中國東北地區巖石圈有效彈性厚度及構造涵義研究

常金龍 陳 石 李冬妮 劉淑杰 雷凱悅

1 黑龍江省地震局,哈爾濱市鴻翔路24號,150090 2 黑龍江省地震局鶴崗地震監測中心站,黑龍江省鶴崗市蔬園鄉,154101 3 中國地震局地球物理研究所,北京市民族大學南路5號,100081 4 鶴崗市自然資源局,黑龍江省鶴崗市北紅旗路198號,154100

中國東北地區地處歐亞板塊東緣,受西太平洋板塊俯沖控制,區域地震活動相對活躍。該區域地震主要發生在塊體構造單元邊緣即斷裂帶附近,如依舒斷裂帶北段、海拉爾河斷裂和阿倫河斷裂及伊敏河斷裂縱橫交錯的扎蘭屯地區等[1],此外長白山地區地震活動也較活躍。目前東北地區地震活動性研究主要集中在時空分布特征方面,孕震機制研究相對較少。地殼巖石圈強度是聯系構造應力與內部變形的紐帶[2],深部構造是地震孕震和發生的場所,利用重力場資料反演巖石圈力學強度和深部構造特征,研究其與地震活動之間的關系,對于科學研判區域地震形勢具有重要意義。

巖石圈力學強度可以通過有效彈性厚度(Te)來量化,反映巖石圈在地表及地下荷載作用下抵抗變形的能力[3]。已有研究表明,Te值與地震活動密切相關。高Te值地區一般對應構造相對穩定區,地震較少發生;低Te值地區或陡變帶,往往是地震孕育的有利地帶[4-5]。地震活動不僅與巖石圈力學強度有關,也與深部密度結構相關。布格重力異?？梢跃C合反映地殼各方向巖性密度差異[6]。利用重力小波多尺度分析方法,可以將重力異常分解到不同尺度空間中,得到不同深度地質體密度橫向分布特征[7]。

目前對中國東北地區巖石圈有效彈性厚度Te分布、深部構造和地震活動特征的綜合研究較少。本文針對區域內地震重點監視地區(依舒斷裂帶北段、扎蘭屯地區、長白山地區),利用重力場和地形模型數據反演Te分布,采用小波多尺度分解結合徑向對數功率譜方法研究深部構造特征,分析其與地震活動之間的關系,討論可能的孕震機制。

1 數據和方法

本文采用的布格重力異常數據來自國際重力局(BGI)發布的WGM2012重力場模型,地形模型數據來自ETOPO1,地殼密度和地殼厚度采用Crust1.0全球地殼模型。地殼模型同重力場和地形數據均經過重采樣(5 km)和墨卡托投影處理,投影到平面坐標系下。

研究方法采用相關性法和導納法,具體參考文獻[4]。主要步驟為:構建巖石圈理論模型,計算地表地形和地表重力異常的理論預測相關度;根據實測地表地形和布格重力異常數據,計算實測相關度;采用非線性最小二乘求取與實測相關度最佳擬合的巖石圈彈性模型,得到Te和荷載比率F。導納法同相關性法類似,即選擇一定的巖石圈模型、計算理論導納值、與實測導納值比較。為達到更好的反演效果,常將相關性法和導納法結合。利用周期圖法求取地形和重力異常功率譜時存在頻率泄露,選用Fan小波譜分析方法可有效減少頻率泄露,提高功率譜質量,得到布格重力異常和地形的小波譜。

2 模型計算

為驗證相關性法結合導納法反演的可靠性和實用性,需進行理論模型實驗,Fan小波中心波數為5.336。首先對均一彈性厚度模型進行正演計算,給定初始模型參數,即巖石圈有效彈性厚度Te、地殼和地幔密度、泊松比、楊氏模量、地表和地下初始荷載及均衡深度。其中,Te分別給定為10 km、20 km、40 km、60 km、80 km、100 km,通過矩形迭代算法模擬初始荷載Hi和Wi,加載到巖石圈彈性模型中,計算撓曲變形,并采用Parker公式計算撓曲后由地下密度界面起伏引起的地表布格重力異常。然后以模擬的地表最終地形和地表布格重力異常數據作為輸入數據反演Te分布,結果如圖1所示。從圖中可以看出,反演結果均值和輸入模型參數基本一致,說明對于均一厚度的Te模型,Fan小波估計結果較為準確。隨著巖石圈厚度增加,反演結果均值低于給定模型值,內符合精度逐漸下降。東北地區Te值約在10～40 km之間,統計方差處于5 km以內,因此本方法可以在一定程度上較為有效地估算研究區Te值。

圖1 不同巖石圈Te反演結果

3 中國東北地區巖石圈有效彈性厚度分布特征

基于上述數據和方法,反演得到中國東北地區巖石圈有效彈性厚度Te及荷載比率F分布(圖2 )。從圖2(a)可以看出,研究區Te分布整體與地質構造較為一致,呈現出較明顯的依舒斷裂帶北段地區(A)、三江平原(B)、長白山地區(C)、松遼盆地(E)輪廓分布特征。

A:依舒斷裂帶北段;B:三江平原;C:長白山地區;D:扎蘭屯地區;E:松遼盆地

依舒斷裂帶北段地區(A)及西側狹長區域巖石圈有效彈性厚度Te較小,約為15.5 km,在與周邊地區連接處呈現陡變特征,反映該處巖石圈強度發生明顯變化,巖石抗變形能力相比周邊地區減弱,對應地震活動性相對較強。

