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EPSL: 侵蝕在形成造山楔逆斷層內凹構造中的作用:來自青藏高原東緣的例子

2020-04-23

地球表面形態是地球內部變形與地表剝蝕共同作用的結果,而且內外動力之間也存在相互影響,因此深刻理解構造變形與地表剝蝕的相互作用,是理解地球演化過程和規律的重要基礎之一。此類研究的主要對象是逆沖斷裂帶。地球和其它行星上廣泛存在逆沖斷裂帶,而且大部分逆斷層在平面上都展現出局部彎曲的幾何特征,形成外凸(salient,亦稱“突刺”) 和內凹 (recess) 構造。Marshak (2004) 在總結全球造山帶彎曲構造的研究中發現,大多數彎曲構造都受到地球內部因素的控制,例如沿走向變化的巖性差異、盆地厚度差異、先存構造影響、多期次變形等。盡管從理論上來說,地表侵蝕作用也能在脆性域中的逆沖帶造成局部彎曲現象,但是與之對應的地質實例仍鮮有報道。

位于龍門山中段的都江堰內凹 (Dujiangyan recess) 是一個前人較少關注的逆沖斷裂帶彎曲的現象 (圖1),其成因機制仍未知。發源于平均海拔4000米的青藏高原上的岷江,在都江堰處切穿龍門山,傾瀉而出,進入海拔僅500米的成都平原。休斯敦大學的劉一多博士和中國地震局地質研究所的譚錫斌研究員等人組成的團隊,對都江堰內凹進行了詳細的研究。研究團隊通過翔實的野外填圖發現,龍門山山前的構造、地層在都江堰附近發生了明顯的拐彎,都江堰內凹處的地層具有圓錐狀褶皺的特征,不同于龍門山山前的圓柱狀褶皺特征。作者對地下三維構造的解釋是,龍門山下方存在一個局部卷曲的“被動頂板雙重構造” (passive-roof duplex)。在地表,岷江對龍門山產生了集中剝蝕,造成顯著的沿走向變化的剝蝕作用;然而,龍門山中段的地表坡度角卻沿走向基本上一致(圖1e-g)。

為了理解都江堰內凹的形成,作者首先利用“臨界錐楔理論” (critical-taper wedge theory) 來探討內凹構造的普遍成因機制和判別特征。這一理論自上世紀80年代由Davis, Suppe, Dahlen (1983) 提出以來不斷發展,Dahlen and Suppe (1988) 從理論上指出,侵蝕作用會降低造山楔的地表坡度角,使其回到亞臨界狀態,從而降低造山楔的盆向擴展速率。理論上,一個簡化的臨界楔構造受到縮短量、滑脫層深度、地表剝蝕、楔體強度、滑脫層強度、滑脫層傾角等六個獨立變量的控制。由此,作者提出六種獨立模型來解釋逆斷層內凹的成因機制 (圖2a-f),并且由這六種模型推導出對應的三類不同的構造地貌組合 (圖2g-i)。其中第三種模型 (模型C) 代表侵蝕作用沿走向差異產生逆斷層內凹,其具有獨特的地形地貌與斷層滑移分布的組合形式。

研究團隊綜合分析了龍門山中段地區的地形地貌、上地殼變形、地表剝蝕速率、汶川地震同震位移等資料,發現都江堰內凹構造符合模型C的特征,揭示出這一現象是在晚新生代青藏高原東緣擠壓造山的背景下,由岷江的局部侵蝕作用造成的。作者將前人的砂箱模擬結果與龍門山中段的實際構造地貌進行對比(圖3),進一步驗證了上述結論。

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圖 1. 龍門山中段地形圖(a)及主要地貌參數分析(b-g)

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圖 2. 臨界楔理論框架下,逆沖斷裂內凹(thrust recess)的六種成因機制(a-f),及三類不同地形和斷層滑移特征(g-i)

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圖 3. 砂箱模擬(Graveleau and Dominguez, 2008)(a)與龍門山中段的實際地形與構造(b)的對比

此項研究不僅給出了構造變形與地表剝蝕相互作用造成逆沖斷裂帶彎曲的一個實例,而且給出了一個關于逆沖斷裂帶內凹構造成因機制的判定方法。研究成果于2020年4月在線發表于《地球與行星科學快報》(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

 

網址鏈接https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X20302132


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