地球物理学报  2014, Vol. 57 Issue (12): 4029-4040   PDF    
中国西部地区地壳结构特征与强震活动相关性研究
姜迪迪1,2, 江为为1, 胥颐1, 郝天珧1, 胡卫剑1, 余景锋1,2    
1. 中国科学院地质与地球物理研究所, 中国科学院油气资源研究重点实验室, 北京 100029;
2. 中国科学院大学, 北京 100049
摘要:中国西部地区是地震活动十分强烈的地区,天山、阿尔泰、帕米尔和西昆仑都是著名的地震构造带,在这些地震构造带和周边地区发生了多次震级大于5级的强震.本文通过分析西部地区的重力场特征,根据重力数据结合地震剖面、应用Parker-Oldenburg方法反演得到了研究区莫霍面深度,通过对比地震层析成像的反演结果,分析了研究区的地壳结构特征.计算结果表明,研究区地壳结构不均匀特征明显,在造山带地区一般是莫霍面坳陷区,盆地则是莫霍面隆起区,主要造山带地壳速度结构表现为高速区,盆地和主要凹陷区为低速区.根据计算结果和以往强震震中位置分析了地壳构造与强震活动的相关性,西部地区的地震活动与地壳结构的横向不均匀密切相关,强震主要发生在地壳速度变化带附近和地壳速度结构差异较大的地区,在构造应力作用下,这些地壳介质非均匀地区易发生强震,这是中国西部造山带和盆-山边界附近频发强震的构造原因之一.
关键词西部地区     地壳结构     地震活动性     地震层析成像    
Characteristicsof crustal structure and their relation with major earthquakes in western China
JIANG Di-Di1,2, JIANG Wei-Wei1, XU Yi1, HAO Tian-Yao1, HU Wei-Jian1, YU Jing-Feng1,2    
1. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Key Laboratory of Petroleum Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: Major and/or great earthquakes frequently occur in western China,such as the Tian Shan, Altay, Pamir and Kunlun as well-known seismotectonic zones. This paper analyzes the characteristics of the gravity field in western China, inverts the depth of Moho interface by the Parker-Oldenburg method with gravity data and seismic profiles.Through comparison of the results of seismic tomography inversion, we analyze crustal structure of the study area. The results show that the study area is significantly heterogeneous in crustal structure, with main orogenic belts of high-speed while basins and major depressions of low speed.The orogenic belts in the study area are generally Moho depression areas while the basins are the Moho uplift areas. According to the calculation results and epicenter distribution of the study area, we discuss the correlation between crustal structure and major earthquakes. The earthquakes in this region are closely related to crustal heterogeneity, which mainly happen around the crustal velocity change belts and in the regions with great crustal velocity differences. Under the effect of tectonic stress, these crustal non-uniform areas are prone to major earthquakes, which is one of the tectonic reasons for frequent major earthquakes in orogenic belts and near the boundary between basins and mountains in western China.
Key words: The western region     Crustal structure     Seismic activity     Seismic tomography    

1 引言

中国大陆西部地区,主要包括新疆、西藏和青海以及甘肃、四川西部地区.地形上南高北低,南部主要是青藏高原,北部多为盆地和山脉.根据板块构造的观点,西部地区现在的构造格局主要是印度板块与欧亚板块碰撞的结果(万天丰,2004).板块碰撞不仅造就了“世界屋脊”之称的青藏高原,而且影响了青藏高原邻近地区的构造运动,导致天山等古老造山带的复活.目前,西部地区已经成为研究岩石层结构、壳幔物质流动以及板内强震机制等前沿学科的热点地区(刘光鼎,2007徐果明等,2007罗文行等,2008滕吉文等,2012张健和陈石,2013).本 文利用重力、地震层析成像反演的结果、结合其他地质 与地球物理场资料,重点探讨70°E—100°E,30°N—50°N范围内中国西部地区的地壳结构与强震活动的相关性,期望为开展相关研究提供参考.

