大陸構(gòu)造形變場(chǎng)模型研究及其在青藏高原東緣的應(yīng)用

王閻昭

(中國(guó)地震局地質(zhì)研究所,北京 100029)

大陸構(gòu)造形變場(chǎng)模型研究及其在青藏高原東緣的應(yīng)用

王閻昭

(中國(guó)地震局地質(zhì)研究所,北京 100029)

大陸內(nèi)部形變及其動(dòng)力學(xué)機(jī)制是地學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向和熱點(diǎn)問題,多年來存在很多爭(zhēng)論。大陸構(gòu)造形變場(chǎng)模型研究對(duì)于大陸內(nèi)部形變及其動(dòng)力學(xué)機(jī)制的認(rèn)識(shí)具有重要作用。隨著對(duì)大陸形變機(jī)制認(rèn)識(shí)的不斷深化和觀測(cè)數(shù)據(jù)的增加,大陸構(gòu)造形變場(chǎng)模型研究得到了長(zhǎng)足的進(jìn)展;與此同時(shí),大地測(cè)量技術(shù)特別是GPS技術(shù)的快速發(fā)展,不僅為大陸形變場(chǎng)模型研究提供了難得的機(jī)遇,也提出了更高的要求,暴露出了很多問題,主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面:首先,隨著觀測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展和觀測(cè)數(shù)據(jù)的急劇增加,人們對(duì)地殼結(jié)構(gòu)和地殼形變的認(rèn)識(shí)越來越精細(xì),地殼的分維結(jié)構(gòu)特征也開始顯現(xiàn)出來,如何在有限的數(shù)據(jù)約束下在模型中體現(xiàn)出地殼結(jié)構(gòu)的分維特征?其次,隨著模型的改進(jìn),更多參量被引入模型當(dāng)中,但實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)有限,如何在模型參量和數(shù)據(jù)量之間尋求平衡,在有限的數(shù)據(jù)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(zhì)、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(biāo)準(zhǔn),如何讓整個(gè)研究過程更客觀合理?

針對(duì)上述問題,開展了有關(guān)大陸構(gòu)造形變場(chǎng)模型的研究工作,并將兩種模型分別應(yīng)用于青藏高原東北緣和東南緣,獲得對(duì)大陸地殼形變模式及其動(dòng)力學(xué)機(jī)制的認(rèn)識(shí)。

1 形變場(chǎng)模型研究

分別從兩種最基本的構(gòu)造形變場(chǎng)模型剛性塊體運(yùn)動(dòng)模型和斷裂位錯(cuò)模型出發(fā),發(fā)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(shè)是:①活動(dòng)塊體在發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的同時(shí),內(nèi)部還可能發(fā)生形變,圉于有限的數(shù)據(jù),模型中假設(shè)若塊體發(fā)生形變則為均勻形變;②假設(shè)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(tài),下部蠕滑層的錯(cuò)動(dòng)量則由塊體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起塊體內(nèi)部形變決定。

模型的具體內(nèi)容分為塊體劃分、參量反演和應(yīng)變能計(jì)算3部分。

塊體劃分的方法是:依據(jù)GPS速度場(chǎng)和活動(dòng)斷裂以及其他地質(zhì)地球物理資料,對(duì)研究區(qū)的活動(dòng)塊體做初步劃分。用F檢驗(yàn)的方法檢驗(yàn)塊體內(nèi)部臺(tái)站運(yùn)動(dòng)的奇異性,剔除奇異點(diǎn)或?qū)K體邊界的位置進(jìn)行調(diào)整。用剛性塊體模型反演塊體運(yùn)動(dòng)的歐拉極,同時(shí)得到模型擬合后殘差。用F檢驗(yàn)的方法檢驗(yàn)相鄰塊體的獨(dú)立性,對(duì)獨(dú)立性低于設(shè)定閾值的塊體進(jìn)行合并;重復(fù)這一過程,直至所有相鄰塊體的獨(dú)立性均高于設(shè)定閾值。

