地球物理学报  2020, Vol. 63 Issue (3): 789-801   PDF    
青藏高原地球物理与大陆动力学研究的新进展
李秋生1, 高原2, 王绪本3, 赵俊猛4     
1. 自然资源部深地动力学实验室(筹建), 中国地质科学院地质研究所, 北京 100037;
2. 中国地震局地震预测研究所, 北京 100036;
3. 地球勘探与信息技术教育部重点实验室(成都理工大学), 成都 610059;
4. 中国科学院青藏高原研究所, 北京 100101
摘要:岩石圈地球物理探测、深部结构成像与各向异性等研究是青藏高原大陆动力学研究的基础.近年来,随着深部地球物理探测技术和反演成像技术的进步,信息提取与细节分辨能力不断提升,青藏高原壳幔结构、碰撞和隆升动力学、资源与地质灾害的深部机制等研究进展显著.本专辑收录33篇论文,主要分布在深部结构与地球物理探测、地震各向异性与变形、断裂性质与地震活动等三个主要研究领域.本文重点围绕这些论文,对近年来青藏高原地球物理研究进展进行综述.
关键词: 青藏高原      地球物理探测      地壳-上地幔结构      深部构造      变形      断裂      地震     
New research progress in geophysics and continental dynamics of the Tibetan Plateau
LI QiuSheng1, GAO Yuan2, WANG XuBen3, ZHAO JunMeng4     
1. Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Key Laboratory of Deep-Earth Dynamics(in building), Ministry of Nature Resources, Beijing 100037, China;
2. Institute of Earthquake Forecasting, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China;
3. Key Laboratory of Earth Exploration and Information Technique of Education Ministry(Chengdu University of Technology), Chengdu 610059, China;
4. Institute of Tibetan Plateau Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
Abstract: Lithospheric geophysical exploration, structural imaging and anisotropy are the basis for the study of continental dynamics of the Tibetan Plateau. In recent years, with the advancement of deep geophysical exploration technology and inversion imaging technology, and the continuous improvement of information recognition and resolution, researches on crust-mantle structure, dynamics of collision and uplift, and deep mechanics of resource and geological hazards in the Tibetan Plateau have made remarkable progress. The 33 papers in this special issue are mainly distributed in three major research fields, i.e. the deep structure and geophysical exploration, the seismic anisotropy and deformation, the fault and seismicity. Based on the papers in this special issue, this review makes comments on research progress of geophysics of the Tibetan Plateau.
Keywords: Tibetan Plateau    Geophysical exploration    Crust-upper mantle structure    Deep tectonics    Deformation    Fault    Earthquake    
0 引言

青藏高原深部地球物理与大陆动力学是国际地学界多年来一直重点关注的科学领域,青藏高原岩石圈变形特征、动力学过程及其资源环境效应是地球科学的研究前沿(滕吉文等,2019).印度大陆向欧亚大陆的东北向挤入导致青藏高原地壳垂向增厚,岩石圈强烈变形,深部物质发生流动和迁移,应力作用不仅在高原内部,甚至向高原外围传递并与周围块体发生相互作用,形成一系列新生代构造、地貌,伴随着地震活动和环境的演变(Royden et al., 1997; Kosarev et al., 1999; Tapponnier et al., 2001; 杨文采等,2019).地球物理观测获得的波速结构、电性结构、密度分布以及地震各向异性图像等,对于理解青藏高原碰撞效应、物质运移等深部过程以及块体的相互作用,进而探索青藏高原的隆升及扩张机制具有重要的科学意义(Kind et al., 1996; Kosarev et al., 1999; Clark et al., 2005; Zhao J M et al., 2006; Zhao G Z et al., 2008; Bai et al., 2010; Yao et al., 2010; Zhang Z J et al., 2011; 杨文采等,2015; Chen et al., 2015; Wu J et al., 2015; Wu C et al., 2019).早期的国际合作青藏高原与喜马拉雅深部剖面探测(INDEPTH)计划(Zhao W J et al., 1993, 2001; Nelson et al., 1996)和后来的中国深部探测技术与实验研究重大专项SinoProbe(董树文和李廷栋,2009; Gao R et al., 2013),包括不同时期的其他若干个青藏观测计划,在青藏高原深部地球物理探测和大陆动力学领域取得了一系列重要科学进展.

中国大陆是全球大陆地震发生最为频繁的地区之一,青藏高原是大陆俯冲碰撞造山、构造演化与孕震环境等研究的理想野外实验室.伴随着隆升和扩展,青藏高原构造活动强烈,在与周缘块体的相互作用下,青藏高原内部及边缘地带形成数条巨型逆冲和走滑断裂带,该区域是中国大陆地震发生频度最高、强度最大的区域.青藏高原的应力环境、介质变形、深部构造、孕震环境及地震活动性等科学问题一直是地球物理学界关注的重点(Teng et al., 1987; Royden et al., 1997; Gao Y et al., 2000, 2019; Zhao J M et al., 2010; Nábělek et al., 2009; Yao et al., 2010; Zhang Z J et al., 2011; Shi et al., 2020).

