为研究华北盆地的地壳精细结构和断裂的深、 浅构造关系, 跨冀中坳陷、 沧县隆起、 黄骅坳陷和埕宁隆起完成了1条长约200km的深地震反射剖面和1条长66km的中—浅层地震反射剖面。结果表明, 沿剖面地壳厚30~35km, 且具有东薄西厚的分布特征, 在冀中坳陷下方, 莫霍面出现明显上隆, 其隆起幅度为2~3km。研究区上地壳反射结构具有凹隆相间的展布特征, 多条规模较大的断裂隐伏于华北盆地之下, 对该区隆起和坳陷的形成与发展具有重要的控制作用。剖面上一系列与主断裂同向或反向的次级断裂将研究区的上地壳切割为多个次级小型地堑或半地堑断陷, 导致整个华北盆地的上地壳结构复杂化。下地壳反射结构由一系列反射能量变化较大、 横向上不能稳定成层、 产状复杂多变的反射事件构成, 这与反射能量强、 横向连续性好及产状近水平展布的上地壳反射明显不同, 暗示研究区上、 下地壳物质有着明显不同的形成环境、 变形方式和温压条件。中—浅层地震剖面和深地震反射剖面共同揭示的太行山山前断裂表现为一条低角度的大型铲形正断层, 向下可与太行山东缘向E缓倾的大型滑脱构造(拆离断层)相联系; 沧西断裂、 沧东断裂和埕西断裂作为沧县隆起、 黄骅坳陷、 埕宁隆起的边界断裂, 控制了该区堑、 垒构造的形成与发展, 是第四纪以来的隐伏活动断裂, 推测其深部终止于深约18km的壳内解耦面上。文中研究结果可为进一步理解华北盆地的深部动力学过程及分析研究区深、 浅断裂构造关系提供地震学依据。
强震发生时, 震源断层错动引发上覆土体变形破裂是地面建(构)筑物破坏的重要原因。为研究和分析上覆土层地表变形与破裂特征及其影响因素, 文中通过有限元数值模拟方法, 综合分析断层倾角、 断层错动位移量、 上覆土层厚度对上覆土层地表变形与破裂的影响及其规律。结果表明: 1)断层垂直位错量为上覆土层厚度的3.3%、 倾角仅为30°时, 发生地表破裂; 断层垂直位错量为上覆土层厚度的5%、 倾角为30°、 45°时, 发生地表破裂; 断层垂直位错量为上覆土层厚度的6.6%、 倾角为30°、 45°、 70°时, 发生地表破裂; 断层垂直位错量为上覆土层厚度的10%、 倾角为30°、 45°、 70°与逼近90°时, 均发生地表破裂。2)随垂直位错量的增加或上覆土层厚度与断层倾角的减小, 地表等效应变逐渐变大, 越容易发生地表破裂。3)随着断层倾角由30°、 45°增加至70°, 上、 下盘地表破裂宽度比值从约3︰1增加至3︰2~1︰1。4)上覆土层的变形与破裂, 首先始于断层基岩与土体交界面的土体破裂, 随着位错量的增加, 当断层倾角为30°、 45°、 70°时, 地表均出现了1个初始破裂点; 当断层倾角逼近90°时, 地表出现了2个初始破裂点, 最后上覆土层出现贯通破裂。
随着城市化进程的加快, 如何减小城市隐伏活动断层所引发的地震及其链生灾害的损失, 是未来城市公共安全体系建设所必须面对的议题。文中以新沂市郯庐断裂带安丘-莒县断裂沿线某场地为试验区, 在城市活动断层项目目标区1︰1万条带状活动断层分布图成果的基础之上, 借鉴即将颁布的国标《活动断裂避让距离》中对隐伏断层精确定位的技术要求, 实施了间距不大于50m的浅层地震勘探测线和典型钻孔联合地质剖面探测, 获得了场地内隐伏活动断层的地表迹线、 断层倾向以及上断点埋深等信息。精确定位活动断层的平面位置与1︰1万条带状分布图平面距离差异约为200m, 探测结果精准确定了场地内活动断层的平面展布, 满足场地开发所需的精度。基于精确定位的活动断层地表迹线, 遵照即将颁布的国标《活动断层避让距离》的相关规则, 既科学确定场地内活动断层的避让距离, 又释放了城市紧缺土地资源, 达到既科学避让潜在危险的城市隐伏活动断层, 又充分利用土地的目的。
