地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (5): 699-721
引用本文
郑文俊, 张培震, 袁道阳, 吴传勇, 李志刚, 葛伟鹏, 王伟涛, 王洋. 中国大陆活动构造基本特征及其对区域动力过程的控制[J]. 地质力学学报, 2019, 25(5): 699-721.
ZHENG Wenjun, ZHANG Peizhen, YUAN Daoyang, WU Chuanyong, LI Zhigang, GE Weipeng, WANG Weitao, WANG Yang. BASIC CHARACTERISTICS OF ACTIVE TECTONICS AND ASSOCIATED GEODYNAMIC PROCESSES IN CONTINENTAL CHINA[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(5): 699-721.
中国大陆活动构造基本特征及其对区域动力过程的控制
郑文俊1,2 , 张培震1,2 , 袁道阳3 , 吴传勇1,2 , 李志刚1,2 , 葛伟鹏3 , 王伟涛1,2 , 王洋1,2     
1. 中山大学地球科学与工程学院 广东省地球动力作用与地质灾害重点实验室, 广东 广州 510275;
2. 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海), 广东 珠海 519082;
3. 中国地震局兰州地震研究所, 甘肃 兰州 730000
摘要:中国大陆活动构造的研究经历了近百年历程,特别是二十世纪八十年代以来取得了诸多研究成果和显著进展,大量的针对性、专业性、目标性极强的调查和综合性研究工作,奠定了中国大陆活动构造定量研究的基础成果。文章通过回顾活动构造研究历史,综合大量已有研究成果,总结了中国大陆活动构造的基本特征及其对区域动力过程的控制作用。综合认为,中国大陆特殊的构造位置,造就了复杂的构造格局,受不同方向板块运动的影响,致使现今活动构造的运动性质差异明显。从总体上看,中国大陆活动构造几何图像主要体现为由受控于区域性大断裂的不同性质和规模的活动构造共同构成。文章分区对活动构造的基本特征、几何图像、运动特征及对地震的控制作用进行了总结,并结合中国大陆动力学总体特征,以及活动构造对中国大陆构造变形和强震活动的控制作用,对重点区域动力过程及模式进行了总结。结合目前新技术和新方法的发展,对活动构造未来可能的研究方向和目标提出了展望。
关键词活动构造    几何图像    运动特征    地震活动    活动地块    地球动力过程    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.05.062     文章编号:1006-6616(2019)05-0699-23
BASIC CHARACTERISTICS OF ACTIVE TECTONICS AND ASSOCIATED GEODYNAMIC PROCESSES IN CONTINENTAL CHINA
ZHENG Wenjun1,2 , ZHANG Peizhen1,2 , YUAN Daoyang3 , WU Chuanyong1,2 , LI Zhigang1,2 , GE Weipeng3 , WANG Weitao1,2 , WANG Yang1,2     
1. Guangdong Provincial Key Laboratory of Geodynamics and Geohazards, School of Earth Sciences and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, Guangdong, China;
2. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Zhuhai), Zhuhai 519082, Guangdong, China;
3. Lanzhou Institute of Seismology, China Earthquake Administration, Lanzhou 730000, Gansu, China
Abstract: Many achievements and remarkable progress have been made in active tectonics in China, especially since the 1980s. These studies have laid a foundation for the quantitative study of active tectonics, based on a large number of extensive professional, targeted investigation and comprehensive research work. This paper reviews the research history of active tectonics and synthesizes a large number of previous studies, in order to summarize the basic characteristics of the active tectonics in continental China and its control over the regional geodynamic processes. The structural complexity generally results from the unique tectonic location. The modern crustal deformation is spatially various due to plate tectonics from different directions. On the whole, the geometric images of active tectonics in continental China are mainly composed of active tectonics of different properties and sizes controlled by regional faults. In this paper, we summarized the basic characteristics, geometric images and kinematic features, and the effects of these factors on earthquake. In addition, we also explore the regional geodynamic processes and modes in typical regions based on the general geodynamic characteristics of the continental China and the control of active tectonics on the tectonic deformation and strong seismic activities. Finally, combined with the development of new technologies and methods, the research directions and objectives in the future are illustrated.
Key words: active tectonics    geometric images    kinematic feature    earthquake activity    active-tectonic block    geodynamic process    
0 引言

经过近一个世纪的发展,一般认为,活动构造是指晚更新世(12~10万年)以来一直活动、现今仍在活动、未来一定时期内仍会活动的构造,活动构造的类别包括:活动断裂、活动褶皱、活动火山、活动盆地、活动山脉、活动地块等一系列地质地貌体[1-6]。活动断裂是活动构造最主要的形式之一,是地球表面现今地质地貌现象形成和演化的主要控制性构造,也是地球表面构造运最新过程的一种重要表现形式[3, 7-9]。因此,查明活动构造的基本特征和运动形式,不仅对探讨区域动力学过程有重要的意义,同时也可为现今国家经济发展和战略规划提供科学依据和指导。

自1957年由李四光和竺可桢组织召开的第一次新构造运动座谈会[10]以来,中国活动构造的研究经历了半个世纪的发展,取得了诸多成果和进展,中国活动构造的研究已经从最初的定性描述,发展到了定量研究的阶段[5, 7, 9, 11-16]。随着新技术、新方法和新理论的引入,活动构造的研究已成为当今构造地质学研究的一个重要分支,在构造变形、地震活动、震害防御等研究和应用中起着决定性的作用[17-20]

中国大陆位于欧亚板块东南部,挟持于印度、太平洋和菲律宾海板块之间,各板块之间的相互作用,造成了中国大陆内部活动构造体系和现今构造变形的复杂性[3, 9, 15, 16, 20-23]。二十世纪末以来,几次破坏性地震给中国人民生命财产造成巨大损失,推动了中国活动构造的规模性发展,特别是2008年汶川地震的发生,更是扩展了活动构造的研究领域和范畴。文章通过对活动构造研究历史的回顾,系统总结了近几十年中国不同区域活动构造的研究进展,给出了中国大陆活动构造的基本特征(包括几何结构和运动特征),分析了中国大陆断裂活动与构造变形、强震活动的关系,总结探讨了中国大陆活动构造对区域动力过程的控制作用,可为国家战略规划中防震减灾设计提供科学依据。

