大陸構造形變場模型研究及其在青藏高原東緣的應用

王閻昭

(中國地震局地質研究所,北京 100029)

大陸構造形變場模型研究及其在青藏高原東緣的應用

王閻昭

(中國地震局地質研究所,北京 100029)

大陸內部形變及其動力學機制是地學領域的重要研究方向和熱點問題,多年來存在很多爭論。大陸構造形變場模型研究對于大陸內部形變及其動力學機制的認識具有重要作用。隨著對大陸形變機制認識的不斷深化和觀測數據的增加,大陸構造形變場模型研究得到了長足的進展;與此同時,大地測量技術特別是GPS技術的快速發展,不僅為大陸形變場模型研究提供了難得的機遇,也提出了更高的要求,暴露出了很多問題,主要表現在以下3個方面:首先,隨著觀測技術的迅速發展和觀測數據的急劇增加,人們對地殼結構和地殼形變的認識越來越精細,地殼的分維結構特征也開始顯現出來,如何在有限的數據約束下在模型中體現出地殼結構的分維特征?其次,隨著模型的改進,更多參量被引入模型當中,但實際觀測數據有限,如何在模型參量和數據量之間尋求平衡,在有限的數據約束下更好地模擬地殼形變?再次,許多模型在建立過程中雖然參考了地質、地球物理等方面的資料,但仍然帶有一定的主觀性,缺乏客觀的判斷標準,如何讓整個研究過程更客觀合理?

針對上述問題,開展了有關大陸構造形變場模型的研究工作,并將兩種模型分別應用于青藏高原東北緣和東南緣,獲得對大陸地殼形變模式及其動力學機制的認識。

1 形變場模型研究

分別從兩種最基本的構造形變場模型剛性塊體運動模型和斷裂位錯模型出發,發展可形變塊體模型和連接斷層元模型。

1.1 可形變塊體模型

可形變塊體模型的基本假設是:①活動塊體在發生相對運動的同時,內部還可能發生形變,圉于有限的數據,模型中假設若塊體發生形變則為均勻形變;②假設斷裂帶由上部脆性層和下部蠕滑層組成,上部脆性層在間震期處于鎖定狀態,下部蠕滑層的錯動量則由塊體間相對運動引起塊體內部形變決定。

模型的具體內容分為塊體劃分、參量反演和應變能計算3部分。

塊體劃分的方法是:依據GPS速度場和活動斷裂以及其他地質地球物理資料,對研究區的活動塊體做初步劃分。用F檢驗的方法檢驗塊體內部臺站運動的奇異性,剔除奇異點或對塊體邊界的位置進行調整。用剛性塊體模型反演塊體運動的歐拉極,同時得到模型擬合后殘差。用F檢驗的方法檢驗相鄰塊體的獨立性,對獨立性低于設定閾值的塊體進行合并;重復這一過程,直至所有相鄰塊體的獨立性均高于設定閾值。

參量反演的方法是:以塊體邊界一定范圍外的臺站速率為約束,反演塊體的運動變形參量;利用反演結果計算塊體邊界上的錯動速率,用彈性位錯模型估算塊體邊界鎖定對速度場的影響,并對所有臺站速率做改正;用改正后的速度場反演塊體運動變形參量;重復上述過程,直至模型擬合后的殘差達到最小值。在保持其他塊體運動參量個數不變的情況下,將塊體的參量個數逐個由3個增加到6個,即允許塊體內部發生均勻形變,用F檢驗的方法比較某一塊體運動參量增加前后模型擬合后殘差,若均勻形變顯著性超過設定閾值,則在后面的反演過程中始終保持該塊體參量個數為6個;重復以上過程,直至所有塊體參量都不再增加。

應變能的計算方法是:發展塊體內部應變率矩陣分解模型,將可形變塊體模型反演得到的塊體內部應變率矩陣進行分解,得到分別對應于兩個斷裂面走向平行的位錯源的應變率矩陣,用于計算塊體內部“等效地震矩積累率”;用可形變塊體模型反演得到的塊體邊界上的錯動速率計算塊體邊界上的“等效地震矩積累率”;用地震目錄的震級資料計算塊體邊界帶和塊體內部地震釋放的能量。

1.2 連接斷層元模型

連接斷層元模型的基本假設是:①假設所有斷層的傾角均為90°,斷裂帶由上部脆性層和下部蠕滑層組成,上部脆性層在間震期處于鎖定狀態;②被斷裂圍限區域的地殼運動具有一定整體性,同時斷裂交接部位可能發生局部形變。

連接斷層元模型的基本原理是:通過彈性位錯模型建立GPS速度場與斷裂錯動速率之間的定量關系;通過誤差方程的形式對斷層的錯動量施加約束,對斷層錯動的走滑分量施加連續性約束條件,對斷層錯動的擠壓/拉張分量施加限制性條件;運用最小二乘法通過GPS速度場反演斷裂錯動速率。其中對斷層走滑速率施加的兩種極端約束條件分別對應兩種極端模型:當施加嚴格約束條件時,對應于塊體模型;當不施加任何約束條件時則對應于斷裂模型。通過施加適當的約束條件,使得模型在保證一定塊體整體運動協調性的同時,允許相鄰斷裂段接合處發生局部形變,從而能夠更合理地模擬地表形變場。對擠壓/拉張分量施加的限制性條件主要是為了防止由于數據約束不足造成的斷裂擠壓/拉張速率被過高估計。

