四川及鄰區(qū)GPS觀測揭示的應(yīng)變積累與大震影響分析*

張 希 蔣鋒云 崔篤信 張曉亮 李瑞莎

(中國地震局第二監(jiān)測中心，西安 710054)

四川及鄰區(qū)GPS觀測揭示的應(yīng)變積累與大震影響分析*

張 希 蔣鋒云 崔篤信 張曉亮 李瑞莎

(中國地震局第二監(jiān)測中心，西安 710054)

利用2009—2010年四川及其鄰區(qū)GPS水平運(yùn)動(dòng)速度場資料，參考2004—2007年、2007—2008年相應(yīng)結(jié)果，借助形變應(yīng)變場分析與非震負(fù)位錯(cuò)反演，研究活動(dòng)斷裂帶近期應(yīng)變積累特性、分區(qū)分段差異性，以及汶川、玉樹大震影響和演變情況。結(jié)果表明：1)汶川大震影響大幅減弱但未完全結(jié)束，尤其龍門山斷裂區(qū)及其南北兩端附近; 2)玉樹地震對監(jiān)測區(qū)影響偏弱;3)鄂爾多斯西南緣及甘青川-甘川-甘川陜交界區(qū)、川滇交界東部、滇西北至川滇交界目前具備、維持強(qiáng)震孕育背景。

GPS;負(fù)位錯(cuò)反演;運(yùn)動(dòng)速度;應(yīng)變場;強(qiáng)震

1 引言

2008年5月12日四川省汶川縣龍門山斷裂發(fā)生8.0級(jí)特大地震，地震錯(cuò)動(dòng)顯著、地表破裂長［1］。2007年8月—2008年6月四川及其鄰區(qū)(云南、甘肅東南部、陜西關(guān)中西部)GPS觀測顯示其對震區(qū)以北的甘川-甘川陜交界區(qū)、以南的鮮水河-安寧河斷裂區(qū)及其附近構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與應(yīng)變積累相對明顯的影響［1-3］。截至2010年汶川大震發(fā)生已過兩年，其影響范圍、特性與程度是否改變?期間的2010年4月14日研究區(qū)西緣附近又發(fā)生了玉樹7.1級(jí)地震，對四川及其鄰區(qū)有何影響?這些都是地學(xué)工作者比較關(guān)注的問題。2010年中國地震局地震行業(yè)專項(xiàng)——青藏高原東緣地球物理場觀測項(xiàng)目、玉樹科考項(xiàng)目對四川及其鄰區(qū)進(jìn)行了 GPS觀測。經(jīng)GAMIT/GLOBK處理計(jì)算，獲得了相對歐亞板塊2009—2010年水平運(yùn)動(dòng)速度場結(jié)果。本文參考汶川震前的2004—2007年、反映同震變化的2007—2008年相應(yīng)GPS速度場結(jié)果，借助形變、應(yīng)變場分析與非震負(fù)位錯(cuò)反演，研究了四川及其鄰區(qū)主要活動(dòng)斷裂帶近期應(yīng)變積累特性、分區(qū)分段差異性，以及汶川大震影響的近期演變狀況，分析了玉樹地震的可能影響。

2 形變應(yīng)變場演化特征分析

2009—2010年相對歐亞板塊GPS水平運(yùn)動(dòng)矢量圖 1(a)顯示相對汶川震時(shí)的 2007—2008年［1-3］，龍門山斷裂區(qū)域(震區(qū))由最高2 m多的速率量減為30 mm左右，逆斷兼右旋的錯(cuò)動(dòng)特征存在但沒有震時(shí)顯著;而2009—2010年相對汶川震前的2004—2007年(圖1(b))［4，5］，大多數(shù)站點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向與震前比較一致或呈現(xiàn)恢復(fù)趨勢，這些都說明汶川大震影響已明顯減弱。但能夠清楚看到的是：汶川震前的2004—2007年，整個(gè)測區(qū)以鮮水河斷裂為界，南強(qiáng)北弱特征明顯(有較密集觀測以來的1999—2001年、2001—2004年也基本如此［5］)，而汶川地震發(fā)生兩年后的2009—2010年，盡管觀測范圍比2004—2007年小，由鮮水河斷裂、龍門山斷裂、阿尼瑪卿斷裂延伸線圍限的巴顏喀拉地塊東部及其邊緣附近卻成為整個(gè)測區(qū)位移量較大的突出區(qū)域，與震前不同?？赡苷f明汶川大震影響至少在震區(qū)及其附近未完全結(jié)束(截至目前龍門山斷裂北段3級(jí)左右余震不斷，2011年5月15日甘川交界東段甚至發(fā)生了一次4.3級(jí)余震);此外，2010年4月14日玉樹7.1級(jí)地震對研究區(qū)的影響也可能存在(玉樹地震震中距最近的站點(diǎn)不到200 km)，從速率量值上看，沒有汶川大震同震影響［1-3］明顯。

