3·11日本大地震對(duì)中國東北部地區(qū)地殼形變態(tài)勢(shì)的影響

陳為濤 甘衛(wèi)軍 肖根如 梁詩明 盛傳貞

1)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2)東華理工大學(xué)測(cè)量系，江西撫州市 344000

3·11日本大地震對(duì)中國東北部地區(qū)地殼形變態(tài)勢(shì)的影響

陳為濤1)甘衛(wèi)軍1)肖根如1，2)梁詩明1)盛傳貞1)

1)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2)東華理工大學(xué)測(cè)量系，江西撫州市 344000

以中國東北部地區(qū)的GPS觀測(cè)資料為基礎(chǔ)，研究了2011年3月11日日本東部MW9.0大地震對(duì)中國東北部地區(qū)的地殼形變場狀態(tài)、活動(dòng)構(gòu)造的運(yùn)動(dòng)方式及地震危險(xiǎn)性態(tài)勢(shì)的影響。結(jié)果表明，該地震所引起的同震地殼應(yīng)變場與研究區(qū)域長期地殼應(yīng)變率場相對(duì)比，兩者在主應(yīng)變方向和大小等方面，整體上并無明顯的一致性。該地震主要影響了中國東北區(qū)域應(yīng)變積累水平，同震位移在瞬間所產(chǎn)生的應(yīng)變，相當(dāng)于該區(qū)域約12.7a的長期積累。而在東北以外的其他區(qū)域，同震應(yīng)變對(duì)背景應(yīng)變場的影響并不明顯。基于同震應(yīng)變以及背景應(yīng)變場，選取了4個(gè)重要的活動(dòng)斷裂區(qū)段，利用一系列跨斷裂連續(xù)GPS基線端點(diǎn)相對(duì)位置的時(shí)間變化序列進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該地震使郯廬斷裂北段發(fā)生了明顯的左旋錯(cuò)動(dòng)和拉張運(yùn)動(dòng)，且震后的變化趨勢(shì)反映著輕微的繼續(xù)左旋和拉張;而對(duì)于郯廬斷裂的中段，該地震并沒有產(chǎn)生明顯的錯(cuò)動(dòng)和拉張，僅使其震后的右旋運(yùn)動(dòng)速率有輕微的加快;對(duì)于華北地區(qū)的張家口-蓬萊斷裂帶，雖然在地震后約1a時(shí)期內(nèi)表現(xiàn)為右旋擠壓運(yùn)動(dòng)，但隨后則快速回歸到原有的左旋拉張運(yùn)動(dòng)，反映出這次地震的發(fā)生使該斷裂的應(yīng)力積累首先得到短暫的釋放，隨后區(qū)域應(yīng)力又回歸到原有水平;太行山山前斷裂帶的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)未受這次地震的顯著影響，因而推斷出此次地震的影響范圍并未波及到山西地塹系。總體而言，3·11日本大地震的發(fā)生，使中國東北部區(qū)域的地殼應(yīng)變積累和應(yīng)力水平有所緩解，因此，在某種程度上緩解了區(qū)域的地震危險(xiǎn)性。

3·11日本大地震 地殼形變 應(yīng)變積累 地震危險(xiǎn)性分析

0 引言

2011年3月11日日本本州東海岸附近海域發(fā)生的MW9.0地震及其引發(fā)的巨大海嘯，造成了大約15 000人死亡和8 000人失蹤。根據(jù)日本氣象廳(JMA)發(fā)布的資料，此次地震震中位于142.86°E，38.10°N，震源深度約為24km。地震發(fā)生后，日本及其他國家的許多研究人員迅速對(duì)此次地震的孕震背景、震源機(jī)制、破裂方式、同震地殼形變和震后弛豫變形等進(jìn)行了多方面的分析研究。如日本國土地理院(GSI)和美國JPL/Caltech的ARIA研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)日本GEONET網(wǎng)1,200余個(gè)密集的連續(xù)GPS觀測(cè)站資料，在第一時(shí)間定量揭示了此次地震在日本不同區(qū)域所造成的同震地殼形變。其中，位于鄂霍茨克(Okhotsk)微板塊范圍的本州島發(fā)生了從西向東逐漸增大的SEE水平運(yùn)動(dòng)及垂向下沉，最大水平位移達(dá)5.24m，最大垂直下沉達(dá)1.1m(圖1，Pollitz et al.，2011);東京大學(xué)的Yusuke等(2011)利用遠(yuǎn)場地震波、地面強(qiáng)震動(dòng)、GPS同震形變以及海嘯等數(shù)據(jù)聯(lián)合反演了此次地震的破裂過程，認(rèn)為地震破裂長度和寬度分別達(dá)480km和180km，破裂面上最大同震位移出現(xiàn)在震中上方，高達(dá)35m。

圖1 日本GPS觀測(cè)網(wǎng)GEONET獲得的3·11日本大地震同震位移(據(jù)Pollitz et al.，2011修改)Fig.1 The coseismic displacement of Tohoku-Oki earthquake observed by GEONET in Japan(Modified from Pollitz et al.，2011).

