板块与活动地块学说.ppt

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1、武汉大学 许才军,地壳形变第四章 板块与活动地块学说（一）,地壳形变,1、绪论 2、地壳形变测量 3、地球参考系与参考框架4、板块构造学说与活动地块学说 5、地壳运动监测与数据处理 6、地壳应力与应变分析 7、连续形变、应变观测与数据处理 8、地震活动的大地测量研究方法,全球性板块运动,板块构造学说,地球的岩石圈分解为若干巨大的刚性板块即岩石圈板块，重力均衡地位于塑性软流圈之上，并在地球表面发生大规模水平转动；相邻板块之间或相互离散，或相互汇聚，或相互平移，引起地震、火山和构造运动。板块构造学说囊括了大陆漂移说、海底扩张说、转换断层、大陆碰撞等概念和学说，为解释地球地质作用和现象提供了极有成效

2、的模式，是当代最有影响的全球构造理论。,板块构造学说的发展和创立大致可分3个阶段：1912年德国学者A.L.魏格纳提出了大陆漂移说，50年代古地磁的研究测得各地在地质时代中的磁极位置变化多端，用大陆固定论无法解释，采用大陆漂移说则可得到圆满解释，大陆漂移说随之受到重视。60年代美国地质学家H.H.赫斯和R.S.迪茨提出了得到海底磁异常研究支持的海底扩张说，论述了地壳的产生和消亡，并获得深海钻探的验证。1965年加拿大学者J.T.威尔逊建立转换断层概念并指出，连绵不绝的活动带网络将地球表层划分为若干刚性板块。19671968年法国人X.勒皮雄、美国人D.P.麦肯齐将转换断层概念外延到球面上，定量

3、地论述了板块运动，确立了板块构造学的基本原理。,转换断层（transform fault）,转换断层与一般平移断层的区别在于：平移断层的活动沿断裂带整个长度发生，而转换断层的错动则局限于脊轴之间的段落（图1中BC段），在与脊轴相交处错动骤然终止。转换断层与平移断层的错动方向恰好相反，如图1所示转换断层为右旋，平移断层为左旋错动。平移断层持续活动会使两侧脊轴之间的错开幅度越来越大，转换断层的活动却不能使错开幅度增大。地震资料表明，断裂带地震活动只发生于BC段，BC段以外则为断裂带被动段落（AB、CD段)。,转换断层.exe,转换断层是板块边界的一种特殊形式，是联结发散边界和汇聚边界的一种板块边界

4、，它是连接洋脊(也称中脊)与洋脊、洋脊与海沟、海沟与海沟的走向滑动断层，断层错动在其两端突然终止，转换成洋脊的拉张或海沟的挤压,板块构造运动,板块构造学说认为相邻两板块之间的相对运动实际上是围绕通过地球中心的一个轴的旋转运动，通常用欧拉定理来表述。刚体绕某一固定点的转动可表示为绕过此固定点的某一瞬轴的转动。如果把地球看成一个球体，把球心看成强制在地球表面上运动的刚性板块运动的固定点，则这些刚体板块的运动可表示为绕过球心的某定轴的转动，这个轴即为欧拉轴。,板块相对运动,以某一板块为参考的板块运动，称为板块相对运动，包括两个参数：速度和方向,板块平面运动,是板块A相对于板块B的运动速度,是板块B相

5、对于板块A的运动速度,=-,板块相对运动,对于板块球面运动，已知两板块之间的相对运动的角速度 和观测点相对于旋转极的角距离,则两板块相对运动的速度为：,板块球面运动,描述板块运动框架示意,板块边界上的点相对运动速度矢量,板块绝对运动,相对于某一与板块无关的参考标架的板块运动，称为绝对板块运动,绝对参考架（平中圈框架）的确定：相对于下层地幔平均位置固定的框架，即假设下层地幔是固定的，或至少其内部运动相对于板块运动小得多。实现途径：Wilson-Morgan的热点假设：在地幔中存在一系列热点，其位置相对于下层地幔固定，板块相对热点的运动即为板块的绝对运动，这可通过测量跨越热点的火山链的年龄和长度得

6、到；岩石圈无整体旋转(No-Net-Rotation)假设：如果岩石圈与软流圈的耦合是侧向均匀的，并且板块边界的力矩对称作用于两个相邻板块，则岩石圈无整体旋转(或叫平均岩石圈)参考架就是相对于下层地幔不动的绝对参考架，相对于该框架的运动即为板块的绝对运动。,全球板块运动模型,建立板块运动模型的方法1、地质地球物理方法 a.热点假说建立板块运动模型 是第i个火山传播速率或方位角，是第i个数据的模型估计值，它是该板块相对于热点旋转的欧拉矢量 的函数，是第i个数据的标准差.,b.岩石圈无整体旋转参考框架（NNR）下建立板块运动模型 观测量：1)相邻板块的相对运动速率观测值：包括海底扩张速率、汇聚速率

