程 佳,徐錫偉,甘衛軍,馬文濤,陳為濤,張 勇
1 中國地震局地質研究所活動構造與火山重點實驗室,北京 100029
2 中國地震臺網中心,北京 100045
3 中國地震局地質研究所地震動力學國家重點實驗室,北京 100029
4 中國地震局,北京 100036
青藏高原東南緣地震活動與地殼運動所反映的塊體特征及其動力來源
程 佳1,2,徐錫偉1*,甘衛軍3,馬文濤1,陳為濤3,張 勇4
1 中國地震局地質研究所活動構造與火山重點實驗室,北京 100029
2 中國地震臺網中心,北京 100045
3 中國地震局地質研究所地震動力學國家重點實驗室,北京 100029
4 中國地震局,北京 100036
通過分析青藏高原東南緣活動斷裂帶的活動特征和GPS資料顯示的現今地殼形變場,輔以歷史地震及地表破裂、震源機制解類型等資料,將青藏高原東南緣地區分成了11個次級塊體.其中包括了西秦嶺次級塊體、阿壩次級塊體、龍門山次級塊體、藏東次級塊體、雅江次級塊體,香格里拉次級塊體、滇中次級塊體、保山次級塊體、景谷次級塊體、勐臘次級塊體和西盟次級塊體;并利用這些次級塊體內的GPS站點速率計算出了這些塊體現今運動情況及各塊體之間斷裂的滑動速率,分析認為各次級塊體均受到了一種來自其相鄰塊體的主要應力作用而發生了旋轉,其中保山次級塊體、藏東次級塊體、雅江次級塊體、香格里拉次級塊體、滇中次級塊體的旋轉尤為顯著;同樣,相鄰塊體之間的邊界斷裂帶也呈現了相應的擠壓或拉張活動特征,而藏東次級塊體與雅江次級塊體、雅江次級塊體與滇中次級塊體之間的擠壓最為明顯.利用上述結果,本文討論了該地區的現今地殼形變特征,認為剛性塊體的擠出作用與重力滑塌作用并存于該區域內,下地殼“管道流”的拖曳作用是該地區剛性塊體擠出作用和重力滑塌的主要原因,另外緬甸板塊相對于自身的逆時針旋轉作用在其北部引起的拉張作用也是重要因素之一.
青藏高原東南緣,GPS,塊體模型,歷史地震,震源機制,變形機制
青藏高原東南緣地區是青藏高原現今地殼形變和地震活動最強烈的地區之一,也是研究青藏高原現今地殼形變模式和構造演化規律的熱點地區.在過去的三十多年里,對于青藏高原地殼形變模式的認識主要分成了兩派學說,即“剛性塊體模型”[1-4]和“塑性薄皮模型”[5-7].隨著研究的深入,尤其是GPS技術在該地區地殼形變研究中的廣泛應用,大量的成果顯示這兩種極端模型都不能用來解釋青藏高原現今的地殼形變特征,需要一種介于兩種模型之間的新模型來解釋.Shen[8]和Royden[9]提出了三維塑性“管道流”模式,認為圍繞東喜馬拉雅構造結的順時針旋轉可能起因于深部印度地幔與亞洲地幔之間的右旋剪切以及淺層高原向東的重力擴展.Replumaz[10]則對傳統“剛性塊體模型”進行了改進,認為青藏高原的地殼形變特征在碰撞的不同時期,“剛性塊體模型”和“塑性薄皮模型”分別占主導作用,現今的地殼形變可能以隆升和擠出作用為主.Thatcher[11]則通過微型塊體的運動特征來解釋這種青藏高原的地殼形變特征,將青藏高原劃分成了11個準剛性的微型塊體.