盡管3·11日本大地震的震中位置距中國東北部地區(qū)1,500km以上，但“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)”分布在該區(qū)域的50余個(gè)連續(xù)GPS觀測(cè)站還是清晰地反映出高達(dá)30cm的地面震動(dòng)(殷海濤等，2011)和5～33mm的水平同震永久形變(王敏等，2011)。2004年發(fā)生在印度尼西亞蘇門答臘的MW9.3地震，曾導(dǎo)致2 000km之外的中國川滇地區(qū)的地震活動(dòng)性顯著增強(qiáng)(楊國華等，2006;王敏等，2006)。那么，此次日本大地震的發(fā)生，對(duì)中國東北部地區(qū)的地殼形變場的應(yīng)變狀態(tài)、活動(dòng)構(gòu)造的運(yùn)動(dòng)方式及地震危險(xiǎn)性的發(fā)展態(tài)勢(shì)具有怎樣的影響，是一個(gè)令人關(guān)注的科學(xué)問題。本文將以中國東北部地區(qū)的GPS地殼形變觀測(cè)資料，特別是中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)58個(gè)GPS基準(zhǔn)站自2010年6月以來的連續(xù)觀測(cè)資料為基礎(chǔ)，對(duì)上述科學(xué)問題進(jìn)行探討。

1 GPS數(shù)據(jù)及處理

“九五”期間實(shí)施的國家重大科學(xué)工程項(xiàng)目“中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”，在中國大陸布設(shè)了27個(gè)連續(xù)GPS觀測(cè)站和1 056個(gè)非連續(xù)GPS觀測(cè)站。其中，在中國東北部地區(qū)布設(shè)了非連續(xù)GPS觀測(cè)站約303個(gè)。這些站點(diǎn)在3·11日本大地震之前的1999、2001、2004、2007和2009年已進(jìn)行了多期流動(dòng)式重復(fù)觀測(cè)，每期每站的觀測(cè)時(shí)間均不少于3d(72h)。通過對(duì)這些密集的非連續(xù)GPS觀測(cè)資料的嚴(yán)密處理，可獲得中國東北部區(qū)域在3·11日本大地震之前的長期地殼運(yùn)動(dòng)速度場。

“十一五”期間實(shí)施的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目“中國大陸環(huán)境與構(gòu)造監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)”在“中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”的基礎(chǔ)上，將中國大陸連續(xù)GPS觀測(cè)站從27個(gè)增加到260個(gè)，非連續(xù)GPS觀測(cè)站數(shù)量從1 056個(gè)增加到2 056個(gè)，密集地覆蓋了中國大陸及部分周邊區(qū)域，為監(jiān)測(cè)研究中國大陸地殼形變和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)提供了重要的基礎(chǔ)(甘衛(wèi)軍等，2007)。在3·11日本大地震后，我們收集了中國東北部區(qū)域58個(gè)GPS連續(xù)觀測(cè)站從2010年6月1日至2012年3月1日期間的觀測(cè)數(shù)據(jù)。經(jīng)過嚴(yán)密的數(shù)據(jù)處理，可得到這些站點(diǎn)坐標(biāo)在震前、震時(shí)和震后隨時(shí)間變化的序列及同震位移。

上述GPS數(shù)據(jù)的處理，采用的是美國航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL，NASA)開發(fā)的高精度GPS處理軟件GIPSY-OASISⅡ。具體步驟如下:

第1步，首先從JPL網(wǎng)站獲取相應(yīng)觀測(cè)日的IGS精密衛(wèi)星軌道、精密衛(wèi)星時(shí)鐘改正、衛(wèi)星掩蔽信息等，采用精密單點(diǎn)定位(PPP)方法(Zumberge et al.，1997)，解算每個(gè)本地站和部分IGS全球核心參考站的單日坐標(biāo)松弛約束解。其中，部分IGS全球核心站的加入是為了建立本地網(wǎng)與全球參考框架之間的聯(lián)絡(luò)紐帶。

第2步，將已獲得精密單點(diǎn)定位結(jié)果的所有站點(diǎn)組網(wǎng)，進(jìn)一步采用載波相位整周模糊度解的Ambizap算法(Blewitt，2008)，對(duì)網(wǎng)中所有獨(dú)立的站間基線進(jìn)行整周模糊度影響的改正，進(jìn)一步提高單日坐標(biāo)松弛約束解的精度。

第3步，根據(jù)JPL提供的每日參考框架轉(zhuǎn)換參數(shù)，將單日松弛約束解轉(zhuǎn)換到指定的全球參考框架下(如ITRF2005)，得到各站點(diǎn)的坐標(biāo)變化時(shí)間序列。

圖2 中國東北部地區(qū)背景位移場(藍(lán)色箭頭)和3·11日本大地震引起的同震位移場(紅色箭頭)Fig.2 The blue arrow is interseismic displacement and the red arrow is coseismic displacement which is induced by Tohoku earthquake at northeastern China.