2 研究区构造概况

中国西部具有复杂而独特的地质构造特征(胥颐等,2000b; 尹安,2001万天丰,2004)(见图 1).北部地区具有典型的三山夹两盆构造,塔里木盆地和准噶尔盆地位于阿尔泰山、天山、昆仑山造山带之间;天山山脉横贯新疆全境、并向西延伸到哈萨克斯坦和吉尔吉斯境内,是一个由许多地块和一系列造山带组成的复式造山体系.西昆仑、阿尔金、祁连山等造山带构成青藏高原的西北边缘,其中西昆仑是羌塘地体与塔里木盆地的构造边界、阿尔金是塔里木盆地和柴达木地体的构造边界、东昆仑是藏北羌塘地体和柴达木地体的构造边界.在南部地区,喜马拉雅、拉萨地体、羌塘地体、可可西里—甘孜—松潘 地体、东昆仑柴达木地体、祁连山地体、西昆仑和喀喇昆仑山脉等构造拼合成青藏高原的主体(尹安,2001).

图 1 研究区大地构造概况(据尹安, 2001有修改) Fig. 1 Tectonics of study area(modified from Yin,2001)
3 地球重力场及地壳结构特征 3.1 重力场特征

本文通过美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校(University of California,San Diego,UCSD)斯克里普斯海洋所提供的卫星重力数据(Sandwell and Smith, 2009),得到了中国西部空间重力异常(图 2),网格精度为1′×1′.空间重力异常反映了实际的地球形状和物质分布与大地椭球体的偏差,从图 2可以看出,中国西部空间重力异常基本呈EW走向,低值区与地势低的盆地相对应,高值区与隆起的地块和山脉相对应,如塔里木盆地、准噶尔盆地和柴达木盆地的空间重力异常值为-200~100 mGal,而青藏中部和青藏南部地区的空间重力异常值为 0~200 mGal.较明显的梯度带主要分布在喜马拉雅、昆仑、阿尔金、祁连和天山等山脉地区,最高可达 600 mGal,空间重力异常的起伏与构造特征吻合较好.

图 2 研究区空间重力异常图 Fig. 2 Free-air gravity anomalies of study area

布格重力异常包含了壳内各种偏离正常密度分布异常体和构造的影响,也包括了地壳下界面起伏在横向上相对上地幔质量的亏损和盈余的影响(曾华霖,2005).中国西部地区布格重力异常整体特征为北高南低(图 3),变化范围在-571~-50 mGal之间.

图 3 研究区布格重力异常图 Fig. 3 Bouguer gravity anomalies of study area

青藏高原布格重力异常值较低,其中,在高原中部地区的唐古拉山脉可达-550 mGal以下,是中国布格重力异常值最低的地区.在高原的北部,柴达木 盆地具有平缓的布格重力异常值,变化范围为-425~-375 mGal,在布格重力异常图中大体可以看到盆地的形态.

新疆地区的三山和两盆是大致平行相间排列的,在形态上与布格重力异常图有很好的对应.准噶尔盆地和塔里木盆地具有相对较高的异常,重力异常在-225~-125 mGal之间变化,较为平缓,大部分地区形成高值圈闭区;天山和阿尔泰山等造山带 则有较低的布格异常,异常值在-275~-200 mGal之间.

在重力异常图中等值线平行排列的密集带为重力异常梯级带,几条明显的重力异常梯级带分别围绕着准噶尔盆地、塔里木盆地、柴达木盆地和青藏高原周边分布.主要有:(1)阿尔泰—天山带,规模较小;(2)昆仑—秦岭带,规模巨大,呈弧形展布,该带西起昆仑山脉,向东到柴达木盆地分为两支,北支沿阿尔金山,祁连山呈向北突出的弧形展布,又像一个顶点向上的三角形,它又向东南拐弯与六盘—龙门—乌蒙山梯度带汇合,进入缅甸;南支沿祁曼塔格山,经阿尼玛卿山向东南拐弯与岷山—大雪山梯度带汇合,松潘地区受周围梯级带的包围,呈倒三角形;(3)南部喜马拉雅—横断山梯度带,与中部梯度带在中缅边界汇合,将青藏高原与其他地区分开.这些梯级带与中国西部地区大的构造断裂带有很好的对应.

