川滇地区现今应力场与断层相互作用研究
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摘要
中国大陆具有以块体为单元的构造变形特征，强震的发生与活动块体密切联系，而且强震多发生在活动块体的边界断裂；另一方面，研究断层活动或地震的发生对周围应力场的影响，对未来地震危险性预测具有重要的意义。因此将块体的运动与边界断层相互作用的研究联系起来，对于理解不同断裂之间地震的相互影响显得尤为重要。川滇地区位于欧亚大陆与印度板块碰撞的边缘地带，构造变形复杂，强震发生非常活跃，是地学研究的重要区域之一。本文以川滇地区为例，对震源机制资料、地壳运动观测资料、地震活动资料等进行了详细分析。在前人块体划分的基础上，对北东向的龙门山-瑞丽断裂、北西向的龙陵-澜沧断裂可能的块体边界性质进行了讨论；研究了川滇地区现今应力场的分区特征及分时段特征，以及几种类型的断层相互作用现象；用数值模拟方法对川滇地区现代应力场形成机制、主要断裂的相互作用过程进行了研究；进行了块体模型的实验分析，对块体运动所造成的断层相互作用的力学过程及变形特征进行了研究，并结合川滇地区的有关块体相互作用现象进行了探讨。
本文的研究内容包括以下五个方面。
(1)川滇地区的块体边界及运动状态的分析。活动块体的边界即为活动断裂，这些断裂的活动性质反映了由它们所围限块体的运动状态。以鲜水河断裂、小江断裂、红河断裂所围限的菱形块体向南南东方向运动是川滇地区重要的块体运动，本文在对区域内各主要活动断裂地震活动特征、地壳运动特征、应力主轴分布特征等分析的基础上，指出北东向的龙门山-瑞丽断裂、北西向的龙陵-澜沧断裂可能具备块体边界的活动性质。在这样的格局下，菱形块体与滇西南块体具备统一的动力学来源并协调变形，共同组成长轴为NW向的川滇块体，而龙门山-瑞丽断裂则造成其两侧的应力状态、地壳运动状态的显著差异。
(2)川滇地区各分区构造应力场分布特征的研究。地质、地形变观测资料反映的是块体运动在地表的现象，若要客观、较全面地了解块体的运动状态，必须对块体深部的力学特征加以研究，而反映地壳应力状态的最直接的方法便是对发生在地壳深部地震的震源机制的研究。但由于强震数目有限，因此在前人对川滇地区构造应力场研究的基础上，本文利用发生于1994-2000年间的1000多个小震的震源参数，用格点尝试法对川滇地区进行了应力场的分区研究，得到各分区的应力主轴分布与分时段的变化特征。分区主要是以活动构造的展布及前人研究得到的应力分区为基础的，主要包括川西北区、鲜水河区、巴颜喀拉区、滇西南区及滇中区等。各分区的应力主轴特征显示出NE向的龙门山-瑞丽断裂的北部地区应力状态复杂，主压应力轴方向不唯一，P轴有至少两个优势方向；而南部地区包括滇西南区与滇中区的应力主轴比较单一；各分区应力场的另一个特征是，北部各区的应力主轴方向是随时间变化的，在1996年前后P轴方向发生了转动，转变前后的应力主轴方向分别与青藏高原物质东流对川滇地区的挤压作用力及东印度板块与欧亚板块的碰撞作用对川滇地区的作用力相对应，并得到同时期的GPS观测结果一定程度的验证。在此基础上，对1996年发生的丽江地震从构造及应力状态角度进行了分析。
(3)川滇地区存在几种类型的断层相互作用。对川滇地区1850年以来5级以上强震及1970年以来2级以上地震活动进行了分析，得到川滇地区存在三种类型的断层相互作用现象。
1.强震活跃期沿块体边界迁移型:定义地震活跃期为包含7级以上地震，其它震级
的地震也比较活跃的时期。1850年以来川滇地区的土要断裂强震的时间过程显示，
强震活跃期百年尺度沿鲜水河断裂、小江断裂、红河断裂到滇西南的龙陵一澜沧断
裂的顺序发生过两次明显的迁移;
2.平行断层相互作用型:沿鲜水河断裂与龙陵一澜沧断裂的强震发生、地震能量及近
30年b值时间过程显示，两条断裂的活动存在较强的相互作用;
3.交叉断层交替型:长轴为姗向的川滇块体边界与北东向的龙门山一瑞丽断裂存在
两种时间尺度的交替现象，即百年尺度哪向块体的边界断裂与北东向断裂的强震
活跃期有两次交替过程，十年尺度两个方向断裂强震的发生也存在交替现象，而
短时间尺度的强震交替是长时间尺度强震活跃期交替过程中的子事件。
(4)川滇地区应力场形成机制及断层相互作用的数值模拟。将川滇地区简化为二维地
质构造模型进行了有限元分析。模型中考虑了土要活动断裂的存在，并将断层用不连续面、
断层带为具有一定宽度的相对软弱介质且断层两侧可以发生摩擦滑动的方法处理，断层带采
用弹塑性介质，块体部分采用弹性介质近似。由于青藏高原向东挤出的南边界是否为嘉黎断
裂与川滇块体的西北边界是否为金沙江断裂并不十分明确且存在诸多争议，因此采用两种模
型对相应边界进行分别处理。印度板块的推挤与青藏高原的物质东流是模型的两个主要受力
来源。
为模拟川滇地区应力主轴特征及影响因素，本文土要关注两个方向力源如何相互作用
才能形成川滇地区的构造应力场特征。调整两个方向载荷的相对人小，得到两个外力不同比
例条件卜的?
The China continent can be divided into several tectonic blocks by nearly ME- and EW-trending faults. Most of strong earthquakes in China continent happen along the boundaries of these blocks. It means that blocks control earthquake occurrence. On the other hand, fault interactions, here just like influences of fault activities or earthquakes on regional stress field are very important to prediction of future seismicity So it is one on the key factors to understanding influences between different active faults when we study fault interactions from the point of view of active blocks. The Sichuan-Yunnan region is on the edge of the Eurasia and Indian plate collision zone, where there are complex tectonic deformation and high frequency of earthquakes. So this region is an ideal place for geosciences and taken as the target of the case study for this dissertation. Based on careful analysis of acquired data, including focal mechanism solutions, velocities of observation stations based on GPS measurements offered