近年来,在国家自然科学基金、科技部国家重大研发计划、以及行业科研专项等项目的持续资助下,在青藏高原内部及周缘布设了大量的流动地震观测台阵、大地电磁观测、GPS和重力观测台站,获得了针对局部构造问题的更高观测精度、更密观测密度的大量新资料.为了有效地展现最新研究成果,推进对青藏高原及周缘深部地球物理与深部构造的研究,就青藏高原壳幔结构、深部构造、各向异性、动力学机制、地震活动与地质灾害等科学问题进行深入交流,中国地球物理学会中国大陆动力学专业委员会与固体地球物理委员会联合,连续几年每年组织一次WTGTP研讨会(青藏东部构造与地球物理研讨会),并把WTGTP作为学术交流年会,取得了不少研究进展.为及时展示和交流基于最新资料的研究成果,《地球物理学报》编辑部组织了这期“青藏高原固体地球物理与大陆动力学”专辑.

本专辑收录学术论文33篇,这些研究成果主要分布在深部结构与地球物理探测、地震各向异性与变形、断裂性质与地震活动等研究领域.从研究方法和研究方向角度看,这些论文全面地覆盖了固体地球物理的主要研究内容,还有一些论文涉及到与地质及大地构造等其他学科的交叉.具体来说,在深部结构与地球物理探测领域有19篇论文,涵盖了地震学(地震深反射、接收函数、背景噪声、层析成像)、重力学、大地电磁学、地热学等学科;在地震各向异性与构造变形领域有7篇论文,包括各向异性综述、体波与面波各向异性、块体与断裂构造变形;在断裂性质与地震活动领域有7篇论文,涉及地震活动数值模拟与地震危险性、断裂带成像、震源参数与破裂、地震活动性和地震滑坡.从成果的资助项目来看,第一资助为国家自然科学基金的14篇、国家重点研发计划10篇、其他资助9篇(包括地震科技星火计划,SinoProbe专项、政府间国际科技创新合作重点专项、中央科研院所基本科研业务费项目).

以专辑形式刊载青藏高原固体地球物理与大陆动力学研究最新进展,展现了学术期刊服务读者面向社会的重要举措,有益于青藏高原地球物理研究成果的集中展示和深入交流.本专辑论文,一部分是从2017年第五届和2018第六届WTGTP两次学术研讨会的精选成果,一部分是自由投稿,全部稿件由《地球物理学报》编辑部主导进行了严格的同行评审.本文以专辑论文的主要研究内容和关注的主要科学问题为线索,介绍相关研究领域取得的最新进展,包括亮点和新认识,供地球物理、地震学,特别是青藏高原深部构造与深部动力过程等研究领域的学者们参考、质疑或争论,以推动青藏高原固体地球物理与大陆动力学研究的进步.

1 深部结构与地球物理探测

地球的壳幔结构一直是固体地球物理学的重要研究内容.青藏高原内部、周缘不同构造块体接触前缘地带的壳幔结构及其深部动力机制仍然存在许多不确定性和学术争议.研究表明,青藏高原壳幔结构呈现显著的不均匀特征,有着巨厚的地壳与较薄的岩石圈,地壳厚度在青藏内部约75 km,在周缘则大致为55~65 km,地壳内存在低速软弱层(Kind et al., 1996; Nelson et al., 1996; Nábělek et al., 2009; Zhang Z J et al., 2011; Teng et al., 2013; Gao R et al., 2016).但青藏高原的物质运移机制是否为下地壳流,或者下地壳流是否普遍存在,目前仍然存在争议(Royden et al., 1997; Clark et al., 2005; Bai et al., 2010; Yao et al., 2010; 滕吉文等, 2012; Liu Q Y et al., 2014; 王琼和高原, 2014; Wang Q et al., 2016).

地震波是揭示地球内部结构和物质属性的最有效工具之一.随着分析技术的发展,地震波不仅可以用于研究地球内部物质的速度、密度、岩石刚度等属性,还可以用于探讨相关物性参数的变化,识别出深部物质的运动和动力学信息.青藏高原巨厚地壳造成地震波下传能量严重衰减,获取下地壳和莫霍面有效反射曾经面临巨大的挑战(董树文等,2012),SinoProbe专项在青藏高原腹地的深地震反射剖面探测实验中用大炮激发突破了这一技术瓶颈(卢占武等,2009; Gao R et al., 2013).深反射地震剖面擅长揭示地壳结构的关键细节,Gao R等(2016)通过追踪3条跨雅鲁藏布江缝合带剖面上Moho和主喜马拉雅逆冲断裂(MHT)的反射行迹,发现北向俯冲的印度板块地壳主体没有进入拉萨地体,而是以多重地壳岩片叠置(Duplex)反向逆冲方式沿MHT折返,参与喜马拉雅山隆升.

