青藏高原东南缘地壳结构与变形机制研究进展

新生代青藏高原的隆升改变了整个亚洲的构造格局,对气候、环境均产生了重要的影响,但高原的隆升扩展机制众说纷纭.青藏高原东南缘作为扩展前缘,其构造演化对了解整个高原的扩展机制具有重要的意义.本文总结了近年来对青藏高原东南缘地壳结构研究的最新进展,特别是2011年中国地震科学探测台阵计划开展以来,利用密集地震台阵取得的新成果,探讨了青藏高原东南缘地壳的结构与变形机制.这些研究发现青藏高原的地壳由高原向外围减薄,但在高原边界断裂附近存在地壳厚度突变带;下地壳中存在两个独立的低速异常,一个位于松潘—甘孜块体下方,被高原的边界断裂所围限,另一个位于小江断裂带下方,呈NE-SW向展布.我们认为青藏高原东南缘下地壳物质被边界(丽江—小金河)断裂所围限,并没有继续向边缘流出,但是地壳挤出产生的应力作用继续向东南方向传递,造成了小江断裂带附近的地壳变形.     

青藏高原东南缘构造旋转的古地磁学证据

本文在总结青藏高原东南缘近年来地质研究进展的基础上,从古地磁学的角度讨论其新生代以来的构造运动特征.结果表明:相对稳定的欧亚大陆,新生代以来山泰地块发生了约20°～80°顺时针旋转,局部地区旋转量甚至高达135°,且中部地区的旋转量明显高于南北地区;印支地块经历了～30°的顺时针旋转;川滇地块的顺时针旋转量沿102°E经度线由南向北由30°逐渐减小;另一方面,古地磁数据还揭示出山泰地块新生代以来发生了～8°的南向滑移运动.旋转量随时间的变化表明主要构造旋转发生在始新世与中中新世之间,与哀牢山—红河断裂的左行走滑时间相一致.这表明青藏高原东南缘的新生代构造运动具有差异性和复杂性,现今国际流行的挤出逃逸、地壳缩短增厚及下地壳流模式均有其局限性.值得注意的是,青藏高原东南缘可靠的新生代古地磁数据在时空分布上的严重不足,制约了我们对印度与欧亚大陆碰撞在青藏高原东南缘的运动学响应过程的深入探讨和正确理解.因此,进一步对该地区新生代地层开展深入细致的古地磁学等综合研究,无疑具有重要的科学意义.     

青藏高原东南缘岩石圈有效弹性厚度及其构造意义

本文利用三维有限差分方法,基于EIGEN6C4布格重力异常和SIO V15.1地形数据,计算了青藏高原东南缘岩石圈有效弹性厚度.结果表明：青藏高原东南缘岩石圈有效弹性厚度为0~100 km,四川盆地和喜马拉雅东构造结岩石圈有效弹性厚度最大,达50~100 km;巴颜喀拉块体东部、川滇菱形块体大部、滇西等地区岩石圈强度弱,有效弹性厚度一般小于15 km;羌塘块体东部的玉树—德格附近地区岩石圈有效弹性厚度大于40 km;滇南地区岩石圈有效弹性厚度为10~30 km,大于云南北部地区.研究区域有效弹性厚度分布特征与岩石圈结构关系密切.四川盆地、喜马拉雅东构造结地区内部结构稳定,因而岩石圈强度大.川滇菱形块体等岩石圈有效弹性厚度小的地区与壳内低速、低阻/高导层分布有很好的对应关系,推测壳内岩石的部分熔融软化可能是造成高原东南缘岩石圈强度较弱的重要原因.羌塘块体东部的局部高力学强度岩石圈则可能是高原形成过程中的残留克拉通.根据本文计算的岩石圈有效弹性厚度特征,结合地震学、大地电磁等研究成果,认为青藏高原物质向东南缘挤出后受四川盆地等阻挡,造成下地壳软弱物质在理塘—稻城—丽江一带堆积,少部分物质可能穿过鲜水河断裂带的康定—道孚地区向北运动,但大部分物质向南运动,在受到滇南块体阻挡后一支流向西南的腾冲方向,另一支流向东南的攀枝花—东川方向.

