大地测量与地球动力学

常量	取值及单位
杨氏模量E	100 GPa
泊松比ν	0.25
重力加速度g	9.8 m/s²
地幔密度ρ_m	3.27 g/cm³

常量	取值及单位
杨氏模量E	100 GPa
泊松比ν	0.25
重力加速度g	9.8 m/s²
地幔密度ρ_m	3.27 g/cm³

鄂西及邻区弹性岩石圈厚度及其与地震分布

孟恒舟 ¹^,² , 杨光亮 ¹^,²^,³^,* , 秦海涛 ¹^,² , 刘胜 ¹^,²

大地测量与地球动力学 | 地球动力学 2026,46(2): 171-177

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大地测量与地球动力学 |地球动力学 2026 , 46 (2) : 171 -177

鄂西及邻区弹性岩石圈厚度及其与地震分布

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孟恒舟¹^,², 杨光亮¹^,²^,³^,*, 秦海涛¹^,², 刘胜¹^,²

作者信息

1 中国地震局地震研究所, 武汉, 430071

2 中国地震局地震大地测量重点实验室, 武汉, 430071

3 湖北省地震局, 武汉, 430071

通讯作者:

杨光亮, 博士, 研究员, 主要从事重力探测、时变重力及地球动力学方面研究, E-mail: vfory@aliyun.com

作者简介:

孟恒舟, 硕士生, 主要从事地球动力学等方面研究, E-mail: menghengzhou23@mails.ucas.ac.cn

Elastic Lithosphere Thickness and Its Tectonic Significance in Western Hubei and Adjacent Areas

Hengzhou MENG¹^,², Guangliang YANG¹^,²^,³^,*, Haitao QIN¹^,², Sheng LIU¹^,²

Affiliations

1 Institute of Seismology, CEA, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China

2 Key Laboratory of Earthquake Geodesy, CEA, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China

3 Hubei Earthquake Agency, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China

出版时间: 2026-02-15 doi: 10.14075/j.jgg.2025.03.087

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摘要

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为深入认识鄂西及邻区岩石圈力学结构的空间异质性及其与地震活动性的耦合, 基于WGM2012重力场数据、Crust1.0模型数据及ETOP01地形数据, 计算并分析了鄂西及邻区弹性岩石圈厚度(T_e)及偏应力。结果显示: 1)区内弹性岩石圈厚度呈显著空间分异(5~50 km), 扬子克拉通西缘的四川盆地及武陵倾覆等区域(T_e> 30 km)表现为高强度稳定区, 而江南造山带(T_e < 20 km)则构成弹性岩石圈薄弱带; 2)岩石圈有效厚度与地表热流值呈负相关性, 武陵倾覆为冷岩石圈块体, 其低热流值(< 50 mW/m²)对应厚T_e特征; 3)地震活动性受控于T_e与偏应力, 四川盆地西缘兼具低T_e值与高偏应力背景(10~15 MPa), 地震丛集, 而江南造山带为低T_e且偏应力普遍小于3 MPa, 地震事件较少。区域地震危险性评估需综合考虑弹性岩石圈厚度与偏应力场的耦合。

关键词

弹性岩石圈厚度 / 偏应力 / 鄂西 / 重力异常

Abstract

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To better understand the spatial heterogeneity of the lithospheric mechanical structure and its tectonic evolution in western Hubei and adjacent areas, this study calculates and analyzes the elastic lithosphere thickness (T_e) and deviatoric stress based on WGM2012 gravity field data, Crust1.0 model data, and ETOPO1 topographic data. The results indicate that: 1) The elastic lithosphere thickness exhibits significant spatial variation (5 to 50 km). The western margin of the Yangtze craton, including the Sichuan basin and Wuling overthrust (T_e>30 km), represents high-strength stable regions, whereas the Jiangnan orogenic belt (T_e < 20 km) constitutes a weak lithospheric zone; 2) The effective lithospheric thickness is negatively correlated with surface heat flow. The Wuling overthrust, as a cold lithospheric block, is characterized by low heat flow values (< 50 mW/m²) and thick T_e; 3) Seismic activity is controlled by the coupling of T_e and deviatoric stress. The western margin of the Sichuan basin exhibits low T_e values and a high deviatoric stress background (10 to 15 MPa), corresponding to earthquake clustering, whereas the Jiangnan orogenic belt, with low T_e and deviatoric stress generally below 3 MPa, experiences fewer seismic events. Regional seismic hazard assessment requires a comprehensive consideration of the coupling between elastic lithosphere thickness and deviatoric stress field.