前人的地球物理的深部结构与地球物理探测研究,在青藏高原内部和构造边缘地区取得了重要科学认识,也展示了存在的研究难点和学术争论.多年来,地球物理各学科正是围绕这些重要的科学问题在典型构造区开展针对性观测和探索性研究.

1.1 青藏高原的电性结构、速度结构与各向异性

青藏高原内部与周缘地区深部结构研究是固体地球物理与大陆动力学研究的重要内容.杨文采等(2020)通过对多个测区大地电磁数据进行精细的同化处理和反演成像,获得青藏高原更准确的岩石圈三维电阻率结构图像,显示青藏高原现今岩石圈电阻率扰动主要反映印度克拉通对亚欧大陆板块俯冲引起的热流体运动和大陆碰撞、拆离产生的构造活动;研究结果表明,察隅地块、喜马拉雅地块和拉萨地块东部在岩石圈地幔联成统一的高电阻率地块,反映了向北东俯冲的印度克拉通,推测金沙江断裂带有切穿岩石圈的趋势,青藏高原东西部的地体碰撞拼合展现了不同的形态.瞿辰等(2020)整合了中国地震台网1978—2015年的数据,使用层析成像反演技术获得了青藏高原及邻域的三维P波速度结构,发现地壳低速区主要分布在拉萨和羌塘块体内部,随着深度的增加逐渐扩大到松潘—甘孜块体,但地壳低速区之间多被高速带分隔、限制,暗示地壳中、下部的韧性变形发生在特定的区域,不支持大规模横向流动.研究发现,地幔低速区集中在羌塘、松潘—甘孜和喜马拉雅东构造结附近,认为地幔上涌仅是多种壳幔相互作用的形式之一.郭铁龙和高原(2020)利用固定地震台网(2009年5月—2017年5月)的观测资料,开展了青藏高原上地壳各向异性研究;采用微震识别定位方法,通过对连续地震波形进行检索,识别并定位了公开地震目录里遗漏的小地震(微震)事件波形,极大增加了可用于剪切波(S波)分裂分析的有效数据量;拉萨地块东部地区,快S波偏振优势方向为NS或NNE,表明是区域最大主压应力方向,昌都和察隅地区的快S波偏振方向展现与构造线(或断裂)走向一致,也与青藏高原东部物质运移的可能方向巧合.

1.2 关键构造部位的深反射地震剖面探测

深部结构的地震学研究大致可分为天然源壳幔结构地震观测成像和人工源地震剖面探测两个主要研究方向.在人工地震勘探研究领域,深反射地震剖面能提供多种可信的反射体几何模式,包括碰撞、剪切、滑脱、推覆等构造信息(杨文采等,2020).酆少英等(2020)用一条220 km长的深反射地震剖面15个大炮资料的单次叠加成像,研究了青藏高原侧向碰撞带成矿的深部构造背景,揭示大型滑脱构造的拆离面出现于兰坪—思茅地块东缘和扬子地块西缘,获得了岩石圈骨架结构,分析了剖面下方地幔岩石圈汇聚、地壳解耦变形的分层动力学模式,得到的区域岩石圈结构明显不同于正向碰撞带地壳缩短垂向增厚为主要特征的“冈底斯模式”.该研究有助于全方位完整理解青藏高原碰撞造山的岩石圈变形行为,为构建大陆碰撞成矿理论框架补充了一个关键构造部位的结构图像.于洋等(2020)基于深反射地震剖面高分辨率的反射图像对特提斯喜马拉雅拉昂错蛇绿混杂岩体的构造归属进行了运动学分析;发现拉昂错蛇绿岩体为雅鲁藏布江缝合带蛇绿岩体的一部分,与雅鲁藏布江蛇绿岩体在上地壳深处呈倾向相反但底部相通的几何结构,不支持拉昂错蛇绿岩体为独立的小洋盆遗存的解释,对一直存有争议的该岩体的构造归属问题给出了自己的判断,从而丰富了对雅鲁藏布江缝合带细结构的认知.

长期以来,青藏高原东缘的深部构造一直是地球物理研究的重点地区.在青藏东南缘,深反射剖面被用于揭示侧向碰撞成矿带的深部背景(酆少英等,2020),青藏东北缘越过六盘山、祁连山的探测为查明高原内部块体与外围块体的构造转换关系打下了基础(王海燕等,2012).青藏高原内部的地震探测也逐渐完善,青藏高原内部的深反射剖面形成了1条北东向长剖面(总长度700 km以上),仅剩的可可西里空白区(约300 km),第二次青藏高原综合科考中将覆盖该空白区.随着深反射地震剖面在青藏高原探测程度的继续提升,一些长期争议的关键科学问题,例如碰撞造山带尺度、岩石圈变形与演变、岩石圈变形垂向变化及耦合关系等,都将会得到解决.

