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喜马拉雅东构造结周边地区主要断裂现今运动特征与数值模拟研究

宋键  
【摘要】:喜马拉雅东构造结(简称东构造结)周围地区是青藏高原构造应力作用和构造变形最强的地区,也是地球上变化剧烈、构造类型复杂、保存完整的地区。该地区汇集了喜马拉雅、拉萨、羌塘、川滇地块和印度板块及主边界断裂、主中央断裂、雅鲁藏布江断裂、嘉黎断裂、怒江断裂、墨脱断裂、阿帕龙断裂等,可以说东构造周围地区是检验青藏高原晚新生代构造变形机制不同理论和学说的关键地区之一。由于本区是主要由海拔4000m以上高山和雅鲁藏布江、怒江、澜沧江和金沙江等构成的高山峡谷地貌,工作环境恶劣,而且地质构造复杂等多种原因,在短时间内很难利用单一手段确定其构造变形的运动场和对不同构造部位、不同性质、不同活动方式的断裂现今运动进行定量研究。因此,本文主要采用了多种方法综合分析来研究东构造结周边地区的构造变形和主要断裂的运动特征:通过野外地质调查获取研究区构造地块和边界断裂的几何特征和活动性质;通过高精度GPS观测技术的应用,在关键构造部位加密观测,获取研究区现今地壳变形速度场和主要断裂运动方式;通过地球物理探测资料的综合研究,分析地壳介质的物理参数和深部地质结构;通过大型数值模拟分析,探讨主要断裂的运动特征和区域构造变形的动力学机理。 一、研究方法 本文主要通过三种方法来研究本区的地壳变形速度场和主要断裂的运动方式: 1.传统地质学研究 野外实地调查是地质研究中不可缺少的方法,可以直接反映主要断裂带在历史时期的活动特征。通过对前人野外调查及GPS资料的分析,我们选择性地对雅鲁藏布江断裂、嘉黎断裂及怒江断裂的关键构造部位及前人研究工作存在分歧的地区进行了实地地质调查。在调查过程中,重点对各主要断裂晚第四纪以来运动的地质剖面进行了研究,获取了更多本区主要断裂晚第四纪以来运动特征的地质学证据。 2.GPS观测与分析 为了深入研究东构造结及其周边地区现今构造变形特征,作者系统分析了研究区内“中国地壳运动观测网络工程”GPS站点多年观测数据,并在原有GPS站点缺少的地区,与唐方头老师等一起新建了12个GPS观测点,现已进行了两期观测,获得了最新观测数据。本文采用跨断层GPS速度剖面和断层位错模型对不同构造部位主要断裂的运动特征进行研究。前者是将断层带两侧的GPS测点的速度矢量分解成垂直剖面的速度分量和平行剖面的速度分量,其中垂直剖面的速度分量反映断裂带的倾滑运动特征,平行剖面的速度分量则反映断裂带的走滑运动特征,断裂带两侧之间的差异运动代表其运动特征;后者是采用OKADA断层位错模型来对断层的运动速率及特征进行反演。 3.有限元数值模拟 有限元方法可以很好地对地质过程进行恢复再现和活动预测,基于三维有限元分析方法,以主要断裂为边界,通过已有的地质和地球物理资料对青藏高原不同区域岩石圈介质参数进行反演,建立东构造结地区的构造变形模型,以“中国地壳运动观测网络工程”和“中国大陆构造环境监测网络工程”最新GPS观测资料及国家自然科学基金资助的“喜马拉雅东构造结周边地区主要断裂现今运动的GPS观测研究”项目所布设的GPS观测点的最新观测数据作为边界约束位移和运动速率检验参考对象,对本区主要断裂的运动学特征进行模拟研究。 二、研究内容及结果 1.主要断裂的晚第四纪运动特征 通过野外实地调查,发现雅鲁藏布江断裂自朗县以东段活动明显,多处出现断裂错断了晚第四纪地层。嘉黎断裂以东构造结为界分为了三段;西北段(那曲—通麦)右旋走滑运动明显,右旋走滑速率3.2~3.7mm/a;东构造结地区(通麦段)为右旋走滑运动,相对嘉黎断裂西北段来说弱些;嘉黎断裂的东南段(通麦—察隅)嘉黎断裂的运动性质发生了改变,在嘎龙寺附近的冰碛垄被嘉黎断裂左旋位错,走滑速率为3.8mm/a左右。怒江断裂在郭庆至田妥段,断层主要表现为挤压性质,显示晚第四纪以来活动不明显;东南段晚第四纪以来活动明显,多处可见断层错断了晚第四纪以来的地层。金沙江断裂西北段,地貌显示断裂影响了一系列冲沟水系的流向,造成冲沟水系左旋扭动,左旋运动明显;中段,没有发现错断晚第四纪堆积物和地貌面的地质剖面,显示晚第四纪以来活动不明显;南段显示金沙江断裂晚第四纪以来影响了冲沟水系的发育,造成冲沟水系的右旋扭动,多处出现晚第四纪地层被错断现象。 2.GPS观测与分析 通过跨过断层带的GPS剖面及位错模型研究,揭示了各断裂的活动性质和运动速率。 