     

青藏高原北、东边缘第四纪构造应力场演化特征

由断层滑动资料确定的第四纪构造应力场和晚第三纪以来的地壳形变分析结果,较好地解释了青藏高原北、东边缘自中新世中晚期以来的地壳动力学演化特征：在中新世中晚期至早更新世末期,青藏高原北、东边缘主要受来自印度板块碰撞青藏块体产生的垂直块体边界方向的挤压,在高原周缘主要形成逆断裂．构造应力场以逆断型为主;早更新世末期以后,印度板块继续向北推挤,高原内部挤压变形增大．与此同时,在高原东侧边缘形成北西-南东方向的引张,构成了高原东部块体向东、南东方向滑移的有利条件,从而导致了高原周边一系列断层由逆冲改变为走滑,构造应力场以走滑型为主．其最大主压应力方向相对早期构造应力场发生了一个顺时针方向的旋转．     

青藏高原东南缘地震各向异性及其深部构造意义

青藏东南缘是青藏高原物质东流的通道,为了更全面了解复杂的岩石圈结构和强烈的变形特征,本文介绍了青藏东南缘岩石圈各向异性的形态,综合其他研究者得到的该区域壳幔各向异性结果,增加了部分新的资料,更新了青藏东南缘岩石圈方位各向异性图像,探讨了区域深部构造意义.

基于近场小震、远震和背景噪声资料计算结果,青藏东南缘地震各向异性展现出独特的区域空间分布和垂向层次性分布形态,展现了3个主要特征.（1）青藏东南缘上地壳各向异性与地表变形测量结果相符,快剪切波偏振方向（即快波方向）呈现与地表运动特征一致的发散性,与主压应力方向一致,但受到地质构造的影响.（2）青藏东南缘下地壳方位各向异性展现了更好的方向一致性,但方位各向异性程度相对较弱,在红河断裂带西北端部和小江断裂带下方有两个下地壳低速区,其方位各向异性程度与上地壳相当.（3）青藏东南缘岩石圈方位各向异性,呈现南、北分区特征,南北分界线大致在26°20'N,快波方向在北部近似为NS方向,在南部近似为EW方向.

本文推测：（1）在26°20'N北侧的上地幔有较厚的高速体,高速体南侧边缘呈现出近EW走向的直立墙形构造,其南侧软弱的上地幔物质在EW方向上流动,导致了岩石圈方位各向异性特征在空间发生突然的变化,快波方向由北部的NS变为南部的EW方向;（2）小江断裂带是现今的华南地块的地壳西边界,但岩石圈尺度的方位各向异性展现出的趋势性表明,华南地块的上地幔物质越过了小江断裂带到达其西侧,揭示了华南地块与青藏地块接触碰撞造成的岩石圈物质变形和上地幔软流圈物质运移的深部图像.地震各向异性能揭示区域深部构造与介质变形的信息,不同观测资料的综合分析有助于获得更清晰的各向异性三维图像.

     

利用双差层析成像方法反演青藏高原东南缘地壳速度结构

本文利用云南及周边区域地震台网2010—2016年记录到的近震资料,采用双差层析成像方法进行地震重定位并获得了青藏高原东南缘的三维地壳速度结构。结果显示:重定位后的震源位置精度得到明显提高,震源主要分布于20 km深度以上的中上地壳;地震分布与速度结构存在一定的相关性,大多数地震发生在中上地壳的低速异常区内以及高、低速异常区域之间;研究区上地壳速度结构存在明显的横向不均匀性,其速度异常与地表地形及地质特征密切相关;中下地壳分布着两条主要的低速带,一条沿着安宁河断裂、小江断裂分布在川滇菱形地块的东侧;另一条主要分布在川西北次级地块内,并穿过丽江断裂向南延伸,推测这两条低速带可能是青藏高原中下地壳物质向南逃逸的两条通道。      

