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《中国地震局地质研究所》 2017年
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青藏高原东北横向扩展运动研究

李煜航  
【摘要】:现今普遍认为青藏高原在新生代晚期(20~12 Ma)存在着从高原内部向其东缘的横向扩展。特别是在青藏高原东南部发育大尺度SE-SSE向的横向逃逸运动,并得到了全球卫星定位系统(GPS)获取的地壳水平运动速度场的支持。然而与青藏高原东南部表现出显著、清晰的横向挤出逃逸运动相比,青藏高原东北部的横向扩展运动的研究却仍然存在很大的不确定性:首先,源于青藏高原内部横向扩展运动是被限制在现今高原东北部以内,还是存在大尺度与中国大陆东部新生代伸展构造活动联系的逃逸运动。其次,高原东北部横向逃逸是以近E-W向的秦岭构造带作为扩展的通道,还是NEE向横向扩展并深入到六盘山断裂以东的鄂尔多斯地块南缘甚至其内部。究其原因主要在于鄂尔多斯地块南部(包括渭河盆地和秦岭构造带)地壳变形时空地质约束的缺乏。现今GPS空间对地观测技术已成为研究现今地壳水平运动的重要手段,它虽代表地壳现今的运动状态,但却是对利用地质研究构造运动的有益补充。特别是长期稳定的GPS水平速度场,已经在动力学变形机制研究中发挥出重要作用。已有的GPS观测研究已初步给出青藏高原东北部三维尺度横向扩展的运动学证据,因此利用最新加密观测获取的区域长期GPS水平和精密水准垂直运动速度场,将有助于系统研究青藏高原东北部物质横向扩展的运动学特征,并深化对区域大陆动力学变形机制和强震孕育的动力学背景的理解。本文将遵循上述思路,重点研究青藏高原东北部横向扩展运动及其相关问题。主要研究内容如下:1.作为紧邻青藏高原东北部的构造单元,鄂尔多斯地块南部、渭河盆地和秦岭构造带与青藏高原东北部新生代构造活动时空和方式协调性的研究,对于揭示高原东北部是否以及如何横向扩展具有重要价值。因此本文系统收集了前人区域内活动构造,特别是低温热年代学、磁性地层学和盆地沉积等方面的最新成果。通过综合研究初步获取了青藏高原东北部横向扩展运动的时空演化图像,为进一步探讨现今横向扩展运动模式及相关动力学问题打下基础。2.借助最新获取的区域加密GPS长期(1999~2014年)水平速度场资料,通过参考基准的计算转换、速度场和应变率场的计算和特征分析,重点研究了青藏高原东北部现今横向扩展运动的空间分布,包括其控制边界的分布和运动性质,以及不同构造单元变形的差异特征。3.从应变的传递和转化角度考虑,现今地壳垂直形变约束对于检验和完善青藏高原东北部现今横向扩展运动模式具有重要意义。因此本文利用获取的区域精密水准长期(1970~2014年)垂直速度场在研究区域现今垂直形变特征的基础上,从比较现今地壳水平运动与垂直形变之间关系出发,重点检验并完善了由GPS研究揭示的青藏高原东北部现今横向扩展运动模式。4.断层滑动速率是强震危险性预测和地壳变形动力学研究的基础,本次获取的区域加密长期地壳三维运动速度场(GPS水平和水准垂直数据)为定量研究区内主要断裂现今滑动速率提供了良好的基础。本文首先利用区域加密长期GPS水平速度场,基于三维球面弹性块体模型(Blocks),反演获取了区域主要断裂现今滑动速率。此外,考虑到渭河盆地以断陷活动为主,并且横跨断裂有较密集的水准观测,因此进一步利用横跨断裂水准垂直速度剖面并借助矩形弹性位错模型,拟合获得了渭河盆地内主要活动断裂沿其倾向的滑动速率。5.结合区域加密长期GPS水平速度场,探讨了鄂尔多斯地块南部现今地壳水平运动与鄂尔多斯地块南部NNW向分布的子午岭小震丛集带活动的关系。并在此基础上,结合前人研究成果及子午岭小震带震源机制解,对其成因机制进行综合讨论。6.结合青藏高原东北部横向扩展时空演化以及区域现今三维地壳形变资料揭示的现今横向扩展运动模式,对横向扩展运动涉及到的科学问题进行了讨论,主要包括:(1)鄂尔多斯地块南部的“活化”问题;(2)青藏高原东北部现今横向扩展的南、北边界问题;(3)青藏高原东北部横向扩展时空演化特征及其对区域断层活动性的作用;(4)现今横向扩展的深度和动力学机制。通过上述研究,本文获得的结论与认识可归纳如下:1.相对于华北板块的GPS水平速度场(欧拉旋转矢量:57.06979oN,136.10122oE,0.11670o/Ma)更好的展示出区域内不同构造单元的差异运动。