GPS資料揭示的汶川 8 .0級地震前地殼動(dòng)態(tài)演化特征＊

張曉亮 張 希 王雙緒 蔣鋒云 朱良玉

(中國地震局第二監(jiān)測中心,西安 710054)

GPS資料揭示的汶川 8 .0級地震前地殼動(dòng)態(tài)演化特征＊

張曉亮 張 希 王雙緒 蔣鋒云 朱良玉

(中國地震局第二監(jiān)測中心,西安 710054)

利用中國大陸 1999年以來 3個(gè)時(shí)段的 GPS速度場,研究了汶川 8.0地震前的地殼動(dòng)態(tài)演化特征。研究結(jié)果顯示：1)汶川地震發(fā)生在區(qū)域地殼擠壓運(yùn)動(dòng)明顯受阻的區(qū)域,孕震區(qū)附近存在一較大的障礙體,震中附近斷層多年來處于強(qiáng)閉鎖狀態(tài);2)隨著地震發(fā)生日期的臨近,震中西側(cè)壓性區(qū)表現(xiàn)出明顯的向東逐步擴(kuò)張態(tài)勢,局部地區(qū)主壓應(yīng)變方向出現(xiàn)向北偏轉(zhuǎn),右旋剪切作用明顯增強(qiáng);3)汶川地震同震變形及 6級以上余震分布表現(xiàn)出的區(qū)段性與斷裂帶及附近分段性運(yùn)動(dòng)變形特征密切相關(guān)。

汶川 8.0級地震;GPS速度場;地殼運(yùn)動(dòng)變形;斷層;動(dòng)態(tài)演化

1 引言

汶川 8.0級地震形成的地表破裂帶長達(dá) 200多千米[1],余震分布帶約長 330 km[2],其 InSAR同震形變場觀測顯示同震形變垂直位移及右旋走滑位移極其顯著[3],反映汶川地震前孕震區(qū)積累了大量的彈性應(yīng)變能。如果地震是可以預(yù)報(bào)的,那么如此巨大地震能量的長期積累,理論上應(yīng)當(dāng)從地殼運(yùn)動(dòng)變形中看到其長期孕震背景。鑒于此。本文將利用我國大陸 1999、2001、2004、2007年 4期 GPS觀測資料對汶川 8.0級地震孕震區(qū)較大范圍地殼運(yùn)動(dòng)變化特征進(jìn)行研究。

2 資料處理簡介

自我國大陸 GPS網(wǎng)絡(luò)工程建成以來,分別在1999、2001、2004和 2007年進(jìn)行了復(fù)測,2001年以來,一些地區(qū)還進(jìn)行了不同程度的 GPS點(diǎn)位加密觀測。

針對多期 GPS觀測資料,聯(lián)合區(qū)域 IGS站(BAHR、ANKR、GLSV、TIXI、MAC1、TR01、GUAM、TOW2、BAKO、DGAR、MAL I、NTUS、MAG0、MATE、POTS),利用 Gamit軟件處理對其進(jìn)行載波相位處理,獲得單日松弛解 (衛(wèi)星星歷采用精密星歷);然后利用 Globk軟件綜合本期觀測的所有合并后的單日松弛解,以 ITRF2005為參考框架,分別獲得各期坐標(biāo)綜合解,在此基礎(chǔ),獲得了 1999—2001、2001—2004、2004—2007年 3個(gè)時(shí)段的速度場,扣除相對歐亞板塊的歐拉旋轉(zhuǎn),得到 3個(gè)時(shí)段相對歐亞板塊的運(yùn)動(dòng)速度場(圖 1)。

圖1 2004—2007年中國大陸 GPS速度場(基于歐亞板塊)Fig.1 GPS velocity field of China mainland from 2004 to 2007(relative to the stable Eurasia)