圖1 GPS水平運(yùn)動(dòng)速度矢量圖(相對歐亞板塊)Fig.1 Vectors of GPS horizontal movement relative to Eurasia plate

進(jìn)而利用最小二乘配置建立水平運(yùn)動(dòng)速度值經(jīng)驗(yàn)協(xié)方差函數(shù)，借助內(nèi)插、位移-應(yīng)變偏導(dǎo)關(guān)系計(jì)算獲得了應(yīng)變場分布(基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，反映各個(gè)站點(diǎn)水平運(yùn)動(dòng)的相對差異情況［6，7］)。從反映張、壓特性的面膨脹應(yīng)變率分布圖2(a)來看，2009—2010年龍門山斷裂逆沖變化相對2007—2008年大幅減弱［2，3］(達(dá)10-5/a量級(jí))，但在整個(gè)測區(qū)仍突出(-(11～15)×10-8/a)，汶川大震影響仍在一定程度上存在。六盤山斷裂、渭河斷裂、西秦嶺北緣斷裂、阿尼瑪卿斷裂東段分別反映壓性、拉張、壓性、壓性為主的變化，與其構(gòu)造背景一致，其中六盤山斷裂與西秦嶺北緣斷裂之間、阿尼瑪卿斷裂東端延伸線(甘川交界附近)相對顯著、但較汶川震時(shí)［2，3］也大幅減弱，較震前(圖2(b))壓性特征更為明顯(時(shí)長不同、量值不好比較)，不排除汶川大震一定程度促進(jìn)應(yīng)變積累的影響。南部的鮮水河斷裂北段拉張而南段擠壓;安寧河斷裂拉張、擠壓交替分布，與汶川震前的2004—2007年大體一致;滇西北至川滇交界一直呈現(xiàn)相對明顯的張、壓差異高梯度分布，應(yīng)有利于應(yīng)力集中、應(yīng)變能積累(盡管汶川大震影響并不顯著)。