by Wang Qi et al (2001) and two earthquake catalogs including earthquakes above Ms5.0 since 1850 and above Ms2.0 since 1970, it is concluded that the stress field of the study region varies both in temporal and spatial scales, and the transferring order of active period of strong earthquakes along great active faults since last 150 years is obtained. Furthermore, this work discusses the problems how the present-day stress field forms, where are the block boundaries, and what is the relationship between block motions and boundary fault interactions and different block interactions. Numerical simulation concerning the problems of stress field and fault interactions is performed in this work. Bases on these results, a multi-block model with experimental simulation and numerical simulation is analyzed finally in order to help to understand the mechanical process and the deformation during block motions, which is aimed at the phenomenon of block interactions in the Sichuan-Yunnan region.
1 The block boundaries of the Sichuan-Yunnan region and its motion state
Block boundaries are commonly the same as active faults on the margins of the blocks, and the motion of these faults represents the movements of the blocks. The Sichuan-Yunnan rhombic block, moving towards SSE, is very typical in the Sichuan-Yunnan region and its boundaries are composed of the Xianshuihe fault, the Xiaojiang fault, the Honghe fault and the Jinshajiang faalt. This is a-controversial problem, and this study holds that not the Honghe fault, but the newly generated Longling-Lancang fault in SW of Yunnan province, together with the other two faults, the Xianshuihe fault and the Xiaojiang fault, probably form the new block boundaries, in which the block moves from north to south and rotates clockwise to a certain extent. There are some evidence that suggest these faults are the block boundaries. The P axes in the two sub-blocks on the east and west of the Honghe fault, as inverted from more than 1000 earthquake focal mechanism solutions between 1994 and 2000, do not show obvious difference that in
dicates the two sub-blocks are under the same dynamic circumstance and the Honghe fault does not
necessarily play a role of a block boundary. Seismicity along the great faults shows close relationship between Longling-Lancang fault and Xianshuihe fault, which are parallel and slip adversely, and this phenomenon indicates that the Longling-lancang fault exhibits block boundary's characteristics to some extent.
