青藏高原東南緣旋轉(zhuǎn)變形的三維動(dòng)力學(xué)模擬分析

摘要：本文以青藏高原東南緣的大型活動(dòng)斷裂及其圍限的塊體為基礎(chǔ)，利用三維粘彈性有限元模型，模擬了該區(qū)域的位移場(chǎng)及構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，并根據(jù)施加的邊界載荷條件分析了青藏高原東南緣旋轉(zhuǎn)變形的動(dòng)力學(xué)來源。結(jié)果表明，印度板塊對(duì)歐亞板塊的碰撞作用，穩(wěn)定的華南塊體和巴顏喀拉喀拉塊體的阻擋作用，緬甸板塊沿實(shí)皆斷裂帶對(duì)巽他板塊的剪切拉伸作用以及下地殼和上地幔物質(zhì)流的橫向拖拽作用均是青藏高原東南緣旋轉(zhuǎn)變形的主要影響因素。

關(guān)鍵詞：青藏高原東南緣；數(shù)值模擬；構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)；旋轉(zhuǎn)變形

0引言

根據(jù)GPS觀測(cè)結(jié)果，青藏高原東南緣內(nèi)一些列的活動(dòng)塊體表現(xiàn)出圍繞喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。這一旋轉(zhuǎn)變形的動(dòng)力學(xué)機(jī)制一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)，眾多學(xué)者分別從新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、構(gòu)造地貌、活動(dòng)構(gòu)造、現(xiàn)今地震活動(dòng)與地應(yīng)力場(chǎng)、GPS速度場(chǎng)觀測(cè)、地球物理和數(shù)值模擬等角度不同程度地開展了綜合研究和深入探討[1]。總的來說，下地殼流模式能夠較為合理地解釋青藏高原東南緣整體上呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的特征。但是，針對(duì)大型活動(dòng)斷裂帶、下地殼流的拖曳、巖石圈圈層結(jié)構(gòu)以及周邊區(qū)域構(gòu)造環(huán)境等因素的考慮不夠全面細(xì)致。尤其是巽他板塊對(duì)青藏高原東南緣旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的作用經(jīng)常被忽視[2]。此外，在定量分析過程中，大多數(shù)的數(shù)值模擬研究都是基于區(qū)域性的地質(zhì)觀測(cè)和運(yùn)動(dòng)過程從邊界位移角度進(jìn)行建模，而從邊界載荷角度建模的研究仍有不足。

本文擬針對(duì)青藏高原東南緣旋轉(zhuǎn)變形的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，以青藏高原東南緣主要活動(dòng)斷裂及其所控制的活動(dòng)塊體為基礎(chǔ)，綜合考慮了GPS速度場(chǎng)、震源機(jī)制解及地應(yīng)力測(cè)量的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、塊體單元內(nèi)部及其周緣活動(dòng)構(gòu)造空間分布特征、巖石圈圈層結(jié)構(gòu)及其物質(zhì)特征等現(xiàn)實(shí)情況，構(gòu)建以載荷為邊界條件的三維粘彈性有限元模型。通過與研究區(qū)的震源機(jī)制解及地應(yīng)力測(cè)量等數(shù)據(jù)的對(duì)比，探討青藏高原東南緣所處應(yīng)力環(huán)境及其旋轉(zhuǎn)變形的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。

1青藏高原東南緣活動(dòng)構(gòu)造分布及巖石圈結(jié)構(gòu)特征

青藏高原東南緣內(nèi)存在一些了活動(dòng)斷裂帶，其中鮮水河斷裂帶呈、龍門山斷裂帶、安寧河斷裂帶、則木河斷裂帶、小江斷裂帶、理塘-甘孜斷裂帶、紅河斷裂帶、金沙江斷裂帶、麗江-小金河斷裂帶及龍陵-瀾滄江斷裂帶等，活動(dòng)斷裂主要呈NW、NE及近NS向展布（見表1[3]）[4]。在這些斷裂帶的圍限下，青藏高原東南緣大體可以劃分為華南塊體、巴彥喀拉塊體、川滇菱形塊體及滇西南塊體。參照以華南塊體為參照系的GPS速度場(chǎng)，巴顏喀拉塊體呈現(xiàn)出東向運(yùn)動(dòng)，并受到華南塊體的阻擋作用，川滇塊體則在鮮水河-小江斷裂帶的轉(zhuǎn)換作用下發(fā)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)CRUST1.0，青藏高原東南緣石圈各圈層厚度自西向東逐漸減薄，上中下地殼平均厚度分別為22km、16km、11.5km。其中下地殼下邊界最深為71.76公里，位于研究區(qū)西北部的羌塘地塊區(qū)內(nèi)，下地殼最淺處則位于華南板塊內(nèi)，約30公里。

