地球物理学报  2014, Vol. 57 Issue (2): 459-471   PDF    
印度板块与欧亚板块在兴都库什—帕米尔地区相互俯冲的动力作用分析
张浪平1, 邵志刚1, 李志海2    
1. 中国地震局地震预测研究所 地震预测重点实验室, 北京 100036;
2. 新疆维吾尔自治区地震局, 乌鲁木齐 830011
摘要:兴都库什—帕米尔地区是印度板块与欧亚板块相互碰撞的强烈变形区域,也是中国大陆与周边板块动力传递的关键部位,明确该地区两大板块俯冲接触的几何形态和动力作用对研究区域动力环境具有实际意义.本文首先基于Hayes等在2009和2010年提出的Slab1.0的研究思路,利用地震参数准定量地给出两大板块在兴都库什—帕米尔地区碰撞接触的几何形态.结果表明,印度板块在兴都库什地区呈现自南往北的俯冲;欧亚板块在帕米尔地区呈现由北往南的俯冲;同时在兴都库什和帕米尔之间存在俯冲交汇区,在该区印度板块以北西方向、欧亚板块以南东方向相互俯冲.其次基于哈佛大学提供的震源机制解,对不同接触部位进行了应力张量反演,结果显示在兴都库什俯冲区域主要表现为逆冲性质,帕米尔弧西段主要表现为走滑性质,且均具有较好的一致性;而在俯冲交汇区域,走滑、逆冲性质并存,表现为震源机制一致性紊乱.结合两大板块接触的几何形态和区域应力场反演结果,认为印度板块在兴都库什地区主动往北俯冲,而欧亚板块在帕米尔地区被动往南东—南向俯冲,形成两大板块的相互俯冲.本文从几何形态和应力场反演分析两大板块在兴都库什—帕米尔地区碰撞的动力作用方式,可为该区域地球动力学相关研究提供基础资料.
关键词兴都库什—帕米尔地区     几何形态     中源地震     应力场反演     Slab1.0    
Dynamic action of mutual subduction between the Indian and the Eurasia plates in Hindu Kush-Pamir region
ZHANG Lang-Ping1, SHAO Zhi-Gang1, LI Zhi-Hai2    
1. Key Laboratory of Earthquake Prediction, Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China;
2. Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region, VrÜmqi 830011, China
Abstract: Hindu Kush-Pamir region is a strongly deformed region related to the collision between the Indian and the Eurasia plates, it is also the critical part of force transmission between mainland China and its surrounding plates, consequently, it is meaningful to define contact geometry and dynamic action between two plates in the region for regional dynamic environment study. Initially, based on the research approach of Slab1.0 proposed by Hayes et al. in 2009 and 2010, using seismic parameters of shallow and intermediate-depth earthquakes, we quasi-quantitatively present a collision and contact geometry of the two plates in Hindu Kush-Pamir region. The result shows that the Indian plate subducts beneath Eurasia plate from south to north in Hindu Kush region, and the Eurasia plate performs subduction under Indian plate from north to south in Pamir region, simultaneously; a subduction intersection zone exists between Hindu Kush and Pamir, where the Indian and the Eurasia plate subduct towards each other in Northwest and Southeast direction respectively in this region. In addition, based on the focal mechanism solutions offered by Harvard University, the stress tensor inversion for different contact areas is carried out. The result shows that the stress tensor is mainly of thrust type in Hindu Kush subduction area and strike-slip in the western part of the Pamir arc, and demonstrates good consistency. However, strike-slip and thrust coexist in the subduction intersection zone, and the focal mechanism solutions show inconsistency. Combined the contact geometry of the two plates and the inversion results of regional stress field, this study considers that, the Indian plate subducts actively to the north in Hindu Kush region, and the Eurasia plate subducts to southeast-south passively in Pamir region, accordingly, forming the mutual subduction of the two plates. We analyze the dynamic action mode of the collision between the two plates in Hindu Kush-Pamir based on the geometry and the inversion results of regional stress field, which could provide basic data for geodynamics research of the region.
Key words: Hindu Kush-Pamir region     Contact geometry     Intermediate focus earthquake     Stress tensor inversion     Slab1.0    

1 引言

新生代以来,印度板块与欧亚板块的碰撞和汇聚作用造成了兴都库什—帕米尔地区强烈的地壳变形,在帕米尔高原的北向推挤和旋转作用下,昆仑山、天山等成为大陆内部新构造运动十分强烈的地区(Molnar and Tapponnier, 1975; Tapponnier and Molnar, 1977; Avouac and Peltzer, 1993; Hendrix et al., 1994; Sobel and Dumitru, 1997),兴都库什—帕米尔地区两大板块的动力作用一直是国内外学者关注的热点.