1.3 青藏高原东缘地壳结构成像与地壳厚度变化及其深部构造意义

地震体波、面波成像一直是了解现今地壳上地幔的岩性和构造形态的重要途径.无论是体波还是面波层析成像都显示出青藏高原上地幔存在低速异常,Sn波在青藏高原腹地不能有效传播,尤其在羌塘地块下方和松潘—甘孜地块较为明显(Barazangi and Ni, 1982; 苏伟等, 2002; 裴顺平等, 2004; Zhou and Murphy, 2005).根据这些观测结果,除了缩短增厚、构造岩片叠加、挤入折返等形式之外,研究者开始考虑青藏高原的流变学结构模型,探讨地壳韧性变形或横向流动的可能性、边界条件对高原隆升和侧向扩展的影响等问题.使用测线式分布的流动地震台阵,利用接收函数分析约束了北向俯冲的印度板块Moho在藏南的形态(Yuan et al., 1997; Nábělek et al., 2009), 揭示了印度板块在羌塘地体下的拆沉(Kosarev et al., 1999)和印度板块与亚洲板块朝向高原中部双向汇聚的模式(Kind et al., 2002; Kind and Yuan, 2010; Zhao W J et al., 2011; Ye et al., 2015).

基于远震波形记录的接收函数方法属于被动源探测方法,接收函数方法以其对地球内部结构不连续面敏感的特点,在Moho界面,岩石圈-软流圈(LAB)成像方面具有优势,已经广泛应用于青藏高原及周缘地体的壳幔结构成像研究.在青藏东北缘和东南缘,接收函数研究取得新的结果.黄柳婷等(2020)用一窄条状流动地震台阵数据对获得鄂尔多斯西部及邻区地壳结构成像,在获得Moho深度及其变化基础上,利用接收函数的幅度信息,分析了Moho速度跃变率,推测速度跃变率较大的北部下地壳可能发生部分熔融.陈一方等(2020)使用喜马拉雅Ⅱ期地震台阵部分探测数据对位于鄂尔多斯西北缘地壳结构成像,获得了研究区Moho深度和鄂尔多斯块体下方的康拉德界面,以S波速度可以鉴别介质是否容易发生物理变形为依据,推测鄂尔多斯块体西缘北段和贺兰山以西70~80 km范围内均存在局部地壳发生增厚变形的可能性.董蕾等(2020)利用固定地震台站资料,研究了青藏高原东南缘Moho面上的S波速度和密度跃变特征,显示四川盆地和松潘—甘孜块体南部具有高泊松比、速度与密度跃变较小的特征,推测其下地壳铁镁质含量较高,而腾冲、汶川、则木河断裂的石门坎至东川段则属于高泊松比、速度密度跃变较大的地区,推测壳内可能存在部分熔融.

地震层析成像方法是研究局部构造精细结构的有效方法,体波反演与面波层析成像在青藏高原及其周缘地区都得到了很好的应用.付媛媛和肖卓(2020)使用喜马拉雅Ⅱ期三分量连续地震波形数据,采用背景噪声成像方法获得了青藏东北缘地区的Rayleigh和Love波的二维相速度分布图像;6~12 s的Rayleigh和Love波相速度在鄂尔多斯盆地及银川—河套地堑呈现明显的低速异常,而在西秦岭造山带和中亚造山带则显示高速异常;16~25 s的相速度在祁连地块和松潘—甘孜地块北部呈现大范围相速度低速异常,青藏高原周边的鄂尔多斯和西秦岭造山带表现为高速异常,认为相速度的横向不均匀性与构造活动有关.曾求等(2020)收集50个流动地震台站三个月观测记录的垂直分量连续波形记录,用噪声成像方法获得四川威远地区近地表 5 km以上的三维S波速度模型,该结果可为地震工程、页岩气开采等研究提供参考.莘海亮等(2020)利用区域地震台网1970—2015年期间记录的天然地震到时数据,采用双差地震层析成像方法对海原弧形构造区地壳三维速度结构与地震震源位置进行联合反演,获得了高分辨率的三维VPVS以及VP/VS模型,讨论了速度、波速比分布与强震发生以及断裂等之间的关系;海原—六盘山断裂带、青铜峡—固原断裂带等大型断裂两侧地震波速差异较大,海原地震震源下方下地壳存在低速、高导薄弱层,历史强震多处于高低速过渡区域,但没有与肖卓和高原(2017)在相同地区用相同方法的研究结果进行对比是一个缺憾.刘冠男和王志(2020)通过总数超过45万条的P波和S波的地震走时数据反演,得到了鲜水河、安宁河断裂带的P波、S波以及泊松比的三维结构模型;鲜水河、安宁河断裂带有多个低速高泊松比异常区,为深部流体或部分熔融物质上涌所致,大范围分布的流体提高了孕震层的孔隙流体压力,削弱了断层面之间摩擦力,在断裂带形成了强地震活动性的区域;断裂带附近的地震触发与固体潮剪切应力的变化密切相关,在大量流体分布的区域地震事件可能对固体潮更敏感.

