青藏高原东北缘现今三维地壳运动CGPS测量及其对高原扩展与隆升的制约

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祁连山褶皱山体系统,位于青藏高原东北缘,是“南北地震带”与海原-六盘山-渭河地震带的交界处,也是衔接青藏高原和华北克拉通之间的构造转换带,在青藏高原地质历史中扮演着重要的边界约束角色,对它的研究,有助于探索青藏高原岩石圈变形及向外围克拉通构造域转换与动力学过程,验证不同的岩石圈变形及动力学模型是否适用于解释青藏高原东北缘的现今构造变形过程,尤其是现今仍在发生的高原隆升与造山运动,并且为研究青藏高原生长隆升与大陆内部形变的动力学过程提供重要的启示,对于理解印欧碰撞与高原隆升的过程以及对周围块体带来的远程效应有重要意义。  基于此,本论文的主要研究区域聚焦在构造活动比较剧烈、地震活动比较丰富的祁连山褶皱造山带—青藏高原东北缘地区(34~41°N,93~107°E),依托本课题组在2013年-2016年于该地区布设的25个连续GPS台站构成的观测台网,联合中国地壳运动网络中心的38个连续GPS站点进行GPS速度与时间序列处理,并分析该区域2009-2016年8年的5>M>3级的地震的震源机制解,定量的去描述青藏高原东北缘现今的构造形变的特征:1)GPS速度相对于欧亚框架的速度东西分量由西到东逐渐增大,从西侧94E的5-6mm/yr到达日月山断裂东侧8-9mm/yr,而南北分量由南向北逐渐减小,北向速度从昆仑断裂南侧11-13mm/yr,到阿拉善块体的2-3mm/yr,GPS剖面显示祁连山的地壳缩短率在4-6mm/yr,而祁连山和阿拉善之间的左旋走滑速率在5-9mm/yr,这一左旋速度可能代表了整个青藏高原东北边缘的左旋走滑速率,与地质学方法获得的全新世和第四纪的长期平均滑动速率类似,揭示祁连山正在遭受均匀分布的挤压变形及在祁连山东侧存在顺时针旋转。2)GPS垂直运动速度的结果与Liang(2013)的数据结果有比较好的吻合,祁连山大部分区域处于隆升状态,速率大约在2mm/yr以内,而发生沉降的地方主要集中在祁连山东侧西宁盆地兰州盆地区域,以及阿尔金断裂东端的北缘。推测这与山体地形以及新生代造山带和盆地的形成模式有关。3)通过分析2012年-2016年5年GPS时间序列,发现不同区域季节性变化对于水平运动的影响不同,对青藏高原东北缘地区的水平运动基本都在在1-2mm/yr,并且东向运动的影响高于北向运动的影响,可能与区域的气候、降水因素等有关系。垂向运动季节性变化的影响大约是水平运动影响的3-4倍。另外通过降水量与GPS垂直运动季节性变化信号的对比,发现降水量对于GPS垂直运动季节性变化的影响明显,降水量多的地方GPS垂直运动季节性变化特征影响明显,而且祁连山的地震性活动也与GPS季节性变化有比较好的对应,说明地震性的活动受到降水或者季节性变化的影响。4)从主压应变率场的方向上看,最显著的特征是北东向的最大水平主应变方向从东昆仑开始一致延伸到河西走廊北侧,这与祁连山山体的走向是近乎垂直的,而在102E日月山断裂以及拉脊山断裂以东,最大主压应变的方向则向东与东南方向偏转,尤其是在祁连山的东南边区域,偏转方向比较明显,与GPS的观测的速度场的梯度也是一致的,并且与地震及其反演的应力状态有比较好的一致性;而利用CAP反演得到的近震震源机制解显示青藏高原东北缘区域主要以逆冲型地震和走滑型地震为主,而正断层的地震较少,这些震源机制解反演得到应力状态与GPS应变场是一致的,最大主压应力的方向与祁连山山体走向大致呈现垂直,而最小主压应力的方向与祁连山山体走向大致呈现平行状态,得到的SHmax(水平主压应力方向)也呈现N30E方向,并且在祁连山东侧发生偏转,支持青藏高原东北缘地区处于北东方向挤压并且发生明显的侧向扩展。5)通过块体模型反演滑动速率,我们得到阿尔金断裂(在93.1E)的滑动速率在3.28mm/yr,然后向东逐渐变小,到达东端达到1.085mm/yr。左旋的东昆仑断裂滑动速率从西侧滑动速率10.5mm/yr,到达鄂拉山为7.5mm/yr,东侧开始慢慢衰减。与地质上的10mm/yr是一致的,鄂拉山右旋走滑都在1.5mm/yr,日月山走滑速率北段在1.2mm/yr,南端在3mm/yr,与地质上的速率(鄂拉山速率1.1 mm/yr,日月山速率1.2mm/yr)是一致的,而海原断裂在101.3E的滑动速率最大,达到5.4mm/yr,两边滑动速率都在减小,与全新世的滑动速率4.5+-1.1mm/yr也是一致的(Li et al.,2009)。并且我们发现,总有至少一种地质方法可以与大地测量的滑动速率可比,揭示本次大地测量结果可以作为评估长期构造行为的依据。  总之,祁连山的构造特征主要表现为GPS应变的分异与扩散,整体速度场的旋转,以及北东向的挤压或者缩短;祁连山区域的侧向扩展向东挤出是地壳物质在印度板块推挤与塔里木地块、阿拉善地块以及鄂尔多斯地块的刚性地块的阻挡,围绕海原断裂发生的顺时针旋转向南东—南南东方向做滑移运动,类似一个分布式的剪切带。并且腹地内部具有明显的地壳缩短,伴有与盆山耦合的垂直隆升与沉降。另外,在东昆仑断裂以及阿尔金断裂南北两侧存在明显的应变分异,在GPS结果、应力结果都显示出来,以及这些断层滑动速率在该区域的东向衰减,说明祁连山区域的构造形变特征受到这些大型走滑断裂的调节,因此包括沿着这些大型断裂的应力转换与应变的分异,垂直于祁连山走向的地壳缩短和沿着走向的侧向扩展,以及高原隆升和在盆地的沉降,是祁连山褶皱逆冲带现今主要的变形模式。
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