雷顯權(quán)，陳運(yùn)平，趙炯洋

(中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院 計(jì)算地學(xué)研究中心，湖南 長沙，410083)

新生代初期約50 Ma，印度—?dú)W亞板塊的碰撞不僅造就了喜馬拉雅山和青藏高原，而且導(dǎo)致了中亞地區(qū)大范圍的陸內(nèi)變形，在大陸板塊內(nèi)部形成了一系列巨型盆山系統(tǒng)，中國境內(nèi)的塔里木盆地、天山和準(zhǔn)噶爾盆地就是其中一個(gè)重要的組成部分。古老天山最初是在晚古生代由一些大陸碎片和島弧拼合而成，在中生代被侵蝕夷平，受到印度—?dú)W亞板塊碰撞的遠(yuǎn)程作用，天山的構(gòu)造活動(dòng)性被激活，在古老造山帶基底上開始板內(nèi)再造山運(yùn)動(dòng)，此后地殼不斷縮短、增厚并最終形成如今的形態(tài)(圖 1)[1-2]。天山在新生代橫向地殼縮短變形過程中，山前地帶和山體內(nèi)部都發(fā)育了大量褶皺和逆沖斷裂，并導(dǎo)致了強(qiáng)烈的地震活動(dòng)。作為世界上最年輕、最宏偉和現(xiàn)今仍在進(jìn)行造山活動(dòng)的陸內(nèi)造山帶的典型，天山成為研究大陸構(gòu)造變形、盆山耦合機(jī)制和造山動(dòng)力學(xué)的理想對象[1-11]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算理論方法的發(fā)展，數(shù)值模擬逐漸成為研究地球動(dòng)力學(xué)問題的重要手段。近年來人們對天山的構(gòu)造變形和動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行了一些數(shù)值模擬研究[12-14]，如：Neil等[12]采用有限元表達(dá)的黏性薄片模型模擬了塔里木盆地和天山的現(xiàn)代形變場；劉潔等[13]利用有限元聯(lián)合網(wǎng)格-粒子方法研究了中國境內(nèi)天山上地幔小尺度對流與造山作用；Qiu等[14]應(yīng)用有限元法模擬了西南天山和帕米爾—昆侖山系的匯聚趨勢。這些模擬實(shí)驗(yàn)深化了對天山造山帶動(dòng)力學(xué)的理解和認(rèn)識，但它們都沒有考慮斷裂的作用。在進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)時(shí)，如何處理斷裂是一個(gè)難點(diǎn)。過去常采用連續(xù)變形的軟弱帶來模擬斷裂，雖然在某些情況下這種處理方式可以作為一種比較合理的近似，但它并不能實(shí)質(zhì)性地反映斷裂的力學(xué)行為和狀態(tài)。隨著不連續(xù)體概念和不連續(xù)變形理論的逐漸成熟，能夠模擬斷裂不連續(xù)運(yùn)動(dòng)的接觸模型被越來越多地應(yīng)用于與斷裂有關(guān)的地學(xué)問題研究中[15-17]。天山新生代的地殼縮短變形具有明顯的東西部差異性特征，但是，造成這種變形差異的原因還不是十分清楚。為此，本文作者根據(jù)天山的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征，建立一個(gè)二維彈性薄片概念化模型；以地殼運(yùn)動(dòng)GPS觀測速度作為邊界約束條件，考慮天山地區(qū)主要斷裂的非連續(xù)運(yùn)動(dòng)，采用非連續(xù)接觸分析方法模擬天山的地殼運(yùn)動(dòng)變形，獲得現(xiàn)今地殼速度場、應(yīng)力場和形變場的一些基本特征，在此基礎(chǔ)上提出天山造山帶地殼變形的動(dòng)力學(xué)模式。

1 模型和方法

1.1 模型的構(gòu)建

合理的地質(zhì)模型是保證模擬結(jié)果準(zhǔn)確可信的先決條件[18]。天山的地殼運(yùn)動(dòng)變形與其所處的構(gòu)造環(huán)境密切相關(guān)，是其內(nèi)部及周邊所涉及的所有構(gòu)造塊體以及深部各圈層相互作用的結(jié)果。多期的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致天山內(nèi)部呈現(xiàn)出被深大斷裂分割的復(fù)雜塊狀結(jié)構(gòu)，不同塊體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和介質(zhì)屬性迥異，相鄰塊體可能沿?cái)嗔寻l(fā)生相對滑動(dòng)，這些對天山的構(gòu)造變形具有極其重要的影響，建模時(shí)必須充分考慮。

