川滇塊體東邊界主要斷裂帶運(yùn)動特性及動力學(xué)機(jī)制研究

魏文薪

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029）

（作者電子信箱，魏文薪：wwx09130510＠126．com）

作為青藏高原東南緣的川滇塊體，變形劇烈，地震頻發(fā)。川滇塊體的側(cè)向擠出滑移造成了東邊界的左旋剪切變形，不同的地震學(xué)者利用不同的方法得出了重要的定量結(jié)果。大地測量技術(shù)特別是GPS技術(shù)的快速發(fā)展，為斷裂帶形變場研究提供了高精度的觀測數(shù)據(jù)，也給研究斷裂帶動態(tài)變化特征及其動力學(xué)機(jī)制提供了動態(tài)觀測資料約束。因此，有必要綜合利用塊體運(yùn)動模型、斷裂帶本身的構(gòu)造變形定量分析及數(shù)值模擬方法，給出鮮水河—安寧河—則木河—小江斷裂帶的運(yùn)動特征及應(yīng)變積累特性的定量結(jié)果。

斷裂帶運(yùn)動特征的分析方法主要有構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和大地測量，兩類方法在該斷裂帶上已取得了不少研究成果。同時(shí)注意到，不同的研究學(xué)者用不同的方法得到了在變形性質(zhì)上具有一致性但在定量特征上有不盡相同的結(jié)果，那么這種差異性應(yīng)該如何解釋？斷裂帶的變形與塊體的相對運(yùn)動密切相關(guān)，并且不同的段落運(yùn)動特性存在差異性，是否可以將斷裂帶本身的變形與塊體的運(yùn)動模型相結(jié)合，得到更加精細(xì)的結(jié)果？斷裂帶地表的變形有其深層的動力學(xué)原因，將有限元模型及連續(xù)變形模型（最小二乘配置方法）相結(jié)合，是否可以得出更加合理的斷裂帶動力學(xué)機(jī)制？針對上述問題，本文將塊體運(yùn)動模型、斷裂帶構(gòu)造變形定量分析方法、數(shù)值模擬方法及連續(xù)變形模型（最小二乘配置）綜合應(yīng)用到川滇塊體東邊界斷裂帶運(yùn)動特性的研究中。

1 川滇塊體東邊界主要斷裂帶運(yùn)動特性研究

本文簡要介紹了川滇塊體東邊界主要斷裂帶鮮水河—安寧河—則木河—小江斷裂帶，利用1999—2007年時(shí)段的GPS速度場數(shù)據(jù)，針對本文所涉及到的川滇塊體、巴顏喀拉塊體以及華南塊體，分別對3個模型（剛體旋轉(zhuǎn)模型（RRM）、塊體整體旋轉(zhuǎn)與均勻應(yīng)變模型（REHSM）及塊體整體旋轉(zhuǎn)與線性應(yīng)變模型（RELSM））的殘差及無偏性進(jìn)行了估計(jì)，同時(shí)比較分析了川滇塊體與細(xì)化分的川滇塊體的殘差；本文還對殘差中誤差進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：與RRM和REHSM模型相比，RELSM的殘差均小于其余兩種模型的殘差；從計(jì)算的殘差中誤差的結(jié)果也可以看出，RELSM值最??；細(xì)化分的川滇塊體速度殘差小于川滇塊體速度殘差的GPS站點(diǎn)約占58%，川北及川南的速度殘差與川滇塊體的速度殘差相比未見明顯的改善，其主要原因是RELSM考慮到了塊體內(nèi)部的非線性的變化過程；對于REHSM，細(xì)劃分后的川滇塊體的速度殘差與川滇塊體的速度殘差相比有了明顯的改善，也就是說，利用REHSM描述塊體運(yùn)動特征及變形特征時(shí)，對川滇塊體進(jìn)一步劃分較為合理。綜上所述，RELSM對塊體的描述優(yōu)于其他2種模型，擬合塊體整體運(yùn)動較好。