參量反演的方法是:以塊體邊界一定范圍外的臺(tái)站速率為約束,反演塊體的運(yùn)動(dòng)變形參量;利用反演結(jié)果計(jì)算塊體邊界上的錯(cuò)動(dòng)速率,用彈性位錯(cuò)模型估算塊體邊界鎖定對(duì)速度場(chǎng)的影響,并對(duì)所有臺(tái)站速率做改正;用改正后的速度場(chǎng)反演塊體運(yùn)動(dòng)變形參量;重復(fù)上述過程,直至模型擬合后的殘差達(dá)到最小值。在保持其他塊體運(yùn)動(dòng)參量個(gè)數(shù)不變的情況下,將塊體的參量個(gè)數(shù)逐個(gè)由3個(gè)增加到6個(gè),即允許塊體內(nèi)部發(fā)生均勻形變,用F檢驗(yàn)的方法比較某一塊體運(yùn)動(dòng)參量增加前后模型擬合后殘差,若均勻形變顯著性超過設(shè)定閾值,則在后面的反演過程中始終保持該塊體參量個(gè)數(shù)為6個(gè);重復(fù)以上過程,直至所有塊體參量都不再增加。

應(yīng)變能的計(jì)算方法是:發(fā)展塊體內(nèi)部應(yīng)變率矩陣分解模型,將可形變塊體模型反演得到的塊體內(nèi)部應(yīng)變率矩陣進(jìn)行分解,得到分別對(duì)應(yīng)于兩個(gè)斷裂面走向平行的位錯(cuò)源的應(yīng)變率矩陣,用于計(jì)算塊體內(nèi)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(cuò)動(dòng)速率計(jì)算塊體邊界上的“等效地震矩積累率”;用地震目錄的震級(jí)資料計(jì)算塊體邊界帶和塊體內(nèi)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(shè)是:①假設(shè)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(tài);②被斷裂圍限區(qū)域的地殼運(yùn)動(dòng)具有一定整體性,同時(shí)斷裂交接部位可能發(fā)生局部形變。

連接斷層元模型的基本原理是:通過彈性位錯(cuò)模型建立GPS速度場(chǎng)與斷裂錯(cuò)動(dòng)速率之間的定量關(guān)系;通過誤差方程的形式對(duì)斷層的錯(cuò)動(dòng)量施加約束,對(duì)斷層錯(cuò)動(dòng)的走滑分量施加連續(xù)性約束條件,對(duì)斷層錯(cuò)動(dòng)的擠壓/拉張分量施加限制性條件;運(yùn)用最小二乘法通過GPS速度場(chǎng)反演斷裂錯(cuò)動(dòng)速率。其中對(duì)斷層走滑速率施加的兩種極端約束條件分別對(duì)應(yīng)兩種極端模型:當(dāng)施加嚴(yán)格約束條件時(shí),對(duì)應(yīng)于塊體模型;當(dāng)不施加任何約束條件時(shí)則對(duì)應(yīng)于斷裂模型。通過施加適當(dāng)?shù)募s束條件,使得模型在保證一定塊體整體運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性的同時(shí),允許相鄰斷裂段接合處發(fā)生局部形變,從而能夠更合理地模擬地表形變場(chǎng)。對(duì)擠壓/拉張分量施加的限制性條件主要是為了防止由于數(shù)據(jù)約束不足造成的斷裂擠壓/拉張速率被過高估計(jì)。

具體的做法是:依據(jù)已有活動(dòng)斷裂和相關(guān)地質(zhì)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(dòng)速率,擬合GPS速度場(chǎng);通過模型擬合結(jié)果和實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的比較,調(diào)整斷層模型和約束條件;重復(fù)上述過程,在參量解析度與擬合后殘差的折中關(guān)系中尋得最佳值,最終得到有限參量與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)相吻合的最佳模型。

2 形變場(chǎng)模型在青藏高原東緣的應(yīng)用

青藏高原及其周邊地區(qū)是目前大陸內(nèi)部變形最強(qiáng)烈、地震活動(dòng)性最強(qiáng)的地區(qū)。其構(gòu)造演化機(jī)制一直是大陸動(dòng)力學(xué)研究的熱點(diǎn)和前沿。青藏高原東緣地區(qū)是高原隆升發(fā)展的前沿,是正在形成中的高原,是研究大陸內(nèi)部變形和高原隆升機(jī)制的理想地點(diǎn)。這里地震活動(dòng)頻繁,是中國(guó)大陸內(nèi)部最強(qiáng)烈的地震帶,控制著一系列歷史強(qiáng)震的發(fā)生,是研究地震孕育發(fā)生機(jī)制的天然試驗(yàn)場(chǎng)。對(duì)這一地區(qū)的地殼應(yīng)變分配方式和斷裂活動(dòng)性的定量研究將為地震危險(xiǎn)性評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持,進(jìn)而為地震預(yù)報(bào)服務(wù),具有十分重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。這里又是中國(guó)大陸內(nèi)部GPS臺(tái)站分布密度最高的地區(qū)之一,能夠?yàn)槟Ｐ吞峁┹^好的約束,也便于對(duì)研究區(qū)內(nèi)相對(duì)精細(xì)的結(jié)構(gòu)開展研究。前人已經(jīng)在這一地區(qū)開展了大量的研究工作,不僅能夠?yàn)槟Ｐ偷慕⑻峁└S富的信息,而且也便于對(duì)結(jié)果的比較和解釋。

