断裂滑动速率是活动断裂的重要运动学参数之一,不仅可以用来作为评判地球动力学模型的标准,也是活动构造的地震危险性预测和地震安全性评价中的重要指标。断裂滑动速率是用一段时间内累积的总位移量除以该段位移量累积所经历的时间而获得的,因此计算滑动速率时主要获取两个关键参数:错断地貌的位移和该位移形成所经历的时间。依据滑动速率的计算公式看来,这是一个比较容易获得的值,但是想要精确计算时却并不是一件容易的事情。
断裂滑动速率
单位时间断裂滑动的位移。
- 英文名称
- fault slip rate
- 所属学科
- 地质学/地质资源与地质工程
用于计算滑动速率的方法主要有大地测量方法(全球定位系统GPS、干涉测量合成孔径雷达InSAR等技术)、古地震方法(探槽)以及地质学方法(寻找断错的地貌面或地质体)。其中,大地测量法获得的主要是数年~几十年时间尺度的应力加载速率,反映的是断裂在较短时期内弹性应变累积的速率;古地震方法获取的是百年~数万年时间尺度的滑动速率;而地质学方法则是千年、万年甚至百万年时间尺度的滑动速率,后两种计算方法反映的是断层长期活动的平均速率。在对同一条断裂采取上述不同的计算方法时或者不同的研究者对一条断裂采取相似的研究方法时,所给出的结果可能会相差几倍,所蕴含的地球动力学意义也会有不同的解译。如果计算的短期滑动速率与长期滑动速率相对一致,说明断层活动在时间上是均匀的,弹性应变累积速率即为断层的滑动速率。相对而言,如果短期和长期的滑动速率表现出明显差异,有可能是大地测量方法得到的断层短期应变积累速率不能代表断层的长期活动习性,或者某一方法得到的结果有较大的偏差。
就地质学方法计算滑动速率来看,其精确度主要取决于:断错地貌体或者地貌面的位移测量精度和该位移量累积经历的时间。
分为水平位移和垂直位移两种,通过识别错断的岩体、冲沟水系、阶地陡坎、阶地面、冰碛物等地貌进行位移测量。以走滑断裂上阶地陡坎为例,其位移值的获取步骤为:在确定了阶地陡坎迹线和断裂位置以后,利用靠近断裂的陡坎迹线延伸出一个最小值,利用离断裂较远的陡坎迹线延伸出一个最大值,然后利用该最大值和最小值获取平均值,用该值作为所需要的断错水平位移值。对于垂直位移,主要是由正断层或者逆断层作用形成,其中正断层会形成断层崖、断层三角面,而逆断层会形成断层陡坎,要获得垂直位移,要以出露的断层地貌面为参考并垂直断层提取跨断层的纵剖面信息,然后分别拟合出对应断层上下盘的两条直线,最后量取两条直线之间在断层面附近的垂直距离即为所需要的位移值。早期使用皮尺、平板绘图仪、全站仪等工具获得的是亚米级精度小范围位移,且误差较大。进入21世纪以来,随着激光雷达(LiDRA)扫描技术、三维重建(SfM)摄影测量技术的快速发展,高分辨率高精度数字地形数据、光学影像数据的获取以及ArcGIS等数据处理软件的介入,使得大比例尺精细地貌填图、高精度位移测量成为可能。
如何重建这些错断地貌以及确定断错年龄来计算滑动速率存在较大的分歧。假设一条山前冲沟或河流与走滑断裂垂直切相交,河流在冲洪积扇上下切形成T2阶地后,如果河道接着下切时,T2阶地面被废弃并形成下一级阶地T1,断错时间分为3种情况。①陡坎T2/T1在T2废弃以后T1废弃之前遭受河道的完全侵蚀,直至T1废弃。T2/T1位移对应的累积起始时间应该是T1阶地面的废弃时间,此时我们应该采用T1阶地面的暴露年龄来计算。②上下游两级阶地面之间的T2/T1陡坎在T2废弃以后不再遭受河道侵蚀,那么T2/T1的位移累积起始时间就是T2阶地面的废弃时间,此时我们可以采用T2阶地面的暴露年龄来计算滑动速率。③针对阶地陡坎形成后上游阶地陡坎T2/T1遭受不完全侵蚀而下游被保护的情况,此时获得的位移量因上游陡坎遭受了一定的侧蚀作用,因此阶地陡坎的视错位量小于实际位移,如果继续选择T1阶地面年龄的话,计算得到的滑动速率一定是偏大,反之,选取T2阶地面年龄的话计算值偏小,所以需要用这两个值作为滑动速率的最大和最小值限定区间。有研究认为,对于具有较小流量和较低侧蚀能力的水系,冲沟下切而阶地陡坎形成后,冲沟造成的陡坎侵蚀有限,因此高一级阶地的年龄更接近于阶地陡坎的形成时间。相反,对于较大流量和侧蚀能力强的水系,冲沟下切阶地陡坎形成后仍遭受河流侧蚀的改造,因此低一级阶地的年龄可能更接近于阶地陡坎的形成时间。
活动断裂滑动速率计算中,错断地貌标志线面年龄的准确限定也是重要的组分。用于研究晚第四纪滑动速率的地貌面包括河流阶地、洪积扇等。随着测年技术的发展,适用于晚第四纪定年的方法技术种类也在不断增加,测量精度也不断提高,广泛应用于第四纪定年的测年技术包括放射性14C定年法、光释光测年法(OSL)、宇宙成因核素(TCNs)定年法、不平衡U系定年法。其他方法如40K-39Ar与40Ar-39Ar同位素定年法、(U-Th)/He同位素定年法、裂变径迹法、电子自旋共振(ESR)定年法和古地磁测年法用于更老的地质地貌体测年。依据所选取的位移测量点的可用样品物质,来确定测定地貌位移面的年代学方法。
扩展阅读
- ZHANG P Z, MOLNAR P, XU X.Late Quaternary and present-day rates of slip along the Altyn Tagh Fault, northern margin of the Tibetan Plateau.Tectonics,2007,26(5).
- COWGILL E.Impact of riser reconstructions on estimation of secular variation in rates of strike-slip faulting: Revisiting the Cherchen River site along the Altyn Tagh Fault, NW China.Earth and Planetary Science Letters,2007,254(3-4):239-255.