文中利用高分辨率“吉林一号”卫星影像数据, 获得了夏垫断裂沿线高精度DEM数据(1.0m)。基于高精度地形数据对夏垫断裂开展了定量研究, 揭示出1679年三河-平谷地震地表破裂由5条大致呈左阶平行展布的、 长约3km的分支断层组成, 地表破裂的总长度约为12.3km。位错测量揭示出断裂垂直位移沿断层呈不对称三角形分布, 存在2个明显波峰。断裂沿线的平均位移值为1.8m, 约3.2m的最大位移值分布在潘各庄附近。位错模拟分析表明, 其可能代表了2次地震事件的累积位错。根据夏垫断裂上代表华北地区最新构造变形的地表破裂带相关定量参数估算的震级(约 MW6.3 或 MS6.25 ), 与1679年三河-平谷地震的历史震级(约M8.0或 MS8.0 )存在较大差异。这可能与华北地区现今剪切走滑构造变形与早期分布于上地壳的断陷拉张构造在孕震层存在的解耦作用, 或华北地区巨厚的第四纪覆盖层对构造变形的吸收作用相关, 这种假设也被浅层地震反射剖面揭示的断层切割关系和现今走滑型的震源机制所印证。
收集了华北东部地区的190个宽频地震仪记录的自2010年1月至2011年12月共24个月的垂直分量(Z分量)连续噪声数据,采用FTAN(Frequency-Time Analysis)方法从15700多条台站对路径中提取可用的面波群速度和相速度频散曲线,将研究区域划分为0.2°×0.2°的网格,利用O'ccam方法反演得到研究区内7~40s周期内的面波群速度和相速度分布。然后,使用面波在各个网格节点下方的纯路径频散反演研究区一维S波速度结构,再通过线性插值获取了华北东部地区的三维S波速度结构。结果显示S波速度分布特征与地表地质和构造特征表现出较好的相关性,能清晰地揭示出地壳内部的横向速度变化;在中上地壳(深度<25km),拥有较厚沉积层的华北盆地和分布在山间的第四纪沉积盆地表现为低速特征,而基岩广泛出露的太行山和燕山隆起区呈现出大面积的高速异常;随着深度的增加(>30km),下地壳-上地幔顶部的S波分布特征呈现出与浅部相反的特性,拥有较薄地壳的华北盆地表现为高速,而拥有较厚地壳的太行山及燕山隆起区S波速度相对较低。三维S波速度剖面结果显示:华北平原带的唐山-河间-邢台-磁县一线和渤海湾地下10~20km存在低速异常区。大同地区地下20~30km的S波速度出现低微的速度逆转可能与该区壳-幔的热物质分布相联系。S波速度分布显示,太行山不仅是华北平原与太行山的地形和构造分界带,同时也是1个明显的速度转换带。
以芦山地震震中距100km内的20个台站60条原始强震记录为依据,研究芦山地震动卓越周期、反应谱峰值周期、地震动持续时间和震源持续时间。研究发现:EW、SN和UD3个方向卓越周期的变化范围为0.013~0.275s;5%阻尼比反应谱峰值周期变化范围为0.03~0.65s;芦山地震动90%持续时间变化范围为5.1~35.9s,震源持续时间在EW、SN和UD 3个方向的均值分别约为6.41s、6.05s和5.47s。以台站地震动持时为依据,回归地震动持续时间的空间变化曲线,并与Bommer(2009)地震动持时预测曲线进行比较,发现芦山地震动持续时间高于Bommer(2009)预测曲线,表明芦山地震中的震源作用时间大于目前的预测平均值。芦山地震动持时和震源持续时间在NE向有较明显的方向性,尤其是震源持续时间;而该方向上的余震分布弱于震中SW方向,表明发震构造在主震发生过程中NE方向能量释放较多,所以余震分布较弱。地震动持时和震源持时无上盘效应可能与隐伏发震构造相关。