The great Longmenshan-Ruili fault, striking N40癊, is not only a remarkable seismic zone, but also a gravity gradient belt and crustal thickness gradient belt. Geologic survey results show moving rates of two sub-blocks to the NW and SE of the Lijiang-Xiaojinhe fault, which is the middle segment of the Longmenshan-Ruili fault, indicating much difference and more that 33 percent movement rate decreases across it (Xiang Hongfa, 2002). GPS data also indicate that movement rates of observation stations on the both sides of the Longmenshan-Ruili fault h
本文的研究内容包括以下五个方面。
(1)川滇地区的块体边界及运动状态的分析。活动块体的边界即为活动断裂，这些断裂的活动性质反映了由它们所围限块体的运动状态。以鲜水河断裂、小江断裂、红河断裂所围限的菱形块体向南南东方向运动是川滇地区重要的块体运动，本文在对区域内各主要活动断裂地震活动特征、地壳运动特征、应力主轴分布特征等分析的基础上，指出北东向的龙门山-瑞丽断裂、北西向的龙陵-澜沧断裂可能具备块体边界的活动性质。在这样的格局下，菱形块体与滇西南块体具备统一的动力学来源并协调变形，共同组成长轴为NW向的川滇块体，而龙门山-瑞丽断裂则造成其两侧的应力状态、地壳运动状态的显著差异。
(2)川滇地区各分区构造应力场分布特征的研究。地质、地形变观测资料反映的是块体运动在地表的现象，若要客观、较全面地了解块体的运动状态，必须对块体深部的力学特征加以研究，而反映地壳应力状态的最直接的方法便是对发生在地壳深部地震的震源机制的研究。但由于强震数目有限，因此在前人对川滇地区构造应力场研究的基础上，本文利用发生于1994-2000年间的1000多个小震的震源参数，用格点尝试法对川滇地区进行了应力场的分区研究，得到各分区的应力主轴分布与分时段的变化特征。分区主要是以活动构造的展布及前人研究得到的应力分区为基础的，主要包括川西北区、鲜水河区、巴颜喀拉区、滇西南区及滇中区等。各分区的应力主轴特征显示出NE向的龙门山-瑞丽断裂的北部地区应力状态复杂，主压应力轴方向不唯一，P轴有至少两个优势方向；而南部地区包括滇西南区与滇中区的应力主轴比较单一；各分区应力场的另一个特征是，北部各区的应力主轴方向是随时间变化的，在1996年前后P轴方向发生了转动，转变前后的应力主轴方向分别与青藏高原物质东流对川滇地区的挤压作用力及东印度板块与欧亚板块的碰撞作用对川滇地区的作用力相对应，并得到同时期的GPS观测结果一定程度的验证。在此基础上，对1996年发生的丽江地震从构造及应力状态角度进行了分析。
(3)川滇地区存在几种类型的断层相互作用。对川滇地区1850年以来5级以上强震及1970年以来2级以上地震活动进行了分析，得到川滇地区存在三种类型的断层相互作用现象。
1.强震活跃期沿块体边界迁移型:定义地震活跃期为包含7级以上地震，其它震级
的地震也比较活跃的时期。1850年以来川滇地区的土要断裂强震的时间过程显示，
强震活跃期百年尺度沿鲜水河断裂、小江断裂、红河断裂到滇西南的龙陵一澜沧断
裂的顺序发生过两次明显的迁移;
2.平行断层相互作用型:沿鲜水河断裂与龙陵一澜沧断裂的强震发生、地震能量及近
30年b值时间过程显示，两条断裂的活动存在较强的相互作用;
3.交叉断层交替型:长轴为姗向的川滇块体边界与北东向的龙门山一瑞丽断裂存在
两种时间尺度的交替现象，即百年尺度哪向块体的边界断裂与北东向断裂的强震
活跃期有两次交替过程，十年尺度两个方向断裂强震的发生也存在交替现象，而
短时间尺度的强震交替是长时间尺度强震活跃期交替过程中的子事件。
(4)川滇地区应力场形成机制及断层相互作用的数值模拟。将川滇地区简化为二维地
质构造模型进行了有限元分析。模型中考虑了土要活动断裂的存在，并将断层用不连续面、
断层带为具有一定宽度的相对软弱介质且断层两侧可以发生摩擦滑动的方法处理，断层带采
用弹塑性介质，块体部分采用弹性介质近似。由于青藏高原向东挤出的南边界是否为嘉黎断
裂与川滇块体的西北边界是否为金沙江断裂并不十分明确且存在诸多争议，因此采用两种模
型对相应边界进行分别处理。印度板块的推挤与青藏高原的物质东流是模型的两个主要受力
来源。
为模拟川滇地区应力主轴特征及影响因素，本文土要关注两个方向力源如何相互作用
才能形成川滇地区的构造应力场特征。调整两个方向载荷的相对人小，得到两个外力不同比
例条件卜的?