3 汶川地震的水平運(yùn)動(dòng)變形特征

從圖 1可以看出,汶川地震孕震區(qū)附近地殼水平運(yùn)動(dòng)主要以近東西向運(yùn)動(dòng)為主。因此,以震中為中心,選取東西向剖面 (剖面寬約 500 km,長約1 000 km),提取平行剖面及垂直剖面方向地殼運(yùn)動(dòng)的時(shí)空變化曲線,并對其結(jié)果進(jìn)行多階多項(xiàng)式曲線擬合(圖 2)。從圖 2可以看出,地震前兩期資料揭示的地殼形變特征比較一致。從剖面東西向運(yùn)動(dòng)速度看(圖 2中黑曲線),在龍門山斷裂帶西側(cè)約 400千米的剖面區(qū)域,地殼水平擠壓速率接近線性變化,從 20 mm/a左右逐漸衰減到 7 mm/a左右,反映出顯著的擠壓運(yùn)動(dòng)及高應(yīng)變能吸收特征;在龍門山斷裂帶附近至東側(cè)較大范圍,剖面東西向運(yùn)動(dòng)速度相對穩(wěn)定(剖面速度變化曲線明顯轉(zhuǎn)平,基本保持在 5～7 mm/a范圍),揭示擠壓運(yùn)動(dòng)在龍門山斷裂帶附近遇到了強(qiáng)烈阻擋。汶川地震就發(fā)生在擠壓運(yùn)動(dòng)明顯,然后東西向剖面速度變化曲線轉(zhuǎn)平,地殼表現(xiàn)出明顯的擠壓運(yùn)動(dòng)受阻特征的區(qū)域。揭示本次地震在印度板塊 NE向主驅(qū)動(dòng)力的作用下,該區(qū)近東西向的擠壓運(yùn)動(dòng)受到華南地塊的強(qiáng)烈阻擋,使應(yīng)變能在龍門山構(gòu)造帶附近長期積累,最終導(dǎo)致斷層失穩(wěn),發(fā)生汶川地震。

圖2 GPS剖面水平變化量、多項(xiàng)式擬合曲線與地形剖面Fig.2 Horizontal variation of GPS section polynomial fitting curve and terrain section

4 汶川地震區(qū)水平變形場動(dòng)態(tài)演化特征

4.1 汶川地震孕震區(qū)水平運(yùn)動(dòng)場基本特征

圖3是汶川地震前 2004—2007年區(qū)域地殼水平運(yùn)動(dòng)速度場,從圖 3可以看出,粗圈西側(cè)區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)速率明顯大于圈內(nèi),且圈內(nèi)水平運(yùn)動(dòng)速率一致性較好,變化量值相近,斷層對形變的吸收作用不明顯,表現(xiàn)出一定的閉鎖特征。為了能更好地確認(rèn)該區(qū)是不是存在閉鎖障礙體。我們基于 2004—2007年 GPS資料繪制了 GPS速度場東西向等值線圖(圖4)。從圖 4可以看出,震中附近其北部和南部區(qū)域東西向運(yùn)動(dòng)速度明顯強(qiáng)于孕震區(qū)附近,揭示該區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)的確存在明顯的障礙體。

圖3 2004—2007年汶川地震區(qū)地殼水平運(yùn)動(dòng)速度場Fig.3 GPS velocity field of crustal horizontalmovement in Wenchuan earthquake region from 2004 to 2007

圖4 2004—2007年四川及鄰區(qū) GPS速度場東西向等值線圖Fig.4 Isoline distribution in east-west direction of GPS velocity field in Sichuan and its adjacent areas from 2004 to 2007

4.2 汶川孕震區(qū)及附近區(qū)域水平變形場動(dòng)態(tài)演化特征

圖5 研究區(qū)視主應(yīng)變率場Fig.5 Distribution of apparent principal strain rate field in the studied area

根據(jù) GPS資料,利用最小二乘配置[5]求取得到的 1999—2001、2001—2004、2004—2007年 3期視主應(yīng)變率場及視面膨脹率等值線分布圖如 5與圖 6所示。從視主應(yīng)變率場動(dòng)態(tài)演化特征看 (圖 5)：1999—2001年,震中西側(cè)區(qū)域近東西向壓應(yīng)變明顯,孕震區(qū)存在明顯的主應(yīng)變變化較小區(qū);2001—2004年震中西側(cè)區(qū)域主壓應(yīng)變增強(qiáng),孕震區(qū)附近西南區(qū)域出現(xiàn)一定程度向北偏轉(zhuǎn),反映一定程度孕震區(qū)右旋剪切增強(qiáng)特性,孕震區(qū)一帶存在明顯的主應(yīng)變變化較小區(qū),此外龍門山構(gòu)造帶北段 6級以上余震分布較集中區(qū)域也表現(xiàn)主應(yīng)變變化較小特征; 2004—2007年孕震區(qū)正西側(cè)區(qū)域主壓應(yīng)變出現(xiàn)明顯北轉(zhuǎn),呈現(xiàn)右旋剪切運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng)特征,主應(yīng)變變化較小區(qū)分布維持 2001—2004年的分布特征。從視面膨脹率等值線分布動(dòng)態(tài)演化特征看 (圖 6)：1999—2001年孕震區(qū)西側(cè)存在明顯的壓縮區(qū),龍門山構(gòu)造帶北段西側(cè)亦存在明顯的壓縮區(qū);2001—2004年孕震區(qū)西側(cè)壓縮區(qū)相對向東南擴(kuò)張,龍門山構(gòu)造帶北段西側(cè)壓縮區(qū)持續(xù)存在;2004—2007年孕震區(qū)西側(cè)壓縮強(qiáng)烈區(qū)相對擴(kuò)大且表現(xiàn)為向北擴(kuò)張趨勢,龍門山構(gòu)造帶北段西側(cè)壓縮區(qū)依然持續(xù)。汶川地震及其余震均分布在顯著壓縮區(qū)的邊緣。

