欧亚大陆的活断层和现代地球动力学

VTrifonov GVostrikov RTrifonov OSoboleva

（Geological Institute of Russian Academy of Sciences,7 Pyzhevsky,Moscow,109017,Russia）

摘要　本文叙述在完成国际岩石圈计划项目Ⅱ－2《世界主要活断层图》的过程中对欧亚大陆活断层的研究结果；讨论了欧亚大陆活断层作用的一般规律性：板块边界区的宽断层带，以走向滑动运动为主，现代拆离构造的表现，以及计算活动带内现代地球动力学参数的方法和结果。

关键词　活断层　全新世　晚更新世　拆离构造　变形率张量

1　引言

在40年代美洲作者和欧洲作者分别引用同义词“active fault”和“Living fault”（中文译为“活动断层”和“活断层”），来标明与新近发生的或最近的将来可能发生的构造运动有关的断裂。由于断层构造运动在时间上是不均一的，这就产生了用于恰当说明断层活动、运动方向、平均速率和有关的自然现象的特征时间问题。对于活动带，这种时间段为晚更新世和全新世，即约为最近10万年[1,2]。但是，这个时间段不足以估算地台区活断层作用的参数，那里的断层运动强度要低得多，与强地震有关的脉动也比活动带内的要少得多。因此，确定地台断层的活动性不仅应基于最近10万年间发生的运动，而且还应基于中更新世即最近70万年间发生的运动[3]。

1989年，考虑到研究活断层的重要性，国际岩石圈计划确定了以VGTrifonov为组长的项目Ⅱ－2“世界主要活断层图”[4]。此项目的参加者建立了世界上唯一的活断层数据库，包括断层的表现、参数和地震效应的数据库。对欧亚大陆的研究进展最大。欧亚大陆的活断层已编制成1∶500万的初步图件，对许多地区还编制了较详细的图件和说明书。

本文提供了对欧亚大陆活断层的分析结果，讨论了活断层位置和位移的一般规律性，以及利用活断层数据计算现代地球动力学参数的结果。

2　欧亚大陆活断层的构造位置和位移的一般特征

分析欧亚大陆活断层的断错表明，其位移的垂直分量通常是由于冲断层或逆断层运动产生的，而不是由于正断层运动产生的。这对于活动带及中等和弱活动区域的断层是真实的。因此，本大陆的大部分现在处于附加的侧向挤压状态下，这与利用不同方法得出的现今应力的估算值是一致的[5]。

欧亚大陆活动带的活断层半数以上具有走向滑动的运动分量，这个分量相当于或大于垂直分量。在走向滑动带，最常观测到内陆运动的最大速率。这个事实说明，走向滑动消耗的能量，小于冲断层、逆断层甚至正断层的运动消耗的能量。我们对近几十年来最强的大陆地震震级与每次地震产生的效应作了相关分析。这种效应表现为地震破裂长度及长度乘最大地震位移。走向滑动地震断层的这些特征比起相同震级地震产生的其他特征要明显得多[6]。

欧亚大陆主要活断层图（图1）上标出运动速率大于1mm/a的活断层。该图说明最长的断层构成现代板块和小板块的边界。这种边界通常不以单一断层显示，而是表现为活动断裂带。大多数活断层集中在活动断裂带内及活动断裂带之内的活动构造带内。图2给出所有的活断层，不管其运动速率大小，这两种带都表现得很好（图2）。

造山带（例如亚洲的阿尔卑斯造山带）上的活动带，在地形上表现为山脉或山脉系，其间的稳定断块形成具有现代沉积作用的相对坳陷。这种稳定断块在活动带汇聚的地区是窄的，形成山间盆地。这正是在塔里木小板块延续部分的帕米尔与天山之间各个盆地的成因。活动带内的活断层控制着较小的抬升（山脉）与下降（盆地）的新构造形态。与相邻的山脉相比，这类盆地通常对应于较致密岩石（例如超基性岩体中的蛇绿岩及其碎块）构成的地区。盆地的地表已在新构造运动前发生了均衡沉降。所以现代挤压造山带的许多或者全部山间盆地，不能定为Argan的（术语）“基底向斜”[7]。它们是由于基底不均一性决定的，相当于活动带之间的稳定断块的残余，或者相当于活动带内密度较高的地壳区。