为了深入研究中国西部地区不同深度的构造特征,利用位场小波变换法对研究区布格重力异常进行了位场分离(图 4图 5).1阶小波变换细节中的串珠状高频异常反映了浅层的构造特征,以及浅层物质的横向不均匀性.在天山、西昆仑、东昆仑和祁连山,以及塔里木盆地的西部巴楚隆起等,浅层地壳的重力异常表现为正异常,喜马拉雅山,阿尔泰山及塔里木盆地北部凹陷则表现为负异常.

图 4 研究区布格重力异常小波变换1阶细节 Fig. 4 First-degree detail wavelet of Bouguer gravity anomalies in study area

图 5 研究区布格重力异常小波变换4阶逼近 Fig. 5 Fourth-degree approach wavelet of Bougure gravity anomalies in study area

4阶小波变换逼近主要反映区域场的趋势,可反映深部物质的特征.从图 5中可以看出青藏高原边界存在梯度值较大的梯级带,深部物质的横向密度在青藏高原边界处开始发生较大的变化,产生了相对幅度300 mGal左右的异常.

3.2 莫霍面深度

根据Parker-Oldenburg反演方法(Parker,1973; Oldenburg,1974),利用布格重力异常数据结合地震剖面(崔作舟等,1995;胥颐等,1996;陈俊湘和陈景亮,2003;王有学等,2004; 王有学等,2005)控制反演计算了中国西部莫霍面深度图(图 6),在反演计算时参考了郝天珧等(2014)的反演结果.从图 6 可以看出,中国西部地区莫霍面深度特征与其地形起伏大致呈镜像关系,且与盆地、造山带分布有很大联系.总体来讲,盆地的莫霍面深度较小,山脉和高原的莫霍面深度较大.从莫霍面形态上看,西部地区的造山带如天山造山带、西昆仑—东昆仑造山带、祁连山造山带等,都属于有山根的造山带(熊小松,2010).另一方面,莫霍面深度的变化也反映了地壳运动的结果,青藏高原是中国大陆莫霍面深度最大的地区,自50 Ma年以来,印度大陆一直向北运动并向青藏高原的地壳挤入,造成高原地壳的缩短增厚,这一现象已经被深地震测深的结果证实(Hauck et al., 1998Chen et al., 2000).

图 6 研究区莫霍面深度图
地震剖面及编号:①阿尔金—龙门山(王有学等,2005); ②阿尔泰—阿尔金(王有学等,2004); ③格尔木—额济纳旗(崔作舟等,1995); ④若羌—阿勒泰(陈俊湘和陈景亮,2003); ⑤天山地区4条剖面(胥颐等,1996).
Fig. 6 Moho depth map of study area
Seismic profiles: ① Altun—Longmen Mountains(Wang et al., 2005); ② Altay—Altun(Wang et al., 2004); ③ Golmud—Ejin Qi (Cui et al., 1995); ④ Ruoqiang—Altay(Chen and Chen, 2003); ⑤ Four profiles in Tian Shan region(Xu et al., 1996).

中国大陆的莫霍面呈现出东浅西深的特征,而 西部地区的莫霍面深度总体趋势为南深北浅.研究区南部青藏高原地区莫霍面较深,平均深度大于60 km,高原中部地区可达70 km,呈向下陷的凹形.青藏高原复杂的多期演化造成了其莫霍面深度分布的特殊性,但对于青藏高原的具体形成过程至今仍存有很大的争议.青藏高原的边界出现莫霍面深度梯级带,与地貌上的高度突变和深大断裂构造相对应,西南边界喜马拉雅山,北部昆仑—阿尔金—祁连山带,都有较大的梯级带,尤其以喜马拉雅山处变化最大.喜马拉雅碰撞带是个非常突出的挤压应变带,GPS观测运动方向以向北为主,略偏向东,运动速率在35~42 mm·a-1之间(王琪等,2001),地壳收缩量高,冯锐(1985)认为这也是上地幔密度急剧变化较大的地方.