從 GPS資料揭示的區(qū)域水平變形場動(dòng)態(tài)變化特征可以看出：汶川地震前孕震區(qū)西側(cè)一直存在較強(qiáng)的應(yīng)變能積累,且隨著地震發(fā)生時(shí)間的臨近,其主壓應(yīng)變出現(xiàn)局部區(qū)域偏轉(zhuǎn);面膨脹揭示的動(dòng)態(tài)演化特征顯示出孕震區(qū)西側(cè)顯著壓性區(qū)隨時(shí)間變化呈逐漸擴(kuò)張態(tài)勢;汶川地震與其 6級以上余震,都分布在明顯壓縮區(qū)的邊緣。

圖6 研究區(qū)視面膨脹率等值線分布Fig.6 Isoline distribution of apparent surface expansion rate in the studied area

4.3 龍門山構(gòu)造帶分段差異運(yùn)動(dòng)的計(jì)算

圖7 龍門山斷裂帶分段圖Fig.7 Segmentation of the Longmenshan fault

汶川地震發(fā)生后,在震中附近及發(fā)震斷層北段形成了 6級以上余震的相對集中段,針對余震分布特征,我們將龍門山構(gòu)造帶分為 4段研究其 1999年以來的分段運(yùn)動(dòng)差異及演化特征。選取斷層兩側(cè)100 km范圍為研究區(qū)域,這樣將斷裂帶附近區(qū)域分為 8個(gè)小區(qū)域 (圖 7)。由于 GPS資料的密度問題,近似地將每個(gè)小區(qū)看作相對獨(dú)立的剛體,求取各區(qū)段沿?cái)鄬蛹按怪睌鄬痈髌谫Y料所揭示的運(yùn)動(dòng)變化特征(表 1)。從表可以看出：1)AB段 1999年以來右旋擠壓錯(cuò)動(dòng)明顯(速率一直保持在 2 mm以上);BC段多年來表現(xiàn)為壓性閉鎖(其右旋運(yùn)動(dòng)1999年以來一直保持在 1 mm以內(nèi));CD段 2001年以來右旋擠壓運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng),且隨著時(shí)間的推移,表現(xiàn)一定增強(qiáng)態(tài)勢;DE段多年來表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)強(qiáng)閉鎖狀態(tài)。2)斷層的整體右旋擠壓特征一致性較好,但量值不大。3)汶川地震發(fā)生在強(qiáng)閉鎖段 BC段的西端,其 6級以上余震分布特征與閉鎖段分布相對應(yīng)。4)汶川地震 GPS同震形變場[6]顯示CD段同震位移相當(dāng)顯著,從GPS計(jì)算的斷裂分段結(jié)果可以看出該段自2001年以來呈現(xiàn)明顯的右旋走滑特征 (2 mm以上),斷層處于相對活躍狀態(tài),所以該段附近的同震位移相當(dāng)顯著。

表1 龍門山斷裂帶分段運(yùn)動(dòng)特征(單位:mm/a)Tab.1 Segmentation motion features of Longmenshan fault(un it:mm/a)

5 結(jié)論

1)汶川地震是印度板塊NE向主驅(qū)動(dòng)力長期作用下遇到華南地塊的強(qiáng)烈阻擋,在龍門山構(gòu)造帶一帶形成了明顯的擠壓運(yùn)動(dòng)受阻區(qū),使應(yīng)變能長期在該區(qū)附近持續(xù)積累,最終導(dǎo)致震中附近較大閉鎖障礙體突然破裂錯(cuò)動(dòng)的結(jié)果。

2)區(qū)域 GPS觀測資料揭示,龍門山斷裂帶存在明顯的閉鎖障礙體,汶川地震的震中恰位于閉鎖障礙體的邊緣。其障礙體范圍相對較大,跨越了龍門山斷裂兩側(cè)一定區(qū)域。

3)汶川地震孕震區(qū)及附近地殼水平變形場動(dòng)態(tài)演化特征顯示：孕震區(qū)發(fā)震斷層西側(cè)一帶應(yīng)變能多年來積累明顯,且隨著地震緊迫性的增強(qiáng)表現(xiàn)出局部區(qū)域主壓應(yīng)變向北偏轉(zhuǎn),右旋剪切增強(qiáng),顯著壓性區(qū)逐步擴(kuò)張的特點(diǎn),可能揭示一定程度地震中、短期前兆信息。