1 活动构造研究的发展历程

活动构造研究和发展历史可追溯到十九世纪八十年代,大体上可分为启蒙期、发现期、发展期、提高期四个阶段。启蒙期从十九世纪八十年代到二十世纪五十年代后期,这一时期在美国西部发生了一系列的大地震,驱动了科学家对活动断裂的关注,Lawson等[25]通过对圣安列斯断裂和1906年旧金山地震的考察,首次提出了“活动断裂”的概念;通过同一地震和断裂的研究,Reid[26]于1910年提出了著名的“弹性回跳”假说;这一时期一直持续到二十世纪五十年代,在此期间曾开展了一定范围的活动断裂调查和活动性鉴定,美国和日本等编制了局部地区的活动断裂图[3, 27-29]。二十世纪六七十年代,是活动构造的发现期,美国西部等大量的大型工程建设(如大型水电站、核电站等)的需要,极大地推动了对活动断裂的调查和研究,此时段的主要目的是评价活动断裂的地震危险,开展地震区划并用于抗震设计,此时段积累了大量活动断裂研究的资料和经验;随着技术方法的不断发展和应用,新的概念不断提出,如古地震、断层分段等[30-33];随着活动构造研究的不断深入,部分研究成果已用于地震长期预测[34]和地球动力学研究(如在青藏高原、美国中西部盆地山脉省等)[35-37]。1978年Kerry Sieh在San Andreas断裂Pallett Creek进行了探槽开挖,首次揭示出了活动断裂古地震事件序列[38],自此活动构造研究进入了黄金时期,也就是发展期,推动这一时期研究发展的还包括高精度测量年方法的引入,使恢复断裂活动历史成为可能,提出了特征地震等理论和概念[31-32],活动构造研究的结果也得到了广泛的应用,这一时期奠定了活动构造研究的理论基础和方法体系,使活动构造的研究成为构造地质学研究领域的一个重要方面。二十一世纪初,随着新技术和新方法的不断发展,如:空间对地观测技术在活动断裂及现今构造变形中的广泛应用[39-40]、高精度测年技术的发展和应用[41-43]、深部探测技术的精度不断提高[44-45]等,活动断裂研究进入快速发展和提高期,这一时期的重要特征是“年代确定更精确,信息来源更丰富”,不仅能够获得断裂的展布和活动习性,同时也可以获取断裂空间几何状态和活动特征,这一时期活动构造的研究已经成为构造地质学一个重要的学科分支。

在国内,活动构造研究起步相对较晚一些,但也经历了基本相似的过程,大体可分为启蒙期、发展期和提高期。二十世纪二十年代以来,发生在中国大陆的一系列强震,带动了科学家对与地震相关地质构造的调查[46-49],重要的转折发生在1957年由李四光和竺可桢组织召开的第一次新构造运动座谈会,本次会议就中国新构造运动的表现、特点、性质及其与地震的关系进行了研讨,就此拉开了中国活动构造研究的序幕[10]。而此后1966年邢台地震、1972年海城地震、1978年唐山地震等一系列破坏性地震的发生,使得国家在特殊时期对活动断裂研究仍然相对重视,不仅开展了针对特大破坏性地震的调查和研究,同时也开展了历史和近代大地震区域的地震地质考察工作[50-51]。这一时期中国的活动构造研究积累了宝贵的经验和大量资料,李四光主编出版了《地震地质》一书[52],邓起东主持完成了1:300万中国活动断裂和强震震中分布图[53],1979年出版了1:400万中国地震构造图[54],1980年中国地震学会地震地质专业委员会在丁国瑜的主持下召开了以活动断裂和古地震为主题的第一次学术讨论会, 会后出版了论文集《中国活动断裂》[55],这是国内以活动断裂为书名和主题的最早和最重要的著作,因此此前的一段时间也可以总体上归纳为中国活动构造的启蒙期。从二十世纪八十年代开始,随着改革开放和科学技术交流,越来越多的中国科学家走出国门开展交流与学习,也逐步将国外的先进方法和理论引入到国内的活动构造研究中,如:邓起东等[1]将古地震研究方法和活动构造填图方法引入国内,丁国瑜等[11]将活动断裂分段引入国内,并组织开展了包括富蕴断裂带、海原断裂带等在内7条主要活动断裂带和大比例尺填图和综合研究[51, 56-58],组织编制了中国活断层图集[59],在定性和半定量研究的基础上,开展断裂的动力学特征理论研究。二十世纪八九十年代的活动构造研究大发展期,对于推动国内活动构造学科的发展和人才培养起了关键性作用,在这段时间内,在邓起东等的主持下,组织开展了全国大约20条活动断裂的1:5万填图和综合研究[60-65],这也是国内开展范围广、专业性较强、目标集中的一次大规模的活动断裂填图,历时约10年左右,其主要成果集中体现在邓起东院士主编的1:400万中国活动构造图中[3, 66]

二十世纪末开始,中国活动构造的研究也随之进入了高速发展期,也就是提高期,这一时期的特征和成果主要体现在几个方面:一是在全国范围开展的大规模活动断裂填图与综合研究,徐锡伟主持开展了为期10年的中国活动断层探察,完成了50条以上的活动断裂填图和综合研究工作,活动构造研究进入到以定量研究为重点的阶段,积累了大量丰富的活动断裂基础资料[67];二是以活动构造和地震活动基础数据为依据,在已有研究的基础上[68-70],由中国科学家提出了活动地块理论框架[21, 25, 71],使中国活动构造研究由单条断裂的评价转向以区域动力学特征为主要目标的理论研究,同时将结果应用于地震中长期预测和震害防御中;三是大规模的工程建设、城市规划需求推动下,中国开展了近百个大中小城市的活动断层探测[18, 66, 72],以及大型特大型工程地震安全性评价,推动了活动断裂研究成果的应用;四是新的观测技术和方法的应用,将活动构造的研究与构造地貌学、地震学、大地测量学、深部地球物理探测等联系起来,推动了区域动力学研究的进程,提出了一系列综合型模型和理论[9, 13, 16, 22-23, 39-40]。在中国与活动构造相关的研究已经成为一个重要的学科分支,研究方法和技术的提高,研究队伍的壮大,研究成果的逐步产出,推动了中国活动构造基本特征的建立以及在多学科发展中的应用。