圖3 部分連續(xù)GPS觀測(cè)站的時(shí)間序列Fig.3 Time sequences observed by some continuous GPS stations.

第4步，利用QOCA軟件對(duì)所有的單日解進(jìn)行平差，并在假設(shè)各站點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速率地震前后保持不變的條件下，估算地震所產(chǎn)生的同震位移。

圖2中的藍(lán)色矢量，是基于1999—2009年期間的非連續(xù)GPS觀測(cè)資料，處理獲得的中國東北部區(qū)域的長期地殼運(yùn)動(dòng)速度場。其參考框架為穩(wěn)定歐亞塊體;紅色矢量，是基于58個(gè)連續(xù)GPS觀測(cè)站在3·11日本地震前、后各5d的觀測(cè)資料，處理獲得的同震位移。該位移矢量的參考框架就是各站點(diǎn)自身的震前位置。

圖3是幾個(gè)典型連續(xù)GPS觀測(cè)站處理結(jié)果的坐標(biāo)變化時(shí)間序列。

2 區(qū)域應(yīng)變分析

GPS觀測(cè)所獲得的位移矢量，包含GPS觀測(cè)網(wǎng)本身的整體運(yùn)動(dòng)(平移和旋轉(zhuǎn))以及存在于觀測(cè)網(wǎng)內(nèi)部的差異運(yùn)動(dòng)(或應(yīng)變)。由于位移隨參考框架的不同而不同，因此不具有惟一性。但GPS網(wǎng)內(nèi)的差異運(yùn)動(dòng)或應(yīng)變，不會(huì)因參考框架的不同而有所變化。因此，在研究地殼形變特征時(shí)，對(duì)應(yīng)變進(jìn)行分析具有更加明晰的意義。

2.1 應(yīng)變計(jì)算方法

利用GPS位移求解應(yīng)變，分平面坐標(biāo)系求解和球面坐標(biāo)系求解兩大類。通常情況下，如果GPS位移場的覆蓋范圍較小，則可用忽略地球曲率影響的平面坐標(biāo)系公式計(jì)算相應(yīng)區(qū)域的均勻應(yīng)變、整體平移和旋轉(zhuǎn)(Jaeger et al.，1964)。但更嚴(yán)密的做法應(yīng)是無論區(qū)域的大小，均盡可能采用球面坐標(biāo)系下的計(jì)算方法，以克服地球曲率或投影變形等因素產(chǎn)生的影響(石耀霖等，2006)。本文采用地球坐標(biāo)系的下列公式(1)進(jìn)行了應(yīng)變計(jì)算(Savage et al.，2001):

式(1)中，φ、θ和r分別為地球坐標(biāo)系下的經(jīng)度角、余緯度角和地心距。uφ、uθ和ur分別表示各觀測(cè)點(diǎn)的E向、N向和垂向的位移(此值通?？蓮腉PS處理結(jié)果獲得);φ0、θ0和r0表示觀測(cè)網(wǎng)中心點(diǎn)的坐標(biāo);Uφ、Uθ和Ur表示觀測(cè)網(wǎng)中心點(diǎn)3個(gè)方向的位移;Δφ、Δθ和Δr表示觀測(cè)點(diǎn)到觀測(cè)網(wǎng)中心點(diǎn)的距離，表示各應(yīng)變分量，表示旋轉(zhuǎn)量。因此，只要知道了3個(gè)或以上GPS觀測(cè)點(diǎn)的E向、N向和垂向三維速度值，就可用最小二乘擬合，求出觀測(cè)網(wǎng)的上述9個(gè)參數(shù):。

在實(shí)際應(yīng)用中，如果GPS垂向速度(或位移)分量的可靠性較差，則可忽略垂向運(yùn)動(dòng)，即假設(shè)ur和Ur為0，則可從公式(1)的第3個(gè)方程導(dǎo)出。這樣，式(1)將簡化為

如果想用球面的Euler矢量(B，L，Ω)表述整網(wǎng)的剛性運(yùn)動(dòng)，則

通常情況下，基于區(qū)域GPS站點(diǎn)所構(gòu)建的Delaunay三角形網(wǎng)格，可以計(jì)算每個(gè)三角形區(qū)域的應(yīng)變。但是，由于GPS觀測(cè)站在空間分布上疏密不均，這樣的計(jì)算結(jié)果往往不易分析應(yīng)變?cè)诓煌瑓^(qū)域空間上的變化規(guī)律。為此，首先采用τ=0.95的張力樣條內(nèi)插算法(Wessel et al.，1998;Gan et al.，2007)，將離散的GPS位移場按照0.5°×0.5°經(jīng)緯網(wǎng)格內(nèi)插為空間上連續(xù)分布的規(guī)則位移場，然后對(duì)每個(gè)1°×1°區(qū)域用相關(guān)的9個(gè)網(wǎng)格值計(jì)算其平均應(yīng)變。由此可獲得空間上連續(xù)分布的應(yīng)變場。