4)汶川地震同震變形及 6級以上余震分布表現(xiàn)出的區(qū)段性與斷裂帶及附近分段運(yùn)動(dòng)變形特征密切相關(guān)。

1 江在森,等.汶川 8.0級地震前區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)與變形動(dòng)態(tài)過程[J].地球物理學(xué)報(bào),2009,52(2)：505-518.(Jiang Zaisen,et al.The dynamic process of regional crustal movement and deformation before WenchuanMs8.0 earthquake [J].Chinese Journal of Geophysics,2009,52(2)：505-518)

2 張培震,等.2008年汶川 8.0級地震發(fā)震斷裂的滑動(dòng)速率、復(fù)發(fā)周期和構(gòu)造成因 [J].地球物理學(xué)報(bào),2008,51 (4)：1 066-1 073.(Zhang Peizhen,et al.Slip rates and recurrence intervalsof theLongmenshan active fault zone and tectonic implications for the mechanism of the May 12 Wenchuan earthquake,2008,Sichuan,China[J].Chinese Journal of Geophysics,2008,51(4)：1 066-1 073)

3 黃媛,等.汶川 8.0級大地震及其余震序列重定位研究[J].中國科學(xué) (D輯),2008,38(10)：1 242-1 249. (Huang Yuan,et al.The repositioning research of Wenchuan 8.0 earthquake and after shock sequence[J].Science in China(SeriesD),2008,38(10)：1 242-1 249)

4 單新建,等.汶川 8.0級地震 InSAR同震形變場[J].地球物理學(xué)報(bào),2009,52(2)：496-504.(Shan Xijian,et al.Coseismic surface deformation caused by theWenchuanMs8.0 earthquake from InSAR data analysis[J].Chinese Journalof Geophysics,2009,52(2)：496-504)

5 張希,江在森.對華北地區(qū) 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)：57-62. (Zhang Xi and Jiang Zaisen.Estimation of resent crustal strain continuous distribution in GPS monitoring area of the North China area[J].Journal of Seismology,1999,75(2)：57-62)

6 王敏.基于 GPS同震位移場約束反演 2008年 5.12汶川大地震破裂空間分布 [J].地球物理學(xué)報(bào),2009,52 (10)：2 519-2 526.(Wang Min.Coseis mic displacement distribution of the 2008 Wenchuan great earthquake constrained by using GPS coseis mic displacement field[J].Chinese Journal Geophysics,2009,52(10)：2 519-2 526)

7 杜方,等.2008年汶川 8.0級地震前橫跨龍門山斷裂帶的震間形變 [J].地球物理學(xué)報(bào),2009,52(11)：2 729-2 738.(Du Fang,et al.Interseis mic deformation across the Longmenshan fault zone before the 2008M8.0 Wenchuan earthquake[J].Chinese Journal of Geophysics,2009,52 (11)：2 729-2 738)

CHARACTERISTICS OF CRUSTAL DYNAM IC EVOLUT ION REVEALED BY GPS OBSERVAT ION BEFOREW ENCHUAN 8.0 EARTHQUAKE

Zhang Xiaoliang,Zhang Xi,Wang Shuangxu,Jiang Fengyun and Zhu Liangyu
(Second CrustM onitoring and Application Center,CEA,X i’an 710054)

By using the GPS velocity fields of China mainland in three time periods since 1999,the characteristics of crustal dynamic evolution before WenchuanMs8.0 earthquake was studied.From the results following knowledges can be drawn.1)TheWenchuan earthquake had taken place in the zone where crustal squeezed movementswere blocked obviously.There was a large obstacle existed in the seis mogenic zone,and the fault nearby the epicenterwas in strong blocking state formany years.2)W ith theWenchuan earthquake approaching,the compressive zone in the west to epicenter gradually expanded to east obviously.In some local areas,the direction of principal compressive strain deflected northward,and right lateral shear slip enhanced obviously.3)The sectional features of coseismic deformation inWhenchuan earthquake and 6.0 or more aftershock distribution were closely related to the sectionalmovement deformation of the fault and its vicinal zone.

Wenchuan 8.0 earthquake;GPS velocity field;crustalmovement and defor mation;fault;dynamic evolution

1671-5942(2011)04-0001-05

2011-03-09

地震科學(xué)聯(lián)合基金(C08045);中國地震局甘東南-甘青川交界地區(qū)強(qiáng)震危險(xiǎn)性跟蹤分析課題(2009010103)

張曉亮,男,1973年生,碩士,高級工程師,主要從事數(shù)值模擬、地殼形變和地震預(yù)報(bào)等方面的研究.E-mail：zxlwml@163.com

P315.72+6

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