2 中国大陆活动构造基本特征

中国大陆特殊的构造位置,造就了复杂的构造格局(图 1),受不同方向的板块作用的影响,地表现今活动的构造运动性质差异明显,从总体上看,中国大陆活动构造几何图像主要体现为由受控于区域性大断裂的不同性质、规模的活动构造共同构成。邓起东等[3]根据这些特征,结合已有的研究成果,提出了中国活动构造分区,认为中国大陆活动构造按性质、运动特征及地震活动等可分为不同的断块区和断块,并由此分析中国活动构造的分区特征。张培震等[71-72]进一步深化了相关认识,提出了活动地块的理论框架,认为中国大陆内部以地块的运动为主要特征,活动地块是中国大陆内部构造活动和控制强震发生的最重要的构造形式。近年来,通过大量的调查和研究,逐步完善地形成了中国活动构造的基本图像特征和运动特征,对区域构造变形、地貌演化、地震活动等的研究都有重要的意义。笔者分区域对中国大陆活动构造基本特征进行了总结。

(据文献[3, 9, 15, 24]修改,图中箭头指标地块的相对运动方向) (modified after references[3, 9, 15, 24]; the black arrows showing the relative movement directions of the active plate tectonics.) 图 1 中国大陆主要活动断裂展布图 Fig. 1 Topographic map showing the major active faults in continental China
2.1 阿尔金—青藏高原东北缘地区

青藏高原东北缘在构造位置上位于青藏高原与华北地块的交汇位置,该地区活动构造发育,地震活动频繁,其中祁连山和河西走廊地区不仅是高原扩展的最前缘,也是高原最新的、正在形成的组成部分[21-22, 73-77]。近年来大量的研究结果表明,在平面上,该地区及周边发育有三组不同走向、不同性质的活动断裂或构造带(图 2),以阿尔金、海原断裂为主的近东西—北东东走向的大型左旋走滑断裂带,祁连山南北边缘和内部北西西走向的逆冲断裂带,以及位于祁连山南部以包括鄂拉山、拉脊山断裂在内的北北西走向右旋走滑断裂带,它们共同控制着青藏高原东北缘的活动构造几何图像和运动转换[13, 16, 21-23],其中,大型左旋走滑断裂在区域构造运动转换过程中起着控制性作用,逆冲断裂一般发育在大型走滑断裂的端部,起着调节和吸收大型走滑断裂端部水平滑动的作用,而祁连山南部右旋走滑断裂主要是对不同块体差异运动过程进行调节[16, 23]

(据文献[14, 16, 22-23]修改) (modified after references [14, 16, 22-23] 图 2 青藏高原东北缘主要活动构造特征 Fig. 2 Topography and major active tectonics at the northeastern margin of the Tibetan Plateau

这三组断裂的运动特征表现为:两条主要边界控制断裂带——祁连—海原断裂带、阿尔金断裂带及与之相关的次级断裂以左旋走滑运动为主要特征,滑动速率在空间分布上表现为中段速率高而稳定,到了端部逐渐降低的特征,端部的走滑速率约为1~2 mm/a,并发育有调节性的逆冲断裂和褶皱等。如祁连—海原断裂带的中段左旋走滑速率约为5 mm/a,到了西段哈拉湖一带降低到1~2 mm/a,东端六盘山一带为1~3 mm/a [22-23, 78-81];阿尔金断裂带中段左旋走滑速率为8~12 mm/a,向东到肃北县城以西开始降低,从4~5 mm/a逐渐降到东端部的1~2 mm/a[21, 23, 82]。而祁连内部和边缘断裂多以逆冲为主。单条逆冲断裂的逆冲或缩短速率一般为0.5~1.0 mm/a,有些甚至更低,仅为0.1~0.3 mm/a[24]。祁连山南部以右旋走滑为主断裂的右旋滑动速率一般为1~3 mm/a[82]

2.2 天山—帕米尔地区

天山地区主要发育有三组活动断裂带[35, 64, 83-85],不同走向、不同运动性质的断裂共同控制了天山现今变形和强震活动。天山南北两侧的前陆盆地以地层褶皱和断层逆冲为代表的地壳缩短变形为主,变形具有不断向盆地扩展的特征[64, 86-89],强震主要发生在活动褶皱和逆冲断裂带上(图 3), 如1906年发生在北天山前陆逆冲构造上的玛纳斯7.7级强震,以及1902年发生在南天山前陆逆冲构造上的阿图什8级强震等[64]。天山两侧前陆盆地的强震往往以“褶皱地震”为特征,地表变形以地层褶皱和隆升为主,沿断裂的错动量不大[90]。地质结果和GPS观测数据都表明天山南北两侧以逆断裂-褶皱为代表的薄皮推覆构造晚第四纪以来活动非常强烈,这些构造带以水平向的地壳缩短和垂向的构造抬升吸收调节了天山地区至少一半的缩短变形[86, 91-92],同时,天山内部也发生了明显的构造变形,形成由断裂控制的多个山间盆地。地质方法得到的山体内部断裂南北向缩短速率与现今GPS观测结果基本一致,为6~7 mm/a, 表明天山内部的变形主要集中的山间盆地边缘的活动断裂上[93],这些断裂控制着山体内部的强震活动[9]

(据文献[66, 85, 94]修改) (modified after references [66, 85, 94]) 图 3 天山—帕米尔地区主要活动构造与地震活动特征 Fig. 3 Major active tectonics and regional seismicity of the Pamir-Tianshan collision zone