在造山运动期间，山脉与山间盆地的地形差异增大了。山脉受侵蚀，成为负荷较轻的，而盆地受碎屑物质充填，成为负荷较重的。这种均衡不平衡在深部得到岩石侧向运动所补偿。侧向运动体现在较为破碎的或较塑性的、因而其密度比相邻层位要低的岩层中。于是，盆地的基底富含有与盆地成因无关的较重的组分。

3　活动的拆离构造

地表上确定的大部分活断层只切割上地壳，不一定能切割到下岩石圈中，在下岩石圈中是以其他方式变形的。有关现代拆离构造作用的证据已发表在VGTrifonov et al,1984,YuMPushcharovsky和VGTrifonov,1990的文章中。与受侵蚀出露地表的较老的拆离构造特征不同，现代拆离构造不能被直接观察到。它们呈现为近水平带内的震中密集分布，或表现为岩石圈不同层位上构造形式和活断层作用的差异。在这种情况下，无法用有关的地球物理和地球化学异常确定出深部活动构造单元。这种构造单元与地表活动构造相比，有时在地表上表现为不一致的构造特征。活动构造在不同深度的差异，大多是由流变性质不同的岩石对基本上同等载荷的不同反应引起的。然而，在日本中部、东天山，以及其他一些地区，岩石圈不同层位上的应力定向和运动方向是不同的。在受挤压的活动带内，已发现最复杂的活动拆离构造特征。它们的表现形式取决于区域的构造位置。

俯冲作用是大洋岩石圈和次大洋岩石圈的特征，而且在亚洲东缘普遍与俯冲岩板的碎块或受改造的物质以相当低的角度下冲在外来板块的地壳之下有关[10]。克里特岛和小安德烈斯型的岛弧是特殊情况，因为那里的俯冲作用伴有外来板块或它的地壳部分的上叠。在爱琴海地区，这种上叠现象是由于向西运动的安纳托里亚小板块侧向挤压，以及由于该区域岩石圈构造破坏产生的异常地幔上升引起的同时拉张造成的。这种机制是在分析活断层作用后得出的[3]，并为GPS测量数据解释结果所证实[11]。同样的上叠现象也有可能出现在太平洋诸岛弧上[12]，但是，那里大多是以俯冲作用为主。

图1　欧亚大陆主要活断层图（图上只表示出运动速率大于1mm/a的断层）

本图是由VGTrifonov、丁国瑜、AIKozhurin和RVTrifonov利用国际岩石圈计划项目Ⅱ－2“世界主要活断层图”数据库编制而成

图2　欧亚大陆活断层初步图

由VGTrifonov利用国际岩石圈计划项目Ⅱ－2“世界主要活断层图”数据库编制而成

在最大板块汇聚和挤压的地区，典型的碰撞和相互作用是地壳和地幔的解耦和独立变形，有时伴有地壳分层成几个滑块（如旁遮普－帕米尔和阿拉伯－小高加索山弧束）。这两个山弧束内的上地壳活动构造基本上是相似的。这里推覆－褶皱构造发育，活动的走滑断层广泛分布。除转换作用的走向滑动使断层一侧相对另一侧呈整体位移（如阿拉伯板块和印度板块之间接西边界和东北边界上的断层）之外，还有旋转的和使岩体拆离最大挤压区的走滑断层清晰可辨[6]。后两种走滑断层使碰撞带横向缩短，并使两侧岩体重新分布。

在所述的山弧束内，下地壳和地幄（地幔顶层）的性状是不同的。在帕米尔－喜马拉雅地区，地幔顶层与上覆的地壳拆离开来，在某些地方已亏损和榴辉岩化了，比起周围岩层较冷，因而密度较大，下沉在变形相当大的地幔中[13]。这种地幔的震源带处在达270km的深度。下地壳作为不同变形的上地壳与地幔顶层之间的边界带，具有最大差异运动和最强烈变形的特征。