Key words

elastic lithosphere thickness / deviatoric stress / western Hubei / gravity anomaly

引用本文

孟恒舟, 杨光亮, 秦海涛, 刘胜. 鄂西及邻区弹性岩石圈厚度及其与地震分布. 大地测量与地球动力学, 2026 , 46 (2) : 171 -177 . DOI: 10.14075/j.jgg.2025.03.087

Hengzhou MENG, Guangliang YANG, Haitao QIN, Sheng LIU. Elastic Lithosphere Thickness and Its Tectonic Significance in Western Hubei and Adjacent Areas[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2026 , 46 (2) : 171 -177 . DOI: 10.14075/j.jgg.2025.03.087

正文

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弹性岩石圈厚度(T_e)是控制岩石圈长期(>10⁵ a)构造变形过程的主要因素之一，反映岩石圈在构造应力作用下发生弹性变形的最大深度^[1]，受岩石圈的组成、结构及温度分布等因素影响^[2]。诸多学者计算了不同大陆区域T_e，并探讨了其与岩石圈演化及动力学的关系^[3]。T_e的估算方法主要包括基于变形的正演建模^[4]、基于重力和地形数据的谱分析方法^[5]及基于屈服强度包络的直接估算方法^[1-2]，其中谱分析方法计算效率较高，对重力和地形数据的适用性较强，在不同地质环境下均能稳定应用。目前，基于导纳法和相关性法的谱方法被广泛使用。

鄂西及其邻区位于中国大陆中部，地处华北块体南缘与华南块体交汇地带，构造背景复杂(图 1)^[6]。该区经历了多期次的构造运动，三叠纪时期洋-陆俯冲、弧-陆碰撞和陆-陆碰撞等过程促成了板块的拼合^[7]。晚中生代太平洋板块的西向俯冲作用在研究区东部形成了一系列拉张盆地^[8]，同时印度板块推挤欧亚板块，青藏高原物质流向东受四川盆地阻碍沿川滇及秦岭造山带方向移动，形成一系列南向的逆冲推覆构造^[9]。研究区岩石圈的非均质性源于其多期构造演化过程中形成的力学属性分异与物质组构成矿作用，这种结构异质性制约着区域应力场的空间分异与地震活动性。中国地震台网中心历史地震记录显示，1970年以来研究区共发生M_S7.0以上地震3次，M_S5.0~7.0地震64次。强震事件主要集中于西部边界断裂带，近期发生的中强震为2019年M_S6.0长宁地震，而中东部武陵倾覆及江南造山带的地震频次显著降低，形成自青藏高原东缘向扬子克拉通衰减的地震活动梯度带。

研究表明，该区域力学状态与周缘构造块体的地震分布等构造活动存在显著耦合关系^[10]。诸多学者采用重力和地形导纳或相关性分析方法，反演了华南地块的T_e，并探讨其与区域构造、地热场特征及地震活动的关系^[11-14]。然而，当前针对研究区T_e的分析仍存在一些问题：T_e与地震活动的空间相关性呈非线性特征，低T_e值区域并不必然对应高频地震活动区，需结合偏应力积累情况解析。基于此，本文使用WGM2012布格重力异常、ETPO01地形数据和Crust1.0数据，计算并分析鄂西及邻区(104°~116°E，26°~33.5°N)弹性岩石圈厚度及偏应力特征，旨在理解中国中部地区岩石圈结构及地震活动。

