喜马拉雅东构造结系指喜马拉雅弧形山系东部弧顶部位, 即位于青藏高原东南段、 印度次大陆的东北和缅甸西北角地带, 是欧亚板块与印度洋板块碰撞、 会聚的南缘地区(滕吉文等, 2006), 早更新世开始快速隆升(Peter et al., 2014)。南迦巴瓦峰区域位于雅鲁藏布江大拐弯内部, 为碰撞的前缘地带, 地区地质构造错综交错, 断裂发育(图1)。

图1

Fig. 1

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	图1 青藏高原及周边主要断裂分布(引自任俊杰, 2013) 大虚框为东构造结区域; 小虚框为南迦巴瓦峰区域Fig. 1 Major faults distribution in Tibet plateau and surrounding region(after REN Jun-jie, 2013).

图2

Fig. 2

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	图2 1970— 2014年区域MS≥ 3.0地震震中分布及研究区域划分 F1雅鲁藏布江断裂, F2主中央断裂, F3墨脱断裂, F4嘉黎断裂, F5阿帕龙断裂, F6主边界断裂, F7加那山断裂; V1拉萨地块, V2喜马拉雅地块, V3印度板块, V4墨脱察隅地块; ●1950年8.6级地震; NB南迦巴瓦峰; 断裂运动方向引自宋健等, 2011Fig. 2 The epicenter distribution with MS≥ 3.0 from 1970 to 2014 and division of regions of this study.

研究显示, 区域内磷灰石裂变径迹年龄具有向南迦巴瓦峰地区变新的趋势, 指示南迦巴瓦峰地区是东构造结的隆起中心(丁林等, 1995)。因此, 南迦巴瓦峰地区成为国内外学者研究东构造结构造隆升历史, 划分隆升期次及研究区域剥蚀速率的热点地区(Burg et al., 1997, 1998; 雷永良等, 2008)。但是, 近期区域地震活动研究表明, 南迦巴瓦峰地区地震活动较弱, 其东南侧地区地震活动频繁(图2), 包括1950年发生在阿萨姆地区的8.6级地震(Chen et al., 1977; Tapponnier et al., 2001)。那么, 东构造结核心部位(隆升中心)是否向SE发生了偏移?南迦巴瓦东南侧地区洪积扇发育, 区域被积雪和植被覆盖, 难以采集到合适的热年代学样品, 目前尚没有该区域构造隆升历史的报道。本文利用DEM数据基于定量化地貌学研究及区域气候分布特征, 从地貌发育状态的角度对喜马拉雅东构造结的构造运动进行分析, 并进一步探讨了区域动力学形成机制。

构造地貌是新构造内应力与外地质营力以岩石为物质基础相互作用的结果(何祥丽等, 2014)。在地貌发育过程中, 2种力量同时出现, 此消彼长, 相互影响。如青藏高原和喜马拉雅山区, 在急剧上升的时期虽然受到流水和冰雪的侵蚀, 但大多数区域总体上升的速度远远超过了剥蚀速度, 内营力占主导地位; 相反, 在华北平原, 地壳相对稳定, 形成宽阔的平原, 外营力占主导地位。因此, 地貌是反映新构造运动最为直观的信息载体(Hurtrez et al., 1999)。定量化地貌学是利用高精度的地形数据及参数进行定量化表述, 对于定量揭示新构造运动信息具有较大的潜力。在构造抬升区, 地貌参数值对几千年至几十万年尺度平均抬升速率的差异具有指示作用(高明星等, 2015)。本研究从地貌学角度出发, 选择高程频率分布和面积高度积分, 并结合区域气候分布特征对南迦巴瓦峰及西北、 东南地区的隆升差异进行分析。

为了研究喜马拉雅东构造结核心部位的空间演化, 本文基于ASTER GDEM数据(水平分辨率为30m), 利用ArcGIS10.0分析了南迦巴瓦峰以及西北、 东南和阿萨姆东北部5个区域(图2)的高程频率分布和面积高度积分。