基于密集台阵资料的背景噪声研究青藏高原东南缘地震各向异性

新生代以来,青藏高原快速隆升、地壳缩短和东向挤出.受到稳定的扬子地块阻挡,青藏高原东南缘地壳发生强烈变形.地震各向异性研究有助于认识地壳内部精细结构及内部运动学过程.通过收集密集地震台阵的观测资料,利用环境噪声提取Rayleigh波频散曲线,采用多角度频散曲线反演方法,获得地壳和上地幔顶部高分辨率的地震S波速度和各向异性图像.青藏高原东南缘地区上地壳的地震快波方向与其相邻的走滑断裂带走向、GPS水平速度场方向基本一致,围绕喜马拉雅东部构造结顺时针旋转.然而,中、下地壳的各向异性与上地壳存在明显差异,例如,在木里盐源盆地和滇中地块等各向异性方向发生大幅度转向,从上地壳的NE方向转为中、下地壳的NW方向.中、下地壳的各向异性方向与其低速层的延伸方向吻合.在下地壳底部和上地幔顶部的范围内,地震快波方向再次发生改变,与上地壳的各向异性分布一致,可能说明在较早的历史时期上地壳与下地壳是耦合在一起的,在中新世时期低速黏滞性流体挤入青藏高原东南缘中下地壳,使原有的上地壳与中下地壳发生解耦.因此,新生代以来高原物质挤出可能导致青藏高原东南缘地壳发生强烈变形.

     

青藏高原东南缘深部地壳流与地磁日变化短时畸变源电流的联系

在青藏高原东南缘,前人使用大地电磁探测和地震学方法得出的结果都揭示了可能存在部分熔融状态的地壳流,而这种地下熔融体与周围物质的作用可能引起了地下强电流异常,进一步导致地表地磁响应.基于连续的地磁观测,发现2018年7月31日在川滇块体周边出现大范围的地磁Z分量日变化短时畸变,畸变发生后100天内发生了4次5级以上地震.为了定量研究这一现象,本文基于Biot-Savart定理和采用SVD（Singular Value Decomposition,奇异值分解）的阻尼最小二乘法对地磁日变化短时畸变数据开展反演.结果显示：（1）以大地电磁测深给出的电性模型作为初始条件,反演得到的电流强度为3700~5000 A,有效深度为25~60 km;（2）地下畸变电流的空间分布位置和深度和地下电性高导体分布一致,与前人给出的地壳流位置吻合;（3）地壳流偶然微小运动可能引起了大范围的强电流,这种短时存在的高强度电流沿高导带分布,可能是地磁日变化短时畸变的源电流;（4）推测深部地壳流的运动具有传递应力作用,参与诱发了100天内发生多次5级以上地震.对源电流进行反演的定量化工作,以地下电流的方式佐证了可能存在地壳流.

     

青藏高原东南缘深部地壳流与地磁日变化短时畸变源电流的联系

在青藏高原东南缘,前人使用大地电磁探测和地震学方法得出的结果都揭示了可能存在部分熔融状态的地壳流,而这种地下熔融体与周围物质的作用可能引起了地下强电流异常,进一步导致地表地磁响应.基于连续的地磁观测,发现2018年7月31日在川滇块体周边出现大范围的地磁Z分量日变化短时畸变,畸变发生后100天内发生了4次5级以上地震.为了定量研究这一现象,本文基于Biot-Savart定理和采用SVD （Singular Value Decomposition,奇异值分解）的阻尼最小二乘法对地磁日变化短时畸变数据开展反演.结果显示：（1）以大地电磁测深给出的电性模型作为初始条件,反演得到的电流强度为3700~5000 A,有效深度为25~60 km;（2）地下畸变电流的空间分布位置和深度和地下电性高导体分布一致,与前人给出的地壳流位置吻合;（3）地壳流偶然微小运动可能引起了大范围的强电流,这种短时存在的高强度电流沿高导带分布,可能是地磁日变化短时畸变的源电流;（4）推测深部地壳流的运动具有传递应力作用,参与诱发了100天内发生多次5级以上地震.对源电流进行反演的定量化工作,以地下电流的方式佐证了可能存在地壳流.     

