川滇地区现今构造变形分析

1、川滇地区现今构造变形分析摘要基于对川滇地区的速度场、形变场和应变场的分析,提出了川滇地区围绕东喜马拉雅构造结顺时针旋转与拉张、挤压和剪切变形共存的复合变形模式;研究认为青藏高原物质的向东挤出与阿萨姆角NEE方向的持续楔入是川滇地区现今构造变形的主要驱动力。ANALYSIS OF PRESENT2DAY TECTONIC DEFORMATIONIN S ICHAN2YUNNAN AREAAbstractOn the basis of the analysis of velocity field, deformation field and strain field of Sichuan2Yunn

2、an area,we p roposed the comp lex deformationmodelwith coexistence of clockwise rotation around eastern Himalayan syntax2is, stretch, comp ress and shear deformation in Sichuan2Yunnan area. The acting forces for the eastward extrusion ofthe matter in p lateau and NEE2ward continuouswedging act of th

3、e Assam Cape are the p rincipal drive forces.Key words: Sichuan2Yunnan area; GPS site velocity; block division ; deformation field; strain field 川滇地区位于青藏高原东缘,新生代以来受青藏高原物质东南方向侧向挤出及阿萨姆(Assam)角的楔入作用,该地区构造活动剧烈、强震频发,大部分地震沿主断裂带展布,为典型的挤压型地壳破裂地震构造块体 1 。川滇地区的运动模式和机制是目前地学界研究的热点问题之一。陈智梁等分析19911997年的GPS观测资料,认为川

4、滇地块的形变表现为顺时针旋转构造和块体边界断裂的非均匀滑动;王琪等根据GPS观测结果揭示了川滇活动块体顺时针旋转SSE方向运动的特征;申重阳等利用GPS资料对川滇地区活动断裂的运动特征进行了反演,对活动断层的运动进行了模拟;乔学军等利用多期GPS复测结果,将川滇地区分为9个次级活动块体研究其现今地壳形变特征 2 - 11 。近十多年来,一些研究者在这个地区开展了多期GPS测量,中国地壳运动观测网络(CMONOC) GPS网自1999 年以来,在全国开展了3期( 1999, 2001, 2004)观测。特别是在2004年第3期观测后,使川滇地区GPS网的观测时段长度由2001年的3年增加到5年,

5、提高了站速度的精度,为进一步研究这个地区的变形模式提供了精确数据。川滇地区GPS速度场的基本特征 牛之俊等 10 提供了19982004 年CMONOC和其它高精度GPS网19982004年中国大陆1 199个GPS站ITRF2000 的站速度,在川滇地区有180个站。2006年10月国际地球自转服务( IERS)公布了全球VLB I、SLR、GPS 和DOR IS 站统一平差的ITRF2005 的站速度 11 。与ITRF2000 相比,ITRF2005考虑了GPS接收机天线相位中心的变化,在提高定位精度的同时,还改进了原点和尺度的确定方法,是目前与全球板块运动符合最好的参考框架。牛之俊等在

6、处理CMONOC的观测数据时,使用了一批IGS永久站,我们选择其中在欧亚板块上的14个站,用它们在ITRF2000和ITRF2005的站速度实现了CMONOC站速度由ITRF2000 到ITRF2005的转换。我们用IERS公布的这11个站ITRF2005站速度,定义了欧亚板块ITRF2005的运动框架,由此可得到川滇地区GPS 站相对于欧亚板块ITRF2005的速度场(图1) 。从图1可以看出,相对于欧亚板块,川滇地区显示围绕东喜马拉雅构造结的顺时针旋转运动,该区的西南部(100E以西, 25N以南)地壳的运动速率最小3. 09. 0 mm / a,北部(29N以北)的运动速率最大17. 0

7、 23. 1 mm / a。地壳的运动方向, 北部(31N以北)为东偏南(N98EN115E) ;从北向南逐渐顺时针旋转,到中部( 26. 527. 3N)转为向南偏东方向(N134E N178E ) ; 到东南部(26. 5N 以南, 100E 东) 转为向南; 到西南部(26. 5N 以南, 100E西)转为南偏西方向。从川滇地区速度场的空间变化可以看出,该地区的地壳运动具有明显的分区特征。川滇地区的块体划分与运动模型建立 众所周知,川滇地区存在强烈的变形,使用刚体运动模型描述该地区的运动与变形是困难的。一个块体在周围块体的作用下,它的整体将发生旋转,它的边缘和内部将发生变形。在两次大地震

8、之间,几年到几百年的时间尺度内,块体的变形主要是弹性变形 12 - 15 。块体运动是它的整体旋转与内部变形的复合运动,它可用弹性运动方程描述 13 :图1川滇地区相对于欧亚板块的速度场Fig. 1 Velocity field of Sichuan2Yunnan area related toEurasian p latevevn= r- sincos - sinsin cossin - cos 0xyz+A0 B0B0 C0xy +121212x2y2 +33xy(1)在方程(1)中, x = r( -0 ) cos, y = r ( - 0 ) , r为地球半径,0 与&ph i;0 为