7、和错动速率；2)板块相对运动方向的主要观测量为：转换断层方位角和地震滑动矢量。,相对于岩石圈参考架整个地球的角动量为零,拖曳力,力矩,对任一板块O，,第P个板块的转动惯量张量,设“板块”m代表下地幔，相对它的速度为板块的绝对速度,D是拖曳系数,板块相对运动NUVEL-1模型(G.J.I,1990,101:425-478),板块绝对运动NUVEL1-NNR模型(GRL,1991,18(11):2039-2042),板块绝对运动HS2-NUVEL-1模型(JGR,1990,17(8):1109-1112),NNR-NUVEL-1A,DeMets C,Gordon R,Argus D et al.G

8、RL,1994,21:2191,2、空间大地测量方法,全球板块运动模型NNR-ITRF2000VEL,协议地球参考系应遵循的一条标准是地球参考架定向随时间的演变要满足相对于地壳无整体(残余)旋转的条件,而（朱文耀等）发现 ITRF2000参考架不满足无整体旋转的条件，推导出在构建ITRF参考架时满足无整体旋转的条件方程，建立了新的无整体旋转的全球板块运动模型NNR-ITRF2000VEL,在构建ITRF过程中实现参考架无整体旋转,1,用NNR-NUVELlA地质模型实现Tisserand条件 2,基于全球板块运动模型的Tisserand条件 3,ITRF2000全球板块运动模型及ITRF200

9、0角动量和的计算,朱文耀等，ITRF2000 的无整体旋转约束及最新全球板块运动模型NNR-ITRF2000VEL,第33 卷 增 刊SCIENCE IN CHINA(Series D),用NNR-NUVELlA地质模型实现Tisserand条件,相对于这个参考架整个地球的角动量为零:,国际协议地球参考系的定义采用相对于地壳无整体旋转,NNR-NUVELlA全球地质板块运动模型满足Tisserand条件,可以利用速度7参数转换公式将ITRF速度场转换到NNR-NUVELlA模型的速度场上，使ITRF满足Tisserand条件,基于全球板块运动模型的Tisserand条件,全球地壳共划分有14个

10、大板块,利用ITRF2000中的速度场计算板块的欧拉矢量,小板块由于台站数量不够，欧拉矢量口不能直接确定，可近似利用NUVELlA相对地质模型结合已上述求出的绝对模型，利用左式间接获得这些板块的欧拉矢量,构建ITRF过程中实现参考架无整体旋转应参加联合计算的条件方程式,ITRF2000全球板块运动模型及ITRF2000角动量和的计算,台站选择的要求,ITRF2000定向核心站的分布,板块运动的驱动力,有关板块驱动机制讨论有三个观测上和理论上的问题：1)这一机制是否可以提供板块运动的机械能的消耗，如地震释放的能量，地幔粘滞耗散的能量等?2)是否可以解释板块内部和边界上的应力分布?3)是否可以提供

11、一个运动的模式，而这一模式将由海底扩张来验证?,关于板块运动驱动力的研究集中在两个方面：1)板块构造本身和热对流的研究，即板块主动驱动其自身运动论2)地幔对流驱动运动论,1.,1,2.,2,软流圈中的对流和流动可能驱动岩石圈板块运动的三种机制,软流圈内的对流,全地幔对流,产生于核幔边界的热柱及其在地表引起的热点,地幔热对流,活动地块学说,1、断块、构造块体、活动地块的概念2、活动地块学说与断块、板块学说的区别 3、活动地块、构造块体的相对运动分析,断块及断块学说,断块学说由我国地质学家张文佑先生提出，他在1984年出版了“断块构造导论”（北京：石油工业出版社，1984.）,断块观点认为：变形一

12、般从褶皱到断裂，一旦产生断裂，便对以后的变形起决定性的控制作用。断裂形成常由剪切始而由拉张发展完成。因受力方式、边界条件等的不同，断裂常构成不同型式的组合，称之断裂体系。有三种最基本的断裂体系（X型、Y型和I型），五种断裂活动方式（纯挤压、纯拉张、纯剪切、剪切挤压和剪切一拉张），按切割深度可分出四种断裂（岩石圈断裂、地壳断裂、基底断裂和盖层断层），此外还有不同深度上的层间滑动断裂。所谓断块，就是为不同深度的断裂所围限的块体。断块与板块的关系，通俗地说，断块是大陆上的板块，板块是最大一级的断块即岩石圈断块，是被岩石圈断裂围限的、以相应深度的层间滑动断裂为底界的块体。,断块,断块的活动方式主要有拉

13、张、挤压、断隆、断陷、抬斜和掀斜。,断块构造运动的驱动力源 断块学说认为决定地球构造运动的基本因素是恩格斯说的“吸引与排斥这一古老的两极对立”。地球内部物质在重力作用下发生收缩作用和重力分异作用是“吸引”，在热作用下发生体积膨胀和某种方式的热对流则是“排斥”，它们引起地球自转速度的变化和自转轴的摆动，并导致离心力、科里奥利力、极移应力等的产生，以及地球内部各圈层相对扁率的变化和滑动，于是有了岩石圈各断块间的相互错动。应该把驱动断块运动的力与形成断块的力统一起来考虑。（1）离极力（pole-fleeting force）（2）科里奥利力（Coriolis Force）（3）旋转速度不均一效应（4