青藏高原东南缘地质构造基本形态与地震各向异性基本特征

青藏高原东南缘受印度板块NE向推挤和高原物质SE向挤出及四川盆地、华南块体阻挡的共同作用,成为高原物质SE向逃逸的关键通道。本文综述了青藏高原东南缘由不同震相和不同方法得到的不同深度的地震各向异性结果,结合区域内断裂分布、地表运动、构造应力以及深部结构等方面,全面分析了青藏高原东南缘上地壳至中下地壳及上地幔的介质各向异性与变形耦合特征。青藏高原东南缘壳幔地震各向异性的差异反映了区域内复杂的深部构造和壳幔变形。由于青藏高原形成机制、壳幔耦合状态和软弱层分布形态等科学问题尚处于学术探讨之中,有效结合不同数据和综合多种方法,有益于获得更加准确、精细的地壳—上地幔地震各向异性图像,对深部物质运动与动力模式进行更有效的约束。     

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

通过分析青藏高原东南缘活动断裂带的活动特征和GPS资料显示的现今地壳形变场,辅以历史地震及地表破裂、震源机制解类型等资料,将青藏高原东南缘地区分成了11个次级块体.其中包括了西秦岭次级块体、阿坝次级块体、龙门山次级块体、藏东次级块体、雅江次级块体,香格里拉次级块体、滇中次级块体、保山次级块体、景谷次级块体、勐腊次级块体和西盟次级块体;并利用这些次级块体内的GPS站点速率计算出了这些块体现今运动情况及各块体之间断裂的滑动速率,分析认为各次级块体均受到了一种来自其相邻块体的主要应力作用而发生了旋转,其中保山次级块体、藏东次级块体、雅江次级块体、香格里拉次级块体、滇中次级块体的旋转尤为显著;同样,相邻块体之间的边界断裂带也呈现了相应的挤压或拉张活动特征,而藏东次级块体与雅江次级块体、雅江次级块体与滇中次级块体之间的挤压最为明显.利用上述结果,本文讨论了该地区的现今地壳形变特征,认为刚性块体的挤出作用与重力滑塌作用并存于该区域内,下地壳"管道流"的拖曳作用是该地区刚性块体挤出作用和重力滑塌的主要原因, 另外缅甸板块相对于自身的逆时针旋转作用在其北部引起的拉张作用也是重要因素之一.     

青藏高原东南缘地貌边界性质的界定及其对高原东南缘扩展模式的启示

青藏高原东南部的地貌结构是高原隆升深部动力过程与高原扩展的重要指标之一,存在受下地壳流驱动的渐变模型和受宽约50～200km的雅砻-玉龙断裂系控制的陡变模型2种不同认识。文中基于30m分辨率的SRTM数据进行数字高程分析,利用高程和水系参数对研究区地貌加以提取和分析,结合野外地貌和构造调研的结果以及前人的相关研究,对高原东南缘川滇地块中部构造地貌细结构进行了详细的解析。研究认为,青藏高原东南边界具有明显的台阶式构造地貌结构,不同台阶梯度带受不同时期发育的NE-SW向断裂控制。其中一级边界位于木里-玉龙断裂,控制了平均海拔4 200m的高原面的东南边界,是渐新世—中新世早期构造抬升的结果;二级边界受中新世中期逆冲活动的金河-箐河断裂控制,其构成丽江—盐源一带海拔中等(约3 000m)、相对低起伏区域的东南边界。高原东南边界的台阶式构造地貌结构反映了高原向SE的前展式逆冲扩展。这种扩展模式并不支持下地壳管道流连续变形模型。     

