地?zé)豳Y源與地震活動(dòng)共生深部驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究現(xiàn)狀與展望

韓江濤,牛 璞,劉立家,吳懿豪,辛中華,李卓陽, ,賈曉東

1.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,長春 130026

2.地球信息探測儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(吉林大學(xué)),長春 130026

3.遼寧省地震局,沈陽 110031

0 引言

全球尺度下的構(gòu)造活動(dòng)是板塊之間相對運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,板塊之間的擠壓和碰撞導(dǎo)致現(xiàn)代巖石圈板塊的界面區(qū)成為活動(dòng)性最強(qiáng)的地區(qū),表現(xiàn)為高熱流區(qū)的異常顯示、火山活動(dòng)、巖漿侵入、造山運(yùn)動(dòng)、地震活動(dòng)以及變質(zhì)作用等,地?zé)豳Y源富集與地震活動(dòng)孕育在深部控制機(jī)理方面密切相關(guān)[1-2]。地?zé)豳Y源與地震活動(dòng)兩種地質(zhì)現(xiàn)象緊密共生、相互協(xié)調(diào)和相互依存。

地?zé)豳Y源富集和地震活動(dòng)是地球內(nèi)部能量釋放的兩種表現(xiàn)方式,是板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物,兩者存在密切關(guān)系[3-6]。兩者的生成關(guān)系可以總結(jié)為同源關(guān)系或因果關(guān)系[7]。板塊之間的擠壓與碰撞、斷裂活化、流體運(yùn)移與應(yīng)力積累等動(dòng)力學(xué)過程可以同時(shí)引發(fā)地?zé)釄鲎兓c地震活動(dòng)[8],使得兩者存在同源共生的關(guān)系。地?zé)峥梢詾榈卣鸬陌l(fā)生提供動(dòng)力,地震可以釋放熱能形成熱異常,所以認(rèn)為兩者存在因果關(guān)系。

地?zé)豳Y源與地震活動(dòng)的耦合共生行為表現(xiàn)在:一是地溫場可以對巖石物理力學(xué)性質(zhì)以及地殼動(dòng)力學(xué)過程產(chǎn)生直接影響[9],分布不均勻的巖石圈溫度與熱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的熱應(yīng)力導(dǎo)致中上地殼脆性層應(yīng)力積累,直至巖石破裂[10-11];二是深部高溫流體在斷裂構(gòu)造運(yùn)移過程中,產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)(H2O、CO2)進(jìn)入周圍巖層,使得孔隙內(nèi)壓力增大、巖層破裂,從而引發(fā)地震[12-13],或是熱流體向上運(yùn)移,局部聚集于地殼,直接作用于斷裂,在弱化強(qiáng)度的同時(shí)增加孔隙壓力,引起斷裂失穩(wěn),誘發(fā)地震[14];三是斷裂構(gòu)造在活躍的地震活動(dòng)作用下保持開放狀態(tài),使得地下水可以循環(huán)到深層高溫地區(qū),在加熱后以熱流體的形式流回地表,形成地?zé)豳Y源[15],使得地震活動(dòng)與地?zé)豳Y源共生并相互轉(zhuǎn)換。顯然,流體、斷裂構(gòu)造或薄弱帶是地震活動(dòng)與地?zé)豳Y源共生的主要深部驅(qū)動(dòng)要素,由于其共生關(guān)系導(dǎo)致淺表形成地?zé)豳Y源或地震災(zāi)害活動(dòng)。

深部地球物理探測揭示了地?zé)豳Y源的深部背景和地震的孕育過程。例如:利用大地電磁測深建立了羊八井水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)的電性結(jié)構(gòu),確定層狀儲層位置[16];利用地球物理結(jié)合熱物性測試、地球化學(xué)分析等手段闡明了共和盆地干熱型地?zé)嵯到y(tǒng)成因機(jī)制[17];依據(jù)電阻率和磁化率數(shù)據(jù)成像發(fā)現(xiàn)了黃石公園熱液系統(tǒng)流體路徑[15]:表明深部地球物理探測已廣泛應(yīng)用于地?zé)嵯到y(tǒng)研究[18-22]。同樣,深部地球物理探測揭示了地震活動(dòng)性。例如:利用大地電磁測深建立大震源區(qū)的地殼結(jié)構(gòu),并將觀測結(jié)果與地震成因機(jī)制聯(lián)系起來[14, 23];通過地震臺站記錄的觀測資料揭示九寨溝、通遼等震源區(qū)的深部介質(zhì)特征與孕震環(huán)境[24-25];利用地下速度結(jié)構(gòu)或者電阻率結(jié)構(gòu)確定地震帶的控震構(gòu)造,為后續(xù)地震發(fā)生機(jī)理和地震危險(xiǎn)性的分析提供重要依據(jù)[26-27]。

