新构造与活动断裂是地质力学研究所重点研究领域之一,该研究领域的鲜明特色集中在“新”和“活”上,即将晚近地质时期的地壳运动与地表构造地貌过程研究有机结合,内外动力地质过程的有机耦合,地震地质与地质灾害研究的有机结合。因此,这是一项基础性的地学研究工作,同时具有重大的应用价值。早期李四光先生一直强调晚近地壳运动的研究,认为新构造与活动断裂研究是开展地震预警预报的基础性地质工作。由于活动断层的鉴定与研究不仅是地震危险性评价关键所在,也是深入认识现今地壳变形特征及其动力学机制的重要途径。因此,自上世纪70年代后期以来,国内外在活动断裂调查研究的理论方法与应用方面都不同程度地得到了快速发展。最为突出的是,随着空间观测与地形变监测技术、第四纪地质年代学方法和地球物理方法等许多新技术与新方法的广泛应用,活动断裂研究进入了定量化与精细化研究阶段,对活动断裂与大地震活动的关系和现今地壳变形的方式及其动力学机制方面都有了许多新的认识。并在重大工程选址与地震危险性评价中得到了更广泛应用。
我所早期的研究工作主要集中在地震强烈活动的华北地区,并重点开展了渭河盆地新生代构造应力场(中法合作项目)、山西地堑系新构造与地壳稳定性评价、燕山地区新生代构造-地貌演化、郯庐断裂新生代构造与活动性研究等。近年来先后承担和完成了国家973课题“龙门山断裂构造带及汶川地震发震构造”、中国地质调查局“青藏铁路沿线地应力测量与活动断裂监测”、“滇藏铁路沿线地壳稳定性调查评价”、“泛亚铁路大理至瑞丽沿线地质构造综合研究”、“青藏高原重要活动断裂厘定与活动构造体系综合研究”和“川甘强震区新构造运动背景与活动构造体系框架研究”等国家专项和地质调查项目,在新生代构造变形与地貌演化等基础理论研究和国家重大工程建设选区新构造与地壳稳定性研究等方面取得了重要研究成果。
为适应地质科技发展的新形势,2012年地质力学研究所成立了“新构造与活动构造”研究室,其目的是加强研究所在新构造与活动构造方面的研究实力,重点开展新构造与活动断裂的调查,加强地震地质的研究,为地质灾害预警、国土规划提供基础理论和依据。目前该室有研究人员12人,其中,研究员3人,副研究员1人,其他6人。具有博士生导师1名,硕士生导师3名。该室初步具有一支从事新构造与活动构造野外调查与研究的专业队伍;拥有光释光、碳-14、裂变径迹年代学实验室;掌握构造应力场数值模拟技术与方法。
主要研究领域、方向及内容包括:
1. 新构造与构造地貌调查与研究:以新生代盆地和山脉为研究对象,开展盆地沉积充填历史和构造变形的研究,恢复盆地演化历史。运用构造地貌研究方法,重塑晚新生代以来新构造运动与构造地貌过程。
2.活动断裂与地震地质研究:利用不同分辨率的遥感影像资料,解译活动断裂,野外调查活动断裂断错地貌,确定断裂活动速率;利用探槽揭示技术,开展主要活动断裂的古地震行为,确定强震复发周期。
3.新构造年代学研究:运用新构造年代学方法(Ar-Ar, FT, ESR, OSL, U-系、宇宙核素等),开展断错地貌的年代学研究,确定新构造变形的时代和构造地貌隆升过程。
4.新构造应力场模拟:利用野外调查和地应力测量结果,开展构造应力场模拟,确定现今构造应力场、位移场特征。
研究室成立以来,先后出版了《青藏高原中段活动断层及诱发地质灾害》、《青藏铁路沿线活动断裂研究与应力应变综合监测》、《青藏高原新生代构造演化与隆升过程》、《青藏铁路沿线活动断裂与地质灾害图集》、《新构造活动与区域地壳稳定性》和《泛亚铁路云南大理至瑞丽沿线基础地质与主要工程地质问题》等多部专著,在《Tectonophysics》、《Episodes》及《Journal of Asian Earth Sciences,》等国内外SCI期刊上发表论文40余篇。研究成果获得2006年国土资源部科技二等奖和2011年国土资源部科技一等奖,并被评为中国地质科学院2004年度和2006年度十大科技进展。