1 数据与方法

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本文使用的重力异常数据来自WGM2012^[15]，该模型融合卫星重力测量、地面观测和海洋重力探测等多源数据，提供了高精度标准化数据。图 2(a)展示了研究区分辨率为2′的布格重力异常数据，数值范围为－290~128 mGal，整体呈由西北向东南逐步升高的空间分布特征。地形数据则采用ETOPO1^[16]，空间分辨率为1′，可精确表征复杂的地貌形态特征(图 1)。地壳三维结构参数主要依据Crust1.0数据集^[17]，该数据集提供了全球1°×1°分辨率的地壳结构信息，包括地壳层厚度、密度和波速等，为弹性岩石圈计算提供约束，图 2(b)为区内地壳厚度数据，范围为30~57 km，由西向东厚度逐渐减薄。地震目录来自中国地震台网中心国家地震科学数据中心，选取研究区域1970—2025年4级以上地震目录。在预处理阶段将研究区边界向外扩展4°以消除边缘效应，并采用Mercator投影将数据统一转换为10 km网格精度的标准化空间坐标系。

文本利用导纳-相关性谱分析联合反演鄂西及邻区T_e。谱分析需计算地形和重力异常数据的自功率谱和互功率谱，采用Fan小波谱法不需要加窗，其在不损失时间或频率分辨率的情况下仍可精确提取频率信息，取中心波数|k₀|=5.336满足小波的零均值要求。弹性薄板挠曲刚度D和T_e的关系式为：

(1)

$D=\frac{E T_e^3}{12\left(1-\nu^2\right)}$

式中，E为杨氏模量；ν为泊松比，取值见表 1。

载荷比(F)定义为施加于弹性板挠曲变形的贡献程度，代表了地表载荷和地下载荷的比例。当F为0或1时，表明弹性岩石圈弯曲加载全部来源于地表或弹性板下。分别利用导纳法^[18]和相关性法^[19]计算T_e和F，应用卡方简化准则评估理论预测值与观测值的拟合优度，最终采用非线性最优化算法求解最优的T_e和F^[13]。

(2)

$\begin{gathered}\chi^2\left(F, T_e\right)= \\\frac{1}{(2 N-2)} \sum\limits_{j=1}^2 \sum\limits_{i=1}^N\left(\frac{d_{i j}-S_{i j}\left(F, T_e\right)}{\varepsilon_{i j}}\right)^2\end{gathered}$

式中，N为样本规模；d_ij为观测数据集，其中j=1为导纳，j=2为相关性；ε_ij为方差；S_ij为对应理论预测值。

利用重力异常数据计算偏应力，在薄板模型下对重力异常g_z进行位场转换，得到水平方向的偏应力：

(3)

$\begin{aligned}& g_x=-\frac{1}{2 \pi} \int_{-\infty}^{+\infty} \int_{-\infty}^{+\infty} \\& \frac{(x-\zeta) g_z}{\left[(x-\zeta)^2+(y-\eta)^2+H^2\right]^{3 / 2}} \mathrm{~d} \zeta \mathrm{~d} \eta \\& g_y=-\frac{1}{2 \pi} \int_{-\infty}^{+\infty} \int_{-\infty}^{+\infty} \\& \frac{(y-\eta) g_z}{\left[(x-\zeta)^2+(y-\eta)^2+H^2\right]^{3 / 2}} \mathrm{~d} \zeta \mathrm{~d} \eta\end{aligned}$

式中，(x, y)为计算点坐标；(ζ, η)为整个区域的流动坐标；H为空间延拓高度。偏应力和重力异常的关系式为^[20]：

(4)

$\sigma_{x x}=\frac{g}{4 \pi f} \frac{\rho_{x, y}}{\rho_{\mathrm{m}}} \sqrt{g_x^2+g_y^2}$