在阿拉伯－小高加索山弧束内及其周围地区，地幔顶层受异常加热，并且可能富含深地幔分异作用的产物。这种受加热的地区呈现为年轻的横向火山带，在山弧束的北部称为外高加索隆起[14]。在南面直至北面的大高加索，晚第四纪火山带把不均质的构造带同前寒武纪阿拉伯板块分割开来。在地壳厚度约35km的阿拉伯板块内，出现具有较浅（30～40km）岩浆源的裂谷型玄武岩火山活动。这个带向北分割着具有地壳厚度不等（30～40km）的阿尔卑斯期强烈变形带和其下的可能为中生代特提斯大洋地壳的榴辉岩化岩板。这里晚第四纪火山活动属于钙碱性序列，以安山岩为主。在大高加索，由于南带俯冲，地壳厚度增至45km，基本上为酸性火山活动[15]。根据这些资料我们可以认为，深部加热带的顶部位于30～40km的深度。这个带不仅占据地幔，而且在南部还占据下地壳。它的存在使地壳更易于拆离，并向北挤出。最后，它使原先存在于高加索山脉的准特提斯盆地完全上冲在早中新世地层之上。在高加索以西和以东，如黑海和南里海，仍保存着这个盆地系的已改组的碎块。在高加索地区，受岩浆分异产物的加热作用，和富含此产物的较轻的地幔顶层，没有下沉到地幔中。但在邻近的东面，在阿普歇伦海底山脊，向北倾斜的地幔震源带处于深达100km的深度。

“推压作用”是造成现代最大碰撞区以北变形分布和运动的主要机制。这在中亚和东亚的广大地区是很特征的。这种机制与印度板块向北漂移，引起邻近小板块和地壳断块变形和运动有关，而后两者又引起相邻构造带运动。这种变形和运动集中在小板块之间和断块之间的边界上，这主要取决于它们的形态。新构造褶皱作用和拆离作用的强度向最大碰撞区以北和东北减弱，并被走滑运动为主的纯断层型构造所取代。拉伸构造（贝加尔和山西裂谷系）发育在大型剪切带的弯曲段上。

现代地壳的拆离作用和“推压作用”发生在欧洲阿尔卑斯和地中海区域，但是不很明显，具有局部特征，与岩石圈的拉伸特征有关，后者以裂谷带和对称盆地为代表，如潘诺宁和爱琴海盆地。这种构造的广泛产出，可能与地壳较薄和岩石圈较热（如与中亚相比）的环境中板块和断块相互作用产生的地幔底辟作用有关。

4　利用活断层数据确定现代上地壳地球动力学

现在讨论中亚碰撞区（北纬26°～56°、东经64°～104°）（图2）。它包括天山、阿尔泰、萨彦、帕米尔、兴都库什、昆仑山脉、西喜马拉雅山脉和邻近的阿富汗、巴基斯坦、蒙古西部及包括西藏在内的中国西部。

我们利用活断层参数计算了现代地球动力场。在计算过程中不考虑活动褶皱产生的变形，因为很难对它进行测量，而且与总体变形相比是较小的。利用本区域的活断层数据建立了活断层参数数据库。这些数据是在实施国际岩石圈计划项目Ⅱ－2“世界主要活断层图”过程中收集的。首先利用了丁国瑜、NVLukina、PMolnar、TNakata、AANikonov、VPSolonenko、PTapponier、VGTrifonov、KEAbdrakhmatov、邓起东、VSButman、SDKhilko、KGLevi、VIMakarov、SISherman、ASinha、AVTimush和RSYeats的文章资料建立了数据库。

这个数据库包括每条断层的如下参数：①数目和名称（若有名称）；②信息来源；③位置，以明确的地理坐标的点数表示；④断层面倾斜方向：NO（NE,N,NW和W），或ZU（SW,S,SE和E）；⑤倾角，度：min-mp-max；⑥运动的侧向分量方向：D（右旋）或S（左旋）；⑦拉张分量的存在，E；⑧运动的垂直分量方向：R（冲断或逆断）或N（正断）；⑨侧向运动平均速率，mm/a:min-mp-max；⑩拉张的平均速率，mm/a:min-mp-max；⑪垂直运动的平均速率：mm/a,min-mp-max。其中，“min”表示参数的最小值，“mp”表示最可能的数值，“max”表示最大值。计算了晚更新世和全新世的平均速率。如果倾斜或平均速率无法用野外数据确定，我们就用断层区的一般新构造和地震数据计算它们的可能值范围。平均速率可能是稀少强震时的蠕动或位移的脉动。对此我们是利用地质、地貌和较稀少的地震或测地资料计算的。如果沿断层的任何参数（④～⑪）有变化，就把它分为各单独的段。

