京津冀地区现代构造应力场与孕震环境研究

发布时间：2020-10-28 15:37

　　 华北地块地处我国三大构造域的交汇区域,经历了复杂的构造演化过程,在现今印度洋板块、欧亚板块和太平洋板块的作用下,仍在发生强烈活动。京津冀地区是我国人口稠密,政治、经济、文化高度发达的地区,该区位于张家口-渤海构造带和华北平原NE-NNE向构造带交汇部位,也是我国东部新构造活动最强烈的地区。鉴于京津冀地区特殊的地质构造位置和新构造活动背景,加强该区现代构造应力场与孕震环境研究、评价、预测,具有紧迫性和必要性。尤其是,活动断裂的研究对工程选址与减轻自然灾害具有重大现实意义。选择京津冀地区作为研究区,通过地质资料收集及野外地质调查,分析区内活动断裂的发育特征及地震构造背景,同时依据地壳浅层地应力测量资料和构造应力场研究结果,配合三维数值模拟方法,分析在构造运动过程中断层的空间分布形态与地震活动之间的内在联系,揭示活动断裂体系如何促进地震的孕育、触发及地震活动对于活动断层、构造应力场的影响及其相互作用关系。论文首先依据京津冀地区的历史地震资料分析该区地震的时空分布特征;其次,利用京津冀地区的原地应力测量资料研究地壳浅层现今构造应力场的分布特征,结合安德森断层准则、库伦破裂准则及Byerlee定律,研究京津冀地区的断层强度,探讨京津冀地区的地震危险性;最后利用有限元数值分析方法,以GPS地壳形变资料和地应力测试结果为约束条件,分析京津冀地区NW和NE向两组断裂带对地震孕育和触发的控制作用,从构造应力场和动力学模式两个方面探讨京津冀地区的地震构造模式。主要研究结果如下:(1)依据所获得的地震资料,分析认为京津冀范围内的地震主要分布于山前平原和山间盆地,其分布形式构成了 NE向、NWW向的线性组合。京津冀地区的强震的平静期和活跃期的周期分别为大约120～150a,50～100a。依据京津冀地区的地震震源机制解可知,京津冀地区受两组断裂带的切割,在NNE向最大主压应力的作用下,NWW向的断裂带易于活动,从而在NWW向断裂带上形成地震的密集活动带,而与其共轭的NE向断裂带上则发生中强震。(2)断裂带各段的地应力测量结果表明:张家口-蓬莱断裂带西北段和太行山断裂带中段的地应力随深度变化的梯度比较高,尤其是张北钻孔的拟合梯度达到0.057MPa/m,对于该区地震预测具有一定的指示意义。侧压系数表明平均水平应力和垂向应力的比值、最大水平应力和垂向应力的比值随深度增加离散性减小,到深部均趋向于一个常数值,反映地壳浅层构造应力占主导地位,随深度的增加,垂向应力增强,构造应力逐渐减弱。(3)从定性和定量两个方面分析研究京津冀地区断层的断层强度。结果表明:沿张家口-蓬莱断裂带西北段的断层似摩擦系数为0.48,未来该区的地震活动值得关注。断裂带中段的各测点似摩擦系数的平均值为0.30,表明该段应力积累程度较低,地震活动可能性较小。在张家口-蓬莱断裂带的东南段,由钻孔资料计算的断层似摩擦系数的平均值为0.26,该段的应力积累水平较低,地震活动可能性也较小。对于太行山山前断裂带,在断裂带中段,断层似摩擦系数较高,接近断层活动的下临界值0.6,因此应关注该段地应力状态的变化趋势。在垂直张家口-蓬莱断裂带的方向上似摩擦系数的变化:靠近断层的李四光纪念馆钻孔的似摩擦系数值较低,而远离断层的其他两个钻孔数值较高,与Zoback等对圣安德烈斯断层在垂向方向的地应力测量结果基本一致。(4)以华北地区唐山和日本两次典型地震事件为时间节点,首先综述了前人对唐山地震前、后华北地区构造应力场变化特征的研究成果,其次,研究了日本人地震前、后华北地区构造应力场的变化特征。华北地区的构造应力场反演分析,发现华北地区北部地区及郯庐断裂带东部地区在唐山地震前、后构造应力场没有发生明显改变,而华北地区南部在地震前、后构造应力场发生较大变化。华北地区在日本本州岛大地震前、地震造成的拉张效应期及现今构造应力场的最大水平主应力方位分别为NEE向、NNW向和NEE向,反映了华北地区震前、震后调整到恢复至地震前的构造应力场演化过程。(5)在现今构造背景之下,通过数值模拟研究了京津冀地区在NE和NWW向两组断裂带的控制作用下,研究区内的应力场分布特征及其与地震活动分布和孕育触发机制关系。研究区内NE和NWW向两组断裂带交切的区域呈现应力集中、应力强度大,且往往为地震发育部位。太行山山前断裂带的缓倾铲型正断构造阻挡了来自于山西地堑系的应力,从而导致了华北坳陷区的低应力现象,对华北坳陷区形成了一定的“保护”作用。邢台地震造成的应力扰动主要集中在华北坳陷区两组NWW和NE向断裂围限的区域,邢台地震造成的应力扰动仍未传递至太行山山前断裂带西侧的区域;唐山地震的影响区域主要是沿两组断裂带的附近区域,最远至张家口地区。华北中部地区在NE向和NWW向两组断裂带的构造体系之下,两组断裂带对于整个区域构造应力场具有联合控制作用,纵观以上数值模拟结果可知,在几个区域构造体系中,NE向断裂带在地震活动中占据主导地位。
【学位单位】：中国地质科学院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P315
【部分图文】：