9、块体几何中心的经、纬度,与为块体上任一点的经、纬度, x、y、z 是块体整体旋转的欧拉参数,方程右边第一项代表块体整体旋转产生的速度, A0、B0、C0、1 、2 、3 、1 、2 、3 是块体的应变参数,方程右边第24项代表块体内部由于连续变形产生的速度。川滇地区被一系列断层分割为大小不等的块体(图2) , 综合考虑该地区现今构造的特征和GPS站速度的空间变化,将其划分为川滇北、川滇南、滇西A、滇西B 4个块体(图2) 。川滇北、川滇南块体与滇西A、滇西B 块体以红河断裂为界,川滇北与川滇南块体以小金河断裂为界,滇西A 与滇西B 块体以南定河断裂为界。分别用38、66、32和37个站建立了川

10、滇北、川滇南、滇西A、滇西B 块体的弹性运动模型, 模型参数列入了表1。从表1可以看出,这4个块体模型参数中绝对值最大的参数与其标准差之比(信噪比)分别为13. 9、23大地测量与地球动力学28卷13. 4、8. 6与8. 4,这表明该4个模型参数的精度是比较高的。图2川滇地区现今构造与块体划分Fig. 2Present2day tectonic and block dividing in Sichuan2Yunnan area川滇地区各块体的水平形变 为了分析川滇地区现今构造变形的基本特征,我们分别以各块体自身的整体旋转框架作为参考基准(旋转参数见附表1) ,由此得到川滇地区的水平形变速度场

11、(图3) 。在川滇北块体上,在30N 以北与100E以西地区,运动方向从西部的NE逐渐转为向北,速率从南向北逐渐增大, 从30N 的0. 7 mm / a 增加到32. 5N的10. 9 mm / a;在30N以北和100E以东地区,运动方向从东部的NW逐渐转为向N,各站的运动速率从南向北与从西向东逐渐增大,由30N和100E附近的0. 72 mm / a增加到东北边界附近的32. 48mm / a。在30N 以南,其东北部地壳NW方向运动,由此处向西南运动方向逐渐转为SW,速率为1. 58. 5 mm / a。整个块体呈现E2W 向挤压与S2N向拉张的变形状态。在川滇南块体上,在25N以南,

12、地壳向NW方向运动,速率3. 610. 2 mm / a;在27N以北,地壳向NE方向运动,速率1. 98. 8 mm / a。在25N以北和在27N以南地区,在102E以西,地壳向西运速率0. 7 6. 5 mm / a; 在102E以东,地壳向NNE方向运动,速率2. 43. 8 mm / a。整个块体基本上呈E2W拉张与S2N挤压的变形状态。在滇西A 块体上,在怒江断裂以西地区总体向南运动, 26以北的部分向西运动,运动速率0. 93. 6 mm / a; 26以南部分向东运动,运动速率0. 83. 1 mm / a。以龙川江断裂为界,以北地区呈现NW向运动,运动速率1. 513. 1

13、mm / a;以南运动方向NE向运动,运动速率0. 77. 4 mm / a。整个块体基本上呈E2W拉张与S2N挤压的变形状态。滇西B 与滇西A 块体的运动有些类似,整体运动一致性不强,但是与滇西A 块体的不同是受断裂影响也不明显。以23. 5N与101E可将该块体划分为4个区域,每个区域呈现一种运动方式。其中23. 5N以北和101E以西地区,运动方向S0. 582. 6W,速率0. 6 2. 4 mm / a;在23. 5N 以北和101E以东地区,运动方向S17. 887. 2E,速率1. 02. 0 mm / a;在23. 5N 以南和101E以西地区,运动方向N11. 159. 2W

14、,速率0. 55. 5 mm /a;在23. 5N 以南和101E 以东地区,运动方向N1. 067. 6E,速率0. 99. 3 mm / a。整个块体基本上呈E2W拉张与S2N挤压的变形状态。川颠地区的水平应变场 由块体运动模型的应变参数可计算块体上任一点的主应变参数,由此可得到川滇地区的水平应变场(图4) 。从图4可以看出,川滇地区4个块体应变场的空间变化明显不同。在川滇北块体上主张与主压应变场都很强,主张应变轴为近S2N向,自北向南逐渐顺时针旋转偏转为NE2SW向,块体东北部主张应变率最大3. 7 10- 8 / a,西南部主张应变率最小1. 3 10- 8 / a。主压应变轴为近E2

15、W 向,自北向南逐渐偏转为NW2SE向,块体东北部的主压应变率最大3. 1 10- 8 / a,西南部主压应变率最小0. 3 10- 8 / a。整个块体呈现N2S向到NE2SW向的拉张应变与E2W向到NW2SE向的挤压应变。川滇南块体的主张应变场较突出,西北部主张应变率最大为4. 9 10- 8 / a,南端主张应变率最小0. 1 10- 8 / a;东北部主压应变率最大3. 2 10- 8 / a,南端主压应变率最小0. 3 10- 8 / a。主压应变轴自东北部的NW2SE向,按顺时针旋转,到块体中西部转为近N2S方向。整个块体呈现NE2SW到E2W向拉伸与NW2SE向到近N2S方向的挤