作為青藏高原向東擠出最為強烈的地區之一,“剛性塊體模型”認為區域地殼運動是剛性塊體擠出的表現形式,而“連續變形模型”則認為以青藏高原隆升后的重力滑塌為主.現今GPS的觀測結果顯示,青藏高原東南緣內部各個部分的地殼形變特征并非一致,其中在巴顏喀拉塊體東南緣的龍門山地區表現為強烈的擠壓作用,而川滇地區則表現為圍繞著阿薩姆角作順時針旋轉,且在旋轉運動的各個階段呈現不同的地殼運動特征[12-14].這種區域地殼運動特征的差異性則主要以活動斷裂的活動方式來體現,因而形成了該地區不同活動習性斷裂有規律的區域分布,對于這些斷裂的活動習性的研究表明該地區存在著大量的活動斷裂帶,且具有較大的滑動速率[15-21].伴隨著強烈的地殼運動和活動斷裂帶的高速滑動,該地區強震活動頻繁發生,其中包括了多次7級以上地震,如2008年汶川MS8.0地震等,這些地震的震源機制分布似乎也存在著一定的規律性[22-25].闞榮舉等[22]根據該地區的構造應力場和活動斷裂帶分布特征,提出了川滇菱形塊體的概念,該菱形塊體主要由鮮水河—小江斷裂帶、紅河斷裂帶和金沙江斷裂帶圍限,并將這一塊體的邊界斷裂帶的地震活動性進行了分段研究,認為地震活動主要受控于菱形塊體的運動,后續的研究基本都繼承了這一認識[26-28].基于上述活動斷裂與地震資料,徐錫偉等[16]綜合了歷史地表破裂資料、主干斷裂和次級活動斷裂的展布等特征,將該地區劃分成了馬爾康塊體、川滇菱形塊體、保山—普洱塊體和密支那—西盟塊體等4個一級塊體;馬文濤等[24]通過對哈佛大學矩心震源機制解進行分類,給出了各種類型地震的分布區域,并依此認為該區域地殼形變存在著塊體運動特征,對徐錫偉等[16]的分塊模型進行了驗證.Shen[14]則利用分布于該地區的跨1998—2004年的GPS資料對該地區進行了塊體劃分,將該地區分成了阿壩、龍門山、雅江、香格里拉、滇中、保山、臨滄等7個微型塊體的運動,并給出了這些塊體的運動特征.上述兩種分塊模式都能夠解釋區域地殼形變的主要現象,但由于只考慮到主要斷裂帶的活動習性和GPS速度場特征,在GPS站點較少以及斷裂帶研究程度較低的地區,存在著一定的模糊帶.歷史地震分布及其地表破裂特征和震源機制解的變化特征可能對于研究這些地區的分塊特征以及完善塊體模型的工作具有很好的意義.
本文擬綜合分析上述活動斷裂帶、歷史地震地表破裂資料、GPS顯示的現今地殼形變資料和震源機制解,首先以活動斷裂帶的活動習性為基礎,對該區域進行微型塊體的劃分,然后基于GPS資料、震源機制解分類類型以及歷史地表破裂資料對這些塊體進行調整,最終確定這些微型塊體劃分并計算各次級塊體運動學特征,最后討論該地區現今地殼形變機制與動力來源,為今后的地殼形變和地震學研究提供基礎.
青藏高原東南緣地區由于強烈的現今地殼形變特征,形成了一系列大型活動斷裂帶,并在這些大型活動斷裂帶上發生了多次歷史地震,這些資料為我們研究這些斷裂帶的活動習性和地殼形變特征提供了基礎.該地區主要活動斷裂帶、歷史地震活動及地表破裂段的展布情況見圖1.其中歷史地震地表破裂段除近年來發生的地震外,其他均大于71/4級,根據經驗公式破裂長度大致在40km左右[29].
這些主要活動斷裂帶包括了龍日壩斷裂帶、龍門山斷裂帶、甘孜—玉樹斷裂帶、鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶、則木河斷裂帶、大涼山斷裂帶、小江斷裂帶、理塘斷裂帶、麗江—小金河斷裂帶、德欽—中甸—大具斷裂帶、玉龍雪山北麓斷裂、曲江斷裂帶、紅河斷裂帶、金沙江斷裂帶、龍陵—瀾滄斷裂帶、南汀河斷裂、岷江斷裂等.主要活動斷裂帶的全新世滑動速率見表1,強震破裂發震斷層與時間見表2.根據上述資料,我們對該地區的塊體模型進行了初步劃分,結果見圖2.

表1 川滇地區主要活動斷裂全新世滑動速率一覽表Table 1 Holocene slip rate of the active faults in Sichuan-Yunnan Region


表2 川滇地區主要強震發震斷層與時間Table 2 Occurrence time of strong earthquakes and seismogenic fault
徐錫偉等[16]依據這些斷裂帶分段特點,將甘孜—玉樹斷裂帶、鮮水河斷裂帶、龍門山斷裂帶和東昆侖斷裂帶圍限的巴顏喀拉塊體南部作為一個塊體,即馬爾康塊體;Shen[14]通過對比GPS速度場的變化認為該塊體中間存在著一條速度階躍帶,即龍日壩斷裂帶[36],并將馬爾康塊體分成了阿壩次級塊體和龍門山次級塊體.因此在本文初步模型中,我們也沿用了這一劃分方案.
