摘要：本文以青藏高原東南緣的大型活動斷裂及其圍限的塊體為基礎，利用三維粘彈性有限元模型，模擬了該區(qū)域的位移場及構造應力場，并根據(jù)施加的邊界載荷條件分析了青藏高原東南緣旋轉變形的動力學來源。結果表明，印度板塊對歐亞板塊的碰撞作用，穩(wěn)定的華南塊體和巴顏喀拉喀拉塊體的阻擋作用，緬甸板塊沿實皆斷裂帶對巽他板塊的剪切拉伸作用以及下地殼和上地幔物質(zhì)流的橫向拖拽作用均是青藏高原東南緣旋轉變形的主要影響因素。

關鍵詞：青藏高原東南緣；數(shù)值模擬；構造應力場；旋轉變形

0引言

根據(jù)GPS觀測結果，青藏高原東南緣內(nèi)一些列的活動塊體表現(xiàn)出圍繞喜馬拉雅東構造結順時針旋轉的運動學特征。這一旋轉變形的動力學機制一直是國內(nèi)外學者關注的焦點，眾多學者分別從新構造運動、構造地貌、活動構造、現(xiàn)今地震活動與地應力場、GPS速度場觀測、地球物理和數(shù)值模擬等角度不同程度地開展了綜合研究和深入探討[1]?？偟膩碚f，下地殼流模式能夠較為合理地解釋青藏高原東南緣整體上呈順時針旋轉的特征。但是，針對大型活動斷裂帶、下地殼流的拖曳、巖石圈圈層結構以及周邊區(qū)域構造環(huán)境等因素的考慮不夠全面細致。尤其是巽他板塊對青藏高原東南緣旋轉運動的作用經(jīng)常被忽視[2]。此外，在定量分析過程中，大多數(shù)的數(shù)值模擬研究都是基于區(qū)域性的地質(zhì)觀測和運動過程從邊界位移角度進行建模，而從邊界載荷角度建模的研究仍有不足。

本文擬針對青藏高原東南緣旋轉變形的運動學特征，以青藏高原東南緣主要活動斷裂及其所控制的活動塊體為基礎，綜合考慮了GPS速度場、震源機制解及地應力測量的構造應力場、塊體單元內(nèi)部及其周緣活動構造空間分布特征、巖石圈圈層結構及其物質(zhì)特征等現(xiàn)實情況，構建以載荷為邊界條件的三維粘彈性有限元模型。通過與研究區(qū)的震源機制解及地應力測量等數(shù)據(jù)的對比，探討青藏高原東南緣所處應力環(huán)境及其旋轉變形的動力學機制。

1青藏高原東南緣活動構造分布及巖石圈結構特征

青藏高原東南緣內(nèi)存在一些了活動斷裂帶，其中鮮水河斷裂帶呈、龍門山斷裂帶、安寧河斷裂帶、則木河斷裂帶、小江斷裂帶、理塘-甘孜斷裂帶、紅河斷裂帶、金沙江斷裂帶、麗江-小金河斷裂帶及龍陵-瀾滄江斷裂帶等，活動斷裂主要呈NW、NE及近NS向展布（見表1[3]）[4]。在這些斷裂帶的圍限下，青藏高原東南緣大體可以劃分為華南塊體、巴彥喀拉塊體、川滇菱形塊體及滇西南塊體。參照以華南塊體為參照系的GPS速度場，巴顏喀拉塊體呈現(xiàn)出東向運動，并受到華南塊體的阻擋作用，川滇塊體則在鮮水河-小江斷裂帶的轉換作用下發(fā)生順時針旋轉。

根據(jù)CRUST1.0，青藏高原東南緣石圈各圈層厚度自西向東逐漸減薄，上中下地殼平均厚度分別為22km、16km、11.5km。其中下地殼下邊界最深為71.76公里，位于研究區(qū)西北部的羌塘地塊區(qū)內(nèi)，下地殼最淺處則位于華南板塊內(nèi)，約30公里。

