青藏高原東北緣及其周邊地區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應力場及地震活動性

馮 兵 郝 明 張志朋 張曉曈 朱飛鴻 朱良玉 王文青 柴旭超 惠 航

1 中國地震局第二監(jiān)測中心，西安市西影路316號，710054

關(guān)于青藏高原形成的動力學機制歷來存在2種假說：一種觀點認為在青藏高原隆升過程中，大陸構(gòu)造形變主要由大型斷裂的走滑運動及剛性塊體的滑動引起，形變量主要來自于塊體邊界的滑動，即“大陸逃逸學說”[1-2]；另一種觀點認為印度次大陸與歐亞大陸的碰撞引起巖石圈增厚，大陸形變主要為地殼的縮短及增厚，即“地殼增厚模式”[3]。長期以來，國內(nèi)外眾多學者對青藏高原的形成原因進行了深入研究與分析。England等[4]認為青藏高原的碰撞與剛性大洋板塊不同，大陸表現(xiàn)出彌散現(xiàn)象，并指出相對強烈的塔里木盆地周圍的應力集中導致了北面天山的局部地殼增厚和南緣阿爾金山斷裂帶的走滑。青藏高原昆侖山斷裂帶以南地區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造運動形變以走滑斷層體系運動為主，而以北區(qū)域(包括祁連塊體、阿拉善塊體)主要以彌散的擠壓形變?yōu)橹?，其擠壓變形強度明顯弱于天山擠壓帶[5-6]。Tapponnier等[2]認為亞洲地幔塊體是在喜馬拉雅山以北的山脈下發(fā)生相繼俯沖，并指出該俯沖為側(cè)向傾滑俯沖，同時伴有沿著左側(cè)走滑斷層體系的擠出作用，這可以合理解釋青藏高原向東和東北方向增長的現(xiàn)象。獨知行等[7]指出中國西北部地區(qū)的塊體主要向東西2個方向運動，向西運動的塊體以塔里木塊體、天山塊體等為主，向東運動的塊體以阿拉善塊體、祁連塊體、柴達木塊體為主。張培震[8]在研究青藏高原東北邊界的川西地區(qū)時指出，青藏高原東邊界的構(gòu)造可以近似看作連續(xù)的弧形旋轉(zhuǎn)構(gòu)造變形，這種變形可能與深部動力學驅(qū)動機制存在巨大聯(lián)系。GPS測量結(jié)果顯示，青藏高原及其邊緣地區(qū)(喜馬拉雅山、阿爾金山和祁連山等區(qū)域)的形變量吸收了印度板塊與歐亞板塊之間90%以上的相對運動，高原邊界表現(xiàn)為地殼增厚，內(nèi)部活動以走滑剪切應變?yōu)橹鱗9]。Wang等[10]分析25 a的中國大陸GPS數(shù)據(jù)，認為青藏高原大的變形梯度垂直于亞歐板塊與印度板塊的相對運動。

青藏高原東北緣地區(qū)曾發(fā)生過多次大型殼內(nèi)地震，一直是學者們重點關(guān)注的區(qū)域。構(gòu)造應力場是地殼形變運動的重要內(nèi)容，是反映地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)和應力性質(zhì)的重要方式，對探究地殼內(nèi)部動力學過程至關(guān)重要。目前對于青藏高原東北緣的區(qū)域構(gòu)造應力場的研究多是基于平面區(qū)域進行劃分，并未從深度的角度進行相應的應力場分析。本文試圖從這一角度出發(fā)，通過震源機制解數(shù)據(jù)對青藏高原東北緣地區(qū)的地殼應力場進行研究，以期得到關(guān)于地殼內(nèi)部應力場及其變化的具體細節(jié)。

1 數(shù)據(jù)資料與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

本次共搜集到1976～2020年青藏高原東北緣及其周邊地區(qū)371個震源機制解，震中空間分布如圖1所示。其中1976～2000年數(shù)據(jù)來源于GCMT(https:∥www.globalcmt.org/)，共43個震源機制解，震級范圍為MW≥4.5；2001～2005年數(shù)據(jù)來源于文獻[11]，共242個震源機制解，震級范圍為ML≥3.0；2006～2011-11數(shù)據(jù)來源于GCMT，震源機制解個數(shù)為64個，震級范圍為MW≥4.5；2011-11～2019-01數(shù)據(jù)來源于文獻[12]，震源機制解個數(shù)為16個，震級范圍為ML≥3.0；2019-02～2020年數(shù)據(jù)來源于GCMT，震源機制解個數(shù)為6個，震級范圍為MW≥4.5。GCMT矩心矩張量解的反演數(shù)據(jù)主要采用體波、地幔波、長周期面波聯(lián)合反演的結(jié)果，大于5級地震(包括部分震相資料較豐富的小于5級的地震)的矩心矩張量解具有較穩(wěn)健的結(jié)果，因此本研究中GCMT震源機制解反演應力場的相應誤差在可控范圍內(nèi)。同時本研究還收集到關(guān)于青藏高原東北緣的15 062個有感地震目錄，時間為2018～2020年，震中空間分布如圖2所示，地震目錄來源于國家地震科學數(shù)據(jù)中心(https:∥data.earthquake.cn/)。