14、）地球自转速率的变化,断块的活动方式,断块就是为断裂所围限的块体，直观地看，在中国大陆内，有菱形的塔里木盆地，矩形的鄂尔多斯黄土高原，斜方形的四川中生代红色盆地，三角形的松潘甘孜三迭纪地槽区，近于平行四边形的西藏高原等。所有这些单元都是被各种类型的断裂系统切割限定的深部断块的地表表现形式,地球沿着垂向可分为若干壳层，各壳层间的滑动面称层间滑动断裂；这些壳层沿着横向又被不同深度的断裂所分割。这两种断裂的结合所厘定的地质构造单元，就是断块。,断块分类：依其边界断裂的深度亦可分为相应的四类，即：为岩石圈断裂所围限的块体称岩石圈断块，为地壳断裂所围限的块体称地壳断块，为基底断裂所围限的块体称基底断块，

15、为盖层断裂所围限的块体称盖层断块。,在岩石圈断块内部被各种地壳断裂所切割的块体就是地壳断块，或者说，岩石圈断块是由若干地壳断块拼合而成的。同样，在地壳断块内部又可分出基底断块，或说地壳断块是由若干基底断块拼合而成的；在基底断块内部又可分出盖层断块，或说基底断块是由若干盖层断块拼合而成的。,断裂、断层是指岩石沿某个面的破裂和沿该面的位移，实际种常常将断裂一词用作断裂面的同义词。断裂活动的五种方式锯齿状断裂的活动方式可概括为以下五种：（）纯挤压；（）纯拉张；（）纯剪切（分左旋、右旋两种）；（）剪切挤压；（）剪切拉张。断裂的三种基本体系 由于受力方式和边界条件以及变形体物理力学性质的不同，受同一应力

16、场作用而产生的断裂在平面上常可构成不同形式的组合，即称为断裂体系。断裂体系还可进一步划分为基本型和复合型这两大类型。三种最基本的断裂体系是：X型剪切断裂体系，Y型剪切拉张断裂体系和I型张性断裂体系。,断裂与断裂系（复习）,（）纯挤压；（）纯拉张；（）纯剪切（分左旋、右旋两种）；（）剪切挤压；（）剪切拉张。,断裂活动的五种方式,2类：穿层断裂和断裂带；顺层滑动断裂和断裂带,1、穿层断裂和断裂带：穿层断裂按其深度以及它们的地质和地球物理标志，可以划分为下列四种，即：岩石圈断裂（带）、地壳断裂（带）、基底断裂（带）和盖层断裂（带）岩石圈断裂（带）：切穿岩石圈到达软流圈的断裂称岩石圈断裂。地壳断裂（带

17、）：切穿地壳达到莫霍面的断裂称地壳断裂。基底断裂（带）：切穿地壳上部花岗岩质层到达康氏界面的断裂称基底断裂。盖层断裂（带）：切穿沉积盖层达到变质基底顶面的断裂称盖层断裂 一条断裂或断裂带，在地质历史发展的不同时期可以多次地活动，但其切穿深度在不同的活动阶段中可以不同，因而留给我们的地质纪录（包括同断裂活动期的和对后期沉积的控制这样两方面）也不尽相同。即使在同一历史阶段中，它即可能经历由盖层断裂发展为岩石圈断裂的过程，也可以经历由岩石圈断裂变为盖层断裂的过程；在断裂发展的同一阶段中，它在不同的地区也可能切割不同的深度因而表现出不同的性质。,断裂和断裂带的分类,2、顺层滑动断裂和断裂带 根据地球物

18、理学和地质学的研究，地球的岩石圈自表及里在垂直方向上可划为若干层：（）沉积盖层；（）变质结晶基底或花岗岩质层（上部地壳），以结晶基底顶面与沉积盖层分界；（）中部地壳层；（）玄武岩或辉长岩质层（下部地壳）；（）橄榄岩（或榴辉岩）质层，亦称地幔盖层，以莫霍面与玄武岩质层分界。上述的每一层中又可划分出若干次一级的和更次一级的层。在地球自转、地极移动以及日月吸引产生潮汐等因素的影响下，这些不同级别的层之间即可发生相对滑动而形成深浅不一、长短不一和断续延伸的顺层滑动断裂。岩石圈滑动断裂（带）、地壳滑动断裂（带）、基底滑动断裂（带）和盖层滑动断裂（带）。层间滑动常沿各壳圈间的软弱夹层发生。断块学说强调层间

19、滑动断裂，因为各级断块在水平方向上的移动，从最大一级的洋底扩张和大陆漂移，到巨型隆起和巨型凹陷的构造运动，到沉积盖层的褶皱，无一不受层间滑动断裂的控制。也就是说，切穿各圈层的深度不等的断裂，只有在层间滑动断裂的配合下，才能对被切穿的壳圈的变形起重要的控制作用。,断块学说与板块学说比较（1）,断块学说与板块学说比较（2）,活动亚板块与构造块体是在新构造时期至现今仍在活动着的构造单元，不单纯是由断裂围限的断块，也不单纯是小板块。,亚板块一词，具有多重的含义：一方面它对其所处的板块来说是次一级的；另一方面还有近似的涵义，并非大板块的单纯划小，因为它未必具有大板块的那些属性和条件。,亚板块的变形不仅限

