汶川MS8.0地震前后龍門山斷裂周邊地殼形變特征及地震危險(xiǎn)性分析

陳為濤

（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

汶川MS8.0地震前后龍門山斷裂周邊地殼形變特征及地震危險(xiǎn)性分析

陳為濤

（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

2008年5月12日發(fā)生在青藏高原東緣龍門山斷裂帶的汶川MS8.0大地震，使中國(guó)大陸遭受了自1976年唐山MS7.8地震以來(lái)最大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，死亡或失蹤人數(shù)近9萬(wàn)，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)9 000億人民幣。根據(jù)震后的重新定位，此次地震的震中位于103.352°N，30.961°E，震源深度約為16 km。震源機(jī)制以逆沖為主，兼具右旋走滑。地震形成長(zhǎng)達(dá)約240 km的地表主破裂，地面最大垂直錯(cuò)距和右旋水平錯(cuò)距分別為5.0 m和4.8 m，整個(gè)地表破裂的平均錯(cuò)距達(dá)2～3 m。

龍門山斷裂帶地處青藏高原與四川盆地的交界部位，屬松潘—甘孜地塊和華南地塊的邊界斷裂，總體走向NE，傾向NW，長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)性質(zhì)呈擠壓逆沖兼右旋，主體部分由后山斷裂帶（汶川—茂縣斷裂）、中央斷裂帶（映秀—北川斷裂）和前山斷裂帶（灌縣—江油斷裂）和多個(gè)推覆構(gòu)造體組成。

龍門山兩側(cè)巨大的海拔高差和陡峭的地形地貌清晰地展示了強(qiáng)烈的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。但地質(zhì)研究結(jié)果表明，自第四紀(jì)以來(lái)，龍門山斷裂帶僅有2～3 mm／a的平均運(yùn)動(dòng)速率，現(xiàn)今的GPS地殼形變觀測(cè)亦顯示出類似于長(zhǎng)期平均速率的弱構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和低應(yīng)變積累，這使我們輕視了龍門山斷裂在整個(gè)川滇地震構(gòu)造區(qū)的地震危險(xiǎn)性。而汶川地震的發(fā)生，為我們展示了一種超越傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)的罕見地震類型：在板內(nèi)強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)域內(nèi)，一條歷史強(qiáng)震稀少、應(yīng)變積累緩慢、運(yùn)動(dòng)速率低下的弱活動(dòng)逆沖推覆構(gòu)造所產(chǎn)生的巨大地震。因此，對(duì)龍門山斷裂及其周邊區(qū)域的地球動(dòng)力學(xué)環(huán)境、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)學(xué)模式和汶川地震前后的三維地殼形變特征和演化過程進(jìn)行精細(xì)的大地測(cè)量觀測(cè)研究，對(duì)我們深入認(rèn)識(shí)汶川地震的孕震機(jī)理和分析評(píng)定龍門山斷裂及周邊的未來(lái)地震危險(xiǎn)性具有重要的科學(xué)意義。

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，以GPS為代表的空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為我們高精度、高效率、低成本和全天候地獲取各種規(guī)模尺度的地殼運(yùn)動(dòng)和構(gòu)造形變及其動(dòng)態(tài)演化過程提供了革命性的觀測(cè)手段。而龍門山斷裂及其周邊區(qū)域因地處我國(guó)地震活動(dòng)最為強(qiáng)烈的南北地震帶的中段，成為中國(guó)大陸最早開展GPS觀測(cè)研究、最密布設(shè)GPS觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)和最多獲取GPS觀測(cè)資料的區(qū)域之一，并有相對(duì)豐富的傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量和三角測(cè)量觀測(cè)資料。因此，為我們定量研究該區(qū)域的震前地殼形變特征和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)速率、震時(shí)同震地表形變和深部破裂位錯(cuò)、震后馳豫地殼形變演化和巖石圈流變結(jié)構(gòu)，以及未來(lái)的區(qū)域地震危險(xiǎn)性分析等相關(guān)科學(xué)問題提供了至關(guān)重要的約束資料。圍繞這些科學(xué)問題，本論文開展了以下5個(gè)方面的研究工作。

