喜马拉雅构造带是印度板块与欧亚大陆板块相互作用的前缘地带,其北部以雅鲁藏布江缝合带为界与拉萨地体相接,南部以主前缘冲断带(MFT,MainFrontalThrust)为界与印度板块相连,内部发育有一系列向南逆掩的叠瓦状推覆构造,强烈的地壳缩短与频繁的地震活动是其新生代构造变形的最主要特征(PatriatandAchache,1984;Bird,2003).研究喜马拉雅构造带的现今地壳形变特征有助于我们进一步认识印度板块与欧亚大陆板块之间的挤压碰撞作用机制及动力学过程.

随着空间大地测量观测技术的迅速发展,GPS(GlobalPositioningSystem)逐渐成为了获取区域地壳形变信息的重要技术手段,并被大量应用到青藏高原及其临近区域地壳形变的监测分析工作中.Holt等(1995)通过矩张量反演研究了青藏高原内部走滑活动断裂带对高原现今地壳形变过程的影响,发现研究区域内广泛发育的走滑断裂带对于吸收调节印度板块与欧亚大陆板块之间相对运动引起的地壳形变十分有限.随后Holt等(2000)进一步利用第四纪断层的滑动速率和GPS实测速度场联合反演了亚洲大陆地壳自洽的水平运动速度场和形变场,讨论了青藏高原现今的地壳形变模式,认为高原现今具有显著大范围分布式形变特征,其岩石圈物性特征更加接近于黏性薄壳,整体表现为南北向地壳缩短和东西向伸展变形,其中喜马拉雅构造带吸收了印度板块与欧亚大陆板块相对汇聚速率的40%,且整个西藏南部的东西向伸展变形在77°E—92°E之间达到了16～19mm·a-1.Shi等(2018)利用相对于巽他板块的GPS速度场给出了掸部高原及其临近区域的现今地壳形变图像,并重点研究了高原中部走滑活动断裂现今的滑动特征与地震活动性.Zhang等(2019)计算了青藏高原东南部掸-泰地体的地应变分布.李煜航等(2014)利用1999—2007年的GPS数据反演研究了青藏高原东缘中南部的主要活动断裂滑动速率并估算了其断裂内部的地震矩累积.Yue等(2018)利用GPS速度场研究了四川—云南块体现今地壳形变特征,并对比分析了汶川地震对区域地壳形变场的影响.Pan和Shen(2017)综合利用GPS连续观测资料和GRACE(GravityRecoveryandClimateExperiment)数据,研究了青藏高原东南部地壳形变的季节性响应.Liu和Bird(2008)在更大的尺度上研究了波斯—青藏—缅甸造山系统的新生代构造运动特征,由于受到断层模型精细程度、GPS速度场空间分辨率等客观条件的限制,其研究成果并未详细描述喜马拉雅构造带现今的地壳形变特征.Liang等(2013)利用GPS实测速度场给出了青藏高原整体的现今地壳形变分布图像.王伟等(2017)则在GPS速度场分析的基础上进一步计算了青藏高原的地应变分布.然而他们的工作主要聚焦于青藏高原整体变形的趋势分析,对于喜马拉雅构造带的关注仍然不足.震源机制解是分析地壳内部形变特征及岩石圈应力状态的主要依据之一.DeLaTorre等(2007)利用东尼泊尔地区的震源机制解数据研究了区域岩石圈不同深度位置的应力场特征,讨论了区域地壳形变的驱动机制.Parija等(2018)利用地震波到时数据计算了喜马拉雅西部76°E—80°E范围内中、小型地震的震源机制解,分析了区域构造特征与潜在地震风险性.Yang等(2017)解算了2009—2017年发生在喜马拉雅东构造结区域的83次地震的震源机制解,反演了区域地壳岩石圈的主应力参数,结果显示东构造结最大主压应力方向为NE-NNE,最小主压应力方向为NWW-NW.

综上所述,喜马拉雅构造带东西跨度超过2000km,关于其现今地壳形变的监测与研究工作主要集中在构造带的东部区域,而构造带整体及其西部区域现今地壳形变特征与动力学过程的研究程度相对薄弱,对于构造带地震活动总体分布特征及岩石圈孕震层主应力分布的关注略显不足,综合利用震源机制解和GPS速度场研究构造带整体形变空间分布特征的相关工作仍然较少.本文基于研究区域高密度的GPS实测速度场与震源机制解数据,首先通过速度场的剖面分析和应变计算,获取研究区域现今地表水平形变图像.然后利用震源机制解的破裂特征分析、岩石圈主应力参数反演等手段,分析喜马拉雅地区地壳内部的形变分布.最后,综合讨论整个喜马拉雅构造带在印度板块与欧亚大陆板块的持续挤压作用下岩石圈表面与内部变形的总体空间分布特征.