依據(jù)青藏高原東北緣GPS速度場(chǎng)和前人在這一地區(qū)的研究成果,將研究區(qū)劃分為16個(gè)活動(dòng)塊體并分析其運(yùn)動(dòng)特征。以青藏高原東北緣地區(qū)(90°～110°E,28°～42°N)GPS速度場(chǎng)為約束,采用可形變塊體模型,同時(shí)考慮邊界鎖定效應(yīng),反演塊體運(yùn)動(dòng)變形參量的同時(shí)對(duì)塊體邊界上的錯(cuò)動(dòng)速率做出估計(jì)。采用F檢驗(yàn)的方法剔除奇異點(diǎn)、檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭邢噜弶K體的獨(dú)立性、塊體內(nèi)部均勻形變的顯著性以及塊體邊界的活動(dòng)性。F檢驗(yàn)的結(jié)果顯示10個(gè)塊體內(nèi)部形變的顯著性超過95%。阿拉善、鄂爾多斯和民勤塊體平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)速率都很小,內(nèi)部形變不顯著或應(yīng)變率值較低,是研究區(qū)內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定的塊體,對(duì)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(qū)域發(fā)生強(qiáng)烈擠壓變形,對(duì)其南側(cè)塊體的北東向運(yùn)動(dòng)起到緩沖作用。被海原、東昆侖和龍門山斷裂所圍限的區(qū)域內(nèi)塊體在整體向北東方向運(yùn)動(dòng)的同時(shí),由北西向南東塊體平動(dòng)方向發(fā)生順時(shí)針偏轉(zhuǎn),同時(shí)塊體繞自身幾何中心做順時(shí)針旋轉(zhuǎn),塊體內(nèi)應(yīng)變率值由西向東逐漸減弱。青藏高原東北緣地區(qū)的斷裂按其走向和性質(zhì)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(zhì),具有較高的滑動(dòng)速率,對(duì)該地區(qū)的地殼運(yùn)動(dòng)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(zhì),滑動(dòng)速率相對(duì)北西西向斷裂較弱,對(duì)該地區(qū)地殼活動(dòng)起調(diào)節(jié)作用。北東-北北東走向的斷裂則既有左旋性質(zhì)也有右旋性質(zhì)。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(shí),采用剖面投影方法計(jì)算了主要斷裂的錯(cuò)動(dòng)速率,并用F檢驗(yàn)的方法檢驗(yàn)了各條斷裂的活動(dòng)性,所得結(jié)果與用可形變塊體模型所得結(jié)果基本一致。另外,研究區(qū)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(dòng)性分別達(dá)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(jié)果估算塊體內(nèi)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(nèi)部和邊界地震能量釋放的比值約為0.36,二者相當(dāng)吻合。

以GPS數(shù)據(jù)給出的川滇地區(qū)(96°～108°E,21°～35°N)速度場(chǎng)為約束,依據(jù)研究區(qū)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(qū)主要活動(dòng)斷層的現(xiàn)今錯(cuò)動(dòng)速率。結(jié)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(shì)能作用造成青藏高原物質(zhì)東向擠出。遇到來自穩(wěn)定華南塊體的阻擋后,高原東南部物質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定歐亞板塊轉(zhuǎn)向南東方向繼而向南運(yùn)動(dòng),使得川滇地區(qū)圍繞喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),造成川滇地塊東側(cè)斷裂作左旋走滑活動(dòng),而其西側(cè)斷裂以右旋走滑活動(dòng)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(gòu)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(gòu)成,而是在較寬范圍內(nèi)形成的一條右旋剪切帶。位于紅河斷裂北東側(cè)的南華—楚雄—建水?dāng)嗔押臀髂蟼?cè)的無量山、龍陵—瀾滄斷裂活動(dòng)性較強(qiáng),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(dòng)。但金沙江斷裂目前基本不活動(dòng),紅河斷裂的活動(dòng)性不強(qiáng)。龍門山一帶在汶川地震發(fā)生前地殼活動(dòng)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(nèi)部的一些斷裂表現(xiàn)出較強(qiáng)的活動(dòng)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(nóng)希斷裂及其周邊地區(qū)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(dòng)性強(qiáng)于北段和南段,達(dá)到左旋走滑5.4±1.2 mm/a,拉張0.5±1.0mm/a。與此同時(shí),討論了不同斷裂鎖定深度對(duì)結(jié)果的影響,并得到鮮水河斷裂的鎖定深度為15 km,70%置信區(qū)間為11～19 km。

