北祁连山冷龙岭断裂大震复发行为与危险性研究

发布时间：2020-06-07 04:03

【摘要】：青藏高原东北缘是青藏块体与戈壁-阿拉善块体、鄂尔多斯块体强烈相互作用的地区,也是高原向大陆内部扩展的前缘部位,在吸收和调节印度板块向欧亚板块北北东向的挤压汇聚中发挥着重要作用。晚第四纪以来,该地区构造变形主要分解为祁连-海原断裂带的局部化左旋剪切和祁连山褶皱-逆冲带的分布式缩短增厚,指示着祁连-海原断裂带处于长期且较为快速的应力积累状态,具有高地震危险性。1920年发生在断裂带东段海原断裂上的M8.5级海原地震是东北缘地区有历史记载以来最大的地震。冷龙岭断裂位于青藏高原东北缘的构造转换枢纽部位,东西两侧分别为以左旋剪切和褶皱逆冲缩短为主的变形活动地区;在祁连-海原断裂带上,该断裂是滑动速率最大的断裂,也是“天祝地震空区”的重要组成部分。1927年M8.0级古浪地震震中位于冷龙岭断裂东北侧的冬青顶山附近,但有关此次地震的发震断裂存在较大争议。因此,研究冷龙岭断裂的晚第四纪活动习性对于理解青藏高原东北缘的构造变形机制、应变释放过程以及地震危险性具有重要意义。然而,目前对于冷龙岭断裂大震复发行为、包括最晚一次事件发生年代以及与1927年M8.0级古浪地震的构造关系认识较少。基于高分辨率遥感影像解译、野外调查、无人机的移动摄影测量技术,本文对冷龙岭断裂的地表迹线与左旋位错地貌标志进行了详细填图和精细测量,通过计算分步长的累积位错概率密度分析断裂单次事件位移量与多次事件的累积位移量。通过探槽开挖和放射性碳测年技术对断裂最新活动时代、古地震历史、地震复发行为以及与1927年古浪地震的关系进行了研究。在前人研究结果的基础上,结合本文对冷龙岭断裂的研究结果,对古浪地震震中地区主要断裂的最新地表断错特征和运动性质进行调查,进而综合分析古浪地震地表破裂带发育特征,探讨古浪地震的破裂样式和地震构造模型以及青藏高原东北缘转换挤压块体边界带上的大震构造特征与应变分解。本次研究取得以下主要认识和结论:(1)冷龙岭断裂表现为长约120 km的新鲜地震地表破裂带,最新一次地震事件可能为全段破裂事件。沿断裂192个位错地貌标志的累积位错概率密度分析揭示断裂最新一次事件的同震位移量沿走向发生变化,呈不对称钟状分布,最大同震位移量为7.5±0.8 m,然后向两侧递减,平均同震位移量为~4.8 m。断裂最近4次古地震事件的累积位移量与最新一次事件的同震位移量呈倍数关系,且表现出相似的滑动分布,指示断裂滑动遵循特征滑动行为。对于滑动具有变化性的断裂,通过全段和分步长的累积位错概率密度对比分析发现分步长的累积位错概率密度能够更好地分离出单次事件位移量与多次事件的累积位移量。(2)冷龙岭断裂最近发生的6次古地震事件,由新到老为E1-E6,年龄分别为438-350 yr BP以来、2951-1155 yr BP、4016-3609 yr BP、5325-4476 yr BP、7284-6690 yr BP和8483-7989 yr BP。结合断裂在地貌上的新活动特征和历史资料分析,断裂最新一次事件E1最有可能对应于1927年M8.0级古浪地震。断裂6次地震事件的平均复发间隔为1640±570 yr,变异系数为0.34,指示冷龙岭断裂具有准周期地震复发行为,这可能与青藏高原东北缘主控的走滑断裂构造、应变累积与释放的稳态过程以及深部简单、平滑的断层面有关。(3)由于冷龙岭断裂与东侧的老虎山断裂之间存在不连续的地表迹线,两条断裂发生同时破裂的可能性较小。基于对冷龙岭断裂最新一次事件的认识,冷龙岭断裂应不是天祝地震空区的组成部分。然而,金强河、毛毛山和老虎山断裂所在的长约160 km的区段仍是未来最有可能发生大地震的危险地区。(4)本文从一个全新的角度研究了1927年M8.0级古浪地震地表破裂带发育特征,发现冷龙岭断裂与武威盆地南缘断裂(由原皇城-双塔断裂东段和原武威盆地南缘断裂组成)在地震中发生了同时破裂,但这2条断裂表现出不同的运动性质,显示了大震发生过程中复杂的地表破裂行为。冷龙岭断裂表现为左旋走滑运动;武威盆地南缘断裂可分为两段,东段表现为逆冲运动,西段表现为逆冲运动兼具左旋走滑分量,破裂带长约42 km。将两条断裂破裂所释放的地震距相加,并通过地震距与矩震级的经验关系式估算古浪地震的矩震级为Mw7.6-7.7级。本文提出的古浪地震地表破裂带分布和估算的地震震级与前人得到的古浪地震震级M8.0以及在北西西向上长约600 km(在北西西向上衰减较慢)的震灾分布特点相符。此外,通过古地震事件年龄的对比分析,发现冷龙岭断裂与武威盆地南缘断裂的组合破裂不是一次仅发生在1927年古浪地震中的偶然事件。(5)深浅部构造和三维有限元数值模拟分析揭示北倾的冷龙岭断裂与武威盆地南缘断裂向下可能收敛合并到低角度滑脱层上,古浪地震中两条断层分别通过走滑运动和逆冲运动分解释放了块体边界带上斜向挤压作用下累积的应变能,指示着沿祁连山分水岭分布的走滑断裂与前缘逆断裂的组合破裂应是青藏高原北东向挤出的一种重要的应变调节模式。结合其它震例的对比分析,斜向挤压块体边界带上陡倾断层走滑运动与缓倾断层垂直运动的变形分解模式具有一定的普遍性,这也从一个侧面说明一些大震的孕育与发生不只是一条断裂构造活动的结果,而可能是活动块体作为一个整体的能量积累与释放的行为。(6)1927年古浪地震与东侧1920年海原地震和1709年中卫地震具有不同的破裂性质和样式,指示着青藏高原东北缘不同部位的应变分解模式以及大震构造存在较大差异,而这很可能受控于区域构造主压应力方向的变化以及断裂带深部结构的差异。在青藏高原东北缘未来地震预测和地震危险性分析中,应考虑这种不同运动性质的断裂发生组合破裂的可能性(例如1927年古浪地震)以及不同部位破裂行为的差异性。
【图文】：