1 龍門山周邊GPS等大地測(cè)量觀測(cè)資料的收集整理與數(shù)據(jù)處理

對(duì)龍門山斷裂及周邊區(qū)域自20世紀(jì)90年代初以來(lái)多家研究機(jī)構(gòu)和不同科研項(xiàng)目所觀測(cè)的GPS資料和部分水準(zhǔn)資料進(jìn)行了系統(tǒng)的收集整理，并對(duì)影響GPS地殼形變觀測(cè)精度的各類主要誤差及相應(yīng)的消除或減弱措施進(jìn)行了歸納總結(jié)。

選用美國(guó)航空航天局（NASA）噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的高精度GPS數(shù)據(jù)前處理軟件GIPSY和后處理軟件QOCA，并采納其先進(jìn)的“精密單點(diǎn)定位”技術(shù)、載波相位整周模糊度解的Ambizap算法及單日解的整體聯(lián)合平差，對(duì)龍門山斷裂近斷層兩側(cè)15個(gè)連續(xù)GPS觀測(cè)站震后3年多的數(shù)據(jù)進(jìn)行了嚴(yán)密處理，獲得了高精度的站點(diǎn)坐標(biāo)變化時(shí)間序列，為定量研究汶川地震后，龍門山斷裂的精細(xì)運(yùn)動(dòng)變化和非線性馳豫形變提供了至關(guān)重要的資料。

2 汶川地震前龍門山斷裂及其周邊的三維地殼形變特征

以汶川地震前龍門山斷裂帶及周邊324個(gè)GPS站點(diǎn)的水平速度場(chǎng)、414個(gè)水準(zhǔn)觀測(cè)站的垂直速度場(chǎng)和部分可靠程度較高的活動(dòng)斷裂的長(zhǎng)期平均運(yùn)動(dòng)速率為約束，采用半無(wú)限彈性體斷裂位錯(cuò)模型，構(gòu)建了龍門山地區(qū)活動(dòng)斷裂與地殼形變的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；在綜合反演確定了研究區(qū)域各主要斷裂現(xiàn)今運(yùn)動(dòng)速率等模型參數(shù)的基礎(chǔ)上，基于最佳斷裂位錯(cuò)模型的正演內(nèi)插，獲取了整個(gè)區(qū)域連續(xù)分布的三維地殼運(yùn)動(dòng)場(chǎng)和應(yīng)變率場(chǎng)，得到了以下的主要認(rèn)識(shí)。

（1）在汶川地震發(fā)生之前的間震期，龍門山斷裂帶的水平應(yīng)變率明顯低于其周邊的鮮水河—小江斷裂帶以及東昆侖斷裂帶。龍門山斷裂帶的應(yīng)變能積累主要分布在龍門山斷裂帶兩側(cè)共約150 km的寬度范圍內(nèi)，每100 km×100 km面積范圍的地震矩累積率大約為6.935× 1016N·m／a?？紤]到此次汶川地震約240 km的破裂長(zhǎng)度和約8.03×1020N·m的地震矩能量釋放，我們可根據(jù)地震矩累積率估算出汶川地震的平均復(fù)發(fā)間隔約為3 200年。

（2）我們的區(qū)域斷裂位錯(cuò)模型推測(cè)龍門山地區(qū)相對(duì)四川盆地第四紀(jì)以來(lái)約有1.8±0.2 mm／a的平均垂向隆升速率。考慮到該地區(qū)的剝蝕速率以及基底海拔高度，我們得出該地區(qū)相對(duì)四川盆地有著不高于4 000±500 m的總隆升量，比現(xiàn)今2 500～3 500 m的平均高差約高出1 000 m。這似乎表明地殼縮短和斷裂運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的垂向隆升是龍門山地區(qū)隆起的主要因素，而無(wú)需深部軟流物質(zhì)的堆積拱隆。

