Uplift of the Longmen Shan area in the eastern Tibetan Plateau: an integrated geophysical and geodynamic analysis

Abstract

The mechanism for uplift of the eastern Tibetan Plateau is still a matter of debate. There are two main models: extrusion and crustal flow. These models have been tested by surface observations, but questions about the uplift remain. In addition, the devastating 2008 M_w 7.9 Wenchuan earthquake along the Longmen Shan fault zone (LMSFZ) reminds us that the tectonic activity within eastern Tibet is complex and poses a major natural hazard. This activity is accompanied by dramatic uplift along the LMSFZ, but only minor convergence (<4 mm year^–1) against the Sichuan basin is observed. In order to investigate the mechanism for uplift of Longmen Shan (LMS) area, we explored the lithospheric structure across the Songpan–Ganzi terrane (SGT), LMS, and western Sichuan basin by undertaking an integrated analysis of a variety of data including new, logistically challenging controlled-source seismic profiling (reflection and refraction) results, receiver function estimates of crustal thickness, gravity and magnetic data, GPS data, and geologic constraints. Our analysis of crustal structure indicates that the crust is not thick enough to support its current elevation and that the crust is essentially composed of three layers of similar thickness. Thus, based on our crustal structure model, 2D numerical modelling was conducted to investigate uplift mechanisms. The modelling results indicate that the middle crust beneath the SGT is the most ductile layer, which is the key factor responsible for the crustal-scale faulting, earthquake behaviour, and periods of uplift. In addition, the modelling results indicate that the strong Sichuan block acts as a backstop for the thrusting along the LMS and crustal thickening to the west.     

青藏高原东缘旋转变形机制的数值模拟

在印度板块与欧亚板块的碰撞作用下,青藏高原受到华南块体、鄂尔多斯块体等不同程度的阻挡,引起高原的整体隆升。青藏高原东南缘发生物质向南“逃逸”,青藏高原东缘现今的地壳运动表现为围绕青藏高原东构造结发生顺时针的旋转。针对青藏高原东缘的旋转变形特征,基于以大型活动断裂为界的块体构造模型,利用粘弹性接触单元有限元模拟,分析了控制青藏高原东缘旋转变形的动力学环境,模拟的GPS速度与实测GPS速度能够较好的地吻合,构造应力场分布特征和活动断层的性质也能够较大程度地吻合,模拟过程采用的边界及其代表的动力学环境表明,青藏高原东缘整体受控于印度板块的持续碰撞和稳定的华南板块的阻挡,在下地壳的拖曳和重力作用下,青藏高原物质从南部边界“逃逸”。在“逃逸”过程中,受印度板块斜向俯冲作用的影响,沿实皆断裂缅甸板块对巽他板块的剪切拉升作用是形成围绕喜马拉雅东构造结的旋转运动和地壳变形的重要因素,也是青藏高原东南缘旋转活动构造体系的主要影响因素之一。     

青藏高原东缘旋转变形机制的数值模拟

在印度板块与欧亚板块的碰撞作用下,青藏高原受到华南块体、鄂尔多斯块体等不同程度的阻挡,引起高原的整体隆升。青藏高原东南缘发生物质向南"逃逸",青藏高原东缘现今的地壳运动表现为围绕青藏高原东构造结发生顺时针的旋转。针对青藏高原东缘的旋转变形特征,基于以大型活动断裂为界的块体构造模型,利用粘弹性接触单元有限元模拟,分析了控制青藏高原东缘旋转变形的动力学环境,模拟的GPS速度与实测GPS速度能够较好的地吻合,构造应力场分布特征和活动断层的性质也能够较大程度地吻合,模拟过程采用的边界及其代表的动力学环境表明,青藏高原东缘整体受控于印度板块的持续碰撞和稳定的华南板块的阻挡,在下地壳的拖曳和重力作用下,青藏高原物质从南部边界"逃逸"。在"逃逸"过程中,受印度板块斜向俯冲作用的影响,沿实皆断裂缅甸板块对巽他板块的剪切拉升作用是形成围绕喜马拉雅东构造结的旋转运动和地壳变形的重要因素,也是青藏高原东南缘旋转活动构造体系的主要影响因素之一。     

