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为何我国大陆地震的震源深度如此浅呢?

已有 8415 次阅读 2018-10-29 09:08 |个人分类:科研随想|系统分类:科研笔记| 震源深度

 

    我国大陆地震多为板内地震,具有多、大、广、浅的特点。张国民等(200219701~20005月期间中国大陆ML2.0浅源地震为基础, 研究了深度分布特征(图1),结果表明: 中国大陆平均深度为16±7 km, 东部地区为13±6 km, 西部为18±8 km, 东部比西部平均偏浅5 km

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1 各震级地震平均深度分布直方图(张国民等,2002

震源深度在70 km以内的地震称为浅源地震,但我国大陆地震的平均震源深度小于20 km,震源深度如此浅,且西部地区深度比东部地区要大,这是为什么呢?能不能给个合理解释呢?其实,要从科学层面回答这两个貌似简单的问题,并非易事。不过,基于咱对地震产生过程的理解,以及有关文献给出的依据,本文试图给出较为合理的解释,并期望引起大家的讨论,以推动对相关问题的深入理解。为便于外行大致能看懂,先简介下有关基础知识。

某条断裂在地球表层构造变形与地质演化中所能起的作用, 主要取决于它所切割的深度和规模,且断裂在平面上的延伸与影响范围, 一般也都与它的深度成正比。 张文佑等(1978认为断裂按其深度可分为四大类(图2):

(1)岩石圈断裂:切穿整个岩石圈, 到达软流圈。

(2)地壳断裂:切穿整个地壳,到达上地幔顶部。

(3)基底断裂:切穿整个花岗岩质层(硅铝层),到达玄武岩质层(硅镁层)。

(4)盖层断裂:切断沉积盖层, 到达结晶基底(硅铝层)顶面。

实际上,除这四类断裂外,还有超岩石圈断裂。

自从板块构造学说兴起以来,岩石圈底面一直被认为是板块运移的主要滑脱面,甚至是惟一的滑脱面。然而,在大陆岩石圈构造研究中,逐渐认识到岩石圈内还存在许多界面,有可能发生不同程度的滑脱,如在盖层与基底之间、硅铝层与硅镁层之间(康氏界面或康拉德不连续面)、莫霍面(莫氏界面,有一定厚度,有学者认为该面为剪切面或拆离面)附近等。有趣的是,徐常芳(1996)的研究发现,构造活动较强的地区和地震活动较强的地带,常发育中地壳低速高导层(地震波速低、电导率高,可能与富含水有关),其深度与康氏界面相当(万天丰,2004)。杨晓松等(2003)指出地壳中部的低速高导层(图3)很可能具有力学软弱带的物理内涵,可作为滑脱面。万天丰(2004)也认为,中国大陆的低速高导层是主要的滑脱面,而盖层与基底之间的滑脱量以及莫霍面之间的滑脱量可能较小。

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2 四类断裂示意图(张文佑等,1978

 

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3 川滇地区壳内高导低速层(杨晓松等,2003

说完断裂类型与滑脱面的基础知识,该谈地震了。

在之前的博文中已经说过,地震区是一个由断层线圈定的构造块体的地面区域,在地震区内的断裂与地震活动具有内在关联。地震区内的锁固段是积累高能量发生大地震的载体,锁固段破裂发生地震需要断裂运动的驱动,而断裂运动又需要所在的块体是活动滴。如上所述,某个块体被多个滑脱面分割可形成多个子块体,那么哪个子块体更容易远动呢?再者对子块体和整个块体来说,谁更容易运动呢?本文将举例说明。如图4所示,为绘图方便,仅给出块体的一个纵剖面。块体两侧的边界为地壳断裂,块体内有两个发震断层,块体被上部滑脱面(低速高导层)分为两个子块体,每个发震断层各有一个锁固段。相对而言,上部子块体更容易沿滑脱面滑动,因为其耗能较小,或者说沿该面的摩擦力较小(通常认为有一定厚度的低速高导层含水,与莫霍面相比较软弱,摩擦系数较小,再者上覆压力较小),这也与上述万天丰的观点一致。如此,由于上部子块体运动导致断层相对滑移,从而引发锁固段1破裂发生地震,而下部子块体几乎不动或滑移量很小,锁固段2难以破裂发生地震,故鲜有较大事件发生。再者,从整体上看,上部子块体相对于下部子块体有显著的差异运动,故上部子块体较“活跃”,相应其地震活动较强。因此,地震,尤其是较大地震,通常发生在低速高导层之上,故震源深度较浅。

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4 块体(剖面)结构示意图

还有另外一种可能性不能排除,若在硅镁层中锁固段(能视为锁固段的除满足强度和尺度的要求外,还得满足一定的力学条件)不发育,就更容易解释较大地震事件发生在低速高导层之上了。一种可能的解释是,下地壳硅镁层岩石在较高的温压环境下,或处于塑性状态(图5),这样即使断层中有较完整的的大尺度岩石存在,也不能视为锁固段了。

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5 华北盆地的断层模型(周真恒等,1998

从图6看出,我国莫霍面深度西部大于东部,而低速高导层深度与莫霍面深度常呈一定比例关系,故该层深度西部也大于东部。因此,可合理解释西部地震的震源深度要大于东部的原因。

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6 我国莫霍面深度分布(He, et al.,2014

根据本文的分析,也可合理解释地球其他地区板内地震震源深度普遍较浅的原因,还能为地震区划分时边界断裂的选择提供依据。换句话说,板内地震区划分时,仅考虑断裂的走向延伸长度(断裂规模)即可,而不必考虑断裂是基底断裂、地壳断裂还是岩石圈断裂,这与“木桶原理”一致。

参考

徐常芳,1996.中国大陆上地幔电性结构及地震分布规律(一),地震学报,182),254-261.

杨晓松,马 瑾, 张先进,2003. 大陆壳内低速层成因综述,地质科技情报,22(2),35-41.

张文佑,叶洪,钟嘉猷,1978.中国科学,(2),195-211.

万天丰,2004.中国大地构造学纲要,北京:地质出版社。

张国民,汪素云,李丽,张晓东,马宏生,2002. 中国大陆地震震源深度及其构造含义,科学通报, 47 (9) :663.

周真恒 , 邓万明,向才英,1998. 壳内多震层孕震环境研究进展,地震地质, 20 (4) :443-453

He, R., X. Shang, C. Yu, H. Zhang, and R. D. van der Hilst (2014), Detailed Moho Depth Mapping of Continental China by Receiver Function Analysis, Geophysical Journal Internationaldoi: 10.1093/gji/ggu365.




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