天山地区还发育有北东东走向的左旋逆冲和北西西—北西走向的右旋走滑两组活动断裂(图 3)。北东东走向断裂主要位于西南天山和北东天山地区,如迈丹断裂、那拉提断裂等,这些断裂晚第四纪以来仍在活动,地表形成一系列清晰的地质地貌痕迹[85, 94],部分断裂历史上曾发生过7级以上强震,如1911年克敏8.2级地震[95],1914年巴里坤7.5级地震[96]。天山地区北西—北西西走向的断裂以右旋走滑为主,主要分布在北西天山和东南天山地区[83]。这些断裂向西北延伸至哈萨克地台内部,如斜切天山的塔拉斯—费尔干纳断和博—阿断裂等,晚第四纪以来仍有较强的活动,沿断裂发现有多期古地震活动证据,地质方法和GPS观测给出的右旋走滑速率一般在2~3 mm/a[84, 97-99]

西天山南侧的帕米尔—西昆仑造山带位于青藏高原西北端,整体呈向北凸出的弧形,是印度—欧亚板块会聚的西构造结点。带内构造变形强烈,构造类型多样:既有北东走向、大型右旋走滑的喀喇昆仑断层和喀什—叶城转换带,北东东走向、左旋走滑的康西瓦断层;也有向北强烈逆冲的帕米尔断层带和和田前陆冲断带;在帕米尔内部,还发育有局部拉张形成的近南北走向的公格尔拉张系和卡拉库尔正断层[100]。受这些构造的控制,区域内地震活动强烈。根据历史和仪器记录,在帕米尔断层带上发生了1974年马尔坎苏7.0级地震、1985年乌恰7.0级地震和2008年Nura 6.6级地震[100];在和田前陆冲断带上发生了2015年皮山6.4级地震[85, 101];在公格尔拉张系上发生了1895年塔什库尔干7.0级地震和2016年阿克陶6.6级地震[100, 102]

2.3 青藏高原东缘地区

青藏高原东缘作为松潘—甘孜地块的主要组成部分,大致可分为四种基本不同类型和方向的活动构造带:①逆冲兼走滑的龙门山断裂带;②龙门山前活动断裂和褶皱带;③右旋走滑的龙日坝断裂带;④逆冲为主的岷山断裂带(图 4)[103-104]

(据文献[66, 103-107]修改) (modified after references [66, 103-107]) 图 4 青藏高原东缘—东南缘主要活动构造格架与强震活动特征 Fig. 4 Major active tectonics and strong seismicity at the eastern and southeastern margin of the Tibetan Plateau

规模较大的龙门山断裂带由汶川—茂汶、映秀—北川、彭灌断裂和山前隐伏断层组成,四条断裂以铲形向下汇合于约18~20 km深的滑脱面上[103, 108-109]。前期的研究结果认为,前三条断裂的活动速率均小于1 mm/a[110-111],而Li等[112]基于地震数据和断层相关褶皱理论,给出的山前隐伏断层在全新世以来的倾滑和水平速率分别为(1.1±0.2) mm/a和约1 mm/a。在2008年汶川地震之前,GPS观测数据表明龙门山断裂带整体上吸收的水平缩短速率小于3 mm/a[39],结合新获取的水平速率和其它已发表的数据,确定龙门山褶皱冲断带长期的水平缩短速率为1~3 mm/a,与现今GPS观测结果相近[113]。龙门山前活动断裂和褶皱带,作为山前隐伏断层的分支断裂带,由多个构造带组合而成,包括龙泉、大邑、彭州、邛西、熊坡和盐井沟构造。基于二维和三维地震剖面构造解析,并结合野外地质调查和三维构造建模结果,获得相应水平缩短速率,如龙泉构造(0.24±0.04) mm/a[113-114]、大邑构造(0.13±0.10) mm/a[112, 115]、彭州构造(0.28±0.22) mm/a[112, 114]、邛西构造(0.45±0.21) mm/a[112, 116]、熊坡构造(0.23±0.06) mm/a[117]、盐井沟构造(0.33±0.03) mm/a[118]

西侧的龙日坝断裂带被认为是大型陆内构造,将松潘—甘孜地块分为西部的阿坝和东部的龙门山两个次级地块[119-120]。基于活动构造填图和地貌面年龄限定,获得毛尔盖断裂自约21000年以来右旋滑动速率为(2.3±0.3) mm/a,而全新世以来的右旋滑动速率为(0.7±0.1) mm/a;龙日曲断裂自约18000年以来右旋走滑速率为(2.5±0.4) mm/a,全新世以来的右旋滑动速率为(1.4±0.3) mm/a,其垂直滑动速率约为0.1~0.2 mm/a,整体上呈现出滑动速率明显降低趋势[119, 121]。虽然在该断裂带上没有强震的历史记录,但最新的古地震和地貌学研究揭示了18000年以来发生过四次古地震事件,预示着龙日坝断裂带依然存在M>7级地震的可能[119, 121-122]。北侧的岷江断裂是一条逆冲型断裂,全新世以来的滑动速率约为0.4~0.5 mm/a[123],虎牙断裂以左旋走滑为主,滑移速率约为1.4 mm/a[124]

2.4 青藏高原东南缘地区

印度板块与欧亚板块的持续汇聚-碰撞效应,在高原东南缘形成了规模巨大的陆内形变区,该区发育多条区域性边界断裂,地震活动频发,这些断裂构造往往沿先存构造展布,新生代以来经历了多期构造变形[125-126],其变形一直持续到了现今[105, 127]。其主要由北西走向的红河断裂带,近南北向的鲜水河—小江断裂带,边界断裂实皆断裂及块体内部北东东向断裂所组成,其构造特征较为复杂,断层运动性各异[127-132](图 4)。

作为印支块体北东边界的红河断裂带,在经历了多期不同性质的变形等构造作用后,在晚新生代剥蚀至地表,断裂带岩石变形组构特征指示了左行走滑变形[125, 128, 133-135]。而晚中新世以来,构造带运动学性质发生反转,沿剪切带北东侧红河断裂发生右旋走滑[125, 128, 130, 136]。野外地质填图、遥感影像解译揭示红河断裂整体以右旋走滑兼正断为主,在中部断弯处具有逆冲分量; 断裂滑动速率约为1~3 mm/a[65, 124, 128, 137-138]