动时代、地表滑动分布、地震复发行为以及地震复发间隔等与区域地震危险性评价直接相关的一些基础问题研究还不多；对于 1927 年古浪地震发生的构造环境、破裂样式以及是否与祁连-海原断裂带存在构造关系还缺乏系统性研究工作和更深入的认识；这很大程度上限制了我们对于青藏高原东北缘未来地震趋势的判断以及地震中长期的预测。

图 1-2 冷龙岭断裂最新活动的地质地貌特征(Guo et al., 2017)3 地震复发行为研究进展与启示基于仪器地震记录、历史地震记载与古地震研究，前人提出了一些描述复发特征的观测模型。例如，在滑动分布模式上有“特征滑动模型”、“模型”和“可变滑动模型”(Schwartz and Coppersmith, 1981, 1984)；在模式上有“周期复发模型”，“丛集复发模型”和“随机复发模型”(Kagason, 1991; Savage and Cockerham, 1987; Shimazaki and Nakata, 1980)。这发模型是进行未来地震危险性分析计算的重要理论基础，，建立断裂的地型一直是地震地质学领域研究的焦点问题。基于近年来发展的高分辨率、测量手段（例如，LiDAR、无人机移动摄影测量）以及高精度的定年技通过断裂沿线位错地貌标志的精细测量和统计分析以及古地震的系统，发现了一些支持上述地震复发模型更为可靠的实例证据，也提出了一
【学位授予单位】：中国地震局地质研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P315

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本文编号：2700811