圖1 地殼運(yùn)動(dòng)模擬速度與GPS觀測結(jié)果的對比Fig.1 Comparisons between calculated velocities and GPS-measured velocities of crustal movement

本文研究范圍為81°～89° E和40°～45° N的準(zhǔn)矩形區(qū)域，地質(zhì)幾何框架如圖1所示。根據(jù)天山及其毗鄰地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)造情況[5-9]，本文構(gòu)建了1個(gè)二維彈性薄片模型，涉及天山及其南北兩側(cè)盆地的部分地區(qū)。雖然準(zhǔn)確地描述巖石圈需要采用三維模型，但是，在模擬地殼運(yùn)動(dòng)時(shí)，二維薄片模型可以看作是合理的近似，而且這將大大降低計(jì)算成本。在碰撞造山帶地區(qū)，巖石的塑性變形或流變可能是主導(dǎo)的，但由于本文研究對象是巖石圈淺層，模擬時(shí)間也很短，因此，彈性模型是適用的[19]。

天山斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，交錯(cuò)繁雜。為了提高計(jì)算效率，在保證模型能夠客觀反映問題原型的前提下，對模型進(jìn)行了一些合理簡化，只考慮主要的活動(dòng)斷裂而忽略較小的次級斷層。天山內(nèi)部的構(gòu)造地塊和大型斷裂對其構(gòu)造變形有重要影響[5,10]，因此，對這些主要活動(dòng)斷裂也就是構(gòu)造塊體的分界線，都盡可能按照實(shí)際地質(zhì)構(gòu)造線采樣勾勒，以使構(gòu)造塊體最接近真實(shí)形態(tài)。模型包括塔里木盆地(部分)、準(zhǔn)噶爾盆地(部分)以及南天山、中天山、北天山共5個(gè)構(gòu)造塊體和南天山山前斷裂、中天山南緣斷裂、中天山北緣斷裂、北天山山前斷裂這4條主要活動(dòng)斷裂。由于盆山結(jié)合部位逆斷裂-褶皺帶較為發(fā)育，這些逆斷裂-褶皺帶相對于完整的構(gòu)造塊體更容易發(fā)生變形，故在塔里木盆地北緣和準(zhǔn)噶爾盆地南緣各構(gòu)建了1條寬5～6 km的易變形帶。因而，該模型是1個(gè)考慮了影響本文研究問題的主要因素而忽略掉次要因素的簡化地質(zhì)模型。

上述4條主要活動(dòng)斷裂是天山造山帶的重要分界斷裂，都為陡傾的巖石圈或超巖石圈斷裂。其中南天山山前斷裂和北天山山前斷裂分別是塔里木盆地和準(zhǔn)噶爾盆地與天山的分界，中天山南緣斷裂和中天山北緣斷裂將天山造山帶分割成南天山、中天山和北天山3個(gè)地質(zhì)塊體。

構(gòu)造塊體和易變形帶采用彈性連續(xù)體本構(gòu)，力學(xué)參數(shù)根據(jù)有關(guān)研究資料估算取值，用各自地殼力學(xué)性質(zhì)的平均效應(yīng)代替，因此，不同塊體的參數(shù)各不相同。斷裂被處理為不連續(xù)面，以接觸對形式建模，即相互接觸面之間用假想的法向和切向微小彈簧連接，其力學(xué)性質(zhì)通過法向接觸剛度、切向接觸剛度和滑動(dòng)摩擦因數(shù)來定義。

采用Plane182二維四節(jié)點(diǎn)平面單元對連續(xù)體進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。該單元具有彈塑性、大應(yīng)變、大變形和應(yīng)力剛化能力，可以很好地模擬巖石材料的變形。將Ansys程序的自動(dòng)劃分網(wǎng)格功能與人工手動(dòng)調(diào)整相結(jié)合，以使整個(gè)網(wǎng)格形狀合理、密度合適、分布均勻，確保計(jì)算具有較高的精度和較強(qiáng)的穩(wěn)定性。分網(wǎng)后的連續(xù)體模型共包含11 493個(gè)四邊形單元和12 166個(gè)節(jié)點(diǎn)。采用Conta175單元和Targe169單元定義斷裂不連續(xù)面，前者是2D/3D點(diǎn)-面接觸單元，用來定義接觸面；后者是 2D目標(biāo)單元，用來定義與接觸面相聯(lián)系的目標(biāo)面。將斷裂一側(cè)的塊體邊界節(jié)點(diǎn)定義為接觸單元，同時(shí)利用另一側(cè)的塊體邊界節(jié)點(diǎn)來定義目標(biāo)單元，接觸單元與其對應(yīng)的目標(biāo)單元通過共享實(shí)常數(shù)組成接觸對。由南往北四條主要斷裂的接觸對數(shù)分別為137，113，117和91。分網(wǎng)后的有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 有限元模型及邊界條件示意圖Fig.2 Finite element model of study region and schematic diagram of boundary conditions