1、构造背景

如图1所示,喜马拉雅构造带是印度板块与欧亚大陆板块之间挤压碰撞的直接作用区域,其东、西构造结是现今世界大陆地形起伏最为剧烈的地区(Parijaetal.,2018;Yangetal.,2017).喜马拉雅构造带西端在科希斯坦弧(KohistanIslandArc)的持续挤压作用下向北剧烈弯曲褶皱(Lisa,2009),南迦—帕巴特构造结(NangaParbat)即位于该局部弯曲褶皱的东侧边缘.什约克缝合带(SSZ,ShyokSutureZone)以北的整个西构造结区域东西走向的弧形构造大量发育,表明区内地壳岩石圈的主压应力分布并不统一,存在NE和NW两个主要方向(Lisa,2009).南迦—帕巴特构造结的西侧,印度板块与欧亚大陆板块之间的斜向汇聚作用主要由恰哈曼断裂(CF,ChamanFault)的左旋走滑活动和苏莱曼山脉(SulaimanRange)的逆冲褶皱作用吸收调节(Tapponnieretal.,1981).

图1研究区域主要活动构造分布.

SSZ:什约克缝合带;YZSZ:雅鲁藏布江缝合带;BNS:班公湖—怒江缝合带;GM:纳木那尼拆离带;SNF:桑日—那错断裂;XSDF:香错—申扎—定结断裂;YGF:亚东—谷露断裂;MFT:主前缘逆冲断裂;MCT:主中央逆冲断裂;BFB:缅甸褶皱带;KF:喀喇昆仑断裂;JF:嘉黎断裂;AF:阿帕隆断裂;GF:高黎贡断裂;SF:实皆断裂;NTHF:南汀河断裂;NJF:怒江断裂;JSJF:金沙江断裂

喜马拉雅构造带整体位于雅鲁藏布江缝合带(YZSZ,Yarlung-ZangboSutureZone)与主前缘冲断带(MFT)之间.区域地壳自南向北依次发育特提斯喜马拉雅、高喜马拉雅、低喜马拉雅和次喜马拉雅四个次一级构造单元组成,其间分别以藏南拆离系、主中央冲断带(MCT,MainCentralThrust)和主边界冲断带为界(戚学祥等,2008;Sprattetal.,2005).其中低喜马拉雅构造单元内部在强烈的褶皱与逆冲叠覆作用下发育了一系列北倾的叠瓦状逆冲断裂,并在俯冲的印度板块之上发育一系统的滑脱层MHT(MainHimalayanThrust)(Nelsonetal.,1996).MHT被认为是吸收调节印度板块与欧亚大陆板块南北向汇聚作用的关键构造(Wobusetal.,2005),GPS速度场显示青藏高原沿板块汇聚方向的整体地壳缩短率约为38mm·a-1,其中发生于MHT展布区的南北向地壳缩短率为15±5～18±2mm·a-1,占据了整个青藏高原地壳南北向挤压变形的一半(Jouanneetal.,1999,2018;Larsonetal.,1999).

雅鲁藏布江缝合带以南发育有一系列近南北走向的正断层及相应的地堑、裂谷构造(尹安,2006).其中,亚东—谷露断裂(YGF,Yadong-GuluFault)地貌清晰、断层发育、地震活动性强,是青藏高原内部规模最大的一条近南北走向的裂谷带(Tapponnieretal.,1981).该断裂带的历史地震活动主要发生在其北段,其中1411年的8级地震发生在其北端附近一条NNW的右旋走滑断层上(Armijoetal.,1989).近期强震活动以尼木MW6.1地震和2008年当雄MW6.3地震为代表(Elliottetal.,2008),基本在1411年强震的原址复发.熊维等在计算2015年尼泊尔MW7.9地震对青藏高原活动断裂的同震、震后应力扰动时指出,尼泊尔地震进一步加强了该断裂南段的应力水平,其地震危险性值得关注(熊维等,2015).