2.2 同震應(yīng)變場

基于上述應(yīng)變計(jì)算方法，利用東北部區(qū)域的42個(gè)連續(xù)GPS觀測(cè)站的同震位移場，獲得了本區(qū)域的同震應(yīng)變場(圖4中的紅色張量箭頭)。從圖4可見，此次地震造成的同震應(yīng)變，整體上以SEE方向的強(qiáng)烈拉張為主。最大主應(yīng)變方向呈扇形大致指向震中區(qū)域。在郯廬斷裂北段的依蘭-伊通斷裂一帶，具有相對(duì)較大的同震應(yīng)變，最大值出現(xiàn)在吉林長春以東地區(qū)，量值達(dá)42.9 nanostrain。

圖4 中國東北部地區(qū)的背景應(yīng)變率場和3·11日本大地震引起的同震應(yīng)變場Fig.4 The background strain rate field and the coseismic strain field of the northeastern China induced by the great east Japan earthquake.

2.3 震前應(yīng)變場

根據(jù)東北部區(qū)域232個(gè)GPS站點(diǎn)的震前速度場資料，計(jì)算獲得了該區(qū)域的長期背景應(yīng)變率場，即區(qū)域每年的應(yīng)變積累圖像(圖4中的藍(lán)色張量箭頭)。從以上結(jié)果可以看出，中國東北地區(qū)，其整體應(yīng)變水平較低，平均量值＜1.85 nanostrain/a，屬于比較典型的穩(wěn)定構(gòu)造塊體;在鄂爾多斯東緣的太行山山前斷裂帶和京西北地區(qū)張家口-蓬萊斷裂帶周圍，具有相對(duì)較為突出的應(yīng)變累積率，量值達(dá)5.11～14.03 nanostrain/a，且主應(yīng)變的拉張(或擠壓)與斷裂運(yùn)動(dòng)方式相一致。在華北地區(qū)的山東、河南和江蘇一帶，整體應(yīng)變水平較低，平均量值＜1.98 nanostrain/a，亦表現(xiàn)為比較典型的穩(wěn)定構(gòu)造塊體。

將日本大地震的同震應(yīng)變與所研究區(qū)域的長期背景應(yīng)變率相比，發(fā)現(xiàn)兩者在主應(yīng)變方向和大小等方面，整體上并無明顯一致性。這次地震主要影響了東北區(qū)域應(yīng)變積累水平，同震位移在一瞬間所產(chǎn)生的應(yīng)變，相當(dāng)于該區(qū)域約12.7a的長期積累。在東北以外的其他區(qū)域，同震應(yīng)變對(duì)背景應(yīng)變場的整體影響并不明顯。

3 幾個(gè)重點(diǎn)斷裂段的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)變化

中國東北部區(qū)域發(fā)育一系列活動(dòng)斷裂帶，比如郯廬大斷裂中-北段、張家口-蓬萊斷裂帶以及太行山山前斷裂等，這些斷裂帶控制著本區(qū)域主要地震的發(fā)生(徐杰等，1998，2000;鄧起東等，2002;張培震等，2003)。如郯廬斷裂中-北段曾產(chǎn)生了1668年郯城8.5級(jí)大地震以及1975年海城7.3級(jí)地震(張培震等，2003)。

為了更加精細(xì)地探究3·11日本大地震的發(fā)生對(duì)中國東北部地區(qū)的地殼形變場變化態(tài)勢(shì)和主要活動(dòng)斷裂的影響，基于上述應(yīng)變分析的結(jié)果，選取了4個(gè)重要的活動(dòng)斷裂區(qū)段(圖4中灰色區(qū)域)，利用一系列跨斷裂連續(xù)GPS基線兩端相對(duì)位置在震前、震時(shí)和震后變化的時(shí)間序列進(jìn)行斷裂微運(yùn)動(dòng)狀況的分析。采用GPS基線端點(diǎn)相對(duì)位置變化來進(jìn)行微地殼形變的研究，具有以下兩方面的優(yōu)勢(shì):1)單個(gè)GPS站點(diǎn)的坐標(biāo)位置時(shí)間序列，即便源于嚴(yán)格的數(shù)據(jù)處理流程，仍然會(huì)包含或殘留著一系列偶然誤差和系統(tǒng)誤差，如參考框架的歸化影響、區(qū)域電離層、平流層波動(dòng)影響等。但是，對(duì)于相距不遠(yuǎn)的2個(gè)GPS站點(diǎn)，在其各自的時(shí)間序列中，有很多誤差成分和干擾影響具有很強(qiáng)的共模性或相關(guān)性，故通過它們的互差，能夠消除共模誤差，更好地反映實(shí)際的相對(duì)位置變化;2)通過跨斷裂兩點(diǎn)相對(duì)位置在斷裂平行和垂直方向上的變化，能夠更加直觀和清晰地反映斷裂拉張(或擠壓)或左旋(或右旋)的運(yùn)動(dòng)方式。