提出一个上地壳的“流体动力学”模型。如把活断层的分散位移从形式上表示为大的时空范围的粘性流体流动的统一过程。这种分散－连续流动过程的宏观参数之一是应变率张量。把它计算为大的时空范围的有效平均参数。这个参数乘以粘度系数便是应力张量。

时间条件是完全满足的，因为采用了晚更新世—全新世（10万年）。我们只考虑上地壳层（15km）。为了满足空间条件，这一范围的横向尺度（基本窗的线性尺度）必须比最大断层要长。另一方面，窗的尺度不能太大，因为我们把它考虑为流动的基本体积。选用于计算平均变形窗的尺度将在下面叙述。

首先将断层各单独段再分为具有恒定走向和倾向、长20～30km的基本单元。为避免位移幅度的衰减，切去断层的端部，其长度不超过断层总长的5%。单元的宽度（断层穿透深度）与断层长度相对应。根据文献[16]：

第30届国际地质大会论文集　第5卷　现代岩石圈运动　地震地质

式中：L为断层总长度；L3为单元宽度，不能超过15km。我们引入数值：

第30届国际地质大会论文集　第5卷　现代岩石圈运动　地震地质

式中：S为沿单元的位移向量大小，L1为单元长度。我们称M为“几何矩”。按这个值的意义，它乘上断层的干摩擦系数即为作用于单元的力矩。它类似于一个震源的地震矩[17]，对于任何一个基本窗，可以引入正交坐标系x,y,z（分别为东、北和垂直向上方向）。然后，由下式确定几何矩张量M的分量：

第30届国际地质大会论文集　第5卷　现代岩石圈运动　地震地质

式中：l,m=x,y,z;ls、ln和ms、mn为局部坐标系方向的余弦（n是垂直于单元面的法线，s是沿单元的位移向量方向）。每个窗内张量的所有相似分量（3）经求和与归一化处理，变为单位窗体积和时间的量：

第30届国际地质大会论文集　第5卷　现代岩石圈运动　地震地质

式中：n是任何窗内的单元数量；△V是窗面积乘以活动层厚度（15km）；△T是晚更新世和全新世时间段。根据BVKostrov[17]， 是活断层运动所造成的应变率张量的某分量在窗内的平均值。

利用已知的岩石力学方法[18]，计算了主变形率（M1,M2,M3），并把它规定在窗中心。

将研究的区域按地理经纬度划分成两种方式的基本窗：第一种是大小为1°×125°、不重叠的窗，第二种是大小为3°×375°，步长分别为1°和125°的窗。第一种划分较详细，只用于计算基本变形的方向。第二种划分显示平滑的图案，用于计算基本变形的方向和大小。于是，变形率向量用基本缩短和伸长的方向（图3和图4）和大小的等值线表示（图5和图6）。

本区的主缩短轴（图3）全是近水平的，大部分地区内大致为北走向。这点在平滑的图上更清楚，但在详细的图上可以清楚地看到偏离这个总方向的残差。它们出现在旁遮普山弧束两侧：在山弧束以东的塔吉克盆地东部、卑路支斯坦和阿富汗东北部，以及更显著的是在山弧束以东的活动带内，如阿尔金山脉的走滑带、西藏北部、戈壁阿尔泰、杭爱（蒙古北部）和萨彦东北部。在西藏东缘和柴达木，主缩短轴几乎为正东走向。

在这两个“异常”带内主伸长轴（图4）也是近水平的，说明沿这两个带的运动是走滑的。更复杂的情况出现在塔吉克盆地东部和卑路支斯坦，那里的主伸长轴是近直立的，相当于冲断层运动。

在本区大部分范围内，缩短轴和伸长轴都是近平行的，具有大致正北向的主缩短。它显示走滑运动为主。后者似乎是研究区的最普遍的运动类型。同时，有些地区主伸长的方向几乎成为直立的。如喜马拉雅大部分地区、天山西部和东南部、阿尔泰东南部和萨彦。显然，这些地区的主要运动类型是冲断层活动。有趣的是，有些被活断层轻微破坏的断块内，往往观察到近直立的主伸长方向，如西藏北部、柴达木、准噶尔盆地北部和内蒙古。除西藏之外，这些地区大多以大规模弱变形的山间盆地为代表。这些盆地内的地壳根部和上地壳底部相对于邻近山脉是隆起的。盆地内垂向伸长和地表相对沉陷相结合是不平常的，需要补充研究。