雅鲁藏布江断裂右旋走滑特征明显,拉萨段右旋走滑速率2.4~3.9mm/a,挤压速率1.3~4.7mm/a左右,林芝段右旋挤压运动,其走滑速率为6.2~6.8mm/a,挤压速率为0.6~6.0mm/a左右。 嘉黎断裂西北那曲附近地区表现为右旋挤压运动,走滑速率为4~5.8mm/a,挤压速率为4.6mm/a±;通麦附近表现为弱右旋挤压运动,走滑速率为1.3~2.0 mm/a,挤压速率为2.5mm/a±;东南察隅附近地区表现为左旋挤压运动,其走滑速率为3.7~4.0mm/a,挤压速率为6.2mm/a±。 怒江断裂带在西北那曲附近地区,主要表现为挤压运动,挤压速率为1.2~2.0mm/a;中段主要表现为右旋走滑运动,走滑速率2.1mm/a;南段同样主要表现为右旋走滑运动,走滑速率3.2mm/a。走滑速率自北向南逐渐增大。 金沙江断裂在青藏公路附近地区表现为左旋挤压运动,走滑速率3.0~4.0mm/a±,挤压速率3.5mm/a±;昌都、江达、白玉附近地区主要表现为右旋挤压运动,走滑速率3.4~4.3mm/a±,挤压速率1.8~2.9mm/a±;在巴塘、得荣附近地区主要表现为右旋挤压运动,走滑速率3.0~3.1mm/a±,挤压速率0.4~2.0mm/a±。 3.有限元数值模拟结果 通过数值模拟研究取得以下几点认识: 1)东构造结北侧和东侧地块总体上围绕构造结发生顺时针旋转。右旋走滑的东南边界断裂不是嘉黎断裂,可能是阿帕龙断裂。 2)嘉黎断裂不是整体右旋走滑断层,其西北段和东构造结顶端的通麦段为右旋挤压性质,东构造结以东的东南段运动性质发生了转变,由右旋走滑运动转变为左旋走滑运动;如果嘉黎断裂东南支与实皆断裂不相通,阿帕龙断裂与实皆断裂相连时,模拟结果与GPS观测值有更好的拟合效果,这一结果间接地证明嘉黎断裂与实皆断裂目前可能是不相连的,至少不是简单连通的;而阿帕龙断裂和实皆断裂可能是相连的。 3)东构造结目前依然起着一定的作用,它与阿萨姆角共同影响着现今区域构造变形,许多断裂活动转换和重要构造事件都发生在它们之间或很近的区域。雅鲁藏布江断裂、怒江断裂、嘉黎断裂运动速率的变化、活动性质的转变和嘉黎断裂在阿萨姆角附近延伸终止,阿帕龙断裂活动强烈,并发生了1950年察隅8.6级地震,这些都可能与东构造结和阿萨姆角的共同作用有关。 三、主要结论 通过综合分析研究,主要取得如下几点初步认识: 1.雅鲁藏布江断裂晚第四纪以来右旋走滑运动明显,自西向东活动性增强。拉萨段右旋走滑速率2.4~3.9mm/a,林芝段右旋走滑速率6.2~6.8mm/a。 2.嘉黎断裂不是整体右旋走滑断层,其在不同的构造部位运动性质和速率具有分段差异特征,大致以东构造结为界分为三段,东构造结以西为嘉黎断裂西北段,东构造结顶端通麦段为嘉黎断裂中段,东构造结东南部分为嘉黎断裂的东南段,其西北段为右旋挤压运动,走滑速率3.2~5.8mm/a,中段弱右旋挤压运动,走滑速率1.3~2.0mm/a;东南段为左旋挤压运动,走滑速率3.7~4.0mm/a。 3.怒江断裂在不同的构造部位其晚第四纪以来活动性是不同的。西北段以挤压运动为主;中段,地质结果表明晚第四纪以来活动不明显,GPS结果显示右旋走滑速率2mm/a;南段晚第四纪以来活动相对明显,在多处出现的断层剖面可见断层错断了晚第四纪以来的地层,右旋走滑速率2.3~3.2 mm/a。 4.金沙江断裂在不同的构造部位其晚第四纪以来运动性质不同。西北段,断裂影响了一系列冲沟水系的流向,造成冲沟水系左旋扭动,左旋运动明显,左旋走滑速率3.0~4.0mm/a±;中段,地质结果显示晚第四纪以来活动不明显,GPS结果显示为右旋走滑,走滑速率3.4~4.3mm/a;南段断裂晚第四纪以来影响了冲沟水系的发育,造成冲沟水系的右旋扭动,右旋运动明显,速率3 mm/a。 5.东构造结北侧和东侧地块总体上围绕构造结发生顺时针旋转,右旋走滑的东南边界断裂不是嘉黎断裂,而可能是阿帕龙断裂; 6.数值模拟结果表明,嘉黎断裂与实皆断裂目前可能是不相连的,至少不是简单连通的;阿帕龙断裂和实皆断裂可能是相连的; 7.东构造结目前依然起着一定的作用,它与阿萨姆角共同影响着现今区域构造变形,许多断裂活动转换和重要构造事件都发生在它们之间或很近的区域。


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