3.1 跨斷裂GPS基線端點(diǎn)相對(duì)位置變化

圍繞4個(gè)重點(diǎn)活動(dòng)斷裂區(qū)段，我們選取了11個(gè)連續(xù)GPS觀測(cè)站，構(gòu)建了7條基線，計(jì)算得到了各基線兩端相對(duì)位置在斷裂走向和垂向上變化的時(shí)間序列。關(guān)于各斷裂區(qū)段的傾向和走向如表1所示(定義N向?yàn)?°，順時(shí)針增大，走向與傾向遵循右手準(zhǔn)則)。具體計(jì)算方法如下:

式(4)中Vstr表示沿?cái)鄬幼呦虻倪\(yùn)動(dòng)量，Vpen表示垂直斷層走向的運(yùn)動(dòng)量，Vn表示位于斷層上盤的基線端點(diǎn)相對(duì)于下盤基線端點(diǎn)的N向運(yùn)動(dòng)值，Ve表示位于斷層上盤的基線端點(diǎn)相對(duì)于下盤基線端點(diǎn)的E向運(yùn)動(dòng)值，θ表示斷層的走向。由于斷層走向已知，因而計(jì)算結(jié)果誤差只與基線端點(diǎn)的N向和EW向運(yùn)動(dòng)速度誤差有關(guān)，最終計(jì)算結(jié)果如圖5～11所示，圓點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)量，線段為誤差棒。

3.2 斷裂運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)變化和地震危險(xiǎn)性分析

表1 中國東北部主要斷裂帶傾向與走向Table 1 The dip and strike of major fault in northeastern China

圖5～11顯示，3·11日本大地震對(duì)我們所關(guān)注的4個(gè)斷層區(qū)段的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的擾動(dòng)方式和程度明顯不同。其中，郯廬斷裂帶北段所受同震和震后影響最明顯，中段所受影響次之。而鄂爾多斯塊體周緣的張家口-蓬萊斷裂帶以及太行山山前斷裂帶則基本不受影響，震前震后變化趨勢(shì)并不明顯。

由于地震的孕育受到應(yīng)力大小與積累程度的控制，如果將上地殼簡單地假設(shè)為彈性介質(zhì)，則活動(dòng)構(gòu)造地殼應(yīng)變或應(yīng)變率的大小將直接關(guān)系到區(qū)域的應(yīng)力積累和地震危險(xiǎn)性水平。按照傳統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，如果一個(gè)斷裂區(qū)段的長期背景運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為某種方式的運(yùn)動(dòng)(如正斷拉張、逆斷擠壓左旋走滑、右旋走滑、走滑兼逆沖、走滑兼傾滑等)，而一次大地震的同震影響和震后弛豫形變影響在原來的運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上繼續(xù)強(qiáng)化同樣的運(yùn)動(dòng)方式，則該地震的發(fā)生增加了斷層上原有的應(yīng)力積累水平，未來的地震危險(xiǎn)性將增加。反之，如果地震的影響使斷裂區(qū)段的長期背景運(yùn)動(dòng)方式發(fā)生了反向的變化，則會(huì)降低其原有的應(yīng)力積累水平，因而未來的地震危險(xiǎn)性將有所緩解。

圖5 橫跨郯廬斷裂帶北段連續(xù)GPS基線(JLCB-HLHG)兩端相對(duì)位置變化量時(shí)間序列Fig.5 The time sequence of variation of relative location of endpoints of GPS baseline JLCB-HLHG which crosses the northern segment of Tanlu Fault.

圖6 橫跨郯廬斷裂帶北段連續(xù)GPS基線(JLCB-NMAG)兩端相對(duì)位置變化量時(shí)間序列Fig.6 The time sequence of variation of relative location of endpoints of GPS baseline JLCB-NMAG which crosses the northern segment of Tanlu Fault.

基于上述認(rèn)識(shí)，我們對(duì)4個(gè)活動(dòng)斷裂區(qū)段的運(yùn)動(dòng)方式變化和未來地震危險(xiǎn)性狀況進(jìn)行初步的分析。

3.2.1 郯廬斷裂北部區(qū)段

圖7 橫跨郯廬斷裂帶中段連續(xù)GPS基線(SDLY-SDCY)兩端相對(duì)位置變化量時(shí)間序列Fig.7 The time sequence of variation of relative location of endpoints of GPS baseline SDLY-SDCY which crosses the middle segment of Tanlu Fault.