在川滇菱形塊體內部的劃分方案上,徐錫偉等[16]將菱形塊體分成了川西北和滇中兩個次級塊體;Shen[14]通過GPS數據對比認為理塘斷裂帶是具有一定左旋滑動速率的斷裂帶,并將川西北次級塊體切割成雅江次級塊體和香格里拉次級塊體,而滇中塊體由麗江—小金河斷裂帶、安寧河—則木河—小江斷裂帶、瀾滄江斷裂帶組成.其中雅江次級塊體由鮮水河斷裂帶、麗江—小金河斷裂帶、理塘斷裂帶等三條斷裂帶所確定,而該次級塊體北邊界不明顯;香格里拉次級塊體由紅河斷裂帶北段、麗江—小金河斷裂帶、理塘斷裂帶所確定,同樣北邊界不明顯.本文根據歷史地震分布特征和歷史破裂分段得到雅江次級地塊,與Shen[14]給出的結果類似,而香格里拉次級地塊可能由金沙江斷裂帶、理塘斷裂帶、麗江—小金河斷裂帶和德欽—中甸—大具斷裂帶所圍限,紅河斷裂帶北段現今地殼活動不明顯,尤其是右旋走滑作用不明顯,主要呈現了尾端拉張特征[19,32,44],因此紅河斷裂帶北段不能夠作為次級塊體的邊界.對于滇中塊體西南邊界的認識上,紅河斷裂帶和曲江斷裂帶的全新世滑動速率較大,且曲江斷裂帶南段發生過1970通海M7.7級地震,向宏發等[45-46]認為紅河斷裂帶作為一個整體,其右旋走滑運動不僅僅局限在簡單的單體斷裂帶內部,而是涉及到它周邊兩側寬達30~50km的空間域,并認為斷裂的滑動速率大致在3~4mm/a,因此可以將紅河斷裂帶與曲江斷裂帶之間的部分作為一個彌散的邊界;對于紅河斷裂帶的尾端拉張部分,許多研究都認為程海斷裂帶在該地區起到了一個邊界斷裂帶的作用[19,32,44],可以作為滇中塊體的邊界斷裂帶;因此本文的初步模型中認為滇中塊體可能由程海斷裂帶,麗江—小金河斷裂帶,安寧河—則木河—小江斷裂帶以及紅河斷裂帶與曲江斷裂帶圍限而成.
對于滇西南地區的塊體劃分上,徐錫偉等[16]將該地區劃分成了兩個部分,即龍陵—瀾滄斷裂帶以南的密支那—西盟塊體和以北的保山—普洱塊體;Shen[14]將該地區分為保山次級塊體和臨滄次級塊體.由于南汀河斷裂帶和龍陵—瀾滄斷裂帶在該地區的顯著活動性,本文的初步模型將該地區分成了保山、景谷和西盟等3個次級塊體.
青藏高原東南緣布設了大量的GPS站點,Shen[14]利用該地區1998年至2004年的200多個站點1999年、2001年、2004年三期復測的區域觀測站資料對該地區進行了斷裂滑動速率與活動地塊的研究(圖3).Gan[47]利用了青藏高原及其周邊726個臺站對青藏高原進行了研究,其中基本包括了Shen[14]的數據.本文為了更好地分析該地區的塊體運動特征,選取了Gan[47]數據中的95°E—107°E,21°N—34°N范圍內的292個站點來分析該地區的地殼形變特征.

圖3 GPS所給出的青藏高原東南緣現今地殼形變特征(相對于歐亞塊體)Fig.3 Present-day crustal deformation of the Southeastern margin from GPS(relative to Euraisa)
為了能夠更好地分析區域塊體運動特征,本文分別將這些GPS站點進行了兩步處理,除去所有GPS站點的整體運動情況(圖4)來觀察內部變形情況,除去甘孜—玉樹斷裂帶、鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶、則木河斷裂帶和小江斷裂帶及其向南延伸部分以西所有GPS站點的整體運動(圖5),來觀察川滇菱形塊體內部各次級塊體邊界斷裂的分布.
從圖4中可以看出,龍日壩斷裂帶是一條速度梯度帶,可以作為阿壩次級塊體和龍門山次級塊體的邊界斷裂帶;龍門山斷裂帶具有一定的擠壓速率,是龍門山次級塊體的邊界斷裂;甘孜—玉樹斷裂帶、鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶、則木河斷裂帶和小江斷裂帶及其向南延伸部分具有邊界斷裂帶的性質,其中小江斷裂帶的西支相對于東支來說速率可能更大,這也與1833年地表破裂帶發生在西支相吻合;川滇菱形塊體內部圍繞著青藏高原東構造結做順時針旋轉.從圖5可以看出,川滇菱形塊體雅江次級塊體、香格里拉次級塊體和滇中次級塊體內部變形不大,麗江—小金河斷裂帶中段具有一定的擠壓速率,理塘斷裂帶具有左旋走滑速率;德欽—中甸—大具斷裂帶、程海斷裂帶和南汀河斷裂帶以西地區拉張作用明顯;龍陵—瀾滄斷裂帶有一定的右旋擠壓速率;而曲江斷裂帶和紅河斷裂帶的滑動速率不明顯,但在曲江斷裂帶上發生了1970年通海M7.7級地震,顯示該斷裂帶現今活動并不弱.

圖4 除去整體運動后的青藏高原東南緣地區運動學特征(歐拉極為29.3°N,34.5°E;歐拉角為-0.11°/Ma)Fig.4 Present-day crustal deformation of the southeastern margin after removing the whole movement(Eular pole:29.3°N,34.5°E,Rotation angle:-0.11°/Ma)
由于現今地震活動強烈,該地區近幾十年來發生了多次中強地震.馬文濤等[24]將哈佛大學給出的大于MS4.5級地震震源機制解,分成了走滑型、逆沖型、正斷層型和過渡型機制(圖6).這些震源機制解的類型反映了該地區地殼淺部真實的應力狀態,同樣GPS給出的應變率場資料也可以反映該地區地表的應力狀態,因此可利用震源機制解和GPS應變率場來確定活動塊體的邊界.從圖6可以看出,我們根據GPS速度場、應變率場分布特征以及震源機制解的類型得到了這些塊體的運動邊界.