全球典型的高溫地?zé)崤c地震活動(dòng)帶分布多局限于板緣構(gòu)造環(huán)境,同時(shí)陸內(nèi)中--低溫地?zé)豳Y源與地震深部背景及動(dòng)力學(xué)過程更為復(fù)雜。本文通過系統(tǒng)調(diào)研及歸納總結(jié),系統(tǒng)討論不同構(gòu)造環(huán)境地?zé)豳Y源與地震活動(dòng)的共生深部驅(qū)動(dòng)機(jī)制。首先,總結(jié)了全球高溫地?zé)釒Ъ按笮?超大型地震帶的形成背景;其次,總結(jié)了地?zé)豳Y源及地震活動(dòng)的共性深部驅(qū)動(dòng)要素;再次,總結(jié)了地?zé)豳Y源與地震活動(dòng)的地球物理深部探測成果;最后,從理論、成因、方法等多方面對地?zé)豳Y源與地震活動(dòng)的共生深部驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究進(jìn)行展望。

1 全球大型/超大型地?zé)釒Ъ暗卣饚?/h2>

1.1 地?zé)釒?/h3>

地?zé)豳Y源按溫度分級,可分為高溫地?zé)豳Y源(≥150 ℃)、中溫地?zé)豳Y源(90～150 ℃)和低溫地?zé)豳Y源(<90 ℃)3類[28]。地?zé)豳Y源具有獨(dú)特的形成規(guī)律性和地域性,高溫地?zé)峄顒?dòng)一般分布在地殼巖石圈板塊邊界,形成板緣地?zé)釒?而中、低溫地?zé)峄顒?dòng)廣泛分布在板塊內(nèi)部,構(gòu)成板內(nèi)地?zé)釒?兩者在活動(dòng)強(qiáng)度、熱源性質(zhì)、地表熱顯示、流體水化學(xué)特征等方面存在差異[29]。由此可見,板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對全球地?zé)釒У姆植己突顒?dòng)具有明顯控制作用,同時(shí)在不同的大地構(gòu)造環(huán)境下,地?zé)豳Y源形成機(jī)制也有所不同。

活動(dòng)性較強(qiáng)的巖石圈板塊邊界分布著大量的高溫地?zé)豳Y源,所以板緣地?zé)豳Y源具有條帶狀分布的特征。全球范圍內(nèi)分布四大地?zé)釒?環(huán)太平洋地?zé)釒?、地中?-喜馬拉雅地?zé)釒А⒓t海--亞丁灣--東非裂谷地?zé)釒?、大西洋洋中脊地?zé)釒30]。環(huán)球地?zé)釒c地震活動(dòng)帶及活火山帶相互重疊,屬于火山型,存在豐富的巖漿熱源(火山、熔融體、侵入體等)[31]。熔融態(tài)或半熔融態(tài)的熔巖對淺部巖石具有強(qiáng)烈的烘烤作用,在具備充足水源的地方經(jīng)常形成強(qiáng)烈的水熱對流,并在合適的位置形成水熱型地?zé)嵯到y(tǒng);美國蓋瑟爾斯地?zé)崽锞褪窃擃惖責(zé)嵯到y(tǒng)[32](圖1)。

據(jù)文獻(xiàn)[31]修編。

板內(nèi)地?zé)豳Y源一般是指遠(yuǎn)離各大板塊邊界的板內(nèi)地殼隆起區(qū)(褶皺山系、山間盆地)和沉降區(qū)(中新生代沉積盆地)內(nèi)廣泛發(fā)育的板內(nèi)低溫地?zé)峄顒?dòng), 屬非火山型,無火山或巖漿熱源,不具有帶狀分布的特征,其熱源受中新世到第四紀(jì)以來的噴發(fā)和巖漿侵入控制[33]。按形成的大地構(gòu)造環(huán)境,可分為斷裂型和沉積盆地型。中國東南沿海地?zé)豳Y源屬于斷裂型,大地?zé)崃鞣植贾饕c構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相關(guān)[34]。沉積盆地型廣泛分布于世界各地,我國華北盆地、四川盆地、江漢盆地均屬此類。受板塊構(gòu)造控制,我國地?zé)豳Y源以中、低溫類型為主,高溫類型為輔[35-36]。

板緣地?zé)豳Y源和板內(nèi)地?zé)豳Y源最主要的差別在于熱源的差異,熱源條件起決定性作用。板緣構(gòu)造活動(dòng)通常伴隨著地幔涌出的熾熱巖漿,為高溫地?zé)豳Y源的形成提供有利條件;而板內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相比于板塊邊界較弱,雖也有巖漿侵入及噴發(fā)活動(dòng),但構(gòu)造活動(dòng)的強(qiáng)度、斷裂的深度和規(guī)模也遠(yuǎn)不能與板緣相比,因此一般形成中、低溫地?zé)豳Y源[29]。

