青藏高原东南缘旋转变形的三维动力学模拟分析

摘要：本文以青藏高原东南缘的大型活动断裂及其围限的块体为基础，利用三维粘弹性有限元模型，模拟了该区域的位移场及构造应力场，并根据施加的边界载荷条件分析了青藏高原东南缘旋转变形的动力学来源。结果表明，印度板块对欧亚板块的碰撞作用，稳定的华南块体和巴颜喀拉喀拉块体的阻挡作用，缅甸板块沿实皆断裂带对巽他板块的剪切拉伸作用以及下地壳和上地幔物质流的横向拖拽作用均是青藏高原东南缘旋转变形的主要影响因素。

关键词：青藏高原东南缘；数值模拟；构造应力场；旋转变形

0引言

根据GPS观测结果，青藏高原东南缘内一些列的活动块体表现出围绕喜马拉雅东构造结顺时针旋转的运动学特征。这一旋转变形的动力学机制一直是国内外学者关注的焦点，众多学者分别从新构造运动、构造地貌、活动构造、现今地震活动与地应力场、GPS速度场观测、地球物理和数值模拟等角度不同程度地开展了综合研究和深入探讨[1]。总的来说，下地壳流模式能够较为合理地解释青藏高原东南缘整体上呈顺时针旋转的特征。但是，针对大型活动断裂带、下地壳流的拖曳、岩石圈圈层结构以及周边区域构造环境等因素的考虑不够全面细致。尤其是巽他板块对青藏高原东南缘旋转运动的作用经常被忽视[2]。此外，在定量分析过程中，大多数的数值模拟研究都是基于区域性的地质观测和运动过程从边界位移角度进行建模，而从边界载荷角度建模的研究仍有不足。

本文拟针对青藏高原东南缘旋转变形的运动学特征，以青藏高原东南缘主要活动断裂及其所控制的活动块体为基础，综合考虑了GPS速度场、震源机制解及地应力测量的构造应力场、块体单元内部及其周缘活动构造空间分布特征、岩石圈圈层结构及其物质特征等现实情况，构建以载荷为边界条件的三维粘弹性有限元模型。通过与研究区的震源机制解及地应力测量等数据的对比，探讨青藏高原东南缘所处应力环境及其旋转变形的动力学机制。

1青藏高原东南缘活动构造分布及岩石圈结构特征

青藏高原东南缘内存在一些了活动断裂带，其中鲜水河断裂带呈、龙门山断裂带、安宁河断裂带、则木河断裂带、小江断裂带、理塘-甘孜断裂带、红河断裂带、金沙江断裂带、丽江-小金河断裂带及龙陵-澜沧江断裂带等，活动断裂主要呈NW、NE及近NS向展布（见表1[3]）[4]。在这些断裂带的围限下，青藏高原东南缘大体可以划分为华南块体、巴彦喀拉块体、川滇菱形块体及滇西南块体。参照以华南块体为参照系的GPS速度场，巴颜喀拉块体呈现出东向运动，并受到华南块体的阻挡作用，川滇块体则在鲜水河-小江断裂带的转换作用下发生顺时针旋转。

根据CRUST1.0，青藏高原东南缘石圈各圈层厚度自西向东逐渐减薄，上中下地壳平均厚度分别为22km、16km、11.5km。其中下地壳下边界最深为71.76公里，位于研究区西北部的羌塘地块区内，下地壳最浅处则位于华南板块内，约30公里。

2青藏高原东南缘三维有限元模型

本文以青藏高原东南缘主要活动断裂及基本活动块体单元为基础构建三维粘弹性有限元模型。为了使模型更接近青藏高原东南缘的实际环境，网格化过程中，横向网格剖分采用自适应非结构网格剖分技术（见图1），纵向网格剖分根据岩石圈圈层结构剖分，以各圈层分界面为中心，分别向上和向下按照一定的厚度划分网格。因为研究区内下地壳下边界最深约为71公里，最薄的岩石圈圈层处约9公里，因此，纵向网格化时，自地表向下，80km深的地幔处向上，以各岩石圈层分界面为中心，分别向上和向下按照4km厚度纵向划分网格，即在纵向上一共划分为13层网格。

在设置岩石参数时，活动断裂带用弱化帶代替，活动块体采用等效岩石物质参数代替。本文将参照前人的研究成果设置各个主要块体和断裂带的岩石物性（见表2）。

根据地质资料及GPS观测数据等，青藏高原在北向运动过程中受到羌塘地块的阻挡作用，高原内物质横向挤出时受到华南板块的阻挡，所以，在设置三维模型的位移边界条件时，将研究区的北部和东部做约束是恰当的[5]。具体做法是将三维模型的北部侧面做南北向约束，东西向自由，东部侧面做东西向约束，南北向自由，同时将模型底部做垂直方向的约束，水平向自由；其余位置则设置为自由边界条件（见表3）。

由于印度板块在与欧亚板块碰撞过程向下俯冲，根据Anderson断层理论，该区域的最大主应力方向与板块边界垂直，所以，我们沿着碰撞带边界对该区域施加载荷，其余边界则按照活动断裂的性质确定施加边界载荷的方向（见表4）。