20、于边缘，其内部也经历构造过程，所以还可以进一步划分出构造块体或简称块体。,具有构造活动统一性的构造实体,活动亚板块与构造块体,划分亚板块的主要依据,（1）能够反映深部过程的活动构造带。断裂作用是大陆岩石圈变形的主要形式之一，特别是深断裂更具有重要的意义。裂陷盆地、特别是大陆裂谷是岩石圈变形和深部活动的敏感指示计，所以我国的亚板块之间往往是以深的活动断裂带及活动地堑系和裂谷系为边界的。,（2）地震活动带，特别是强震带是划分板块、亚板块和块体边界的主要依据之一。,（3）地球物理场的变异带，如地壳、岩石圈厚度的突变带、航磁异常 带、重力梯度带等都反映沿此带有深部构造上的变异。,（4）亚板块内部构造活

21、动的统一性。,我国及邻区可划分为8个活动亚板块和它们各自内部的活动构造块体，共计17个（马杏垣，1990），它们是：.黑龙江亚块板 1 准噶尔块体 1 长白块体 2 天山块体 2 松辽兴安块体 3 塔里木块体.华北亚板块 4 阿拉善块体 1 胶东苏北南黄海块体 5 费尔干纳块体 2 河淮块体.青藏亚板块 3 鄂尔多斯块体 1 甘青块体.南华亚板块 2 西藏块体 1 华南东海块体 3 川滇块体 2 台湾块体 4 喜马拉雅块体.南海亚板块 5 帕米尔块体.蒙古亚板块 6 塔吉克块体.新疆亚板块.东南亚亚板块,活动亚板块与构造块体的划分,图：中国及邻区活动板块、亚板块与块体划分,和 分别为平行于和垂

22、直于断裂线的平均滑动速率矢量,活断裂两盘的相对运动是在三维空间里进行的，为了直观地反映新构造期（尤其是近几万年来）块体水平相对运动状况，采用断裂两盘在水平面上相对运动的平均速率矢量即两盘相对滑动的平均速率矢量的水平投影值 来表示,和 分别表示为时间里平行于和垂直于断层线的总错距，为 时间两盘铅垂落差（即两盘差异性升降幅度），为断裂面倾角，为水平面内断裂两盘错动方向与断层线的夹角。,亚板块构造块体相对运动的计算方法,计算西部各亚板块与块体相对欧亚板块的运动矢量,计算原则：1）各块体运动方向是根据各块体前缘新褶皱轴向和逆冲断裂走向来判定的，即块体运动总体方向与新褶皱轴或新逆冲断裂走向垂直。2）块体

23、运动速率估算系数假定。印度板块以平均每年50毫米的速率向北运动（Minster和Jordan，1978），推动我国西部各块体及褶皱带的变形和运动。各块体和褶皱带均为弹塑性体，但各有不同的刚度，具有传递力和速率的性能，并按下图模型传递，公式如下,为第 块体中部向前移动速率；为第 块体横向缩短速率；和 为第 块体后缘和前缘的移动速率。缩短速率垂直形变速率块体横向宽度块体垂直厚度（地壳厚度）,块体和褶皱带传递力和速率的模型图1、3、5、7为具有前寒武世纪基底的刚性块体2、4、6为褶皱带,当第1块体为印度板块时，=50毫米年。,中国活断层的滑动速率,中国西部块体和褶皱带形变和运动速率估计值,中国及邻区

24、活动板块、亚板块与块体的运动矢量,从中国大陆地震的特点出发，马宗晋、张国民、张培震等（1999）在张文佑的断块构造（fault-block）理论和马杏垣、丁国瑜提出的活动亚板块、构造块体的基础上，提出了活动地块假说，用于描述中国大陆现今构造变形的特征和机制，探索大陆强震的发生机理和预测方法。,活动地块是一种正在活动的岩石圈块体，它实际上是被大型晚新生代活动构造带所分割和围限、具有相对统一运动方式的地质单元。,活动地块边界构造活动强烈，绝大多数强烈地震（7级以上）都发生在地块边界的活动构造带上。,活动地块内部的变形有两种形式：一种是相对稳定，内部不发生大幅度构造变形；另一种是内部次级块体之间发生

25、相对运动，具有一定的构造活动性，但不论是其活动强度还是频度都远小于边界活动构造带。,活动地块假说（活动块体动力学假说）,活动地块假说,活动地块可以与地质历史上的块体相一致，也可以具有新生性，与老的块体边界不一致。,活动地块具有分级性，一级活动地块内部可能存在次级地块。,活动地块的运动不仅受到板块边界的驱动作用，还受到深部动力作用，地块的底边界受不同层次的拆离带或滑脱带所控制，因深部动力作用不同，所表现在浅表的脆性构造变形和强震活动也不同。,活动块体假说相对于断块构造、活动亚板块、构造块体有6个发展,1）从时间尺度上是研究晚第四纪（1012万年）以来的构造活动，着 重强调与未来强震活动密切相关的