青藏高原东南缘瑞利波群速度分布特征及其构造意义探讨

青藏高原东南缘是研究印度—欧亚板块碰撞过程、块体间相互作用和壳幔变形机制的重要地区.本文利用川滇地区流动地震台阵和固定地震台网共557个台站的连续波形数据,基于改进的背景噪声处理流程和分析方法得到了6023条瑞利波群速度频散曲线,反演获得了6~48 s的瑞利波群速度分布图像.结果显示在四川盆地内部短周期群速度分布较好地揭示了盆地内沉积层厚度的横向变化.在30~48 s周期,四川盆地西部群速度存在南低、北高的特征,推测是南部中下地壳和上地幔温度较高引起的.温度的增高降低了地壳的力学强度,在青藏高原东向挤压作用下盆地西南部地壳更易发生变形,并导致脆性上地壳在新生代产生地壳缩短和褶皱、断裂等地质活动.攀枝花及其周边地区从地壳浅部至上地幔深度的高速异常体,可能与基性和超基性岩的侵入有关.该高速体具有较大的介质强度,在一定程度上阻碍了青藏高原物质东南向的运移,这可能是造成丽江—小金河断裂两侧巨大高程差异的重要因素.自24 s开始,南盘江盆地表现为明显的高速异常,与华南块体西南部其他区域的深部结构存在明显差异.反演的S波速度结构揭示,自中上地壳至上地幔,南盘江盆地的速度一直高于北侧其他区域.结合此地区的地壳运动模式,推测介质S波速度较高、力学强度较大的南盘江盆地对青藏高原物质的东南向逃逸具有一定的阻挡作用.     

中小地震震源机制解在青藏高原东南缘地区断层稳定性分析中的初步应用

对断层应力状态进行分析有助于理解断层力学性质及其上发生的地震活动。文中搜集了青藏高原东南边缘地区的中小地震震源机制结果,反演了区域地壳水平应力场,并进一步基于摩尔-库仑准则分析了区域主要断裂带的稳定性。结果表明:青藏高原东南缘地区地壳水平应力场主要表现为剪切型应力状态,龙门山地区表现为压缩型应力状态,而川西高原地区主要表现为拉张型应力状态;区域地壳最大主压应力方位近平行于地形高程梯度方向,最大主张应力的方位近平行于地形高程等值线的切线方向,反映了青藏高原重力扩展作用对区域水平应力场的控制作用;基于应力的断裂带稳定性分析结果表明,青藏高原东南缘地区的14条主要断裂带中,莲峰-昭通断裂在2014年前后稳定性最低,应力状态最接近于破裂状态。     

扬子东南缘浙赣地区中生代盆地演化与构造环境研究

针对扬子东南缘浙赣地区地质构造特征,通过研究中生代的构造分层、盆地演化、火山活动构造环境等,分析了研究区中生代构造环境,认为研究区中生代盆地演化经历了由近东西向、北东东向向北东、北北东向构造方向的转变和由挤压-拉张-挤压-拉张的构造环境变化;构造体制环境从晚侏罗世开始,到早白垩世早期基本完成转换过程。伴随构造环境的转变,研究区内形成了中生代不同类型的盆地。     

青藏高原东南缘地壳速度结构及云南漾濞MS6.4地震深部孕震环境

青藏高原东南缘岩石圈变形强烈、地震活动频繁,对其深部结构进行研究有助于提高对其演化及强震发震机理等问题的认识.本研究利用青藏东南缘固定和流动观测台站记录的地震P波走时数据,采用体波走时层析成像方法得到研究区地壳、上地幔顶部三维P波速度结构.结果显示,峨眉山大火成岩省内带范围呈明显的高速异常,推测为二叠纪时期地幔柱活动残留在地壳内的基性和超基性幔源物质.川西北次级块体和大火成岩省内带东西两侧存在低速带,可能是壳内部分熔融存在和中下地壳流动的证据:高原物质向南运移时受大火成岩省壳内高速体阻挡后分为两支,东支沿安宁河断裂—则木河断裂—小江断裂延伸,西支沿红河断裂向上地壳运移并逐渐穿过红河断裂.云南漾濞M_S6.4地震序列全部位于西支低速通道之上,推测构造块体SE向运动和地壳流作用使得应力在上地壳震源区进一步集中,共同驱动断裂活动导致漾濞地震发生.     