喜马拉雅东构造结(EHS,EasternHimalayanSyntax)是青藏高原南部地壳由南北向挤压转换为顺时针旋转挤出变形的构造结点.该区域横跨冈底斯—拉萨地块、雅鲁藏布江缝合带和喜马拉雅地块三大地质单元,由其核部的喜马拉雅构造单元及其周缘的冈底斯构造单元、雅鲁藏布构造单元组成(Armijoetal.,1986;Linetal.,2001;Wangetal.,2001a;Caoetal.,2009),喜马拉雅构造单元为楔入构造,两侧走滑断裂大量发育.其中,嘉黎断裂(JF,JialiFault)是喀喇昆仑(KF,KarakoramFault)—嘉黎断裂的重要组成.该断裂卫星影像行迹清晰,总体表现为近东西走向并向北凸出的弧形构造.该断裂全长约500km,是青藏高原主体向东挤出的构造边界,现今的剪切活动强烈(Songetal.,2011).

2、GPS速度场与应变场

2.1 GPS速度场

Zheng等(2017)综合处理了中国地壳运动观测网络分布在研究区域的1556个测站的观测资料,联合Kreemer等(2014)的研究成果给出了青藏高原及其临近区域高分辨率的现今地壳水平运动图像.为了准确地描述研究区域地壳岩石圈的现今水平形变特征,本文选取了其中分布在图2区域之内且各方向速率分量标准差均小于1.5mm·a-1的速度场(王伟,2013).从图中可以看出,研究区域现今地壳水平运动方向显著趋向于N-NNE,仅在西喜马拉雅构造结存在局部的NNW向速率矢量.

为了揭示板块边界带现今地壳水平形变的空间分布特征,本文选取如图2所示的一组东西走向首尾相连的剖面(AA′-FF′),将剖面两侧一定宽度范围内的GPS速度场分别投影到平行剖面方向和垂直剖面方向.考虑到喜马拉雅构造带西段速度场相对稀少的情况,本文在剖面AA′和BB′两侧各取200km,其余剖面两侧各取100km,结果见图3—4.图中平行于剖面的速率分量为正表示相应测站速度矢量存在向东偏转的趋势,反之则向西;垂直于剖面的速率分量为正表示相应测站速度矢量存在向北趋势,反之则向南.

图3中平行于剖面走向的GPS速率分量自西向东呈线性缓慢增强趋势,在喜马拉雅构造带东端的东构造结(EasternHimalayanSyntax,EHS)处达到最高的19.24±0.75mm·a-1,该变化趋势表明板块边界带地壳水平形变自西向东逐渐向东偏转.跨过喜马拉雅东构造结的剖面速率减弱为15.62±1～11.54±0.29mm·a-1,该趋势变化与区域地壳水平形变围绕构造结的顺时针旋转现象密切相关(Wangetal.,2001a).图4为垂直于各剖面走向的GPS速率分量,反映印度—欧亚大陆板块边界带自西向东各部位南北向的水平运动的空间变化.从图中可以看出亚东—谷露断裂(YGF)是沿板块边界带走向地壳水平运动特征显著变化的一条重要分界带.该断裂西侧地壳的北向运动速率相对稳定,在近1800km的范围内平均变化量仅为10mm·a-1左右.而亚东—谷露断裂以东地壳的北向运动速率由整个板块边界带最高的37.645±0.42mm·a-1发生较快的线性衰减,在东构造结位置接近于零并向东由正转负.该变化标志着板块边界带向北的运动趋势终止于喜马拉雅东构造结(EHS),区域地壳形变在此由北向挤压为主变为顺时针旋转为主,而后者则标志着地区地壳形变由南北向的挤压转换为东南方向的旋转挤出.

图2速度场与剖面分布图(相对于欧亚板块)

图3平行于EW走向的GPS速度分量

图4垂直于EW走向的GPS速度分量

图2中剖面AA′和FF′均跨越了多条活动断裂.为分析这些活动断裂对局部区域地壳水平形变的影响,本文在AA′剖面范围内增选了2条南北向小剖面A1和A2,同时给出了FF′剖面的独立图像,如图5-8所示.图5中平行于剖面的速度矢量分量总体小于零,且自北向南呈线性负增长的趋势,由剖面北端的-13.88±0.74～-15.9±0.27mm·a-1逐渐增加为-28.47±0.38mm·a-1,地壳缩短量约为13mm·a-1.该变化趋势表明区域地壳向北运动的速度自南向北均匀减弱,且什约克缝合带(SSZ)没有明显的逆冲挤压活动.垂直于剖面分量自北向南呈线性变化且沿剖面的负-正转换大致发生于什约克缝合带(SSZ)处,表明该缝合带现今具有一定的左旋活动特征.图6中平行于剖面的速率分量在270km处速率从-26.82±0.57mm·a-1快速变为-31.09±0.90mm·a-1,表明通过南迦-帕巴特构造结的南部地壳存在较强逆冲活动.垂直于剖面分量的变化趋势与A1剖面相似,即自北向南垂直于剖面走向的速率分量由负转正,但区间存在较大范围的数据缺失而什约克缝合带(SSZ)恰好位于其中.结合A1的分析,缝合带在该区域仍可能存在左旋走滑的活动特征,但是其活动性已经大幅减弱.