2青藏高原東南緣三維有限元模型

本文以青藏高原東南緣主要活動(dòng)斷裂及基本活動(dòng)塊體單元為基礎(chǔ)構(gòu)建三維粘彈性有限元模型。為了使模型更接近青藏高原東南緣的實(shí)際環(huán)境，網(wǎng)格化過程中，橫向網(wǎng)格剖分采用自適應(yīng)非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分技術(shù)（見圖1），縱向網(wǎng)格剖分根據(jù)巖石圈圈層結(jié)構(gòu)剖分，以各圈層分界面為中心，分別向上和向下按照一定的厚度劃分網(wǎng)格。因?yàn)檠芯繀^(qū)內(nèi)下地殼下邊界最深約為71公里，最薄的巖石圈圈層處約9公里，因此，縱向網(wǎng)格化時(shí)，自地表向下，80km深的地幔處向上，以各巖石圈層分界面為中心，分別向上和向下按照4km厚度縱向劃分網(wǎng)格，即在縱向上一共劃分為13層網(wǎng)格。

在設(shè)置巖石參數(shù)時(shí)，活動(dòng)斷裂帶用弱化帶代替，活動(dòng)塊體采用等效巖石物質(zhì)參數(shù)代替。本文將參照前人的研究成果設(shè)置各個(gè)主要塊體和斷裂帶的巖石物性（見表2）。

根據(jù)地質(zhì)資料及GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)等，青藏高原在北向運(yùn)動(dòng)過程中受到羌塘地塊的阻擋作用，高原內(nèi)物質(zhì)橫向擠出時(shí)受到華南板塊的阻擋，所以，在設(shè)置三維模型的位移邊界條件時(shí)，將研究區(qū)的北部和東部做約束是恰當(dāng)?shù)腫5]。具體做法是將三維模型的北部側(cè)面做南北向約束，東西向自由，東部側(cè)面做東西向約束，南北向自由，同時(shí)將模型底部做垂直方向的約束，水平向自由；其余位置則設(shè)置為自由邊界條件（見表3）。

由于印度板塊在與歐亞板塊碰撞過程向下俯沖，根據(jù)Anderson斷層理論，該區(qū)域的最大主應(yīng)力方向與板塊邊界垂直，所以，我們沿著碰撞帶邊界對(duì)該區(qū)域施加載荷，其余邊界則按照活動(dòng)斷裂的性質(zhì)確定施加邊界載荷的方向（見表4）。

3模擬結(jié)果分析

圖2為青藏高原東南緣上地殼的節(jié)點(diǎn)位移場(chǎng)，從模型內(nèi)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的整體趨勢(shì)來看，青藏高原東南緣內(nèi)的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為由北部的北東-北北東向運(yùn)動(dòng)，到中部順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為南東-南南東向，再到南部旋轉(zhuǎn)為南西向運(yùn)動(dòng)，反映出了青藏高原東南緣物質(zhì)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的特征。模擬結(jié)果表明，數(shù)值模擬計(jì)算的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)位移場(chǎng)與實(shí)測(cè)的GPS速度場(chǎng)基本吻合。