1.2 地震帶

地震可劃分為淺源地震(震源深度小于70 km)、中源地震(震源深度為70～300 km)和深源地震(震源深度大于300 km)。中、深源地震分布在海溝、火山島弧和大陸裂谷帶等拉張性構(gòu)造帶,如環(huán)太平洋海溝、東印度洋海溝、大洋中脊、非洲裂谷、地中?！诤！锖！ㄋ篂场W亞大陸中部的伊塞克湖—阿拉湖—烏布蘇湖—庫蘇古爾湖—貝加爾湖裂谷等[37]。按地震分布可以在全球范圍內(nèi)劃分出三大地震帶:環(huán)太平洋地震帶,活動(dòng)最強(qiáng)烈的地震帶,集中了世界上70%的地震;地中?！柴R拉雅地震帶,全長20 000 余km,分布相對分散,占全球地震的15%左右;洋脊地震帶,分布在各大洋洋脊的軸部,震級一般較小,約占5%。除此之外,也有一些發(fā)生于板內(nèi)的地震帶[38](圖2)。

據(jù)文獻(xiàn)[37]修編。

針對地震活動(dòng)的成因機(jī)制,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究,分別從板塊邊緣大洋俯沖型中、深源地震以及板內(nèi)構(gòu)造地震兩方面進(jìn)行討論。

對于板緣中源地震成因機(jī)制,目前存在幾種主流觀點(diǎn):1)脫水脆化機(jī)制[39-40],主要是由于俯沖洋殼中的藍(lán)片巖向榴輝巖轉(zhuǎn)化過程中發(fā)生脫水作用或葉蛇紋石的脫水作用引起的一系列反應(yīng),使斷裂面附近巖石脆性增加,同時(shí)伴隨著流體孔隙壓力增大,破裂面上的有效正應(yīng)力降低,斷裂可能發(fā)生滑動(dòng),導(dǎo)致地震發(fā)生(圖3);2)熱剪切失穩(wěn)機(jī)制[41-43],礦物剪切產(chǎn)生熱量使得巖石發(fā)生塑性變形,導(dǎo)致不穩(wěn)定滑動(dòng),從而引發(fā)地震;3)黏滑機(jī)制[44-45],礦物的摩擦導(dǎo)致不穩(wěn)定黏滑滑移,從而誘發(fā)地震[46]。針對深源地震成因,學(xué)者提出相變觸發(fā)斷裂機(jī)制[47]。當(dāng)然關(guān)于中、深源地震還有一些其他的形成機(jī)制,包括塑性不穩(wěn)定[48]、剪切誘發(fā)熔融[49]、重結(jié)晶伴生的不穩(wěn)定[50]、多形相變[51]、脆性剪切破裂[52]和反向破裂理論[53]等。

灰色區(qū)域. 水合物;灰色箭頭. 流體排出方向;黑色箭頭. 不同區(qū)域脆性破壞模式。σ1. 最大壓應(yīng)力;σ3. 最小壓應(yīng)力。據(jù)文獻(xiàn)[39]修編。

多數(shù)大型地震發(fā)生在活動(dòng)板塊邊界[54],但是在相對穩(wěn)定的大陸內(nèi)部也會(huì)有大型地震發(fā)生[55]。研究表明,穩(wěn)定的陸內(nèi)地震活動(dòng)具有“雙模態(tài)”特征,地震主要發(fā)生在上地殼1/3以上和下地殼1/3以下這兩個(gè)孕震層[56]。板塊內(nèi)部構(gòu)造地震都是由于上地殼先存的構(gòu)造滑脫層在應(yīng)力場作用下發(fā)生破裂和錯(cuò)動(dòng)而引發(fā)的[57]。地震成因機(jī)制是一個(gè)較為復(fù)雜的問題,存在多樣性,針對板內(nèi)構(gòu)造地震成因機(jī)制,現(xiàn)存幾種模型:1)由位于積累單元斷裂面上的剪切應(yīng)力與摩擦阻力之間的力量對比所建立的三階段孕震模型[58](圖4);2)華北盆地的兩種強(qiáng)震模型,即上地幔熱物質(zhì)入侵下地殼引起的兩層破裂震源模型[59]和地幔亞熱柱控震模型[60](圖5);3)運(yùn)用顆粒物理原理建立的地殼與地幔運(yùn)動(dòng)顆粒模型[61]等。除此之外,隨著人類對自然資源的挖掘和利用日益加重,大肆開采油田和礦產(chǎn)、建水庫、開展核試驗(yàn)等活動(dòng)使自然環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞,也可誘發(fā)地震。

a. 積累單元周圍近似四象限應(yīng)力分布;b. 地殼塊體相對運(yùn)動(dòng)。A、B. 地殼塊體;C、D. 積累單元。據(jù)文獻(xiàn)[58]修編。