图5A1剖面

图7中平行于剖面走向的速率分量波动显著,表明剖面所经过的区域地壳的挤压/拉伸变形分布相对复杂.具体地,跨过嘉黎断裂(JF)的GPS速率分量由19.24±0.75mm·a-1衰减至17.14±0.38mm·a-1,表明该断裂现今存在约2mm·a-1的挤压变形.跨过怒江断裂(NJF)的速率分量进一步衰减,由16.53±0.11mm·a-1变为最低的11.48±0.32mm·a-1,表明怒江断裂现今存在约5mm·a-1的挤压变形.金沙江断裂(JSJF)现今地壳的挤压/拉张变形不显著.垂直于剖面走向的速率分量呈显著的线性变化特征,从西侧的13.64±1.04mm·a-1衰减至嘉黎断裂处接近于零,跨过嘉黎断裂该速度场分量反向增强至剖面东端的-11.89±0.13mm·a-1.该垂直于剖面走向的速率分量变化显示出嘉黎断裂是区域内一条重要的右旋走滑活动断裂带,并调节着区域地壳水平形变的总体趋势.怒江断裂、金沙江断裂则表现出相近的右旋走滑特征.

2.2 GPS应变场

考虑到研究区域内实测GPS速度场空间分布的不均匀性,本文首先利用地质统计学中的Kriging算法建立0.5°×0.5°的插值速度场,然后进一步构建Delaunay三角形网络并采用球坐标图形单元法()计算每个Delaunay三角形单元内的应变张量参数,结果如图8—图10所示.

图6A2剖面

图7FF′剖面

图8中雅鲁藏布江缝合带(YZSZ)与主前缘逆冲断裂(MFT)之间地壳的挤压变形最为剧烈,最大主应变率可达-0.15μstrain.主压应变方向近似垂直于相应的板块边界带走向,仅在实皆断裂处发散.根据应变强度沿板块边界带的空间变化特征(图8—10)可以将研究区域分为三个次级分区:①75°E以西的南迦—帕巴特构造结及其临近区域;②75°E向东至亚东—谷露断裂之间的喜马拉雅构造带主体部分;③亚东—谷露断裂以东的喜马拉雅东构造结及其临近区域.

南迦—帕巴特构造结区域的地应变强度显著弱于其东侧地壳,其最大主压应变强度为-0.035μstrain.结合图11a可知该区域的主压应变方向以南迦—帕巴特构造结为界,分为NNW、近N-S和NNE三个优势方向.科希斯坦岛弧(KohistanIslandArc)内的应变强度较弱,显示出了一定的刚性特征.什约克缝合带(SSZ,Shyoksuturezone)现今的剪切形变较弱,仅在什约克河缝合带西端靠近恰哈曼断裂的部分存在较强的剪应变分布,其最大剪应变强度可达0.47μstrain.如图9所示,沿MFT分布的面膨胀值北正、南负,若假设地壳形变过程中岩石圈的单位体积不发生变化(),则面膨胀负值对应地壳的隆起,正值对应地壳的下陷,反映MFT现今存在一定的逆冲活动.

图8最大、最小主应变分布

图9面膨胀值

图10最大剪应变分布

图11主压应变方向统计玫瑰图.