圖3和圖4分別為單位長(zhǎng)度的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力在水平面上的投影，圖中線段長(zhǎng)度代表在水平面上投影的長(zhǎng)度，線段越長(zhǎng)說明主應(yīng)力方向與水平面的夾角越小，與Z軸的夾角越大，即主應(yīng)力越接近水平方向。線段越短說明主應(yīng)力方向與Z軸夾角越小，主應(yīng)力方向越接近于垂直。從圖中可知，在甘孜-玉樹斷裂帶，鮮水河斷裂帶以西的地區(qū)，最大主應(yīng)力近水平，方向從北北東向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為近東西向，最小主應(yīng)力以垂向?yàn)橹鳎虼耍鶕?jù)安德森斷層理論可知，最大主應(yīng)力水平和最小主應(yīng)力垂直的分布特征表明該地區(qū)為逆沖斷層區(qū)。在鮮水河斷裂帶、龍門山斷裂帶及昆侖山斷裂帶上，最小主應(yīng)力和最大主應(yīng)力均水平，中間主應(yīng)力垂直，因此，這三條斷裂帶應(yīng)為走滑性斷裂帶。在這三條斷裂帶所圍限的塊體內(nèi)，最小主應(yīng)力垂直，最大主應(yīng)力水平，表明該區(qū)域?yàn)槟鏇_區(qū)。在安寧河斷裂帶、則木河斷裂帶和小江斷裂帶上，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均水平，此處應(yīng)為走滑斷裂帶。因?yàn)樽畲笾鲬?yīng)力方向呈北西向，最小主應(yīng)力北北東向，因此，此處表現(xiàn)為左旋走滑的特征。在安寧河斷裂帶、則木河斷裂帶和小江斷裂帶以西的區(qū)域，整體上表現(xiàn)為最大主應(yīng)力垂直，最小主應(yīng)力水平，因此，該地區(qū)應(yīng)處于拉張環(huán)境的作用下。在紅河斷裂帶的中段，最大主應(yīng)力水平，最小主應(yīng)力垂直，該地區(qū)表現(xiàn)為逆沖的特征。在紅河斷裂帶的南段，最大主應(yīng)力以垂直為主，同時(shí)兼具水平向東最大主應(yīng)力，最小主應(yīng)力水平，說明該地區(qū)以拉張走滑特征為主。在滇西南的邊界處，即實(shí)皆斷裂帶附近，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均水平，且最大主應(yīng)力以近南北向?yàn)橹鳎钚≈鲬?yīng)力以近東西向?yàn)橹鳎f明該地區(qū)為南北向的走滑斷裂特征。除龍門山斷裂帶的逆沖性質(zhì)外，其余位置的模擬結(jié)果與歷史地表破裂資料、GPS資料、震源機(jī)制解等實(shí)際觀測(cè)到的活動(dòng)斷裂帶性質(zhì)基本一致。因此，可以認(rèn)為本文對(duì)青藏高原東南緣的數(shù)值模擬是合理的。因此，可以通過施加的邊界條件分析青藏高原東南緣旋轉(zhuǎn)變形的動(dòng)力來源。endprint

4動(dòng)力學(xué)環(huán)境分析

青藏高原東南緣的三維粘彈性數(shù)值模擬結(jié)果表明，藏東地區(qū)和川滇菱形塊體的西北部表現(xiàn)為逆沖區(qū)，在鮮水河-小江斷裂帶、龍門山斷裂帶和昆侖山斷裂帶上表現(xiàn)為走滑運(yùn)動(dòng)特征。在馬爾康塊體內(nèi)表現(xiàn)為逆沖特征。滇中地區(qū)及滇西南地區(qū)表現(xiàn)為拉張環(huán)境，其中，紅河斷裂帶中南段由北向南由逆沖走滑特征逐漸過渡為走滑拉張?zhí)卣鳌６嵛髂线吔缣幍膶?shí)皆斷裂帶則表現(xiàn)為近南北向的走滑斷裂帶。模擬結(jié)果與實(shí)際的震源機(jī)制解和地質(zhì)調(diào)查資料所反映的地應(yīng)力場(chǎng)特征基本一致。結(jié)果數(shù)值模擬中給定的邊界載荷條件，藏東地區(qū)及川滇菱形塊體的西北部以及馬爾康塊體所表現(xiàn)出來的逆沖環(huán)境的動(dòng)力來源于印度板塊向歐亞板塊俯沖過程中的北向擠壓和物質(zhì)的橫向擠出作用，以及穩(wěn)定的華南塊體的阻擋作用。實(shí)皆斷裂帶的走滑特征的動(dòng)力學(xué)環(huán)境來源于印度板塊北向俯沖過程中的對(duì)緬甸板塊的拉伸作用。緬甸板塊在北向走滑運(yùn)動(dòng)中對(duì)巽他板塊產(chǎn)生剪切拉伸作用，進(jìn)而使滇中塊體和滇西南塊體表現(xiàn)為拉張環(huán)境。另外，在印度板塊俯沖過程中，青藏高原南部下地殼及上地幔物質(zhì)在青藏高原巨厚地殼的阻擋作用下，下地殼和上地幔中物質(zhì)的橫向流動(dòng)對(duì)青藏高原東南緣的塊體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了一定的拖拽作用。因此，青藏高原東南緣順時(shí)針旋轉(zhuǎn)特征的動(dòng)力學(xué)環(huán)境主要受控于印度板塊對(duì)歐亞板塊的碰撞作用，穩(wěn)定的華南塊體和巴顏喀拉喀拉塊體的阻擋作用，緬甸板塊對(duì)巽他板塊的剪切拉伸作用以及下地殼和上地幔物質(zhì)流的橫向拖拽作用等的共同影響。

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作者簡(jiǎn)介：曹海波（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈厍騽?dòng)力學(xué)方向研究。endprint