事實(shí)上,單獨(dú)一種成因機(jī)制并不能完美解釋地震的成因,可能不同區(qū)域的地震由不同的成因機(jī)制占主導(dǎo),其他機(jī)制也參與其中,多種機(jī)制共同參與地震過程[46]。

2 地?zé)豳Y源及地震活動(dòng)深部驅(qū)動(dòng)要素

2.1 地?zé)豳Y源深部驅(qū)動(dòng)要素

地?zé)豳Y源起源于地球內(nèi)部的熔融巖漿和放射性物質(zhì)的衰變。1990年,Hochstein[62]較為完善地定義了地?zé)嵯到y(tǒng),即在有限空間內(nèi),地殼水通過流動(dòng)將熱源傳遞到熱儲層的過程。該概念確定了地?zé)嵯到y(tǒng)主要由熱源、滲透性地層及流體3個(gè)要素組成。地?zé)嵯到y(tǒng)的“地質(zhì)要素”包括生熱系統(tǒng)(源)、運(yùn)移系統(tǒng)(通道)、滲流系統(tǒng)(儲)、保溫系統(tǒng)(蓋)[31, 63-64](圖6)。其中滲流和保溫系統(tǒng)主要分布在地殼淺部,具有保護(hù)和儲存熱能的作用,而總結(jié)前人對地?zé)嵯到y(tǒng)的研究[12, 65-66],驅(qū)動(dòng)地?zé)豳Y源的深部控制因素則主要包括熱源以及斷裂。

據(jù)文獻(xiàn)[64]修編。

無論是巖漿熱源、放射性熱源,還是摩擦生熱等,充足的熱源是形成大規(guī)模地?zé)豳Y源的前提要素。不同熱背景條件下,地?zé)嵯到y(tǒng)的熱能來源及聚斂模式?jīng)Q定了熱儲溫度的大小及分布。目前對于熱源的認(rèn)識主要集中于地殼深部、上地幔中形成的巖漿流體以及地殼中放射性元素U、Th、K衰變后釋放的熱量[67-69]。已有研究表明,更新世以來侵入的規(guī)模較大的巖漿巖體是形成地?zé)嵯到y(tǒng)的主要原因[ 70-72]。年輕的酸性巖漿侵入體一般出現(xiàn)在擴(kuò)張洋脊、板塊縫合帶、大陸裂谷以及板內(nèi)熔融區(qū)等特殊的地質(zhì)環(huán)境中,由于具有較高的黏度,巖漿在上升過程中會(huì)滯留在上地殼中,并在很長時(shí)間內(nèi)為地殼淺部提供熱量[12, 73-75]。

斷裂不僅是熱液流體、地下水的運(yùn)移通道,也是地?zé)崃黧w的重要儲存空間。對于傳導(dǎo)型地?zé)嵯到y(tǒng),熱量主要來源于大地?zé)崃?通過地殼深處和上地幔的熱量垂直傳導(dǎo),以及對熱儲層中水平流動(dòng)的地下水進(jìn)行加熱,形成地?zé)豳Y源[76]。此過程中斷裂并不是主要控?zé)嵋蛩?。但在對流型地?zé)嵯到y(tǒng)中,深大斷裂是地幔物質(zhì)及熱流上升的通道,為巖漿底辟、侵入及對流提供有利條件。例如,在埃塞俄比亞裂谷Tulu Moye地?zé)釁^(qū),巖漿流體通過穿切中上地殼的深斷裂向地殼淺部流動(dòng)并形成地?zé)崽颷12]。淺部斷裂一方面可促進(jìn)地表冷水與大氣降水下滲,從而補(bǔ)給地下熱水及淺層冷水;另一方面,由于深部較大的靜巖壓力差而引起熱液自深處向上運(yùn)動(dòng),斷裂則可作用熱液至地殼淺部形成淺層地?zé)豳Y源。例如:在懷來盆地內(nèi),斷裂與大氣降水、地表水及深部熱液構(gòu)成水熱循環(huán),形成地?zé)豳Y源[77];在西藏羊八井地?zé)崽飬^(qū)、福建漳州地?zé)崽飬^(qū),斷裂交匯處形成較大體積的破碎帶,為地?zé)崃黧w的深部運(yùn)移和淺部儲存提供有利條件,從而地?zé)豳Y源主要分布在斷裂交匯處[78-79]。