75°E至亚东—谷露断裂之间是印度板块与欧亚大陆板块之间挤压变形最为剧烈的区域.结合图8与图11b,其地壳形变以近似垂直于板块边界带的南北向挤压为主要特征.该区域历史上曾发生多次8级以上强震,其中2015年4月25日的尼泊尔MS8.1地震即发生于该区段内靠近亚东—谷露断裂的一侧.震源区最大主压应变方向为NWW-SEE,说明此次强震活动正是在印度板块与欧亚板块的挤压作用下发生的.图9中除了沿喜马拉雅构造带分布的地壳挤压变形梯度带之外,还存在多处显著的局部拉张的应变梯度带.这些局部拉张变形对应着区内一组近南北走向的正断层,其中发生在香错—申扎—定结断裂(XSDF,0.07μstrain)和亚东—谷露断裂(0.11μstrain)处的地壳拉张变形甚至错断了沿整个喜马拉雅构造带分布的地壳压应变梯度带.沿喜马拉雅构造带分布的最大剪应变梯度终止于亚东—谷露断裂处,同时面膨胀值分布与最大、最小主应变方向及强度在亚东—谷露断裂与桑日—那错断裂之间存在明显的衰减发散,结合GPS速率剖面的垂向分量在该部位的变化特征可知,亚东—谷露断裂是喜马拉雅构造带地壳岩石圈由南北向挤压变为顺时针旋转挤出的转折部位.桑日—那错断裂以东的东构造结地壳主压应变方向自西向东顺时针偏转,从NNE旋转至NW-NNW方向(图11c).面膨胀值显示区内地壳的挤压变形集中分布于嘉黎断裂(JF,Jialifault)以南.

沿高黎贡断裂(GF,Gaoligongfault)、实皆断裂(SF,Sagaingfault)走向的应变强度显著高于掸部高原和缅甸褶皱带的.其中,高黎贡断裂处存在显著的EW-NE向局部拉张变形,最大张应变强度为0.097μstrain.高黎贡断裂—实皆断裂交汇部位南北两侧地壳的主压应变方向差异明显(图12a,12b):①北侧地壳的主压缩应变方向以NW-SE方向的挤压和近东西向的拉张为主;②南侧主压应变优势方向为NE-SW的挤压与NW-SE的拉张,而在断裂交汇部位存在局部NE-SW方向的挤压变形.面膨胀值分布显示该断裂交汇部位存在较强的局部挤压变形,最大地壳压缩率为-0.02μstrain.Shi等(2018)通过区内一组近东西走向的左旋走滑断裂将该区域划分为6个动力学过程存在明显差异的基本的次级块体单元,认为这组左旋走滑活动断层调节着各次级单元向东南方向运移,并对GF-SF交汇部位产生较强的侧向挤压作用.相邻的缅甸褶皱带应变场北强南弱,以整体相对一致的NW-SE方向挤压变形为主要特征.高黎贡断裂带与实皆断裂现今右旋走滑活动强烈,沿断裂分布最大剪应变可达0.49μstrain.

本文的GPS应变计算结果显示在75°E处存在一条近南北走向的应变梯度带不连续界面.针对这一地壳形变场的分界带,本文基于重力异常的进行分多尺度辨析算法,利用bior3.1小波对青藏高原布格重力异常进行7阶分解得到反映青藏高原地壳岩石圈浅表异常地质体的布格重力异常局部场.

如图13所示,小波细节可以用于确定地壳深部断裂的空间分布,其中清晰的重力高异常与重力低异常之间的过渡带、线性延伸的局部高异常梯度带都是地球内部不连续界面的主要特征(许闯,2014),如塔里木盆地与青藏高原北部的喀拉喀什断裂和阿尔金断裂、四川盆地与青藏东缘之间的龙门山断裂带、雅鲁藏布江缝合带、柴达木盆地南侧边缘的阿尼玛卿—昆仑缝合带、天山内部的塔拉斯—费尔干纳断裂带以及班公湖—怒江缝合带均表现为显著的局部异常场差异.喜马拉雅构造带西端存在一处异常值高达400mGal的正高重力异常区,其东侧边界与喜马拉雅构造带的负异常地值区相邻,恰好大致沿着75°E分布.同时该区域北部边界与恰哈曼断裂带和什约克缝合带位置对应良好,西侧边界走向近似垂直于苏莱曼山脉的奎达谷地.

图12高黎贡—实皆断裂交汇部位主压应变方位统计玫瑰图.

图13青藏高原布格重力异常的小波细节

3、地震活动特征与应力反演计算

3.1 地震活动特征统计分析

通过地震活动特征分析与岩石圈的主应力反演可以进一步分析研究区域地壳岩石圈孕震层内部的变形特征.本文首先收集了来自ISC的537个地震(MW>2.0)的震源机制解数据.根据上文应变场的空间分布特征将研究区域以雅鲁藏布江缝合带(YZSZ)、主前缘冲断带(MFT)、75°E、亚东—谷露断裂(YGF)、红河断裂(HF)、高黎贡(GF)—实皆断裂(SF)为界,划分为如图14所示的5个次级分区.采用Frohlich(2002)的三角单元图解法统计分析各分区地震活动破裂类型(Frohlich,2001).