26、现今时段2）从状态上是指现今仍在活动，并且与未来强震有关的块体运动及相 关的构造变形3）更加强调大陆内部构造变形的复杂性，充分考虑到大陆地区在结构、介质、变形过程、动力学等方面的复杂性和差异性4）更加强调晚第四纪现今时段的活动状态，并与未来强震的孕育发生 密切相关5）更加强调不同活动块体在深部结构、介质性质和边界带，乃至边界带 不同段落上的差异6）更加强调同一活动块体构造变形的统一性，以及不同活动块体之间 或不同级别活动块体之间构造变形在更大区域框架下的协调性,新生性：活动地块形成于晚新生代，是现今仍在活动的 地质单元，与断块、地槽、地台等古老地质单 元有着本质的区别。,整体性：活动地块内部相

27、对稳定，主要构造变形和强烈 地震发生在活动地块边界，地块的运动具有较 好的整体性。,立体性：活动地块的运动和变形不仅受到板块边界的驱 动作用，还受到来自大陆深部的动力作用，这 是活动地块与板块构造的根本区别之一。,中国大陆的活动地块主要特点,层次性：活动地块具有不同的级别，大的活动地块可以 由一些次级地块所组成，也可以没有次级地块。,大陆强震机理与预测(国家重点基础研究发展规划 973项目首批项目（1998-2003)）,“大陆强震机理与预测”研究的科学背景:1，我国是全球大陆地震最频繁、地震灾害最严重的国家：在20 世纪中,我国大陆地区在占全 球陆地面积7%的国土上,发生了占全球35%的7

28、级以上大陆地震。20 世纪全球因地震死亡的总人数近120 万人,我国大陆地区就有近60 万,占一半左右。我国有53%的国土、近1/2 城市、2/3 百万人口以上城市位于七度以上的高烈度区,而美国七度以上高烈度区仅占其国土面积的12%。建国以来地震造成的直接死亡人数达28.5 万,占同期所有自然灾害造成直接死亡人数的54%（1999年统计数据）。2，随着现代全球性经济快速发展、人口快速增长和人口向城市快速集中,地震灾害正以加速的趋势发展。面对对地震减灾的强烈社会需求,地震预测作为地震减灾的一个核心科学问题更被国内外科学家所瞩目。3，地震预测是当今基础研究领域公认的国际性难题。随着高新技术在地球科

29、学中的应用,主要是空间对地观测技术和数字地震观测技术的发展,对现代地壳运动、地球内部结构、地震震源过程、地震前兆图像的观测,在分辨率、覆盖面、动态性这三个方面都有了飞跃式的发展。观测技术的进步给地震预测研究带来一次历史性的机遇。,项目研究的总体科学思路、研究内容与科学目标,总体科学思路:从中国大陆强震的特殊背景出发,以活动地块动力学为主线,以新一代的观测技术为依托,通过对最新构造变动和应变场演化的研究,划分出控制中国大陆强震的不同级别的活动地块;通过对现代地壳运动和变形的研究,确定活动块体的运动方式和速度;通过对活动地块运动与变形的数学、物理模拟研究,认识地块活动与强震孕育的关系;并通过流动地

30、震试验场的检验,发展大陆强震理论,指导强震预测并应用于我国重要经济地理区的强震灾害评价。项目的总体目标:在5 10 年内,发展以地点为目标的强震预测理论,并对以时间为目标的强震预测进行探索;在对以地点为目标的强震预测有所突破的基础上,对未来可能发生地震的地区加强观测和研究;再通过5 10 年的努力争取在以时间为目标的强震预测理论方面取得明显的进展。,项目研究的总体科学思路、研究内容与科学目标,研究内容：1.中国大陆活动地块的最新构造变动与应变场演化过程研究 以现代活动断裂观测技术和第四纪年代测试技术为依托,开展中国大陆岩石圈最新构造变动中的重大构造事件时间序列、古地震和强震复发规律的研究,揭示

31、中国大陆非均匀构造应变场、地块运动、断裂活动与强震孕育的关系,认识大陆内部构造变形的方式、幅度、过程与机制,合理地划分出不同级别的活动地块,阐明活动地块运动状态影响地震发生格局的机理。2.中国大陆强震孕育发生的深部构造环境研究 以数字地震观测与分析技术为主,辅以其它深部地球物理和地球化学探测技术,开展地壳、上地幔三维速度结构地震波走时和波形成像研究以及对岩石圈开展宽频带地震台阵高分辨率地震成像研究,揭示中国大陆岩石圈结构与强震发生的关系;研究重要活动地块的深部结构和深浅构造耦合关系,深部热流体在地震孕育过程中的作用,了解大陆强震孕育发生的深部构造环境,从深部结构和孕震环境的角度理解地震发生的机