2青藏高原東南緣三維有限元模型

本文以青藏高原東南緣主要活動斷裂及基本活動塊體單元為基礎構建三維粘彈性有限元模型。為了使模型更接近青藏高原東南緣的實際環(huán)境，網(wǎng)格化過程中，橫向網(wǎng)格剖分采用自適應非結構網(wǎng)格剖分技術（見圖1），縱向網(wǎng)格剖分根據(jù)巖石圈圈層結構剖分，以各圈層分界面為中心，分別向上和向下按照一定的厚度劃分網(wǎng)格。因為研究區(qū)內(nèi)下地殼下邊界最深約為71公里，最薄的巖石圈圈層處約9公里，因此，縱向網(wǎng)格化時，自地表向下，80km深的地幔處向上，以各巖石圈層分界面為中心，分別向上和向下按照4km厚度縱向劃分網(wǎng)格，即在縱向上一共劃分為13層網(wǎng)格。

在設置巖石參數(shù)時，活動斷裂帶用弱化帶代替，活動塊體采用等效巖石物質(zhì)參數(shù)代替。本文將參照前人的研究成果設置各個主要塊體和斷裂帶的巖石物性（見表2）。

根據(jù)地質(zhì)資料及GPS觀測數(shù)據(jù)等，青藏高原在北向運動過程中受到羌塘地塊的阻擋作用，高原內(nèi)物質(zhì)橫向擠出時受到華南板塊的阻擋，所以，在設置三維模型的位移邊界條件時，將研究區(qū)的北部和東部做約束是恰當?shù)腫5]。具體做法是將三維模型的北部側面做南北向約束，東西向自由，東部側面做東西向約束，南北向自由，同時將模型底部做垂直方向的約束，水平向自由；其余位置則設置為自由邊界條件（見表3）。

由于印度板塊在與歐亞板塊碰撞過程向下俯沖，根據(jù)Anderson斷層理論，該區(qū)域的最大主應力方向與板塊邊界垂直，所以，我們沿著碰撞帶邊界對該區(qū)域施加載荷，其余邊界則按照活動斷裂的性質(zhì)確定施加邊界載荷的方向（見表4）。

3模擬結果分析

圖2為青藏高原東南緣上地殼的節(jié)點位移場，從模型內(nèi)物質(zhì)運動的整體趨勢來看，青藏高原東南緣內(nèi)的物質(zhì)運動表現(xiàn)為由北部的北東-北北東向運動，到中部順時針旋轉為南東-南南東向，再到南部旋轉為南西向運動，反映出了青藏高原東南緣物質(zhì)順時針旋轉的特征。模擬結果表明，數(shù)值模擬計算的物質(zhì)運動位移場與實測的GPS速度場基本吻合。

