新生代以来，印度板块和欧亚板块的持续碰撞造就了青藏高原。处于块体强烈挤压和剪切前缘的青藏高原东南缘，特别是川滇块体南部，被认为是研究块体相互作用和高原物质东南向挤出的关键区域。川滇南部中下地壳存在显著的低速异常，可能是地壳软弱物质逃逸或迁移的主要通道。多位研究者认为，沿小江断裂带南向运移的中下地壳软弱物质越过红河断裂带继续南下。然而，受限于台站分布不足和反演方法，已有的成像结果分辨率较低，低速物质的空间分布形态不明，形成机制尚未明确。
中国地震局地震预测研究所地震预测重点实验室“地震各向异性与深部构造”创新团队，基于团队布设的密集宽频带流动地震台阵（高原负责的HX Array和付媛媛负责的HXCZ Array）、云南地区固定地震台站和喜马拉雅Ⅰ期台阵（ChinArray Ⅰ）记录的背景噪声资料（图 1），使用姚华建教授课题组发展的三维面波和方位各向异性直接成像方法（DSurfTomo和DAzimSurfTomo），使用联合不同观测期台站互相关数据的技术，获得了红河断裂带与小江断裂带交汇区迄今为止最高分辨率的三维S波速度和方位各向异性结构（图 2）。
图1 (a) 青藏高原东南缘构造背景和地震活动；(b)川滇块体南部地震台站分布图
红色圆圈代表大于等于 MS6.0的地震事件，时间范围是公元前1831至2022年。粗灰线表示块体边界。粉红色虚线表示晚二叠纪峨眉山大火成岩省内带和中带边界，黑色覆盖区域表示峨眉山玄武岩分布。块体名称缩写分别为：TP（青藏高原），SC（华南块体），SYB（川滇块体），ICB （印支块体），QTB（羌塘块体），YMTB （滇缅泰块体），SCB（四川盆地）。红色、绿色、黄色和蓝色三角形分别表示流动地震台阵HX Array、HXCZ Array、ChinArray Phase I和固定地震台站。绿色覆盖区域表示楚雄盆地（CX, Chuxiong basin）和思茅盆地（SM, Simao basin）。
研究结果显示（图 2），中下地壳块体边界断裂带附近存在两个强方位各向异性的显著低速区域：一个在小江断裂带中南段呈现大范围 NNE‒SSW向低速，另一个在红河断裂带西北端附近呈 N‒S向低速。获得的高精度3D各向异性成像结果揭示了一个重要现象，沿小江断裂带南向运移的中下地壳软弱物质并没有越过红河断裂带继续南下，而是被红河断裂带阻挡在北侧，该结果澄清了之前的争议，对区域地震危险性预测和深部动力模式探索研究具有重要的指示意义。结合多种地球物理和地球化学资料，研究认为小江断裂带中南段的低速主要是由地壳增厚导致长英质物质原位变形，快速剪切高热可能进一步扩展了低速范围；而红河断裂带西北端的低速可能与青藏高原内部软弱物质迁移有关，地球化学氦比高值暗示，低速还可能与地幔物质上涌引起的部分熔融相关。
图2 川滇块体南部地壳5-45 km的三维 S波速度和方位各向异性结构
背景色表示S波速度，深蓝色短线的方向代表方位各向异性快轴方向，长度代表其强度。在(e)和 (f)中，区域 A和 B分别表示两个显著低速异常区域。其它符号含义同图1。
图 3 沿块体边界断裂带不同分区的S波方位各向异性
(a) 五个分区的位置。基于块体边界断裂带的地质结构，沿红河断裂带和小江断裂带大致划定了 RN、RM、RS、XS和 XN区。(b) 每个分区不同深度范围快轴归一化玫瑰图。每一列对应不同的区域，每一行对应不同的深度区间。红线表示近 E‒W方向的方位各向异性。其它符号含义同图1。
块体边界断裂带在调节地壳变形方面具有重要意义（图 3）。沿红河断裂带，不同分段的方位各向异性快轴方向存在差异，可能与地壳东南向运动和各种地质构造运动引起的分段扭曲变形有关。沿小江断裂带，方位各向异性快轴方向呈 NNE‒SSW向，与低速区空间延伸方向及地表峨眉山玄武岩排列取向相近。在块体边界断裂带交汇区的端部，复杂的方位各向异性快轴方向可能暗示了不同构造作用和多期地质过程。值得注意的是，交汇区端部 Moho之上直至 30 km深度范围，出现局部的 E‒W向方位各向异性，揭示了地幔物质对下地壳的可能侵入。
研究提出了一个区域地壳动力模型（图 4）。来自青藏高原中下地壳的低速被峨眉山大火成岩省内带呈贯穿全地壳的相对高速结构阻挡，导致区域地壳增厚和陡峭地形。结合印度板块NE‒SW向俯冲作用，软弱物质积累在红河断裂带西北端。受青藏高原 NW‒SE向挤压和两侧相对高速体共同阻挡，小江断裂带附近软弱地壳增厚并发生部分熔融，导致软弱物质形成定向排列。以~26°20′N为界，青藏高原东南缘的岩石圈各向异性表现不同特征：北部快轴近 N‒S向，南部快轴近 E‒W向。许多研究证实，在~26°20′N以南区域，印度板块东向俯冲使得大量软流圈物质上涌，加强了地壳的部分熔融以及壳幔之间的相互作用。
图4 川滇块体南部变形机制示意图
粗白线表示XKS快波在约 26°20′N从北部 N‒S向过渡到南部 E‒W向的分界。26°20′N以南，红色区域代表 25 km深度低速区。26°20′N以北，深红色虚线表示延伸的低速区形态。在块体边界断裂带交汇端部印度板块俯冲可能导致了软流圈物质上涌可能有部分地幔物质侵入下地壳。沿红河断裂带的不同颜色对应不同的分段；沿着主要断裂带的剪切长度代表断裂带的相对运动速率。缩写为：AZF 安宁河-则木河断裂；LXF 丽江-小金河断裂。其它符号含义同图1。
上述研究成果近期以“Low-velocity middle-and-lower crustal materials blocked by the red river fault in the SE margin of the Tibetan plateau”为题发表在国际地学期刊《Earth and Planetary Science Letters》。该期刊是由Elsevier BV出版的国际地球科学JCR一区TOP期刊（Nature Index期刊，影响因子4.80），致力于发表与地球科学和行星科学相关的原创研究论文，涵盖了广泛的研究领域，包括地球内部的构造和动力学、地球表层过程、地球化学、地球物理学、地质学、地球生物学和行星科学等。中国科学技术大学博士李莹（现为预测所助理研究员）为本文的第一作者，高原研究员作为指导老师为文章的通讯作者，合作者包括中国科学技术大学姚华建教授、预测所联合培养博士田建慧和王琼副研究员。本研究得到国家自然科学基金重点项目（41730212）和中央公益性科研院所基础研究基金（2021IEF0103）的联合资助。
论文信息：
Ying Li, Yuan Gao, Huajian Yao, Jianhui Tian, Qiong Wang. 2024. Low-velocity middle-and-lower crustal materials blocked by the red river fault in the SE margin of the Tibetan plateau. Earth and Planetary Science Letters, 646, 118988. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.118988.
撰稿人：李莹 高原
审稿人：孟国杰