与南部青藏高原地区相比,新疆地区地壳厚度相对要小,塔里木盆地、准噶尔盆地和吐—哈盆地等盆地和稳定地块都呈现莫霍面隆起,莫霍面深度为41~48 km.塔里木盆地西部巴楚隆起莫霍面深度小于盆地中的凹陷地区.准噶尔盆地的莫霍面深度最浅,约41 km.从莫霍面深度图(图 6)中可以看到天山造山带的地壳厚度从西天山到东天山的变化,东天山地壳厚度最大50 km,西天山地壳厚度50~52 km,而中天山莫霍面略浅于东西天山,反映了天山地区构造运动的复杂性和分段性.熊小松(2010)分析莫霍面记录并结合其他地质地球物理资料认为,天山西段和天山东段可能存在不同的隆升机制或处于造山作用的不同阶段.东天山由于处于准噶尔盆地东缘,碰撞的相向挤压作用没有西天山强烈,同时可能伴随有上地幔的上涌,才导致东天山的伸展.

3.3 地震层析成像结果

图 7为中国西部地区的地震层析成像结果(胥颐等,2000b),在不同深度的速度图像中,正扰动表示速度高于初始模型的参考值,负扰动表示速度低 于初始模型的参考值,计算时界面深度和各层的速度模型选取如表 1所示.在本文中仅选取了相关的深度进行探讨.

表 1 界面深度和初始速度模型 Table 1 Interface depths and initial velocity values

5+ km深度的速度图像(图 7a)反映了浅层地质构造的基本特征.阿尔泰、天山和准噶尔西部界山均为高速区;盆地和主要凹陷区如准噶尔盆地、南天山的库车坳陷、塔里木盆地西部及西南部、柴达木盆地均为低速区.这一深度上的速度差异主要与岩性构成有关.造山带主要是古生代甚至太古代的地层,通常具有较高的速度;而盆地和坳陷中相对松散、固结程度不高的中新生代沉积层速度普遍较低.

图 7 研究区地震层析成像图
(a)5+ km深度的速度图像;(b)27+ km深度的速度图像;(c)35+ km深度的速度图像;(d)50+ km深度的速度图像;(e)71 km深度的速度图像.
Fig. 7 Seismic tomography of study area
(a)Velocity image of 5+ km;(b)Velocity image of 27+ km;(c)Velocity image of 35+ km; (d)Velocity image of 50+ km;(e)Velocity image of 71 km.

在27+ km深度上(图 7b),阿尔泰山、天山和准噶尔西部界山、塔里木盆地中部等地仍为高速区,准噶尔盆地、库车坳陷、柴达木盆地、以及西昆仑、帕米尔等山前地带仍为低速区.27+ km深度的速度分布与5+ km相似,说明中地壳的结构仍然与浅层地质构造有关.东、西天山之间存在一条明显的南北走向的低速带,它与准噶尔盆地南缘的低速带相连,表明东、西天山在深部构造上可能是不连续的.

35+ km的速度图像(图 7c)反映了下地壳的速度分布特征.阿尔泰山、准噶尔盆地的北部、东部和西部一带均为高速区,准噶尔盆地南部的低速区向南延伸进入天山的中段,分隔了东、西天山高速区,继承了东、西天山构造边界的性质.塔里木盆地西南的巴楚隆起为高速区,帕米尔东北侧至塔里木盆地西南、塔里木盆地南缘至西昆仑山前两个地区仍然为低速区;甘肃的北山为高速区,青藏高原的柴达木盆地为低速区,上述这种速度分布从上地壳一直延续到下地壳,变化十分稳定.