1.4 重力异常资料用于青藏高原东缘有效弹性厚度、构造特征与地震活动分析

布格重力异常场是不同深度、不同形态、不同规模的地质体的综合反映,通过对重力异常的处理和反演,可以提取地壳内部地质体的分布、断裂及构造特征等信息,推算青藏岩石圈有效弹性厚度(Jordan and Watts, 2005; 李永东等, 2013),并可用于探讨与地震活动的关系(Wu and Gao, 2019).

重力异常资料反演获取岩石圈有效弹性厚度和密度分布,并用于讨论区域构造和地震活动的深部机制.杨光亮等(2020)基于SIO(Scripps Institute of Oceanography)最新全球重力和高程模型,计算了巴颜喀拉地块东部及邻区的布格重力异常、均衡重力异常、岩石圈有效弹性厚度及荷载比,分析了地壳均衡状态和岩石圈有效弹性厚度、地质构造单元间的差异及与地震活动的相关性特征;巴颜喀拉块体东部区域形成弧形重力梯度带,近年来中强地震活动频发于该梯度带不同部位;岩石圈有效弹性厚度很小,重力非均衡(正或负)多出现于块体边界带附近,地震与这种均衡重力异常区域有关.胡敏章等(2020)基于EIGEN6C4布格重力异常和SIO V15.1地形数据,利用三维有限差分方法计算得到青藏高原东南缘岩石圈有效弹性厚度分布很不均匀,四川盆地和喜马拉雅东构造结岩石圈有效弹性厚度最大,巴颜喀拉块体东部、川滇菱形块体大部、滇西等地区岩石圈强度弱,有效弹性厚度较小,滇南地区岩石圈有效弹性厚度大于滇北;岩石圈有效弹性厚度小的地区与壳内低速、低阻/高导层分布有很好的对应关系,推测壳内岩石的部分熔融造成岩石圈强度较弱.王鑫等(2020)对青藏高原东北缘地区的布格重力场进行了反演与分析,显示布格重力场特征具有明显的分区性,表现出鄂尔多斯盆地异常值高、阿拉善块体次之、青藏高原块体低的特点,海原弧形断裂系形成了一条宽缓的弧形重力梯度条带,地壳较为活动,易发生中强地震;鄂尔多斯盆地相比于青藏高原块体,场源强度值(密度值)高且深度稳定,青藏高原块体中下地壳广泛分布着低密度异常体;青藏高原块体向东北扩展,经过几大断裂系的调节后运动矢量向东或东南转化;壳幔尺度的变形是连贯的,不符合下地壳流动力学模型.吴桂桔等(2020)采用重力归一化总梯度成像和二维小波多尺度分解方法对重力异常进行了垂向和横向构造分析,重力归一化总梯度成像结果与区域断裂分布吻合较好;利用二维小波多尺度分解成像,推断正谊关、贺兰山西麓、芦花台、银川断裂为上地壳断裂,贺兰山东麓、青铜峡—固原、黄河断裂为下地壳断裂,1739年平罗M8.0古地震的发震构造是银川断裂.

1.5 大地电磁测深在青藏高原东缘深部结构与深部构造活动研究中的应用

大地电磁(MT)测深法是一种利用电磁场研究地球电阻率结构的天然源电磁方法,是探测地球深部结构的主要方法之一.经过多年持续努力,大地电磁测深的调查区域已经覆盖了青藏高原大部分区域,为青藏地区高精度三维电阻率成像研究打下了可靠的基础(杨文采等, 2015, 2020王绪本等,2017),而大地电磁测深资料反演获得的壳内高导层分布也为下地壳流的讨论提供了重要资料(Zhao G Z et al., 2008; Bai et al., 2010).