阿壩次級塊體,西邊界為高速左旋運動的東昆侖斷裂帶東南段,左旋滑動速率大致在6mm/a左右[34];南邊界為甘孜—玉樹斷裂帶,東邊界為龍日壩斷裂帶.雖然該塊體內部也發生了1947年M7.7地震,但該地區尚未有明顯的高速活動斷裂帶發現,因此沒有對該塊體進行更深的劃分,僅在利用GPS計算塊體運動時除去了破裂帶北西側的GPS站點.龍門山次級塊體的南東邊界龍門山斷裂帶處于高擠壓區,汶川地震的破裂一直向北東方向延伸,震源機制解也反映該地震的余震大都為擠壓型機制,該破裂段北端的震源機制發生了由北東向擠壓轉變為北西向走滑構造,因此我們沒有以1976年岷江地震的發震斷層作為龍門山次級塊體的北東邊界,而是汶川地震破裂段北東端點為起點沿著走滑型震源機制解向北西方向延伸的斷裂(圖6);龍日壩斷裂帶雖然未有歷史地震分布,但GPS速度場資料和野外歷史考察都顯示該斷裂帶的右旋走滑速率的存在,因此可以作為龍門山次級塊體的北西邊界;鮮水河斷裂帶具有快速的左旋走滑速率和歷史破裂資料,可以作為龍門山次級塊體的南西邊界.為了比較阿壩次級塊體和龍門山次級塊體的運動情況,我們在東昆侖斷裂帶以北的地區按照GPS速度場特征劃分出了西秦嶺次級塊體,其中主要邊界斷裂帶為平武—青川斷裂與西秦嶺北緣斷裂帶.
川滇菱形塊體東邊界斷裂帶主要根據歷史地震破裂資料和圖4中的GPS資料來劃分,其中在小江斷裂帶的邊界問題上,我們以1833年M8級地震破裂段所在的西支斷裂作為邊界斷裂帶;小江斷裂帶向南延伸部分存在多條平行的走滑型斷層,包括景洪斷裂、勐興斷裂、打洛斷裂、奠邊府斷裂等組成[48],從震源機制解資料和圖4、5給出的GPS資料上基本可以確認出斷裂帶的邊界.在雅江次級塊體邊界帶的劃分上,理塘斷裂帶兩側的GPS站點較少,我們根據活動斷裂帶以及歷史地震破裂資料確定了該斷裂帶的位置,其中理塘斷裂帶南段部分主要根據斷裂的分布來給出,該地區存在著三個震源機制解,兩側均為拉張機制(圖6),中間為過渡型機制,由于地震較小,分別為Mb5.0、Mb5.7、Mb4.9級,因此我們仍然將理塘斷裂帶作為邊界斷裂帶,應變率場也顯示該地區沒有明顯的變形特征,這也與前人結果一致[14,16];根據震源機制解的情況,我們確定了雅江次級塊體的北邊界為甘孜—理塘斷裂帶,該斷裂帶以北的GPS站點與雅江次級塊體內部的GPS站點差異性較大;麗江—小金河斷裂帶可作為該次級塊體的南邊界.香格里拉次級塊體北邊界金沙江斷裂帶上發生了多次拉張型機制的地震,GPS速度場和應變率場顯示該塊體內部變形不大,因此將金沙江斷裂帶作為北邊界;香格里拉次級塊體西邊界的德欽—中甸—大具斷裂帶具有一定的右旋走滑特征[33],該斷裂帶以西發生了多次以拉張型機制為主的地震,且地殼形變存在著明顯的順時針旋轉特征;理塘斷裂帶為該次級塊體東邊界;麗江—小金河斷裂帶南段作為該塊體運動的南邊界.滇中次級塊體東邊界為安寧河—則木河—小江斷裂帶;根據歷史地震及其震源機制解分布特征可將曲江斷裂帶作為滇中塊體的西南邊界;程海斷裂帶具有左旋走滑特征,且與南汀河斷裂帶的左旋走滑具有一定的連續性[44],斷裂以西GPS速度場顯示為拉張區,因此程海斷裂帶可作為滇中塊體的西邊界;麗江—小金河斷裂帶為滇中塊體的北邊界.