圖8 橫跨郯廬斷裂帶中段連續(xù)GPS基線(SDZB-SDCY)兩端相對(duì)位置變化量時(shí)間序列Fig.8 The time sequence of variation of relative location of endpoints of GPS baseline SDZB-SDCY which crosses the middle segment of Tanlu Fault.

郯廬斷裂帶是一條長達(dá)1 000km的右旋走滑斷裂帶(鄧起東，2002)，其北段在東北境內(nèi)可分為2段:鶴崗-鐵嶺斷裂和密山-敦化斷裂。早期的研究普遍認(rèn)為郯廬斷裂帶的北段第四紀(jì)以來并無活動(dòng)，而近年來閔偉等(2011)通過高分辨率衛(wèi)星圖像解譯和野外考察，在鶴崗-鐵嶺斷裂的依蘭—伊通段發(fā)現(xiàn)了較新的地表陡坎，改寫了以往的認(rèn)識(shí)?？缭皆摂嗔训?條GPS基線(JLCB-HLHG和JLCB-NMAG)，其端點(diǎn)相對(duì)位置變化的時(shí)間序列，在震前并沒有顯示出明顯的右旋運(yùn)動(dòng)(圖5 a)，但在地震發(fā)生時(shí)，GPS觀測(cè)站HLHG和NMAG相對(duì)于JLCB在平行與垂直斷層走向的方向上發(fā)生了明顯的左旋錯(cuò)動(dòng)和拉張運(yùn)動(dòng)。左旋位移分別為(9.13±6.99)mm和(5.05±6.91)mm，拉張分別達(dá)(8.14±7.35)mm和(16.98±6.32)mm。且震后的變化趨勢(shì)反映輕微的左旋和拉張繼續(xù)進(jìn)行?？紤]到同震的左旋與該斷裂帶長期的右旋走滑性質(zhì)相反，因此，可認(rèn)為3·11日本大地震的發(fā)生降低了該斷裂帶上的應(yīng)力積累水平，使未來的地震危險(xiǎn)性降低。但另一方面，由于拉張運(yùn)動(dòng)會(huì)造成斷裂摩擦力的降低，使斷裂趨于解鎖錯(cuò)動(dòng)。因此，3·11日本大地震對(duì)該斷裂段的地震危險(xiǎn)性影響是正是負(fù)，尚不能簡單定論。

圖9 橫跨張家口-蓬萊斷裂帶連續(xù)GPS基線(NMZL-HECX)兩端相對(duì)位置變化量時(shí)間序列Fig.9 The time sequence of variation of relative location of endpoints of GPS baseline NMZL-HECX which crosses the Zhangjiakou-Penglai Fault.

圖10 橫跨張家口-蓬萊斷裂帶連續(xù)GPS基線(NMZL-SXLQ)兩端相對(duì)位置變化量時(shí)間序列Fig.10 The time sequence of variation of relative location of endpoints of GPS baseline NMZL-SXLQ which crosses the Zhangjiakou-Penglai Fault.

3.2.2 郯廬斷裂中部區(qū)段

郯廬斷裂帶中段位于山東、江蘇境內(nèi)，第四紀(jì)以來右旋走滑強(qiáng)烈，新構(gòu)造變形主要集中在宿遷以北地區(qū)(施煒等，2003)。跨越該斷裂的2條GPS基線(SDCY-SDLY和SDCY-SDZB)，其端點(diǎn)相對(duì)位置變化的時(shí)間序列，在震前呈現(xiàn)輕微的右旋走滑運(yùn)動(dòng)和拉張運(yùn)動(dòng)(圖6，7)。在地震發(fā)生時(shí)，2條基線端點(diǎn)并沒有發(fā)生階越式的運(yùn)動(dòng)，而在震后1個(gè)月左右的時(shí)間后，SDCY-SDLY基線似乎出現(xiàn)了4mm的階越式左旋運(yùn)動(dòng)(圖6 a)，但SDCY-SDZB基線并沒有明顯地反映這一現(xiàn)象，它所反映的是震后的斷裂加快了右旋運(yùn)動(dòng)(圖7 a)。在拉張運(yùn)動(dòng)方面，SDCY-SDLY基線反映出斷裂在震前有明顯的拉張運(yùn)動(dòng)，在震后拉張速率略有降低(圖6，7)?？紤]到該斷裂段右旋走滑兼拉張的長期運(yùn)動(dòng)背景，我們認(rèn)為3·11日本大地震對(duì)其整體影響為緩壓，并未增加該斷裂段未來的地震危險(xiǎn)性。至于地震發(fā)生時(shí)為何基線兩端未出現(xiàn)明顯變化，而在一段時(shí)間后似乎出現(xiàn)了階越式左旋運(yùn)動(dòng)，需要進(jìn)一步深入探討。

圖11 橫跨太行山山前斷裂帶連續(xù)GPS基線(SXCZ-HELY)兩端相對(duì)位置變化量時(shí)間序列Fig.11 The time sequence of variation of relative location of endpoints of GPS baseline SXCZ-HELY which crosses the Taihangshan piedmont fault.