32、制。,项目研究的总体科学思路、研究内容与科学目标,研究内容：3.中国大陆现今地壳运动与活动地块及其边界运动学研究以“中国地壳运动观测网络”为主要技术手段,确定研究区域在不同层次、不同尺度上的运动学特征,建立中国大陆现今地壳运动的位移场、速度场;结合地质、地球物理等方法,揭示关键活动构造带和活动地块的运动方式、活动规律、幅度和边界条件,建立中国大陆活动地块及其周边地壳运动模型;进一步探索重要活动地块和关键动力边界运动的不一致性、非平稳性,以及区域差异运动的动力学机制。4.大陆强震孕育发生的数学和物理模拟研究根据深部地球物理、大地测量和构造地质研究的资料,结合震源实体的介质和物理、化学环境研究,用

33、物理模拟和数学模拟的方法重建导致大陆强震的构造物理过程;结合实际震例,研究不同类型孕震体的失稳条件、失稳机制、失稳标志和触发因素等;引入考虑地块活动与强震发生动态变化的数学模型,建立有别于板缘地震、符合中国大陆地震实际的地震孕育运动学和动力学模型。,项目研究的总体科学思路、研究内容与科学目标,研究内容：5.流动地震实验场研究利用流动地震实验场,对地震危险区或余震区进行高密度、多分量、大动态、近震源的强化观测;开展强震预测新技术新方法的观测与实验,查明强震发生的主要控制因素和控制机理,为发展新的地震预测理论提供基础资料,并对强震预测进行检验。6.重要经济地理区强震预测与灾害评价系统主要通过对中国

34、关键活动构造带地质构造、地球物理和地球化学的综合研究,对我国位于高烈度区的重要经济地理区未来10 年强震发生的可能性进行预测,对重点区域可能发生的强震所造成的损失进行预评价,建立强震预测与灾害评价系统。,大陆强震机制与预测(国家重点基础研究发展规划 973项目),一个总体科学思想:大陆地壳活动地块动力学科学假说;二个关键点:活动地块的科学内涵,活动地块的判别标志;三个科学难点:活动地块划分,活动地块的运动性状,活动地块运动 与强震的关系;四个重点科学问题:活动地块科学假说建立与完善,大陆强震机 理,10 年尺度的强震危险区预测,重要经济区减灾。,大陆强震机制与预测(国家重点基础研究发展规划 9

35、73项目),科学难点问题：1，活动地块的划分：查明主要活动断裂带的分布与活动习性；识别出控制着现代强震发生的不同级别的活动地块；研究活动地块的层次结构和深部动力背景。2，活动地块运动方式的确定：获取活动地块运动的平均幅度；获取活动地块运动速度场及应力应变场的高分辨率图像；利用我国几十年积累的连续观测资料，研究地球物理和地球化学异常所反映的活动地块运动状态。3，活动地块运动与强震发生的关系：利用多种手段的动态观测资料认识边界断裂与地块活动规律；以活动地块运动为主线，通过物理模拟实验研究活动地块运动与地震发生的关系；建立适合中国大陆强震孕育和发生的计算机模拟系统。,四个地域是指四个主要研究基地：1

36、）川滇2）华北3）青藏东北缘4）天山其中川滇地区和青藏东北缘地区是重中之重,四个重点研究地域,(1)活动地块最新构造变动的研究；(2)强震孕育深部构造环境的探测和研究；(3)现今地壳运动的观测研究；(4)强震孕育的数学物理模拟；(5)建立流动地震实验场和强震预测研究。,五个研究支柱,活动地块的划分原则,根据活动地块的定义和性质，将晚第四纪到现今的构造活动性作为活动地块的划分原则,具体有如下3条基本原则：,1）边界带构造变形的活动性和局部化。活动块体的边界带一定具有强烈的构造活动性，应变也必然在活动块体的边界带上集中，形成变形和应变的局部化。,2）地块之间和地块内部构造变形的协调性和整体化。活动

37、块体以整体运动和变形为特征，即使内部具有一定的构造活动性，其运动和变形在整个大活动地块框架下也具有统一性和协调性。,3）内部结构的完整性和分层化。同一活动块体一般具有相同的地壳结构特征，相同的壳/幔分界性质（一级间断面或过渡带），不同的活动块体一般具有不同的地壳介质不均匀性尺度和壳内低速层（体）的分布。,为什么要将晚第四纪到现今的构造活动性作为活动地块的划分原则？,第一，影响着中国大陆内部地貌格局和环境演变的构造运动起始于新生代晚 期，而控制着强震发生的活动地块边界带从晚第四纪到现今强烈活动。,第二，划分活动地块的目的是从块体相互作用和区域变形协调的角度研究成组强震的发生机理，只有晚第四纪到现