川滇菱形塊體以西地區,活動斷裂帶數量較多且規模一般較小,因此對該地區的塊體劃分較為困難.已有的資料均顯示南汀河斷裂帶在該地區的地殼形變中具有重要的作用,斷裂帶以北地區主要以拉張為主,斷裂帶以南地區則以北東向平行的左旋走滑作用為主[20,48],因此我們以南汀河斷裂帶為界,將該地區分為保山次級塊體和景谷次級塊體(圖6).保山次級塊體由怒江斷裂帶(Gaoligong fault)、南汀河斷裂帶、程海斷裂帶與德欽—中甸—大具斷裂帶所圍限,對于龍陵—瀾滄斷裂帶是否延伸至龍陵地區,已有的GPS資料和歷史地震資料均不能說明該斷裂帶北段的存在,而虢順民等[42]在該地區發現的斷裂地貌特征,可能是拉張應力場作用下形成的次級斷裂.景谷次級塊體的南邊界為新生的龍陵—瀾滄斷裂帶[42],利用GPS資料和震源機制解分布特征,可以確定出景谷次級塊體南東邊界為打洛斷裂,因此景谷次級塊體主要由紅河斷裂帶、打洛斷裂、龍陵—瀾滄斷裂帶和南汀河斷裂帶圍限.奠邊府斷裂帶具有一定的左旋走滑速率[19,48],且具有地震活動性(圖6),因此我們將奠邊府斷裂帶、龍陵—瀾滄斷裂帶和景洪斷裂帶圍限的三角形區域作為一個次級塊體,即勐臘塊體.為了比較龍陵—瀾滄斷裂帶兩側的運動特征,我們將龍陵—瀾滄斷裂帶南側的區域劃分成了西盟次級塊體.
因此,我們將青藏高原東南緣分成了以下次級塊體:阿壩次級塊體、龍門山次級塊體、西秦嶺次級塊體、藏東次級塊體、雅江次級塊體、香格里拉次級塊體、滇中次級塊體、保山次級塊體、景谷次級塊體、勐臘次級塊體和西盟次級塊體等11個部分.
根據相對于歐亞塊體的GPS速度場,我們計算了各次級塊體的剛性運動特征,在此過程中利用F檢驗除去了某些不協調的點[49,50],華南塊體相對于歐亞塊體的運動特征來自于Shen[14]的結論(表3,圖7).

表3 青藏高原東南緣次級塊體運動情況表Table 3 Sub-block motion parameters in the southeastern margin of Tibetan plateau
由于青藏高原位于歐亞板塊內部,強震廣泛分布于高原內部與周邊斷裂上,對高原進行活動塊體和次級塊體的劃分無疑是研究青藏高原現今地殼形變的重要途徑[11,14,51-52],而強震往往發生在非連續構造變形最強烈的地方,這些地方就是規模不同的斷裂系統[51].地殼形變雖然廣泛分布在塊體內部,但其積聚和釋放能量的方式仍然以中強以上地震的形式來釋放為主[53],活動斷裂圍限的次級塊體的運動特征是區域地殼形變的有效模型,而實際情況更可能是上、下地殼以及上地幔表現為剛性、彈性、黏彈性結合在一起的混合模式,本文的剛性次級塊體是區域地殼形變特征的有效簡化,也是上地殼變形實際情況較為理想的模型.因此,通過對青藏高原東南緣地區的歷史強震分布、震源機制解和現今GPS觀測資料進行分析對比后,本文建立了青藏高原東南緣地區較為詳細的次級塊體模型(圖7),其中兩側的GPS速度梯度值均投影到與斷裂平行的方位上,從圖7a中可以得到斷裂的平均走滑與擠壓速率值.通過對該次級塊體模型的分析,可得到以下結果:

圖7 青藏高原東南緣各次級塊體運動特征(a)及其殘差(b)Fig.7 Sub-block motion vector(a)and residuals(b)of the southeastern margin of Tibetan plateau

圖8 青藏高原東南緣塊體運動及其動力來源,其中黑色箭頭代表主要作用力方向,紅色代表運動趨勢Fig.8 Sub-block motion and dynamic source of the southeastern margin of Tibetan plateau.Black arrows show the main force of the blocks.Red arrows show the motion trend of the blocks