1.1 高程频率分布(Elevation frequency)

高程频率可以描述地表的切割程度和开阔程度(李新艳等, 2014)。在高程组合上, 频率值向高程的高值分布, 反映侵蚀损失的物质相对少, 地形处于侵蚀的幼年期, 在频率分布曲线上, 描述为偏离标准正态分布曲线的右侧(偏态值> 0); 频率值向低值分布, 表示地表开阔程度大, 侵蚀损失的物质相对多, 地形处于侵蚀的老年期, 在频率分布曲线上则表现为偏离标准正态分布曲线的左侧(偏态值< 0)(Yang et al., 2005)。

研究提取了南迦巴瓦峰以及西北侧和东南侧大、 小2个区域及阿萨姆东北部的高程频率。根据研究区高程频率分布曲线(图3)可以看出, 南迦巴瓦峰地区(区域2)高程频率分布曲线和拟合得到的标准正态分布曲线非常吻合(偏态值为0), 表明该区域处于侵蚀的壮年期, 区域隆升和剥蚀作用已经达到高度平衡状态, 区域内虽然具有7, 000m以上的南迦巴瓦峰, 但其所占的相对面积非常小; 南迦巴瓦峰西北侧区域(区域1)频率曲线峰值与标准正态分布曲线峰值接近(偏态值仍> 0), 但低值频率多数分布位于正态分布曲线之上, 高值频率分布位于正态分布曲线以上, 反映该区域处于侵蚀的幼年期; 南迦巴瓦峰东南侧大、 小2个区域(区域3、 4)的高程频率分布曲线相似, 峰值位于标准正态分布曲线右侧(偏态值> 0), 大区域(区域3)2, 100~2, 900m及小区域(区域4)500~2, 000m频率分布位于正态分布曲线之上, 4, 000m以上高度频率分布位于正态分布曲线之下, 表明南迦巴瓦峰东南区域地貌表现为年轻的演化阶段, 地形目前也处于侵蚀的幼年期; 阿萨姆地区东北部(区域5)的高程频率峰值范围较大, 在3, 500~4, 150m, 峰值同样位于正态分布曲线右侧(偏态值> 0), 且偏离曲线程度较大, 表明该区域地貌演化程度很低, 接近侵蚀幼年期早期阶段。

图3

Fig. 3

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	图3 不同研究区域高程频率曲线 图中序号与图2中的分区号对应Fig. 3 Elevation frequency curves of the study regions.

1.2 面积高程积分(Hypsometry, HI)

面积高程积分是区域内不同高程所占的相对面积百分比(Strahler, 1952)。可以通过式(1)计算:

HI=(Emean-Emin)(Emax-Emin)(1)

式(1)中E_mean、 E_max和E_min分别是区域平均海拔高度、 最高海拔高度及最低海拔高度。面积高程积分及其曲线已被广泛地应用于地貌演化的阶段(高明星等, 2015)。面积高程积分曲线呈现凸形、 积分值较高的区域处于年轻的演化阶段, 侵蚀作用相对较弱; 积分曲线呈现凹形、 面积高程积分值较低的区域处于老年状态, 受到的侵蚀作用较强; 积分曲线呈现S形, 表示地形发育近于成熟阶段, 区域构造隆升和剥蚀基本达到平衡(图4)。