鄂尔多斯地块西南缘宁夏固原地区原位地应力测量结果及其成因

鄂尔多斯地块西南缘新构造活动强烈、地震频发,具有复杂多样的构造变形模式和活动特征。为了解鄂尔多斯地块西南缘地壳浅部地应力分布规律及断层稳定性,利用宁夏固原地区的水压致裂地应力测量数据,结合其他实测及震源机制解资料,分析了鄂尔多斯地块西南缘构造应力场特征。结果表明：①研究区2个钻孔的主应力关系整体表现为SH > Sv > Sh,水平应力起主导作用,属于走滑型应力状态,钻孔附近最大水平主应力方位平均为N59°W,与震源机制解获得的青藏高原东北缘主压应力方位有差异,推断鄂尔多斯地块西南缘现今NWW向走滑剪切应力环境的形成可能主要受到海原断裂带和六盘山断裂带的影响,应为局部构造和区域构造应力场共同作用的结果。②利用Mohr-Coulomb准则及Byerlee定律,摩擦系数取0.6~1.0,对研究区的现今地应力状态分析后发现,鄂尔多斯地块西南缘海原断裂带和六盘山断裂带的地应力大小未达到地壳浅部断层产生滑动失稳的临界条件,处于较稳定的应力状态。该研究成果为鄂尔多斯地块关键构造部位的断裂活动性分析和地质环境安全评价提供了参考依据。     

宽角反射、折射地震数据与重力数据综合解释龙门山及邻近地区地壳结构

青藏高原东部的隆升机制一直都是地学界的研究热点,研究学者们提出和发展了多种岩石圈变形模型,而存在多种模型的主要原因之一是对青藏高原东部地壳及岩石圈结构认识不足。本文主要针对SinoProbe-02项目横跨龙门山断裂带、全长400多公里的宽角、折射地震数据及重力数据进行联合反演和综合解释。研究结果表明,龙门山及邻近地区地壳结构可明确划分为上地壳、中地壳和下地壳。上地壳上层为沉积层,龙门山断裂带以西大部分区域被三叠纪复理岩覆盖,而在龙日坝断裂与岷江断裂之间出现了密度为2.7g/cm³的高速异常体;向东靠近龙门山地区,沉积层厚度逐渐减薄。中地壳速度变化不均一,而且变形强烈;若尔盖盆地和龙门山断裂带下方出现明显低速带;中地壳在龙门山西侧厚度加厚,在岷江断裂下方和四川盆地靠近龙门山断裂带地区附近厚度达到最大。莫霍面整体深度从东往西增厚,最厚可达56 km。本次研究得到的地壳结构和密度分布分析结果表明现有的地壳厚度和物质组成不足以支撑龙门山及邻近地区目前所达到的隆升高度,因此四川盆地刚性基底西缘因挤压作用产生的弯曲应力也是该地区抬升的重要条件之一。     

青藏高原北缘新生代早期构造运动——来自酒西盆地始新世-渐新世的沉积学约束

位于青藏高原北缘的酒西盆地,出露有完整的晚始新世地层,真实地记录了周缘构造的运动,使其成为研究高原北缘新生代构造活动的最佳场所之一.基于酒西盆地11条沉积剖面的沉积相、重矿物和古水流研究,建立了火烧沟组-白杨河组高精度的沉积格架,识别出盆地在晚始新世主要为走滑盆地,沉积形态主要受阿尔金断裂左行走滑作用控制.阿尔金断裂强烈的走滑作用受到北部阿拉善地体的阻挡,在酒西盆地北部形成一个前锋带.随后,高原内部强烈的南-北向挤压作用沿酒西盆地的刚性基底向南传递到北祁连断裂,形成了新近纪早期酒西前陆盆地的雏形.     

