鮮水河斷裂運(yùn)動的位錯模型研究

姚曉偉，胡永杰，彭 勇

（1.新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

鮮水河斷裂運(yùn)動的位錯模型研究

姚曉偉1，胡永杰1，彭 勇1

（1.新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

首先基于位錯理論模型模擬了單一斷層以3種不同方式及同種方式不同傾角滑動引起的地表形變，然后利用位錯模型模擬了鮮水河斷裂帶的斷層運(yùn)動及其引起的地表水平形變，并與該區(qū)域2001～2004年實(shí)測的GPS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出如下結(jié)論：①單斷層位錯模擬結(jié)果表明，矩形斷層滑動方式對形變的大小和方向有影響，對地表形變場的分布特征幾乎沒有影響，且斷層傾角大小影響地表形變的變形機(jī)制（水平和垂直形變的方向）。②鮮水河斷裂帶區(qū)域地殼運(yùn)動的位錯模擬結(jié)果與GPS數(shù)據(jù)具有較好的一致性。

鮮水河斷裂帶；斷層滑動；位錯理論

自1958年STEKETEE[1]將位錯理論引入地學(xué)研究以來，描述斷層運(yùn)動和地表位場關(guān)系的位錯理論得到了長足的發(fā)展。鮮水河斷裂帶是川滇地區(qū)巴顏喀拉塊體和羌塘塊體的分界線，晚第四紀(jì)剪切變形顯著，歷史上多有強(qiáng)震發(fā)生，且每次強(qiáng)震都給人們造成巨大的損失[2]。正是由于地震的危害性以及鮮水河斷裂帶地震活動特征，所以我們有必要對鮮水河斷裂帶進(jìn)行更全面、更深入的研究，本文將基于位錯模型對鮮水河斷裂帶斷層全段的內(nèi)部滑動引起的內(nèi)部形變進(jìn)行正演模擬研究，以期對其構(gòu)造活動進(jìn)行更好的解釋。

1 斷層滑動與地表形變關(guān)系

地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動是一種長期的變形及運(yùn)動，在很長的時間尺度上主要表現(xiàn)為粘性、塑性。但在較短時間尺度的荷載作用下，如同震破裂等，可將地殼近似看成彈性體。

1958年STEKETEE首次將位錯理論用來描述斷層運(yùn)動，導(dǎo)出了泊松體內(nèi)點(diǎn)源位錯產(chǎn)生的地表位移場。在各向同性介質(zhì)中，穿過斷層面dΣ的位錯Δuj(ξ1,ξ2,ξ3)產(chǎn)生的地表點(diǎn)（x1，x2，x3）的位移場ui可表示為[1]：

2 基于位錯理論模型的單一斷層模擬

本節(jié)對斷層滑動引起的地表形變空間分布特征進(jìn)行了模擬，為不失一般性，本文僅對單一斷層進(jìn)行模擬。斷層面長度為100 km，寬50 km，埋深50 km，斷層走向90°；彈性介質(zhì)拉梅常數(shù)λ=0.24，μ=0.25。對斷層走滑U1=0．1 m，傾滑U2=0．1 m，張開U3=0．1 m的滑動方式以及傾角不同模擬結(jié)果的影響分別進(jìn)行討論，以深入的理解和認(rèn)識不同滑動方式對地表形變結(jié)果的差異。見圖1～3。

由圖1～3可知，斷層走滑時，近場的形變要大于遠(yuǎn)場的形變，地表水平形變隨著地面點(diǎn)距斷層面距離的增大，形變的方向與走滑方向的夾角越大，圖的上半部分水平形變呈順時針方向趨勢，下半部分呈逆時針方向趨勢；地表的垂直形變則呈左右趨勢對稱且集中在斷層的兩端，隨傾角變大，垂直形變的區(qū)域變小。斷層傾滑時，近場的形變要大于遠(yuǎn)場的形變，地表水平形變隨著地面點(diǎn)距斷層面的距離的增大，形變的方向與傾滑方向的夾角越大，圖的右半部分水平形變呈順時針方向趨勢，左半部分呈逆時針方向趨勢；地表的垂直形變則呈上下對稱的趨勢且集中在斷層的兩端，隨傾角變大，垂直形變的區(qū)域稍微變小，除了斷層面及其左右附近，垂直形變方向則關(guān)于傾滑的垂直方向有對稱相反的趨勢。斷層張開時，近場的形變要大于遠(yuǎn)場的形變，地表水平形變隨著地面點(diǎn)距斷層面的距離增大，形變方向與張開方向的夾角越大，圖的左半部分水平形變呈順時針方向趨勢，右半部分呈逆時針方向趨勢；傾角為30°時地表的垂直形變據(jù)斷層面越遠(yuǎn)就越小，隨傾角變大，斷層面及圖的下半部分垂直形變?yōu)檎?，圖的上半部分?jǐn)鄬用娓浇鼊t會出現(xiàn)少量的負(fù)值，垂直形變方向則關(guān)于張開的方向有左右對稱的趨勢。

