青藏塊體東北緣近期 GPS水平運(yùn)動(dòng)特征與汶川大震影響＊

張 希,張曉亮,張四新,王雙緒,蔣鋒云

(中國地震局第二監(jiān)測(cè)中心,西安 710054)

青藏塊體東北緣近期 GPS水平運(yùn)動(dòng)特征與汶川大震影響＊

張 希,張曉亮,張四新,王雙緒,蔣鋒云

(中國地震局第二監(jiān)測(cè)中心,西安 710054)

利用青藏塊體東北緣 2004～2007年、2007～2009年GPS水平運(yùn)動(dòng)觀測(cè)資料,分析地殼運(yùn)動(dòng)與活動(dòng)斷裂帶構(gòu)造變形演化特征以及汶川大震對(duì)活動(dòng)斷裂的影響。研究表明:祁連山—海原斷裂帶近期仍呈現(xiàn)與其構(gòu)造活動(dòng)背景一致的左旋擠壓特性,觀測(cè)結(jié)果未顯示汶川大震對(duì)斷裂有明顯影響。而汶川大震對(duì)西秦嶺構(gòu)造區(qū)中東部、六盤山斷裂中南段、秦嶺北麓與渭河斷裂的西段的影響相對(duì)顯著,其中對(duì)西秦嶺構(gòu)造區(qū)中東部的大范圍區(qū)域應(yīng)變積累可能呈以增強(qiáng)為主的影響,其它斷裂段近期可能呈以調(diào)整為主的狀態(tài)特征。

青藏塊體東北緣;GPS;汶川地震

0 引言

青藏塊體東北緣是我國大陸構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈、強(qiáng)震集中的重點(diǎn)地區(qū)之一。區(qū)內(nèi)自北向南發(fā)育著NWW—NW向的祁連山—海原—六盤山斷裂帶、西秦嶺北緣斷裂帶等新構(gòu)造時(shí)期以來的活動(dòng)斷裂帶(圖 1a,走廊北側(cè)斷裂、祁連山北緣斷裂與皇城—塔爾莊斷裂、昌馬—俄博斷裂、門源—陶萊山斷裂均屬祁連山斷裂帶;西秦嶺北緣斷裂、臨潭—宕昌斷裂、禮縣—羅家堡斷裂組成西秦嶺構(gòu)造區(qū))。受印度板塊北推碰撞歐亞大陸的主動(dòng)力控制,以及受相對(duì)穩(wěn)定的阿拉善地塊、鄂爾多斯地塊一定程度的阻擋,青藏塊體東北緣活動(dòng)斷裂帶地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)以 NE向擠壓—逆沖和走滑—旋轉(zhuǎn)(順時(shí)針)為主要特征(丁國瑜,盧演儔,1991;虢順民,江在森,2000),是構(gòu)造活動(dòng)與應(yīng)力場(chǎng)變化的敏感部位。2008年5月 12日汶川 8.0級(jí)特大地震就發(fā)生在該區(qū)東南緣附近的龍門山斷裂中南段(圖 1a南邊框外 76 km處),對(duì)該區(qū)活動(dòng)斷裂帶構(gòu)造變形與應(yīng)變積累可能有影響。

2009年8～9月筆者所在單位承擔(dān)了中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目對(duì)青藏塊體東北緣地區(qū) 130多個(gè)GPS站點(diǎn)的復(fù)測(cè)任務(wù),加上 2004、2007年150余個(gè)站點(diǎn)的觀測(cè)資料,經(jīng) GAM IT/GLOBK軟件處理,獲得了 2004～2007年、2007～2009年即汶川地震前、地震時(shí)與地震后該研究區(qū)相對(duì)歐亞板塊的水平運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)結(jié)果。本文扣除測(cè)區(qū)整體平移與旋轉(zhuǎn)量(江在森等,2001)、借助最小二乘配置擬合與位移—應(yīng)變偏導(dǎo)關(guān)系(張希,江在森,1999;江在森等,2003),以突出 GPS站點(diǎn)間、尤其是活動(dòng)斷裂帶兩側(cè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)、構(gòu)造變形及其時(shí)空演化特征并進(jìn)一步分析汶川大震對(duì)該研究區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)與活動(dòng)斷裂帶構(gòu)造變形、應(yīng)變積累可能的影響。