3模拟结果分析

图2为青藏高原东南缘上地壳的节点位移场，从模型内物质运动的整体趋势来看，青藏高原东南缘内的物质运动表现为由北部的北东-北北东向运动，到中部顺时针旋转为南东-南南东向，再到南部旋转为南西向运动，反映出了青藏高原东南缘物质顺时针旋转的特征。模拟结果表明，数值模拟计算的物质运动位移场与实测的GPS速度场基本吻合。

图3和图4分别为单位长度的最大主应力和最小主应力在水平面上的投影，图中线段长度代表在水平面上投影的长度，线段越长说明主应力方向与水平面的夹角越小，与Z轴的夹角越大，即主应力越接近水平方向。线段越短说明主应力方向与Z轴夹角越小，主应力方向越接近于垂直。从图中可知，在甘孜-玉树断裂带，鲜水河断裂带以西的地区，最大主应力近水平，方向从北北东向顺时针旋转为近东西向，最小主应力以垂向为主，因此，根据安德森断层理论可知，最大主应力水平和最小主应力垂直的分布特征表明该地区为逆冲断层区。在鲜水河断裂带、龙门山断裂带及昆仑山断裂带上，最小主应力和最大主应力均水平，中间主应力垂直，因此，这三条断裂带应为走滑性断裂带。在这三条断裂带所围限的块体内，最小主应力垂直，最大主应力水平，表明该区域为逆冲区。在安宁河断裂带、则木河断裂带和小江断裂带上，最大主应力和最小主应力均水平，此处应为走滑断裂带。因为最大主应力方向呈北西向，最小主应力北北东向，因此，此处表现为左旋走滑的特征。在安宁河断裂带、则木河断裂带和小江断裂带以西的区域，整体上表现为最大主应力垂直，最小主应力水平，因此，该地区应处于拉张环境的作用下。在红河断裂带的中段，最大主应力水平，最小主应力垂直，该地区表现为逆冲的特征。在红河断裂带的南段，最大主应力以垂直为主，同时兼具水平向东最大主应力，最小主应力水平，说明该地区以拉张走滑特征为主。在滇西南的边界处，即实皆断裂带附近，最大主应力和最小主应力均水平，且最大主应力以近南北向为主，最小主应力以近东西向为主，说明该地区为南北向的走滑断裂特征。除龙门山断裂带的逆冲性质外，其余位置的模拟结果与历史地表破裂资料、GPS资料、震源机制解等实际观测到的活动断裂带性质基本一致。因此，可以认为本文对青藏高原东南缘的数值模拟是合理的。因此，可以通过施加的边界条件分析青藏高原东南缘旋转变形的动力来源。endprint

4动力学环境分析

青藏高原东南缘的三维粘弹性数值模拟结果表明，藏东地区和川滇菱形块体的西北部表现为逆冲区，在鲜水河-小江断裂带、龙门山断裂带和昆仑山断裂带上表现为走滑运动特征。在马尔康块体内表现为逆冲特征。滇中地区及滇西南地区表现为拉张环境，其中，红河断裂带中南段由北向南由逆冲走滑特征逐渐过渡为走滑拉张特征。而滇西南边界处的实皆断裂带则表现为近南北向的走滑断裂带。模拟结果与实际的震源机制解和地质调查资料所反映的地应力场特征基本一致。结果数值模拟中给定的边界载荷条件，藏东地区及川滇菱形块体的西北部以及马尔康块体所表现出来的逆冲环境的动力来源于印度板块向欧亚板块俯冲过程中的北向挤压和物质的横向挤出作用，以及稳定的华南块体的阻挡作用。实皆断裂带的走滑特征的动力学环境来源于印度板块北向俯冲过程中的对缅甸板块的拉伸作用。缅甸板块在北向走滑运动中对巽他板块产生剪切拉伸作用，进而使滇中块体和滇西南块体表现为拉张环境。另外，在印度板块俯冲过程中，青藏高原南部下地壳及上地幔物质在青藏高原巨厚地壳的阻挡作用下，下地壳和上地幔中物质的横向流动对青藏高原东南缘的块体运动产生了一定的拖拽作用。因此，青藏高原东南缘顺时针旋转特征的动力学环境主要受控于印度板块对欧亚板块的碰撞作用，稳定的华南块体和巴颜喀拉喀拉块体的阻挡作用，缅甸板块对巽他板块的剪切拉伸作用以及下地殼和上地幔物质流的横向拖拽作用等的共同影响。

参考文献：

[1] 刘凤山， 吴中海， 张岳桥， et al.青藏高原东缘新构造与活动构造研究新进展及展望[J].地质通报.2014（04）： 403-418.

[2] 范桃园， 陈群策， 吴中海， et al.青藏高原东缘活动构造与现今地应力场三维粘弹性模拟研究[J].地球物理学进展.2013（03）： 1140-1149.

[3] 程佳， 徐锡伟， 甘卫军， et al.青藏高原东南缘地震活动与地壳运动所反映的块体特征及其动力来源[J].地球物理学报.2012（04）： 1198-1212.

[4] 杨婷， 吴建平， 房立华， et al.滇西地区地壳速度结构及其构造意义[J].地震地质.2014， 36（2）： 392-404.

[5] 徐果明， 姚华建， 朱良保， et al.中国西部及其邻域地壳上地幔横波速度结构[J].地球物理学报.2007， 50（1）.

作者简介：曹海波（1989-），男，硕士研究生，主要研究方向为地球动力学方向研究。endprint