作为印度板块与欧亚板块碰撞的前缘地带,青藏高原东南缘岩石圈变形的动力学机制不断是国际研究和争论的热点问题之一,并相继提出构造逃逸模型、重力扩展模型和下地壳流模型等端元模型,对研究和认识青藏高原演化的动力学机制起到持续的有助于作用。然而时至今日,对各驱动机理在解释现今变形中的相对作用仍存在争议。近年来GPS等形变观测资料的逐渐丰富,为重新认识青藏高原东南缘岩石圈变形的动力学机制给予重要的资料(图1)。
地壳变形动力学研究组李玉江副研究员、陈连旺研究员与美国密苏里大学刘勉教授、第二监测中心李煜航博士合作,利用青藏高原东南缘的GPS观测资料,顺利获得解算区域应变率场,分析青藏高原东南缘现今地壳应变特征及空间分配模式;构建青藏高原东南缘三维黏弹塑性有限元模型,顺利获得召开高性能数值模拟实验,探讨各驱动机制在现今青藏高原东南缘隆升扩展中的相对作用。
图1 青藏高原东南缘地质构造、GPS速度场与历史强震活动
其中,黑色圆圈及沙滩球分别为1900以来M≥5.0地震与M≥6.7历史地震震源机制;黑色实心圆为有记录以来M≥6.7地震;GPS为相对欧亚框架的1999-2007观测数据;BHB-巴颜喀拉块体;EHS-喜马拉雅东构造结;MYB-滇缅块体;QB-羌塘块体;SYB-川滇块体;XSHF-鲜水河断裂;ANHF-安宁河断裂;ZMHF-则木河断裂;XJF-小江断裂;RRF-红河断裂;LMSF-龙门山断裂;RLF-瑞丽-龙陵断裂
研究结果表明,青藏高原东南缘的最大剪应变主要分布于鲜水河-安宁河-小江等大型块体边界断裂带,这本是构造逃逸模型最基本的特征;但这种高剪应变分布终止于红河断裂,并转换为云南南部-缅甸地区张-压性应变共存的应变分配特征;同时,龙门山断裂南段表现出较高的压性膨胀率分布(图2)。
图2 青藏高原东南缘应变率分布特征
(a) 最大剪应变率;(b) 面应变率,压性为负。
三维黏弹塑性有限元模拟结果表明,重力势能梯度驱动下的扩展模型可以较好地解释青藏高原东南缘现今的变形和应变分配特征(图3)。川西地区下地壳弱物质的存在可以使速度场、应变场的模拟值与实测值更为吻合。综合模拟分析认为,重力势能梯度、下地壳拖曳力及构造作用等共同控制着青藏高原东南缘现今的地壳变形特征,其中重力势能梯度占主导作用。
图3 重力势能梯度下的速度场及应变率场特征
(a) 重力势能梯度下的速度场模拟值与实测值对比;(b) 最大剪应变率模拟值,黑线为模型中主要块体边界断裂
研究结果对于认识青藏高原岩石圈构造变形模式、动力学机制,甚至是地震灾害机理都具有重要的科学意义和实际应用价值。
上述研究成果发表在国际知名地学期刊Earth and Planetary Science Letters上(Li, Y., Liu, M., Li, Y., and Chen, L. 2019. Active crustal deformation in southeastern Tibetan Plateau: The kinematics and dynamics. Earth and Planetary Science Letters. http://doi.org/10.1016/j.epsl.2019.07.010)。原文链接:http://authors.elsevier.com/c/1ZQ6Z,Ig4H0C6(2019年9月7日前有效)。