青藏高原东部构造边界地区的大地电磁测深,研究工作遍及青藏东南缘、东北缘和东缘龙门山断裂带两侧.为查明滇西三江构造带及邻区复杂的构造特征及深部电性结构,罗愫等(2020)对福贡—巧家一条长约410 km的大地电磁剖面观测资料进行反演,获得了剖面的壳幔电性结构,揭示沿剖面电性结构由西往东呈分块展布,横向变化大,壳内广泛发育低阻异常;研究结果显示中甸构造带和盐源—永胜构造带深部存在大规模低阻异常,认为可能与局部熔融和热流有关;康滇构造带深部存在大规模高阻异常,推测有地幔物质侵入;在大凉山构造带中下地壳有半月形展布的低阻体,推测与地壳管道流有一定关联.李宝春等(2020)利用跨龙门山断裂的大地电磁测深剖面资料得到了岩石圈电性结构,通过比较高温高压岩石物理实验结果,计算了青藏东缘上地幔热结构及熔融百分比分布模型,把上地幔高导体解释为高温作用产生的局部熔融;龙门山断裂带下方的上地幔高阻体温度低于断裂带两侧的松潘—甘孜地块和四川盆地西缘,具有较冷的刚性块体特征,四川盆地东部上地幔温度最低,符合古老稳定的克拉通块体特征.赵凌强等(2020)对一条穿过西秦岭、陇西盆地、祁连山冷龙岭隆起和阿拉善地块的长约460 km的SW-NE向MT剖面和西侧的另一条大地电磁剖面数据进行了三维反演成像,并讨论了与地震活动的关系;祁连—西海原断裂带表现为略向西南倾斜的大型电性边界带,断裂两侧地块的深部电性结构呈现出截然不同电阻率分布特征.有趣的是,地震观测研究也在该研究区东侧的海原断裂带两侧发现地震各向异性特性截然不同,这个巧合进一步支持了海原断裂带可能是青藏块体的东北缘地壳边界的观点(Shi et al., 2020).

1.6 青藏东南缘的大地热流及其地震活动关联性

青藏高原的大地热流值分布可以揭示区域构造活动性的差异,地壳大地热流分布与地壳放射性元素富集程度有相关性(汪集旸和黄少鹏, 1990).利用中国陆域居里面深度图,唐晗晗等(2020)结合放射性元素分布计算地壳不同深度的热导率,估算了青藏高原东南缘的大地热流分布,大地热流值呈现西南高、东北低的趋势,地壳内部热流值随深度的增加而降低;地震事件频度高的区域与地热梯度带两侧一定深度范围内存在明显物性差异明显相关.

2 地震各向异性与变形 2.1 青藏东南缘精细各向异性研究揭示地壳介质变形特征及其构造意义

地球内部广泛存在地震各向异性现象,剪切波(S波)分裂与体波/面波各向异性成像是揭示地震各向异性的两个主要研究方向(Trampert and van Heijst, 2002; Crampin and Peacock, 2005; Gao Y et al., 2019; Huang et al., 2003; Fu et al., 2015; 王怀富等, 2020).S波分裂与体波各向异性具有较好的横向分辨率,而面波各向异性的优势在于其较高的垂向分辨能力(Yao et al., 2010; 易桂喜等, 2010; Gao Y et al., 2010, 2011).研究表明,中、上地壳各向异性主要受原地的主压应力场约束,接收函数的各向异性则主要反映的是Moho面以上地壳介质的物性,远震XKS(SKS、PKS和SKKS的统称)分裂揭示的各向异性则是软流圈与岩石圈各向异性的综合反映,软流圈及中、下地壳的流变学特征仍是影响XKS分裂快波方向和慢波时间延迟(即快、慢波的时间差)的重要影响因素,也是需要深入探讨的研究方向(Gao and Crampin, 2004; Sun et al., 2012; 王琼和高原, 2014; Chen et al., 2015; Fu and Li, 2015; Liu Q Y et al., 2014; Wu J et al., 2015; Wu C et al., 2019; Wang Q et al., 2016; 高原等, 2018, 2020; Liu C et al., 2019; Shi et al., 2020).

除了前面已经介绍的青藏高原内部上地壳各向异性结果(郭铁龙和高原,2020),青藏东南缘各向异性在本专辑中有相对集中的展示.高原等(2020)给出了青藏东南缘地震各向异性的整体图像,这篇综述文章通过整合和新增部分资料,把近场小震、远震和背景噪声反演得到的各向异性研究按照不同深度尺度进行了重新绘制,更新了青藏东南缘岩石圈方位各向异性图像,讨论了各向异性揭示的深部构造意义;青藏东南缘地震各向异性展现出独特的区域空间分布和垂向层次性分布形态,文章明确给出方位各向异性分区的南北分界线大约在26°20′N,推测分析了深部构造成因;发现红河断裂带西北端部和小江断裂带下方的两个下地壳低速区方位各向异性程度比周围更强,认为小江断裂带是华南地块的地壳西边界,但没能阻挡华南地块上地幔物质的西向.海原断裂带是青藏块体的地壳边界构造属性的分析,同样也是主要基于各向异性资料进行的约束(Shi et al., 2020).

远震瑞利面波方位各向异性展示了更精细的图像.王怀富等(2020)收集了540个宽频带流动地震台站记录的远震面波资料, 获得了青藏高原东南缘瑞利面波相速度和方位各向异性分布图像;短周期面波方位各向异性分布可能受断裂带和区域构造应力场的共同控制,随着深度增加,川滇块体北部的次级块体方位各向异性快波方向从NS向逐步转变为NE-SW方向;文章讨论了面波各向异性、下地壳通道流与断裂和块体构造运动的关系.吴鹏等(2020)利用青藏东南缘三江地区小型流动地震观测台阵6个月的观测资料,结合固定地震台站资料,运用S波分裂得到了跨川滇块体西侧边界的局部上地壳各向异性的初步分布结果;区域快S波优势偏振方向自西向东从NNW变为NS方向,有顺时针变化趋势.从趋势上看,这个初步结果与更多资料给出的更精细的各向异性结果基本一致(Gao Y et al., 2019),但细节上有差异.