1 汶川震前青藏塊體東北緣 GPS水平運(yùn)動(dòng)與構(gòu)造變形特征

從扣除測(cè)區(qū)整體平移與旋轉(zhuǎn)量的相對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量圖(圖 1a)來看,汶川大震之前的 2004～2007年,NWW—NW向展布的祁連山—海原斷裂帶呈顯著的左旋走滑、逆斷擠壓差異運(yùn)動(dòng)特性,即以該斷裂帶為界,其北側(cè)呈 S WW—W—NWW運(yùn)動(dòng)、南側(cè)呈 N—NE—SEE向運(yùn)動(dòng),與其構(gòu)造活動(dòng)背景一致(丁國瑜,盧演儔,1991;虢順民,江在森,2000;江在森等,2001),總體上反映出以能量積累為主的特性。其它斷裂兩側(cè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)雖沒有祁連山—海原斷裂帶差異顯著,從運(yùn)動(dòng)方向與量值大小(即圖中箭頭長度)來看,六盤山斷裂左旋走滑特性、西秦嶺北緣斷裂左旋擠壓特性相對(duì)明顯,渭河與秦嶺北麓斷裂區(qū)域以擠壓為主。通過最小二乘配置內(nèi)插擬合獲取網(wǎng)格點(diǎn)速度場(chǎng)函數(shù),再借助位移—應(yīng)變偏導(dǎo)關(guān)系推求視應(yīng)變場(chǎng)(張希,江在森,1999;江在森等,2003)從而得到反映出站點(diǎn)間相對(duì)運(yùn)動(dòng)差異的最大剪應(yīng)變率與面膨脹應(yīng)變率分布等值線圖(圖 2a,圖 3a),更可以看出:2004～2007年,剪切變形較大的是祁連山斷裂帶至海原斷裂西段,尤其祁連山斷裂帶中東段至海原斷裂西段(最高達(dá) 6～8×10-8/a),其次是西秦嶺北緣斷裂帶及與禮縣—羅家堡斷裂交匯區(qū)附近(最高達(dá) 5×10-8/a);面膨脹壓性高值區(qū)沿祁連山—海原斷裂帶、西秦嶺北緣斷裂帶清晰展布,最高達(dá) -4×10-8/a?？傮w上,與這兩條大型構(gòu)造斷裂帶的地質(zhì)活動(dòng)背景一致。

圖1 青藏塊體東北緣 GPS觀測(cè)獲得的汶川地震前后相對(duì)水平運(yùn)動(dòng)矢量圖(a)2004～2007年;(b)2007～2009年(扣除測(cè)區(qū)整體平移與旋轉(zhuǎn),中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目)Fig.1 Vector of relative horizontalmovement before and after theWenchuan earthquake observed by GPS in the northeastern margin ofQinghai-TibetBlock(After deducting the motion and rotation of the entire area,belonging to the CrustalMovement Observation Network of China)

2 汶川震時(shí)與震后青藏塊體東北緣GPS水平運(yùn)動(dòng)與構(gòu)造變形特征

圖2 青藏塊體東北緣 2004～2009年最大剪應(yīng)變率等值線分布圖(a)2004～2007年;(b)2007～2009年Fig.2 Isolines ofmaximum shear strain rate during 2004～2009 in the northeastern margin ofQinghai-TibetBlock

汶川大震震時(shí)與震后的 2007～2009年(圖1b),門源—陶萊山斷裂南側(cè)觀測(cè)站點(diǎn)很少,其北側(cè)即祁連山構(gòu)造區(qū) GPS水平運(yùn)動(dòng)方向仍呈與上一時(shí)段比較一致的 S WW—W—NWW向,相比汶川震前沒有出現(xiàn)大的變化;海原斷裂兩側(cè)維持與上一時(shí)段相似的左旋擠壓相對(duì)運(yùn)動(dòng)特征,量值上也沒有顯示大的變化。從最大剪應(yīng)變率最高值與高值區(qū)分布位置、面膨脹應(yīng)變率張、壓分布及其量值來看,大震前后也沒有發(fā)生大的改變。本文所用有限站點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果,未顯示汶川大震對(duì)祁連山—海原斷裂帶有顯著影響,這與萬永革等(2009)所做的汶川地震在該斷裂帶庫侖應(yīng)力變化值偏小(10-4MPa量級(jí)甚至更低)的結(jié)果一致。