具體的做法是:依據已有活動斷裂和相關地質地球物理研究成果,初步建立斷層模型,并用連接斷層元方法反演斷層的滑動速率,擬合GPS速度場;通過模型擬合結果和實際觀測數據的比較,調整斷層模型和約束條件;重復上述過程,在參量解析度與擬合后殘差的折中關系中尋得最佳值,最終得到有限參量與實際觀測數據相吻合的最佳模型。

2 形變場模型在青藏高原東緣的應用

青藏高原及其周邊地區是目前大陸內部變形最強烈、地震活動性最強的地區。其構造演化機制一直是大陸動力學研究的熱點和前沿。青藏高原東緣地區是高原隆升發展的前沿,是正在形成中的高原,是研究大陸內部變形和高原隆升機制的理想地點。這里地震活動頻繁,是中國大陸內部最強烈的地震帶,控制著一系列歷史強震的發生,是研究地震孕育發生機制的天然試驗場。對這一地區的地殼應變分配方式和斷裂活動性的定量研究將為地震危險性評估提供數據支持,進而為地震預報服務,具有十分重要的理論價值和現實意義。這里又是中國大陸內部GPS臺站分布密度最高的地區之一,能夠為模型提供較好的約束,也便于對研究區內相對精細的結構開展研究。前人已經在這一地區開展了大量的研究工作,不僅能夠為模型的建立提供更豐富的信息,而且也便于對結果的比較和解釋。

依據青藏高原東北緣GPS速度場和前人在這一地區的研究成果,將研究區劃分為16個活動塊體并分析其運動特征。以青藏高原東北緣地區(90°～110°E,28°～42°N)GPS速度場為約束,采用可形變塊體模型,同時考慮邊界鎖定效應,反演塊體運動變形參量的同時對塊體邊界上的錯動速率做出估計。采用F檢驗的方法剔除奇異點、檢驗模型中相鄰塊體的獨立性、塊體內部均勻形變的顯著性以及塊體邊界的活動性。F檢驗的結果顯示10個塊體內部形變的顯著性超過95%。阿拉善、鄂爾多斯和民勤塊體平動和轉動速率都很小,內部形變不顯著或應變率值較低,是研究區內相對穩定的塊體,對印藏碰撞造成的北東向推擠起阻擋作用。祁連山和海原塊體所形成的條帶狀區域發生強烈擠壓變形,對其南側塊體的北東向運動起到緩沖作用。被海原、東昆侖和龍門山斷裂所圍限的區域內塊體在整體向北東方向運動的同時,由北西向南東塊體平動方向發生順時針偏轉,同時塊體繞自身幾何中心做順時針旋轉,塊體內應變率值由西向東逐漸減弱。青藏高原東北緣地區的斷裂按其走向和性質主要分為3組:北西西向斷裂和甘孜—玉樹—鮮水河斷裂主要為左旋擠壓性質,具有較高的滑動速率,對該地區的地殼運動起控制作用;北北西-近南北向斷裂和北東向斷裂主要為右旋走滑性質,滑動速率相對北西西向斷裂較弱,對該地區地殼活動起調節作用。北東-北北東走向的斷裂則既有左旋性質也有右旋性質。用可形變塊體模型反演得到北西西向祁連山北緣、黨河南山、香山—天景山、海原、青海南山、西秦嶺北緣和東昆侖斷裂以及甘孜—玉樹—鮮水河斷裂的左旋走滑速率分別為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、莊浪河和岷江斷裂的右旋走滑速率分別為2.7±0.9、0.2±0.4和2.9±0.8mm/a;北東-北北東向阿爾金和狼山山前斷裂的左旋走滑速率為2.9±0.4和1.4～2.3mm/a;銀川、龍門山和龍日壩斷裂的右旋走滑速率分別為3.3±0.3、0.6～1.6和6.1±0.9mm/a。與此同時,采用剖面投影方法計算了主要斷裂的錯動速率,并用F檢驗的方法檢驗了各條斷裂的活動性,所得結果與用可形變塊體模型所得結果基本一致。另外,研究區的兩條速度階躍帶金昌—民樂和瑪曲—洛須速度階躍帶的活動性分別達到100%和98.8%,由可形變塊體模型反演得到前者的左旋走滑速率為4.3±0.3 mm/a,后者的右旋走滑速率為3.2±1.1mm/a。利用可形變塊體模型的反演結果估算塊體內部和邊界“等效地震矩積累率”的比值約為0.31,利用地震目錄估算塊體內部和邊界地震能量釋放的比值約為0.36,二者相當吻合。