此外,陈一方等(2020)基于地壳结构推测鄂尔多斯块体西缘北段存在地壳增厚变形的可能,刘冠男和王志(2020)推测断裂带附近的地震触发与固体潮剪切应力变化(从而导致介质变形)有关.以上研究表明,地震各向异性(无论构造诱发或应力诱发)与介质变形是重要的研究方向,可用于分析应力环境和深部构造,特别在壳幔动力学研究中能发挥独特而有效作用.

2.2 GPS资料结合地震资料约束构造变形、断裂带滑动与变形

利用GPS资料可以获得地表运动状态,计算地表变形状态,在探讨块体的构造变形、反演断裂带滑动速率、分析断裂带两侧介质的变形状态等方面非常有效(Gaudemer et al., 1995; Gan et al., 2007; Diao et al., 2018),可以结合地壳介质的黏弹性研究地震活动性(Diao et al., 2019).

现今断层运动和变形状态结果显示,丽江—小金河断裂带两侧地块地壳变形差异显著(刘晓霞和邵志刚,2020),GPS速度剖面展现断裂带两侧存在地壳变形不连续现象;以木里为界,丽江—小金河断裂带北东段断层强闭锁从地表延伸至15 km深度左右,西南段断层闭锁程度较高的区域在5~15 km深度,浅层表现为弱闭锁的状态,西南段的背景滑动速率明显高于北东段;数值模拟分析结果表明,西南段的浅层左旋滑动对北东段闭锁区和西南段深部强闭锁区有正影响.简慧子等(2020)基于近二十年GPS速度场资料,构建了青藏高原东北缘的右旋走滑断裂——鄂拉山断裂的运动学模型,并对该断裂的现今震间滑动速率和闭锁状态进行了探讨,结果表明鄂拉山断裂的闭锁深度约为15 km,深部的滑动速率为5.0±1.5 mm·a-1;文章讨论了断层闭锁状态沿走向的变化,认为断层中段的强闭锁是几何形态凹凸变化引起,计算凹凸体上滑动亏损产生的等效地震矩积累率大致等同于MW5.6地震的能量水平.潘正洋等(2020)结合区域GPS应变场、地震应变场与震源应力场资料分析了帕米尔高原的构造形变特征,印度板块向北推挤与天山造山带碰撞导致帕米尔高原不对称的径向逆冲是帕米尔高原现今构造变形的主要成因与构造模式.

3 断裂性质与地震活动 3.1 密集小孔径流动地震台阵断裂带成像、地震活动性及震源性质

活动断裂的性质及断裂带周围区域的深部结构是理解地震孕育和发生过程的基础.活动断裂带成像、发生大地震之后的断裂带地震活动性强弱和地震震源参数都可用于对断裂带深部介质物性和应力状态进行解析(Li and Leary, 1990; Ben-Zion et al., 2003; Zhang and Thurber, 2003; Li and Peng, 2016; Wang C L et al., 2018),应力状态及其变化与地震的发生有密切关联(Gao and Crampin, 2004; Xiong et al., 2010; Shan et al., 2013),深部结构、应力、地震活动与断裂特性的综合分析将非常有助于对断裂和孕震的正确认识.

近年来,利用断裂带首波的走时、振幅、频谱和偏振特征确定断裂带内部精细结构和速度差异的方法发展迅速.2010年4月14日发生了MW6.9玉树地震,杨微等(2020)利用震后布设的流动地震台站,对沿着甘孜—玉树断裂带传播的断裂带首波进行了识别和成像;甘孜—玉树断裂带西段的结隆拉张盆地附近的台站沿断裂带界面的平均纵波速度差异值高于其他区域;结隆盆地是一个长为~40 km、宽为5.35~5.97 km、深度不超过5 km的地表浅层低速区,分别与巴颜喀拉块体(NE)和羌塘块体(SW)形成了两个物性差异界面.利用布设于汶川地震与芦山地震之间地震空段的密集流动地震台阵一年多的观测数据,黄焱羚等(2020)获得了完备性震级为0级的地震目录,为地震活动的时空分布研究和孕震风险性评估提供了基础数据;定位结果显示,小地震活动主要集中于龙门山断裂带深度为5~20 km的孕震层内;地震空段仍处于缓慢的应力调整阶段,宝兴、彭灌两个杂岩体西北侧地震活动频繁,反映了青藏高原物质的东向挤出作用;发现一个长约30 km、宽约20 km的地震活动“空白”区域,推测与部分熔融产生的低速体有关.利用紫坪铺水库地震台网记录到的汶川地震主震P波波形资料,宫猛等(2020)反演了2008年5月12日汶川MW7.9地震起始破裂的时空演化过程,通过分析地震起始破裂阶段破裂点在三维空间内的分布特征,确定了本次大地震起始破裂位置及起始破裂断层几何结构模型.李国辉等(2020)使用东喜马拉雅构造结地区的宽频带流动地震台站记录的波形数据,结合国内外地震台网的波形和到时资料,对西藏墨脱MS6.3地震的震源位置、震源机制和破裂过程进行了重新确定,得到该地震的震源深度为地表以下13.3±1.6 km.