式中，g为重力加速度；ρ_m地幔密度，参数取值见表 1；ρ_{x, y}为经过艾瑞均衡补偿得到改正后的密度值，补偿深度为30 km^[21]。

2 计算结果与分析

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由图 3(a)可知，区内弹性岩石圈厚度(T_e)在5~45 km范围内，中间厚，两侧薄，表现出明显的横向不均匀性，Lu等^[13]计算的T_e值为5~40 km，与本文结果形态相似。扬子块体的T_e较厚，其内四川盆地处T_e为25~30 km，向东沿武陵倾覆及秦岭造山带周边增厚(30~50 km)。整体上岩石圈刚性较强，地壳结构较稳定，F小于0.5(图 3(b))，该处岩石圈挠曲变形以地表载荷为主导。

研究区两侧的江南造山带和四川盆地西缘T_e较低，整体小于20 km。岩石圈温度和流变结构结果^[22]显示，四川盆地西缘下地壳和岩石圈地幔以延性变形为特征，表现为典型的韧性地壳流和脆性地壳，岩石圈强度主要集中在中上地壳，电导率成像^[23-24]和地震波衰减成像^[25]揭示该区域中下部地壳内普遍存在高电导率和高衰减区。研究表明，中晚三叠世受甘孜块体^[26]的构造挤压与扬子地块西向俯冲效应及其后陆内构造运动的强烈改造，使该区域成为典型的岩石圈弱化区。先期构造事件形成的岩石圈弱化区在后续演化中更易发展为构造薄弱带^[27]，该演化特征和地球物理量研究共同解释了四川盆地西缘T_e值显著偏低的现象。此外，江南造山带的T_e值相对较小，F值普遍大于0.5，地下载荷主导岩石圈力学强度，这一特征表明该区域深部壳幔系统较活跃。Huang等^[28]的层析成像研究结果为此提供了佐证，揭示了地幔过渡带下方存在与古太平洋板块俯冲相关的滞留体高速异常，推测该深部过程引发的热-机械侵蚀效应是导致岩石圈强度弱化的重要诱因。

从图 4误差分布特征来看，研究区主体部位的T_e误差(0~1 km)和F误差(0~0.03)均处于较低水平，仅边界过渡带出现局部高值(T_e≤3 km，F≤0.15)，表明本文构建的力学模型能有效约束岩石圈强度参数的空间变化及其主导的荷载机制。

3 讨论

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3.1 T_e与地表热流分布关系

地表热流场数据整合了IHFC全球热流数据库与中国陆域热流数据集^[29]，通过克里金插值法对591个热流观测点(研究区及外围4°)进行空间展布。研究区内热流值范围在30~100 mW/m²(图 5)，热流数据与岩石圈力学强度呈现一定关联性：研究区中部武陵倾覆为低热流区(＜65 mW/m²), 对应高T_e值(>40 km)；而两侧的低T_e区，如江南造山带，则对应高热流值。高热流背景通常与岩石圈减薄及构造活化相关，这种热-力耦合特征为T_e值的空间分异提供了热力学约束机制。区内大部分区域符合岩石圈厚度与地表热流的常规模式，仅在四川盆地出现异常区，其高T_e值(>35 km)与高热流(>75 mW/m²)共存的现象可能反映了中上地壳热物质运移引发的浅部热扰动，而深部岩石圈强度较大。

3.2 T_e与地震分布关系

弹性岩石圈厚度作为表征岩石圈综合抗变形能力的关键参数，其空间分布与地震活动存在显著关联性^[30]。鄂西及邻区作为中国西部强震区与东部弱震区间的过渡带，其地震活动强度自龙门山断裂带向东至江南造山带逐渐衰减(图 6)。四川盆地西缘(T_e < 25 km)表现为低T_e值区，高地震活动性特征；而江南造山带虽同为低T_e值区，其地震频次显著偏低，需综合重力反演偏应力场特征解析二者差异机制。