以GPS數據給出的川滇地區(96°～108°E,21°～35°N)速度場為約束,依據研究區已知斷裂分布情況建立斷層模型,用最小二乘法反演了該地區主要活動斷層的現今錯動速率。結果顯示,印藏碰撞引起的北北東向推擠和高原隆升引起的重力勢能作用造成青藏高原物質東向擠出。遇到來自穩定華南塊體的阻擋后,高原東南部物質相對穩定歐亞板塊轉向南東方向繼而向南運動,使得川滇地區圍繞喜馬拉雅東構造結作順時針轉動,造成川滇地塊東側斷裂作左旋走滑活動,而其西側斷裂以右旋走滑活動為主。其中甘孜—玉樹、鮮水河、安寧河、則木河、大涼山、小江斷裂及其向南西方向延伸的部分和打洛—景洪、湄沾斷裂構成青藏高原東南部東向擠出的東北邊界和東邊界,左旋速率分別為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。青藏高原東南部東向擠出的西南邊界似乎不是由單一斷裂帶構成,而是在較寬范圍內形成的一條右旋剪切帶。位于紅河斷裂北東側的南華—楚雄—建水斷裂和西南側的無量山、龍陵—瀾滄斷裂活動性較強,分別具有速率為4.2±1.3、4.3±1.1和8.5±1.7mm/a的右旋走滑活動。但金沙江斷裂目前基本不活動,紅河斷裂的活動性不強。龍門山一帶在汶川地震發生前地殼活動較弱,龍門山斷裂寶興—北川段和北川—青川段縮短速率分別為1.4±1.0和1.6±1.3mm/a,而龍門山斷裂西北方向的龍日壩斷裂有5.1±1.2mm/a的右旋走滑分量。川滇菱形塊體內部的一些斷裂表現出較強的活動性,其中理塘斷裂左旋走滑速率為4.4±1.3mm/a,拉張速率2.7±1.1mm/a;玉農希斷裂及其周邊地區右旋剪切形變速率為2.7±2.3mm/a,地殼縮短速率6.7±2.3mm/a。麗江—小金河斷裂中段活動性強于北段和南段,達到左旋走滑5.4±1.2 mm/a,拉張0.5±1.0mm/a。與此同時,討論了不同斷裂鎖定深度對結果的影響,并得到鮮水河斷裂的鎖定深度為15 km,70%置信區間為11～19 km。

3 對大陸形變模式及其動力學機制的認識

連接斷層元模型在青藏高原東南緣地區的研究結果顯示,該地區存在多條錯動速率非常有限的活動斷裂,將地殼分割成多個相互運動的地塊。可形變塊體模型在青藏高原東北緣地區的研究結果顯示,該地區地殼形變方式表現為一系列百公里尺度的小型塊體的相對運動,塊體內部和邊界應變能的積累速率之比約為0.31:1,塊體內部和邊界上地震釋放能量之比約為0.36:1。整個青藏高原東緣地區的地殼應變能積累主要集中在斷裂帶上,但活動塊體內部的應變能也不容忽視。結合青藏高原東緣的深部結構和各向異性研究結果,認為青藏高原及其周邊地區的地殼厚度自高原內部向外逐漸減薄,青藏高原東緣地區下地殼和(或)上地幔出現不連續的軟弱帶,上下地殼或地殼與地幔之間發生部分解耦,造成該地區地殼強度有所降低。在印藏碰撞造成的推擠作用下,以甘孜—玉樹—鮮水河斷裂為界,青藏高原東北緣地區的地殼物質同時受到北東向推擠作用和阿拉善、鄂爾多斯塊體的阻擋,地殼或巖石圈被北西西和北北西向的兩組斷裂切割成若干小型塊體,通過塊體之間的相對運動和塊體內部的變形實現地殼整體的順時針旋轉,地殼物質向南東方向的運移造成龍門山地區的應力積累,同時推擠著四川盆地一起向南東方向運動。甘孜—玉樹—鮮水河斷裂以南地區的地殼物質則在青藏高原內部物質東向擠出和重力勢能的作用下向阻擋作用很弱的南部地區運動,造成東側鮮水河—小江斷裂帶的左旋走滑活動和西側寬闊的右旋剪切形變帶。青藏高原東緣地區的構造形變場既不表現為“大陸逃逸”模式,也不表現為“連續形變”模式,而是介于兩者之間。大陸構造形變場主要取決于巖石圈的流變學結構和巖石圈所受構造作用,當中下地殼或上地幔不存在軟弱層,地殼和地幔的變形是耦合的,巖石圈具有較高的強度,在同等的構造應力作用下巖石圈不易發生破裂和變形,僅存在數量很少的切割整個巖石圈的斷裂,因而能夠被“大陸逃逸”假說較好的解釋。當中下地殼或上地幔出現大范圍連續軟弱層,上下地殼或地殼與地幔發生解耦,地殼強度較低,在同等構造應力的作用下容易發生破裂和變形,斷裂大多切割至軟弱層所在的深度,能夠被“連續形變”假說較好的解釋。當中下地殼或上地幔存在不連續軟弱層,上下地殼或地殼與地幔發生部分解耦,地殼形變模式則介于兩者之間。

可形變塊體模型;連接斷層元;GPS速度場;應變能;形變模式;錯動速率

P54,P22;

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

(作者電子信箱,王閻昭:wangyz0513@gm ail.com)