碰撞造山带地壳构造形变与地震活动关系的数值模拟

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新生代以来,印度刚性板块的持续快速北进,造就了巨型青藏高原的快速隆升,并在周缘形成一系列活动的褶皱冲断带,其形成与演化与高原周缘隆升机制和地震灾害的发生密切相关。因此,本文选定了青藏高原的直接变形前缘—尼泊尔喜马拉雅造山带以及高原典型的陆内造山带—龙门山褶皱冲断带这两个典型构造区域,采用序列极限分析的数值模拟的方法探讨了长期演化下的新生代尼泊尔喜马拉雅地史时期的地震潜势问题,以及采用了极限分析方法系统分析了现今龙门山褶皱冲断带的力学破裂状态,探讨断层几何形态、岩石强度以及分层模型下的层间重力差异对优选破裂机制的影响,研究结果加深了对上述两个地区孕震构造及隆升机制的认识。位于弧形造山带中部的尼泊尔喜马拉雅其缩短位移被俯冲碰撞界面—主喜马拉雅逆冲带上的频繁大地震所吸收。现今地震循环的行为已被清晰认识,但在较长时间尺度下,尤其是在造山带构造演化阶段,如何提取大地震的统计特征,一直没有很好的解决。现有的地震循环的行为揭示,是否向上全部激活从孕震区开始的滑脱层是区分大地震(M<8)与特大地震(M>8)的标志,以及主喜马拉雅逆冲断层上二元震间耦合系数表明孕震区的后部是完全的蠕滑非地震区。本文提出可以用下探到大地震回归周期(500 yr)的精细的新生代逆冲断裂的序列的位置去映射地史时期的地震潜势特征,从而避免了严格求取所需的地史尺度弹塑性造山以及短期黏弹塑性地震循环之间的耦合计算。数值模拟结果显示,在约200 km的初始楔体增生之后,活动断层存在4个逆冲簇集族,被命以逆冲族(thrust family),分别对应于次喜马拉雅,低喜马拉雅,高喜马拉雅以及特提斯喜马拉雅的演化。其中存在两期发育在高喜马拉雅以及特提斯喜马拉雅区域的断层活动,其断层活跃期最长,可达2-2.5 Myr,分别出现于30-28Ma,15.8-13.35Ma,这与高喜马拉雅侵位机制给出的时间近似,在映射中属于非地震的蠕滑特征,消耗了约10%的地史时期的缩短量;剩余逆冲族落在映射区域的大地震粘滑区,其断层活跃期迅速降低,越到前缘活跃期越短,减至0.5Ma,每个逆冲族所吸收的缩短量大致相当。位于次喜马拉雅的逆冲族激活了全部的滑脱层,归属于特大地震的范畴;而低喜马拉雅,存在两类逆冲族,后部的逆冲族造就了次喜马拉雅双重构造。该方法同样可推广到具有相似震间结构的大陆碰撞带,例如整个喜马拉雅造山带以及阿尔卑斯造山带;而洋陆俯冲带,由于其震间耦合类型具有强烈的不均匀性,从而使得造山与有效会聚速率并不一一对等,因此该映射方法并不适用于大洋俯冲背景。近期龙门山褶皱冲断带南缘一系列的大震以及余震清晰刻画了龙门山地区以后陆失序逆冲为主的断层破裂样式以及5.12汶川大震所呈现的分叉断层—北川、彭灌断层的同破裂过程。时至今日,对龙门山褶皱冲断带及临区四川盆地进行翔实的力学分析以揭示龙门山南段地区上述破裂模式的影响因素还未得到开展。基于龙门山现今‘断坪—断坡—断坪’的滑脱层的几何样式以及构造楔体内存在的既有断层,这已经超出了 Dahlen所推导的临界楔理论的应用范畴,并不能对龙门山褶皱冲断带以及四川盆地整体进行力学破裂分析。本论文采用了最大强度定理,即极限分析的运动学解法,去系统分析影响力学稳定状态的因素,包括断层形态、岩石强度以及地层间侧向物性差异。四种基本的端元破裂类型,或极限分析中的破裂机制(collapse mechanism)被提出,包括汶川地震造成的北川以及彭灌断层的破裂、芦山地震造成的山前盲断层的破裂以及经由山前盲断层激活四川盆地内的滑脱层。这四种破裂机制的提出有助于识别计算得到的断裂模态的组成。通过对均匀模型以及分层模型的对比研究,提出北川断裂以及彭灌断裂的铲型几何形态,而不是岩石强度以及层间的密度差异,控制现今以后陆为主的断层破裂样式。北川断裂和彭灌断裂的同破裂机制是沿北川断裂强烈的由应变率相关的材料软化因素所导致。模型结果展示了背景断坡强度越大,上部滑脱层强度越大,川西自中生代以来的前陆磨拉石沉积的地层密度越低,强度越小,越有利于少量变形从龙门山的山前迁移到四川盆地内部。同时,基于断层几何形态在较长时间的稳定性,我们提出龙门山东向构造缩短量最有可能被发生在龙门山后陆地区,尤其是北川和彭灌断层上的重复性大地震所消耗,而在四川盆地内部则具有较弱的地震活动性。通过测试断坪—断坡—断坪式滑脱层对地表地形的响应得到该样式滑脱层有利于变形集中于后陆以及中部断坡式滑脱处从而导致地形坡角的大幅增大。龙门山以及尼泊尔高喜马拉雅段高陡的地形很可能是由断坪—断坡—断坪式滑脱层对地表地形的力学特性所引起。结合近期的深地震反射剖面结果,新生代龙门山造山很可能以上地壳褶皱推覆增厚方式进行,这也与前人认为的新生代以来青藏高原周缘造山带由内而外逆冲增厚造山机制一致。
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