大陆构造形变场模型研究及其在青藏高原东缘的应用

王阎昭

(中国地震局地质研究所,北京 100029)

大陆构造形变场模型研究及其在青藏高原东缘的应用

王阎昭

(中国地震局地质研究所,北京 100029)

大陆内部形变及其动力学机制是地学领域的重要研究方向和热点问题,多年来存在很多争论。大陆构造形变场模型研究对于大陆内部形变及其动力学机制的认识具有重要作用。随着对大陆形变机制认识的不断深化和观测数据的增加,大陆构造形变场模型研究得到了长足的进展;与此同时,大地测量技术特别是GPS技术的快速发展,不仅为大陆形变场模型研究提供了难得的机遇,也提出了更高的要求,暴露出了很多问题,主要表现在以下3个方面:首先,随着观测技术的迅速发展和观测数据的急剧增加,人们对地壳结构和地壳形变的认识越来越精细,地壳的分维结构特征也开始显现出来,如何在有限的数据约束下在模型中体现出地壳结构的分维特征?其次,随着模型的改进,更多参量被引入模型当中,但实际观测数据有限,如何在模型参量和数据量之间寻求平衡,在有限的数据约束下更好地模拟地壳形变?再次,许多模型在建立过程中虽然参考了地质、地球物理等方面的资料,但仍然带有一定的主观性,缺乏客观的判断标准,如何让整个研究过程更客观合理?

针对上述问题,开展了有关大陆构造形变场模型的研究工作,并将两种模型分别应用于青藏高原东北缘和东南缘,获得对大陆地壳形变模式及其动力学机制的认识。

1 形变场模型研究

分别从两种最基本的构造形变场模型刚性块体运动模型和断裂位错模型出发,发展可形变块体模型和连接断层元模型。

1.1 可形变块体模型

可形变块体模型的基本假设是:①活动块体在发生相对运动的同时,内部还可能发生形变,圉于有限的数据,模型中假设若块体发生形变则为均匀形变;②假设断裂带由上部脆性层和下部蠕滑层组成,上部脆性层在间震期处于锁定状态,下部蠕滑层的错动量则由块体间相对运动引起块体内部形变决定。

模型的具体内容分为块体划分、参量反演和应变能计算3部分。

块体划分的方法是:依据GPS速度场和活动断裂以及其他地质地球物理资料,对研究区的活动块体做初步划分。用F检验的方法检验块体内部台站运动的奇异性,剔除奇异点或对块体边界的位置进行调整。用刚性块体模型反演块体运动的欧拉极,同时得到模型拟合后残差。用F检验的方法检验相邻块体的独立性,对独立性低于设定阈值的块体进行合并;重复这一过程,直至所有相邻块体的独立性均高于设定阈值。

参量反演的方法是:以块体边界一定范围外的台站速率为约束,反演块体的运动变形参量;利用反演结果计算块体边界上的错动速率,用弹性位错模型估算块体边界锁定对速度场的影响,并对所有台站速率做改正;用改正后的速度场反演块体运动变形参量;重复上述过程,直至模型拟合后的残差达到最小值。在保持其他块体运动参量个数不变的情况下,将块体的参量个数逐个由3个增加到6个,即允许块体内部发生均匀形变,用F检验的方法比较某一块体运动参量增加前后模型拟合后残差,若均匀形变显著性超过设定阈值,则在后面的反演过程中始终保持该块体参量个数为6个;重复以上过程,直至所有块体参量都不再增加。

应变能的计算方法是:发展块体内部应变率矩阵分解模型,将可形变块体模型反演得到的块体内部应变率矩阵进行分解,得到分别对应于两个断裂面走向平行的位错源的应变率矩阵,用于计算块体内部“等效地震矩积累率”;用可形变块体模型反演得到的块体边界上的错动速率计算块体边界上的“等效地震矩积累率”;用地震目录的震级资料计算块体边界带和块体内部地震释放的能量。

1.2 连接断层元模型

连接断层元模型的基本假设是:①假设所有断层的倾角均为90°,断裂带由上部脆性层和下部蠕滑层组成,上部脆性层在间震期处于锁定状态;②被断裂围限区域的地壳运动具有一定整体性,同时断裂交接部位可能发生局部形变。

连接断层元模型的基本原理是:通过弹性位错模型建立GPS速度场与断裂错动速率之间的定量关系;通过误差方程的形式对断层的错动量施加约束,对断层错动的走滑分量施加连续性约束条件,对断层错动的挤压/拉张分量施加限制性条件;运用最小二乘法通过GPS速度场反演断裂错动速率。其中对断层走滑速率施加的两种极端约束条件分别对应两种极端模型:当施加严格约束条件时,对应于块体模型;当不施加任何约束条件时则对应于断裂模型。通过施加适当的约束条件,使得模型在保证一定块体整体运动协调性的同时,允许相邻断裂段接合处发生局部形变,从而能够更合理地模拟地表形变场。对挤压/拉张分量施加的限制性条件主要是为了防止由于数据约束不足造成的断裂挤压/拉张速率被过高估计。