研究室取得的重要成果包括:(1)通过对青藏高原东缘新构造变形研究,建立了青藏东缘晚新生代阶段性构造演化模式,提出青藏高原东缘不同地块在晚新生代时期有序向东挤出过程的认识,为青藏高原隆升机制研究及以地震为主的重大地质灾害防治提供了理论支撑;(2)通过秦岭断裂系和郯庐断裂带等巨型断裂带的研究,中国东部新生代多期引张事件及构造应力机制转换与与太平洋板块向西俯冲及青藏高原隆升之间存在动力学联系,为中国东部构造地貌演化、地表过程和地壳过程相互作用机理和东部含油气盆地形成演化过程的研究奠定了理论基础;(3)通过滇西活动构造的研究,提出并厘定了“川滇弧型旋扭活动构造体系”,进一步发展了李四光教授提出的旋扭构造体系;(4)系统开展了青藏铁路、滇藏铁路、大瑞铁路、西气东输和南水北调等国家重点工程建设区的新构造调查与研究,通过系统研究新构造运动特点与活动断裂现今活动特征及地应力综合监测和地壳变形和断层运动速度的GPS观测,为青藏铁路、西气东输、南水北调西线等西部国家重大工程建设、地质灾害防治和安全运营提供了急需的科技支撑和服务,效益显著,受到国际同行的高度关注。
我国在新构造和活动断裂研究方面进展很快,实施了一批重大项目:(1)通过中国大陆基岩山区主要发震或控震断裂带调查与填图,初步查明中国大陆活动构造的基本格局,获得了一批重要断裂的活动性与古地震方面的定量数据,逐步完善了活动断裂的大比例尺填图、活动性定量鉴定和地震危险性评价等技术方法,并初步制定了相关规范。(2)综合利用多种技术手段,对全国23个大中城市进行了活断层探测工作,制定了城市活断层探测技术规范,填绘了大比例尺的活断层分布图,共探测活动断裂130多条,并对其地震危险性进行了评价。(3)将活动断裂调查研究与重大工程选址紧密结合,开展了包括青藏铁路、南水北调、西气东输、滇藏铁路、大瑞铁路和川藏铁路等许多国家重大工程沿线的地震安全性与地壳稳定性评价工作。
在国际上,新构造与活动构造的研究非常活跃,尤其是“世界应力图计划”的实施,建立了全球现今地应力场及其分布特征;美国地球透视计划的实施,加深了对现今板块边界的观测,获得了大量的深部构造应力状态的数据。活动断裂研究方面的主要进展包括断裂活动速率定量化、断裂分段性、古地震事件序列的识别与定年,以及利用活动断裂定量参数评价其潜在地震危险性等方面。其中根据古地震研究成果先后提出了大地震活动的特征地震模式和丛集活动理论,还在活动断裂上大地震原地复发规律方面提出了“滑动可变”和“均匀滑动”模式。同时为了解和掌握大地震可能对大城市安全造成的威胁,加强了利用地球物理技术对大城市和平原区隐伏活动断裂的探测与研究。
新构造与活动构造研究的新技术新方法发展很快,主要包括:(1)14C、OSL、U系和宇宙成因核素等第四纪地质定年方法被广泛应用到断裂活动速率古地震的定量研究中,为定量限定多时间尺度的断裂活动速率和古地震年龄以及定量评价活动断裂的大地震危险性提供了重要技术支撑。(2)多种大地测量技术,尤其是雷达干涉图像(InSAR)与全球定位系统(GPS)等被逐渐应用于现今地壳运动与断裂活动速率以及同震地表破裂的定量研究,增进了地质学家对断层现今活动性及其活动方式与行为特征的跟深入认识。(3)以遥感卫星为主的空对地观测技术的应用极大地提高了活动断裂调查的精度与准确性,尤其是利用米级和厘米级的高精度遥感数据,可以实现对活动断裂快速精确位置和运动量的准确快速的定量化判断,成为当前活动断裂定量研究中不可或缺的重要技术手段。
总之,充分利用新技术与新方法,更加深入地开展活动断裂的几何结构、运动学特征、第四纪不同时间尺度的运动速率以及分段性与古地震等方面的研究,进一步探明活动断层与大地震活动的内在联系及控震作用,并将活动断裂的调查研究更高地服务于地震危险性评价和重大工程选址,相信仍将是未来活动断裂定量化研究尤为迫切和重要的任务。
中国大陆水平最大主应力模拟特征分布图
(红色箭头为水平最大主应力的方向,云图为水平最大主应力值,h为深度,红色为张应力,蓝色为压应力)