50+ km的速度图像(图 7d)反映出地壳厚度的变化以及莫霍面的大致形态.通常负扰动对应于莫霍面坳陷区,正扰动对应于莫霍面隆起区,可以定性估计莫霍面的深浅程度.准噶尔盆地中部和东部的北塔山、三塘湖一带、哈萨克斯坦东南的阿拉湖盆地、吐鲁番—哈密盆地直到甘肃的北山—敦煌、整个塔里木盆地北部和西南边缘为高速区,这些地区上 地幔的顶部向上隆起,莫霍面的深度应该小于50 km. 根据重力资料计算,以上大部分地区的地壳厚度为42~48 km.在一条穿过准噶尔盆地的人工地震测深剖面阿尔泰—阿尔金剖面上(王有学等,2004),准噶尔盆地的莫霍面向上隆起,深度大约为46 km;而在准噶尔盆地南侧,莫霍面增加到50 km左右,这些现象与本研究的结果基本一致.

根据地震测深结果(邵学钟和张家茹,1994; 丁道桂等,1996; 姜春发,1997; 张家茹等,1998; 李秋生等,2002),塔里木盆地大部分地区的莫霍面深度在40~50 km之间.由于上地幔顶部隆起,因此地震层析成像显示出高速特征,但是塔里木盆地的南部表现出较大的差异.广角反射地震资料(李秋生等,2002)表明塔里木地壳向西昆仑山下发生低角度俯冲,莫霍面从塔中开始由北向南逐渐加深,塔 中隆起为42±2 km,塔西南坳陷地壳厚度介于47~57 km 之间,西昆仑山下地壳最大厚度为62 km.本文研究结果为解释上述现象提供了有利的依据.其余的莫霍面隆起区由于缺少资料很难进行对比,但是这些隆起区大部分位于盆地和稳定的地块区.参考前面的分析,它们的莫霍面深度应该在45 km左右.阿尔泰山、天山(包括吉尔吉斯境内部分)、帕米尔、青藏高原的柴达木盆地均为低速区,说明上述造山带和青藏高原的平均地壳厚度超过50 km,这个结果与已有的认识基本上是一致的.沙雅—布尔津人工地震剖面(赵俊猛等,2001)穿过了天山的西段,表明天山的莫霍面深度为55 km;地震转换波测深(邵学钟等,1996)也表明天山的莫霍面从两侧盆地边缘的42 km向山体中心逐渐加深到56 km.因此,天山地区的莫霍面深度为55 km左右已经不存异议,根据地震层析成像反映的速度分布可以看出整个天山(包括吉尔吉斯境内)莫霍面坳陷的范围.

71 km深度的速度图像(图 7e)反映了新疆地区上地幔顶部和青藏高原莫霍面附近的岩石层结构.西昆仑西段、塔里木盆地、天山和准噶尔盆地的大部、阿尔金山、北山、阿尔泰东段为高速区,这些地区具有相对稳定的岩石层结构;阿尔泰山、吉尔吉斯天山、南天山至帕米尔一带为低速区,表示了上地幔顶部的岩石层异常状态.以阿尔金断裂和西昆仑为界,整个青藏高原北部速度偏低,表明西昆仑、可可西里—甘孜—松潘地体、羌塘地体等青藏大部分地区的地壳厚度较大,可能略大于71 km.