圖3 青藏塊體東北緣 2004～2009年面膨脹應(yīng)變率等值線分布圖(a)2004～2007年;(b)2007～2009年Fig.3 Isolines of superficial expansion rate during 2004～2009 in the northeastern margin ofQinghai-TibetBlock

西秦嶺構(gòu)造區(qū)及鄂爾多斯地塊西南緣的六盤山斷裂中南段、渭河與秦嶺北麓斷裂西段比較靠近汶川震區(qū)。龍門山斷裂北東向延伸到達(dá)的陜、甘、川交界區(qū)附近在汶川大震后發(fā)生過數(shù)次 5級(jí)以上余震(王衛(wèi)民等,2008;中國地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司,2008)。2009年11月 5日在距汶川較遠(yuǎn)的陜西高陵地區(qū)還發(fā)生了 4.4級(jí)地震,這在陜西地區(qū)比較少見,可能反映了汶川大震調(diào)整影響。而借助庫侖應(yīng)力變化計(jì)算推測(cè)認(rèn)為汶川大震對(duì)西秦嶺北緣斷裂東段(105°E以東)、六盤山斷裂南段與秦嶺北麓斷裂西段應(yīng)變積累以一定程度的增強(qiáng)影響為主;對(duì)西秦嶺北緣斷裂西段(105°E以西)、六盤山斷裂中段、秦嶺北麓斷裂中東段應(yīng)變積累可能存在一定程度的減緩為主的影響(萬永革等,2009;張希,江在森,1999),10-3～10-4MPa量級(jí)。從圖 1～3(b)反映的斷裂兩側(cè)相對(duì)變形特征及量值來看,2007～2009年即汶川震時(shí)與震后,西秦嶺北緣斷裂帶東段及其南側(cè)的臨潭—宕昌斷裂中東段、禮縣—羅家堡斷裂及其附近區(qū)域呈現(xiàn)與上一時(shí)段及構(gòu)造活動(dòng)背景一致的擠壓變化,量值顯著增高。汶川大震在該大范圍區(qū)域產(chǎn)生了較上一時(shí)段增大數(shù)倍的NE向擠壓運(yùn)動(dòng),該地區(qū) 2007～2008年6月 GPS水平運(yùn)動(dòng)也呈顯著 NE向擠壓(張希等,2008)。面膨脹壓性最高值達(dá)-14×10-8/a以上,大約是汶川震前的 5倍;剪切變形也顯著增強(qiáng),最高達(dá)(9～20) ×10-8/a,是汶川震前的 2～4倍。西秦嶺北緣斷裂東段兩側(cè)仍呈現(xiàn)左旋運(yùn)動(dòng)特性,汶川大震同震變化及其影響應(yīng)促進(jìn)西秦嶺構(gòu)造區(qū)中東部(GPS站點(diǎn)主要分布于此)的左旋擠壓活動(dòng)(與地質(zhì)背景一致)。汶川大震對(duì)該區(qū)域(包括延伸到達(dá)的六盤山斷裂以西區(qū)域)應(yīng)變積累更可能有增強(qiáng)影響,這個(gè)判斷與萬永革等(2009),張希等(2009)的庫侖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果基本一致。至于六盤山斷裂(地質(zhì)活動(dòng)背景為逆斷層)中—南段及陜、甘、寧交界區(qū)附近的渭河與秦嶺北麓斷裂西段(108°E以西,地質(zhì)活動(dòng)背景為正斷層),汶川大震后相對(duì)于震前,剪切變形增強(qiáng)達(dá)到(4～8) ×10-8/a,是汶川震前的1.3～2.7倍,而面膨脹應(yīng)變率以由弱擠壓為主轉(zhuǎn)為以拉張為主,絕對(duì)值(2～4) ×10-8/a,是汶川震前面膨脹應(yīng)變率絕對(duì)值的 2倍,汶川大震對(duì)其應(yīng)變積累究竟是正影響還是負(fù)影響,萬永革等(2009)的庫侖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果顯示:汶川地震對(duì)六盤山斷裂南段、秦嶺北麓斷裂西段以正影響為主;對(duì)六盤山斷裂中段以負(fù)影響為主。前者是發(fā)震一年多后實(shí)際觀測(cè)結(jié)果,后者是相對(duì)簡化的數(shù)理模型計(jì)算,可能主要反映同震影響,鑒于其正好位于西秦嶺構(gòu)造區(qū)大范圍壓性高值區(qū)的邊緣地帶,呈現(xiàn)相當(dāng)顯著的壓、張差異變化高梯度分布,筆者認(rèn)為這更可能反映的是汶川大震發(fā)生一年多后,在西秦嶺構(gòu)造區(qū)中東部及其北側(cè)的應(yīng)變積累以增強(qiáng)為主的大背景下,周圍局部區(qū)域的調(diào)整、擾動(dòng)狀態(tài)。跨六盤山斷裂由西至東會(huì)寧—平?jīng)?200多 km長水準(zhǔn)剖面觀測(cè)顯示 2006～2009年與地形地貌相反的、隆德山區(qū)相對(duì)平?jīng)雠璧叵鲁恋哪胬^承性形變特征,也反映了它的調(diào)整狀態(tài)(圖 4)。而渭河與秦嶺北麓斷裂中東段(108°E以東)上一時(shí)段站點(diǎn)偏少,從有限個(gè)公共站點(diǎn)的剪切變形與張、壓變化特性來看,不排除調(diào)整狀態(tài)下擾動(dòng)為主的特征。2009年11月 5日高陵 4.4級(jí)地震很可能就是這種調(diào)整擾動(dòng)下的能量積累區(qū)失穩(wěn)釋放所引發(fā)的。