扎蘭屯地區(D)Te約為24.5 km,巖石圈強度較強。荷載比率F沿穿過大興安嶺(G)布格重力異常梯度帶方向自東向西陡然增大(圖3),F值約為0.8,說明相比地表作用,該區域地下荷載作用更強。較大的重力梯度帶對應地下地殼厚度陡變帶,受構造擠壓運動和地下地幔對流作用共同影響,地殼內部會產生深斷裂帶,在深斷裂處應力作用較強,容易發生地震。

圖3 布格重力異常分布

長白山地區(C)巖石圈有效彈性厚度Te約為11.5 km,大致沿長白山走向分布,與王振宇[8]得到的長白山地區Te約為10 km的結果較為一致。結合地表構造特征和地幔熱結構推斷,西太平洋板塊俯沖到長白山地區古大洋巖石圈引起的熱地幔動力作用、下地殼塑性地殼流、熱上地幔和高熱狀態可能是降低巖石圈綜合強度,導致Te較低的主要影響因素。長白山地區巖石圈彈性較小,地殼較軟,在四周應力匯聚作用下,低強度的長白山地區巖石圈更容易變形,從而引發地震。

表1為不同區域反演的Te和F及標準偏差。圖4為依舒斷裂帶北段和扎蘭屯地區相關系數和導納值擬合曲線,可以看出,實測相關度和導納值與模型理論值擬合情況較為一致。

表1 不同區域Te及荷載比率F

圖4 相關性系數和導納值擬合曲線

4 結合深部構造分布分析Te與地震活動關系

收集區域內黑龍江省地震局正式編目目錄(ML震級,時間段為2007～2022年),繪制地震空間分布圖(圖5)。由圖可知,中國東北地區震源深度多分布在15～30 km范圍內,東部深度較淺,集中在10 km左右,西部相對較深,約為30 km。結合Te分布特征,東部依舒斷裂帶北段地區Te值較小,淺部巖石強度較小,容易破裂,因此該區域淺源地震相對活躍,并且地震多發生在依舒斷裂帶北段西側,與西側Te值較低具有很好的對應關系(圖2(a))。西部扎蘭屯地區Te值較大,淺部巖石相對較硬,不容易破裂,該地區地震多發生在深部。由于震源深淺和地殼深部構造密切相關,因此本文對區域深部構造進行分析。

圖5 震源深度分布特征

采用小波多尺度分解反演不同階數的小波逼近和小波細節。圖6(a)、(b)分別為二階和四階小波細節圖像,圖7(a)、(b)為采用徑向對數功率譜估算的地質體深度,計算結果分別為10.3 km和28.6 km。

圖6 重力場小波分解空間分布特征

圖7 估算場源深度

依舒斷裂帶北段地區在10.3 km深度處存在明顯的密度異常體,同時沿依舒斷裂帶至遼寧、長白山地區、虎林-雞西-牡丹江,在10 km左右深度處均存在較明顯的密度橫向差異,這些區域震源深度也多為10 km左右。扎蘭屯地區震源深度在24 km左右,與重力反演得到的28.6 km深部構造特征一致,反映出28.6 km深度處密度異常體橫向差異明顯,與地震活動密切相關。

5 結 語

本文對中國東北地區Te分布進行反演,并與布格重力異常多尺度分解得到的深部構造及地震活動特征進行對比分析,討論區域可能的孕震機制,得到以下結論:

1)中國東北地區淺源地震動力來源于西太平洋板塊俯沖。北緯40°～47°區域應力場受近東西向主壓應力系統制約(47°以北依舒斷裂帶北段主壓應力場為北東向),在日本海溝強震發生后,日本海板塊西向俯沖加速,同時深部俯沖作用引起地幔物質上涌,使東北地區受水平應力場和垂直應力場作用增強[9],受巖石圈結構和強度因素、地殼深部構造影響,各地震重點監視區易發生深度不同的地震。

2)依舒斷裂帶北段西側地區Te約為15.5 km,二階小波細節顯示地質密度異常體估算深度為10.3 km,反映出依舒斷裂帶巖石圈較軟,淺部橫向密度差異較大。該區域震源深度多為10 km左右,發震機制可能為在西太平洋板塊俯沖作用下,地殼淺層巖石破碎而發震,且該區域不易積累較大能量,震級多以小震活動為主。地質學研究也表明,依舒斷裂帶北段西側地區除受北東向主干斷裂控制之外,還受多條北西向次級斷裂影響。第四紀以來,在新構造運動背景下,下伏依舒斷裂帶和與其相交的次級斷裂共同控制上覆地層地震,形成多個圓形伸展破碎帶[10]。工程鉆井和槽探結果表明,斷層破碎帶尚未膠結,破碎帶分布位置與本文Te低值區和重力小波分解二階細節密度異常體較為一致。

3)扎蘭屯地區Te約為24.5 km,反映該區域巖石圈較厚,強度較大。小波分解結果顯示,區域淺部地質體橫向密度差異較小,巖石較完整,深部約28.6 km處存在密度異常體。區域震源深度約24 km,較深的地震活動可能與深部地質體構造運動或流體物質遷移活動有關。該區域已積累多年的流動重力資料,可提取和研究深部28.6 km范圍內物質遷移活動,為地震活動研判提供參考。

4)長白山地區Te較小,巖石圈強度較低,該地區地震活動相對活躍。西太平洋板塊俯沖到長白山地區古大洋巖石圈引起的熱地幔動力作用、下地殼塑性地殼流、熱上地幔和高熱狀態可能是顯著降低巖石圈綜合強度的因素,區域地震活躍可能與這些因素有關。

致謝：本文重力反演程序來自開源程序包GEOIST軟件包,巖石圈有效彈性厚度反演程序來自PlateFlex,部分圖件采用GMT繪制,在此一并表示感謝。