圖2 青藏高原東北緣2018～2020年震中分布及深度剖面震中分布Fig.2 The distribution of epicenters and depth profile epicenters in northeastern Tibetan plateau from 2018 to 2020

1.2 研究方法

本研究采用的計算程序為MSATSI[13-15]。該方法可反演出相關(guān)區(qū)域的最大主應力軸(σ1)、中間主應力軸(σ2)、最小主應力軸(σ3)的走向和傾伏角及應力強度因子R。在構(gòu)造應力場反演中，設(shè)置應力場反演的相關(guān)約束條件，正確選擇斷層面的比例為0.5；自助重采樣數(shù)迭代次數(shù)為1 000次，遠遠大于軟件本身默認的500次；置信區(qū)間為95%；由于本次研究的地震震級均≥3.0，震源機制解可信度較高，故將反演應力場的最少個數(shù)設(shè)置為3個。關(guān)于約束條件的算法細節(jié)可參考文獻[13]。

2 青藏高原東北緣分區(qū)及應力場結(jié)果分析

2.1 分區(qū)說明

先按照1°×1°經(jīng)緯度網(wǎng)格分區(qū)進行應力場反演，具體分區(qū)如圖3及表1所示。然后將收集到的震源機制解數(shù)據(jù)按照2°×2°經(jīng)緯度網(wǎng)格相應分配到0～10 km、10～15 km、15～20 km、20～25 km、25～33 km深度內(nèi)，對于缺少震源機制解數(shù)據(jù)的相關(guān)地區(qū)不進行反演。對于震源機制，P軸表征的是一次地震發(fā)生的壓縮應力狀態(tài)，T軸表征的是一次地震發(fā)生的拉張應力狀態(tài)。因此，根據(jù)P軸和T軸分布可有效認識區(qū)域地震的應力狀態(tài)和運動變化。根據(jù)青藏高原東北緣及其周邊地區(qū)震源機制解P軸、T軸分布(圖4)可以看出，青藏高原東北緣區(qū)域的北西端中大型地震主要集中于阿爾金斷裂帶、祁連山斷裂帶、海原斷裂及六盤山斷裂一線，其中應力軸反映最強烈的區(qū)域位于祁連山斷裂帶中部的門源斷裂及冷龍嶺斷裂，應力軸方向變化較大。青藏高原東北緣區(qū)域北東段中大型地震主要發(fā)生于西秦嶺北緣斷裂與白龍江斷裂之間的復雜斷裂系統(tǒng)及龍門山斷裂帶的北部區(qū)域，P軸、T軸隨著斷裂帶的變化具有明顯的不一致性。

圖(a)中，紅色箭頭表示GPS速度變化，藍色箭頭表示速度場趨勢，GPS數(shù)據(jù)來源于文獻[10]；圖(b)中，紅色細軸為σ1軸，綠色細軸為σ2軸，藍色細軸為σ3軸，紅色大雙線箭頭為應力場趨勢圖3 青藏高原東北緣GPS速度場分布及1°×1°構(gòu)造應力場結(jié)果Fig.3 The distribution of GPS velocity field and 1°×1° tectonic stress field in northeastern Tibetan plateau

紅色箭頭表示震源機制解P軸分布，藍色箭頭表示震源機制解T軸分布圖4 青藏高原東北緣震源機制解P軸、T軸分布Fig.4 Distribution of P-axis and T-axis of focalmechanism solutions in northeastern Tibetan plateau