分区I为喜马拉雅西构造结区域,由恰曼断裂(CF)、什约克缝合带(SSF)、MFT以及75°E围成.如图15所示,该区域的地震活动以逆冲型破裂为主,走滑和正断型破裂相对较少.分区II为MFT和雅鲁藏布江缝合带(YZSZ)之间的喜马拉雅构造带部分,东部边界为亚东—谷露断裂.区内的地震活动以逆冲型破裂为主,表明该区域正处于印度板块与欧亚大陆板块之间强烈的挤压碰撞作用中.相对于分区I,本区内部的走滑破裂较少而正断型破裂显著增多.分区III为喜马拉雅东构造结区域,区内地震活动以逆冲型和走滑型地震为主.分区IV为掸部高原,区域内以走滑型地震活动为主.整体看来,喜马拉雅构造带区域地震活动以逆冲型破裂为最主要特征,且地震活动的空间分布特征与应变分布具有良好的一致性.75°E以东至亚东—谷露断裂之间的地壳在板块南北向挤压汇聚作用下的变形强度最大,相应的逆冲型地震最为频繁.整个喜马拉雅构造带的地壳形变自西向东存在南北向挤压至顺时针旋转挤出的空间演化趋势,相应地震活动也由逆冲型破裂为主变为走滑破裂为主.缅甸褶皱带内的地震震源最大深度可达160km,对该分区以20km为间隔进行垂向分层并分别统计各层的震源破裂特征,结果如图16所示.图中60km深度以内的地震活动以走滑型破裂为主,兼有少量的逆冲型破裂.深度60km至100km的地震以走滑或者走滑兼逆冲破裂为主,而逆冲型地震在该深度范围缺失.深度大于100km后逆冲型破裂逐渐增多,同时走滑型破裂逐渐减少.深度超过120km的地震活动则完全为逆冲型破裂.

图14震源机制解分布与单元划分

图15各分区0～50km深度震源破裂形式统计结果(a—d依次代表分区I—IV)

3.2 应力张量分析

本文采用FMSI(FocalMechanismStressInversion)算法(GephartandForsyth,1984)依次反演上述各分区地壳岩石圈的主应力参数,结果如图17所示.图中黑色应力轴代表最大主压应力方向,白色应力轴为最小主压应力方向.应力轴俯角以图中轴线的长度表示,应力轴越接近水平方向其轴线越长,反之则越小.分区Ⅰ—Ⅲ的最大主压应力轴方向总体接近水平(俯角<20°)且自西向东顺时针偏转.分区I最大主压应力方向为NW-SE方向,分区Ⅱ内最大主压应力方向则与两大板块之间的相对汇聚方向一致,分区III相对于分区II进一步向东偏转.向东进入分区Ⅳ掸部高原最大主压应力轴俯角增大,区内最大主压应力方向与GPS速率矢量方向一致,表明现今该区域的地壳应力场主要与高原南部地壳的东向运动逃逸过程有关.分区Ⅳ对应的掸部高原最大主压应力轴俯角显著增大.而分区Ⅴ的缅甸高原最大主压应力方向与两大板块之间的相对汇聚方向一致,表明该区域的地壳应力场仍然受到印度板块—欧亚大陆板块之间挤压碰撞作用的影响.

为了研究区域更加详细的主应力空间分布特征,本文进一步对图13中各局部震源密集区进行主应力参数反演,结果如图18所示.分区I的西侧边缘主压应力指向NNW,接近垂直于恰哈曼断裂.中部地区指向NEE-SWW,与南迦-帕巴特构造结的延伸方向趋于一致,而在区域东部边缘指向NNE.分区II内以纳木那尼拆离带(GM,Gurla-Mandhatadetachment)为界,其西侧地壳主压应力方向为近南北方向,东侧则以NNE为主.纳木那尼拆离带以东至亚东—谷露断裂之间的地壳主压应力方向表现出较好的一致性.向东跨过亚东—谷露断裂,在喜马拉雅东构造结区域地壳岩石圈主压应力方向进一步发生顺时针偏转.东构造节南部的缅甸高原主压应力方向与东构造结保持一致,而掸部高原内部南汀河断裂(NTHF,Nantinghefault)为界,自北向南的最大主压应力方向存在顺时针偏转,与GPS速度矢量的变化趋势相似.