16、压应变。滇西A 块体的主张应变场更为突出,而主压应变场较弱,块体北部主压应变率最小(平均0. 6 10- 8 / a) ,块体南部主压应变率最大(平均3. 2 10- 8 / a) 。在澜沧江断裂以东,主张应变率最大平均5. 1 10- 8 / a,块体南部靠近南定河断裂附近主张应变率也较大,平均3. 5 10- 8 / a。在怒江断裂以西,块体东端,主张应变率最小,平均值为1. 6 10- 8 /a。主张应变轴顺时针旋转,在块体北部呈NW2SE,块体中部近E2W,块体南部呈NW2SE向,在整个块体上,以NE2SW向的拉伸应变为主。不同于前3个块体,在滇西B 块体上主张应变不再那么突出。整个块

17、体上主压应变东部最大,平均3. 0 10- 8 / a;中部较小,平均1. 1 10- 8 / a。整个块体上主张应变 较均匀,最小为1. 8 10- 8 / a,最大为2. 2 10- 8 / a。块体的主张应变轴自东向西由NEE2SWW逐渐转为NWW2SEE。从图4可以看出一个非常突出的特征,在鲜水河断裂、小江断裂、红河断裂和南定河等主要断裂带上,应变场的最大剪应变方向都与断裂带走向一致。讨论与结论 块体弹性运动模型的精度与代表性由川滇地区4个块体弹性运动模型计算的站速度相对于观测的站速度,残差的标准差1. 0 1. 2mm / a,远小于观测的站速度的标准差1. 6 1. 7mm / a

18、,这表明川滇地区4个块体弹性运动模型模拟25大地测量与地球动力学28卷实际站速度的精度是较高的。本文建立这4个块体弹性运动模型共选择了173个站,选用率96. 1%大于川滇地区180个站在二倍观测速度标准差之内出现的自然概率(95. 5%) ,表明本文建立的川滇地区4个块体弹性运动模型具有很高的代表性。2)川滇地区变形的模式从图1可看到,相对于欧亚板块,川滇地区显示围绕东喜马拉雅构造结的顺时针旋转运动。从图3和图4可看出,在整个川滇地区张应变占优势,北部基本上呈N2S向拉张与E2W向挤压状态,南部基本上呈E2W向拉张与N2S向挤压状态,主要断裂带呈剪切状态。因此,川滇地区的变形为顺时针旋转、拉

19、张伸展、挤压缩短与剪切变形共存的复合变形模式。3)川滇地区变形的机制青藏高原物质的向东挤出与阿萨姆角NEE方向的持续楔入造成川滇地区东移 16 - 18 ,在东部相对稳定的四川盆地和华南块体的阻挡下,整个川滇地区沿鲜水河2小江断裂带由向东转为向南运动 19, 20 ,从而引起内部各块体的顺时针转动。同时,在川滇北部产生E2W 向挤压与N2S向拉张变形。在滇西B 块体内产生大范围右旋剪切形变和E2W 向拉张,这是川滇南和滇西A 块体传递下来的向南推动和印度板块向东下插于安达曼板块造成的E2W 向弧后扩张共同作用的结果。重力的作用。将图1与这个地区的地形图对比会发现,在川滇地区,地壳运动方向与金沙

20、江、澜沧江和怒江的流向是一致的。河水的流向与重力势能减小的方向是一致的,该地区地壳运动方向与河水流动方向一致表明,重力在川滇地区变形过程中发挥了重要作用。在重力势能的长期持续作用下,地壳将具有流变性,地壳物质将缓慢地向南蠕动。另外,这个地区的运动与变形也与其内部活动断裂的特殊构造和下地壳的流变构造有关。在上述作用力的共同作用下,各块体发生平动、旋转,内部保持相对完整性,块体间挤压、拉张和剪切,在块体边界表现出较强的形变。参考文献阚荣举,张四昌,晏风桐. 我国西南地区现代构造应力场与现代构造活动特征的探讨 J . 地球物理学报, 1977, 20(2) : 96 - 107.1Kan Rongj

21、u, Zhang Sichang and Yan Fengtong. Study on thecurrent tectonic stress field and the characteristics of tectonicactivity in Southwest China J . Acta Geophysica Sinica ,1977, 2O (2) : 96 - 107. ( in Chinese)3陈智梁,等.中国西南地区地壳运动的GPS监测 J . 科学通报, 1999, 44 (8) : 851 - 854.3Chen Zhiliang, et a1. GPS measurem

22、ent in southwest regionof China J . Chinese Science Bulletin, 1999, 4 ( 8) : 851 -854. ( in Chinese)4Wang Q, et a1. Present - day crustal deformation in Chinaconstrained by Global Positioning System measurements J .Science, 2001, 294 (5 542) : 574 - 577.5王琪,等.中国大陆现今地壳运动与构造变形 J . 中国科学(D辑) , 2001, 31 (7) : 529 - 536.5Wang Qi, et a1. Crustal movement and tectonic deformationof continental China J . Science in China ( Series D ) ,2001, 31 (7) : 529 - 536. ( in Chinese)6