早在20世纪50年代,Gutenberg和Richter(1954)Richter(1958)就已经发现兴都库什—帕米 尔地区存在深度超过200 km的中源地震.Nowroozi(1971) 通过对1950—1965年地震资料的分析,首次以截取剖面的方式给出了该地区的震源深度分布情况,认识到帕米尔和兴都库什地区分别存在两个不 同走向、不同深度的中源地震带.Billington等(1977) 精选了1950—1973年的地震资料,指出帕米尔—兴都库什地区的中源地震在西部的俯冲角度大约为70°,而东部的俯冲角度大约为50°.Roecker等(1980)根据1966、1967年区域台网记录的微震资料,提出在北纬37°附近中源地震带被分为两部分,西部从南向北俯冲,东部从西北往东南俯冲,中间存在地震空区.

随着地震定位水平的不断提高,学者们可以通过考察较长时间内的震源空间分布情况来定性描述两大板块碰撞的几何形态,并结合震源机制解来分析两大板块之间的可能动力作用.宁杰远和臧绍先(1990)Fan等(1994)以及Pegler和Das(1998)利用ISC提供的地震资料分析了该地区的震源空间分布,得到了与Roecker等(1980)相同的认识,并证实了帕米尔地区存在南倾的W-B带.张家声等(2005)利用NEIC地震目录和中国新疆台网1975年以来的重新定位目录,对兴都库什—帕米尔—中国西部地震活动的三维几何学及其构造联系做出了解释,认为帕米尔深俯冲带上多期反冲构造组合和作用历史是该地区地壳缩短加厚和深部岩石折返的动力机制.楼小挺等(2007)利用高精度地震定位目录、Lou等(2009)利用重新定位目录以及孙文斌等(2009)利用NEIC目录均试图给出帕米尔—兴都库什地区中源地震带相对完整的几何形态,楼小挺等(2007)孙文斌等(2009)还根据震源机制解讨论了区域的应力状态.

帕米尔和兴都库什地区中源地震带的空间分布以及中源地震带之间的关系直接影响到两大板块碰撞几何形态的认识.大部分学者认为两大板块是双向俯冲(Nowroozi, 1971; Billington et al., 1977; Chatelain et al., 1980; Hamburger et al., 1992; Burtman and Molnar, 1993; Lou et al., 2009),也有如Pegler和Das(1998)Vinnik等(1977)Pavlis和Das(2000)认为两者属于同一被扭曲的俯冲带.还有少数学者,如Beloussov等(1980)并不认为在帕米尔和兴都库什地区有简单的俯冲机制存在,认为是印度板块和欧亚板块的碰撞作用造成了大的地块被岩石层中的深断层或破碎带所分割而形成了目前的地震带及应力状态,该认识得到了Verma和Chandra(1985)研究结果的支持.

另一方面,随着地震数字波形的不断积累,学者们开始通过考察壳幔三维速度结构来探讨这个问题(Mohan and Rai, 1995; Mellors et al., 1995).雷建设等(2002)研究了帕米尔及邻区的P波三维速度结构,认为印度—欧亚板块在帕米尔构造结地区表现为强烈碰撞的挤压作用.Kumar等(2005)通过S波接收函数的研究,从岩石圈厚度的分析中寻找 到了欧亚板块在帕米尔弧往南俯冲的证据.Negredo 等(2007)结合了P波层析成像结果(Voo van der et al., 1999; Villasenor et al., 2003; Koulakov and Sobolev, 2006),并参考多俯冲三维几何模型(Mattauer, 1986), 从热力学数值计算的角度给出了兴都库什地区北向俯冲的角度为80°,而帕米尔弧地区向南俯冲的角度为45°.

以往研究大都利用震源深度分布的空间特征或深部介质的速度结构差异定性描述印度板块与欧亚板块在兴都库什—帕米尔地区碰撞的几何形态,同时基于震源机制、速度结构或是热力学结构来分析两大板块间的可能动力作用.为了更定量、更精细地给出两大板块在兴都库什—帕米尔地区碰撞的几何接触方式,以及更细致地描述两大板块间动力作用, 本文将基于震源参数分析两大板块在该地区相互碰撞接触的三维几何方式,并基于震源机制解的应力 张量反演来讨论板块间不同接触部位的动力作用模式.