图16缅甸褶皱带不同深度震源破裂特征统计分析

图17各分区最大主压应力与最小主压应力分布

由于缅甸褶皱带内的地震震源深度分布较大,本文以40km深度间隔对该区域进行垂向分层,并分别反演各层地壳岩石圈的主应力方向,结果如图19所示.缅甸褶皱带(BFB)地壳内部不同深度最大主压应力方向总体接近水平并以80km深度为界,其上部地壳最大主压应力方向指向NE-SW,与临近的掸部高原主应力方向反演结果一致.下部区域最大主压应力方向则旋转为接近N-S方向.

4、讨论

在印度板块与欧亚大陆板块的持续挤压作用下,喜马拉雅构造带及其内部发育的近南北走向的裂谷带已经成为了青藏高原南部地球动力学演化过程中的两大特征构造,其东西向拉伸和沿裂谷带的正断活动已经成为近年来地学研究的热点.本文通过东西走向的GPS速度场剖面分析了青藏高原南部板块边界带现今的地壳水平形变特征,结果显示东、西构造结之间地壳的东西向伸展速率约为20mm·a-1.该伸展变形自西向东线性增强,表明喜马拉雅构造带现今的东西向拉伸变形相对均匀,区内南北走向的正断活动对该拉伸变形的影响较小.结合GPS速度矢量大小并不存在类似的空间变化特征,推断可知该自西向东逐渐增强的地壳拉伸变形主要是由速度场矢量的顺时针偏转引起.

亚东—谷露断裂是喜马拉雅构造带地壳水平形变由南北向挤压转换为顺时针旋转的关键构造,垂直于剖面的速率分量在该断裂处达到最大值并向东开始快速衰减且在南迦—巴瓦构造结处由正转负,表明GPS速度场自此出现向南的分量.该现象与本文应变计算结果一致,亚东—谷露断裂向东至桑日—那错断裂之间的地壳的主应变强度显著减弱、方向发散,最大剪应变梯度缺失且面膨胀值显著弱于亚东—谷露断裂西侧地壳.这两个断裂之间地壳可能是板块边界带地壳由南北挤压到东构造结顺时针旋转的过渡转换区域.除亚东—谷露断裂之外,阿鲁错—拉木错—阿果错断裂、双办—当若雍错—古错断裂、香错—申扎—定结断裂等一组南北走向的正断层存在显著的局部拉张变形.其中,香错—申扎—定结断裂分布的张应变带甚至错断了沿喜马拉雅构造带走向分布的面膨胀值挤压变形梯度带.沿这些南北向正断层分布有大量正断型地震,表明喜马拉雅构造带存在东西向的伸展变形.然而GPS速率剖面显示东、西构造结之间的喜马拉雅地壳的东西向拉伸在经过这些N-S向正断层时并未出现明显的速率梯度变化.由此可知这些N-S走向的正断层现今的拉张活动并非调节区域地壳东西向伸展变形的主要因素.

图18局部地震密集区域最大、最小主压应力分布

图19缅甸褶皱带最大、最小主压应力分布

图20西喜马拉雅构造结重力异常小波细节及震源机制解分布

总体而言,主前缘逆冲断裂、雅鲁藏布江缝合带、亚东—谷露断裂以及75°E共同勾勒出了现今喜马拉雅构造带地壳形变最剧烈区域.区内主压应变方向整体与板块边界带保持垂直,面膨胀值分布与最大剪应变则整体表现为东西连续分布的高应变梯度带.以75°E和亚东—谷露断裂带为界,将喜马拉雅构造带自西向东分为三段,其中主压应变强度在中段最强,东段次之,西段最弱,表明在印度板块的俯冲推挤作用下,喜马拉雅构造带内部地壳的变形响应并不均匀,西构造结区域的平均主压应力反演结果(NW-NWW)显示出了与其东侧地壳截然不同的特征.西构造结区域主压应变轴方向以南迦—帕巴特构造结为界分为NNW、N-S和NNE三个方向,与局部震源密集区域的主应力反演结果具有一定的一致性,西侧恰哈曼断裂附近的主压应力指向NW,而靠近构造结部位的主压应力指向NE.相邻区域的主压应力轴方向差异较大,反映了该区域地壳孕震层应力场的不均匀.该结论与Li等(2008)研究结果基本一致,印度—欧亚大陆板块边界带的主压应变方向总体垂直于板块边界带的走向,其中75°E以西区域的主压应变方向的一致性最差(Lietal.,2008).