3 對(duì)大陸形變模式及其動(dòng)力學(xué)機(jī)制的認(rèn)識(shí)

連接斷層元模型在青藏高原東南緣地區(qū)的研究結(jié)果顯示,該地區(qū)存在多條錯(cuò)動(dòng)速率非常有限的活動(dòng)斷裂,將地殼分割成多個(gè)相互運(yùn)動(dòng)的地塊?？尚巫儔K體模型在青藏高原東北緣地區(qū)的研究結(jié)果顯示,該地區(qū)地殼形變方式表現(xiàn)為一系列百公里尺度的小型塊體的相對(duì)運(yùn)動(dòng),塊體內(nèi)部和邊界應(yīng)變能的積累速率之比約為0.31:1,塊體內(nèi)部和邊界上地震釋放能量之比約為0.36:1。整個(gè)青藏高原東緣地區(qū)的地殼應(yīng)變能積累主要集中在斷裂帶上,但活動(dòng)塊體內(nèi)部的應(yīng)變能也不容忽視。結(jié)合青藏高原東緣的深部結(jié)構(gòu)和各向異性研究結(jié)果,認(rèn)為青藏高原及其周邊地區(qū)的地殼厚度自高原內(nèi)部向外逐漸減薄,青藏高原東緣地區(qū)下地殼和(或)上地幔出現(xiàn)不連續(xù)的軟弱帶,上下地殼或地殼與地幔之間發(fā)生部分解耦,造成該地區(qū)地殼強(qiáng)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(qū)的地殼物質(zhì)同時(shí)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(duì)運(yùn)動(dòng)和塊體內(nèi)部的變形實(shí)現(xiàn)地殼整體的順時(shí)針旋轉(zhuǎn),地殼物質(zhì)向南東方向的運(yùn)移造成龍門山地區(qū)的應(yīng)力積累,同時(shí)推擠著四川盆地一起向南東方向運(yùn)動(dòng)。甘孜—玉樹—鮮水河斷裂以南地區(qū)的地殼物質(zhì)則在青藏高原內(nèi)部物質(zhì)東向擠出和重力勢(shì)能的作用下向阻擋作用很弱的南部地區(qū)運(yùn)動(dòng),造成東側(cè)鮮水河—小江斷裂帶的左旋走滑活動(dòng)和西側(cè)寬闊的右旋剪切形變帶。青藏高原東緣地區(qū)的構(gòu)造形變場(chǎng)既不表現(xiàn)為“大陸逃逸”模式,也不表現(xiàn)為“連續(xù)形變”模式,而是介于兩者之間。大陸構(gòu)造形變場(chǎng)主要取決于巖石圈的流變學(xué)結(jié)構(gòu)和巖石圈所受構(gòu)造作用,當(dāng)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(qiáng)度,在同等的構(gòu)造應(yīng)力作用下巖石圈不易發(fā)生破裂和變形,僅存在數(shù)量很少的切割整個(gè)巖石圈的斷裂,因而能夠被“大陸逃逸”假說較好的解釋。當(dāng)中下地殼或上地幔出現(xiàn)大范圍連續(xù)軟弱層,上下地殼或地殼與地幔發(fā)生解耦,地殼強(qiáng)度較低,在同等構(gòu)造應(yīng)力的作用下容易發(fā)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(xù)形變”假說較好的解釋。當(dāng)中下地殼或上地幔存在不連續(xù)軟弱層,上下地殼或地殼與地幔發(fā)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(chǎng);應(yīng)變能;形變模式;錯(cuò)動(dòng)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)