?ｗ??□晚占生代造山带Ｓｉｍｇｉ蛇邮ｉｓ构造域殘＼＼ｒｊ?．?ｙ／??Ｉ?Ｉ?ｖ？屮牛．代边山带〇俯冲Ｅｌ洋中＿換断＠?零??图１－１华北地块位于全球三大构造域的中心位置（李三忠等，２０１１）??Ｆｉｇｕｒｅ?１－１?Ｔｈｅ?Ｎｏｒｔｈ?Ｃｈｉｎａ?ｂｌｏｃｋ?ｉｓ?ｌｏｃａｔｅｄ?ａｔ?ｔｈｅ?ｃｅｎｔｅｒ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｔｈｒｅｅ?ｍａｊｏｒ?ｔｅｃｔｏｎｉｃ?ｄｏｍａｉｎｓ?（ＬＩ?Ｓａｎｚｈｏｎｇ??ｅｔａｌ，?２０１１）??征与地震发生之间的内在联系。对于活动断裂在构造应力场及地震孕育、触发过程控制??作用的研究，理论上可以解释构造演化规律，了解内动力作用为主的地震活动与活动断??裂的关系；在实践上，可以为资源勘查（断层控制石油、天然气储藏、地热等）、工程??选址（重大工程避开活动断裂带）、环境保护、城市总体规划及减轻自然灾害（尤其是??地震及次生灾害）提供参考和指导，在地震预测方面也起到非常重要的作用。??自２００８年起至今，中国地质科学院地质力学研究所承担的中国地质调查项目“首都??圈地区关键构造部位深孔地应力测量监测与地质安全评价”及“京津冀协同发展区活动??构造与区域地壳稳定性调查”，先后在北京平谷、十三陵、西峰寺、李四光纪念馆内以??及河北唐山、昌黎、张家口张北、石家庄等关键构造部位开展一系列６００ｍ￣１０００ｍ深孔??地应力测量和监测工作，并在各钻孔适宜深度安装了地应力监测系统，实时监测地壳浅??层地应力的变化规律。到目前为止

??２．１．１区域地质构造??研究区位于华北克拉通中部（图２－１）。依照前寒武纪基底构成可将华北克拉通划分??为东、西部地块及中部带（Ｚｈａｏ?ｅｔａｌ，２００５），本文研究区位于中部带及东部地块的西??部。按照中、新生代构造格局划分，本区西侧和东侧分别为太行山隆起带和渤海湾盆地，??北部为中生代的阴山－燕山板内造山带（曹现志等，２０１３）。研究区周边的造山带及板??块边界，主要包括中亚造山带（北侧）、秦岭－大别造山带（南侧）、苏鲁造山带（东侧）、??太平洋板块，以上板块边界及造山带中新生代的构造演化对于研究区的构造演化格局具??有重要影响。??研究区所在的华北克拉通形成于３８．５亿年前，直至早三叠纪，该区具有典型克拉??通的性质，处于稳定状态，为浅海型盖层沉积，到中新生代，华北克拉通遭受了岩石圈??的减薄、破坏

口－延庆盆地地貌带??根据吴珍汉的划分方案（吴珍汉，２００１），表２－１，太行山和燕山属于中低山，而华??北平原属于平原区（图２－２）。依据构造和地貌之间的关系，研究区划分为构造山地和构??造盆地，两者之间的分界为控盆断裂，构造山地主要包括太行山、燕山、夷平面和侵蚀??山地等，而构造盆地包括渤海湾盆地、张－渤带及山西地堑系盆地带及太行山隆起带内??部的小型盆地，划分结果如表２－１所示。??地壳岩石圈及浅部构造格局与地形地貌之间呈相辅相成的关系。岩石圈结构和地壳??浅部构造格局控制了地形地貌的形成和演化，而后者反映了构造的分区性。依照该理论??将研究区划分为燕山、太行山隆起地貌带，张家口－延庆、渤海湾盆地带及山西地堑系??地貌带等。总体上呈现盆山相间分布，太行山隆起被周边盆地地貌所包围。??２．２研究区地球物理场特征??２．２．１区域重力异常特征??（１）布格重力异常特征??图２－３为纵贯中国ＮＮＥ－ＳＳＷ向的大兴安岭－武陵山的重力梯级带分布图。资料来自??于全球重力模型ＥＧＭ２００８（Ｐａｖｌｉｓ等，２０１２），在华北地区的布格重力异常表现为沿太行??山分布

本文编号：2860279