为了进一步获得喜马拉雅东构造结不同区域地貌演化阶段, 对研究区进行了面积高程积分。南迦巴瓦峰区域积分值较小, 为0.422; 西北侧区域积分值较大, 为0.499; 东南侧2个区域积分值接近, 分别为0.460和0.452, 阿萨姆区域东北部积分值最高, 达到0.525。各区域面积高程积分值反映在积分曲线上(图5), 西北和东南两侧区域的积分曲线都呈现凸形特征, 且西北侧凹形程度较大, 表明两侧都处于较年轻的演化阶段, 西侧地貌演化程度更低; 南迦巴瓦峰地区积分曲线呈S状, 表明该区域地形已经演化至相当成熟的阶段, 区域构造隆升和剥蚀达到高度平衡; 阿萨姆东北部积分曲线分布在南迦巴瓦峰东南侧大、 小2个区域积分曲线之上, 结合面积高程积分值, 反映出该区域较低的地貌演化阶段。因此, 对喜马拉雅东构造结不同区域的面积高度积分研究与高程频率分布研究结果基本一致。

图4

Fig. 4

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	图4 面积高程积分及其地貌演化程度(引自Pé rez-Peñ a等, 2010)Fig. 4 Hypsometric curves and its indicated landscape development stages(after Pé rez-Peñ a et al., 2010).

图5

Fig. 5

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	图5 不同研究区域面积高程积分曲线 序号与图2中的分区号对应Fig. 5 Hypsometric curves of the study regions.

根据不同区域的高程分布频率和面积高程积分研究结果, 认为东喜马拉雅构造结南迦巴瓦峰地区目前已经演化至相当成熟的阶段, 区域构造隆升和剥蚀达到高度平衡, 东南侧和西北侧地区地貌处于演化的早期阶段, 表现为侵蚀的幼年期, 而阿萨姆东北部地区地貌演化更接近幼年期早期演化阶段。

图6

Fig. 6

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	图6 印度洋热带季风气候分布区域(引自王二七等, 2002)Fig. 6 Region of Indian monsoon(after WANG Er-qi et al., 2002).

岩体特征和区域气候是外地质营力塑造地貌的2个主要因素。南迦巴瓦峰地区发育1套杂岩, 即南迦巴瓦杂岩(Liu et al., 1997)。岩体主要以麻粒岩相的石榴石夕线石片麻岩为主, 经历了早期的高压麻粒岩相变质作用后折返至地表(刘焰等, 2006), 该杂岩与其东、 西两侧的冈底斯花岗岩(Geng et al., 2006)都具有较强的抗侵蚀能力。印度洋热带季风形成于9~6Ma, BP(王二七等, 2002), 其沿着布拉马普特拉河峡谷、 依洛瓦底江以及雅鲁藏布江峡谷向N扩张(图6), 南迦巴瓦峰大部分地区及其西侧区域未受到亚热带季风气候影响, 仍以高原气候为主, 而东侧区域属于印度洋热带季风气候。以300m为间隔提取南迦巴瓦峰东南、 西北两侧区域(区域3和区域1)的等高线, 发现东南侧区域等高线(图7)相对于西北侧区域等高线分布(图8)比较密集, 地表侵蚀程度较高, 表明在亚热带季风气候区, 雨量非常充沛, 其地表具有强烈的剥蚀能力。

图7

Fig. 7

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	图7 南迦巴瓦构造结东南侧区域(区域3)等高线Fig. 7 Contour line of southeast of Namche Barwa syntaxis(region 3).

图8

Fig. 8

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	图8 南迦巴瓦构造结西北侧区域(区域1)等高线Fig. 8 Contour line of northwest of Namche Barwa syntaxis(region 1).

综上所述, 南迦巴瓦峰东南侧至阿萨姆东北部地区受印度洋季风影响, 遭受到较强烈的剥蚀作用, 但仍属于侵蚀的幼年期, 阿萨姆东北部地区更接近地貌发育的幼年期早期阶段, 表明区域目前处于强烈的构造隆升阶段, 隆升速率最大的地区在阿萨姆东北部; 东构造结的核心部位— — 南迦巴瓦峰地区受到高原气候影响, 剥蚀作用相对较弱, 区域侵蚀与隆升已经达到高度平衡表明南迦巴瓦构造结部位目前隆升比较缓慢; 西侧区域侵蚀能力较弱, 目前地貌属于演化早期阶段。由于快速的构造隆升伴随着强烈的剥蚀作用, 使得南迦巴瓦构造结东南侧至阿萨姆东北部区域(区域3、 4、 5)内的河流表现为强烈的下切作用, 地表起伏明显大于南迦巴瓦峰及其西侧地区(区域1、 2)(图9)。因此, 结合近期区域地震观测结果, 认为喜马拉雅东构造结核心部位(隆升中心)已经由南迦巴瓦峰地区向SE发生了转移, 新的构造结核心部位(隆升中心)可能位于阿萨姆东北部地区。