主缩短率M3（图5）和主伸长率大小M1的空间分布（图6）表明，它们在本区的大部分范围内差别不大。这意味着变形显然是双轴的，相当于岩石力学的纯剪切变形。然而，有些地区具有较大幅度的主缩短率M3（图5）和主伸长率M1，而且M3>M1。最大幅度的M2，即M3与M1的最大差值出现在蒙古阿尔泰的科布多断层北端、塔拉斯—费尔干断层带、天山南部和中部的邻近部分、帕米尔北部（彼得一世山脉）、阿富汗法伊扎巴德以南的查曼断层和赫拉特断层交接带，以及喜马拉雅山脉的阿萨姆和比哈尔地震的震中带。在西藏东北侧，M2也相当大，但较上述地区为小。

图3　研究区主缩短的方向线长同它们与垂线形成的夹角成比例

图4　研究区主伸长的方向线长同它们与垂线形成的夹角成比例

图5　研究区主缩短率（M3）的大小按窗口大小为3°×375°计算；图中数字的数量级为10-9

图6　研究区主伸长率（M1）的大小按窗口大小为3°×375°计算；图中数字的数量级为10-9

在分析变形率大小时，我们注意到，最大变形率出现在印度板块的现代北界：喜马拉雅山脉、帕米尔—喀拉昆仑断层、帕米尔山脉北侧和邻近的南天山部分（包括塔拉斯—费尔干断层中段）、达尔瓦兹断层和查曼断层。较小而足够大的变形率出现在西藏东边界（云南北部）、阿尔金山脉中部和海源走滑断层带（即柴达木盆地西北和东北侧）、准噶尔断层西北端及蒙古的阿尔泰等地。所有这些地区都是造山带内小板块的现代边界带。

5　结论

曾有人指出[19]，现代构造现象的形成是开放构造体系相互作用的结果。这些体系是一组相互联结在特定规模地质环境中的自然作用。这些自然作用直接或间接导致岩石圈运动和各种形态的构造发育。同时，一个构造体系即一种构造－应力体系，是介质组织在某种程度上由于一种参数偏离其平衡状态而出现的，这些参数可以把它描述为热力学体系。这个体系的等级是用其中各单元间联结闭合的区域规模来表示的。在此意义下，我们有全球规模体系和不同等级的局部区域体系。

全球体系是板块构造的变更形式，它考虑岩石圈各层的拆离作用、各层相对独立的变形以及这些作用的地球动力学和构造结果[20]。局部体系的规模和构造表现不一。它们是由外部因素即全球体系或更大的局部体系内的各种作用产生的。例如，异常地幔的上隆造成上地壳变形。另一方面，由于地壳断块间的相互作用引起的岩石圈破裂，会使密度减低，引起地幔加热，导致火山和构造形成。

我们讨论过由于侵蚀和沉积作用导致均衡丧失的补偿对山脉隆起和山间盆地发育的影响。构造体系的更复杂的相互作用表现在芬兰斯堪的纳维亚的全新世断层活动，在那里作为厚的大陆岩石圈对大西洋扩张的反应的横向（NW-SE）挤压，与冰川载荷消除后的不均一均衡隆起相互作用。地震与活断层的联系是明显的，但我们还发现，在阿拉伯－高加索区域强震与具有超基性岩的蛇绿岩带之间的对应关系[21]。大概超基性岩转变为蛇纹岩时会增大岩石的体积，产生一种参与地震蕴育过程的附加应力。

Teilhard de Chardin[22]用无限时间结构的瞬间断面表示现今的时间。地质构造决定着该区域的活动构造的多种特殊性。类似的而不同发育的构造，可以根据活动构造特征来判别。例如，亚得里亚山弧束，在渐新世时类似于现今的阿拉伯－小高加索和旁遮普－帕米尔山弧束，后来受到改造。它的活断层作用显示出一些新的构造单元与老的继续发育的山弧束片段的结合。

因此，活动断层作用是现今处于不同演化阶段的不同构造体系复杂相互作用的结果。

致谢　本研究由国际岩石圈计划项目Ⅱ－2和国际科学基金会项目MPJ000资助完成的。

（沈德富泽，叶洪校）

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