2 板块间相互接触的几何方式
2.1 基础数据

兴都库什—帕米尔地区地处喜马拉雅弧西端,是印度板块和欧亚板块两大板块碰撞的强烈变形区,也是地震活动非常活跃的地区,图1给出的是研究区域的地震地质情况.地震目录来源分别为哈佛大学给出的1976年以来约5.5级以上地震的矩张 量解(简称gCMT目录,http://www.globalcmt.org/CMT search.html〖2013-05-25〗),美国国家地震信息中心给出的 1973年以来的小震地震目录(简称NEIC目录,http: //earthquake.usgs.gov/regional/neic/〖2013-05-25〗).Engdahl等(1998)对1964—2007年全球Mb≥4.7地震事件进行了重新定位,使定位精度得到明显改善,并提供相应的地震目录(简称EHB目录,http://www.isc.ac.uk/EHB/〖2013- 05-25〗).为了补充1964年之前的地震事件,Engdahl 和Villasefior(2002)给出了1900—1999年全球地震7.0级以上地震目录(简称Engdahl百年目录).从图1给出的震源深度分布中可以看出,中源地震集中分布于35°N—39°N的区域,呈北东向“S”型分布,最大深度超过250 km.

研究区域为两大板块碰撞区,断裂构造十分发育(图1),两大板块的相互挤压作用主导性地控制了区域深大断裂的性质.受印度板块的北向推挤作用,区域断层主要以逆冲性质为主,并满足区域运动几何协调的走滑性质.从南到北依次有主前缘逆冲断裂、喀喇昆仑主逆冲断裂、喀喇昆仑断裂、达沃兹—卡拉库尔断裂、吉萨彦—阔克萨彦断裂、阿图什—柯坪断裂等逆冲性质为主的大型断裂;在东西两侧则主要分布走滑性质为主的断裂(如加德兹断裂、恰曼断裂、赫拉特断裂、阿尔金断裂、特拉斯—费尔干纳断裂)或由逆冲性质为主逐渐转化为走滑性质为主的断裂(喀喇昆仑断裂).

基于图中所给的震源深度、区域主要断裂以及活动地块边界带的分布情况,选择图中所示红色实线标记的断裂作为印度板块与欧亚板块在该部位的碰撞边界,将其视为板块碰撞的地表边界来开展基于Slab1.0思想(Hayes and Wald, 2009, Hayes et al., 2010)的线性平面与非线性曲面拟合工作,该地区南部兴都库什地区的地表边界简称为“南边界”,北部帕米尔地区的地表边界简称为“北边界”.

图1 兴都库什—帕米尔地区地质构造、地震震中及震源深度分布 地质构造背景综合了文献(Fan et al., 1994; Pegler and Das, 1998; Koulakov and Sobolev, 2006)所给的研究结果,其中锯齿状黑色粗实线为印度板块边界(即主前缘逆冲断裂,MFT),其他黑色实线为区域内主要断裂(GDF:加德兹断裂;CMF:恰曼断裂;HRF:赫拉特断裂;MKT:喀喇昆仑主逆冲断裂;KKF:喀喇昆仑断裂;ATF:阿尔金断裂;DKF:达沃兹—卡拉库尔断裂;GKF:吉萨彦—阔克萨彦断裂;AKF:阿图什—柯坪断裂;TFF: 特拉斯—费尔干纳断裂).白色点划线为中国大陆活动地块区边界带(张培震等,2003张国民等,2005). 白色虚线为图2中北东向剖面的位置,白色实线为图4中剖面a—g的位置.用颜色标记不同的震源深度. Fig.1 Tectonic setting, distribution of the earthquake epicenters and focal depth around the Hindu Kush-Pamir region Tectonic setting is based on several references (Fan et al., 1994; Pegler et al., 1998; Koulakov et al., 2006), the thick toothed black solid lines indicate the border of the Indian plate (main frontal thrust fault, MFT), and other solid black lines are major faults (GDF: Gardez fault; CMF: Chaman fault; HRF: Heart fault; MKT: Main Karakoram thrust fault; KKF: Karakoram fault, ATF: AltynTagh fault; DKF: Darvaz Karakul fault; GKF: Gissal-Kokshal fault; AKF: Atushi-Keping fault; TFF: Talas Fergana fault). The white dotted lines indicate active block boundary zone of mainland China (Zhang P Z et al., 2003; Zhang G M et al., 2005). The white dashed line shows the location of the northeastern profile in Fig.2, and the white solid lines show the location of the profilea-g in Fig.4. Focal depth is shown in colors.
2.2 地震事件筛选原则

首先选取地表边界上一点作为参考点,作参考点处地表边界的切线以及与之垂直并指向俯冲一侧的法线.以参考点为起点、法线为中心轴,选取在俯冲一侧的矩形剖面,以参考点处的水平法线为横轴,深度方向为纵轴,将所有与剖面距离不大于50 km的地震震源投影到剖面上.

