冷龙岭断裂带全新世破裂模式、大震复发特征研究及其区域构造意义

发布时间：2020-10-01 17:43

　　青藏高原东北缘发育有一系列走滑逆冲断裂带,冷龙岭断裂带恰位于其东部最前缘部位,是青藏高原东北缘一条非常重要的左旋走滑构造带,同时冷龙岭断裂带也是祁连—海原构造带的重要组成段落之一,其构造变形与地震活动也直接揭示了祁连—海原构造带对整个青藏高原东北缘构造变形的调整与传递作用。然而同周围一系列具有强震构造背景的活动断裂带相比,目前对冷龙岭断裂地震地质研究程度仍有待加强。有关冷龙岭断裂带晚更新世以来滑动速率的研究结果分布在很大的研究范围内,关于冷龙岭断裂带全新世活动习性与大震复发特征的研究也有待深入。有学者认为冷龙岭断裂带与金强河断裂、毛毛山断裂带与老虎山断裂共同构成“天祝地震空区”。发生在2016年与1986年的两次门源地震,造成该区地震地质研究形势更加严峻。对冷龙岭断裂带全新世破裂模式、大震复发特征进行研究,并明确其区域深部结构特征、地壳变形模式,综合构建冷龙岭断裂带及区域地震构造模型非常有必要,相关研究结果也将提升对冷龙岭断裂带及该区域地震活动性的认识,为冷龙岭及门源地区地震灾害防御提供重要依据。相关成果还可以促进对祁连—海原构造带整体地壳变形继承关系的认识,增强对该区第四纪地震构造环境与构造动力学特征的理解,更全面认识冷龙岭断裂带在青藏高原东北缘构造地位与意义。围绕以上科学问题,本论文主要联合卫星遥感与地基LiDAR技术,发展基于构造地貌高精度测量的活动断层定量研究方法。首先,为指导高分辨率遥感技术应用于活动断层及构造地貌定量研究,本论文将建立不同类型活动断层及相关构造地貌遥感影像识别标志,从解译标志精细结构与几何特征角度,深入解析断层与微地貌构造变形特征,建立不同类型活动断层、构造微地貌要素与影像解译标志之间的判别关系模式。其次,本论文将重点针对冷龙岭断裂带将构建典型断层断错地貌精细结构模型,匹配震前地貌标志并恢复断层破裂过程;估算断错地貌位移,采用位移概率密度法研究地震位移分布关系及断层破裂模式,厘定不同分段单次地震事件位移;结合断层全新世滑动速率的测定,明确其全新世大震复发特征。最后综合区域活动构造、地球物理与大地测量等资料,分析冷龙岭断裂带在青藏高原东北缘构造变形的调节机制与构造意义,探讨该区构造动力学特征。通过开展相关研究本,论文主要取得成果如下:(1)本文以构造地质学与构造地貌学理论知识为指导,基于不同精度的多源遥感影像,系统总结了遥感技术在活动断层与构造地貌调查方面的应用及发展现状,特别是与传统遥感地质调查之间的区别与联系。通过结合不同类型断层形成的力学机制,分别讨论拉张、挤压与剪切三种构造模式下复杂多样的构造微地貌模型及其表现形式,通过对重要活动断裂上典型地貌特征遥感影像的分析,给出不同类型活动断层与构造地貌遥感判别标志及分析方法。对断层断错地貌、活动断层派生构造地貌、活动断层间接解译标志、非活动断层等多种要素遥感影像特征进行了系统分析,并给出活动断层、构造微地貌与遥感解译标志三者间的关系模式。同时强调利用遥感资料研究活动断层时,需考虑不同类型断层形成构造地貌要素的多样性、相似性与叠加性,应根据遥感解译标志结合构造地貌模型及其形成的断层力学环境进行综合判定。(2)野外调查与遥感解译均发现,沿冷龙岭断裂带广泛分布一系列米级至数十米级规模的左旋断错冲沟、阶地、洪积扇、冰碛垄等。采用地基LiDAR对冷龙岭断裂带典型断错地貌开展高精度测量,对东部讨拉沟、柴隆沟与牛头沟三处断错冲沟、阶地与洪积台地进行了重点研究。通过对柴隆沟四期次断错阶地精细结构的识别与分析,明确了断层活动、地层沉积与地貌剥蚀之间关系,恢复出断层破裂历史过程,并识别出四次古地震事件,通过对讨拉沟、柴隆沟多处错断地貌与地震位移的测量分析,初步认为冷龙岭断裂带符合准周期破裂模式。结合牛头沟断错阶地样品年代测试,得到冷龙岭断裂带东段全新世滑动速率约为6.6±0.3 mm/yr。(3)对如何基于高精度地形资料与高分辨率影像资料提取断错地貌标志进行了研究,分析了如何基于断错地貌标志恢复重构断层破裂过程,以及断错地貌影响因素等。