Late Quaternary Large Earthquakes on the Western Branch of the Xiaojiang Fault and Their Tectonic Implications

The Xiaojiang fault is a major active left-lateral fault along the southeastern margin of the Tibetan Plateau.The largest historical earthquake in Yunnan Province, with a magnitude 8 and a mean coseismic left-lateral displacement of ~ 6.9 m, occurred on the western branch of the Xiaojiang fault.Studying this fault is important in understanding current deformation and kinematic characteristics of the Tibetan Plateau.Activities and stretches have been well undertaken on the Xiaojiang fault, while paleoseismic research work is always the weak link on this fault.To investigate the paleoseismic history and large earthquake activity of the Xiaojiang fault, we opened a large trench at the northern edge of Caohaizi sag pond on the western branch of the Xiaojiang fault.Six paleoseismic events have been identified, and named E1 through E6 from the oldest to the youngest.Charcoal and woods are abundant, 20 samples were dated to constrain the ages of the paleoseismic events at 40 000–36 300 BC, 35 400–24 800 BC, 9 500 BC–AD 500, AD 390–720, AD 1120–1620 and AD 1750–present.We associate the youngest event E6 with the 1833 M8 earthquake.Events E4, E5 and E6 show a continuous record of the western strand of the Xiaojiang fault in the late Holocene, with a average recurrence interval of 370–480 yr.Large earthquake recurrence in the late Holocene is far less than the recurrence of 2000–4000 yr posed in previous studies.Thus, the seismic hazard on the Xiaojiang fault should be reevaluated.Furthermore, the irregular recurrence of large earthquakes on the Xiaojiang fault and other faults in the Xianshuihe-Xiaojiang system, indicates the uneven southeastward extrusion of the Sichuan-Yunnan block along the southeastern margin of the Tibetan Plateau.     

青藏高原东缘地壳上地幔结构及其动力学意义

本文综述了我们在青藏高原东缘实施的垂直切过龙门山断裂带宽频带地震探测的研究成果,揭示了研究区复杂的地壳上地幔结构,结果表明松潘-甘孜地块与四川盆地西缘莫霍面深度为58 km与40 km±,在龙门山断裂带下方存在约15 km的莫霍面错断; 松潘-甘孜与龙门山断裂带域地壳纵横波速度比Vp/Vs比值远大于173,预示着粘性下地壳流或基性/超基性物质的存在。探讨了研究区强烈的盆山之间以及深部不同层圈之间的相互作用,推断四川盆地对青藏高原东缘软流圈驱动的物质东向逃逸阻挡作用可能深达整个上地幔。     

青藏高原东南缘弧形旋扭活动构造体系及其动力学特征与机制

在系统总结前人成果资料基础上,结合最新的遥感解译与地表调查资料发现,青藏高原东南缘地壳最新的顺时针旋转运动主要受控于由川滇外弧带和滇西内弧带构成的双弧型川滇弧形旋扭活动构造体系。进一步的综合分析认为,该构造体系的弧形旋扭运动学变形模式的动力学机制及其内部块体变形的差异性与不均匀性,主要是该区边界力的作用方式、先存地质结构和现今的地壳与岩石圈结构、岩石圈物质组成及其物理性质、深部的热状态、重力势能等多种因素共同作用的结果。其中,印度板块与扬子地块之间的右旋剪切和青藏高原内部物质向东南的不均匀挤出共同产生的力偶作用和岩石圈性质与结构,可能是造成该区围绕东喜马拉雅构造结整体发生顺时针旋转运动和旋扭叠加伸展变形最重要的因素。     

青藏高原东南缘金沙江下游新生代构造与地貌演化

青藏高原东南缘发育数十万平方千米的广阔地貌过渡带与大面积低起伏地貌面,独特的地貌提供了解读高原构造拓展与地表隆升时间、过程以及机制的理想窗口。为揭示青藏高原东南缘新生代构造变形响应和地貌演化过程,通过构造解析、构造地貌以及低温热年代学数据分析对金沙江下游流域进行综合研究。结果表明青藏高原东南缘早在始新世即已处于北西向为主的区域性挤压条件下而发生广泛褶皱变形。尽管始新世存在区域性变形响应,但青藏高原东南缘金沙江下游地区在古近纪为低海拔丘陵地貌,地表隆升幅度极为有限。晚渐新世—早中新世研究区总体处于长期的低剥蚀速率环境,促进了低海拔平缓地貌的形成。晚新近纪以来,青藏高原东南缘发生区域性缩短变形与显著地表隆升,大型水系同步下蚀,共同塑造形成现今较高海拔的低起伏地貌面与深切峡谷并存的特征性地貌。研究结果支持青藏高原东南缘晚新近纪以来的隆升与地壳构造缩短及增厚密切相关,而中下地壳塑性流动增厚机制并非必不可少。     

