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用地震震源机制和各向异性研究青藏高原东缘动力学特征

杨宜海  
【摘要】:青藏高原的隆升和扩张在长期以来一直是地球科学界的热点问题之一。科学家们提出了许多不同的模型来解释青藏高原的变形机制,而近年来刚性地壳块体沿大型走滑断层的侧向挤出与中下地壳的粘性物质管道流则是争论的焦点。刚性地壳模型认为断层扮演了关键角色,而下地壳流模型认为下地壳从上地壳和上地幔解耦。本文搜集了四川地震台网记录的龙门山断裂带2008-2014年3级以上的地震波形资料,通过矩张量反演获取了1491个地震震源机制解。此外,本文还搜集了研究区内在龙门山地区以外发生的695个地震震源机制解。根据震源机制解的断层面参数,本文采用阻尼线性反演技术获取了研究区内高分辨率的构造应力场。同时,本文搜集了研究区内密集的宽频带流动台站记录的地震波形资料,分别采用接收函数集分析和SKS/SKKS分裂测量对青藏高原东缘地壳和上地幔各向异性进行了研究,并且采用接收函数叠加扫描技术,研究了青藏高原东缘的地壳厚度和地壳平均波速比。(1)研究区内上地壳构造应力场呈现区域性分布。在龙门山断裂带,应力方向不仅呈现出分段分布特征,而且在龙门山断裂带的前山断裂、中央断裂和后山断裂也不尽相同。此外,应力方向在龙门山断裂带的不连续变化可能反映了龙门山断裂带不是协调运动的。在龙门山以外地区,应力方向呈现出简单清晰的区域性变化特征。川滇菱形块体内部与其东边界的鲜水河-安宁河断裂带的最大压应力方向不同,安宁河断裂带以东及四川盆地以南地区,最大压应力的方向又有所变化。最小压应力在整个青藏高原东缘呈现出比较连续的变化,但是在龙门山断裂带显示出复杂的分布特征。对汶川-芦山地震空区构造应力场的研究发现,最大压应力在18公里上下发生明显变化,可能反映了地壳在该深度上下为解耦变形。(2)通过接收函数集分析研究地壳各向异性,各向异性的快波方向没有显示出块体分布特征,在整个青藏高原东缘呈现复杂的变化特征。松潘-甘孜块体的快波方向以SE方向为主,与上地壳构造应力场的近W-E方向存在明显差异。在川滇菱形块体内,快波方向转为基本呈SEE或SWW向。在鲜水河断裂带附近,快波方向基本与鲜水河断裂带走向平行。在四川盆地及以南地区,快波方向主要为NE或NEE向。时间延迟分布在0.1-1秒范围内,平均时间延迟为0.41秒。在龙门山断裂带、鲜水河断裂带和安宁河断裂带的接合处,时间延迟显著增大。(3)采用SKS/SKKS分裂测量研究上地幔各向异性,平均时间延迟为1.2秒,显著高于地壳0.41秒的平均时间延迟。在松潘-甘孜块体内,快波方向主要为SSE向。而向东跨过龙门山断裂带进入四川盆地,快波方向以SE向为主导。龙门山断裂带南段的快波方向呈现两种特征,一种是与安宁河断裂带走向相平行的NNE向,另一种与四川盆地NE向的快波偏振方向相一致。四川盆地以南地区,快波方向与四川盆地基本一致。鲜水河-安宁河断裂带的快波方向基本与断裂带走向平行。在川滇菱形块体内,快波方向呈现非常复杂的分布,这可能反映了该块体内复杂的变形机制,以及块体内的上地幔存在不连续变形。(4)研究区内的地壳厚度呈现区域性分布特征,但并不完全以区内大型断裂为界。地壳厚度在龙门山断裂带约为45公里左右,从汶川地震向南开始增厚,地壳厚度增厚至约50公里。在松潘-甘孜块体的东北部,地壳厚度基本稳定在48-54公里范围内,但在松潘-甘孜块体南部,地壳厚度为54-64公里,与川滇菱形块体显示出相同的分布特征。安宁河断裂带及四川盆地以南的地区,地壳厚度基本在54公里以内,与川滇菱形块体呈现明显对比。由此可见,鲜水河断裂带虽然是松潘-甘孜块体与川滇菱形块体在地表构造上的边界,但并没有构成两者在深部构造上的边界。而安宁河断裂带不仅是川滇菱形块体与扬子板块的地表构造边界,也是深部构造上的边界。(5)高波速比值主要分布在鲜水河-安宁河断裂带及周边地区,可能反映了这些地区具有软弱的中下地壳。四川盆地内部分地区波速比值可达1.8左右,特别是在龙泉断裂一带,可能是由于盆地内普遍存在厚度约为6-10公里沉积层。在松潘-甘孜块体和川滇菱形块体内部,绝大部分地区的地壳平均波速比在1.75左右,显示了中等变形强度。(6)研究区内绝大部分地区的地表GPS速度、最大压应力和地壳各向异性与上地幔各向异性之间均存在明显差异,发现了研究区内地壳内以及壳幔间普遍存在的解耦运动。因此这个事实可以排除垂直连贯变形的可能性,同时为青藏高原东缘的深部变形机制为分层变形提供证据。本文认为,青藏高原东缘内普遍存在低速的下地壳,表现为下地壳滑脱层,相对高速的上地壳在滑脱层上发生远距离运移,这是青藏高原东缘的主要变形模式。


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