在此基础上,本论文基于遥感影像及地基LiDAR资料提取出沿冷龙岭断裂带百余公里范围内三百余处左旋断错地貌标志,包括断错冲沟、阶地、洪积扇、冰碛垄等,并估算出每处断错地貌全新世以来的累计位移。随后基于累计位移概率密度函数法,对冷龙岭断裂带东西段累计位移分布进行了统计分析。断裂东段位移密度峰值符合指数函数关系,据此识别出东段全新世期间发生约7次古地震事件,单次地震位错规模约8m。断裂西段累计位移分布自西向东逐渐增加,单次地震位移最西端约2~3m,东端约5~7m。冷龙岭断裂带东、西两段地震位移分布特征皆反映断裂带符合准周期特征破裂模式,且指示沿冷龙岭断裂带力学性质的变化,即东段为典型的左旋走滑运动,而西段左旋走滑运动强度要低于东部。根据断裂破裂参数之间经验统计公式,估算得到冷龙岭断裂带全新世期间发生的大震震级约在8.0级。通过对大震复发间隔进行重新估算,得到1218±132 yr的结果。冷龙岭断裂带与东部的金强河、毛毛山、老虎山及海原断裂同属千年复发间隔级别的活动断裂带。(4)针对2016年发生的门源北部Ms6.4级地震,利用Sentinel-1A升、降轨两组雷达数据通过干涉处理得到该地震同震形变场,结合余震精定位对发震断层破裂机制进行了研究。结果表明2016年门源地震发震断层为冷龙岭断裂带北侧的次级断层而非南侧的主断层,地震导致次级断层两侧地层发生向上背斜式变形。基于InSAR形变场与最优位移分布模式的反演结果,也揭示2016年门源地震的同震位移主要分布在8~11km深度范围内,其中最大滑动位移0.45m分布在9.5km深度,累计地震矩达到9.9×10~(17)N×m,矩震级约Mw5.9。综合分析冷龙岭断裂带几何结构、地震分布以及断层力学性质可知,造成2016年与1986年两次地震性质不同且与冷龙岭主断裂性质也差异很大的原因在于冷龙岭主断层与分支断层的构造组合样式。两次门源地震分别发生在北侧次级断层的两个端点部位,其中次级断层东部终端向主断裂弯曲交汇平面上形成左行右阶构造样式,次级断层西部终端向主断裂弯曲交汇平面上形成左行左阶构造样式。在断裂带左行走滑环境下,在断裂的弯曲部位形成剪切挤压变形和剪切拉张变形,因此导致两次门源地震断层破裂性质分别表现出挤压和拉张特征,两次强震活动共同反映出冷龙岭活动断裂带整体以左行走滑运动为主。(5)本文使用地球物理场与大地测量资料,对冷龙岭断裂带及其周边区域精细地壳结构与构造变形模式进行研究,综合构建该区活动断层结构模型,以揭示该区大震构造背景。基于重力资料的研究结果表明冷龙岭断裂带所在构造带是青藏高原东北缘一条非常重要的大型地质与地球物理场边界,重力异常场源深度延伸至下地壳及更深部位,异常分布与地质体及构造带分布密切相关,且具有显著分区特征。戈壁—阿拉善块体与东部鄂尔多斯块体表现为大范围重力高异常,反映莫霍面埋藏较浅、岩石圈密度较高,为相对完整致密的刚性块体。青藏高原东北缘具有大范围重力低异常特征,且局部重力高、低异常呈相间平行排列,反映莫霍面较深、岩石圈密度较低,揭示了该区域在青藏高原北东向挤压应力下,地壳发生强烈缩短、增厚与褶曲变形,造成东北缘地壳非常破碎。通过GPS速度场结果可以发现,在北部受到戈壁—阿拉善块体及东部受到鄂尔多斯块体的共同阻挡作用下,青藏高原东北缘构造变形场发生顺时针旋转变化,这种现象同时反映戈壁—阿拉善刚性块体、华北克拉通刚性块体以及冷龙岭断裂带所处的青藏高原东北缘三个块体,在分别受到北侧欧亚大陆板块、东侧太平洋板块和西南侧印度—青藏板块三个相向方向的作用力在该青藏高原东北缘的碰撞之后,对该区共同挤压作用造成构造变形的复杂性及多样性。最后,本文构建了冷龙岭断裂带及周边区域地震构造及断层三维结构模型。
【学位单位】：中国地震局地质研究所
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P315.2
【文章目录】：
中文摘要
Abstract
第一章绪论