（3）基于GPS水平形變資料和水準(zhǔn)測(cè)量垂直形變資料的共同約束，我們的區(qū)域斷裂位錯(cuò)模型推測(cè)龍門山斷裂以南的貢嘎山地區(qū)第四紀(jì)以來(lái)具有高達(dá)2.9±0.2 mm／a的垂向隆升速率。如果假設(shè)僅由斷裂的逆沖位錯(cuò)產(chǎn)生這樣的隆升速率，則龍門山斷裂南部玉農(nóng)希斷裂和麗江—小金河斷裂需要有約3.5 mm／a和約2.9 mm／a的逆沖速率。而實(shí)際的地質(zhì)研究結(jié)果表明，這兩條斷裂僅有約1 mm／a和約0.65 mm／a的長(zhǎng)期平均逆沖速率。因此，推測(cè)貢嘎山地區(qū)的快速隆升，很可能存在深部軟流物質(zhì)的堆積拱隆。

3 基于分層巖石圈粘彈性介質(zhì)的汶川地震同震破裂位錯(cuò)模型研究

在前人基于彈性半無(wú)限空間位錯(cuò)模型和大地測(cè)量同震觀測(cè)資料約束所反演得到的同震破裂模型的基礎(chǔ)上，采用更加接近真實(shí)情況的分層巖石圈粘彈性介質(zhì)模型，對(duì)汶川地震的同震破裂分布進(jìn)行了進(jìn)一步研究，得到如下認(rèn)識(shí)。

（1）本文得到的破裂模型，在18 km以下的滑脫面并沒有發(fā)生明顯滑動(dòng)的情況下，約降低了約8%的加權(quán)殘差平方和，更優(yōu)地?cái)M合了GPS觀測(cè)到的同震形變場(chǎng)。因此，汶川地震的實(shí)際同震破裂面，可能是形態(tài)更簡(jiǎn)單的、深度在18 km以上的鏟型面，斷裂西南段18 km之下或許并不存在額外的破裂面。

（2）汶川地震的同震位錯(cuò)高值區(qū)分布于15 km以上的淺部區(qū)域，大致在虹口段、清平段、北川段和南壩段下部0～10 km處，震源深度以下沒有明顯的高值滑動(dòng)，震源附近的位錯(cuò)并不突出，最大滑動(dòng)值位于地表的虹口一帶，達(dá)到14.68 m。

4 汶川地震震后地殼形變的非線性變化特征和巖石圈粘彈性模型解釋

基于龍門山斷裂周邊15個(gè)連續(xù)GPS觀測(cè)站自2008年汶川地震以來(lái)的觀測(cè)資料，首先定量獲取各站點(diǎn)三維坐標(biāo)變化的時(shí)間序列，然后通過站點(diǎn)間的兩兩組合基線的方式獲取基線端點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)變化，在此基礎(chǔ)上，通過擬合由分層巖石圈粘彈性模型所計(jì)算的理論基線時(shí)間序列，反演確定區(qū)域巖石圈流變結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到如下認(rèn)識(shí)。

（1）龍門山斷裂北段在震后表現(xiàn)出非常明顯的、具有指數(shù)衰減特征的右旋走滑馳豫錯(cuò)動(dòng)變形。在震后3年間右旋走滑平均速率約15 mm／a；而在逆沖擠壓方向上基本呈線性變化，逆沖擠壓量級(jí)不大，縮短速率約4 mm／a；在垂向上的相對(duì)變化不明顯，僅反映出上盤點(diǎn)相對(duì)下盤點(diǎn)有略微的逆沖升高。龍門山斷裂帶中段，震后弛豫錯(cuò)動(dòng)具有明顯的指數(shù)衰減特征，斷裂活動(dòng)以逆沖擠壓為主，兼具右旋走滑，震后3年平均逆沖縮短速率約27 mm／a，右旋走滑速率約7 mm／a，上盤相對(duì)下盤呈持續(xù)線性快速上升，震后3年內(nèi)平均上升速率20 mm／a。在龍門山斷裂南段，震后的右旋走滑和逆沖縮短均表現(xiàn)出指數(shù)衰減特征，兩者運(yùn)動(dòng)量級(jí)相當(dāng)，其中平均右旋走滑速率約8 mm／a，逆沖縮短速率約10 mm／a；在垂向上，震后斷裂上盤相對(duì)下盤存在線性持續(xù)升高，相對(duì)隆升速率約4 mm／a。總的而言，震后形變主要發(fā)生在龍門山斷裂帶中段，整體形變與同震形變具有一致性，從南段的擠壓逆沖到北段的右旋走滑。