圖4 跨六盤山斷裂水準(zhǔn)剖面地形(a)與 2006～2009年變化速率(b)Fig.4 Variation rate during 2006～2009 of leveling section crossing the Liupanshan Fault and its landfor m

3 結(jié)論

2009年青藏塊體東北緣有限個(gè)站點(diǎn)的 GPS觀測(cè)結(jié)果未顯示汶川大震對(duì)祁連山—海原斷裂帶有明顯影響。目前該斷裂帶仍呈現(xiàn)與其構(gòu)造活動(dòng)背景一致的左旋擠壓特性。而汶川大震對(duì)西秦嶺構(gòu)造區(qū)中東部、六盤山斷裂中南段、秦嶺北麓與渭河斷裂的西段影響相對(duì)顯著,對(duì)其應(yīng)變積累可能以增強(qiáng)作用為主,這主要表現(xiàn)在西秦嶺構(gòu)造區(qū)中東部的大范圍區(qū)域內(nèi)。而其它斷裂帶近期可能表現(xiàn)為以調(diào)整為主的狀態(tài)特征。

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Features of Current Horizontal MovementObserved by GPS and Influence of the GreatW enchuan Earthquake in the Northeastern margin of Qingha i-xizang block

ZHANG X i,ZHANG X iao-liang,ZHANG Si-xin,WANG Shuang-xu,JIANG Feng-yun
(The Second M onitoring and Application Center of CEA,Xi'an710054,Shaanxi,China)

Using the GPS observational data during the period of2004～2007and2007～2009in the northeastern m argin of Q inghai-Tibet block,the evolution features of crustal m ovem ent and tectonic deform ation of active fractures are analyzed,together w ith the influence of the W enchuan Earthquake.The result show s that,this earthquake did not display rem arkable effect on the Q ilianshan-Haiyuan fracture belt from observation result of lim it stations,w hich still reflected thrust and sinistral slip,w ith according to its tectonic background; but displayed relatively obvious influence on the W est Q inling tectonic region,the m edium-southern segm ents of L iupanshan fault,the w est segm ents of N orthern foot fault of Q inling andW eihe fault,m ainly revealing enganced strain accum ulation on the m iddle-eastern W est Q inling tectonic region,m ainly revealing adjusting-distrubing effect on other fault-segm ents.

N ortheastern m argin of Q inghai-X izang block,GPS,W enchuan Earthquake

P315.72+7

A

1000-0666(2010)04-0265-04

2010-02-04.

國家自然科學(xué)基金課題“汶川地震對(duì)區(qū)域應(yīng)變積累影響的研究”(40974005)與中國地震局 2010年度震情跟蹤合同制定向工作任務(wù)(2010010401)資助 .