中国东南部地区或分布崇山峻岭,或为新生代盆地覆盖,因而活动断裂的发现与定位极为困难。沿断裂的地震活动可以成为断裂现今活动的直接证据,但需要地震的精确定位。文中通过精定位背景地震活动性,初步分析了区域构造活动与背景地震活动的关系,解译了研究区存在的隐伏活动断裂。利用双差地震定位法对中国东南部地区大致22°~35°N,106°~122°E范围内1990-2014年发生的背景地震开展了重新定位工作,重新定位了51000多个小震的震源参数。重新定位的背景地震活动表现出与区域构造活动相一致的分布特征,具有分区活动性,不同构造区出现不同的分布样式。现今活动较弱的构造区,地震活动分布离散或稀疏,没有指示出隐伏活动断裂的存在。在现今活动较强的构造区,地震活动明显集中成线性条带状,线性条带的展布样式和方向与区域构造格局和主要断裂走向一致。以线性条带分布的背景地震活动性揭示出的隐伏活动断裂主要分布在东南沿海一带、桂西北地区、四川盆地东南缘以及霍山一带,多数为以往研究所未发现的断裂。重新定位地震在不同构造区的震源深度分布差异明显,在块体中部区域震源深度最浅,主要分布在0~15km,表明脆性变形主要发生在上地壳,中下地壳为半塑性、塑性变形状态;在东南沿海一带,有下地壳地震发生。震源深度最深的区域为四川盆地的东南缘一带,有地震震源深度分布在40~44km,反映了地壳厚度大且下地壳为脆性变形特征,与较低的大地热流值和较硬的流变强度相一致。
阿尔金断裂带是青藏高原北边界的1条近EW向延伸长约1 600km的大型左旋走滑断裂带,也是晚第四纪活动性最强的断裂带之一,被分为11个破裂段。利用高精度卫星影像结合野外地质地貌调查,通过Trimble VX扫描测量了阿尔金断裂带阿克塞段半果巴观察点的断错微地貌,显示冲沟左岸T1阶地保存了最新1次地震的位错约6~7m。选择冲沟右岸跨断塞塘开挖探槽,采集了14C样品进行年代测定,对该探槽的古地震事件进行了分析。探槽揭示了12套地层单元,记录了4次古地震事件,结合之前的研究,利用逐次限定方法可以把阿克塞段的最新2次古地震事件的发生时间分别限定在1 180a BP左右和507~230a BP。
2008年汶川地震、2010年玉树地震、2014年鲁甸地震等大量震例研究表明,严重的地震灾害损失和人员伤亡主要源于发震断层的同震地表破裂、近断层的强地面运动和地基失效引起的建(构)筑物倒塌。因此,避让活动断层是有效减轻可能遭遇的地震灾害损失的一项重要措施。但如何避让活动断层和避让多少距离能够保证地面建(构)筑物不受活动断层同震错动引起的直接毁坏,一直是国内外学者争论的焦点科学问题。1)首先基于历史地震地表破裂资料,定量分析了活动断层同震地表破裂的局部化特征、同震地表破裂与建(构)筑物的破坏关系,得出了地震地表破裂带及其直接严重地震灾害带宽度的平均统计值约为30m的认识。2)通过1999年集集地震、2008年汶川地震等地表破裂带宽度资料和地震灾害空间分布关系的分析,指出了倾滑断层具有明显的上盘效应,断层上、下盘地表破裂带或严重地震灾害带宽度之比为2︰1至3︰1。3)基于上述分析获得的最新认识,进一步讨论了避让对象、活动断层定位要求、不同类型活动断层最小避让距离、特殊建(构)筑物避让和“抗断”设计理念等问题。最后,呼吁立法机构加强活动断层避让和活动断层探测的立法工作,规范活动断层上及其邻近地段土地利用规划和基础设施建设过程中合理避让活动断层的行为,防患于未然,提高中国防震减灾的基础能力。