青藏高原东南缘多尺度重力场及构造含义

本文基于EGM2008重力场模型研究了青藏高原东南缘均衡重力异常和多尺度的布格重力异常特征,以鲁甸和景谷地震为例,认识其深部构造环境和动力学过程,为该区域的构造运动和地震孕育环境研究提供依据。结果表明,研究区布格重力异常和均衡重力异常与地质构造格局相关性较好,川滇地块剧烈的区域布格重力异常和非均衡状态与其强烈的地壳变形、断裂及地震活动密切相关。强震多分布在断裂带两侧重力异常的过渡地带和高梯度带,断裂带两侧横向和垂向的显著介质密度差异是强震孕育的深部构造背景。布格重力异常和均衡重力异常揭示的鲁甸、景谷震源区深浅差异性的重力异常特征,暗示鲁甸和景谷地震孕震环境的不同。     

川滇地块西部差异性旋转的构造意义:青藏高原东南缘白垩纪红层古地磁学新证据

印度-欧亚板块碰撞以来青藏高原内部及其周缘地区经历了复杂的构造演化,复杂构造变形区的复合构造使得古地磁的数据解释究竟代表区域的构造旋转还是只能反映局部的构造变形一直是备受关注的问题.本文通过采集川滇地块西缘渔泡江断裂东侧三岔河地区白垩纪红层古地磁样品,揭示采样区差异性旋转并探讨川滇地块西部自中新世以来的构造演化规律.前人的地质调查表明川滇地块渔泡江断裂东侧上白垩统赵家店组地层发育倾伏褶皱.三岔河剖面以三岔河镇为界分为南北两段,三岔河南段剖面高温剩磁分量平均方向在倾斜校正后D_s=29.3°,I_s=45.7°,k_s=54.3,α₉₅=6.6°,倾伏地层产状校正后D_s=30.6°,I_s=46.6°,k_s=69.3,α₉₅=5.8°;而三岔河北侧剖面高温剩磁分量平均方向在倾斜校正后D_s=350.4°,I_s=42.1°,k_s=69.4,α₉₅=9.2°,倾伏地层产状校正后D_s=347.4°,I_s=41.9°,k_s=96.6,α₉₅=7.8°;两组高温剩磁分量均通过了褶皱检验,表明其获得于褶皱形成之前.相对于东亚稳定区80 Ma古地磁极,三岔河南侧剖面发生了20.5°±4.8°的顺时针构造旋转量,与楚雄盆地核部之间不存在差异性旋转;但三岔河镇以北剖面却发生了22.7°±6.6°的逆时针旋转.综合分析川滇地块内部的古地磁数据表明自中新世以来川滇地块南部楚雄盆地经历了约20°的顺时针构造旋转,而三岔河镇北侧经历了约20°逆时针旋转.进一步分析表明三岔河北侧剖面相对于南侧剖面经历了约40°的逆时针旋转,可能由于研究区的滑脱构造导致岩石薄弱层拆离滑脱所引起.

     

青藏高原东南缘地壳结构及云南鲁甸、景谷地震深部孕震环境

通过联合解释青藏高原东南缘地区Rayleigh波群速度频散和固定地震台站的远震接收函数,构建了青藏东南缘3维地壳剪切波速度模型。结果表明研究区地壳结构具有强烈的横向不均一性。该区地壳厚度变化强烈(30~65km),其总体趋势是东南浅、西北深。研究显示该区存在2个明显的壳内低速异常带,其中中地壳(15~20km)低速带主要分布在腾冲、川滇菱形块体内部;而25~40km深度范围的中、下地壳低速带主要出现在研究区的北部,而在四川盆地和研究区南部则普遍缺失。鲁甸地震所在地震带的上地壳表现为高速异常,中、下地壳范围内存在2个显著的壳内低速带。鲁甸地震主震及其多数余震分布在高速的上地壳之中。与之不同,景谷地震序列及其所在思茅-普洱地震带下方没有显著的壳内低速带的出现,但其上地壳则表现为S波低速异常,该上地壳低速异常可能与地壳强烈破碎及断层/微裂隙中的流体有关。