1.2 控制方程

天山地殼的運(yùn)動(dòng)變形是與天山及周邊各構(gòu)造塊體內(nèi)部或之間的力的作用相聯(lián)系的。由于模擬時(shí)間尺度短且地殼運(yùn)動(dòng)速度小，變形過程基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此，忽略動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，將模型簡化為靜力學(xué)問題，采用穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)分析進(jìn)行計(jì)算。模型遵循如下力學(xué)平衡方程：

式中：σij,j為應(yīng)力張量的偏導(dǎo)數(shù)；fi為體力。

構(gòu)造塊體被視為彈性連續(xù)體，描述應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的本構(gòu)方程為：

式中：σij為應(yīng)力張量；εij為應(yīng)變張量；θ為體應(yīng)變；λ和μ為拉梅系數(shù)；δij為Kronecker符號，若i=j，則若，則；E和ν分別為彈性模量和泊松比。

構(gòu)造塊體之間的力的作用通過斷裂的接觸效應(yīng)進(jìn)行傳遞，采用物理接觸來模擬斷層作用是本文模型的核心。接觸應(yīng)力包括法向接觸應(yīng)力(擠壓力)和切向接觸應(yīng)力(摩擦力)。滑動(dòng)摩擦用摩擦強(qiáng)度與接觸面滑動(dòng)速率無關(guān)的簡化庫侖摩擦方程描述，即接觸面的滑動(dòng)摩擦因數(shù)不隨二者的相對滑動(dòng)速率的變化而改變。接觸應(yīng)力的計(jì)算方程如下：

式中：fn為法向接觸應(yīng)力；ft為切向接觸應(yīng)力；τ為庫侖滑動(dòng)摩擦應(yīng)力；Kn為法向接觸剛度；Kt為切向接觸剛度；κ為滑動(dòng)摩擦因數(shù)；g為接觸單元與目標(biāo)單元的接觸穿透量；為接觸單元沿目標(biāo)單元切向滑移的彈性分量部分。

2 數(shù)據(jù)和計(jì)算

2.1 GPS數(shù)據(jù)及邊界條件

我國自20世紀(jì)90年代開始區(qū)域GPS觀測網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)，用以研究中國大陸的地殼運(yùn)動(dòng)。原始記錄數(shù)據(jù)經(jīng)過測站坐標(biāo)估算和序列解算，得到測站相對于給定參考框架的位移速度。為了使模擬結(jié)果盡可能客觀地反映地殼運(yùn)動(dòng)實(shí)際情況，必須采用可靠的觀測數(shù)據(jù)。本文從Yang等[20]報(bào)道的GPS觀測結(jié)果中選擇研究范圍涉及的 36組數(shù)據(jù)用于模型計(jì)算。這些數(shù)據(jù)精度較高，絕大部分測站速度的東向分量和北向分量的不確定度為 1～2 mm/a。

GPS觀測揭示的天山及周邊現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可部分地為該地區(qū)地殼變形模式的研究提供有效的運(yùn)動(dòng)學(xué)邊界條件。本文將靠近建模區(qū)域邊界的GPS測站的地殼運(yùn)動(dòng)觀測速度作為與之最接近的模型邊界節(jié)點(diǎn)的約束條件，同時(shí)將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行二次Langrage插值以作為模型邊界上其余節(jié)點(diǎn)的約束條件，見圖2所示的邊界條件示意圖。在選擇用作邊界條件的GPS觀測數(shù)據(jù)時(shí)，盡量選取距離模型邊界較近的測站，其原則是能夠以最少的數(shù)據(jù)反映模型邊界最真實(shí)的地殼運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。為此共選擇6處測站的數(shù)據(jù)用作邊界條件，插值之后能夠基本客觀地反映模型四周的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，這些測站在圖1中用黑色實(shí)點(diǎn)標(biāo)記。