对于青藏高原的低速性质存在两种可能的解释:一是反映了青藏高原年轻造山带现今的构造活动状况,由于深部热物质不断侵入,在上地幔顶部形成低速区,例如Zhao和Xie(1993)也发现青藏高原部分地区的上地幔顶部存在异常区,宋仲和等(1991)则认为青藏高原部分地区上地幔顶部低速层的深度大约为80~100 km.二是青藏高原较大的地壳厚度造成的结果,71 km深度已经达到了塔里木盆地的上地幔顶部,但是仅相当于青藏高原地壳的底部附近,这一差别也会引起青藏高原的速度偏低.比较有意义的是阿尔泰山上地幔顶部的低速性质,众所周知,阿尔泰山是中国著名的贵重金属矿产地,岩石层顶部的低速性质在一定程度表明了上地幔物质的热活动状态,它可能成为岩浆热液上涌的源区.在这个深度上,周围的天山、准噶尔西部界山等造山带都没有出现低速区,因此这也许是阿尔泰山富含金属矿床的深部构造背景之一.

综上所述,可以得出以下结论:中国西部的造山带一般是莫霍面坳陷区,盆地则是莫霍面隆起区;尽管塔里木盆地北部的莫霍面向上隆起,但是塔里木盆地南部至西昆仑山前莫霍面的深度却较大;沿着祁连山的南北两侧,敦煌地块和柴达木盆地的地壳速度截然不同,北部莫霍面隆起,南部莫霍面坳陷.

3.4 结果分析

比较地震层析成像结果与重力反演计算结果可以看出:准噶尔盆地中部区域为高速区,地壳厚度小于50 km,重力反演42~45 km,这与人工地震测深结果45 km相符;整个塔里木盆地北部和西南边缘为高速区,这些地区上地幔的顶部向上隆起,莫霍面的深度小于50 km,重力反演结果表明地壳厚度46~49 km,地震测深资料表明塔里木盆地大部分地区的莫霍面深度在40~50 km之间;柴达木盆地主要为低速区,地壳厚度应大于50 km,重力反演结果在59~64之间;在这些地区重力反演结果与地震层析成像结果十分吻合.而在一些地区也存在两种方法结果不同的现象,天山地区为低速区,地震层析成像结果表明地壳厚度应大于50 km,重力反演结果为49~52 km,而人工地震探测剖面和地震转换测深结果表明天山地区莫霍面深度为55 km左右;阿尔泰山为低速区,表明地壳厚度大于50 km,而重力反演结果是46~50 km;在71 km深度的速度图像中,青藏高原中部地区为低速区,表明地壳厚度大于71 km,而重力反演在60~70 km左右,推测两种反演结果差异较大主要由地势较高地区测量平面的差异引起的.

4 研究区强震活动与地壳结构相关性

中国西部是地震活动十分强烈的地区,地震密集分布在天山、阿尔泰山、帕米尔和西昆仑等构造带,这些地区不仅在历史上发生过多次强烈的地震,至今地震活动仍然十分频繁.根据中国地震台网(CSN)地震目录,从1970年1月1日到2014年2月28日,研究区共发生5级以上地震1059个,地震的震中和震源深度分布如图 8所示.

图 8 研究区地震震中和震源深度分布(图中AA′、BB′、CC′为图 9截取3条剖面的位置,DD′为图 10中剖面) Fig. 8 Epicenter and focal depth distribution of study area(AA′、BB′、 and CC′ are locations of three profiles in Fig. 9,DD′ in Fig. 10)

对比重力及地震层析成像的反演结果,从研究区地震震中和震源深度分布(图 8)中可以看出,中国西部地区5级以上地震的震源深度主要分布在40 km以内,少量地震震源深度大于60 km,多位于帕米尔高原与喜马拉雅构造带等印度板块与欧亚板块的碰撞俯冲带.在应力场作用下,造山带上地壳刚性较强,以脆性破裂为主,相比之下,下地壳在压力、温度的影响下易于发生塑性变形,不利于强震的发生.近年来的研究表明,发生强震的构造环境与介质的横向不均匀性密切相关,中国西部的强震多发生在刚性地块和褶皱带的交接边界,即垂直差异运动强烈的压性逆断裂带和压性剪切断裂带上,如天山、昆仑山、以及龙门山和鲜水河地震带等(胥颐等,2000a; 胥颐等,2006; 田有等,2007).