活动断层探察作为有效减轻地震灾害的一项行业基础性科研工作,其系列专题图件是探察工作成果直观表达的重要手段。文中在分析近年来活动断层探察图件生产技术的基础上,从图件标准化和软件开发2个方面对活动断层探察快速制图技术进行了研究。所研究的这一快速制图技术已应用于正在开展的活动断层探察工作,并获得了规范、高质量的专题成果图件。文中探讨的图件快速产出流程标准化、软件功能设计对于其他基于GIS软件的制图系统设计具有一定的参考价值。
文中从几何结构特征、断裂长期滑动速率和古地震复发特征3个方面对阿万仓断裂进行了研究。详细的遥感解译和野外调查结果表明:1)阿万仓断裂作为东昆仑断裂带东段(玛沁-玛曲段)的分支断裂,和东昆仑断裂一样也是1条全新世活动断裂,性质为左旋走滑兼逆断,总长约200km。西北段由2条总体走向310°,相距约16km近平行的次级断层组成,向SE方向合为1条断裂。2)在阿万仓断裂上发现大约15km长的古地震地表破裂带,表现为断层陡坎、断塞塘、地裂缝、断层沟槽等典型断错微地貌现象。3)经航、卫片解译,野外现场调查,断错地貌测量和样品测试,得到该断裂晚第四纪以来的平均左旋水平滑动速率为3mm/a,垂直滑动速率约0.07mm/a。4)通过对断错最新地貌面的测年和探槽剖面分析,认为阿万仓断裂带存在4次古地震事件,属原地复发型,最新1次事件是在(850±30)a BP以后发生的。5)阿万仓断裂左旋滑动速率与东昆仑断裂带玛沁-玛曲段递减的滑动速率量值相当,它的存在和发现可以很好地解释东昆仑断裂带东段(玛沁-玛曲段)滑动速率递减的特征。东昆仑活动断裂带中东段滑动速率逐渐递减,与东昆仑活动断裂带中东段帚状散开的几何结构有关,其中的阿万仓断裂是东昆仑断裂带东延过程中的重要分支断裂,吸收了东昆仑断裂带东延的应变分配。
对中国活动断层数据库建设的发展成果进行了简单介绍, 以“华北构造区活动断层探测和调查基础数据库信息共享平台”的建设过程为例, 讨论了通过WebGIS实现活动断层数据发布与共享的可行性, WebGIS技术可较好地解决活动断层数据的共享问题。共享系统总体目标是快速安全地共享高精度、专业化的活动断层数据。系统采用B/S模式流行的3层架构结构: GIS服务器+Web服务器+客户端浏览器, 后端数据库是将多个华北地区的活动断层子库集成后的总数据库。系统不但具有基本的浏览、查询功能, 还可以进行条件查询、点击查询、断层定位等细粒度的操作。现阶段系统建设重点放在了“数据共享的实现”和“数据精度”上, 借助GIS的强大功能还可以实现更多, 比如在线编辑、自定义GP模型等。
2013年7月22日, 甘肃岷县漳县MS6.6地震发生在青藏高原东北缘的临潭-宕昌断裂带上.为了研究该断裂的最新构造隆升的差异性, 基于ASTER GDEM数字高程模型数据提取了流域盆地及水系, 并以此为基础, 计算了面积高程积分及河道坡度指数.2个地貌参数的分析结果表明, 临潭-宕昌断裂不同部位的最新隆升呈现不均匀性.其中, 断裂的最新逆冲活动在临潭以西及以岷县附近明显强于其他各段.上述地貌参数所指示的断裂抬升强度还与历史及现今地震发震位置较好地匹配, 体现了定量化地貌分析对断裂活动强弱的指示作用.临潭-宕昌断裂受区域NE-SW向挤压构造应力作用影响, 其活动的差异可能与晚第四纪以来巴颜喀拉块体NE向扩展背景下的局部应力集中有关.
采用断层摩擦接触的非线性有限元模拟方法, 对单断层与交叉断层2种断层模型分别进行数值模拟计算对比, 结合中国大陆双震或震群型地震孕育发生的构造条件对共轭断层系统的孕震与发震机理进行了讨论与分析。 断面滑动摩擦机制较好地解释了共轭断层由闭锁状态进入发生地震的滑动状态的过程, 共轭断层系统会交替地发生失稳事件, 验证了2组共轭断层系统构成的地震模型的滑动习性。其数值模拟与讨论分析结果可为共轭断层发育区的地震监测预报提供科学依据。