2.2 地震活動(dòng)深部驅(qū)動(dòng)要素

地震作為耗能事件,震級的強(qiáng)度越大則需要的能量越大,在中、強(qiáng)地震的成因方面,地球內(nèi)部流體隱爆是目前的主流觀點(diǎn)[80-85]。流體隱爆作用為地核和下地幔的流體攜帶了大量能量,并不斷向上運(yùn)移。當(dāng)流體在地殼中局部聚集、流體壓力大于圍巖抗壓強(qiáng)度和附加巖石靜水壓力時(shí),爆炸發(fā)生,產(chǎn)生地震。由于爆炸的強(qiáng)度不同,引起的地震震級也不同,因此形成了不同震源深度、不同震級的地震[80]。在洋陸俯沖的地質(zhì)背景下,Egbert等[86]通過研究卡斯卡迪亞弧前地下結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)洋殼向大陸俯沖的過程中含水礦物脫水釋放高壓流體,從而引起地震(圖7)[87]。Zhao等[88]對日本巖石圈速度結(jié)構(gòu)和地震分布進(jìn)行了研究,認(rèn)為太平洋板塊俯沖產(chǎn)生的流體和巖漿是誘發(fā)地震的主要原因。同時(shí)高溫高壓下蛇紋石脫水實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明板塊由于礦物脫水會(huì)發(fā)生脆化,脆化的板塊錯(cuò)斷也會(huì)引發(fā)地震[39, 89-90]。在陸陸碰撞的地質(zhì)背景下,Zhang等[91]對四川盆地長寧6.0級地震進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)由于印度板塊深俯沖導(dǎo)致軟流圈地幔上涌,產(chǎn)生的流體導(dǎo)致地殼內(nèi)發(fā)震層的應(yīng)力積累并誘發(fā)地震。在華北克拉通內(nèi),劉文玉等[92]對懷—涿盆地內(nèi)地震成因進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),盆地內(nèi)部存在高溫流體,流體在檐式結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)富集并使得應(yīng)力積累,導(dǎo)致巖石破裂,從而誘發(fā)地震。以上研究說明,流體是直接驅(qū)動(dòng)地震活動(dòng)的重要深部因素。

據(jù)文獻(xiàn)[87]修編。

地震誘發(fā)機(jī)制中無論是彈性回跳理論或其他理論均強(qiáng)調(diào)脆性破裂和斷裂滑動(dòng)[47, 93]。斷裂(層)作為地震產(chǎn)生的關(guān)鍵,當(dāng)其脆性變形破碎并快速釋放能量時(shí)會(huì)誘發(fā)地震。例如,在青藏高原北緣,由于印度板塊俯沖,發(fā)育了多條大型活動(dòng)斷裂帶,區(qū)域內(nèi)兩次8級地震都與發(fā)育的大型斷裂帶相關(guān)[94];同時(shí)斷裂應(yīng)力狀態(tài)分析結(jié)果顯示,區(qū)域斷裂閉鎖性強(qiáng),應(yīng)力積累速率高,具有未來強(qiáng)震危險(xiǎn)[95]。在高壓背景下,由于斷裂可作為流體運(yùn)移的通道,流體會(huì)影響介質(zhì)應(yīng)力的重新分布,使得斷裂產(chǎn)生較高的不穩(wěn)定性,從而誘發(fā)地震[96]。該過程是斷裂誘發(fā)地震的另一種方式,且在涿鹿地震[92]、松原地震[97]和汶川地震[98]等研究中均發(fā)現(xiàn)該地震活動(dòng)驅(qū)動(dòng)過程。

根據(jù)以上總結(jié)的成因機(jī)制和驅(qū)動(dòng)要素,認(rèn)為地?zé)豳Y源和地震活動(dòng)從孕育到形成的過程可以分為3個(gè)階段:第一階段為水在軟流圈形成部分熔融物質(zhì),并在構(gòu)造薄弱位置進(jìn)入巖石圈,這些部分熔融熱物質(zhì)(巖漿)是地?zé)嵯到y(tǒng)和地震活動(dòng)的“源”;第二階段為巖漿以管道流形式上升到地殼底部,隨著溫度的降低,含水巖漿固結(jié)成巖、釋放水并產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì),作用于周圍巖石或斷裂從而導(dǎo)致地震;第三階段為斷裂作為良好的導(dǎo)水導(dǎo)熱通道,將流體運(yùn)移到淺部,在合適的位置形成淺部熱儲,同時(shí)也可能誘發(fā)地震?？梢钥闯?作為源的流體以及作為通道的斷裂貫穿整個(gè)過程,所以可以將其視為研究共生機(jī)制的切入點(diǎn)。