（2）通過對(duì)龍門山斷裂帶兩側(cè)不同基線的端點(diǎn)震后相對(duì)運(yùn)動(dòng)研究，反映出龍門山地區(qū)整體的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)特征；不同的是，上盤的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)非線性特征更加明顯，這反映出青藏高原與四川盆地兩者在地殼介質(zhì)上存在明顯不同。此外，位于青藏高原的上盤不同區(qū)段逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)也顯著不同，從南段的南東向運(yùn)動(dòng)逐漸過渡到北段的北西向運(yùn)動(dòng)；垂向上的運(yùn)動(dòng)變化也存在差異，中段相比南北段存在顯著的隆升運(yùn)動(dòng)。在四川盆地的下盤，不同區(qū)段間水平向和垂直向變化并不明顯，基本未出現(xiàn)形變或有輕微形變，這反映了四川盆地地殼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

（3）在連續(xù)GPS基線變化的時(shí)間序列中合理去除長(zhǎng)期斷裂運(yùn)動(dòng)成分、同震位錯(cuò)成分和震后滑移成分后，通過對(duì)分層巖石圈介質(zhì)模型粘彈性馳豫形變特性的最佳擬合，反演獲得龍門山地區(qū)下地殼上地幔的平均粘滯性系數(shù)為1×1019Pa·s。

5 龍門山周邊幾個(gè)強(qiáng)震重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)庫(kù)侖破裂應(yīng)力變化和地震危險(xiǎn)性分析

針對(duì)龍門山斷裂周邊前人基于多學(xué)科研究資料所圈定的4個(gè)未來(lái)強(qiáng)震重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)：西秦嶺斷裂帶監(jiān)視區(qū)，六盤山斷裂帶監(jiān)視區(qū)，海原斷裂帶監(jiān)視區(qū)和東昆侖斷裂帶監(jiān)視區(qū)，我們基于粘彈性靜態(tài)應(yīng)力觸發(fā)模型，研究它們?cè)阢氪ǖ卣鸷蟮膽?yīng)力加／卸載狀況以及未來(lái)強(qiáng)震危險(xiǎn)性程度?？紤]到下地殼上地幔粘彈性松弛效應(yīng)作用的長(zhǎng)期性，在實(shí)際研究過程中，我們不僅考慮汶川地震的作用，還考慮了1920—2010年期間發(fā)生在本區(qū)域及其周邊的其他大于7級(jí)的歷史強(qiáng)震影響，計(jì)算出這些地震在各重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)最可能發(fā)震斷層面上所導(dǎo)致的粘彈性靜態(tài)庫(kù)侖破裂應(yīng)力變化，加上GPS得到的長(zhǎng)期構(gòu)造背景加載下的應(yīng)力積累量，定量分析了每個(gè)重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)近百年來(lái)的庫(kù)侖破裂應(yīng)力變化，并在此基礎(chǔ)上初步分析各重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)的未來(lái)發(fā)震危險(xiǎn)性程度，具體認(rèn)識(shí)如下：

（1）西秦嶺斷裂帶監(jiān)視區(qū)和六盤山斷裂帶監(jiān)視區(qū)均處于長(zhǎng)期構(gòu)造背景場(chǎng)和歷史地震影響共同加載應(yīng)力的狀況，而海原斷裂帶監(jiān)視區(qū)和東昆侖斷裂帶監(jiān)視區(qū)，如果不考慮長(zhǎng)期構(gòu)造背景的應(yīng)力加載，則處于地震影響的卸載狀況。

（2）考慮到這4個(gè)重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)的大震平均復(fù)發(fā)周期及上次大震事件的離逝時(shí)間，我們認(rèn)為，西秦嶺斷裂帶監(jiān)視區(qū)的未來(lái)強(qiáng)震危險(xiǎn)性程度最高，海原斷裂帶次之，然后才是東昆侖斷裂帶和六盤山斷裂帶。

汶川地震；龍門山斷裂帶；GPS觀測(cè)；地殼形變；地震危險(xiǎn)性分析

（作者電子信箱，陳為濤：weitaochen＠foxmail.com）

P315.72＋5；

A；

10.3969／j.issn.0235－4975.2013.11.005