由图 7研究区偏应力结果可知，区内偏应力量值为0~15 MPa。应力高值区(>10 MPa)主要环绕四川盆地周缘分布，在武陵倾覆、四川盆地与秦岭造山带前缘形成明显应力高值集中。相比之下，江南造山带及四川盆地核部表现为低应力特征，与前人研究结论^[31]吻合。主要构造分析表明：四川盆地西缘较薄的弹性层(图 6)，其对青藏高原东向挤压应力的抵御能力较差，叠加中上地壳脆性层与下地壳流变层的力学解耦作用，促使应力在中上地层内快速积累并通过断裂活动释放，表现为高应力背景(10~15 MPa)和强震丛集区。四川盆地内部因刚性基底的高强度特性高T_e，阻碍了青藏高原东向挤应力的传递。数值模拟结果^[32]显示，此类刚性块体会使水平构造应力发生侧向扩散，导致盆地内部偏应力普遍低于3 MPa，对应较低的地震活动水平。而盆地周源的应力值较高，叠加秦岭造山带的挤压，武陵倾覆区域T_e值虽较高，在宜昌附近沿偏应力高值区地震局部集中。

此外，在江南造山带等东部低T_e值区, 地震活动强度弱于西部同T_e值区域，这一现象可能与其现今虽仍受太平洋板块俯冲等构造运动影响，但区域地壳分层较薄，且密度差异显著，形成破碎介质结构^[33-34]，阻碍了区域应力的有效聚集相关，使其偏应力普遍小于3 MPa，整体地震活动性较弱。综上可知，T_e通过体现地块基底强度控制应力传递及应力的抵御能力影响地震分布，而偏应力状态可显著改变T_e与地震活动的简单对应关系，体现为偏应力主导，与地块强度特性共同对地震分布产生影响的机制。

4 结语

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通过对鄂西及邻区弹性岩石圈厚度(T_e)和偏应力特征及其与地震和热流的相关性分析认为，T_e在空间上表现出显著差异，中部厚，两侧较薄。整体上扬子块体具有较厚的T_e，地块较为稳定。江南造山带处T_e较低，扬子块体和江南造山带边界出现明显的T_e转换带，且F均大于0.5，区域地下壳幔活动性较强。

热流反映了地壳浅部的热状态，研究区内武陵倾覆的热流值较低(＜50 mW/m²)，对应厚T_e特征，与岩石圈厚度和地表热流的负相关规律具有一致性。在四川盆地处T_e值较高，仍表现出高热流值，可能是由于热物质上升和流动，浅部地壳被破坏，产生高地表热流值，深部地壳仍表现为克拉通属性。

地震活动性受T_e与偏应力场协同控制。低T_e值区域能否发展为强震区，不仅取决于区域T_e值大小，还依赖于偏应力场的有效集中能力及地壳力学分层的稳定性。武陵倾覆兼具高T_e值与高偏应力背景，促使地震沿高偏应力区集中。四川盆地西缘低T_e值与高偏应力并存，较高的应力集中对应低岩石圈强度导致地震频发；而在低T_e值与低偏应力区域(如江南造山带)应力难以达到地震破裂强度，为陆内低T_e值却为弱震区提供了新的解释。未来可进一步优化T_e反演方法，结合深部电性结构、流变学参数等多源数据，提升岩石圈强度空间分辨率的计算精度，以深化复杂构造区地震孕育机制的认识。

基金

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湖北省自然科学基金(2022CFB350)
国家自然科学基金(42174104)
科技部科技基础资源调查专项(2023FY10150502)

参考文献

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文献

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2026年第46卷第2期

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文章信息

doi: 10.14075/j.jgg.2025.03.087

接收时间：2025-03-19
首发时间：2026-10-29
出版时间：2026-02-15

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作者

出版历史

收稿日期：2025-03-19

基金

湖北省自然科学基金(2022CFB350)

国家自然科学基金(42174104)

科技部科技基础资源调查专项(2023FY10150502)

作者信息

1 中国地震局地震研究所, 武汉, 430071

2 中国地震局地震大地测量重点实验室, 武汉, 430071

3 湖北省地震局, 武汉, 430071

通讯作者:

杨光亮, 博士, 研究员, 主要从事重力探测、时变重力及地球动力学方面研究, E-mail: vfory@aliyun.com

参考文献

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/ddcl/CN/10.14075/j.jgg.2025.03.087

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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