3 典型地?zé)豳Y源與地震活動(dòng)共生環(huán)境

3.1 俯沖板塊前緣

環(huán)太平洋地震帶同時(shí)分布大量活火山和地?zé)豳Y源。地震探測得到的日本巖石圈速度結(jié)構(gòu)表明大部分殼內(nèi)大地震發(fā)生在低速區(qū)或低速區(qū)周邊[87]。而大地電磁觀測發(fā)現(xiàn),在世界各地的各種地?zé)釒?、活火山和活?dòng)斷裂上,深部都存在從淺層延伸到地殼中的垂直電導(dǎo)體[12, 99]。通過估算日本九州火山下的高分辨率三維地殼電阻率結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)活躍地?zé)釁^(qū)和過去火山噴發(fā)的地表位置均位于深部導(dǎo)體上方,突出了在火山北部與深導(dǎo)體合并的次垂直導(dǎo)體,深低頻地震發(fā)生在該導(dǎo)體東南邊緣附近;這些亞垂直的導(dǎo)體、淺的富黏土層、發(fā)育的斷裂系統(tǒng)和高強(qiáng)度的凝固巖漿都可能促進(jìn)了巖漿流體向九州火山地表的輸送[2](圖8)。

星星. 地?zé)岚l(fā)電廠; 白色虛線、實(shí)線. 志下町、麻生破火山口邊緣;空心三角形. 第四紀(jì)火山;C1、C1ne. 高導(dǎo)體。據(jù)文獻(xiàn)[2]修編。

受歐亞板塊與太平洋板塊及菲律賓海板塊在中國陸源地帶消減、俯沖、碰撞的直接影響,漳州盆地與相鄰地帶地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,水熱活動(dòng)強(qiáng)烈,并伴隨小地震的頻頻發(fā)生[100]。結(jié)合區(qū)內(nèi)斷裂與溫泉等地?zé)豳Y源的位置聯(lián)系(圖9),可以看出地?zé)豳Y源基本上分布在與燕山期花崗巖相關(guān)的斷裂和裂隙系統(tǒng)中,即屬裂隙型呈帶狀展布的地?zé)犸@示。根據(jù)已有地震記錄,1067—1601年間,漳州盆地內(nèi)發(fā)生過5次地震,最大震級為6級[101]。震源分布的密度和地震發(fā)生的強(qiáng)度均為由西向東增強(qiáng)、由北向南增強(qiáng),顯示出地震活動(dòng)與地?zé)豳Y源具有同步性,并且均由深部物質(zhì)與能量交換所致[102]。滕吉文等[100]揭示地殼內(nèi)10～16 km處存在一個(gè)以漳州盆地為中心、向兩側(cè)延伸的低速透鏡體,且被1條由上地幔軟流圈穿過、殼幔邊界至近地表的深大斷裂貫穿,其中低速透鏡體可能是一個(gè)干熱熔體且在逐漸固化,深大斷裂可能是上地幔軟流圈熱液物質(zhì)向上運(yùn)移的通道,為該低速體補(bǔ)充熱量。幔源熱物質(zhì)在沿深大斷裂向上運(yùn)移的過程中,不但為近地表提供了熱源,使得漳州盆地內(nèi)形成溫泉水富集區(qū)[103],同時(shí)驅(qū)使近地表一系列斷裂活動(dòng)形成地震[101]。這可能是漳州盆地及鄰區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源發(fā)育和地震活動(dòng)頻發(fā)的重要原因。

據(jù)文獻(xiàn)[100]修編。

3.2 陸陸碰撞板緣

新生代以來印度板塊與歐亞板塊之間持續(xù)的碰撞,形成了喜馬拉雅造山帶并使得青藏高原抬升[104]。同時(shí),持續(xù)到現(xiàn)在的印度板塊俯沖事件也導(dǎo)致了一系列構(gòu)造作用的發(fā)生,包括沿高原生長方向的縱向擠壓縮短、隆升[105]以及高原物質(zhì)的橫向擠出逃逸[106-107]。青藏高原東南緣是高原生長的東部邊界,存在一系列北向、北東向的斷裂構(gòu)造和兩側(cè)完全不同屬性特征的地體,在擠壓作用、擠出事件持續(xù)發(fā)生的情況下,具有特殊的地質(zhì)構(gòu)造背景。特別是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期,該區(qū)域地?zé)嵋约暗卣鸹顒?dòng)十分顯著[108-110],是研究地?zé)豳Y源與地震活動(dòng)共生深部機(jī)制的理想位置。