鲜水河—小江断裂带由多条断裂带所组成,自公元814年后共发生14次7级以上地震[62, 107]。鲜水河—小江断裂带自晚更新世至今累积左旋位错达60 km,整条断裂带左旋滑动速率约为(10±2) mm/a[62, 105, 127],其左旋走滑可能始于约12 Ma[139-140]。而红河断裂和鲜水河—小江断裂共同围限的川滇菱形块体,其内部也发育多条第四纪活动断裂,例如在川滇菱形地块的东南部,建水断裂以右旋走滑为主兼有逆冲性质,历史记录显示十六世纪以来发生过5次6级以上的地震[141],曲江断裂为右旋走滑的性质[131],历史上发生过多次破坏性地震,5级以上地震24次,其中震级大于等于7级的地震3次[142]

作为控制性边界断裂的实皆断裂为印支块体的东部边界,以右旋走滑为主,GPS观测显示印度板块相对巽他大陆(Sundaland)的汇聚速率约为36 mm/a,而至少50%以上的应变被实皆断裂所吸收[143]。实皆断裂地震活动频繁,自1839年至今共发生十余次6级以上地震[131],GPS观测显示实皆断裂右旋走滑速率约为18 mm/a[144]。而掸邦高原内部最为显著的构造特征即发育了一系列北东走向断裂(图 4),该组断裂现今均具有左旋走滑性质,沿线形成明显的线性槽谷,构造地貌发育,指示了强烈的第四纪活动[126, 145-148],历史上曾发生多次破坏性地震,已有研究指出该组断裂普遍经历了由早期右旋走滑向后期左旋走滑的构造反转[126, 149]

2.5 鄂尔多斯周缘地区

鄂尔多斯周缘断陷系是中国大陆重要的地震活跃区之一,如东缘的山西、西缘银川、南缘渭河和北缘河套断陷盆地带(图 5)。据历史记载,周缘断陷系近2000年期间曾发生5次8级地震,6次7. 0~7.5级地震[3]。整体上,鄂尔多斯活动地块以2~4 mm/a的速率向北东方向运动[150]。其东侧的山西断陷系是一条不连续右旋剪切拉张带, 其中段的北北东走向断裂和盆地,如口泉断裂、六棱山西麓断裂、五台山西麓断裂、系舟山西麓断裂、霍山山前断裂及其控制的大同、原平和临汾盆地等均为右旋正走滑断裂及地堑型盆地, 断裂右旋错断地质体、水系和山脊等,全新世滑动速率有明显增大的特征[151-152],而晋北张性构造区晚更新世或全新世以来正断裂的平均垂直滑动速率变化范围为0. 35~1. 75 mm/a[57, 153]

(据文献[3, 57, 66]修改) (modified after references [3, 57, 66]) 图 5 鄂尔多斯活动地块及周缘活动构造与地震分布图 Fig. 5 Major active tectonics and regional seismicity of the internal and neighboring of the Ordos active block

位于鄂尔多斯地块东北的银川断陷系整体作近南北向延伸,主要由贺兰山东麓断裂、黄河断裂、巴彦乌拉山东麓断裂及它们所控制的银川和吉兰泰盆地所组成。贺兰山东麓断裂距今6000年以来的垂直位移速率为1~2 mm/a, 其右旋水平位移量是垂直位移量的2~4倍[57, 154],巴彦乌拉山东麓断裂垂直滑动速率为0. 33~0. 54 mm/a[155],三关口—牛首山断裂的运动性质和区域上的控制意义虽然仍存在争议,但其作为鄂尔多斯与阿拉善的边界,据雷启云等[156]的结果认为该断裂带是一条具有明显右旋走滑特征的断裂,其晚第四纪以来平均水平滑动速率约为0.35 mm/a。

鄂尔多斯地块南北两侧分别是渭河和河套盆地,它们分别受控于近东西走向左旋正走滑断裂带。控制渭河盆地的是华山—秦岭北缘断裂, 垂直滑移速率2~3 mm/a[157-159],水平滑移速率1. 5~2. 2 mm/a [57],过去4000年以来发生过4次地震事件,均产生了地表破裂,平均复发周期为1000年[158];而北侧控制河套盆地的是阴山断裂带, 其垂直滑移速率2.4~6.5 mm/a, 左旋走滑速率为5 mm/a[159]

2.6 华北—东北地区

华北—东北平原以张性构造活动为主要背景,以发育走滑正断裂及张性地堑、半地堑盆地为典型特征,GPS观测结果表明华北平原活动地块整体以7 mm/a的速率向东运动[39-40]。最主要的构造郯庐断裂带具有明显的分段活动特征,北段营口—潍坊断裂为具张性的右旋正走滑断裂,控制下辽河、辽东湾坳陷和渤中坳陷;中段渤海湾及其南段历史地震及现代仪器记录较为完整, 至少发生过10次强烈破坏性地震, 包括1668年郯城8.5级地震和1975年海城7.3级地震等[160];南段沂沐断裂为右旋逆走滑断裂,其水平滑动速率为2~3 mm/a,该段于1668年8月发生郯城8.5级地震,形成长达120 km的地表破裂带,同震右旋位移达7~8 m[161]。张家口—蓬莱断裂带则具有明显的左旋走滑分量,断裂以南向东运动的速度比以北要快2~4 mm/a[39-40]。依兰—伊通断裂新生代以来的缩短量约2.26 km, 缩短速率约0.03 mm/a[162]