38、今时段的构造活动性才与未来强震密切相关，那些构造活动性弱或不活动的地质构造与强震的发生没有直接关系。,地块底界的界定,岩石圈板块通常以岩石固相线为底界。由于地块是在讨论强震孕育时提出的，我们主要关心生震层或多震层，这样可以将脆韧转换边界或脆性层的底界作为地壳块体的底界。这里有3个问题。,1，地壳内可能具有三明治结构，有多个脆性层与韧性层的交替，这样是否说有多层地块？,2，岩石的流变性质或脆韧转换边界是随时间变化的，这样地块的底界深度也随时间改变。,3，强震应力积累实际上并不局限在脆性层，而是牵涉到下伏的往往厚度更大的韧性层。而且在韧性层的变形与应力迁移往往对强震孕育起更大的作用。,活动地块的划

39、分,6个一级地块区是青藏、西域、南华(华南）、滇缅、华北和东北,23个活动地块：天山、准噶尔、阿尔泰、萨彦、塔里木、祁连、柴达木、羌塘、拉萨、喜马拉雅、川滇、颠西、颠南、阿拉善、巴颜喀拉、鄂尔多斯、华北平原、燕山、中蒙（兴安-东蒙）、东北（中朝）、华南、鲁东-黄海（胶辽）、南海等活动块体。,其中天山、祁连、川滇、鄂尔多斯和华北活动地块地震活动性强，且人烟稠密、经济发达，地震造成的潜在破坏很大。,中国大陆及邻区的活动地块可以作两级划分：一级活动地块区（active tectonic-block region)（简称地块区）和二级活动地块（active tectonic-block)(简称地块）,

40、中国活动构造基本特征,6个一级断块区，2个板块边界构造带，29个断块,Subareas of active tectonic of China.exe,活动地块运动方式的确定,以“中国地壳运动观测网络”为主要技术手段，研究不同层次、不同尺度地质构造的运动学特征，分析中国大陆现今地壳运动的位移场、应变场；结合地质、地球物理等方法，了解关键活动构造带和活动地块运动方式、活动规律、幅度和边界条件，提出中国大陆活动地块及其周边地壳运动模型。进一步探索重要活动地块和关键动力边界运动的不一致性、非平稳性，以及区域差异运动的动力学机制。,Movement of active Blocks in China.

41、exe,地块的活动状态,地块的活动状态包括地块介质的活动状态与地块边界的活动状态。,1、地块介质的活动状态：主要指地块内不同层位介质的热状态、流变学状态及其应力状态，可以用能量级别，或者说地块介质能 量积累。释放的快慢来衡量。,2、地块边界的活动状态：地块边界的活动状态由于应力状态随时间 变，心而变更，显示了断裂由离散的断层段逐渐扩展、贯通而形 成连续断层边界的过程。大致可分为：,1）基本连续的断裂带（成熟的边界）；2）不连续的断裂带（发展中的边界）；3）隐伏断裂带。,驱动脆性地块的运动有两种基本方式,第一种是地块的边界断裂切割整个岩石圈，上部以脆性破裂为特征，下部以韧性剪切带为特征，绝大部分

42、变形局限在边界断裂带上，地块的运动类似于海洋的刚性板块，应力通过块体之间的相互作用（挤压、拉张、剪切及其联合作用）而传递，边界力驱动着地块运动。,第二种是地块边界断裂带只切割岩石圈的上部脆性层，消失于中下地壳的粘塑性层中，下地壳和上地幔的粘塑性流变驱动着上地壳脆性活动地块的相对运动。,初步研究表明第二种基本方式可能更真实地反映了大陆构造变形的动力学机制。上部地壳以脆性变形为主，活动断裂将其切割成不同形状的地块，在下地壳和上地漫粘塑性流变的驱动下发生整体运动，形成今日以活动地块为单元的构造变形特征。,活动地块变形机制,中国大陆现今构造变形以活动地块的相对运动和相互作用为主要特征，为什么大陆变形以

43、这种方式进行？是什么样的作用力驱动着这种变形？,大陆岩石圈具有分层的力学性质，上地壳以脆性变形为主，下地壳以粘塑性流变为主，上地幔虽然强度很大，但变形仍以流变的方式进行，形成典型的“三明治”结构。上部地壳在漫长的地质演化历史中由于其物性、结构和力学性质的不断演变形成不同层次的活动地块，变形以脆性为主，向下这种脆性变形转换为塑性流变。,我国大陆和边界地区的8级以上（含8级）巨大地震基本上都落在活动地块的活动边界上；,活动地块与强震关系,7级以上大震的80%90%发生在活动地块边界上；,活动地块的级别越高，控制的强震规模越大。,构造强震可以理解为岩石块体之间的突然错动。从断层观点来看，断层摩擦失稳

44、后的突然错动而产生强震；从地块活动观点来看，强震是地块弹性能的快速释放：一方面需要积累足够的弹性应变能，同时具有突然快速释放的边界条件。地块边界的断层错动只不过是弹性能释放的场所,为了从地块观点预测地震，需要了解板内地块之间和地块内部的应变能分配格局及其变化过程，具体有4个方面。,1）板块边界应变能的传递，例如斜向碰撞边界的变形分配及其过程，俯冲板块边界耦合与解耦时期对板内作用的变换。,2）板块内部介质、结构对应变能分配的影响，包括各种断层，界面，不同地质单元（不同岩性与流变性质），热结构，以及流体的影响。,3）深部作用产生的应力分配，包括下伏地幔的拖曳力，地幔上升或下沉运动的垂直方向的力及热