模型內(nèi)部除了接觸對對斷裂的自然約束外，其他節(jié)點(diǎn)未設(shè)置任何約束條件。

2.2 模型參數(shù)和計(jì)算過程

準(zhǔn)確的巖石力學(xué)參數(shù)本應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)獲得，但由于不同地區(qū)、不同時(shí)代、不同深度巖石的性質(zhì)都不盡相同，同時(shí)又受到研究條件和能力的限制，因此，模型的密度、彈性模量、泊松比和摩擦因數(shù)等參數(shù)只能參考地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)和地震學(xué)等研究資料合理估算和取值[7, 15, 21-22]。

接觸是一種高度非線性行為。接觸剛度是接觸模型的重要參數(shù)，所有的接觸問題都需要定義接觸剛度。對接觸應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，若2個(gè)相互接觸面之間的穿透量越小，則越接近實(shí)際情況，因?yàn)檫@2個(gè)面在空間上是本不可能交疊的。穿透量取決于法向接觸剛度，若法向剛度越大，則接觸穿透越小。理論上，當(dāng)法向剛度無窮大時(shí)，穿透量為 0，便可實(shí)現(xiàn)完全接觸。但是，過大的法向剛度將導(dǎo)致程序不收斂而無法得到結(jié)果。一般來說，在確定接觸剛度時(shí)，應(yīng)取足夠大的法向剛度以控制接觸穿透量小到規(guī)定量，同時(shí)又應(yīng)該使法向剛度足夠小，以不至引起總體剛度矩陣出現(xiàn)病態(tài)，從而確保計(jì)算收斂。在一般情況下，切向接觸剛度比法向剛度小1或2個(gè)數(shù)量級。

基于上述考慮，在給定的邊界條件下，通過不斷改變模型的接觸剛度進(jìn)行計(jì)算，以獲得與GPS觀測結(jié)果最接近的模擬結(jié)果。經(jīng)過多種方案的對比分析，采用表1中給出的力學(xué)參數(shù)計(jì)算GPS約束下模型的運(yùn)動(dòng)速度、應(yīng)力和應(yīng)變。因?yàn)槟Ｐ偷倪吔鐥l件是GPS觀測速度，模擬結(jié)果所反映的便是地殼1 a以來的運(yùn)動(dòng)變形情況，因此，模型節(jié)點(diǎn)位移即為地殼運(yùn)動(dòng)速度，應(yīng)力和應(yīng)變分別是地殼應(yīng)力的年變化量和應(yīng)變率，它們的主方向也分別代表了地殼構(gòu)造應(yīng)力和應(yīng)變的主方向。

表1 有限元模型力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of finite element model

3 結(jié)果及分析

3.1 地殼運(yùn)動(dòng)模擬結(jié)果

地殼運(yùn)動(dòng)模擬速度與GPS觀測結(jié)果的對比如圖1所示。從圖1可以看出：模擬結(jié)果基本客觀地反映了研究區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)的實(shí)際狀態(tài)。圖3所示為模擬結(jié)果與GPS 觀測結(jié)果的東向分量和北向分量的誤差對比結(jié)果。從圖3可見：大部分測站的模擬速度都在GPS觀測結(jié)果的誤差范圍內(nèi)，東向分量和北向分量與觀測結(jié)果的總體標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1.33 mm/a和1.43 mm/a，因此，模擬結(jié)果是可信的。由于天山伊寧、拜城、和碩附近的3處測站的觀測結(jié)果明顯與其他測點(diǎn)的觀測結(jié)果不同，為了避免干擾總體誤差評估，它們在計(jì)算誤差時(shí)被剔除。

地殼運(yùn)動(dòng)模擬結(jié)果顯示：天山的地殼運(yùn)動(dòng)方向在宏觀上具有較好的一致性，基本都為NNE—NE向，由西向東呈現(xiàn)逐漸往東偏轉(zhuǎn)的趨勢。西南部的地殼運(yùn)動(dòng)速度較大，往北、往東都逐漸減小。在活動(dòng)斷裂兩側(cè)，地殼運(yùn)動(dòng)的速度大小和方向改變很少，表明在目前所處的構(gòu)造環(huán)境下，天山內(nèi)部構(gòu)造塊體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在短期內(nèi)可能不會(huì)發(fā)生大的變動(dòng)。

3.2 地殼應(yīng)力場特征

圖3 地殼運(yùn)動(dòng)模擬結(jié)果(EDM)與GPS觀測結(jié)果的誤差對比Fig.3 Error comparision of calculated results with GPS-measured results of crustal movement