具体的做法是:依据已有活动断裂和相关地质地球物理研究成果,初步建立断层模型,并用连接断层元方法反演断层的滑动速率,拟合GPS速度场;通过模型拟合结果和实际观测数据的比较,调整断层模型和约束条件;重复上述过程,在参量解析度与拟合后残差的折中关系中寻得最佳值,最终得到有限参量与实际观测数据相吻合的最佳模型。

2 形变场模型在青藏高原东缘的应用

青藏高原及其周边地区是目前大陆内部变形最强烈、地震活动性最强的地区。其构造演化机制一直是大陆动力学研究的热点和前沿。青藏高原东缘地区是高原隆升发展的前沿,是正在形成中的高原,是研究大陆内部变形和高原隆升机制的理想地点。这里地震活动频繁,是中国大陆内部最强烈的地震带,控制着一系列历史强震的发生,是研究地震孕育发生机制的天然试验场。对这一地区的地壳应变分配方式和断裂活动性的定量研究将为地震危险性评估提供数据支持,进而为地震预报服务,具有十分重要的理论价值和现实意义。这里又是中国大陆内部GPS台站分布密度最高的地区之一,能够为模型提供较好的约束,也便于对研究区内相对精细的结构开展研究。前人已经在这一地区开展了大量的研究工作,不仅能够为模型的建立提供更丰富的信息,而且也便于对结果的比较和解释。

依据青藏高原东北缘GPS速度场和前人在这一地区的研究成果,将研究区划分为16个活动块体并分析其运动特征。以青藏高原东北缘地区(90°～110°E,28°～42°N)GPS速度场为约束,采用可形变块体模型,同时考虑边界锁定效应,反演块体运动变形参量的同时对块体边界上的错动速率做出估计。采用F检验的方法剔除奇异点、检验模型中相邻块体的独立性、块体内部均匀形变的显著性以及块体边界的活动性。F检验的结果显示10个块体内部形变的显著性超过95%。阿拉善、鄂尔多斯和民勤块体平动和转动速率都很小,内部形变不显著或应变率值较低,是研究区内相对稳定的块体,对印藏碰撞造成的北东向推挤起阻挡作用。祁连山和海原块体所形成的条带状区域发生强烈挤压变形,对其南侧块体的北东向运动起到缓冲作用。被海原、东昆仑和龙门山断裂所围限的区域内块体在整体向北东方向运动的同时,由北西向南东块体平动方向发生顺时针偏转,同时块体绕自身几何中心做顺时针旋转,块体内应变率值由西向东逐渐减弱。青藏高原东北缘地区的断裂按其走向和性质主要分为3组:北西西向断裂和甘孜—玉树—鲜水河断裂主要为左旋挤压性质,具有较高的滑动速率,对该地区的地壳运动起控制作用;北北西-近南北向断裂和北东向断裂主要为右旋走滑性质,滑动速率相对北西西向断裂较弱,对该地区地壳活动起调节作用。北东-北北东走向的断裂则既有左旋性质也有右旋性质。用可形变块体模型反演得到北西西向祁连山北缘、党河南山、香山—天景山、海原、青海南山、西秦岭北缘和东昆仑断裂以及甘孜—玉树—鲜水河断裂的左旋走滑速率分别为2.3±0.3、2.3±0.7、3.3±0.5、5.9±0.4、0.9±0.6、1.4±0.3、1.5～13.4和12.2～13.5mm/a;北北西-近南北向鄂拉山、庄浪河和岷江断裂的右旋走滑速率分别为2.7±0.9、0.2±0.4和2.9±0.8mm/a;北东-北北东向阿尔金和狼山山前断裂的左旋走滑速率为2.9±0.4和1.4～2.3mm/a;银川、龙门山和龙日坝断裂的右旋走滑速率分别为3.3±0.3、0.6～1.6和6.1±0.9mm/a。与此同时,采用剖面投影方法计算了主要断裂的错动速率,并用F检验的方法检验了各条断裂的活动性,所得结果与用可形变块体模型所得结果基本一致。另外,研究区的两条速度阶跃带金昌—民乐和玛曲—洛须速度阶跃带的活动性分别达到100%和98.8%,由可形变块体模型反演得到前者的左旋走滑速率为4.3±0.3 mm/a,后者的右旋走滑速率为3.2±1.1mm/a。利用可形变块体模型的反演结果估算块体内部和边界“等效地震矩积累率”的比值约为0.31,利用地震目录估算块体内部和边界地震能量释放的比值约为0.36,二者相当吻合。