2.7 华南及南海北部地区

华南沿海地区构造活动相对较弱,总体发育有三组不同方向的断裂构造,分别为北东—北北东、北东东—东西和北西—北西西走向,三组断裂中以北东—北北东走向的规模最大,北东东—东西走向的断裂切割最深、发育历史最长,北西—北西向活动性最为强烈[163],但整体上华南地区属于晚第四纪构造弱活动区,地震活动均为中小地震为主,大规模、破坏性地震多以南海北部的海域断裂为发震断裂。1981年刘以宣在对华南海域活动断裂进行系统分析后首次提出了滨海断裂的概念[164],通过多年的研究,已取得了诸多进展,断裂带走向为北东东—东西向展布,从东北部礼示列岛—兄弟屿向西南经南澎列岛、担杆列岛进入琼雷盆地北侧,蜿蜒延伸上千米[165-166],不同的研究对滨海断裂带的位置与形态认识不同[167-169],海陆地震联测结果表明滨海断裂带是一个宽约20 km的自上而下深入至Moho面的低速破碎带,并认为滨海断裂带是南海北部正常型地壳与减薄型地壳的分界[170-172]。地震活动性与发震机制的研究表明北东东向的滨海断裂带与中低壳低速层共同构成了区域内的孕震构造,控制了南海北部陆缘地震带的强震活动172-175]

3 中国大陆活动构造对区域构造变形和强震活动控制作用

随着新技术、新方法的引入,活动构造的研究也逐步从单条断裂活动习性的研究逐步转向对区域构造形特征的认识[9, 13, 16, 21-23, 39-40]。GPS、InSAR、高新遥感等空间对地观测技术,LiDAR、无人机等高精度观测手段也逐步应用于活动构造的研究上[41-43]。特别是空间对地观测技术的发展,对活动构造的现今活动特征提供了更高精度更大范围的约束,在区域构造变形的动力学模型争论和中国大陆强震活动特征的探讨中起到了至关重要的作用。

3.1 中国大陆活动构造现今活动特征

单条断裂活动习性和运动特征的研究结果仅能反映断裂自身的习性,区域内多条断裂的特性虽然能反映区域构造运动的变化和整体习性[9, 21-23],但很难反映现今构造活动的连续变形特征和运动学状态。自二十世纪九十年代,GPS大地测量技术在中国大陆得以开展并蓬勃发展,可以更直接的获取覆盖中国大陆及周边地区的GPS速度场,为研究中国大陆地壳形变和构造环境研究提供了基础观测数据[39-40, 132, 176-179],同时也为现今构造活动的整体特征研究提供了重要依据。图 6是基于欧亚框架下的中国大陆及邻区GPS速度场,可以看出印度板块向北推挤致使青藏高原隆起乃至整个东亚地区产生大范围的变形,呈现出东西向拉张、南北向缩短以及青藏高原围绕东构造结顺时针旋转的特性;东北地区自日本2011年东北地震后,由于受到日本太平洋板块向阿穆尔板块俯冲引起拉张的地壳形变过程;华南(扬子)块体内部变形较小,东构造结顺时针旋转由于受到华南块体的阻挡向南产生物质流出的动力学过程,帕米尔高原与天山地区的板块俯冲缩短方向为北北西向,而华北与东北地区由于太平洋板块向西俯冲导致东西向拉张伸展的区域应力环境,进而在鄂尔多斯地块周缘以及华北地区产生多个拉张构造系统及东西向的拉张剪切构造[39-40, 132, 176-179]

(GPS数据来源于中国大陆构造环境监测网络CMONOC二期,相对于欧亚框架下的速率结果[133];断层数据据文献[3, 9, 13, 15, 24]修改) (Fault data from references [3, 9, 13, 15, 24]); the GPS velocities from reference[133] 图 6 中国大陆及邻区GPS速度场与活动断裂展布 Fig. 6 Major active faults and Global Positioning System (GPS) velocity field of crustal motion in continental China relative to the stable Eurasia

GPS速度场的变化和矢量方向的改变,往往受控于区域活动断裂或构造带,反映的是整体的构造活动的结果。已有的研究结果也获得了不同地区的特征,张培震等[40]利用GPS观测,获得了中国大陆部分主要断裂的滑动速率,结果认为中国大陆的大多数活动断裂的速率都在10 mm/a之下,这种现象意味着整个中国大陆的构造变形可能是分布式的;Shen等[176]利用GPS速度场研究了川滇地区的构造变形特征,对川滇地块周缘的活动断裂给出了定量的现今滑动速率等参数;Gan等[177]展示了相对青藏高原内部沿着东昆仑断裂、嘉黎断裂等构造缝合带的相对运动特征;Liang等[178]利用GPS从垂向上讨论了青藏高原现今的隆升速率;Ge等[179]认为青藏高原内部存在垮塌作用和地壳减薄过程,与现今的活动构造特征有较好的相关性;Zheng等[23]将GPS速度场与活动构造结合起来研究断裂滑动速率,得到阿尔金断裂东段与祁连山逆冲构造带的应变分配、速率转换等过程,并将现今GPS观测得到的断裂滑动速率与活动构造研究的滑动速率得到较好的一致性和统一;Zhang等[180]利用GPS速度矢量发现了阿穆尔地块和华南地块的差异运动,认为这些差异运动全部被华北平原内部的震间变形所吸收调整,形成了宽达1100 km、走向近东西的巨型左旋剪切带。

3.2 中国大陆的强震活动特征

中国是一个地震灾害严重的国家,历史和现代记载表明,中国大陆强震主要发生在天山、青藏高原和华北地区(图 1),其他地区的7级以上破坏性强震相对较弱[3, 4, 6, 9, 13, 20, 182]。中国特殊的大地构造位置和特殊的地球动力环境造就了中国大陆不同构造类型、不同运动状态和不同力学性质的活动构造, 同时控制着中国大陆强震分布特征[3, 4, 69-70],整体表现为强震在时间-空间上具有明显的分布广泛、西强东弱、动静交替和分块成带的活动特点[9, 24, 181-182]。但从整体的地震活动表现可以看出,7级以上地震的分布更多局限于大型活动断裂带上,如鲜水河—小江、天山、祁连山东、鄂尔多斯周缘、张家口—渤海等强震带[3, 6, 9, 24, 183-185],而次级断裂、块体内部强震活动相对较微弱。几个关键构造区域的强震活动与活动构造的关系显著。