在北部新疆地区,地壳厚度一般在50 km以内,天山及帕米尔地区地震几乎分布在整个地壳厚度,而在西昆仑地区,地震的分布也达到了莫霍面的 深度,这与Keith Priestley等(2008)观点相似.Keith Priestley等在分析印度、喜马拉雅和藏南地区岩石圈结构和地震的关系时认为,在有些地区,整个地壳厚度,甚至到莫霍面都是孕震的,大部分位于前寒武纪地盾的内部或边缘.他还通过分析地震分布与岩石圈的温度结构和速度结构的关系,认为地震一般发生在三种情况,温度在350 ℃左右的“湿”的上地壳物质,具有较高温度的干的麻粒岩相的下地壳,或者温度低于600 ℃的地幔,具有非常重要的意义.本文重点从中国西部的地壳速度结构及运动速率等其他地质地球物理特征,分析地壳结构与强震活动的相关性.

地壳的速度结构是反映地壳介质属性的重要基础,可以提供地震震源和介质结构的重要信息,与地震活动的空间分布相结合,为认识地震成因及发震构造机理提供重要的依据.对于天山地壳发震环境,本文通过穿过天山及帕米尔地区的3条地震层析成像剖面进行分析,从地壳速度结构方面分析该地区的发震机制.

对比地震层析成像结果和天山地区三条地震层析成像剖面(图 9)可以看出,大部分地震都发生在低速带向相邻高速块体过渡的区域.天山北部的强震主要分布在天山和准噶尔盆地之间的边缘地带,从剖面AA′图和BB′图中可以看到北天山和准噶尔盆地地壳速度变化剧烈,准噶尔盆地南部具有双层地壳结构,上地壳和下地壳的速度差别很大:上地壳为高速层,中地壳沿水平方向出现的低速层是上地壳和下地壳之间的韧性滑脱带,上地壳受南北方向的挤压作用沿滑脱层向两侧盆地推覆逆冲,导致结合带内部地震频发.

图 9 地壳速度剖面图(单位:km·s-1)
(a)AA′北天山地壳速度剖面;(b)BB′库车—乌苏地壳速度剖面;(c)CC′新疆乌恰—伽师地震区地壳速度剖面.
Fig. 9 Crustalvelocity profiles(unit:km·s-1)
(a)AA′ North Tian Shan crustal velocity profile;(b)BB′ Kuqa—Usu crustal velocity profile;(c)CC′ Wuqia—Jiashi earthquake zone crustal velocity profile.

从剖面图BB′中可以看出,库车坳陷基底深度可以达到15 km左右,在20至30 km之间出现低速层,该低速层向北延伸到天山的中地壳.库车坳陷上地壳的低速反映了沉积层的特点,中地壳和下地壳至莫霍面的低速估计与深断裂的性质有关.天山南缘的深断裂多为岩石圈断裂,地表出露华力西期花岗岩,推测边界附近上地幔热物质可能沿着断裂的通道上侵,在地壳中部形成低速层,地壳热状态的改变影响了地壳的流变性质,进而产生地壳局部的变形与地震的发生.

从剖面CC′中可以看到天山—帕米尔结合带的地震活动与地壳结构的组成也有着内在联系,地震大都发生在塔里木西部边缘的高速块体周围.沿东经76°附近横跨帕米尔—天山的最新GPS测量结果表明其现今地壳缩短速率为20~24 mm·a-1,几乎占印度板块向北推挤速率的一半(李涛,2012).帕米尔和塔里木两个刚性块体的相对运动在构造边界附近产生较大的应力差,构造变形主要通过两者之间的边界断裂喀什—叶城转换带的走滑运动进行调节,伽师、喀什一带的低速带正是起到了韧性剪切带的作用,因此,塔里木和帕米尔两个刚性块体在喀什韧性剪切带东、西两侧的运动差异是伽师地震的深部成因之一.