首先,本文劃分的次級塊體模型與斷裂帶的活動情況、GPS速度場和強震活動特征有較好的一致性(圖7a).雖然某些次級塊體內的GPS站點較少,導致了塊體的歐拉向量值的誤差較大,但總體上這些運動特征仍能夠很好地反映區域地殼形變的主要特征.其中金沙江斷裂帶附近的震源機制解為拉張型,與該斷裂帶右旋走滑作用并非一致,我們認為這種震源機制解是發生在邊界斷裂帶附近、與該邊界斷裂帶垂直的次生構造上,由藏東次級塊體受到NNE-SSW向拉張作用引起;理塘斷裂帶兩側的速度梯度顯示理塘斷裂帶總體顯示一種左旋走滑速率,隨著斷裂帶走向的變化,理塘斷裂帶從北向南由擠壓轉換為拉張,其北段的擠壓特征與徐錫偉等[17]給出的地表破裂帶資料吻合,而南段的拉張速率與該地區的震源機制解吻合;甘孜—玉樹斷裂帶兩側塊體的相對拉張作用比較明顯,這種拉張作用可能更多地顯示于藏東塊體的內部,而塊體內部拉張作用為主的震源機制解也與之吻合;鮮水河斷裂帶兩側顯示具有一定的拉張速率,但在南段因為斷裂走向的變化而具有一定的擠壓速率,這種擠壓作用也造成了該地區較為明顯的垂直形變特征[54];與鮮水河斷裂帶南段相似,麗江—小金河斷裂帶東段也顯示著一定的擠壓特征;麗江小金河斷裂帶西段兩側顯示一定的擠壓和左旋走滑特征,其中擠壓活動特征更為明顯,而該地區未有明顯的擠壓地貌和垂直速率與之一致,因此我們認為該地區這種擠壓活動很可能被更為明顯的北東向拉張作用所稀釋,未能在地貌上有所顯示;龍日壩斷裂帶具有一定的右旋走滑速率和微量的擠壓活動速率,與徐錫偉等[36]給出的結果較為吻合;龍門山斷裂帶具有約2.9mm/a的右旋走滑速率和2.3mm/a的擠壓速率;東昆侖斷裂帶東段從6mm/a的左旋走滑速率逐漸減小為0.7mm/a的,與該斷裂帶的活動習性具有一致性[34],而斷裂帶也顯示了一定的擠壓活動特征;小江斷裂帶具有約10mm/a的左旋走滑速率和少量的拉張速率;紅河斷裂帶與曲江斷裂帶共具有3.8mm/a的右旋走滑速率和少量的拉張速率,與該地區的震源機制解相吻合;小江斷裂帶向南延伸部分具有大約6.5mm/a的左旋走滑速率,加上奠邊府斷裂帶大約3.6mm/a的左旋走滑速率,與小江斷裂帶約10mm/a的滑動速率幾乎相同,顯示小江斷裂帶向南延伸后發生了應變的重新分配;龍陵—瀾滄斷裂帶具有大于3mm/a的右旋走滑速率,與該地區沿著斷裂帶的震源機制解一致.值得注意的是,本文模型中最明顯的特征為青藏高原東南緣圍繞著東喜馬拉雅構造結的順時針轉動,其主要體現在保山次級塊體較之其他次級塊體更為明顯的順時針旋轉作用以及保山次級塊體東邊界斷裂的活動特征上.在這一問題上,許多研究都推測德欽—中甸—大具斷裂帶與程海斷裂帶、南汀河斷裂帶一樣,應該具有一定的左旋走滑特征[19,44],而野外地質調查卻顯示德欽—中甸—大具斷裂帶具有右旋走滑速率[33],我們的結果很好地解釋了這一現象,即德欽—中甸—大具斷裂帶與程海斷裂帶、南汀河斷裂帶斷裂滑動性質的不一致性,主要起因于保山塊體的高速旋轉作用所產生的與香格里拉次級塊體和滇中次級塊體的速度差的不一致性.我們的結果也顯示出南汀河斷裂帶和程海斷裂帶的左旋走滑速率較大,在該地區的地殼形變的轉換過程中起著非常重要的作用;與走滑作用不同的是,德欽—中甸—大具斷裂帶與程海斷裂帶、南汀河斷裂帶的拉張作用比較一致,拉張作用最明顯的地區為程海斷裂帶地區,其拉張速率達到4.1mm/a.
其次,從次級塊體運動來看,塊體的整體旋轉作用都主要受到了來自某個方向的應力作用,這種應力作用與GPS反映的應變率場應該一致(圖8).其中西秦嶺次級塊體順時針旋轉受到了來自北東向的擠壓作用;同樣,阿壩次級塊體也受到了來自西秦嶺次級塊體北東向的擠壓作用而發生順時針旋轉;龍門山次級塊體主要受到了華南次級塊體的擠壓而發生了逆時針的旋轉;藏東次級塊體則受到了來自南西向的拉張作用而發生了順時針轉動;雅江次級塊體主要受到來自鮮水河斷裂帶的擠壓而發生了順時針轉動;香格里拉次級塊體受到了來自保山次級塊體的拉張作用而發生了順時針旋轉;滇中次級塊體受到了程海斷裂帶地區和曲江斷裂帶的拉張作用而發生順時針的拉張作用;景谷次級塊體也主要受到了保山次級塊體的拉張作用而發生了順時針旋轉,而這種拉張作用也延伸至勐臘次級塊體;西盟次級塊體則主要受到龍陵—瀾滄斷裂帶北西段的擠壓作用而發生了逆時針旋轉;保山次級塊體則受到了來自該塊體以西的緬甸地區的拉張作用而發生了最為明顯的順時針旋轉.這種拉張作用也廣泛存在于該地區以西的Bhamo basin內部[55],震源機制解可顯示該盆地內部具有拉張作用存在(圖6).關于這種拉張作用的力源問題初步認為:由于地勢差異而引起的重力滑塌作用可能是該地區拉張作用的重要原因,然而從地形上看保山次級塊體與其北側的Bhamo basin、西側的緬甸板塊均存在著明顯的地勢差異,而不是地勢的逐漸降低(圖8),因此我們認為保山次級塊體的邊界斷裂帶具有重要的邊界作用,該邊界斷裂帶上受到了來自北向的拉張作用力.這種拉張作用力很可能來自于緬甸板塊相對于自身的逆時針旋轉而產生的塊體西北部分的擠壓作用和東北作用的拉張作用[10],與這種拉張作用相協調的是GPS研究的結果,顯示緬甸板塊的西邊界斷裂帶(Kabaw fault)南段較北段的速率大[44].