全球定位系统测量与青藏高原东部流变构造

通过1991～1997年期间高精度全球定位系统测量,建立了青藏高原东部及其邻区的现代地壳运动速度场。相对成都,鲜水河-小江断裂以西的藏东-滇中地区的运动速度变动在1．57～17．49mm／a之间,总体为8mm／a以上。该断裂以东地区的运动速度小,约为0～7mm／a。在此基础上,通过对围绕东喜马拉雅构造结的涡旋和川西地区的涡旋的认定,以及它们在地壳变形中的作用的分析,阐述了青藏高原东部及其邻区深部物质流变的主要形式和地壳流变构造。     

北山构造带南部上地壳二维初至波层析成像

花海盆地—北山构造带南部位于青藏高原东北缘以北地区,是特提斯洋和古亚洲洋两大构造域的交接部位,自新元古代晚期以来经历了多期次、多阶段的板块裂解-俯冲-碰撞-拼合的演化历史,尤其是中生代以来的逆冲推覆和走滑作用,以及受新生代以来印度板块和欧亚板块碰撞的远程效应影响,导致青藏高原东北缘的向北扩展,形成了现今复杂的地质地貌结构。其地壳结构记录了多期构造作用的叠加,上地壳结构更是促进我们理解青藏高原东北缘向外的扩展机制及其对周缘块体的改造作用的天然记录本。本文利用2018年中国地质科学院在北山构造带南部完成的180 km深反射地震剖面的初至波(Pg震相)数据,通过层析成像反演方法,获得了花海盆地—北山构造带4 km深度范围内的上地壳P波速度结构。其主要特征为:花海盆地、总口子盆地和扎格高脑盆地均表现为较低的速度和较小的垂向速度梯度;研究区内的晚古生代花岗岩体具有明显的高速异常和较大的垂向速度梯度特征;左行走滑的阿尔金断裂带在花海盆地内表现为向北倾的高角度走滑性质,深度至少切穿花海盆地基底;北山南缘断裂带的推测隐伏区呈现速度等值线下凹的低速异常特征。同时,反演揭示的多处低速异常区指示了北山构造带南部的多处断层发育情况。     

青藏高原新生代火山活动的深部力学背景

为了研究火山形成基本要素——岩浆运移通道的形成, 基于重力异常反演的青藏高原下地壳底部的地幔对流应力场, 结合地壳破裂形成机理和对流应力场与青藏高原新生代火山分布的关系, 以及青藏高原下地幔对流演化的数值模拟结果, 分析了高原火山岩浆运移通道产生的深部力学机制.研究表明, 高原下地幔对流应力场存在两个大的拉张区, 高原中部和北部的火山岩均分布于拉张应力区.南部的林子宗火山区对应了印度板块与欧亚大陆碰撞前或碰撞早期高原下的地幔上升流.对流应力的量级为~100Ma, 这与导致地壳破裂的应力量级相当.所有这些证据表明, 青藏高原下地幔对流应力场可能是导致高原地壳破裂, 并发展为岩浆物质通道的主要力学机制之一.      

西秦岭北缘漳县地区上新统韩家沟砾岩沉积特征及其地质意义

青藏高原东北缘西秦岭北缘构造带的漳县地区出露一套具有磨拉石沉积特征的上新统韩家沟砾岩。其现今的空间分布和沉积特征对于认识青藏高原东北缘新生代构造演化和地壳隆升具有重要的科学意义。通过对上新统韩家沟砾岩层的厚度、砾石成分、形态和粒度特征、古流向特征、物源特征等研究,探讨其沉积环境和形成的构造背景。提出了西秦岭北缘上新统韩家沟砾岩代表新近纪上新世以来,西秦岭地块向北逆冲推覆构造背景下形成前陆磨拉石盆地沉积的认识。该区域上新统韩家沟砾岩现今出露最高高程与北缘断裂带之南的山顶夷平面高程相近,可能指示了其形成之后和西秦岭一起经历了长期的侵蚀夷平,最后在新近纪末期或第四纪初形成了统一夷平面。该夷平面代表了青藏高原东北缘地壳隆升的起点,新近纪末期以来,该夷平面的隆升、侵蚀和解体记录了青藏高原东北缘地壳隆升过程,即青藏高原东北缘真正隆升是新近纪末期或第四纪以来的地质事件。     