青藏高原東南部的高黎貢剪切帶(GLGSZ)被視為印支板塊的西邊界[111-112]。作為物質(zhì)橫向擠壓的重要通道,青藏高原東南部具有地震、活火山等復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)[113]。大地電磁三維反演結(jié)果揭示GLGSZ西部的騰沖火山下方存在3個(gè)高導(dǎo)體,被認(rèn)為是由深部上地幔部分熔融帶支持形成的較高熔融程度的巖漿儲層(C1、C2、C3),同時(shí)GLGSZ附近的中震級地震均發(fā)生在上地殼電阻層底部的高導(dǎo)斷裂帶內(nèi),證明地震的發(fā)震結(jié)構(gòu)可能與巖漿庫的流體有關(guān),斷裂帶可以作為熱流體的上升通道[113](圖10)。

藍(lán)色三角. 大地電磁測點(diǎn);紅色三角. 火山;白點(diǎn):地震活動(dòng)性;紅星. 地震震源;黑色虛線. 上升熱流體;黑色、紅色實(shí)線. 斷裂。F1. 龍川江斷裂;F2. 怒江斷裂;F3. 瑞滇斷裂;F4. 大盈江斷裂;TCB. 騰沖地塊;BSB. 保山地塊;RD. 瑞滇;GD. 固東;MZ. 馬站;TC. 騰沖;RH. 熱海;C2、C3. 高導(dǎo)體。據(jù)文獻(xiàn)[113]修編。

幔源氦可作為地球深部物質(zhì)來源的示蹤劑,能反映深部巖漿、流體活動(dòng)的遷移路徑?；诤ね凰匮芯?王云等[114]揭示了地表高熱流及地震活動(dòng)和深部流體之間的關(guān)系。地?zé)岙惓^(qū)與高幔源氦(R/Ra>1)釋放區(qū)和上地幔低速異常區(qū)三者在空間分布上能夠較好吻合,說明淺層地?zé)岙惓Ｔ诔梢蛏吓c地幔軟流圈上涌有關(guān)。而強(qiáng)震源在空間上主要位于地?zé)岙惓^(qū)的溫度梯度帶上或2個(gè)地?zé)岙惓^(qū)的過渡帶上,深部流體(包括幔源流體和殼源流體)活動(dòng)導(dǎo)致震源區(qū)熱狀態(tài)的改變是觸發(fā)大地震的關(guān)鍵因素(圖11)。

強(qiáng)震活動(dòng)一般與幔源流體的向上運(yùn)移有關(guān),而同時(shí)大量的物質(zhì)和熱量也被帶入淺層地殼形成地?zé)岙惓?這種幔源物質(zhì)的滲透性尤其在伸展構(gòu)造或剪切應(yīng)變較強(qiáng)的地區(qū)更為顯著,這可能也是青藏高原東南緣成為地?zé)豳Y源發(fā)育和地震活動(dòng)頻發(fā)區(qū)域的原因。

3.3 板內(nèi)穩(wěn)定地塊

地殼中的流體被認(rèn)為在地震和熱能的釋放中起到至關(guān)重要的作用,特別是在發(fā)散的板塊邊界。斷裂作為流體運(yùn)移的通道,因活躍的地震活動(dòng)而保持開放,使得地下水循環(huán)到深層高溫地區(qū),并以熱流體的形式流回地表[15]。連續(xù)的小震級地震活動(dòng)是由于循環(huán)地下水流體對深部熱巖石的作用,去除巖石熱量的同時(shí)引起斷裂面上有效法向應(yīng)力降低,這一過程降低了斷裂強(qiáng)度,持續(xù)地作用最終導(dǎo)致斷裂破裂,引發(fā)地震[115]。

中國松遼地塊位于多重構(gòu)造體制交匯處,其形成演化受到古亞洲洋和蒙古-鄂霍茨克洋閉合以及古太平洋板塊俯沖的影響[116-117]。太平洋板塊俯沖后滯留在東北地區(qū)地幔轉(zhuǎn)換帶深部[118],其攜帶的水向上運(yùn)移在軟流圈底部發(fā)生熔融[119]。大地電磁探測發(fā)現(xiàn)松遼盆地上地幔軟流圈存在含水導(dǎo)致的部分熔融物質(zhì)[120-121]。上涌的部分熔融熱物質(zhì)可以作為盆地地?zé)嵯到y(tǒng)的主要熱源[122-123]。上涌的巖漿遇到脆性的上地殼,滯留在脆性-塑性過渡帶及其下部,形成“底墊體”[124]。位于盆地腹地的松原市近年來發(fā)生多次5級以上地震[125]。地震區(qū)三維電阻率模型揭示地殼深部存在含水熔融物質(zhì),在其向上運(yùn)移的過程中,在下地殼發(fā)生巖漿侵位,釋放流體,流體在弱化斷裂強(qiáng)度的同時(shí),通過增加孔隙壓力降低斷裂的抗剪切強(qiáng)度,使斷裂失穩(wěn),誘發(fā)地震[14](圖12)。松原地震是流體誘發(fā)的地震,而釋放流體的巖漿體為盆地地?zé)嵯到y(tǒng)的次要熱源[122],證明地震與地?zé)嵩谛纬蓹C(jī)制方面息息相關(guān)。

