鲜水河断裂运动的位错模型研究

姚晓伟，胡永杰，彭 勇

（1.新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

鲜水河断裂运动的位错模型研究

姚晓伟1，胡永杰1，彭 勇1

（1.新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

首先基于位错理论模型模拟了单一断层以3种不同方式及同种方式不同倾角滑动引起的地表形变，然后利用位错模型模拟了鲜水河断裂带的断层运动及其引起的地表水平形变，并与该区域2001～2004年实测的GPS观测数据进行比较，得出如下结论：①单断层位错模拟结果表明，矩形断层滑动方式对形变的大小和方向有影响，对地表形变场的分布特征几乎没有影响，且断层倾角大小影响地表形变的变形机制（水平和垂直形变的方向）。②鲜水河断裂带区域地壳运动的位错模拟结果与GPS数据具有较好的一致性。

鲜水河断裂带；断层滑动；位错理论

自1958年STEKETEE[1]将位错理论引入地学研究以来，描述断层运动和地表位场关系的位错理论得到了长足的发展。鲜水河断裂带是川滇地区巴颜喀拉块体和羌塘块体的分界线，晚第四纪剪切变形显著，历史上多有强震发生，且每次强震都给人们造成巨大的损失[2]。正是由于地震的危害性以及鲜水河断裂带地震活动特征，所以我们有必要对鲜水河断裂带进行更全面、更深入的研究，本文将基于位错模型对鲜水河断裂带断层全段的内部滑动引起的内部形变进行正演模拟研究，以期对其构造活动进行更好的解释。

1 断层滑动与地表形变关系

地质构造运动是一种长期的变形及运动，在很长的时间尺度上主要表现为粘性、塑性。但在较短时间尺度的荷载作用下，如同震破裂等，可将地壳近似看成弹性体。

1958年STEKETEE首次将位错理论用来描述断层运动，导出了泊松体内点源位错产生的地表位移场。在各向同性介质中，穿过断层面dΣ的位错Δuj(ξ1,ξ2,ξ3)产生的地表点（x1，x2，x3）的位移场ui可表示为[1]：

2 基于位错理论模型的单一断层模拟

本节对断层滑动引起的地表形变空间分布特征进行了模拟，为不失一般性，本文仅对单一断层进行模拟。断层面长度为100 km，宽50 km，埋深50 km，断层走向90°；弹性介质拉梅常数λ=0.24，μ=0.25。对断层走滑U1=0．1 m，倾滑U2=0．1 m，张开U3=0．1 m的滑动方式以及倾角不同模拟结果的影响分别进行讨论，以深入的理解和认识不同滑动方式对地表形变结果的差异。见图1～3。

由图1～3可知，断层走滑时，近场的形变要大于远场的形变，地表水平形变随着地面点距断层面距离的增大，形变的方向与走滑方向的夹角越大，图的上半部分水平形变呈顺时针方向趋势，下半部分呈逆时针方向趋势；地表的垂直形变则呈左右趋势对称且集中在断层的两端，随倾角变大，垂直形变的区域变小。断层倾滑时，近场的形变要大于远场的形变，地表水平形变随着地面点距断层面的距离的增大，形变的方向与倾滑方向的夹角越大，图的右半部分水平形变呈顺时针方向趋势，左半部分呈逆时针方向趋势；地表的垂直形变则呈上下对称的趋势且集中在断层的两端，随倾角变大，垂直形变的区域稍微变小，除了断层面及其左右附近，垂直形变方向则关于倾滑的垂直方向有对称相反的趋势。断层张开时，近场的形变要大于远场的形变，地表水平形变随着地面点距断层面的距离增大，形变方向与张开方向的夹角越大，图的左半部分水平形变呈顺时针方向趋势，右半部分呈逆时针方向趋势；倾角为30°时地表的垂直形变据断层面越远就越小，随倾角变大，断层面及图的下半部分垂直形变为正值，图的上半部分断层面附近则会出现少量的负值，垂直形变方向则关于张开的方向有左右对称的趋势。

图1 走滑U1=0.1 m位移结果

图2 位移U2=0.1 m位移结果

图3 张开U3=0.1 m位移结果

综上所述，地表形变的量值或幅度与断层位错方式以及倾角紧密相关，相同的位错量，位错方式不同形变量的大小和方向不同；相同的形变量和形变方式，倾角的不同，则形变量的大小与方向也不相同，且倾角的变化对形变的大小以及方向有较大的影响；但是无论以何种方式滑动以及倾角的变化，断层近场区域的水平形变和垂直形变要大于远场的水平形变值，这与同震过程中断层破裂的近场剧烈性有关。