2.2 應力場反演結(jié)果及分析

從圖3(a)可以看出，青藏高原東北緣地表地殼形變發(fā)生強烈的順時針旋轉(zhuǎn)；從圖3(b)和表1來看，青藏高原東北緣內(nèi)部區(qū)域的1～10區(qū)主壓應力軸呈現(xiàn)出由NNE向轉(zhuǎn)為NE向的趨勢，這與塊體GPS速度場(圖3(a))運動方向大體一致，反映出該區(qū)域的構(gòu)造應力場與水平地殼運動具有較強的運動一致性。青藏高原東北區(qū)域邊界(包括祁連山斷裂帶、海原斷裂、六盤山斷裂、西秦嶺斷裂帶及龍門山斷裂帶北部)發(fā)生大規(guī)模的應力場順時針旋轉(zhuǎn)過程與前人的研究結(jié)果基本一致[6]。從圖3(b)主壓應力軸分布與最大水平主壓應力方位(圖5)可以看出，青藏高原東北緣區(qū)域應力軸發(fā)生順時針偏轉(zhuǎn)主要受到祁連塊體、塔里木塊體、阿拉善塊體的相互推擠作用。在其外緣最大主壓應力由西向東呈現(xiàn)出順時針旋轉(zhuǎn)的特征，即最大主壓應力軸由西段近NNE向轉(zhuǎn)為中段NE向，到東段轉(zhuǎn)至NWW向，該區(qū)力源來自印度板塊向歐亞板塊的擠壓。從圖3(b)、圖5還可以看出，在祁連山中段的13、14區(qū)與17、18區(qū)交界處及26、27、28區(qū)與35、36區(qū)的中間區(qū)域，應力場偏轉(zhuǎn)非常強烈。結(jié)合圖2中地震震中分布可以看出，地震活動強烈的區(qū)域主要集中在祁連山中段(冷龍嶺斷裂、門源斷裂)、南北地震帶北段區(qū)域(西秦嶺斷裂帶、白龍江斷裂)，因此這些區(qū)域應為大震預防的重點區(qū)域，這與王啟欣等[16]通過GPS數(shù)據(jù)分析得到的地震危險區(qū)一致。由圖5可知，青藏高原東北緣區(qū)域內(nèi)部斷層體系較復雜，外邊緣斷層體系以逆沖擠壓為主。這也反映出青藏高原向北擠壓過程中祁連塊體受到來自阿拉善塊體、鄂爾多斯塊體的運動阻擋，巴顏喀拉塊體受到華南塊體的剛性阻擋，最終導致青藏高原東北緣邊界的地殼增厚和側(cè)向擠出。

綠色表示走滑斷層體系，藍色表示逆沖斷層體系，黑色表示斜滑斷層體系圖5 1°×1°最大水平主應力軸分布Fig.5 The distribution of 1°×1° maximum horizontal principal stress axis

表1 1°×1°構(gòu)造應力場網(wǎng)格反演參數(shù)

為了從深度的角度分析青藏高原東北緣區(qū)域的應力場，進行2°×2°不同深度的應力場反演，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，在0～10 km深度，(1)～(3)區(qū)斷層體系為綠色，說明該深度斷層為走滑斷層體系。在10～15 km深度，相同區(qū)域的斷層體系呈現(xiàn)為藍色，反映出隨著深度的增加，該區(qū)域斷層體系開始表現(xiàn)為逆沖性質(zhì)變化，而產(chǎn)生這種變化的原因是祁連山斷裂帶至六盤山斷裂一線內(nèi)部斷層體系的變化，地殼上部受到青藏高原擠壓及阿拉善、鄂爾多斯塊體的共同作用出現(xiàn)走滑，但其地殼下部由于板塊運動速度較慢而出現(xiàn)逆沖斷層體系。這也支持了剪切應變在青藏高原東北緣地區(qū)向外擴張時轉(zhuǎn)移到逆沖收縮增厚的觀點[17-19]。由圖3(a)可知，GPS速度場從西向東昆侖斷裂一線收斂速度逐漸增大；在阿爾金斷裂以東區(qū)域，收斂速度也出現(xiàn)急劇增大的現(xiàn)象。收斂速度的變化證明了斷層滑動速度在祁連山西部及青藏高原東北緣昆侖一線轉(zhuǎn)化為地殼縮短和隆升的觀點[20]。此外，由圖2可以看出，青藏高原東北緣區(qū)域自西向東震中位置的深度整體呈現(xiàn)出有規(guī)律的彌散性，如圖中測線附近1°范圍內(nèi)震中深度剖面B-B′、C-C′、D-D′、E-E′所示，隨著緯度降低，這種經(jīng)度剖面的層次感分布更為明顯。圖2中E-E′剖面黑色虛線為相應的離散范圍，在100°～102°E和104°～106°E兩次出現(xiàn)震源深度變深的現(xiàn)象。這一過程反映出從青藏高原內(nèi)部向邊界擠壓運動的過程中，地殼也在被間接增厚。為了詳細分析該變化過程，給出青藏高原東北緣區(qū)域緯度剖面測線1°區(qū)域范圍內(nèi)的震中深度分布(圖2中測線F-F′、G-G′、H-H′、I-I′)。可以看出，F(xiàn)-F′、G-G′測線中，在38°～40°N范圍內(nèi)震源深度突然明顯變深，對照范圍發(fā)現(xiàn)該區(qū)域為祁連山斷裂帶一線；同時在H-H′、I-I′測線中可以看出，震中分布范圍的彌散性是相同的，這進一步證明了青藏高原東北緣邊界地殼收縮量主要表現(xiàn)為地殼增厚模式。為了對祁連山斷裂帶震中深度分布范圍進行分析，給出沿祁連山斷裂帶一線展布的測線AA′，并從其緯度和經(jīng)度剖面進行觀察。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種彌散性存在于祁連山斷裂帶、海原斷裂、六盤山斷裂區(qū)域內(nèi)，震中深度分布明顯大于青藏高原內(nèi)部區(qū)域。