45、流，以及地时质密度变化5；起的重力均衡状态的变化等所造成的变化。,4）板内应变能的再分配，主要是岩石介质屈服后蠕变流动所伴随的应力松弛、传递、积累过程，特别是伴随强震发生的断层解耦后韧性层流变所产生的应力迁移过程。,地块活动与地震的关系,地块与板块的异同,我国大陆广大地区处于发散的板块边界附近，或者说板块内部构造活动相对强烈，为了更好地描述板内构造活动，广泛地采用“地块”的概念。由于岩石流变性质的非线性，地球表壳变形主要集中一些在狭长的带上，而这些活动带之间的广阔区域则只承担很小的变形。这些广阔区域就是块体，而狭长的活动带则是块体间的边界。从这个观点来看，地壳块体（地块）的概念是板块构造向板块

46、内部的延伸。地块与板块都有相同的块一带结构，变形主要由带来完成，在这一方面板块与地块是相同的，差别的仅在水平尺度、深度层次以及变形量级上。,地块与板块有本质的区别,板块包括地壳与软流圈之上的岩石圈（岩石圈地幔），它们密度较低，通常能逃脱被消减的命运而在软流圈上移动，类似于在传送带上被携带的浮性块。,地块是具有构造活动统一性的构造实体（马杏垣，1987），是在板块内部变形活动中相对一致的单元。,板块运动的驱动力为俯冲板片的负浮力、中洋脊的推力，以及地幔底部拖曳力等，板内变形是板块相对运动的结果。,地块的运动却是在应力迁移、集中和变形、屈服后的断层活动时才进行的，或者说地块运动是地块变形的产物。,

47、板块与地块的区别,有待进一步深入研究的科学问题,1.活动地块边界带的动力作用、构造变形机理及其与强震关系 前期研究确立了活动地块科学假说并作了活动地块划分,揭示了活动地块对强震的控制作用。强震大多数集中于活动地块边界带,因此,活动地块边界带的运动性状和动力作用是导致强震孕育和发生的重要原因。然而由于前期研究的重点放在活动地块研究及其划分上,对活动地块边界带的研究还很不足。如:活动地块边界带复杂的几何结构和深浅部构造关系,活动地块边界带的活动习性和古地震活动规律,边界带断裂分段和现今变形分布及其与强震的关系等。为了深入理解大陆强震的机理,需要对构造和强震活动强烈的典型活动地块边界带进行深入的解剖

48、和研究,探索活动地块边界构造变形与强震发生的内在机理。,有待进一步深入研究的科学问题,2.中国大陆地块运动与连续变形的动力学模式尚需完善本项目研究根据GPS 等观测所给出的中国大陆现今地壳运动图像,通过中国大陆壳幔结构探测及深部岩石物性和力学属性等研究,提出了中国大陆地块运动和连续变形相结合的动力学模式。然而这方面的研究探索还是初步的,尚有一系列科学问题有待进一步深入研究。如:中国大陆活动地块具有的不同类型及其分类特性研究;活动地块的深浅部结构及其基本特性;活动地块的深部驱动机制;活动地块整体性的块体运动和块体内部连续变形的关系及其动力学机制等。,有待进一步深入研究的科学问题,3.大陆强震孕育

49、的深部环境,活动地块的深部结构及其深部动力作用本项研究通过对地壳上地幔综合地球物理勘测,对不同岩石物理性质的高温高压实验研究,以及对地震精确定位和震源深度的分析研究,给出了我国大陆强震孕育的深部环境条件。但尚需寻找对强震孕育深部环境认识的更多的科学证据,如:活动地块的深部结构及其深部动力作用,震源区介质物性、力学性质的确定,震源下方(下部地壳和上地幔)介质的物性条件、力学性状等研究,地壳和上地幔不同深度的强度特性及其对强震孕育过程、孕育条件的 影响作用研究等。,有待进一步深入研究的科学问题,4.发展地震预测试验场研究并向国际化方向努力多年来,俄罗斯(前苏联)、美国、日本和我国等国家,以及IAS

50、PEI 等国际组织,都很注重地震预测试验场的建设和研究。但由于地震活动的固有特性,如复发期长,地震发生受多种因素影响而不确定性大等特点,地震预测试验场成功的例子尚不多见。但也正因为地震活动具有复发期长,发震的不确定性大等特性,就更需要选定重点,建设地震预测试验场。在试验场中将基础研究与预测实践结合;将地质学、地球物理学、大地测量学、地球化学、地震学等多学科的研究有机结合、融汇和交叉;将新观测技术的应用和重大科学问题的探索结合起来,以加速地震预测研究的推进。以我国地震预测研究成果为基础,吸收外国先进的科技成果推进地震预测试验场的建设并走向国际化,是地震预测的重要科学途径之一。,活动地块边界带的动