    1.1 选题依据
    1.2 研究现状
        1.2.1 活动断层遥感调查技术发展现状
        1.2.2 冷龙岭断裂带调查研究进展概述
        1.2.3 基于地貌学方法的大震复发特征研究
    1.3 研究意义
    1.4 主要研究内容与章节安排
        1.4.1 研究内容
        1.4.2 章节安排
第二章资料与方法
    2.1 资料介绍
        2.1.1 地基LiDAR数据采集
        2.1.2 高分辨率卫星影像
        2.1.3 数字高程模型
        2.1.4 雷达卫星数据
        2.1.5 地球物理资料
    2.2 地基LiDAR点云数据处理
        2.2.1 数据概算
        2.2.2 数据滤波
        2.2.3 数据配准
        2.2.4 地形建模
    2.3 研究方法
        2.3.1 地震位移分布模型
        2.3.2 断层活动迹线识别
        2.3.3 断错地貌定量测量与分析
        2.3.4 累计位移概率密度计算
    2.4 小结
第三章冷龙岭断裂带典型断错地貌特征定量分析
    3.1 断层力学环境与构造地貌模型
        3.1.1 走滑断层与构造地貌模型
        3.1.2 正断层与构造地貌模型
        3.1.3 逆断层与构造地貌模型
        3.1.4 活动断层及构造地貌遥感特征解析
        3.1.5 综合构造地貌类型分析
    3.2 断裂带构造样式及结构特征研究
    3.3 典型地段错断地貌定量研究
        3.3.1 讨拉沟错断地貌分析
        3.3.2 柴隆沟错断地貌分析
        3.3.3 牛头沟错断地貌分析
    3.4 强震活动特征初步讨论
        3.4.1 地震位移分布特征解析
        3.4.2 断层滑动速率估算
        3.4.3 大震复发间隔初步估算
    3.5 本章小结
第四章冷龙岭断裂带地震位移分布及破裂模式研究
    4.1 跨断层断错地貌标志体识别
        4.1.1 全新世地震地表迹线识别
        4.1.2 断层断错地貌影响因素分析
        4.1.3 断错地貌标志分析
    4.2 累计位移测量
        4.2.1 震前地貌形态匹配重构
        4.2.2 累计位移不确定性分析
        4.2.3 单次事件位移与多次事件累计位移测量
    4.3 地震位移分布模式研究
        4.3.1 累计位移概率密度及峰值位移
        4.3.2 古地震事件分析识别
    4.4 断裂带地震破裂模式及大震复发特征
    4.5 本章小结
第五章门源地震发震构造破裂机制研究
    5.1 门源地震同震变形分布
    5.2 门源地震断层破裂参数反演
    5.3 发震构造力学特征解析
    5.4 本章小结
第六章冷龙岭断裂带区域深部结构与动力学特征
    6.1 冷龙岭断裂带及周边重力场及地壳结构特征
        6.1.1 区域重力场特征及构造意义
        6.1.2 不同深度断裂带精细结构及几何关系
    6.2 冷龙岭断裂带及周边构造变形模式分析
    6.3 冷龙岭断裂带与东侧断裂几何学和运动学关联性分析
    6.4 冷龙岭断裂带及周边综合地震构造模型
    6.5 小结
第七章主要结论与存在问题
    7.1 本文主要研究结论
    7.2 存在的主要问题和未来工作
参考文献
致谢
作者简介
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攻读博士期间发表的文章
攻读博士期间负责及参与的课题

【参考文献】