚硬,有利于应力的积累,川滇交界东段的昭通断裂带北段具有强震/大地震的中-长期危险背景。(4)木里—盐源弧形构造带:P波成像结果表明了在木里-盐源弧形构造带壳内10-30km深度处存在低速层,我们认为该低速层应是该区壳内深部重要推覆构造滑脱界面的反映,它构成了本区重要的深部动力来源。一方面,该壳内低速层在地壳的构造运动中起着重要的作用,它是塑性软弱层,难于积累应变能,容易将应力传递给上地壳的脆性介质,使之产生一系列收敛壳内低速层的断层。另一方面,低速层的流动过程中受到扬子地块西缘的强烈阻挡,容易产生了塑性形变,并将应力转递给上部的脆性地壳,当应力持续积累,就会使上地壳的断块沿该低速层产生滑动,形成了木里一盐源地区一系列的推覆构造。(5)攀西构造带:根据我们的P波速度结构、视密度反演和航磁异常分布特征结果,综合表明了在攀西构造带地壳内存在着较大范围的高密度、强磁性、高波速的异常分布,我们推断这可能是晚古生代地幔柱活动时期,大量基性和超基性幔源物质侵入地壳有关。在地壳穹隆的过程中,大量幔源物质的侵入增强了地壳介质的力学强度,并形成以攀枝花为核心的壳内坚硬块体,轴部地区存在一系列海西期的层状基性、超基性侵人岩体便是很好的证据。攀西地区坚硬物质的存在对青藏高原物质SE向逃逸也起到了一定的阻挡作用,造成了攀西—滇中等地的新构造运动是以间歇性的抬升运动为主,第四纪以来的抬升幅度大约在2000m左右,由于区内较强烈的隆升运动,形成了深切河谷并以基岩裸露的高山峡谷地貌为特征,同时区内存在更次一级的差异断陷,形成了元谋、昆明等断陷盆地。P波速度结构还揭示了攀西构造带80km~120km存在上地幔低速层,加之攀西构造带位于上地幔隆起区,正是由于上地幔的隆起及深大断裂的存在为地幔热物质侵入提供了条件,成为该区中强地震活动的深部构造背景。
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