3.2.3 張家口-蓬萊斷裂帶

張家口-蓬萊斷裂帶是中國華北地震構(gòu)造區(qū)內(nèi)的一條走向近EW的活動(dòng)構(gòu)造帶，總體表現(xiàn)為左旋走滑性質(zhì)，是1969年渤海7.4級(jí)地震、1976年唐山7.8級(jí)地震以及1998年張北6.2級(jí)地震的發(fā)震構(gòu)造(徐杰等，1998)。從圖9，10可以看出，該斷裂帶在3·11日本地震前活動(dòng)強(qiáng)度不大，只存在微弱的拉張運(yùn)動(dòng)，地震發(fā)生時(shí)也未出現(xiàn)明顯差異運(yùn)動(dòng)。但震后出現(xiàn)了特殊的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)。其中，橫跨斷裂的GPS基線NMZL-HECX反映出斷裂在地震后約1a時(shí)期表現(xiàn)為右旋擠壓運(yùn)動(dòng)，隨后則回歸到左旋拉張運(yùn)動(dòng)(圖9)?？紤]到斷裂帶本身的左旋走滑性質(zhì)，這反映出地震的發(fā)生使得斷層積累的應(yīng)力得到短暫的釋放，隨后區(qū)域應(yīng)力又再次回歸背景水平。而另一條基線NMZL-SXLQ，其端點(diǎn)變化只反映了震后短期內(nèi)的擠壓運(yùn)動(dòng)(圖9)。2條基線所反映的斷裂運(yùn)動(dòng)狀況的細(xì)微差異，反映出斷裂不同區(qū)段的活動(dòng)性有所不同，斷裂東段的活動(dòng)性要強(qiáng)于西段?？傮w而言，雖然此次地震緩解了該地區(qū)的應(yīng)力積累，但其很快恢復(fù)到背景應(yīng)力積累狀態(tài)，未來地震危險(xiǎn)性不容忽視。

3.2.4 太行山山前斷裂帶

太行山山前斷裂帶位于太行山脈與華北平原過渡帶，總體呈NE向展布，第四紀(jì)活動(dòng)性不強(qiáng)，無歷史強(qiáng)震記載(徐杰等，2000)，從圖11橫跨斷裂的連續(xù)GPS基線HELY-SXCZ端點(diǎn)相對(duì)位置變化結(jié)果來看，地震前和地震時(shí)并無明顯差異，這說明該斷裂帶活動(dòng)性較弱，且受地震影響小。不過，從震后的基線變化可看出一些輕微拉張運(yùn)動(dòng)?？紤]到斷裂本身的活動(dòng)性很弱，且地震的影響并不明顯，因而我們推斷此次日本地震的影響范圍并未波及到山西地塹系，該區(qū)域的地震危險(xiǎn)性水平無顯著變化。

綜合上述同震應(yīng)變分析和跨斷裂連續(xù)GPS基線端點(diǎn)相對(duì)位置變化時(shí)間序列的分析，我們認(rèn)為3·11日本地震總體上緩解了中國東北部地區(qū)的應(yīng)力積累。需要指出的是，當(dāng)評(píng)價(jià)一個(gè)區(qū)域的地震危險(xiǎn)性時(shí)，獲知其應(yīng)力的相對(duì)增加或緩解固然重要，但更重要的是了解該區(qū)域目前的絕對(duì)應(yīng)力水平。因?yàn)榈卣鸬陌l(fā)生是區(qū)域絕對(duì)應(yīng)力水平超過巖石介質(zhì)屈服強(qiáng)度后的表現(xiàn)，而目前尚無有效的方法來直接確定區(qū)域絕對(duì)應(yīng)力水平。當(dāng)然，根據(jù)區(qū)域應(yīng)力積累的加強(qiáng)或緩解可以推知未來地震的發(fā)生是否提前或推遲。因此，GPS地殼形變結(jié)果表明，此次日本地震在整體上推遲了中國東北部地區(qū)潛在地震發(fā)生時(shí)間，在某種程度上緩解了該區(qū)域的地震危險(xiǎn)性。

4 結(jié)論

本文以中國東北部地區(qū)的GPS觀測(cè)資料為基礎(chǔ)，研究了2011年3月11日日本MW9.0大地震對(duì)中國東北部地區(qū)的地殼形變場狀態(tài)、活動(dòng)構(gòu)造的運(yùn)動(dòng)方式及地震危險(xiǎn)性態(tài)勢(shì)的影響。根據(jù)震前中國東北部區(qū)域230余個(gè)GPS觀測(cè)站資料所獲取的長期地殼應(yīng)變率場與3·11日本地震所引起的同震地殼應(yīng)變場的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者在主應(yīng)變方向和大小等方面，整體上并無明顯的一致性。這次地震主要影響了中國東北區(qū)域應(yīng)變積累水平，同震位移在一瞬間所產(chǎn)生的應(yīng)變，相當(dāng)于該區(qū)域約12.7a的長期積累。而在東北以外的其他區(qū)域，同震應(yīng)變對(duì)背景應(yīng)變場的整體影響并不明顯。