地殼應(yīng)力在大陸構(gòu)造變形中起著極其重要的作用，同時(shí)也是地震活動(dòng)預(yù)測和地震危險(xiǎn)性評價(jià)的重要依據(jù)。為此計(jì)算了模型的主應(yīng)力，其分布如圖4(a)所示。由于初始地應(yīng)力被忽略(模型的彈性假設(shè)保證了處理的可行性和合理性)，因此，模擬得到的應(yīng)力值并不是當(dāng)前地殼應(yīng)力的實(shí)際值，而是構(gòu)造應(yīng)力的年變化量。盡管基于彈性模型得到的地殼應(yīng)力的年變化值沒有太大參考意義，但因?yàn)檠芯繀^(qū)所處構(gòu)造環(huán)境具有長期穩(wěn)定性，因此，模型揭示的主應(yīng)力分布便可定性地反映天山現(xiàn)今地殼構(gòu)造應(yīng)力場的特征。

整體上看，天山現(xiàn)今地殼構(gòu)造應(yīng)力以近南北向的擠壓應(yīng)力為主，近東西向引張應(yīng)力較弱。震源機(jī)制研究結(jié)果也表明該地區(qū)地殼應(yīng)力場以近南北向擠壓為特征[23]。模擬結(jié)果顯示：主壓應(yīng)力方向在不同區(qū)域有微小變化：在天山中部為NNE向，接近N—S向，在西部略往西偏為NNW向，往東逐漸偏向近NE向。在天山北部，模擬的地殼主壓應(yīng)力方向與中強(qiáng)震應(yīng)力場反演結(jié)果很接近[24]，但與震源機(jī)制解P軸方位并不完全一致。

圖4 模型的主應(yīng)力分布、研究區(qū)震源機(jī)制解及中強(qiáng)震應(yīng)力場反演結(jié)果Fig.4 Calculated principal stress field, focus mechanism and stress field inversion results of moderately strong earthquakes in study region

3.3 地殼變形特征

天山的地殼變形是研究天山造山帶的重要內(nèi)容。本文模型的主應(yīng)變分布和主壓應(yīng)變率如圖5所示。據(jù)圖5可知：受到區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的控制，天山現(xiàn)今地殼變形以近南北向壓縮變形為主，同時(shí)伴隨近東西向的伸展變形；地殼主壓應(yīng)變在天山中部為 NNE或 N—S向，往西偏轉(zhuǎn)為 NNW 向，往東逐漸轉(zhuǎn)為近 NE向。

模擬結(jié)果顯示：天山近南北向壓縮變形的應(yīng)變率約為10-8/a，由西向東逐漸減小。在同一經(jīng)度上，天山的主壓應(yīng)變率比南北兩側(cè)盆地的略大，而且山前逆斷裂-褶皺帶的主壓應(yīng)變率也比天山和盆地的應(yīng)變率稍大，總體上表現(xiàn)出一種不均勻的東西部差異變形特征。

圖5 模型的主應(yīng)變分布和主壓應(yīng)變率等值線Fig.5 Calculated principal strain field and contour of principal compressive strain rate

4 討論

印度板塊的持續(xù)北上及其與歐亞板塊碰撞產(chǎn)生的擠壓作用控制了包括天山在內(nèi)的整個(gè)中國大陸西部的應(yīng)力場和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。天山活動(dòng)構(gòu)造、地震活動(dòng)和GPS大地測量研究表明：自晚新生代以來，整個(gè)天山的構(gòu)造變形都以持續(xù)性橫向擠壓和縮短為特征，而且呈現(xiàn)出由西向東逐漸減弱[2,5,20,25]。本文模擬結(jié)果顯示：這種具有東西部差異的近南北向地殼縮短在天山現(xiàn)今仍在發(fā)生。