圖3和圖4分別為單位長度的最大主應力和最小主應力在水平面上的投影，圖中線段長度代表在水平面上投影的長度，線段越長說明主應力方向與水平面的夾角越小，與Z軸的夾角越大，即主應力越接近水平方向。線段越短說明主應力方向與Z軸夾角越小，主應力方向越接近于垂直。從圖中可知，在甘孜-玉樹斷裂帶，鮮水河斷裂帶以西的地區(qū)，最大主應力近水平，方向從北北東向順時針旋轉為近東西向，最小主應力以垂向為主，因此，根據(jù)安德森斷層理論可知，最大主應力水平和最小主應力垂直的分布特征表明該地區(qū)為逆沖斷層區(qū)。在鮮水河斷裂帶、龍門山斷裂帶及昆侖山斷裂帶上，最小主應力和最大主應力均水平，中間主應力垂直，因此，這三條斷裂帶應為走滑性斷裂帶。在這三條斷裂帶所圍限的塊體內(nèi)，最小主應力垂直，最大主應力水平，表明該區(qū)域為逆沖區(qū)。在安寧河斷裂帶、則木河斷裂帶和小江斷裂帶上，最大主應力和最小主應力均水平，此處應為走滑斷裂帶。因為最大主應力方向呈北西向，最小主應力北北東向，因此，此處表現(xiàn)為左旋走滑的特征。在安寧河斷裂帶、則木河斷裂帶和小江斷裂帶以西的區(qū)域，整體上表現(xiàn)為最大主應力垂直，最小主應力水平，因此，該地區(qū)應處于拉張環(huán)境的作用下。在紅河斷裂帶的中段，最大主應力水平，最小主應力垂直，該地區(qū)表現(xiàn)為逆沖的特征。在紅河斷裂帶的南段，最大主應力以垂直為主，同時兼具水平向東最大主應力，最小主應力水平，說明該地區(qū)以拉張走滑特征為主。在滇西南的邊界處，即實皆斷裂帶附近，最大主應力和最小主應力均水平，且最大主應力以近南北向為主，最小主應力以近東西向為主，說明該地區(qū)為南北向的走滑斷裂特征。除龍門山斷裂帶的逆沖性質(zhì)外，其余位置的模擬結果與歷史地表破裂資料、GPS資料、震源機制解等實際觀測到的活動斷裂帶性質(zhì)基本一致。因此，可以認為本文對青藏高原東南緣的數(shù)值模擬是合理的。因此，可以通過施加的邊界條件分析青藏高原東南緣旋轉變形的動力來源。endprint

4動力學環(huán)境分析

青藏高原東南緣的三維粘彈性數(shù)值模擬結果表明，藏東地區(qū)和川滇菱形塊體的西北部表現(xiàn)為逆沖區(qū)，在鮮水河-小江斷裂帶、龍門山斷裂帶和昆侖山斷裂帶上表現(xiàn)為走滑運動特征。在馬爾康塊體內(nèi)表現(xiàn)為逆沖特征。滇中地區(qū)及滇西南地區(qū)表現(xiàn)為拉張環(huán)境，其中，紅河斷裂帶中南段由北向南由逆沖走滑特征逐漸過渡為走滑拉張?zhí)卣?。而滇西南邊界處的實皆斷裂帶則表現(xiàn)為近南北向的走滑斷裂帶。模擬結果與實際的震源機制解和地質(zhì)調(diào)查資料所反映的地應力場特征基本一致。結果數(shù)值模擬中給定的邊界載荷條件，藏東地區(qū)及川滇菱形塊體的西北部以及馬爾康塊體所表現(xiàn)出來的逆沖環(huán)境的動力來源于印度板塊向歐亞板塊俯沖過程中的北向擠壓和物質(zhì)的橫向擠出作用，以及穩(wěn)定的華南塊體的阻擋作用。實皆斷裂帶的走滑特征的動力學環(huán)境來源于印度板塊北向俯沖過程中的對緬甸板塊的拉伸作用。緬甸板塊在北向走滑運動中對巽他板塊產(chǎn)生剪切拉伸作用，進而使滇中塊體和滇西南塊體表現(xiàn)為拉張環(huán)境。另外，在印度板塊俯沖過程中，青藏高原南部下地殼及上地幔物質(zhì)在青藏高原巨厚地殼的阻擋作用下，下地殼和上地幔中物質(zhì)的橫向流動對青藏高原東南緣的塊體運動產(chǎn)生了一定的拖拽作用。因此，青藏高原東南緣順時針旋轉特征的動力學環(huán)境主要受控于印度板塊對歐亞板塊的碰撞作用，穩(wěn)定的華南塊體和巴顏喀拉喀拉塊體的阻擋作用，緬甸板塊對巽他板塊的剪切拉伸作用以及下地殼和上地幔物質(zhì)流的橫向拖拽作用等的共同影響。

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作者簡介：曹海波（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向為地球動力學方向研究。endprint