The China continent can be divided into several tectonic blocks by nearly ME- and EW-trending faults. Most of strong earthquakes in China continent happen along the boundaries of these blocks. It means that blocks control earthquake occurrence. On the other hand, fault interactions, here just like influences of fault activities or earthquakes on regional stress field are very important to prediction of future seismicity So it is one on the key factors to understanding influences between different active faults when we study fault interactions from the point of view of active blocks. The Sichuan-Yunnan region is on the edge of the Eurasia and Indian plate collision zone, where there are complex tectonic deformation and high frequency of earthquakes. So this region is an ideal place for geosciences and taken as the target of the case study for this dissertation. Based on careful analysis of acquired data, including focal mechanism solutions, velocities of observation stations based on GPS measurements offered
by Wang Qi et al (2001) and two earthquake catalogs including earthquakes above Ms5.0 since 1850 and above Ms2.0 since 1970, it is concluded that the stress field of the study region varies both in temporal and spatial scales, and the transferring order of active period of strong earthquakes along great active faults since last 150 years is obtained. Furthermore, this work discusses the problems how the present-day stress field forms, where are the block boundaries, and what is the relationship between block motions and boundary fault interactions and different block interactions. Numerical simulation concerning the problems of stress field and fault interactions is performed in this work. Bases on these results, a multi-block model with experimental simulation and numerical simulation is analyzed finally in order to help to understand the mechanical process and the deformation during block motions, which is aimed at the phenomenon of block interactions in the Sichuan-Yunnan region.
1 The block boundaries of the Sichuan-Yunnan region and its motion state
Block boundaries are commonly the same as active faults on the margins of the blocks, and the motion of these faults represents the movements of the blocks. The Sichuan-Yunnan rhombic block, moving towards SSE, is very typical in the Sichuan-Yunnan region and its boundaries are composed of the Xianshuihe fault, the Xiaojiang fault, the Honghe fault and the Jinshajiang faalt. This is a-controversial problem, and this study holds that not the Honghe fault, but the newly generated Longling-Lancang fault in SW of Yunnan province, together with the other two faults, the Xianshuihe fault and the Xiaojiang fault, probably form the new block boundaries, in which the block moves from north to south and rotates clockwise to a certain extent. There are some evidence that suggest these faults are the block boundaries. The P axes in the two sub-blocks on the east and west of the Honghe fault, as inverted from more than 1000 earthquake focal mechanism solutions between 1994 and 2000, do not show obvious difference that in
dicates the two sub-blocks are under the same dynamic circumstance and the Honghe fault does not
necessarily play a role of a block boundary. Seismicity along the great faults shows close relationship between Longling-Lancang fault and Xianshuihe fault, which are parallel and slip adversely, and this phenomenon indicates that the Longling-lancang fault exhibits block boundary's characteristics to some extent.
The great Longmenshan-Ruili fault, striking N40癊, is not only a remarkable seismic zone, but also a gravity gradient belt and crustal thickness gradient belt. Geologic survey results show moving rates of two sub-blocks to the NW and SE of the Lijiang-Xiaojinhe fault, which is the middle segment of the Longmenshan-Ruili fault, indicating much difference and more that 33 percent movement rate decreases across it (Xiang Hongfa, 2002). GPS data also indicate that movement rates of observation stations on the both sides of the Longmenshan-Ruili fault h
引文
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