FZF.扶余—肇東斷裂。據(jù)文獻(xiàn)[14]修編。

加利福尼亞的Sierran微陸塊是位于太平洋板塊和穩(wěn)定的北美洲之間變形帶內(nèi)的板塊碎片,其中的Coso地?zé)崽?是Coso山脈中部的一個(gè)世界級地?zé)豳Y源,該地區(qū)地震活動(dòng)頻繁。根據(jù)區(qū)域地震數(shù)據(jù)反演加州中東部上、中地殼三維vP(縱波速度)、vS模型,發(fā)現(xiàn)在Coso地?zé)崽镏胁?～3 km深度顯示的低vP、低vS區(qū)域?yàn)榈責(zé)醿?下方的低速帶為充當(dāng)熱源的巖漿房;重新定位的地震活動(dòng)在地?zé)崽锔浇纬煽臻g聚集特征,且地震活動(dòng)在Coso地?zé)崽镏胁可疃茸儨\;地?zé)釁^(qū)可能被自封閉的脆-韌過渡層所覆蓋,當(dāng)脆-韌過渡層轉(zhuǎn)變發(fā)生偶發(fā)性斷裂時(shí),暫時(shí)的流體上升可能會(huì)增加局部應(yīng)變率,并驅(qū)動(dòng)韌性巖石持續(xù)脆性剪切破壞(可能表現(xiàn)為地震活動(dòng)群)[126](圖13)。

紫色虛線. 第四紀(jì)早期斷裂;黑星.Coso地?zé)崽?紅星.紅山火山。據(jù)文獻(xiàn)[126]修編。

4 地?zé)峒暗卣鸸采鷻C(jī)制研究展望

1)高溫地?zé)豳Y源與大型地震活動(dòng)通常發(fā)生于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍的板塊邊界。板緣地?zé)岷偷卣饳C(jī)制研究較為成熟,已形成了較為公認(rèn)的理論,而板內(nèi)地?zé)崤c地震成因機(jī)制尚不清楚。雖然地?zé)峄顒?dòng)與地?zé)豳Y源富集是現(xiàn)今地下結(jié)構(gòu)與物質(zhì)交換過程的結(jié)果,但早期構(gòu)造體制的繼承性對現(xiàn)今格局的影響往往被忽略,是今后研究的重點(diǎn)。

2)地?zé)豳Y源與地震活動(dòng)的外因是構(gòu)造體制作用的結(jié)果,內(nèi)因則取決于物質(zhì)與結(jié)構(gòu)屬性。前人基于地質(zhì)、巖石物性實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬計(jì)算、地球化學(xué)和地球物理等結(jié)果,較為完善地總結(jié)了地?zé)嵯到y(tǒng)的“地質(zhì)要素”及地震活動(dòng)的成因機(jī)制;但研究認(rèn)識僅停留于兩者的觀測特征及轉(zhuǎn)換關(guān)系,缺乏完整的地震活動(dòng)和地?zé)豳Y源的深部控制與共生體系及相關(guān)理論。建立統(tǒng)一架構(gòu)是共同解決資源與災(zāi)害問題的捷徑,也是宜居地球和新能源安全供給兩大戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵性科學(xué)問題。

3)流體和斷裂對地?zé)岷偷卣鸬男纬膳c控制起到關(guān)鍵作用。兩者都可能引起較為明顯的電阻率異常,利用大地電磁對導(dǎo)電性敏感的優(yōu)勢研究這2個(gè)基本要素,可以取得較好的效果。同時(shí)地震活動(dòng)多數(shù)發(fā)生在低速區(qū)周邊,作為熱源的巖漿體表現(xiàn)為高導(dǎo)低速的特征。地球物理聯(lián)合反演是綜合地球物理領(lǐng)域重要的方法技術(shù),是當(dāng)今國內(nèi)外地球物理學(xué)科的發(fā)展方向和必然趨勢。基于聯(lián)合反演技術(shù)可以使各方法互為約束、互相補(bǔ)充,減少多解性,提高地球物理解釋的精度。在此基礎(chǔ)上,應(yīng)重點(diǎn)攻克考慮溫壓條件下的巖石物性和地球化學(xué)結(jié)果,實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源與地震活動(dòng)深部控制要素屬性與結(jié)構(gòu)的雙重表征。