圖2 面膨脹應(yīng)變率分布Fig.2 Distribution of superficial expansion strain rate

3 負(fù)位錯(cuò)模型反演揭示的應(yīng)變積累動(dòng)態(tài)演化特征

Matsu’ura等的負(fù)位錯(cuò)模型［8］認(rèn)為受現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)下的活動(dòng)地塊間的相對運(yùn)動(dòng)在地塊邊界處有可能受到阻礙。假設(shè)邊界下部的塑性區(qū)可自由滑動(dòng)，其上部的彈脆性區(qū)(構(gòu)造斷裂)因摩擦阻力等因素限制這種相對運(yùn)動(dòng)從而導(dǎo)致應(yīng)力集中與應(yīng)變積聚。即視塊體邊界區(qū)域的地表位移為塊體(剛性假設(shè))運(yùn)動(dòng)減去邊界上部(用Okada均勻介質(zhì)半空間矩形位錯(cuò)［9］模擬)對塊體相對運(yùn)動(dòng)的鎖定或部分鎖定在地表產(chǎn)生的位移。它具有聯(lián)系活動(dòng)塊體與其邊界斷裂，以尋求由塊體邊界負(fù)位錯(cuò)變形體現(xiàn)的、可能與強(qiáng)震孕育有關(guān)的高應(yīng)變能積累閉鎖段的研究和預(yù)報(bào)意義(借助GPS、水準(zhǔn)等資料反演所得各斷裂段負(fù)位錯(cuò)鎖定的錯(cuò)動(dòng)量、錯(cuò)動(dòng)角、傾角、深度值即反映這種與應(yīng)變積累有關(guān)的阻礙作用特性及其差異［10-12］)。筆者曾針對大尺度范圍資料，將剛性塊體假設(shè)改進(jìn)為彈性塊體假設(shè)［13，14］。本文根據(jù)構(gòu)造斷裂與2009—2010年GPS站點(diǎn)分布建立了10個(gè)塊體、12條斷層段的負(fù)位錯(cuò)模型，借助貝葉斯最小二乘法［8，12-14］進(jìn)行反演。模型與反演結(jié)果、模擬效果見圖3(a)、圖4與表1。需要說明的是：圖4是扣除整個(gè)測區(qū)平移與旋轉(zhuǎn)后速度值及擬合值。因?yàn)楸疚姆囱輰で蟮氖菙嗔岩騼蓚?cè)塊體間相對變化可能產(chǎn)生的負(fù)位錯(cuò)變形，GPS速度場作為地表觀測值，無論相對什么基準(zhǔn)，對斷裂兩側(cè)相對運(yùn)動(dòng)差異以及反演結(jié)果沒有影響;反演前扣除整體平移、旋轉(zhuǎn)，是為了使斷裂兩側(cè)差異變化在圖上更為清晰地展現(xiàn)［15］，對確定錯(cuò)動(dòng)特性、參數(shù)初值有利，完全能夠與2004—2007年相應(yīng)負(fù)位錯(cuò)反演結(jié)果對比分析。而對汶川地震前后兩時(shí)段負(fù)位錯(cuò)反演結(jié)果的分析表明：相對汶川震前的2004—2007年(圖3(b)［4］)，2009—2010年西秦嶺北緣斷裂B1B2段、阿尼瑪卿斷裂東段及其延伸的C2C3段、安寧河斷裂(F1F2段)仍維持比較顯著的應(yīng)變積累背景，即使考慮一年尺度較3年變化波動(dòng)性強(qiáng)的因素也如此，從年均鎖定位錯(cuò)量看，前兩個(gè)斷層段2004—2007年分別為1.7 mm/ a、2.7 mm/a，2009—2010年鎖定量升至3 mm/a以上，汶川大震至少?zèng)]有減弱其應(yīng)變積累，不排除一定程度促進(jìn)影響;安寧河斷裂尤其突出(兩時(shí)段鎖定量基本持平，4 mm/a以上);據(jù)以往對南北地震帶震例研究，錯(cuò)動(dòng)量3 mm/a以上基本對應(yīng)6級(jí)以上或至少接近6級(jí)的孕震背景，量值越高震級(jí)可能越高［12-14］)。附近的六盤山斷裂、阿尼瑪卿斷裂東段C1C2段反映一定程度應(yīng)變積累特性，鮮水河斷裂應(yīng)變積累減弱。2008年發(fā)生過汶川8級(jí)大震的龍門山斷裂能量積累大幅減弱(平均鎖定量僅0.8 mm/ a)，中段完全不鎖定;而玉樹斷裂東段(7.1級(jí)震中以東100 km外)也基本不鎖定，與這兩次地震能量釋放影響有關(guān);麗江-小金河斷裂應(yīng)變積累減弱。此外，從塊體變形量(圖3中最大剪應(yīng)變與面應(yīng)變值)來看，2009—2010年塊體8的擠壓變形較2004—2007年(圖3(b)塊體13)明顯增強(qiáng);塊體1～6剪切變形明顯較汶川震前增強(qiáng)，不排除與汶川、玉樹地震一定程度影響的關(guān)系。

圖3 四川及其鄰區(qū)負(fù)位錯(cuò)模型(圖中代表鎖定量大小、特性的紅色雙箭頭比例尺相同)Fig.3 Models for negative dislocation inversion in Sichuan and its nearby areas