圖1 走滑U1=0.1 m位移結(jié)果

圖2 位移U2=0.1 m位移結(jié)果

圖3 張開U3=0.1 m位移結(jié)果

綜上所述，地表形變的量值或幅度與斷層位錯方式以及傾角緊密相關(guān)，相同的位錯量，位錯方式不同形變量的大小和方向不同；相同的形變量和形變方式，傾角的不同，則形變量的大小與方向也不相同，且傾角的變化對形變的大小以及方向有較大的影響；但是無論以何種方式滑動以及傾角的變化，斷層近場區(qū)域的水平形變和垂直形變要大于遠(yuǎn)場的水平形變值，這與同震過程中斷層破裂的近場劇烈性有關(guān)。

3 基于位錯模型的鮮水河斷裂帶水平形變正演模擬

鮮水河斷裂帶屬于鮮水河-小江斷裂帶的北段，南與安寧河斷裂帶在康定一帶相接，北與甘孜-玉樹斷裂斜列，終止于東谷、甘孜一帶。在本斷裂帶上特定的地段有爐霍段、道孚段和乾寧段[5]。在旦都附近，斷裂東北側(cè)發(fā)育一組北北西向的分支斷裂，與主干斷裂成銳角相交，為擠壓剪切性質(zhì)。另外，據(jù)區(qū)域觀測資料，在斷裂南段折多山，印支-燕山期花崗巖被左旋錯開15 km，可見斷裂在中生代以后的活動性質(zhì)已是左旋為主。

由于GPS獲取的垂直速度場誤差較大, 模擬中僅使用 GPS 水平速度場（中國地殼運(yùn)動觀測網(wǎng)絡(luò)2001～2004年GPS數(shù)據(jù)）。由于鮮水河斷裂帶斷層傾角資料相對較少, 可靠性不高，且斷層形態(tài)復(fù)雜，僅由斷層傾角變化不能準(zhǔn)確的描述；在模型中考慮斷層傾角的影響可能對模型本身的改善并不明顯，反而會帶來更多不確定性[6]， 因此，本文參考文獻(xiàn)[6]的研究成果，斷層寬度、深度和傾角都取了近似且相同的值，模型中約定所有斷層的傾角都是90°。聞學(xué)澤等[7-9]已做了鮮水河的斷層分段研究，斷層分段依據(jù)參考文獻(xiàn)[9]的結(jié)果。

本文基于位錯理論模型，根據(jù)本地區(qū)的斷層數(shù)據(jù)對鮮水河斷裂帶2001～2004年間主要斷層滑動引起的地表水平形變進(jìn)行了正演模擬，并與鮮水河斷裂帶區(qū)域經(jīng)過處理的2001～2004年的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，對比結(jié)果如圖4所示，滑動參數(shù)如表1所示。

圖4 鮮水河斷裂帶及其附近區(qū)域的模擬形變與內(nèi)部形變

由表1及圖4可知，在印度板塊與歐亞板塊持續(xù)的碰撞擠壓以及青藏高原物質(zhì)重力滑塌的作用下，川滇菱形塊體的東向運(yùn)動受到了東北邊界鮮水河斷裂帶的阻擋，在構(gòu)造應(yīng)力的作用下，鮮水河斷裂帶表現(xiàn)出一定的滑動性質(zhì)。整體上講，鮮水河斷裂帶以左旋的走滑運(yùn)動為主，這與許多學(xué)者的結(jié)論一致。其最大滑動量可達(dá)1．80 cm/a，鮮水河斷裂帶中段呈現(xiàn)出一定的擠壓特征，最大滑動量可達(dá)0．6 cm/a，而其東段和西段具有一定的轉(zhuǎn)換構(gòu)造樣式，與文獻(xiàn)[6]研究結(jié)果基本一致。這可能與鮮水河斷裂帶東西兩段復(fù)雜的構(gòu)造樣式以及該區(qū)域廣為分布的深大活動斷裂帶密切相關(guān)，且西甘孜-玉樹斷裂東段與其西段交匯，安寧河斷裂、龍門山斷裂和鮮水河斷裂在其東段斜交。

表1 鮮水河斷裂帶各子斷層滑動參數(shù)

4 結(jié) 語

本文首先基于位錯理論模型模擬了單一斷層滑動引起的地表形變，然后基于位錯模型模擬了鮮水河斷裂帶斷層運(yùn)動所引起的地表水平形變，并與GPS資料進(jìn)行比較，得出如下結(jié)論：①單斷層位錯模擬結(jié)果表明，矩形斷層滑動方式對形變的大小和方向有影響，對地表形變場的分布特征幾乎沒有影響，且斷層傾角大小影響地表形變的變形機(jī)制（水平和垂直形變的方向）；②鮮水河斷裂帶區(qū)域地殼運(yùn)動的位錯模擬結(jié)果與GPS數(shù)據(jù)具有較好的一致性。

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P227

B文章編號：1672-4623（2017）06-0061-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.06.018

姚曉偉，碩士，研究方向?yàn)榈貧ば巫兣c地球動力學(xué)、測量數(shù)據(jù)處理。

2016-01-19。

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41374028）。