基于一系列跨斷裂連續(xù)GPS基線端點(diǎn)相對(duì)位置的時(shí)間變化序列，發(fā)現(xiàn)3·11日本地震使位于中國東北區(qū)域的郯廬斷裂北段發(fā)生了明顯的左旋錯(cuò)動(dòng)和拉張運(yùn)動(dòng)，且震后的變化趨勢(shì)反映著輕微的繼續(xù)左旋和拉張;而對(duì)于郯廬斷裂的中段，這次地震并沒有產(chǎn)生明顯的錯(cuò)動(dòng)和拉張，僅使其震后的右旋運(yùn)動(dòng)速率有輕微的加快;對(duì)于華北地區(qū)的張家口-蓬萊斷裂帶，雖然在地震后約1a時(shí)期內(nèi)表現(xiàn)為右旋擠壓運(yùn)動(dòng)，但隨后則快速回歸到原有的左旋拉張運(yùn)動(dòng)，反映出這次地震的發(fā)生使該斷裂的應(yīng)力積累首先得到短暫的釋放，隨后區(qū)域應(yīng)力又回歸到原有水平;太行山山前斷裂帶的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)未受日本地震的顯著影響。總體而言，3·11日本大地震的發(fā)生，使中國東北部區(qū)域的地殼應(yīng)變積累和應(yīng)力水平有所緩解，在整體上將推遲中國東北部地區(qū)潛在地震發(fā)生的時(shí)間，因此，在某種程度上緩解了該區(qū)域的地震危險(xiǎn)性。

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THE IMPACT OF 2011 TOHOKU-OKI EARTHQUAKE IN JAPAN ON CRUSTAL DEFORMATION OF NORTHEASTERN REGION IN CHINA

CHEN Wei-tao1)GAN Wei-jun1)XIAO Gen-ru1，2)LIANG Shi-ming1)SHENG Chuan-Zhen1)

1)State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
2)East China Institute of Technology，F(xiàn)uzhou City，Jiangxi Fuzhou 344000，China

This paper studies the impact of the MW9.0 Tohoku-Oki earthquake，March 11，2011，Japan on the crustal deformation，active fault movement and earthquake risk in northeastern China by using continuous GPS data.The result shows that the direction and amount of principal strain is different between coseismic and interseismic strain field.The Japan earthquake mainly affects the level of strain accumulation in northeastern China.The coseismic strain accumulation is equivalent to about 12.7-years long-term background strain accumulation.In other regions，the impact of coseismic strain on the background strain rate isn't obvious.Based on the coseismic strain and background strain rate，we select 4 major active faults for the analysis by using the relative movement time sequence of endpoints of GPS baselines which cross the Tanlu Fault，Zhangjiakou-Penglai Fault and Taihangshan piedmont fault，respectively.We find that the earthquake produced obvious left-lateral slip and extensional slip on the north segment of Tanlu Fault，and there is a tendency of slight continuous left-lateral movement and extension after the earthquake.But on the middle segment of Tanlu Fault，there is no obvious evidence of coseismic movement，but a slight increase of the right-lateral slip rate after the earthquake.As for Zhangjiakou-Penglai Fault located in North China，the fault was characterized by obvious right-lateral movement and extrusion in about one year after the earthquake，then resumed quickly to the original left-lateral movement and extension.This means that the fault's accumulated stress was released temporarily by the earthquake，then the regional stress resumed to its original level.The movement of Taihangshan piedmont fault isn't affected by this earthquake，therefore we infer that the earthquake affected areas did not spread to the Shanxi Rift System.In one word，the crustal strain accumulation and stress level of northeastern region in China is released by Tohoku-Oki earthquake，so we believe that the earthquake risk is reduced to a certain extent.

3·11 Tohoku-Oki earthquake，crustal deformation，strain accumulation，earthquake risk analysis

P315.5

A

0253-4967(2012)03-0425-15

10.3969/j.issn.0253-4967.2012.03.004

2012-04-15收稿，2012-06-11改回。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“青藏高原現(xiàn)今隆升擴(kuò)展速率及構(gòu)造形變模式的GPS觀測(cè)研究(41174082)”資助。

陳為濤，男，1983年生，中國地震局地質(zhì)研究所在讀博士，主要從事GPS數(shù)據(jù)處理、地殼形變分析和地球動(dòng)力學(xué)研究，E-mail:weitaochen@foxmail.com。