表1 四川及其鄰區(qū)2009—2010年主要的鎖定負(fù)位錯(cuò)參數(shù)反演結(jié)果Tab.1 Inverted results of the main locked negative dislocation parameters in 2009—2010 in Sichuan and its nearby areas

4 結(jié)論

1)截至2010年汶川大震影響大幅減弱，但未完全結(jié)束，尤其龍門山斷裂區(qū)域及其南北兩端附近(包括甘川交界東段及其附近);

2)玉樹地震對監(jiān)測區(qū)的影響不能排除，但程度不高;

3)鄂爾多斯西南緣及甘青川-甘川-甘川陜交界區(qū)、川滇交界東部(安寧河斷裂及其周圍區(qū)域)、滇西北至川滇交界目前具備、維持強(qiáng)震孕育背景(中-長期時(shí)間尺度)。

圖4 2009—2010年負(fù)位錯(cuò)反演擬合效果對比Fig.4 Comparison between observed values and simulated values from negative dislocation inversion during 2009-2010

1 中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司.汶川8.0級(jí)地震科學(xué)研究報(bào)告［M］.北京：地震出版社，2008.(Department of Monitoring and Prediction of China Earthquake Administration.Science and research report on the Wenchuan 8.0 earthquake［M］.Beijing：Seismology Press，2008)

2 張希，等.地形變觀測揭示的汶川Ms8.0級(jí)地震同震響應(yīng)與影響［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2009，34 (10)：1 204-1 209.(Zhang Xi，et al.Coseismic response and influence of the Wenchuan Ms8.0 earthquake revealed by crustal deformation observation［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2009，34(10)：1 204-1 209)

3 張希，等.昆侖山與汶川強(qiáng)烈地震對青藏塊體東北緣地殼運(yùn)動(dòng)及應(yīng)變積累的影響［J］.地球?qū)W報(bào)，2010，31(1)：32-42.(Zhang Xi，et al.The influence of the Kulun Mountain and Wenchuan strong earthquakes on the crustal movement and strain accumulation in the northeastern margin of Qinghai-Xizang block［J］.Acta Geoscientica Sinica，2010，31 (1)：32-42)

4 張希，等.利用GPS資料分析汶川地震前后川滇及其鄰區(qū)水平運(yùn)動(dòng)及應(yīng)變積累［J］.地震研究，2008，31(增刊)：464-470.(Zhang Xi，et al.Analysis on horizontal movement and strain accumulation in Sichuan-Yunnan and their nearby before and after the Wenchuan earthquake using GPS data［J］.Journal of Seismological Research，2008，31 (Supp.)：464-470)

5 張希，江在森.南北地震帶中南段地殼水平運(yùn)動(dòng)負(fù)位錯(cuò)反演與汶川等地震背景［J］.西北地震學(xué)報(bào)，2010，32(2)：105-111.(Zhang Xi and Jiang Zaisen.Inversion of negative dislocation for crustal horizontal movement in middlesouthern segment of the China south-north seismic belt［J］.Northwestern Seismological Journal，2010，32(20：105-111)

6 張希，江在森.對華北GPS監(jiān)測區(qū)近期地殼應(yīng)變連續(xù)分布的估計(jì)［J］.地震學(xué)刊，1999，75(2)：58-62.(Zhang Xi and Jiang Zaisen.Estimation for continuous distribution of recent crsutal strain in GPS monitoring area of north China［J］.Journal of Seismology，1999，75(2)：58-62)

7 江在森，等.GPS初步結(jié)果揭示的中國大陸水平應(yīng)變場與構(gòu)造變形［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2003，46(3)：352-358.(Jiang Zaisen，et al.Horizontal strain filed and tectonic deformation of China Mainland revealed by preliminary GPS result［J］.Chinese Journal of Geophysics，2003，46(3)：352 -358)

8 Matsu’ura M，Jackson D D and Cheng A.Dislocation model for aseismic crustal deformation at Hollister，California［J］.J of Geophysical Research.，1986，91(B12)：12 661-12 674.

9 Okada Y.Surface deformation due to shear and tensile faults in a half-space［J］.Bulletin of the Seismological Society of America，1985，75(4)：1 135-1 154.

