青藏高原东北缘岩石圈变形过程的动力学模拟

The mechanism of lithospheric deformation in Tibetan Plateau has been a long controversial problem. The debate is mainly focused on the existing three end-member models for continental deformation. The deformation mode of lithosphere in northeastern Tibet, which is one of the important regions for crustal material to outflow from Tibet, is significant to understand the tectonic evolution of Tibet. Recently, the high-revolution deep seismic reflection profiling across the active left-slip Kunlun fault shows a detailed structure of lithosphere, which gives a challenge to existing models of continental deformation. A new model is proposed with lack of supporting in mechanics. On the base of the seismic reflection data, we plan to numerically simulate the dynamic process of lithosphere deformation in northeastern Tibet constrained by geological and geophysical observation. In the modeling, the discontinuous deformation caused by the strike slip of Kunlun fault is dealed with finite element method of contact problem. And a three dimensional viscous-elastic-plastic model is used to express the rheology of the deep earth on the long time scale. The mechanical condition and geologic history of the formation of main structure are discussed to investigate the dynamic mechanism of lithospheric deformation in northeastern Tibet.

青藏高原的岩石圈变形机制问题长期存在着争论。争论焦点主要围绕大陆变形的三个端元模型。青藏高原东北缘是青藏高原地壳物质向外流出的关键地区之一，其变形模式对整个青藏高原的构造演化至关重要。最近获得的昆仑断裂带深地震反射剖面揭示出的岩石圈精细结构，向已有的大陆变形模型提出了挑战，而新的变形模型的提出缺乏力学上的支持。本项目拟采用数值方法，以地质和地球物理观测资料及地震反射剖面作为约束，对青藏高原东北缘的岩石圈变形进行动力学模拟。模拟采用接触问题的有限元方法来处理断裂带走滑错动产生的不连续变形，并利用三维粘弹塑性本构模型模拟岩石圈深部介质在长时间尺度内的流变特性，探讨岩石圈主要构造形成的力学条件和地质时期，试图揭示青藏高原东北缘岩石圈变形的力学机制。

昆仑断层高分辨的深地震反射剖面结果显示，断层两侧发育一组逆冲断层系统，地壳底部莫霍面被另一逆冲断层系统错断，并发生叠置，中间为两个近水平的滑脱面，反映了上部地壳和地幔变形的解耦。本项目以地震反射资料为约束，利用接触问题的有限元方法，从动力学角度模拟了昆仑断层东段岩石圈的变形过程，讨论了岩石圈尺度断层系统的发育以及莫霍错断的力学机制。结果表明：昆仑断层的滑动和介质的水平非均匀性，可能是产生昆仑断层两侧逆冲断层系统的主要原因；地球介质的垂向非均匀，导致上地壳和中地壳底部之下的区域产生狭长的近水平塑性区，可能发育成水平滑脱面；地表的塑性剪应变分布显示，断层两端会发育两个瓣状高塑性区，代表了未来可能发育的新断层走向，这可以解释为何地表观测到的走滑断层迹线有时并非呈一直线，而是出现方向偏转的次生断裂或分叉现象；深埋断层的蠕滑可以产生莫霍面错断，错断量的大小与构造挤压的大小、断层面上的摩擦系数以及下地壳的粘度有关，计算结果不支持昆仑断层切到莫霍这一地质模型。研究增进了对昆仑断层岩石圈变形动力学过程的认识，有助于从力学角度理解青藏高原的构造演化历史。.本项目利用课题组在小江断裂带布设的连续GPS和宽频带地震台站记录，计算分析了该区域地震活动和应力应变场，具体包括：利用地震记录确定了13962次地震事件的震源位置，反演了2922次地震的震源机制解；利用GPS数据计算分析了观测区的线应变、面应变和剪切应变，以及应变率的空间分布特征；利用地震波形获得了观测区剪切波分裂特征图像；利用地震台阵记录详细研究了2020年5月18日发生在小江断裂带附近的MS5.0巧家地震序列，并分析了2014年鲁甸Ms6.5地震与这次地震的关系。这些研究为数值模拟提供了更多约束，同时为该区域的地震危险性判定提供物理支撑。在项目经费支持下共发表论文5篇，其中SCI论文3篇。

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