以GPS数据给出的川滇地区(96°～108°E,21°～35°N)速度场为约束,依据研究区已知断裂分布情况建立断层模型,用最小二乘法反演了该地区主要活动断层的现今错动速率。结果显示,印藏碰撞引起的北北东向推挤和高原隆升引起的重力势能作用造成青藏高原物质东向挤出。遇到来自稳定华南块体的阻挡后,高原东南部物质相对稳定欧亚板块转向南东方向继而向南运动,使得川滇地区围绕喜马拉雅东构造结作顺时针转动,造成川滇地块东侧断裂作左旋走滑活动,而其西侧断裂以右旋走滑活动为主。其中甘孜—玉树、鲜水河、安宁河、则木河、大凉山、小江断裂及其向南西方向延伸的部分和打洛—景洪、湄沾断裂构成青藏高原东南部东向挤出的东北边界和东边界,左旋速率分别为0.3～14.7、8.9～17.1、5.1±2.5、2.8±2.3、7.1±2.1、9.4±1.2、10.1±2.0、7.3±2.6和4.9±3.0mm/a。青藏高原东南部东向挤出的西南边界似乎不是由单一断裂带构成,而是在较宽范围内形成的一条右旋剪切带。位于红河断裂北东侧的南华—楚雄—建水断裂和西南侧的无量山、龙陵—澜沧断裂活动性较强,分别具有速率为4.2±1.3、4.3±1.1和8.5±1.7mm/a的右旋走滑活动。但金沙江断裂目前基本不活动,红河断裂的活动性不强。龙门山一带在汶川地震发生前地壳活动较弱,龙门山断裂宝兴—北川段和北川—青川段缩短速率分别为1.4±1.0和1.6±1.3mm/a,而龙门山断裂西北方向的龙日坝断裂有5.1±1.2mm/a的右旋走滑分量。川滇菱形块体内部的一些断裂表现出较强的活动性,其中理塘断裂左旋走滑速率为4.4±1.3mm/a,拉张速率2.7±1.1mm/a;玉农希断裂及其周边地区右旋剪切形变速率为2.7±2.3mm/a,地壳缩短速率6.7±2.3mm/a。丽江—小金河断裂中段活动性强于北段和南段,达到左旋走滑5.4±1.2 mm/a,拉张0.5±1.0mm/a。与此同时,讨论了不同断裂锁定深度对结果的影响,并得到鲜水河断裂的锁定深度为15 km,70%置信区间为11～19 km。

3 对大陆形变模式及其动力学机制的认识

连接断层元模型在青藏高原东南缘地区的研究结果显示,该地区存在多条错动速率非常有限的活动断裂,将地壳分割成多个相互运动的地块。可形变块体模型在青藏高原东北缘地区的研究结果显示,该地区地壳形变方式表现为一系列百公里尺度的小型块体的相对运动,块体内部和边界应变能的积累速率之比约为0.31:1,块体内部和边界上地震释放能量之比约为0.36:1。整个青藏高原东缘地区的地壳应变能积累主要集中在断裂带上,但活动块体内部的应变能也不容忽视。结合青藏高原东缘的深部结构和各向异性研究结果,认为青藏高原及其周边地区的地壳厚度自高原内部向外逐渐减薄,青藏高原东缘地区下地壳和(或)上地幔出现不连续的软弱带,上下地壳或地壳与地幔之间发生部分解耦,造成该地区地壳强度有所降低。在印藏碰撞造成的推挤作用下,以甘孜—玉树—鲜水河断裂为界,青藏高原东北缘地区的地壳物质同时受到北东向推挤作用和阿拉善、鄂尔多斯块体的阻挡,地壳或岩石圈被北西西和北北西向的两组断裂切割成若干小型块体,通过块体之间的相对运动和块体内部的变形实现地壳整体的顺时针旋转,地壳物质向南东方向的运移造成龙门山地区的应力积累,同时推挤着四川盆地一起向南东方向运动。甘孜—玉树—鲜水河断裂以南地区的地壳物质则在青藏高原内部物质东向挤出和重力势能的作用下向阻挡作用很弱的南部地区运动,造成东侧鲜水河—小江断裂带的左旋走滑活动和西侧宽阔的右旋剪切形变带。青藏高原东缘地区的构造形变场既不表现为“大陆逃逸”模式,也不表现为“连续形变”模式,而是介于两者之间。大陆构造形变场主要取决于岩石圈的流变学结构和岩石圈所受构造作用,当中下地壳或上地幔不存在软弱层,地壳和地幔的变形是耦合的,岩石圈具有较高的强度,在同等的构造应力作用下岩石圈不易发生破裂和变形,仅存在数量很少的切割整个岩石圈的断裂,因而能够被“大陆逃逸”假说较好的解释。当中下地壳或上地幔出现大范围连续软弱层,上下地壳或地壳与地幔发生解耦,地壳强度较低,在同等构造应力的作用下容易发生破裂和变形,断裂大多切割至软弱层所在的深度,能够被“连续形变”假说较好的解释。当中下地壳或上地幔存在不连续软弱层,上下地壳或地壳与地幔发生部分解耦,地壳形变模式则介于两者之间。

可形变块体模型;连接断层元;GPS速度场;应变能;形变模式;错动速率

P54,P22;

A; do i:10.3969/j.issn.0235-4975.2010.03.007

(作者电子信箱,王阎昭:wangyz0513@gm ail.com)