3 基于位错模型的鲜水河断裂带水平形变正演模拟

鲜水河断裂带属于鲜水河-小江断裂带的北段，南与安宁河断裂带在康定一带相接，北与甘孜-玉树断裂斜列，终止于东谷、甘孜一带。在本断裂带上特定的地段有炉霍段、道孚段和乾宁段[5]。在旦都附近，断裂东北侧发育一组北北西向的分支断裂，与主干断裂成锐角相交，为挤压剪切性质。另外，据区域观测资料，在断裂南段折多山，印支-燕山期花岗岩被左旋错开15 km，可见断裂在中生代以后的活动性质已是左旋为主。

由于GPS获取的垂直速度场误差较大, 模拟中仅使用 GPS 水平速度场（中国地壳运动观测网络2001～2004年GPS数据）。由于鲜水河断裂带断层倾角资料相对较少, 可靠性不高，且断层形态复杂，仅由断层倾角变化不能准确的描述；在模型中考虑断层倾角的影响可能对模型本身的改善并不明显，反而会带来更多不确定性[6]， 因此，本文参考文献[6]的研究成果，断层宽度、深度和倾角都取了近似且相同的值，模型中约定所有断层的倾角都是90°。闻学泽等[7-9]已做了鲜水河的断层分段研究，断层分段依据参考文献[9]的结果。

本文基于位错理论模型，根据本地区的断层数据对鲜水河断裂带2001～2004年间主要断层滑动引起的地表水平形变进行了正演模拟，并与鲜水河断裂带区域经过处理的2001～2004年的GPS数据进行了对比，对比结果如图4所示，滑动参数如表1所示。

图4 鲜水河断裂带及其附近区域的模拟形变与内部形变

由表1及图4可知，在印度板块与欧亚板块持续的碰撞挤压以及青藏高原物质重力滑塌的作用下，川滇菱形块体的东向运动受到了东北边界鲜水河断裂带的阻挡，在构造应力的作用下，鲜水河断裂带表现出一定的滑动性质。整体上讲，鲜水河断裂带以左旋的走滑运动为主，这与许多学者的结论一致。其最大滑动量可达1．80 cm/a，鲜水河断裂带中段呈现出一定的挤压特征，最大滑动量可达0．6 cm/a，而其东段和西段具有一定的转换构造样式，与文献[6]研究结果基本一致。这可能与鲜水河断裂带东西两段复杂的构造样式以及该区域广为分布的深大活动断裂带密切相关，且西甘孜-玉树断裂东段与其西段交汇，安宁河断裂、龙门山断裂和鲜水河断裂在其东段斜交。

表1 鲜水河断裂带各子断层滑动参数

4 结 语

本文首先基于位错理论模型模拟了单一断层滑动引起的地表形变，然后基于位错模型模拟了鲜水河断裂带断层运动所引起的地表水平形变，并与GPS资料进行比较，得出如下结论：①单断层位错模拟结果表明，矩形断层滑动方式对形变的大小和方向有影响，对地表形变场的分布特征几乎没有影响，且断层倾角大小影响地表形变的变形机制（水平和垂直形变的方向）；②鲜水河断裂带区域地壳运动的位错模拟结果与GPS数据具有较好的一致性。

[1] STEKETEE J A． On Volterra's Dislocations in a Semi-Infinite Elastic Medium[J]．Canadian Journal of Physics,2011,36(2)：192-205

[2] 熊探宇,姚鑫,张永双． 鲜水河断裂带全新世活动性研究进展综述[J]．地质力学学报,2010,16(2)：176-188

[3] PRESS F． Displacements, Strains, and Tilts at Teleseismic Distances[J]．Journal of Geophysical Research,1965,70(10)：2 395-2 412

[4] OKADA Y． Surface Deformation Due to Shear and Tensile Faults in a Half-space[J]． Bulletin of the Seismological Society of America,1992,92(2)：1 018-1 040

[5] 李玶．鲜水河-小江断裂带[M]．北京：地震出版社,1993

[6] 王阎昭, 王恩宁, 沈正康,等． 基于GPS资料约束反演川滇地区主要断裂现今活动速率[J]．中国科学D辑：地球科学, 2008,(5)：582-597

[7] 闻学泽． 四川西部鲜水河-安宁河-则木河断裂带的地震破裂分段特征[J]．地震地质,2000,22(3)：239-249

[8] 程佳, 刘杰, 甘卫军,等．川滇菱形块体东边界各断层段强震演化特征研究[J]．中国科学：地球科学, 2011,41(9)：1 311-1 326

[9] 姚晓伟．鲜水河断裂运动引起地表形变的向：位错组合模型研究[D]．西安：长安大学,2015

P227

B文章编号：1672-4623（2017）06-0061-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.06.018

姚晓伟，硕士，研究方向为地壳形变与地球动力学、测量数据处理。

2016-01-19。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（41374028）。