最后,對于青藏高原的變形機制和動力來源方面,許多學者都進行了討論.青藏高原主體地區的向東擠出作用和青藏高原東北緣的擠壓隆升是最主要的現象[12],前人也有一些關于整個青藏高原地殼形變的次級塊體劃分,并取得了很好的研究結果.本文研究的青藏高原東南緣地區位于青藏高原向東擠出最強烈的部位,其中甘孜—玉樹斷裂帶、鮮水河—小江斷裂帶以西地區的下地殼流動性是近年來研究的重大成果[14,56-58].Shen[8]認為該地區的地殼形變主要受控于下地殼的流動;Bai[56]利用大地電磁成像的結果顯示了川滇地區存在著明顯的下地殼流動,流動性的下地殼主要集中在本文的雅江次級塊體、香格里拉次級塊體、滇中次級塊體和保山次級塊體下部.
對于甘孜—玉樹斷裂帶與鮮水河斷裂帶以北的地區,許多研究都得到了這些地區存在著中下地殼的部分熔融狀態[21,59-61].
對于這種部分熔融狀態的中下地殼的解釋上,Burchfiel[62]提出,即使下地殼流模式是正確的,那么汶川地震也表明下地殼的流體也沒有延伸到龍門山構造區,軟弱而寬廣的深部流體不足以支持橫向擴展的陡峭地形;Hubbard[63]通過石油勘探剖面和龍門山地區的地形地貌分析提出不依靠中下地殼流體的擠壓作用,僅通過脆性上地殼沿低速層(解耦面)滑脫的逆沖推覆也能維持龍門山構造帶目前的陡峻地形.從本文的結果看,該地區的運動特征可以通過龍門山次級塊體和阿壩次級塊體的整體運動來解釋,與Hubbard給出的結論較為一致.
從本文給出的次級塊體運動特征及其邊界斷裂帶受力情況等具體特征上分析,青藏高原東南緣的動力來源可以分為兩類:其中阿壩次級塊體、龍門山次級塊體和西秦嶺次級塊體主要受到了青藏高原東向擠出作用的影響,與Tapponnier[1]、Avouac and Tapponnier[4]、Thatcher[11]給出的剛性塊體模型相吻合,地殼形變主要集中在邊界斷裂帶上,其中擠壓作用主要集中在龍門山斷裂帶上,而東昆侖斷裂帶東段的擠壓作用也有少量存在,與該地區的地形地表特征吻合,表明塊體東向和北向的擠出作用存在于該地區.甘孜—玉樹斷裂帶、鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶、則木河斷裂帶和小江斷裂帶以西地區的變形機制既有塊體的整體運動特征,如雅江次級塊體、香格里拉次級塊體和滇中次級塊體,這些塊體均受到了來自青藏高原的擠壓作用并表現在甘孜—理塘斷裂帶、金沙江斷裂帶和麗江—小金河斷裂帶的擠壓速率上;又有如藏東次級塊體和保山次級塊體,內部拉張作用明顯,表現在其周緣斷裂的拉張作用;也有如景谷次級塊體、勐臘次級塊體和西盟次級塊體,內部分布著平行的走滑型斷裂.總體而言,剛性塊體與重力滑塌作用并存于該地區;結合本文得到的金沙江斷裂帶、甘孜—理塘斷裂帶和麗江—小金河斷裂帶的擠壓作用特征以及德欽—中甸—大具斷裂帶、程海斷裂帶和南汀河斷裂帶的拉張作用特征,我們認為該地區的地殼形變主要受到了三種作用力,這三種作用力包括青藏高原主體地區的擠出作用力,表現為兩個次級塊體之間的擠壓作用,主要發生在香格里拉次級塊體、雅江次級塊體和滇中次級塊體,即川滇菱形塊體地區;重力滑塌作用力,與之對應的是地勢低的塊體對地勢高的塊體的拉張作用力,主要發生在藏東次級塊體,保山次級塊體及其相鄰地區;而東喜馬拉雅構造結的楔入作用對整個區域的順時針旋轉具有重要的作用.
基于上述觀點,我們認為青藏高原東南緣的地殼運動特征與Shen[8]和Royden[9]給出的結論相一致.再結合Replumaz[10]關于青藏高原的剛性擠出與擠壓隆升分階段的主要作用結論,我們可以認為青藏高原東南緣地區存在著分階段變形模式.“剛性塊體”模型的擠出作用和“塑性薄皮”模型的隆升作用使得青藏高原面積不斷增大和地勢不斷升高,在此過程中地殼在垂直方向上也發生了明顯的增厚、地殼與地幔的解耦,形成了流動的下地殼;水平方向上中上地殼由于塊體內部受力的不同而發生了塊體的破解,形成了次一級的塊體.在流動的下地殼的拖曳力作用下形成了塊體擠出和重力滑塌并存的形變模式;另外,緬甸塊體旋轉對本區域的拉拽作用也使得這種滑塌作用更為明顯.