進(jìn)一步，以地質(zhì)學(xué)方法為基礎(chǔ)，對該斷裂帶進(jìn)行細(xì)化分段，將鮮水河—安寧河—則木河—小江斷裂帶進(jìn)行分段：鮮水河斷裂帶分為北西段、中段、南東段；安寧河及則木河斷裂帶不分段；小江斷裂帶分為北段、中段、南段。分別利用3種模型計(jì)算了斷裂帶左旋滑動速率。利用剛體旋轉(zhuǎn)模型所得到的斷裂帶滑動速率為：鮮水河斷裂帶，北西段11．5mm／a，中段11．9mm／a，南東段12．1mm／a；安寧河斷裂帶9．9mm／a；則木河斷裂帶8．9mm／a；小江斷裂帶，北段10．4mm／a，中段11．4mm／a，南段11．3mm／a。結(jié)果表明，利用剛體旋轉(zhuǎn)模型所得到鮮水河斷裂和小江斷裂帶的滑動速率與利用地學(xué)方法的結(jié)果相當(dāng)；似乎安寧河斷裂與則木河斷裂帶得到的值要比地質(zhì)學(xué)方法得到的值偏大，這是由于大涼山斷裂的影響所導(dǎo)致的，扣除其影響所得到的值與地質(zhì)學(xué)方法得到的值也是一致的。利用線性應(yīng)變模型所得到的結(jié)果表明，各斷裂分段滑動速率要顯著的小于地質(zhì)學(xué)方法得到的滑動速率，這是由于線性應(yīng)變模型考慮到了塊體內(nèi)部的非均勻變化，但是它可以分辨出斷裂帶的分段差異性；鮮水河斷裂北東段的滑動速率大于中段和南東段，這是由于北東段的斷裂結(jié)構(gòu)簡單，而中段和南東段斷裂結(jié)構(gòu)復(fù)雜；小江斷裂北段和中段的滑動速率大于南段，這是由于曲江—石屏斷裂對塊體運(yùn)動的部分吸收作用所導(dǎo)致的。

2 川滇塊體東邊界主要斷裂帶應(yīng)變積累特性研究

首先，在上述斷裂分段結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用反正切函數(shù)擬合平行斷裂帶的GPS速度場，并確定了斷裂帶可能的變形寬度。從計(jì)算結(jié)果可以看出，鮮水河斷裂北西段及中段的震間期的變形特征與其他斷裂帶的變形特征有顯著不同?？赡艿脑?yàn)椋浩湟?，鮮水河斷裂帶附近（東北側(cè)）的其他斷裂系統(tǒng)的影響導(dǎo)致了斷裂帶兩端變形的不對稱性；其二，可能有斷裂帶變形的復(fù)雜性，有待進(jìn)一步研究。從所得到的斷裂帶可能的變形寬度可以看出，安寧河斷裂帶的變形寬度最大，也就是說其閉鎖程度最高，鎖定深度最深，地震危險(xiǎn)性也較高。本文所得到的結(jié)果與利用其他方法確定斷裂帶地震空段及危險(xiǎn)性的結(jié)果較為一致。雖然小江斷裂帶也是地震學(xué)家較為關(guān)注的活動斷層，但小江斷裂帶的危險(xiǎn)性低于安寧河斷裂帶。

其次，根據(jù)斷裂帶本身構(gòu)造變形定量分析方法，綜合分析了鮮水河—安寧河—則木河—小江斷裂帶的應(yīng)變積累情況。計(jì)算結(jié)果表明：① 強(qiáng)震通常發(fā)生在活動強(qiáng)烈的斷裂帶，且斷裂局部段落處于相對閉鎖的高應(yīng)變積累狀態(tài)。根據(jù)變形參數(shù)公式可以求出反映變形強(qiáng)弱的MF。各斷裂MF的值均比較大，反映了該斷裂帶的構(gòu)造變形劇烈的整體特征。②TA表示沿?cái)嗔褞Ъ魬?yīng)變率和垂直斷裂方向正應(yīng)變引起的總變形量占斷裂帶扭錯率的比重。從計(jì)算結(jié)果來看，安寧河斷裂帶求得的結(jié)果趨近于0．9，說明斷層面趨于閉鎖，變形量主要由應(yīng)變引起。③ 對于走滑為主的鮮水河—安寧河—則木河—小江斷裂帶，異常強(qiáng)度主要看剪切變形率異常強(qiáng)度比SA，從計(jì)算結(jié)果來看，斷層活動相對閉鎖的高應(yīng)變率積累段為安寧河斷裂帶。與前述的變形寬度及其他方法所得到的結(jié)果是一致的。④SA和TA所求得的高應(yīng)變積累段均為安寧河斷裂帶，即該斷裂帶的剪切變形在整個構(gòu)造變形中起主導(dǎo)作用。

