川滇地区地壳运动和重力场变化与强震活动的关系研究

摘要

现代大地测量观测技术（GNSS、InSAR和重力测量）的发展使我们能够以更高的精度和时空分辨率认识区域地壳运动、重力场及其变化等特征，为研究断层运动和地震活动提供有利条件。川滇地区位于青藏高原东缘，受印度板块北推碰撞欧亚大陆、青藏高原NE向挤压和向东挤出的动力环境控制，川滇地区地质构造结构复杂、地形地貌反差显著、深浅构造活动强烈、地震发生频度高且强度大。本文利用区域GPS、全球最新地壳模型和重力场模型等数据，研究川滇地区的位移场、应变场、岩石圈结构、重力场及其变化等特征，探讨它们与区域构造运动、地震和断层活动的关系，具有十分重要的意义，论文主要研究内容和取得的研究结果如下：
　　1.利用近年多期区域GPS数据，计算分析了川滇地区的地应变时空演化特征。川滇地区的面应变分布与活动地块有一定的对应关系，断裂带区域的面应变差异与地震发生位置及震源机制有一定的关联；川滇地区对应最大剪应变高值区的断裂带鲜有地震发生，而对应于最大剪应变低值区的断裂带，由于在区域地壳运动剧烈的背景下，活动性较弱的断层易于应变能积累，因而有地震发生。
　　2.利用CRUST1.0模型，基于Airy均衡理论分析了川滇地区地壳均衡状态；推导了均衡岩石圈深度计算公式，计算分析了川滇地区均衡岩石圈深度特征。四川盆地处于地壳均衡状态，而龙门山断裂带为地壳均衡差异最显著的区域；川滇地区逆冲/正断型地震发生在地壳均衡状态变化剧烈的断裂带上，而区域走滑型地震则发生在均衡状态变化不明显的断裂带上。川滇地区均衡岩石圈厚度存在较大的横向差异性，且与区域moho起伏镜像关系不明显，青藏高原如阿坝次级块体、藏东次级块体的岩石圈厚度可达150km；四川盆地克拉通具有较厚的岩石圈根，厚度150km左右；南北地震带的岩石圈厚度较东西两侧块体要减薄近20km；26°N以南各次级块体岩石圈厚度较薄，约100～130km，且呈现由北向南减薄的趋势。
　　3.利用最新超高阶重力场模型EIGEN-6C2、全球DEM模型topo_15.1.img和地壳模型CRUST1.0等数据，研究了川滇地区自由空气重力异常、布格重力异常和剩余重力异常的分布特征。川滇地区自由空气重力异常与地形镜像关系明显，说明地形效应对自由空气重力异常影响较大；区域布格重力异常总体特征为西北低、东南高，反映了川滇地区地壳厚度变化的基本格局，在此之上，叠加了各种强度不等的局部异常；川滇地区剩余重力异常存在巨大的横向差异，说明区域壳幔密度横向差异大，反映了川滇地区构造活动强烈。龙门山断裂带处于剩余重力异常正负边界附近，位于正异常的东南一侧；甘孜-玉树、鲜水河断裂带处于剩余重力异常平稳的地区，但在鲜水河断裂、龙门山断裂和安宁河断裂相交会的区域，剩余重力异常变化较为强烈；近年川滇地区的逆冲/正断型地震（如汶川地震、芦山地震）均发生在这三种重力异常的高梯度带上，而走滑型地震（如玉树地震、鲁甸地震）则发生在重力异常变化较为平稳的区域。
　　4.利用90阶GFZ Release05重力场模型计算分析了川滇地区卫星重力场变化特征。2003～2012年川滇地区重力场变化剧烈，但从2006年开始区域年累积重力变化图像已形成基本格局，呈近似以川滇菱形块体为中心的“四象限分布”，只是高、低值区的中心和量值存在一定的动态变化。汶川地震孕育过程中的相关卫星重力变化呈“增大-减速增大-减少”特征，且临震（震前两年）形成了平行于断裂带的重力变化梯级带；汶川地震使得2008～2009年川滇地区重力场变化呈现以龙门山断裂带为中心的“四象限分布”，反映了汶川地震对区域地壳运动的影响；汶川地震后，川滇地区重力场变化强烈，而且区域地震活动性增强，说明汶川大震可能对其后的区域多次强震有触发作用。
　　5.基于向-位错理论模型计算了矩形断层平动和转动引起的地面重力场变化，分析了其与断层倾角、埋深等产状的关系。断层平动和转动引起的变形地表和空间重力变化特征与平动和转动量大小及断层产状有关，断层的平动和转动量越大，引起的重力变化范围和量值就越大；断层转动引起的重力变化大小与断层埋深呈反关系，即断层埋深越大，相应的重力变化量值就越小；宏观上，矩形断层平动引起的重力变化呈近似对称的特征，而断层转动打破了重力变化图像的对称性，且转动角越大，图像的不对称性就越明显。

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第一章 绪论

1.1 论文研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容

1.4 本文主要创新

第二章 川滇地区构造背景和地壳运动特征

2.1 川滇地区地壳运动特征

2.2 川滇地区地震活动情况

2.3 川滇地区地应变演化特征

2.4 本章总结

第三章 川滇地区岩石圈结构特征

3.1 川滇地区地壳结构

3.2 川滇地区岩石圈结构

3.3 本章总结

第四章 川滇地区重力异常特征

4.1 概述

4.2 川滇地区布格重力异常特征

4.3 川滇地区剩余重力异常

4.4 本章总结

第五章 川滇地区重力场变化特征

5.1 GRACE卫星重力场滤波方法

5.2 川滇地区卫星重力场变化特征

5.3 本章总结

第六章 川滇地区断层运动引起重力变化的向-位错理论研究

6.1 基于位错理论的川滇地区断层运动引起的重力场变化

6.2 无限弹性介质空间向-位错理论研究

6.3 本章总结

结论与展望

本文主要结论

展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