在开展两大板块碰撞几何产状的线性平面与非线性曲面拟合工作之前,需要对剖面的地震事件进行筛选,首先考察兴都库什地区南边界西端端点沿北东方向剖面(剖面位置见图1)的震源分布和震源机制解情况(图2).由图2a可见,该剖面震源深度分布由南向北存在4个相对集中的区域,分别是距剖面边界点150~250 km,300~400 km、500 km和700左右的区域,且4个区域的震源深度存在由深变缓的态势.距边界点超过600 km的地震位于天山构造带,不属于两大板块碰撞所导致的事件,本文将不予讨论.针对复杂的震源深度分布特征,明确剖面地震事件的归属问题是开展两大板块碰撞几何产状研究的重要基础.因此,需要结合地质构造背景、震源深度分布特征以及震源机制性质来判定地震事件的归属.

图2b给出了相同剖面上震源机制解的分布情况,与震源深度分布类似,也可以划分为4个相对集中的区域.在距离边界带200 km左右的集中区主要表现逆冲性质;在300~400 km的集中区域震源机制表现为逆冲、走滑、正断兼有的特征,未呈现某种类型地震的优势分布;在500~600 km集中区域 的震源机制大都表现为走滑性质;而在600~800 km 的浅源地震事件归属为天山构造带.结合震源深度与震源机制的分布特征可以看出,距边界点200 km左右,深度超过250 km的地震事件是印度板块在南 边界往北俯冲造成的地震事件;而距离边界点300~ 400 km 的地震事件是印度板块在南边界北向俯冲和欧亚板块在北边界向南俯冲共同造成的;至于距 边界点500 km左右的地震事件,则为欧亚板块在北边界的南向俯冲所致.

剖面震源深度的分布特征显示了兴都库什—帕米尔地区两大板块碰撞接触的复杂性,文献(Hayes et al., 2010; Hayes and Wald, 2009,张浪平等,2013)所采用地震事件自动筛选的原则在此不再适用.因此,地震事件的筛选需要采用手动和自动相结合的方式.以图2所示剖面为例,分析认为只有距边界点200 km左右的地震才是印度板块在南边界北向俯冲造成的,因此采用手动的方式将其选取;进一步采用三角棱柱自动筛选方式将上盘地震与垂直下方的地震去除(张浪平等,2013),最终得到的地震事件将作为该边界点板块俯冲所导致的地震事件参与线性平面与非线性曲面拟合的计算.

图2 跨兴都库什—帕米尔—天山西段NE向剖面的震源深度与震源机制解分布 剖面位置见图1,沿NE向长度为850 km;(a)宽度为100 km矩形剖面上的震源深度分布;(b)剖面上相应的震源机制解分布,红色为逆冲型,黑色为走滑型,蓝色为正断型,震源机制解来源http://www.globalcmt.org/CMTsearch.html〖2013-01-11〗,黑色虚线框为第4节所述地震空区. Fig.2 Distribution of the focal depth and the focal mechanism of NE-trend profile across Hindu Kush-Pamir-Western Tianshan The location of the profile is shown in Fig.1, the length is 850 km along NE direction; (a) Distribution of the focal depth on the rectangular profile whose width is 100 km; (b) Corresponding distribution of the focal mechanisms on the profile, red ones indicate thrust, black ones indicate strike-slip, and blue ones indicate normal, the focal mechanisms derived from website: http://www.globalcmt.org/ CMTsearch.html〖2013-01-11〗, the black dashed box is the seismic gap described in Part 4.

EHB、NEIC和gCMT目录通过筛选的地震事件将存在重叠,为了保证深度拟合的可信度,相同地震事件的震源参数只参与一次计算.与张浪平等(2013)的研究方案相同,对于同一个地震事件,如果EHB目录可用,则先用EHB目录,其次再是NEIC目录,最后为gCMT目录.由于NEIC目录记录的时间范围和震级下限完全覆盖了gCMT目录的时间与震级范围,因此gCMT目录不参与拟合计算.在实际操作过程中1900—1973年间的地震事件采用EHB目录记录的震源位置,1973—2007年间M≥5.0地震采用EHB目录提供的地震参数,期间M<5.0地震事件以及2007年之后的地震事件采用NEIC目录提供的地震参数.

2.3 板块接触面的线性平面与非线性曲面拟合

由于定位精度的影响,地震目录记录的震源参数具有不确定性,可用概率密度函数进行描述.与板块边界尺度和震源深度误差相比,震源定位的水平误差要小很多,因此可以认为只有震源深度是不确定的.通常选用正态分布为概率密度函数来描述震源深度,以报道的震源深度为期望,用标准差来标度报道的震源深度与实际震源深度的偏差.EHB和NEIC地震目录中均已给出震源深度,EHB目录中附带有震源深度的标准差,对于NEIC目录,震源深 度的标准差可取值为常数,本文取为±18 km(Hayes and Wald, 2009).

