青藏高原东北缘活动断裂剪切模量及应力状态数值模拟

摘要

作为控制断层两盘相对运动的重要因素,断裂带介质力学性质与断层面上的滑动速率及应力状态、区域地壳运动速度场以及强震危险性判定等密切相关.从物理上,断层力学性质可以理解为断层面两盘之间的摩擦系数或断裂带的剪切模量,但这一参数很难从野外观测的角度定量给出.研究中通常通过以下两种确定方式,一种是根据地质上关于断层活动的认识做定性判断给出.另一方面,随着对地壳介质认识的不断深入,特别是近年来随着GPS等观测资料的丰富,有限元模拟技术在地壳动力学研究中得到广泛应用,同时也为断层介质力学性质的定量研究提供了新的方法.本文在综合区域动力学环境、活动断裂空间展布以及下地壳粘滞性结构的基础上构建了青藏高原东北缘三维有限元动力学模型;以GPS速度场为约束模拟研究了断层剪切力学性能对区域地壳运动速度场图像的控制作用，进而在最优模型基础上分析了当前青藏高原东北缘不同断裂的应力状态。结果显示:阿尔金断裂东段和广义海原断裂对区域地壳运动速度场控制作用强烈，但二者剪切力学性能相反，阿尔金断裂东段断层剪切模量与周边地壳介质相当，而广义海原断裂断层剪切模量可低至周边地壳介质剪切模量的1/10 000;六盘山断裂和西秦岭北缘断裂对区域地壳运动速度场的控制作用较弱，模拟结果显示二者均具有较强的剪切力学性能。基于最佳模型的应力状态分析指出:阿尔金断裂东段、广义海原断裂西段的木里-江仓断裂、中段的金强河-毛毛山-老虎山断裂、东段的六盘山断裂、以及西秦岭北缘断裂中西段当前应力率水平较高，且与前人给出的青藏高原东北缘高闭锁区域吻合。动力学上的高应力率与运动学上的强闭锁良好吻合，预示着这些断裂是地震危险分析值得关注的区域。