受南北两侧地块的夹持,天山的构造变形主要发生在山前和山体内部[24, 39-40, 64, 98, 186](图 3)。天山的强震主要发生在山体两侧的前陆逆冲推覆带上, 如北天山1906年的玛纳斯7.7级强震,南天山1902年阿图什8级强震,特别是南天山与帕米尔交界的乌什地区更是全球大陆强震的高发区[9, 90, 187],在天山山体内部发生的构造变形并控制着一系列中强地震的发生。

华北地块西部鄂尔多斯地块内部构造活动性微弱, 但其周边的地震活动却十分强烈,控制了有历史记载以来的19次7级以上地震发生(图 5)[9, 57]。华北平原的强震主要发生在平原内部的北北东走向隐伏断裂上, 特别是这些隐伏断裂与燕山南缘张家口—渤海构造带的交汇部位是强震的发生场所[9],曾发生过1679年三河—平谷8级地震、1976年唐山7.8级地震等;另外华北地块的西边界山西断陷盆地带有史记载以来发生过7次7级以上强震[188],东边界郯庐断裂1668年发生过8级强震,而1937年磁县和1966年邢台等7级以上地震发生在平原内隐伏次级断裂上[188]

张培震等[9, 13]根据断裂活动与强震的关系认为,青藏高原的活动断裂和强震发生均与海拔高度相关,逆冲断裂和逆冲型强震主要发生在高原周边的低海拔区,高海拔的高原内部则以拉张性质的南北向正断裂和共轭走滑断裂为主, 走滑断裂发育在高原的不同海拔不同部位(图 1)。

3.3 基于活动构造等的活动地块假说及其与强震活动的关系

基于百万年时间尺度的新生代构造、万年时间尺度的活动构造、百年时间尺度的强震活动、十年时间尺度的形变测量和现代地球物理资料[3, 24, 181, 189],结合以往在中国活动构造方面的认识和模型,张培震等[24]提出了中国大陆强震受控于活动地块的科学假说;活动地块是被形成于晚第四纪、现今仍强烈活动的构造带所分割和围限、具有相对统一运动方式的地质单元;活动地块内部相对稳定,边界构造活动强烈,绝大多数强震都发生在其边界的活动构造带上,有历史记载以来的所有8级以上强震和80%以上的7级以上强震都发生在活动地块边界上。从1998年提出大陆强震受控于活动地块的科学假说以来,中国大陆及其周边发生7级以上强震,包括2008年汶川8.0级地震、2010年玉树7.0级地震、2013年芦山7.0级地震、2017年九寨沟7.0级地震等,都发生在活动地块的边界带上[9]。形成中国大陆的强震活动图像特征的原因也正是强震活动受控于活动地块的运动和变形[39]。在板块挤压、板内地幔对流等动力作用下, 大陆活动地块发生相对运动和变形, 上地壳的刚性地块运动和非刚性连续变形都是深部黏塑性流动的地表响应, 中国大陆的现今构造变形可以用耦合的地块运动和连续变形模式来描述, 活动地块的运动和变形是“陆内变形”的重要方式之一[9, 24]

基于这一假说及后期发展的理论框架,将中国大陆及其邻区的活动地块作两级划分:中国大陆及邻区可以划分出6个Ⅰ级活动地块区:青藏、西域、南华、滇缅、华北和东北亚,以及还可以进一步划分出Ⅱ级活动地块:拉萨、羌塘、巴颜喀拉、柴达木—陇西、川滇、滇西、滇南、塔里木、天山、准噶尔、萨彦、阿尔泰、阿拉善、兴安—东蒙、东北、鄂尔多斯、燕山、华北平原、鲁东—黄海、华南、南海等活动地块[24]。而这些活动地块的边界带,也就是构造变形和强震主要发生带,往往由规模较大的活动断裂(带)所控制,活动地块内部往往不发生构造变形和强烈地震,而边界带上往往是构造变形强烈地区和强震活跃区[3, 24]

3.4 中国大陆典型区域构造活动对构造变形和强震活动控制作用

关于区域动力特征的讨论和动力模型的建立,往往与活动构造的研究紧密相关,在中国大陆活动构造研究历程中,最典型例子就是Molnar & Tapponnier[35]在其开拓性的经典论文中展示了亚洲新生代构造变形过程中走滑断裂可能起到的重要作用,引发了关于高原变形模式的争论。其争论的焦点就是在青藏高原新生代隆升和变形过程中,作为边界活动的走滑断裂(例如阿尔金断裂等)在成山过程和大陆变形中的作用。其中被认为最重要的作用之一是调节不同刚性地块之间的相对运动[75, 190-191],这种观点认为,大陆内部刚性地块间的差异运动主要发生在其边界走滑断裂上,其内部不发生或只发生很小的构造变形,边界走滑断裂上往往具有很大的滑动速率。边界走滑断裂的另一种潜在的重要作用是调节大陆内部构造变形,通过走滑变形及周边的构造吸收不均匀的大陆内部变形,或通过构造转换重新调整大陆的地壳厚度[192-195]。近年来,大量的活动构造和新构造的研究结果逐步建立了典型区域构造变形动力学模型,并对区域强震活动的机理给出了解释。

关于青藏高原向北东扩展的最前缘,一直是活动构造研究的重点和热点地区,也是强震的多发区。基于活动构造、新构造、地震机理的综合分析,结合地球物理资料及地震活动特征,郑文俊等[16]指出青藏高原东北缘的祁连山及邻近地区发育有三组不同走向和习性的活动断裂(近东西向或北东东向走滑断裂或断裂带,北西西向逆冲断裂和北北西向右旋走滑断裂),并提出了在这三组断裂的控制下,青藏高原东北缘的祁连山呈现山体两侧向山前盆地双向逆冲,山体内部发育走滑断裂,走滑断裂在端部转换为地壳缩短的构造变形模式[9, 16, 22-23],这种模式不仅控制了高原边缘的变形和扩展,同时也控制了高原东北缘强震的活动[9, 16, 156]

