研究亮点

相关链接

研究亮点

首页 - 研究亮点

EPSL: 侵蚀在形成造山楔逆断层内凹构造中的作用:来自青藏高原东缘的例子

2020-04-23

地球表面形态是地球内部变形与地表剥蚀共同作用的结果,而且内外动力之间也存在相互影响,因此深刻理解构造变形与地表剥蚀的相互作用,是理解地球演化过程和规律的重要基础之一。此类研究的主要对象是逆冲断裂带。地球和其它行星上广泛存在逆冲断裂带,而且大部分逆断层在平面上都展现出局部弯曲的几何特征,形成外凸(salient,亦称“突刺”) 和内凹 (recess) 构造。Marshak (2004) 在总结全球造山带弯曲构造的研究中发现,大多数弯曲构造都受到地球内部因素的控制,例如沿走向变化的岩性差异、盆地厚度差异、先存构造影响、多期次变形等。尽管从理论上来说,地表侵蚀作用也能在脆性域中的逆冲带造成局部弯曲现象,但是与之对应的地质实例仍鲜有报道。

位于龙门山中段的都江堰内凹 (Dujiangyan recess) 是一个前人较少关注的逆冲断裂带弯曲的现象 (图1),其成因机制仍未知。发源于平均海拔4000米的青藏高原上的岷江,在都江堰处切穿龙门山,倾泻而出,进入海拔仅500米的成都平原。休斯敦大学的刘一多博士和中国地震局地质研究所的谭锡斌研究员等人组成的团队,对都江堰内凹进行了详细的研究。研究团队通过翔实的野外填图发现,龙门山山前的构造、地层在都江堰附近发生了明显的拐弯,都江堰内凹处的地层具有圆锥状褶皱的特征,不同于龙门山山前的圆柱状褶皱特征。作者对地下三维构造的解释是,龙门山下方存在一个局部卷曲的“被动顶板双重构造” (passive-roof duplex)。在地表,岷江对龙门山产生了集中剥蚀,造成显著的沿走向变化的剥蚀作用;然而,龙门山中段的地表坡度角却沿走向基本上一致(图1e-g)。

为了理解都江堰内凹的形成,作者首先利用“临界锥楔理论” (critical-taper wedge theory) 来探讨内凹构造的普遍成因机制和判别特征。这一理论自上世纪80年代由Davis, Suppe, Dahlen (1983) 提出以来不断发展,Dahlen and Suppe (1988) 从理论上指出,侵蚀作用会降低造山楔的地表坡度角,使其回到亚临界状态,从而降低造山楔的盆向扩展速率。理论上,一个简化的临界楔构造受到缩短量、滑脱层深度、地表剥蚀、楔体强度、滑脱层强度、滑脱层倾角等六个独立变量的控制。由此,作者提出六种独立模型来解释逆断层内凹的成因机制 (图2a-f),并且由这六种模型推导出对应的三类不同的构造地貌组合 (图2g-i)。其中第三种模型 (模型C) 代表侵蚀作用沿走向差异产生逆断层内凹,其具有独特的地形地貌与断层滑移分布的组合形式。

研究团队综合分析了龙门山中段地区的地形地貌、上地壳变形、地表剥蚀速率、汶川地震同震位移等资料,发现都江堰内凹构造符合模型C的特征,揭示出这一现象是在晚新生代青藏高原东缘挤压造山的背景下,由岷江的局部侵蚀作用造成的。作者将前人的砂箱模拟结果与龙门山中段的实际构造地貌进行对比(图3),进一步验证了上述结论。

2.png

图 1. 龙门山中段地形图(a)及主要地貌参数分析(b-g)

1.png

图 2. 临界楔理论框架下,逆冲断裂内凹(thrust recess)的六种成因机制(a-f),及三类不同地形和断层滑移特征(g-i)

3.jpg

图 3. 砂箱模拟(Graveleau and Dominguez, 2008)(a)与龙门山中段的实际地形与构造(b)的对比

此项研究不仅给出了构造变形与地表剥蚀相互作用造成逆冲断裂带弯曲的一个实例,而且给出了一个关于逆冲断裂带内凹构造成因机制的判定方法。研究成果于2020年4月在线发表于《地球与行星科学快报》(Earth and Planetary Science Letters):

     Yiduo Liu, Xibin Tan*, Yijia Ye, Chao Zhou, Renqi Lu, Michael A. Murphy, Xiwei Xu, John Suppe. Role of erosion in creating thrust recesses in a critical-taper wedge: An example from Eastern Tibet. Earth Planet. Sci. Lett. (2020), http://doi.org/10.1016/j.epsl.2020.116270

 

网址链接https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X20302132