褶皱-冲断带中的屈曲作用对地震抬升和长期褶皱生长的贡献

学术背景

褶皱-冲断带（fold-thrust belts）是地球上许多造山带前缘的重要构造单元，通常伴随着强烈的地震活动。理解断层滑动、褶皱生长和地震之间的复杂关系，对于评估地震风险以及揭示长期地形生长与短期地震抬升之间的联系至关重要。传统研究主要基于断层相关褶皱理论，认为褶皱的形成和地震活动主要由下伏断层的滑动驱动。然而，屈曲作用（buckling）——一种以层间平行收缩为特征的机制——在褶皱生长和地震活动中的作用长期被忽视。本文通过研究2019年3月28日发生在柴达木盆地西部狮子沟背斜的M5.0茫崖地震，首次揭示了屈曲作用在中等强度地震中的贡献，并探讨了其对长期褶皱生长的影响。

论文来源

本文由Kai Huang、Kejie Chen、Lei Wu等来自南方科技大学、浙江大学、中国石油天然气集团公司等机构的学者共同完成，于2024年10月7日在线发表在《Geology》期刊上，论文标题为“Buckling contributes to both coseismic uplift and long-term fold growth in active fold-thrust belts”。该研究得到了广东省地球物理高分辨率成像技术重点实验室和国家自然科学基金的资助。

研究流程与结果

1. 数据与方法

研究团队利用三维地震成像数据、干涉合成孔径雷达（InSAR）分析和钻孔测井数据，对茫崖地震的震源机制和地表变形进行了详细研究。具体流程如下：

• 三维地震成像：通过三维叠前深度偏移地震数据，揭示了狮子沟背斜的地下结构，包括新生代地层界面、盐岩层边界和主要断层的分布。
• InSAR分析：利用两幅InSAR图像提取了地震引起的地表变形，并通过弹性反演模型估算了最优震源断层几何参数。
• 钻孔数据分析：结合地震期间断裂的钻孔杆数据，进一步验证了震源深度和滑动面的几何特征。

2. 主要结果

• 地震机制：研究发现，茫崖地震并非由已知断层的滑动引起，而是由于狮子沟背斜翼部的屈曲作用导致的层间滑动。这种滑动发生在盐岩层（上干柴沟组）与上覆碎屑岩层（上干柴沟组）之间的界面，滑动面深度为1.8-2.2公里，滑动量达470毫米。
• 地表变形：InSAR数据显示，地震引起的地表抬升和沉降分别位于狮子沟背斜的东北翼和背斜核部，与长期褶皱生长的位置存在显著偏差。
• 褶皱几何变化：三维地震成像揭示了狮子沟背斜沿走向的几何变化，从西北部的宽缓背斜到东南部的窄陡背斜，茫崖地震恰好发生在这一几何过渡带。

3. 讨论与结论

• 屈曲作用的地震贡献：研究表明，屈曲作用不仅能够引发中等强度的地震，还能通过层间滑动调节褶皱的几何形态。这一发现挑战了传统断层相关褶皱模型的局限性，为理解褶皱-冲断带的地震机制提供了新的视角。
• 长期褶皱生长：屈曲作用在狮子沟背斜的长期生长中起到了重要作用，尤其是在盐岩层与上覆碎屑岩层之间的力学差异背景下，屈曲作用显著影响了褶皱的几何形态和地震活动。

研究亮点

• 首次揭示屈曲作用引发地震：本文首次通过实际地震案例证明了屈曲作用能够引发中等强度的地震，填补了相关领域的研究空白。
• 多学科数据融合：研究结合了三维地震成像、InSAR分析和钻孔数据，提供了对震源机制和地表变形的全面理解。
• 对地震风险评估的意义：研究结果表明，在评估褶皱-冲断带的地震风险时，不能仅依赖断层滑动模型，还需考虑屈曲作用的贡献。

研究价值

本研究不仅深化了对褶皱-冲断带地震机制的理解，还为地震风险评估提供了新的理论依据。此外，研究揭示的屈曲作用在地震和褶皱生长中的重要性，可能适用于全球其他类似的构造环境，如扎格罗斯山脉和库车褶皱带。

其他有价值的信息

研究团队感谢了多位学者和机构的数据支持，特别是青海地震局提供的地震波数据。此外，研究还得到了广东省重点实验室和国家自然科学基金的资助，体现了多机构合作在科学研究中的重要性。