綠色表示走滑斷層體系，藍色表示逆沖斷層體系，黑色表示斜滑斷層體系，紅色表示正斷層體系。圖中也給出了15～20 km主應力軸散點分布，其中紅點表示最大主應力軸，綠點表示中間主應力軸，藍點表示最小主應力軸圖6 不同深度2°×2°構(gòu)造應力場反演結(jié)果Fig.6 The inversion results of 2°×2° tectonic stress field at different depths

從圖6中不同深度斷層體系的變化結(jié)果來看，上地殼與下地殼斷層體系存在巨大差異，這往往預示著該區(qū)域可通過不同斷層體系變化的撕扯和拉伸而孕育較大地震。同時可以看出，隨著深度增加，青藏高原東北緣相同區(qū)域的應力軸會出現(xiàn)由NNE向偏轉(zhuǎn)為NE向的趨勢，這反映出祁連山斷裂帶深部應力場的變化極其劇烈，而促使最大水平主應力軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)的作用力可能與青藏高原東北緣區(qū)域深部塊體增厚的部分斜插入阿拉善塊體及鄂爾多斯塊體底部有關(guān)。Kidd等[21]在研究青藏高原中北部地區(qū)風火山始新世碎屑沉積巖時發(fā)現(xiàn)，在100 km距離內(nèi)褶皺與逆沖作用縮小近一半，這說明研究區(qū)地殼應力場底部吸收了一定的形變量并轉(zhuǎn)化為地殼增厚。Harrison等[22]指出青藏高原東北緣“擠出”逃逸總量不超過總匯聚量的1/3。因此青藏高原東北緣及其周邊地區(qū)地殼淺部與深部存在一個應力斷層體系的轉(zhuǎn)化過程，即由淺部的走滑與斷裂剛性巖體的脆性特征轉(zhuǎn)變?yōu)樯畈康牧髯兣c增厚。大尺度的內(nèi)部應變和塊體應力均顯示，最大主壓應力軸從西藏東北部西端向東部發(fā)生明顯旋轉(zhuǎn)，表明青藏高原東北緣地區(qū)在印度板塊和歐亞板塊遠場的大運動背景下，深部地殼應力場與地表運動過程一致。同時也表明斷層性質(zhì)由走滑轉(zhuǎn)變?yōu)槟鏇_，可能與地殼強度的橫向流變及相鄰塊體之間垂向的應力結(jié)構(gòu)模式有關(guān)。

3 結(jié) 語

1)從1°×1°的應力場反演結(jié)果可以看出，青藏高原東北緣內(nèi)緣最大主壓應力以 NE向為主，外緣最大主壓應力由西向東呈現(xiàn)出順時針旋轉(zhuǎn)的特征，即最大主壓應力軸由西段近NNE向轉(zhuǎn)為中段NE向，再轉(zhuǎn)為東段NWW向。

2)從深度方面分析震源機制解在空間位置的分布情況，結(jié)果表明，青藏高原東北緣地區(qū)的中大型地震主要發(fā)生在10～15 km深度范圍內(nèi)。按深度給出相應震源機制解的主壓應力軸、主張應力軸分布范圍，結(jié)果顯示，祁連山中段、西秦嶺斷裂-龍門山斷裂地震危險性較高。同時通過分析區(qū)塊應力場及大量震例認為，青藏高原東北緣地區(qū)的擠壓變形主要轉(zhuǎn)化為了地殼增厚。

3)由2°×2°的應力場反演結(jié)果可知，0～10 km深度的斷層為走滑體系，10～15 km深度的斷層體系開始出現(xiàn)逆沖性質(zhì)的變化。上地殼與下地殼應力不斷擠壓和拉扯往往是孕育大震的信號，因此應密切關(guān)注祁連山中部地區(qū)的地震活動規(guī)律。

4)從不同深度范圍的青藏高原東北緣區(qū)域的構(gòu)造應力場結(jié)果可知，隨著深度增加，部分相同區(qū)域的最大主應力軸出現(xiàn)由NNE向偏轉(zhuǎn)為NE向的趨勢，這也說明青藏高原東北緣地殼的增厚迫使阿拉善塊體及鄂爾多斯塊體底部發(fā)生變化，可為研究深度地殼動力學提供相應的資料。

致謝:感謝GCMT提供震源機制解數(shù)據(jù)，感謝國家地震科學數(shù)據(jù)中心提供地震目錄數(shù)據(jù)。