经过目录筛选之后,利用有效地震事件来计算该处板块间俯冲平面的倾角.假设俯冲角度δ在5°~60°之间变化,采用最大似然的方法来确定可能性最大的俯冲倾角,具体计算表达式如下:

其中,σi为震源深度所服从的概率密度函数的标准差;xi(δ)为根据俯冲平面的倾角δ与距离板块边界的横向距离计算出来的理论震源深度;μi为概率密度函数的期望,取值为相关机构报道的震源深度;ωi为事件的权重,取值为震级的平方;ω是避免括弧内第一项接近于0所设置的参数,通常取值为0.1.对式(1)取对数,可将乘积形式转化为求和形式:

利用式(2)计算出P′(δ),得到P′(δ)随倾角变化的曲线,当P′(δ)取最大值时所对应的角度即为该参考点处板块的俯冲倾角,即认为两大板块在该参考点以等倾角的平面接触,如图3中的黑色虚线所示.同时还开展了线性平面拟合的可信度分析,也即拟合残差分析和相关度分析,具体方案与Hayes和Wald(2009)的相同.

图3中的黑色虚线为线性平面拟合的结果,与横轴的夹角即为该参考点处的俯冲角度.线性平面拟合在一定程度上可以反映板块间的俯冲接触情况,但实际上俯冲倾角并不是恒定不变的,接触面也非平面而是曲面,因此有必要开展非线性曲面拟合的工作.为了便于非线性曲面拟合,首先将众多地震事件的震源深度集中到剖面中心轴的等间距节点上,再用各节点的特征深度进行非线性曲面拟合.图3中藏红色菱形块表示各节点的特征深度,红色实线曲线为3阶多项式的拟合结果,具体方案见Hayes和Wald(2009).

图3 典型剖面的震源深度分布及地震事件的选取情况 剖面位置同图2,沿NE向长度为800 km;彩色标记为经过手动筛选和自动筛选后参与计算的有效地震事件,灰色标记为未通过筛选的地震事件, 黑色实线分别代表俯冲角度为5°和60°的俯冲平面, 黑色虚线为线性平面拟合的结果, 藏红色菱形块为轴向等间距(20 km)节点上的特征深度,红色实线为非线性曲面拟合结果,反映了参考点处板块间的相互接触情况. Fig.3 The selected case for distribution of focal depth and seismic events with typical profiles The location of the profile are showed in Fig.2, the length is 800 km along NE direction; the multicolor marks are the effective seismic events selected by manual and automatic approach, and involved in the calculation finally, the gray marks are the seismic events which didn′t pass the screening, the black solid lines indicate the subduction plane with subduction angle 5° and 60° respectively, the black dashed line is linear plane fitting result, the saffron diamond blocks are the feature depth on the equidistant node in the axial direction, and the red solid line is non-linear curve fitting result, reflects the situation of mutual contact between the plates at the reference point.
2.4 兴都库什—帕米尔地区板块接触的拟合结果

按照上述方法,沿着兴都库什地区的南边界和帕米尔地区的北边界从西往东分别截取47个和66个剖面,基于各剖面的非线性曲面拟合结果可以得到兴都库什—帕米尔地区印度板块与欧亚板块相互接触的三维几何产状.图4a给出了剖面的空间位置及各剖面的长度,图4b、c给出的是接触面的三维几何产状,用颜色表示深度.由结果可以看出印度板块 在兴都库什地区呈现自南往北的俯冲,俯冲深度超过250 km,且俯冲角度逐渐增大;而欧亚板块在帕 米尔地区呈现自北西向南东方向俯冲,并逐步转化为自北向南的俯冲,俯冲深度为200 km左右.在非线性曲面拟合的过程中,当深度方向不再有地震事件时终止计算,因此图4b彩色区域的边界线即为印度板块与欧亚板块相互接触的闭锁线(locked line)(Bilham et al., 2001),也即两大板块间以地震破裂为主要表现形式的最大接触范围.根据拟合结果可以得出在兴都库什地区印度板块北向俯冲、帕米尔地区欧亚板块南东向—南向俯冲;在较浅部位两大板块相互独立,而在深部两俯冲板片存在相互交结的现象.图4c给出的三维几何产状更加精细、更加定量地刻画了两大板块的相互俯冲情况.

图4 兴都库什—帕米尔地区剖面选取与非线性曲面拟合结果 (a)在兴都库什—帕米尔地区剖面选取的空间位置;(b) 印度板块与欧亚板块在兴都库什—帕米尔地区相互接触的三维几何产状、 以及板块间相互接触的闭锁线(locked line)(图中深红色虚线);(c) 三维几何产状的三维图(色标同图4b). Fig.4 Profile selection and the result of non-linear curve fitting around Hindu Kush-Pamir region (a) Spatial location of the profiles in Hindu Kush-Pamir region; (b) Three-dimensional geometric occurrence and locked line (Scarlet dashed line in Figure) of the mutual contact area between the Indian and the Eurasia plates around Hindu Kush-Pamir region; (c)Three-dimensional map of the geometric occurrence(the color scale is the same with Fig.4b).
3 板块间的动力作用分析

第二节基于震源参数给出了兴都库什—帕米尔地区印度板块与欧亚板块接触碰撞的三维几何产状,属于两大板块接触几何面的静态描述,本节将基于震源机制解的空间分布特征来讨论两大板块在该地区碰撞的动力作用方式.