3斷裂帶各分段動態(tài)運(yùn)動特性研究 以小江斷裂帶為例

首先，利用1999—2001，2001—2004，2004—2007年3個短時(shí)間尺度的GPS速度場數(shù)據(jù)，采用塊體運(yùn)動及線性應(yīng)變模型分析了斷裂帶運(yùn)動的時(shí)空特征，并結(jié)合GPS剖面分析方法，分析了該斷裂帶的應(yīng)變積累情況。① 時(shí)空特征結(jié)果表明，小江斷裂的各分段左旋走滑趨勢沒有變化，部分段略帶有擠壓的趨勢，但量值較小。因此，小江斷裂整體為左旋走滑為主的運(yùn)動特征；小江斷裂從北段到南段，走滑速率逐漸減?。粡拇怪睌嗔褞У乃俾士?，斷裂帶北段和南段拉張速率較大，中北段和中南段略帶有擠壓特征。從所得到的滑動速率值來看，比GPS剖面分析和反演方法得到的結(jié)果偏小，比地質(zhì)學(xué)結(jié)果也偏小。這是由于塊體運(yùn)動的線性應(yīng)變模型考慮到了塊體內(nèi)部的非均勻變化過程，也就是說，塊體內(nèi)部的斷裂也吸收部分塊體整體運(yùn)動導(dǎo)致了計(jì)算結(jié)果變小。但是其空間變化特征與其他方法得到的結(jié)果還是一致的。② 小江斷裂各段應(yīng)變積累特征表明，北段高于中北段，中南段及南段不利于應(yīng)變積累或積累水平低；小江斷裂帶北段為相對閉鎖且剪切應(yīng)變積累速度較高的異常區(qū)域。

4 川滇塊體東邊界運(yùn)動及變形的動力學(xué)機(jī)制研究

基于FEPG有限元自動生成系統(tǒng)，建立研究區(qū)域的三維有限元模型，研究區(qū)域橫向分塊，包括川滇塊體、巴顏喀拉塊體、華南塊體及斷裂帶。縱向分層原則：根據(jù)該區(qū)域主要地震的深度，將地殼分為上地殼及其下地殼，上地殼深度為15km，下地殼的厚度根據(jù)塊體的不同而有所不同。由于我們只關(guān)注地殼的變形特征，因此縱向的深度只延伸到下地殼。各塊體的參數(shù)主要是依據(jù)該區(qū)域的地質(zhì)與地球物理的研究結(jié)果所得到。采用maxcell粘彈性本構(gòu)關(guān)系，利用連續(xù)變形模型（最小二乘配置方法）施加邊界條件，在施加邊界過程中，分別利用3個塊體，根據(jù)最小二乘配置方法得到各塊體邊界的位移約束；加載時(shí)間為1 000年，時(shí)間步長為10年，通過數(shù)值模擬方法研究斷裂帶運(yùn)動特性及應(yīng)變積累情況。結(jié)果表明：① 斷裂帶各分段滑動速率為：鮮水河斷裂帶8．5mm／a，安寧河斷裂帶5．3mm／a，則木河斷裂帶5．0mm／a，小江斷裂帶8．9mm／a，這與地質(zhì)學(xué)方法得到的數(shù)值相當(dāng)，說明所建立模型較為合理；② 從所得到的應(yīng)變值來看，安寧河斷裂帶為應(yīng)變值較高的區(qū)域，與地表分析方法得到的結(jié)果是一致的，也與利用其他地質(zhì)學(xué)方法得到的結(jié)果是一致的；③ 通過模擬結(jié)果可以看出，研究區(qū)域巖石圈流變結(jié)構(gòu)，以及該區(qū)域本身的地形特點(diǎn)、斷裂帶本身的幾何特征，導(dǎo)致了斷裂帶這種長期的變形特性。