郭飛霄 肖 云 苗岳旺
1 西安測繪研究所,西安市雁塔路中段1號,710054
2 地理信息工程國家重點實驗室,西安市雁塔路中段1號,710054
3 西安測繪信息技術總站,西安市西影路36號710054
構造應力場的研究已成為揭示板塊驅動機制、塊體間相互作用以及地震發(fā)生過程的關鍵因素之一。重力構造學認為,地球重力是地球構造運動的主要驅動力,重力的水平差異產(chǎn)生應力差,驅動板塊間相對運動,從而引發(fā)地球的構造活動[1]。重力觀測值蘊含著構造動力信息,重力與構造應力之間存在著密切的聯(lián)系,巖石圈內水平構造應力的變化情況能夠由重力場變化特征反映出來[2]。國內學者對利用重力資料計算區(qū)域構造應力場的研究取得了一定進展,游永雄[3]建立了地殼構造應力場定量優(yōu)化模型,并利用重力異常和垂線偏差觀測值計算了華北等區(qū)域構造應力場;向文等[2]提出了重力異常變化量向構造應力場轉化的理論模型;楊國林等[4,5]利用重力資料計算了典型構造區(qū)域的構造應力場。川滇地區(qū)地殼運動強烈、地震活動頻度高、強度大,是地震研究的重點地區(qū)之一。研究川滇地區(qū)構造應力場及其變化,探索地震活動與構造應力場變化的關系[6-9],不但對地震等災害的監(jiān)測有著重要的現(xiàn)實意義,也對地球動力學理論研究有一定的參考價值。本文研究了重力場向構造應力場的轉換關系,分別利用EGM2008重力場模型和地面實測重力異常資料反演了川滇地區(qū)構造應力場,并對該地區(qū)的構造應力場進行初步分析。
若地殼處于流體靜力狀態(tài),單位地塊質量產(chǎn)生的靜巖壓力P為:
式中,σzz為垂直壓力,σxx和σyy為水平側壓力。根據(jù)阿基米德原理,地殼所受向上的浮力等于被排開的地幔巖質量:
式中,ρc為地殼平均密度,ρm為地幔密度,b為地殼柱體沉入地幔的深度,g為平均重力加速度值,h為地殼平均厚度。地殼中并非都為靜巖壓力平衡狀態(tài),當3個主應力不等時,認為是存在構造應力的緣故。構造應力Δσxx是在靜巖壓力上附加的一種應力,由相鄰地塊地形高低不同、密度不同、板塊驅動力、熱應力等附加應力引起的[3]。
由液體靜力平衡原理得:
其中,F(xiàn)m為地幔水平側向力,F(xiàn)c為水平側向力,F(xiàn)為水平構造應力:
積分式(3)得:
由式(2),進一步推得:
密度異常為Δρ、厚度h的布格片引起的重力異常Δgh為:
式中,f為萬有引力常數(shù),Δρ=ρm-ρc。用通常均衡改正的均衡柱體面積作為小地塊計算的單位面積,設單位地塊密度為ρi,將它替換地殼平均密度ρc得:
式中,gx和gy分別為重力異常水平分量。根據(jù)希爾伯特三維空間位場轉換獲得重力異常水平方向分量[7]:
式中,(ξ,η)是流動坐標,遍及整個測量區(qū)域;gz是對應流動坐標的重力異常值;H是空間延拓高度;積分區(qū)域可以有限化和網(wǎng)格離散化[9]。任一點的最大主應力方向α可由重力異常水平分量值確定:
EGM2008重力場模型是由美國NGA 組織(national geo-spatial-intelligence agency)發(fā) 布 的高階地球重力場模型,該模型采用GRACE 衛(wèi)星測量數(shù)據(jù)、衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)和地面重力數(shù)據(jù)等計算得到,目前空間分辨率可達5′×5′,能夠較好地反映重力場的中低頻部分,為更精細地研究重力場變化特征提供了可能。地面重力觀測資料為課題組多年收集積累,精度在5 mGal左右。利用EGM2008模型按下式計算,得到研究區(qū)域重力異常數(shù)據(jù):
下面分別采用2 160階EGM2008重力場模型和5′×5′地面實測重力異常資料計算(96°~108°E,20°~34°N)范圍的川滇地區(qū)構造應力場,并對反演結果進行分析。