图5依次给出了7个剖面的震源机制解的分布特征,剖面位置见图1.南边界的3个剖面(a—c)主 要表现为逆冲的性质且随着俯冲深度增加,逆冲型地震事件的优势分布更为明显,由此表明印度板块 在兴都库什地区主要表现为自南向北的俯冲性质.北边界西段的两个剖面(d—e)地震事件主要分布逆冲型和走滑型两种性质的震源机制解,同时存在少量的正断型震源机制,表明该处板块间的动力作用为逆冲兼走滑;北边界东段的两个剖面(f—g)的震源机制解主要表现为走滑性质,且从西往东走滑型震源机制的优势分布更为明显,表明在帕米尔西部地区两大板块的动力作用逐渐转为走滑性质.

图5 兴都库什—帕米尔地区7个剖面的震源机制解分布情况 震源机制解含义同图2,(a)—(g)对应剖面a—g,其空间位置见图1. Fig.5 The distribution of focal mechanism solution of the seven profiles around Hindu Kush-Pamir region The meaning of focal mechanism solution is the same with Fig.2, location of profiles a—g is showed in Fig.1.

根据图5所给的7个剖面的震源机制解的分布特征可以认识到在兴都库什地区,印度板块呈现显著的自南向北的俯冲,俯冲深度超过250 km;而在帕米尔地区,欧亚板块沿着帕米尔弧从西向东、由西北往东南方向的逆冲兼走滑逐渐转为近南北向的走滑为主.结合图4所给的板块间相互接触的三维几何形态,可以看出两大板块在兴都库什—帕米尔地区碰撞,其中印度板块是主动往北俯冲,兴都库什地区是板块碰撞的应力集中区域;欧亚板块被动与之碰撞,在帕米尔弧西段欧亚板块表现出俯冲兼走滑的性质,而随着与碰撞应力集中区域的距离增大,逆冲分量逐渐减少,走滑分量不断增加.表明印度板块北向俯冲推挤的过程中,欧亚板块逐渐被挤出,两大板块由应力集中区域附近的双向俯冲,逐渐转化为近东西向的水平错动,这与马宗晋等(1998)关于该地区的运动学特征认识相一致.

为了更深入分析两大板块间的动力作用,将采用基于中小地震震源机制解的应力张量反演方法来分析不同接触部位的区域应力场.应力张量反演可以对单独的几个样品或者一个网格内的资料执行反演,采用Michael提出的“逐步逼近”方法(Michael, 1984,1987),得到最佳应力张量反演结果,反演结果给出的是代表区域应力场的三个主应力方向和相对大小.本文采用ZMAP软件(Wiemer, 2001)完 成应力张量反演.沿着图2所给的北东向剖面,将其分为4个区域A—D,各区域的应力张量反演结果见图6.

图6 各区域的应力张量反演结果 将北东向剖面的震源机制解分为4个区域,标记为A—D,分别用灰色虚线相隔,相应的应力张量反演结果采用乌尔夫网表示,其中黑色方框表示第一主应力、红色三角为第二主应力、蓝色圆圈表示第三主应力. Fig.6 The inversion results of regional stress tensor in different parts of mutual contact area of the two plates Divide the focal mechanism solutions of north-east profile into four regions, and mark them A to D respectively, then separated them with gray dashed lines, the corresponding inversion results of stress tensor expressed by Ulf Network, black boxes represent the first principal stress, red triangles are the second principal stress, and blue circles are the third principal stress.

从反演结果可以看出,剖面南段所代表兴都库什地区(A区)表现出一致性很高的逆冲性质;剖面北段的帕米尔弧东段(C区)则表现为一致性较高的走滑性质;而剖面中间部位(帕米尔弧西段地区)(B区)的反演结果比较弥散,未能得到明确的运动性质;而剖面的最北端(D区)则表现出逆冲转为走滑的运动性质.基于应力张量反演结果可以看出,剖面南段一致性很高的逆冲性质反映的是兴都库什地区两大板块间的动力作用主要表现为板块俯冲所致的逆冲挤压.北段一致性较高的走滑性质表明在帕米尔东部地区两大板块动力作用主要表现为近东西向相对错动.而剖面中段反演结果的弥散表明该部位存在一个俯冲交汇区域,导致该区表现为北西—南东向俯冲和北东—南西向相互错动并存的动力作用,该认识与前文所述的两大板块相互俯冲并存在俯冲转换区的结论相一致.至于最北段的逆冲转为走滑的运动机制实为帕米尔弧东段与天山构造带西段之间的相互作用,表明两者之间存在南北向挤压和东西向相互错动的动力机制.