10 伍吉倉，陳永奇.一種板塊邊界斷層運(yùn)動(dòng)的力學(xué)模型［J］.地殼形變與地震，2000，20(2)：8-14.(Wu Jicang and Chen Yongqi.A physical model for fault movement along plate boundary［J］.Crustal Deformation and Earthquake，2000，20(2)：8-14)

11 何玉梅，姚振興.中國臺(tái)灣南部及其周邊島嶼現(xiàn)今地殼形變的位錯(cuò)模型［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2002，45(5)：638-645.(He Yumei and Yao Zhenxing.Dislocation model for current crustal deformation in and around southern Taiwan，China［J］.Chinese Journal of Geophysics，2002，45(2)：638-645)

12 張希，等.1999—2001年青藏塊體東北緣地殼水平運(yùn)動(dòng)的非震反位錯(cuò)模型及變形分析［J］.地震學(xué)報(bào)，2003，25 (4)：374-381.(Zhang Xi，et al.Aseismic negative dislocation model and deformation analysis of crustal horizontal movement during 1999—2001 in the northeast margin of Qinghai-Xizang block［J］.Acta Seismologica Sinica，2003，25(4)：638-645)

13 張希，等.青藏塊體東北緣彈性塊體邊界負(fù)位錯(cuò)反演與強(qiáng)震地點(diǎn)預(yù)測［J］.地震學(xué)報(bào)，2005，27(6)：620-629.(Zhang Xi，et al.Inversion for negative dislocation on elastic block boundaries along the northeastern margin of Qinghai-Xizang block and prediction for strong earthquake location［J］.Acta Seismologica Sinica，2005，18(6)：666-677)

14 張希，等.川滇地區(qū)地殼水平運(yùn)動(dòng)的彈性塊體邊界負(fù)位錯(cuò)模型與強(qiáng)震地點(diǎn)預(yù)測［J］.地震研究，2005，28(2)：119 -124.(Zhang Xi，et al.Negative dislocation model of elastic block boundary of horizontal crustal movement and the prediction of strong earthquake position［J］.Journal of Seismological Research，2005，28(2)：119-124)

15 江在森，等.青藏塊體東北緣近期水平運(yùn)動(dòng)與變形［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2001，44(5)：636-644.(Jiang Zaisen，et al.Recent horizontal movement and deformation in the northeast margin of Qinghai-Tibet block［J］.Chinese Journal of Geophysics，2001，44(5)：636-644)

ANALYSIS OF STRAIN ACCUMULATION AND INFLUENCE OF GREAT EARTHQUAKE OBSERVED BY GPS IN SICHUAN AND ITS ADJACENT AREAS

Zhang Xi，Jiang Fengyun，Cui Duxin，Zhang Xiaoliang and Li Ruisha
(Second Crust Monitoring and Application Center，CEA，Xi’an 710054)

Using horizontal velocity data observed by GPS in 2009-2010 in Sichuan and its nearby areas，referring to relevant results in 2004-2007 and 2007-2008，with the aid of analysis of deformation-stain field and inversion of negative dislocation，the features of recent strain accumulation of active faults and their difference between different regions and different segments and together with the evolution of influence from the Wenchuan and Yushu earthquakes are researched.The results are as follows.1)Influence from the Wechuan earthquake decreased obviously but had not ended，at the Longmenshan fault and its two ends especially.2)Weaker influence from the Yushu earthquake was observed.3)At present，these regions had background of strong earthquakes，i.s.，the southwestern margin of Ordos，boundary of Gansu-Qinghai-Sichuan and Gansu-Sichuan and Gansu-Sichuan-Shannxi，eastern boundary between Sichuan and Yunnan，from the northwestsen Yunnan to the boundary between Sichuan and Yunnan.

GPS;negative dislocation inversion;movemental velocity;strain field;strong earthquake

1671-5942(2011)05-0009-05

2011-06-21

陜西省科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃(2011JM5016)

張希，女，1967年生，研究員，主要從事地殼形變研究與地球動(dòng)力學(xué)研究.E-mail：zxivy@yahoo.com.cn

P315.72+5

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