盡管天山的構(gòu)造變形被認(rèn)為與印度板塊和歐亞板塊的碰撞及其之后的推擠作用關(guān)系密切，但有些問題仍然存有爭議，如：產(chǎn)生于板塊邊界的擠壓應(yīng)力如何傳遞和作用于天山；被青藏高原分解吸收后的剩余能量能否穿過塔里木盆地并導(dǎo)致天山發(fā)生強(qiáng)烈變形，帕米爾高原和塔里木盆地在天山變形過程中起著怎樣的作用等。劉紹文等[26-27]通過對塔里木盆地的熱-流變學(xué)結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)盆地區(qū)的巖石圈表現(xiàn)為高強(qiáng)度的剛性塊體，受印度-歐亞板塊碰撞的遠(yuǎn)程效應(yīng)影響，塔里木盆地作為剛性塊體進(jìn)行應(yīng)力傳遞，導(dǎo)致天山急劇隆升。Chen等[3]根據(jù)古地磁模型計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為塔里木盆地的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(9°左右)是天山構(gòu)造變形和地殼縮短的原因。張培震等[4]通過天山南北主要活動(dòng)構(gòu)造地質(zhì)填圖和綜合研究認(rèn)為，盡管塔里木盆地的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)可能對天山的構(gòu)造變形產(chǎn)生影響，但帕米爾高原的向北推擠作用仍是主要?jiǎng)恿碓矗焐接晌飨驏|逐漸減弱的變形圖像可能就是受到帕米爾高原的強(qiáng)烈推擠而形成的。牛之俊等[26]根據(jù)天山現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)的GPS觀測結(jié)果分析，認(rèn)為天山東、西部變形差異顯著是帕米爾高原的北向推擠(75°E以西)和塔里木盆地的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(75°E以東)共同作用的結(jié)果。本文在沒有考慮其他動(dòng)力因素的情況下，以塔里木盆地相對于穩(wěn)定歐亞板塊水平運(yùn)動(dòng)的 GPS觀測速度作為模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)邊界約束。這種邊界條件代表了塔里木盆地對天山由西向東強(qiáng)度逐漸減弱的擠壓作用，模擬得到了與地質(zhì)學(xué)、地震學(xué)和大地測量學(xué)研究結(jié)果相吻合的地殼運(yùn)動(dòng)變形特征，因此，天山具有東、西部差異的地殼縮短變形主要是由塔里木盆地對天山的不對等擠壓作用造成的。根據(jù)模擬結(jié)果和以上分析，建立了天山地殼變形的動(dòng)力學(xué)模式，見圖6。

圖6 天山地殼變形動(dòng)力學(xué)模式Fig.6 Dynamic model of crustal deformation in Tianshan Mountain

塔里木盆地相對于天山的運(yùn)動(dòng)可以分解為北向平動(dòng)和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)2部分，但以前者為主。平動(dòng)的塔里木盆地從南面對天山形成擠壓，推動(dòng)天山往北運(yùn)動(dòng)，但不可避免地受到了準(zhǔn)噶爾盆地的阻擋，無處逃逸的天山在南北盆地的共同挾持下只能發(fā)生近南北向的地殼縮短，使得天山成為活躍的造山帶。與此同時(shí)，塔里木盆地的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致它對天山的擠壓強(qiáng)度由西向東逐漸減弱，在這種西部強(qiáng)烈、東部較弱的不對等擠壓作用下，天山的橫向縮短變形便表現(xiàn)出由西向東逐漸減弱的特征。受到天山內(nèi)部構(gòu)造塊體幾何形態(tài)和力學(xué)性質(zhì)差異的影響，地殼縮短的主方向在東西部發(fā)生微小變化。在宏觀構(gòu)造環(huán)境的控制下，天山主要斷裂的走滑活動(dòng)較弱，因此，構(gòu)造塊體沿?cái)嗔训膫?cè)向滑移在調(diào)節(jié)地殼縮短應(yīng)變中的作用有限。值得注意的是，天山東西部的斷層走滑方向并不總是一致，說明天山的變形除了塔里木盆地的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)作用之外，還可能與塔里木盆地對天山中部的推擠楔進(jìn)等因素有一定的關(guān)系。

5 結(jié)論

(1) 天山現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)方向基本為NNE—NE向，由西向東呈現(xiàn)逐漸往東偏轉(zhuǎn)的趨勢，運(yùn)動(dòng)速度由西南往北、往東逐漸減小。

(2) 在活動(dòng)斷裂兩側(cè)，地殼的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)沒有大的跳變，構(gòu)造塊體沿?cái)嗔训膫?cè)向滑移在調(diào)節(jié)地殼縮短應(yīng)變中的作用有限。

(3) 天山現(xiàn)今地殼構(gòu)造應(yīng)力場以近南北向擠壓為主，地殼變形在不同區(qū)域并不均勻，而且地殼縮短的主方向在東西部出現(xiàn)微小變化：中部為近N—S向，往西偏為NNW向，往東偏為NE向。

(4) 天山造山帶在新生代的構(gòu)造變形是塔里木盆地順時(shí)針旋轉(zhuǎn)作用的結(jié)果，在塔里木盆地對天山的西部強(qiáng)烈、東部較弱的不對等擠壓作用下，天山的橫向縮短變形便表現(xiàn)出由西向東逐漸減弱的特征。

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