根据郑洪伟(2006)对青藏高原沿88°E剖面的层析成像结果(剖面DD′,图 10),MCT(主中央逆冲断层)以南的地壳表现为高速带,该高速带从地壳一直向地幔延伸.MCT和IYS(印度河—雅鲁藏布江缝合带)之间存在一个低速体,即喜马拉雅低速带,可能是高温和局部熔融的反映,而班公—怒江缝合带以北的羌塘地体表现为低速,被解释为是印度板块的向北俯冲下插引起的地幔物质的上涌,在地壳内部形成低速层.从图 10中也可以看到青藏高原地震的分布与地壳速度结构有一定的联系.南部高速的印度板块的和低速的喜马拉雅碰撞带之间,以及喜马拉雅低速带与北部缝合带之间强震频发.推测韧性剪切产生的局部熔融和板块俯冲产生的构造应力,使喜马拉雅的北部和南部边缘都孕育了大量地震,尤其是该低速带与南部高速带相接的地方更容易发生强震.另外,地幔上涌使得羌塘地体与边缘地带的地壳结构产生横向不均匀,导致羌塘地体边缘,即班公—怒江缝合带和金沙江缝合带附近成为强震易发地带.

图 10 青藏高原沿88°E的剖面结果(据郑洪伟, 2006有修改) Fig. 10 Profile of major earthquakes and seismic tomography along 88°E in Tibetan Plateau(modified from Zheng,2006)

结合以往的研究及4条地壳结构剖面,可以看出强震主要分布在地壳速度结构差异较大的地区.地质演化,如断裂形成,地壳组成和热状态、板块运动和变形等都会导致地壳速度的不均匀分布.不管是热流物质上涌,或是地壳断裂导致的地壳介质产生强烈非均匀性,在构造应力作用下,这些地壳介质非均匀地区易发生强震,这是中国西部造山带和盆—山边界附近频发强震的构造原因之一.

5 认识和结论

通过分析中国大陆西部地区的地壳结构以及与地震活动的相关性,取得了以下的认识:

(1)中国西部地区的莫霍面深度总体趋势为南 深北浅:南部青藏高原地区莫霍面深度较大,平均深度大于60 km,高原中部地区可达70 km以上,呈向下陷的凹形.与南部青藏高原地区相比,北部的新疆地区地壳厚度相对要小,特别是盆地地区更浅.总体上莫霍面起伏与重力异常特征的形态相对应.

(2)地壳结构不均匀特征明显,主要造山带上地壳为高速区,盆地和凹陷区多为低速区.中地壳的结构仍然与地表的地质构造有关,其中东天山与西天山之间存在南北走向的低速带,并且与准噶尔盆地南缘的低速带相连,表明东、西天山在深部构造上是不连续的.青藏高原的柴达木盆地为低速区,从上地壳一直延续到下地壳,变化十分稳定.中国西部地壳厚度的变化很大,莫霍面形态复杂,造山带一般是莫霍面坳陷区,盆地则是莫霍面隆起区.大部分地区莫霍面重力反演结果与地震层析成像结果十分吻合,但在部分地区存在不同的现象,如阿尔泰和青藏高原中部地区.

(3)中国西部的地震活动与地壳结构的横向不均匀密切相关,强震多发生在地壳速度结构差异较大的地区,如天山、帕米尔、西昆仑等造山带与毗邻盆地的结合部位.地质演化,如断裂形成,地壳组成和热状态、板块运动和变形等都会导致地壳速度的不均匀分布.不管是热流物质上涌,或是地壳断裂导致的地壳介质产生强烈非均匀性,在构造应力作用下,这些地壳介质非均匀地区易发生强震,这是中国西部造山带和盆-山边界附近频发强震的构造原因之一.

致谢 本文是在刘光鼎院士中国大陆构造格架思想指导下完成的研究,在此表示衷心地感谢.同时感谢审稿专家提供的宝贵修改意见.

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