此外,王鑫等(2020)吴桂桔等(2020)基于重力资料分别讨论了中强地震发生的深部孕震环境和1739年平罗M8.0古地震的发震构造;赵凌强等(2020)根据MT资料,推测研究区域内几个6级以上地震的震源处于具有高阻特性的古浪推覆体之中;唐晗晗等(2020)讨论了青藏东南缘的地震发生频度与大地热流值的关系.这些研究表明,地壳结构、断裂与地震的关联性受到了广泛的关注.

3.2 地震危险性模拟预测与地震诱发灾害研究

地震学的发展归因于人类抵御地震灾害的需要和认识自然的好奇心.研究固体地球介质中地震的发生规律,服务于人类社会对地震灾害防御的需求,一直是地震学研究的重要方向.板块构造理论用板块运动及相互作用解释板缘地震的成因和规律,但难以解释板内强震(亦称大陆地震)的发生机制.区域中长期地震危险性分析与社会经济发展和生命财产安全有关,地震活动的数值模拟可用于地震危险性分析.

数值模拟研究需要了解初始构造应力场,但准确的初始构造应力信息是无法获知的.董培育等(2020)基于岩石库仑-摩尔破裂准则,利用青藏高原及邻区百年历史范围内的强震信息,反演估算该区域的初始应力场,考虑区域构造应力加载及强震活动造成的应力扰动共同作用,模拟重现了历史强震的发展过程,得到了青藏高原及邻区未来的地震危险性概率分布图, 给出了未来强震危险性概率较高的地区.程佳等(2020)使用一种全球地震模型软件,尝试建立了川滇地区地震危险性预测模型,该模型考虑了地震分布与断层模型,计算出地震动加速度峰值分布图.

大地震往往会引发山体滑坡造成灾害,历史地震的震源参数、发震构造及震害研究可以对现今活动断裂、地震活动和地震灾害研究有启发意义.徐岳仁等(2020)基于历史文献分析和滑坡数据库,采用遥感解译、野外验证等方法,分析了1718年通渭M7.5地震的滑坡分布;研究认为,在黄土高原地区,可以利用现今多时相的高分辨率卫星影像解译获得“相对完整”的历史地震滑坡数据,为历史强震震源参数的修订提供基础资料.

4 结语

青藏高原岩石圈变形特征、动力学过程以及对资源分布和地震活动的影响研究是地球科学的前沿领域.随着探测技术体系的完善、成像方法的成熟和分辨能力的不断提升,青藏高原及邻区的地球物理探测与区域观测未能覆盖的盲区越来越少,壳幔几何结构、波速结构、各向异性分布、重力和电性结构等图像也越来越清楚,这些研究结果对于理解青藏高原碰撞效应、物质运移以及不同块体间的相互作用,促进青藏高原的隆升及扩张的动力学机制研究,解析地震活动和资源环境效应具有十分关键的作用.

从本专辑收录论文的研究领域分布来看,论文主要关注深部地球物理结构、动力学、地震各向异性、地震活动、断层几何与运动学特征等长期活跃的研究方向,尤以深部地球物理结构研究的论文为多,表明深部地球物理结构仍然是最基础也是最前沿的研究领域.本文没有完全按照学科研究领域展开,主要是兼顾具体研究的问题进行评述.

国家自然科学基金委近年来启动了“战略性关键金属超常富集成矿动力学”、“特提斯地球动力系统”、“西太平洋地球系统多圈层相互作用”等重大研究计划,将为相关的地球物理研究注入动力.当前,国际上发展较快的背景噪声成像方法和密集地震台阵探测方法开始应用于青藏高原研究,在方法改进、数据分析与构造意义探讨等方面也有一些创新尝试,取得了显著的研究进展.

紧跟观测技术和分析技术的进步,融合不同观测精度、不同观测尺度、不同观测手段的资料,开展多学科多手段的综合研究,结合静态描述、运动学分析和动力学探索,深化青藏高原地球物理与大陆动力学研究,将有助于我国在青藏高原系统科学研究方面站在世界的前列.

本专辑是在我国万众一心共抗新冠病毒(2019-nCoV)疫情的特殊时期完成的,借此机会,向所有努力工作的作者、评审人、编辑表示感谢!尤其是,向武汉的作者们致敬!

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