图9

Fig. 9

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	图9 A— A’ (图2)高程剖面Fig. 9 Elevation profile of A— A’ from Fig. 2.

南迦巴瓦杂岩体于4.9Ma开始折返出地表, 同时古雅鲁藏布江及其支流对区域地表进行了强烈的剥蚀, 剥蚀速率为10mm/a, 被剥蚀的地壳厚度达到3~5km(刘焰等, 2006; Enkelmann et al., 2011; Peter et al., 2014), 在3.0Ma, BP, 出露于地表附近的南迦巴瓦、 派乡等杂岩低角度向N推覆于冈底斯构造单元之上, 地表发生了强烈的构造变形(刘焰等, 2006), 但重力达到均衡状态, 地壳终止了快速反弹, 导致南迦巴瓦构造结地区进入缓慢的隆升阶段。Burg等(1998)根据热年代学研究, 认为南迦巴瓦构造结隆升速率在2.2Ma, BP由10mm/a降低至3~5mm/a。

印度板块以反时针旋转向N推进(图10), 与欧亚板块之间的碰撞始于白垩纪末— 古近纪初(65~60Ma, BP), 最早的碰撞点是印度板块西北角的南迦巴尔特(Patzelt et al., 1996)。45Ma, BP时2个板块全线发生碰撞, 印度板块东、 西2角向N推移的速度分别为64mm/a和55mm/a(Dewey et al., 1989; Le Pichon et al., 1992), 由于东、 西2角位移的速度差和西角被锁, 使印度板块在位移过程中继续反时针旋转并压缩变形, 即西部角相对不动, 以挤压变形为特征, 中部以旋转变形为主,

图10

Fig.10

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	图10 印度板块相对于欧亚板块向N连续位移图(引自Dewey et al., 1989)Fig.10 Diagram showing the continuous northward shift of the Indian plate relative to the Eurasian plate(after Dewey et al., 1989).

而东部角继续向NE楔入、 挤压(图10)。宋键等(2011)通过GPS观测数据和地质、 地球物理资料的综合分析, 运用数值模拟方法对东构造结周边地区主要断裂现今运动特征进行了研究, 结果显示阿萨姆地区东、 西两侧的主边界断裂及那加山断裂水平方向分别表现为左旋滑动和右旋滑动(图1), 同时地球物理资料显示, 阿萨姆地区的深部存在着相对高密度的刚性块体(王谦身等, 2007), 表明印度板块在阿萨姆地区受边界断裂控制快速俯冲至墨脱察隅地块之下, 导致该地带强烈的构造运动。基于印度板块向N的推进模式, 南迦巴瓦构造结东南侧地区现今表现出强烈的构造隆升以及频繁的地震活动, 喜马拉雅东构造结核心部位(隆升中心)目前已经偏离了南迦巴瓦峰地区, 新的核心部位(隆升中心)可能位于阿萨姆东北部地区。因此, 在南迦巴瓦构造结的东南侧(区域3、 4、 5), 尤其是阿萨姆东北部地区(区域5), 印度板块高强度的楔入、 挤压作用, 不但造成区域的快速隆升, 而且加速了构造应力的积累, 该区域发生大地震的可能性较大; 而在南迦巴瓦构造结(区域2)及其西侧区域(区域1), 构造应力积累相对缓慢, 地震活动强度低于南迦巴瓦以东区域。