以青藏高原东缘独特的地形地貌和构造特征等综合提出的下地壳流动模式解释了该地区部分地貌、地质现象[192, 196-200]。但2008年汶川地震以极端震撼的方式展示高原东缘强烈的变形作用[103, 108, 201]。汶川地震所体现的上地壳缩短作用是不容忽视的,因此对流行的下地壳流动模式提出了严峻的挑战。基于活动构造及新构造变形和地球物理探测资料,最新数值模拟和物理模拟实验揭示,青藏高原东缘是一个典型的斜向陆-陆碰撞带和应变分配区,区域最大主应力方向近东西向,斜向逆冲于东西走向的龙门山褶皱冲断带。龙门山褶皱冲断带在5~2 Ma以来经历了近东西向的地壳缩短和斜向逆冲作用,青藏高原东缘向东挤出的应变分别被以走滑为主的龙日坝断裂带和倾滑为主的龙门山—岷山断裂带所吸收和调节[108, 201]

青藏高原东南缘被印度板块和华南板块所夹持,是协调东南亚新生代陆内构造变形的关键区域,早期的构造模型以Tapponnier等[190]提出的刚性块体挤出模型为代表,强调哀牢山—红河构造带为印支地块北东边界,并与西侧近南北向发生右旋走滑的高黎贡山韧性剪切带共同调节印支块体早期的挤出运动,而Houseman and England[202]提出的构造模型则强调地壳缩短与均匀变形,即青藏地区加厚陆壳的变形类似粘性岩席,板块内部发生均匀变形,主要通过青藏高原的挤压收缩及地壳增厚调节板块间汇聚碰撞。Royden等[192]综合提出的中—下地壳物质流动模型认为,高原隆升过程中,高原内部相对软弱的中—下地壳物质在重力梯度差的驱动下,由高原内部向外扩展,导致青藏高原周缘区域抬升并驱动其构造与地貌演化,后续的研究也指出青藏高原东南缘地貌面抬升及河流快速下切是受中下地壳物质流影响的结果[203-204]。张培震[205]认为中—下地壳弱流变层流动会从深部驱动被断裂切割的上部脆性地壳的变形,且上地壳变形与中—下地壳应该是解耦的,即上地壳变形可以不表现在中—下地壳或岩石圈深部。除了上述构造模型外,不容忽视的是印度板块持续的向北楔入对青藏高原东南缘地壳变形的影响[206-207],以及Shi等[106]提出印度板块的后撤及软流圈物质的流动可能影响掸邦高原地壳变形,并用来解释该区断裂体系普遍具有明显的正断分量特征。

天山的新生代变形图像表现为以前陆逆冲推覆构造为代表的断层低角度逆冲和地壳缩短,而在天山内部,则为高角度的逆冲和走滑剪切,塔里木的斜向俯冲造成的南北向挤压主要被山前的逆冲断裂吸收,而走滑剪切则被山体内部高角度走滑断裂调节[85]。山体内部高角度的走滑逆冲断裂与山前低倾角的逆冲断裂系共同组成了天山构造变形图像,在剖面上,整个天山形成了一个大型的花状构造。这些构造特征不仅继承了早期构造的格局,同时也在陆内造山和后期构造变形中改造了前期的部分构造,形成了新的构造特征和变形模式[208],同时也控制着该区域强震的发生[90]

4 结论与展望

中国大陆活动构造的研究经历了近百年历程,特别是近三十年以来取得了诸多研究成果和显著进展,大量的针对性、专业性、目标性极强的调查和综合性研究工作,奠定了中国大陆活动构造定量研究的基础成果,其代表性成果是邓起东等[67]编制的1:400万中国活动构造图,以及通过近三十年的持续工作,完成的50多条活动断层地质地貌填图和综合研究,更是开展了近百个大中城市的活动断层探测,直接服务于城市规划和国家经济建设。综合大量基础资料结果,认为中国大陆特殊的构造位置,造就了其复杂的构造格局,受不同方向的块体作用的影响,地表现今活动的构造运动性质差异明显。从总体上看,中国大陆活动构造几何图像主要体现为由受控于区域性大断裂的不同性质和规模的活动构造共同构成。而基于百万年时间尺度的新生代构造、万年时间尺度的活动构造、百年时间尺度的强震活动、十年时间尺度的形变测量和现代地球物理资料提出的活动地块假说认为,中国大陆强震受控于活动地块,这些活动地块的边界带,也就是构造变形和强震主要发生带,往往由规模较大的活动断裂(带)所控制,结合中国大陆动力学总体特征,以及活动构造对中国大陆构造变形和强震活动的控制作用,认为不同构造位置和区域,受控于不同的动力作用过程的作用模式。

中国大陆地震灾害频发,特别二十一世纪以来,地震活动频繁,自2001年昆仑山口西8.1级地震拉开序幕以来,2008年汶川8级地震、2010年玉树7.1级地震、2013年芦山7.0级地震、2017年九寨沟7.0级地震等多次破坏性强震,造成了巨大的人员伤亡和财产损失。自1957年由李四光和竺可桢组织召开的第一次新构造运动座谈会已经过于六十余年,中国活动构造的研究虽然一直在持续,但地震作为世界性科学难题仍需攻关,因此需不断加强和推进活动构造、新构造和地震地质工作,更多地获取和积累活动构造基础资料和数据,才可为地震危险评估打下坚实基础,为综合减灾工作提供可靠的科学依据。目前,新技术和新方法逐步应用的活动构造和地震研究工作中,让地质工作者更有希望获取高精度、高可信度、多信息源的资料,为取得更多、更好的活动构造与地震调查与研究成果,提升中国在相关基础领域的研究水平,为国家重大战略和重大工程的规划建设提供更好的技术支持,科学全面的服务于国家综合减灾和生态文明建设。

致谢: 文章是在大量已有研究基础上一个总结,在此对致力于中国活动构造研究的各位前辈、同仁表达最崇高的敬意和深切的谢意,同时由于篇幅所限,无法总结全部的工作和成果,在此表示歉意。文中所用GPS数据来自中国大陆构造环境监测网络CMONOC二期,在此表示感谢。对中山大学地球科学与工程学院张逸鹏、许斌斌、梁淑敏三位博士研究生在论文的图件制作、资料整理方面所做的工作表示感谢。

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