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川滇块体东边界主要断裂带运动特性及动力学机制研究

魏文薪  
【摘要】:作为青藏高原东南缘的川滇块体,变形剧烈,地震频发。川滇块体的侧向挤出滑移造成了东边界的左旋剪切变形,不同的地震学者利用不同的方法得出了重要的定量结果。大地测量技术特别是GPS技术的快速发展,为断裂带形变场研究提供了高精度的观测数据,也给研究断裂带动态变化特征及其动力学机制提供了动态观测资料约束。因此,有必要综合利用块体运动模型、断裂带本身的构造变形定量分析及数值模拟方法,给出鲜水河-安宁河-则木河-小江断裂带的运动特征及应变积累特性的定量结果。 断裂带运动特征的分析方法主要有构造地质学和大地测量,两类方法在该断裂带上已取得的不少研究成果,同时注意到,不同的研究学者用不同的方法得到了在变形性质上具有一致性但在定量特征上有不尽相同的结果,那么这种差异性应该如何解释?断裂带的变形与块体的相对运动密切相关,并且不同的段落运动特性存在差异性,是否可以将断裂带本身的变形与块体的运动模型相结合,得到更加精细的结果?断裂带地表的变形有其深层的动力学原因,将有限元模型及连续变形模型(最小二乘配置方法)相结合,是否可以得出更加合理的断裂带动力学机制?针对上述问题,本文将块体运动模型、断裂带构造变形定量分析方法、数值模拟方法及连续变形模型(最小二乘配置)综合应用到川滇块体东边界断裂带运动特性研究中。 (1)川滇块体东边界主要断裂带运动特性研究 本文简要介绍了川滇块体东边界主要断裂带鲜水河-安宁河-则木河-小江断裂带,利用1999-2007时段的GPS速度场数据,针对本文所涉及到的川滇块体、巴颜喀拉块体以及华南块体,分别对三个模型(刚体旋转模型(RRM)、块体整体旋转与均匀应变模型(REHSM)及块体整体旋转与线性应变模型(RELSM))的残差及无偏性进行了估计,同时比较分析了川滇块体与细化分的川滇块体的残差;本文还对残差中误差进行了分析。结果表明:与RRM和REHSM模型相比,RELSM的残差均小于其余两种模型的残差;从计算的残差中误差的结果也可以看出,RELSM值最小;细化分的川滇块体速度残差小于川滇块体速度残差的GPS站点约占58%,川北及川南的速度残差与川滇块体的速度残差相比未见明显的改善,其主要原因是RELSM考虑到了块体内部的非线性的变化过程;对于REHSM,细划分后的川滇块体的速度残差与川滇块体的速度残差相比有了明显的改善,也就是说,利用REHSM描述块体运动特征及变形特征时,对川滇块体进一步划分较为合理。综上所述,RELSM对块体的描述优于其他两种模型,拟合块体整体运动较好。 进一步,以地质学方法为基础,对该断裂带进行细化分段,将鲜水河-安宁河-则木河-小江断裂带进行分段:鲜水河断裂带分为:北西段、中段、南东段;安宁河及则木河断裂带不分段;小江断裂带分为:北段、中段、南段。分别利用三种模型计算了断裂带左旋滑动速率。利用刚体旋转模型所得到的断裂带滑动速率为:鲜水河断裂带:北西段:11.5mm/a;中段:11.9mm/a;南东段:12.1mm/a;安宁河断裂带:9.9mm/a;则木河断裂带:8.9mm/a;小江断裂带:北段:10.4mm/a;中段:11.4mm/a;南段:11.3mm/a;结果表明,利用刚体旋转模型所得到鲜水河断裂和小江断裂带的滑动速率与地学方法的相当,似乎安宁河断裂与则木河断裂带得到的值要比地质学方法得到的值偏大,这是由于大凉山断裂的影响所导致的,扣除其影响所得到的值与地质学方法得到的也是一致的。利用线性应变模型所得到的结果表明:各断裂分段滑动速率要显著的小于地质学方法得到的滑动速率,这是由于线性应变模型考虑到了块体内部的非均匀变化,但是它可以分辨出断裂带的分段差异性,鲜水河断裂北东段的滑动速率大于中段和南东段,这是由于北东段的断裂结构简单,而中段和南东段断裂结构复杂;小江断裂北段和中段的滑动速率大于南段,这是由于曲江-石屏断裂对块体运动的部分吸收作用所导致的。 (2)川滇块体东边界主要断裂带应变积累特性研究 首先,在上述断裂分段结果的基础上,利用反正切函数拟合平行断裂带的GPS速度场,并确定了断裂带可能的变形宽度。