4 讨论

板块间碰撞接触的几何产状向来是地球动力学研究的重要内容,也是开展区域动力学数值物理模拟研究的基础条件.在以往板块接触几何产状的研究中,大都采用选取剖面的分析方法,通过震源深度分布剖面特征定性地描述板块间相互接触的几何形态.Hayes等(2010,2012), Hayes和Wald(2009)提出了基于地震震源参数的Slab1.0研究方法,并完成了全球多处海陆俯冲带的三维几何产状分析,该方法与以往研究相比更为定量,给出的几何产状也更为精细.张浪平等(2013)给出了印度板块与欧亚板块在缅甸弧俯冲带的三维几何接触方式,为开展相对复杂的陆陆碰撞的板块间几何接触方式提供了可行方案.基于此,针对中国大陆与周边板块接触的另一动力强耦合区域——兴都库什—帕米尔地区开展了板块间接触几何方式的研究工作,不仅可以为深入研究该区域动力环境提供基础资料,也有助于认识中国大陆强震孕育的动力来源.

根据拟合结果可以得出在兴都库什地区印度板块北向俯冲、帕米尔地区欧亚板块南东向—南向俯冲,两大板块存在明显的双向俯冲,与以往研究 (Nowroozi, 1971; Billington et al., 1977; Chatelain et al., 1980; Hamburger et al., 1992; Burtman and Molnar, 1993)的观点一致.Lou等(2009)基于重新定位后4.0级左右地震的震源深度发现,在兴都库什和帕米尔地区存在不同的俯冲结构,认为兴都库什和帕米尔地区分别存在独立板片并发生双向俯冲碰撞.同时,数字地震学研究结果(Villasenor et al., 2003; Kumar et al., 2005; Koulakov and Sobolev, 2006)也给出了P波高速区在兴都库什地区北向俯冲、帕米尔地区南东向—南向俯冲的证据,都支持了兴都库什—帕米尔地区两大板块双向俯冲的合理性.由图4c可以看出在较浅部位两大板块相互独立,到了一定深度俯冲板片存在相互交错的现象,从另一个方面反映了兴都库什、帕米尔属于 同一扭曲俯冲带的观点(Vinnik et al., 1977; Pegler and Das, 1998; Pavlis and Das, 2000)的不合理性.

在分析兴都库什—帕米尔地区两大板块接触的几何方式之前,首先综合该区地质构造、活动地块边界以及地震深度分布特征,选取了由大型断裂或是几条大型断裂连接而成的南、北边界作为线性平面与非线性曲面拟合的地表边界.之前类似的工作主要是针对接触方式相对简单的海陆俯冲问题(Hayes et al, 2010, 2012Hayes and Wald, 2009)和板块边界相对清晰的陆陆碰撞问题(张浪平等,2013),很自然地沿板块边界开展拟合工作.而在兴都库什地区印度板块与欧亚板块的板块边界都不甚清晰(Pegler and Das, 1998; 张培震等,2003张国民等,2005Koulakov and Sobolev, 2006),若选择印度板块西北边界的主前缘逆冲断裂(MFT)作为地表边界,地表边界点与兴都库什地区距离超过300 km,则无法完成本文的工作.基于震源深度空间分布特征,兴都库什地区震源深度从主前缘逆冲断裂西段和喀喇昆仑主逆冲断裂(MKT)西段往北,震源优势深度由浅源逐渐转为中源,最大深度超过250 km,因此选择主前缘逆冲断裂西段连接喀喇昆仑主逆冲断裂西段(图1所示的红色实线)作为印度板块在兴都库什地区往北俯冲的地表边界.另外,针对该地区关于两大板块早期接触的地质调查结果支持兴都库什地区是印度板块的俯冲前沿(Klootwijk et al., 1994),从深部P波速度结构的研究成果也证实兴都库什地区存在高速俯冲板片(Mohan and Rai, 1995; Mellors et al., 1995; Negredo et al., 2007).因此,已有的诸多认识(Klootwijk et al., 1994; Mohan and Rai, 1995; Mellors et al., 1995; Pegler and Das, 1998; Negredo et al., 2007; Lister et al., 2008)支撑了选取兴都库什地区地表边界(南边界)的合理性.

Hayes和Wald(2009)在处理海陆俯冲接触的研究中对地震事件的筛选采用的是去除俯冲倾角δ<5°和δ>60°范围内的地震事件.在分析兴都库什—帕米尔地区板块接触的三维几何产状的过程中,除了采用同样的自动筛选方法,还根据震源深度分布特征与震源机制性质对地震事件进行了手动选取 (Khan, 2005),以减少自动筛选对拟合结果的影响.