綜上所述,青藏高原東南緣可以劃分為11個次級塊體,利用分布在塊體內部的GPS資料計算出了各次級塊體的運動特征和邊界斷裂帶的活動習性,認為這些次級塊體的運動特征均受到了一種來自其相鄰塊體的主要作用應力而發生了旋轉作用;利用上述結果,討論了該地區的現今地殼變形機制,認為在巴顏喀拉塊體地區地殼形變主要受剛性塊體的擠出作用控制,而川滇地區則表現為剛性擠出作用和重力滑塌作用并存;并歸納結果得到下地殼流的拖曳作用是該地區塊體擠出和重力滑塌的主要原因,而緬甸板塊的逆時針旋轉作用在其北部引起的拉張作用可能也是重要因素之一.
致 謝 感謝兩位審稿專家給作者的寶貴意見;另外,北京大學的沈正康教授對作者關于GPS分析塊體運動問題上提出了指導性的意見,中國地震局地震預測研究所聞學澤研究員、中國地震臺網中心劉杰研究員在成文過程中與作者進行了有益的討論,作圖使用了GMT軟件[64]在此一并表示感謝.
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Block model and dynamic implication from the earthquake activities and crustal motion in the southeastern margin of Tibetan Plateau
CHENG Jia1,2,XU Xi-Wei1*,GAN Wei-Jun3,MA Wen-Tao1,CHEN Wei-Tao3,ZHANG Yong4
1 Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano,Institute of Geology,China Earthquake Administration,Beijing100029,China
2 China Earthquake Network Center,Beijing100045,China
3 State Key Laboratory of Earthquake Dynamics,Institute of Geology,China Earthquake Administration,Beijing100029,China
4 China Earthquake Administration,Beijing100036,China
After analysis of the current crustal deformation field from GPS data,the slip characters of active faults,the surface ruptures of historical earthquakes,and the focal mechanisms of the recent earthquakes,the southeastern margin of the Tibetan plateau wasdivided into 11sub-blocks,including the West Qinling sub-block,Aba sub-block,Longmenshan sub-block,Zangdong sub-block,Yajiang sub-block,Shangri La sub-block,Dianzhong sub-block,Baoshan sub-block,Jinggu sub-block,Mengla sub-block and the Ximeng sub-block.The presentday translation and rotation rate of the sub-blocks,also the slip rate of the boundary faults,were calculated using the GPS data.The results show the following characters:Each sub-block has its movement changed after the specific main stress action from the adjacent sub-blocks.Among these sub-blocks,the rotations of the Baoshan sub-block,Zangdong sub-block,Yajiang subblock,Shangri La sub-block,Dianzhong sub-block,are more obvious than others.Corresponding to the rotations above,the boundary faults among these sub-blocks behave differently.Among these fault activities,the compressions between the Zangdong and Yajiang sub-blocks,as well as between the Yajiang and Dianzhong sub-blocks are obvious.Based on the results above,we discussed the current crustal motion characters of the southeastern margin of the Tibetan plateau.The lateral extrusion of the rigid blocks and gravity collapse of the crust co-exist in the region,which are induced mainly by the“channel flow”of the lower crust,and partly enhanced by the tensile force from the Burma plate due to its counter-clockwise rotation.
Southeastern margin of the Tibetan plateau,GPS,Block model,Historical earthquakes,Focal mechanism,Deformation mechanism
10.6038/j.issn.0001-5733.2012.04.016
P542
2011-05-12,2011-12-26收修定稿
國家自然科學基金(40821160550),科技部國際合作計劃(2009DFA21280)共同資助.
程佳,男,中國地震局地質研究所在讀博士生,中國地震臺網中心助理研究員,主要從事活動構造、地殼形變、強震模擬和預測方面的研究.E-mail:chengjiajc@gmail.com
*通訊作者徐錫偉,男,中國地震局地質研究所研究員,主要從事活動構造及其在減輕地震災害中的應用方面的研究.E-mail:xiweixu@vip.sina.com
程佳,徐錫偉,甘衛軍等.青藏高原東南緣地震活動與地殼運動所反映的塊體特征及其動力來源.地球物理學報,2012,55(4):1198-1212,
10.6038/j.issn.0001-5733.2012.04.016.
Cheng J,Xu X W,Gan W J,et al.Block model and dynamic implication from the earthquake activities and crustal motion in the southeastern margin of Tibetan Plateau.Chinese J.Geophys.(in Chinese),2012,55(4):1198-1212,doi:10.6038/j.issn.0001-5733.2012.04.016.
(本文編輯 胡素芳)