从计算结果可以看出,鲜水河断裂北西段及中段的震间期的变形特征与其他断裂带的变形特征有显著不同,可能的原因为:其一,鲜水河断裂带附近(东北侧)的其他断裂系统的影响导致了断裂带两端变形的不对称性;其二,可能有断裂带变形的复杂性,有待进一步研究。从所得到的断裂带可能的变形宽度可以看出,安宁河断裂带的变形宽度最大,也就是说其闭锁程度最高,锁定深度最深,地震危险性也较高。本文所得到的结果与利用其他方法确定断裂带地震空段及危险性的结果较为一致。虽然小江断裂带也是地震学家较为关注的活动断层,小江断裂带的危险性低于安宁河断裂带。 其次,根据断裂带本身构造变形定量分析方法,综合分析了鲜水河-安宁河-则木河-小江断裂带的应变积累情况。计算结果表明,①强震通常发生在活动强烈的断裂带,且断裂局部段落处于相对闭锁的高应变积累状态。根据变形参数公式可以求出反映变形强弱的M F。各断裂M F的值均比较大,反映了该断裂带的构造变形剧烈的整体特征;②T A表示沿断裂带剪应变率和垂直断裂方向正应变引起的总变形量占断裂带扭错率的比重。从计算结果来看,安宁河断裂带求得的结果趋近于0.9,说明断层面趋于闭锁,变形量主要由应变引起;③对于走滑为主的鲜水河-安宁河-则木河-小江断裂带,异常强度主要看剪切变形率异常强度比S A,从计算结果来看,断层活动相对闭锁的高应变率积累段为安宁河断裂带。与前述的变形宽度及其他方法所得到的结果是一致的;④S A和T A所求得高应变积累段均为安宁河断裂带,即该断裂带的剪切变形在整个构造变形中起主导作用。 (3)断裂带各分段动态运动特性研究—以小江断裂带为例 首先,利用1999-2001,2001-2004,2004-2007三个短时间尺度的GPS速度场数据,利用块体运动及线性应变模型分析了断裂带运动的时空特征,并结合GPS剖面分析方法,分析了该断裂带的应变积累情况。①时空特征结果表明,小江断裂的各分段左旋走滑趋势没有变化,部分段略带有挤压的趋势,但量值较小。因此,小江断裂整体为左旋走滑为主的运动特征;小江断裂从北段到南段,走滑速率逐渐减小;从垂直断裂带的速率看,断裂带北段和南段拉张速率较大,中北段和中南段略带有挤压特征。从所得到的滑动速率值来看,比GPS剖面分析和反演方法得到的结果偏小,比地质学结果也偏小。这是由于块体运动的线性应变模型考虑到了块体内部的非均匀变化过程,也就是说,块体内部的断裂也吸收部分块体整体运动导致了计算结果变小。但是其空间变化特征与其他方法得到的结果还是一致的;②小江断裂各段应变积累特征表明,北段高于中北段,中南段及南段不利于应变积累或积累水平低;小江断裂带北段为相对闭锁且剪切应变积累速度较高的异常区域。 (4)川滇块体东边界运动及变形的动力学机制研究 基于FEPG有限元自动生成系统,建立研究区域的三维有限元模型,研究区域横向分块:包括川滇块体、巴颜喀拉块体、华南块体及断裂带;纵向分层原则:根据该区域的主要地震的深度将地壳分为上地壳及其下地壳,上地壳深度为15km,下地壳的厚度根据块体的不同而有所不同,由于我们只关注地壳的变形特征,因此纵向的深度只延伸到下地壳;各块体的参数主要是依据该区域的地质与地球物理的研究结果所得到;采用maxcell粘弹性本构关系,利用连续变形模型(最小二乘配置方法)施加边界条件,在施加边界过程中,分别利用三个块体,根据最小二乘配置方法得到各块体边界的位移约束;加载时间为1000年,时间步长为10年,通过数值模拟方法研究断裂带运动特性及应变积累情况。结果表明:①断裂带各分段滑动速率:鲜水河断裂带:8.5mm/a;安宁河断裂带:5.3mm/a;则木河断裂带:5.0mm/a;小江断裂带:8.9mm/a;与地质学方法得到的数值相当,说明所建立模型较为合理;②从所得到的应变值来看,安宁河断裂带为应变值较高的区域,与地表分析方法得到的结果是一致的,也与利用其他地质学方法得到的结果是一致的;③通过模拟结果可以看出,研究区域岩石圈流变结构,以及该区域本身的地形特点、断裂带本身的几何特征导致了断裂带长期的这种变形特性。


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