缅甸褶皱带地壳80km深度以内的主压应力方向与GPS主压应变方向一致,表明在该区域地壳表面与岩石圈孕震层内部的变形过程相耦合.该主压应力方向与掸部高原内部的主压应力方向一致,最小主压应力方向近似垂直于实皆断裂,符合该断裂现今活动所表现出的强剪切、弱挤压变形特征.在80km以下的地幔内部,缅甸褶皱带主压应力方位转为近南北向.从主应力方向的变化看,缅甸褶皱带地壳与地幔的变形场之间存在明显的解耦现象.该区域的地震震源破裂形式也存在类似的随深度而变的垂向分层现象,大致以100km深度为界,浅部逆冲型破裂较少而深部地震以逆冲型破裂占绝对优势.

75°E是南迦—帕巴特构造结与喜马拉雅构造带之间地壳形变差异变化的一条重要分界带,然而现有研究并未在该区域发现显著的断裂构造.本文通过对青藏高原的布格重力异常进行7阶的多尺度小波辨析,其高频信号显示75°E恰好是青藏高原西缘负异常与正异常的分界部位.75°E西侧的正异常边界与什约克缝合带(SSZ)、恰哈曼断裂(CF)对应良好,西侧边缘基本沿奎达谷地楔入苏莱曼山脉.谷地内部分布地震活动密集,是巴基斯坦西部最为显著的强震密集带.从图20可以看出,该弧形构造恰好位于青藏高原西缘的正高重力异常—负高重力异常之间的过渡带内.震源破裂特征统计结果显示该区域的地震破裂形式主要为走滑型破裂和逆冲型破裂.如图中红框范围所示,该地震密集带内部存在一组沿NNW方向线性分布的走滑型地震,其走向与重力异常边界带的走向基本一致.因此该区域地壳形变场沿75°E发生的差异变化也可能与印度板块沿西构造结楔入的局部边界有关.

5、结论

一方面,本文利用密集分布的GPS速度场研究了青藏高原南缘喜马拉雅构造带自西向东的地壳水平形变空间分布特征并采用图形单元法计算研究区域地壳的应变场.结果显示喜马拉雅构造带现今地壳形变以南北向的剧烈压缩和东西向的伸展变形为其最主要特征.地壳的南北向挤压变形集中发生在主前缘逆冲断裂与雅鲁藏布江缝合带之间,而地壳的伸展变形则主要由地壳水平运动自西向东发生的顺时针旋转变化引起,区内南北走向的正断层活动对整个板块边界带的东西向伸展变形过程影响有限.亚东—谷露断裂和75°E和是研究区域两条重要的变形场分界带,前者标志着喜马拉雅构造带南北向挤压变形与喜马拉雅东构造节顺时针旋转变形的分界,后者则标志着喜马拉雅西构造结的相对弱变形与喜马拉雅构造带主体的南北向剧烈挤压变形之间的分界.针对75°E处地壳形变场的差异变化,本文通过对区域布格重力异常的小波多尺度辨析发现该位置的形变场分界带可能与沿西构造结楔入欧亚大陆边缘的印度板块局部边界有关.

另一方面,本文基于震源机制解数据分析了研究区域地震破裂形式的空间分布特征并反演了区域地壳主应力方向.结果表明区域地震活动受主要断裂带现今的活动模式分布变化的控制,整个喜马拉雅构造带地震活动以逆冲型破裂为主要特征,且正断型地震主要沿着南北走向的正断层分布.自西向东随着走滑型活动断裂逐渐增加走滑型破裂地震活动占比增加,掸部高原内部的地震活动则以走滑型破裂为绝对优势.喜马拉雅构造带地壳总体GPS主压应变轴方向垂直于板块边界带走向,结合相应的主压应力方向反演结果,表明喜马拉雅构造带地壳岩石圈变形的应力场主要受到印度板块—欧亚大陆板块挤压作用的板块边界力所控制.此外,青藏东南缘的缅甸褶皱带地壳深部应力场存在解耦现象,区域地壳不同深度的震源机制解破裂特征的统计分析结果也验证了这一观点.即地壳的浅部地震活动主要为走滑型地震,而随着深度的增大,走滑破裂逐渐减少,逆冲破裂逐渐增多,到地壳深度100km以上则完全以逆冲型破裂的地震为主.

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基金:国家自然科学基金项目(41701069);陕西省教育厅2019年度专项科学研究计划(19JK0523)联合资助.