Roecker等(1980)早在20世纪80年代就发现在兴都库什—帕米尔地区存在两个中源地震空区,第一个在37°N附近,是两大板块双向俯冲存在相互交错造成的;另一个位于兴都库什地区160 km深度,可能反映了上下两部分俯冲板片的分离.后来Pegler和Das(1998)证实了两个空区的存在,本文工作中也发现了同样的现象.由图4b、c可以看出,在南边界东端和北边界西端连线的中间部位,震源深度较浅,明显低于两侧的.分析认为是印度板块在兴都库什地区北向俯冲和欧亚板块在帕米尔弧西段南东向俯冲存在俯冲交汇区,两大俯冲板片相互交错所致.另外,兴都库什地区存在中源地震空区(图2b中黑色虚线框).从剖面的震源机制解分布特征看出,空区下方逆冲型震源机制解比空区上方的优势分布更加显著,可认为是下沉板块俯冲速度高于上方板块、俯冲板块上下两部分分离所致.印度板块北向运动过程中与欧亚板块在兴都库什地区发生碰撞,造成地表隆升形成高原的同时,俯冲至欧亚板块下方,板块前沿俯冲至地幔之下,而后续板块则受阻于欧亚板块的刚性盆地.板块前沿俯冲至黏滞作用较弱的地幔,阻力逐渐变小;而后方板块受阻于欧亚板块,阻力逐渐增大,于是俯冲板片前后部分之间出现了拉张颈缩的现象,这也就是出现第二个中源地震空区的原因(Lister et al., 2008).

印度板块向北运动与欧亚板块碰撞汇聚于喜马拉雅弧( Paul et al., 2001),前文也论述过在兴都库什—帕米尔地区印度板块作为主动板块俯冲至欧亚板块下方,深度超过250 km.在印度板块北向俯 冲的同时欧亚板块也呈现南向俯冲,深度接近200 km. 从两大板块碰撞的几何形态、震源机制解的空间分布特征以及兴都库什地区存在的中源地震空区,均反映了印度板块主动碰撞俯冲的动力环境.印度板块与欧亚板块碰撞接触主要表现为下部弯曲形成俯冲和上部隆升形成高原,两者共同作用导致了新疆及邻区地壳变形速率呈现明显的自西向东、自南向北逐渐衰减的态势(Wang et al., 2001; Burchfiel, 2004; 牛之俊等,2005杨少敏等,2008),同时也是天山地震带强震活动与兴都库什地区中源地震活动存在关联(张浪平等,2013)的动力成因.因此,本文针对兴都库什—帕米尔地区开展的两大板块相互接触的三维几何产状以及基于震源机制的动力作用分析有助于认识中国大陆西域地块,尤其是天山地震带的强震孕育环境.

5 结论

本文首先基于地震震源参数,通过线性平面拟合和非线性曲面拟合得到了欧亚板块与印度板块在兴都库什—帕米尔地区俯冲接触的准定量较精细的三维几何产状.其次基于震源机制解,考察了研究区域7个剖面的震源机制分布特征,并对不同接触部位进行了应力张量反演,讨论了板块间的动力作用方式.

结合两大板块相互接触的三维几何形态和基于震源机制解的区域应力场分析,可以认为印度板块与欧亚板块在兴都库什—帕米尔地区存在双向俯冲,印度板块北向运动是主要动力源,在兴都库什的南边界主要表现为逆冲的运动性质,而欧亚板块在帕米尔地区从西部的逆冲兼走滑逐渐转换为东部的走滑为主.本文给出的两大板块在兴都库什—帕米尔地区相互接触的三维几何形态,以及两大板块在该区碰撞的动力机制,可为该区域地球动力学相关研究提供基础资料.

基于震源机制解的空间分布特征可以讨论两大板块相互接触的可能动力作用,基于应力张量反演可以描述不同接触部位的主应力方向.尽管如此,针对板块间动力作用方式本文仍限于定性分析,仅限于描述可能动力作用方向,并未涉及作用力的大小,如何根据地球物理场观测资料来刻画板块间作用力的空间分布将是需要继续开展的工作.另外,与周边板块动力作用部位的强震事件往往会影响中国大陆强震的孕育进程,板间作用力的动态变化对大陆内部强震孕育的影响也是一个非常值得关注的问题.

致谢 本文得到了张国民研究员、尹祥础研究员、江在森研究员、刘桂萍研究员和马宏生博士有益的指导,四川省地震局张致伟、中国地震局第二监测中心徐晶给予了帮助,匿名审稿人对本文提出很好的修改意见和建议,在此一并表示感谢.

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