现今青藏高原东北部NE向朝鄂尔多斯地块西南部运动,在受到鄂尔多斯地块阻挡后运动发生分异,一支沿着银川盆地向北运动,另一支沿鄂尔多斯地块南部和渭河盆地NEE至NE向发生横向扩展,其前缘已达山西带中南部。其南界为弥散的右旋剪切带,对应NEE向的平武—青川—汉中盆地北缘断裂、成县—太白断裂和礼县—罗家堡断裂。而在鄂尔多斯地块中部,北纬38°附近出现的左旋水平速度梯度很可能是现今横向扩展的最新北部边界。分析表明,近E-W向的秦岭并未成为现今横向扩展逃逸的通道,且鄂尔多斯地块南缘和渭河盆地现今东强西弱的地壳水平伸展运动也并不受控于秦岭构造带,而与鄂尔多斯地块南部逆时针旋转剪切运动相关。2.区域现今垂向形变特征支持本文GPS揭示的横向扩展运动模式,主要体现在:(1)现今青藏高原东北部以NE向朝着鄂尔多斯地块西南部运动,而不是以近E-W向的秦岭扩展逃逸。陇西地块东南隅和六盘山附近显著的水平挤压缩短(近6 mm/yr)与其现今快速隆升(4~6 mm/yr)对应。相反在西秦岭与秦岭间却出现极显著的地壳垂直速度差异,不符合横向扩展沿秦岭扩展逃逸的模式。(2)响应沿鄂尔多斯地块南部和渭河盆地的横向扩展,盆地西部现今相对其中东部隆升(2~3 mm/yr),与该区地壳水平挤压态势一致。在鄂尔多斯地块南部自身旋转剪切作用下盆地中东部的地壳伸展与现今该区的显著沉降吻合。(3)GPS水平形变揭示的现今横向扩展运动南、北部边界(北纬38°带),也能够很好的限定区域现今地壳垂直运动。3.反演结果显示,平武—青川、成县—太白和礼县—罗家堡断裂现今均为右旋走滑,其中礼县—罗家堡断裂现今右旋走滑最为显著(可达3.0 mm/yr)。且上述断裂的右旋走滑能够NEE向延伸与现今渭河盆地中北部明显的右旋走滑连接。此外,秦岭内部现今断层活动微弱,且不具有左旋走滑的运动特征,同样难以支持沿秦岭构造带发生横向逃逸的运动模式。海原断裂现今具有5.2 mm/yr的左旋走滑速率,同时六盘山—岐山—马召断裂现今也为左旋走滑运动,说明其仍是青藏高原东北部横向扩展运动的重要边界,但其北侧香山—天景山断裂现今3~4 mm/yr的左旋走滑指示现今高原东北部向东横向扩展的北界很可能在向北迁移,并且该结果可以作为以北纬38°作为现今横向扩展西部响应的依据。4.对GPS水平速度场和跨子午岭小震丛集带GPS速度分量剖面的分析,揭示沿子午岭小震带两侧地壳水平方向存在左旋差异运动,而子午岭隆起作为构造薄弱带在地壳左旋剪切作用下,易于剪切应变能沿子午岭一带积累从而形成弥散型的小震群。因此,鄂尔多斯地块南部子午岭小震丛集现象是现今横向扩展沿鄂尔多斯地块南部和渭河盆地NEE至NE向朝山西带中南部不断发展的构造(小震活动)响应,说明高原东北部的横向扩展运动已经影响到鄂尔多斯地块南部并使其内部出现差异变形,传统上认为完整的鄂尔多斯地块存在“活化”的特征。5.对横向扩展相关问题的讨论显示:(1)鄂尔多斯地块南部的活化不仅体现在现今三维地壳运动揭示的地块内的差异运动上,其活化特征还体现在深部岩石圈的减薄和上地幔的流动变形,以及地壳浅部挤压逆冲断层活动和地震活动。(2)来自地形地貌的证据,特别是鄂尔多斯地块中部北纬38°线南侧白于山脱离湖相沉积并隆起成山的时限(1.2 Ma)与同样沿着北纬38°线展布的香山—天景山断裂左旋走滑发育并传递到其东端的时限非常一致,为以鄂尔多斯地块中部北纬38°线作为最新横向扩展运动的北界提供了支持。(3)青藏高原东北部的横向扩展在20~12 Ma开始通过成县—太白断裂的左旋走滑与渭河盆地实现沟通。此后高原东北部的横向扩展不断发展,其北部边界逐步向北迁移,至中新世末期(8~5Ma)左旋走滑的西秦岭北缘—秦岭北缘断裂成为横向扩展的北界;至早中更新世(1.8 Ma)海原—六盘山—岐山—马召断裂左旋走滑断裂带贯通,横向扩展运动的北界实现了向北迁移;现今横向扩展的北界很可能迁移到本文论述的鄂尔多斯地块中部北纬38°带附近。(4)综合现今地壳形变特征、区域SKS研究结果和鄂尔多斯地块隆升特征,初步认为现今横向扩展运动对应壳—幔耦合软流圈横向扩展流动的动力学模型。
【学位授予单位】:中国地震局地质研究所
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P315.2

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