從圖1可見,利用兩類數(shù)據(jù)反演的川滇地區(qū)構造應力場矢量分布整體上基本一致。在四川地區(qū)(28°~34°N,97°~108°E),東部地區(qū)的構造應力表現(xiàn)為東北方向,西部地區(qū)的構造應力表現(xiàn)為西北方向;而在龍門山斷裂帶地區(qū)(27°~32°N,102°E~105°E),構造應力聚集明顯,顯示出該地區(qū)受到東西向的力的擠壓作用;并且在川滇藏交界區(qū)域(27°~29°N,97°E~99°E)嘉黎斷裂帶,構造應力聚集明顯,該地區(qū)受到西南和東北方向的力的擠壓作用。在云南地區(qū)(21°~28°N,97°~105°E),云南東部地區(qū)的構造應力表現(xiàn)為西南方向,并且在(22°~24°N,103°~105°E)區(qū)域顯示出受到東西方向的力的擠壓作用;而在云南西部地區(qū),由于地面實測重力資料僅限我國范圍,缺少鄰近區(qū)域數(shù)據(jù),因此,利用EGM2008模型和地面實測資料反演的構造應力場結果有所差異:EGM2008模型反演結果顯示構造應力場整體朝北,而地面實測資料反演結果表現(xiàn)為西北部地區(qū)構造應力場呈現(xiàn)朝北、西南部呈現(xiàn)朝南。
由圖2、3可見,由兩類數(shù)據(jù)反演的構造應力場結果整體上一致,在龍門山斷裂帶和嘉黎斷裂帶地區(qū),構造應力場等值線密集,構造應力聚集程度高,且這兩處斷裂帶地區(qū)構造應力數(shù)值也高于其他地區(qū),龍門山斷裂地區(qū)地表構造應力最大值達16 MPa,嘉黎斷裂帶地表構造應力最大值達12 MPa,但在嘉黎斷裂帶區(qū)域,利用地面實測重力資料反演結果沒有EGM2008模型結果明顯。并且,構造應力值大小隨著地殼深度的增加呈減小趨勢,地表構造應力場平均值最大,隨著深度的增加,構造應力場平均值減小,構造應力聚集程度也降低。
圖4為川滇地區(qū)地表構造應力場分布與強震分布關系圖。地震資料為1900~2014川滇地區(qū)發(fā)生的6級以上強震資料統(tǒng)計,來源于中國地震信息網(wǎng)。圖中圓點為地震分布,圓點大小代表震級大小。從圖4可以看出,在構造應力場等值線密集、構造應力聚集程度高的地區(qū),構造運動活躍,地震活動頻發(fā),這表明地震活動與構造應力聚集分布存在對應關系。
綜合圖1~4川滇地區(qū)構造應力場反演結果可知:1)龍門山斷裂帶和嘉黎斷裂帶區(qū)域,構造應力分布明顯,斷裂帶區(qū)域構造應力場等值線密集,構造應力聚集程度高,說明該區(qū)域構造運動活躍;
2)構造應力聚集區(qū)域與地震活動分布存在相對應關系。龍門山斷裂帶和嘉黎斷裂帶區(qū)域在歷史上地震多發(fā),構造應力場反演結果表明,這兩個區(qū)域構造應力場均值明顯高于其他地區(qū),與該地區(qū)地震活動資料相對應。
圖1 川滇地區(qū)構造應力場矢量圖Fig.1 Tectonic stress field vector in Sichuan-Yunnan area
圖2 利用EGM2008反演川滇地區(qū)不同深度構造應力場等值線Fig.2 Different depth contour map of tectonic stress field in Sichuan-Yunnan area using EGM2008
圖3 利用地面實測重力資料反演川滇地區(qū)不同深度構造應力場等值線Fig.3 Different depth contour map of tectonic stress field in Sichuan-Yunnan area using ground gravity observation data
圖4 川滇地區(qū)構造應力場與強震分布關系Fig.4 Relationship between tectonic stress fields and strong earthquake distribution in Sichuan-Yunnan area
利用重力觀測資料所得川滇地區(qū)構造應力場反演結果表明,構造應力等值線密集區(qū)域構造應力聚集程度高,構造應力值高于其他區(qū)域,構造運動強烈、地震頻發(fā);相反,構造應力場等值線稀疏區(qū)域構造應力聚集程度低,相應的該地區(qū)構造運動不活躍。因此,利用重力資料轉換地殼內部構造應力場的方法能夠反映研究區(qū)地殼構造基本情況。本文只反演了川滇地區(qū)靜態(tài)構造應力場,存在一定的局限性,若能結合時變重力觀測資料反映出研究區(qū)域的構造應力場動態(tài)變化,將更有價值。
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