青藏高原东北缘海原-六盘山断裂带现今地壳应力环境的数值分析

海原-六盘山断裂是青藏高原东北缘的大型边界断裂带,是中国大陆典型的地震危险区。地壳构造加载特征的定量研究有助于分析区域孕震环境,参考青藏高原东北缘GPS形变和岩石圈精细结构等资料,本文建立海原-六盘山断裂带周缘的三维岩石圈分层模型,分析现今构造加载作用下区域地壳形变和应力演化特征。数值计算结果显示:青藏高原东北缘现今处于以北东-南西向的水平挤压为主导和北西-南东向的水平引张的变形特征。青藏高原东北缘中-下地壳流变性质影响上覆脆性地壳应力环境,中地壳较低粘滞系数对应的模型地壳应力计算值与研究区实际地壳应力场相近。海原断裂中-西段构造加载作用显著,具有相对较高的库仑应力积累和最大剪应力分布;而六盘山断裂周缘地壳应力和最大剪应力小于海原断裂带。构造应力积累的空间分布差异说明六盘山断裂具有较弱的构造孕震环境,而研究区走滑型断裂的孕震加载作用显著。尽管六盘山处于较低的应力状态,但仍不能轻易忽视其长期存在的强震空区所暗示的发震潜力。     

青藏高原东北缘固关-虢镇断裂中段第四纪以来活动特征

固关-虢镇断裂是青藏高原东北缘、鄂尔多斯地块西南缘陇县-宝鸡断裂带中的一条主要断裂,该断裂的运动特征和活动性包含了青藏高原向东北方向扩展机制的重要信息。固关-虢镇断裂中段在卫星影像和DEM图上都显示出清晰的线性影像特征,地貌上表现为清楚的地貌陡坎,陡坎高80～100 m。通过卫星影像判读、野外调查、探槽开挖和年龄测试等方法的综合研究,结果认为固关-虢镇断裂中段第四纪早期有明显活动,并以左旋走滑运动为主,左旋走滑运动利用了早白垩世形成的正断层面;晚更新世以后固关-虢镇断裂停止了活动。造成断裂运动方式和活动性转变的原因是,第四纪以来印度-欧亚大陆碰撞的远程效应到达青藏高原东北缘之后,陇县-宝鸡断裂带周围的块体因为相互作用进行调整,形成了该断裂带局部构造应力以剪应力为主所致。     

内蒙古乌兰哈达-高勿素断裂的新活动证据及构造意义初探

近期在鄂尔多斯地块东北缘、蒙古高原南缘的乌兰哈达火山群附近发现一条长约100余公里的NW向断裂——乌兰哈达-高勿素断裂,并基于高分辨率卫星影像解译和野外地质调查对该断裂的新活动特征进行了初步研究。断裂活动的地貌证据包括线性展布的断层陡坎、断塞塘、断层槽谷以及位错冲沟、断头沟等。跨断裂冲沟的同步性左旋位错及广泛发育的反向陡坎(倾向NE)等指示断裂应为左旋走滑为主兼具由SW向NE逆冲的运动性质。乌兰哈达-高勿素断裂的构造位置及几何学、运动学特征指示其应归属于NW向左旋走滑的张家口-渤海断裂带,该断裂的左旋走滑运动应在调节其南、北两侧块体向E的差异运动中起着重要的作用。另一方面,鄂尔多斯地块东北缘的乌兰哈达-高勿素断裂及张家口断裂、洗马林断裂等NW向断裂所表现出的逆冲运动特征指示鄂尔多斯地块东北缘可能持续受到青藏高原东北缘对鄂尔多斯地块西南缘自晚中新世以来推挤作用远程效应的影响,这些伴有逆冲运动的NW向断裂应是鄂尔多斯地块东北缘地区响应青藏高原东北缘NE向生长和扩展的一种具体表现。乌兰哈达-高勿素断裂新活动证据的发现不仅完善了张家口-渤海断裂带的几何图像,也为认识和理解鄂尔多斯地块东北缘的构造变形和评价地震危险性提供了新约束。

     

粘弹性数值模拟龙门山断裂带应力积累及大震复发周期

2008年5月12日在低地形变速率的龙门山断裂带上突发汶川强震,引发人们对该地震孕震机制的思考。本文根据GPS观测资料确定边界条件,通过三维粘弹性数值模拟探讨了汶川地震的孕震机理,计算了该区域岩石圈的应力增加速率和积累过程,以及汶川地震同震应力变化与震后应力松弛,在此基础上估算了汶川8.0级大地震的复发周期。数值模拟结果表明:印度板块对欧亚板块的推挤造成青藏高原的物质东流,高原中、下地壳物质在龙门山断裂带处遭到相对坚硬的四川盆地的阻挡之后,部分中、下地壳物质在龙门山断裂带下堆积产生应力集中。两个重要因素为应力集中提供了重要控制作用:其一是青藏高原中、下地壳较低的粘滞系数与四川盆地中、下地壳较高的粘滞系数的差异,其二是从青藏高原到四川盆地的Moho面深度在龙门山断裂带的突变。低应变速率的龙门断裂带岩石圈在数千年时间尺度的应力积累过程中,脆性上地壳的应力随时间近乎线性增长,并且上地壳深部的应力增长率超过浅部,6000年内应力积累最大量达到-21.6MPa,应力增长速率为-0.0036MPa/a;而柔性的中、下地壳以及岩石圈上地幔的应力在增长一段时间之后趋于稳定。在空间上,龙门山断裂带受到的压应力从断层西南向北东方向逐渐减小,而剪应力从西南到北东方向逐渐增大,应力状态有利于地震发生时断层的破裂方式从西南的逆冲运动向北东的逆冲兼走滑运动的方式发展。通过应力积累与地震应力降的计算得到汶川8.0级大地震的复发周期约为5400年。     

青藏高原东缘活动断裂地质灾害效应研究

活动断裂的地质灾害效应是工程地质与地质灾害领域研究的重要内容。本文以第四纪以来构造活动最强烈的青藏高原东缘为例,阐述了活动断裂地质灾害效应的主要表现形式,包括:(1)活动断裂对地形地貌和岩体结构的影响;(2)断裂剧烈活动(地震)诱发地质灾害;(3)断裂蠕滑作用对斜坡应力场和稳定性的影响;(4)断裂活动是地质灾害链的源头,为地质灾害提供物源。上述表现形式及灾害成因机理和分布规律是活动构造区地质灾害防治中需要关注的关键问题。根据青藏高原东缘典型地质灾害案例研究提出,内外动力耦合作用成灾机理是未来地质灾害研究方向,将为活动构造区地质灾害早期识别和防灾减灾提供理论依据。     

阿尔金断裂不同时间尺度下的滑移速率及构造意义

阿尔金断裂是亚洲大陆最大、也是最活跃的走滑断层之一.一般认为,印度板块与欧亚大陆间的汇聚通过地壳增厚与沿阿尔金等主要深大断裂的侧向滑移2种机制被青藏高原造山带的地壳形变所吸收.由于这2种机制所预测的阿尔金断裂的左旋滑移速率相差甚巨,因此,阿尔金断裂的滑移速率成为判断2种机制相对重要性的重要依据.采用地质学、大地测量学及数值模拟方法对阿尔金断裂滑移的研究结果表明,阿尔金断裂的滑移速率呈长期减小的趋势;青藏高原经历了由块体的侧向挤出向地壳增厚的转变过程;阿尔金断裂在不同地质时间尺度下的滑移速率尚需精确确定;单纯将阿尔金断裂滑移速率的大小作为判断青藏高原构造模式的依据也是应该受到质疑的.