蘆山“4·20”7.0級(jí)地震同震位移場(chǎng)考證及地表變形模式初探

魏文薪 江在森* 鄒鎮(zhèn)宇 楊永林 張 龍 武艷強(qiáng)

1)中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，地震預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100036

2)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

3)四川省地震局測(cè)繪工程院，雅安 625000

0 引言

四川省蘆山“4·20”7.0級(jí)強(qiáng)烈地震發(fā)生后，多位研究者針對(duì)震源機(jī)制、破裂過(guò)程、地表破裂分布等開(kāi)展了深入研究，取得了豐富成果(王衛(wèi)民等，2013;劉杰等，2013;曾祥方等，2013;張勇等，2013;徐錫偉等，2013a，b;趙翠萍等，2013)。徐錫偉等(2013)通過(guò)地質(zhì)調(diào)查認(rèn)為此次地震為一次典型的盲逆斷層地震，破裂沒(méi)有大規(guī)模出露地表;USGS震源機(jī)制結(jié)果表明此次地震為逆沖型地震(http:∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/)，幾乎沒(méi)有走滑分量;我們根據(jù)GPS連續(xù)觀測(cè)給出的同震位移場(chǎng)結(jié)果(武艷強(qiáng)等，2013)認(rèn)為，在較大范圍內(nèi)發(fā)震斷層表現(xiàn)為逆沖錯(cuò)動(dòng)，但在靠近發(fā)震斷層上盤(pán)約70km范圍內(nèi)逆沖位移顯著偏小，不符合斷層錯(cuò)動(dòng)的位移衰減特征，可能是因破裂未達(dá)地表使得逆沖位移被抑制。在發(fā)震斷層西北側(cè)(上盤(pán))靠近發(fā)震斷層約50km范圍表現(xiàn)出典型的斷層左旋剪應(yīng)變釋放特征。因此，GPS同震位移結(jié)果表明這次地震雖以逆沖為主，但兼有左旋應(yīng)變釋放(圖1)。同震地表變形與震源機(jī)制不完全一致的現(xiàn)象引起了一些專家的注意，有專家質(zhì)疑SCTQ和LS05兩個(gè)測(cè)站的觀測(cè)墩在地震時(shí)發(fā)生了S向?yàn)橹鞯膬A斜而導(dǎo)致了上述地表位移中的左旋現(xiàn)象。因此，在研究導(dǎo)致二者不一致現(xiàn)象的物理機(jī)制之前，首先需要對(duì)GPS同震位移結(jié)果特別是位于上盤(pán)的左旋應(yīng)變釋放現(xiàn)象的可靠性進(jìn)行分析。

圖1 GPS測(cè)定的四川蘆山“4·20”7.0級(jí)地震水平位移場(chǎng)(據(jù)武艷強(qiáng)等，2013改繪)Fig.1 Horizontal displacement field of the“4·20”M7.0 Lushan，Sichuan，earthquake measured by GPS(Adapted from WU Yan-qiang et al.，2013).

針對(duì)上述問(wèn)題，我們專門(mén)赴四川蘆山、天全、大邑一帶對(duì)布設(shè)在龍門(mén)山斷裂帶南段發(fā)震斷層附近的LS05等6個(gè)臨時(shí)GPS連續(xù)站進(jìn)行了墩標(biāo)傾斜的測(cè)定，委托四川省地震局測(cè)繪工程院對(duì)SCTQ基準(zhǔn)站墩面水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行高差復(fù)測(cè)，并對(duì)同震過(guò)程地表錯(cuò)動(dòng)和房屋破壞等情況進(jìn)行了調(diào)查。結(jié)果表明，蘆山地震GPS同震位移場(chǎng)中的少量左旋應(yīng)變釋放特征是真實(shí)的。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合震前地殼變形特征，給出了可能的同震變形模式的初步結(jié)果。

1 測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定性分析

1.1 臨時(shí)GPS連續(xù)站墩標(biāo)傾斜測(cè)量結(jié)果

根據(jù)四川省地震局測(cè)繪工程院的建點(diǎn)情況說(shuō)明，臨時(shí)GPS連續(xù)站的墩標(biāo)建設(shè)過(guò)程中只做了觀測(cè)墩天線歸心裝置的置平，而并未進(jìn)行墩面測(cè)平。因此，要獲得觀測(cè)墩相對(duì)建墩時(shí)的傾斜量，直接對(duì)天線歸心裝置進(jìn)行測(cè)量是合理的。為了保證對(duì)此次傾斜測(cè)量的精度，專門(mén)購(gòu)置了標(biāo)稱精度為0.01°的英國(guó)產(chǎn)LEVELD二維電子水平儀(由于天線歸心裝置圓形表面較小，利用此儀器測(cè)量?jī)A斜的精度可能達(dá)不到它的標(biāo)稱精度)。利用該儀器對(duì)LS01(蒲江)、LS02(大邑)、LS04(洪雅)、LS05(蘆山)、LS06(靈關(guān))、LS10(姑咱)等觀測(cè)墩歸心裝置進(jìn)行了傾斜觀測(cè)。測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)點(diǎn)傾斜測(cè)量結(jié)果Table1 Results of pier tilt measurement of observation sites

根據(jù)表1的結(jié)果，結(jié)合GPS同震位移場(chǎng)特征，可以得到如下認(rèn)識(shí):

(1)除LS06和LS10兩測(cè)點(diǎn)外，其余4個(gè)測(cè)點(diǎn)的墩標(biāo)傾斜角度均 ＞0.4°。如果 LS01、LS02、LS04三個(gè)測(cè)站在震前處于水平狀態(tài)，則表1中這3點(diǎn)＞0.4°的傾斜量引起的位移結(jié)果將顯著大于圖1給出的3點(diǎn)同震位移量值。因此，從量值上3點(diǎn)的傾斜量不能與同震位移結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)。上述4個(gè)測(cè)點(diǎn)均為四川省雅安測(cè)繪工程院一個(gè)工作小組所建，采用的置平裝置為同一個(gè)圓水準(zhǔn)氣泡。同時(shí)3個(gè)基巖點(diǎn)(LS01、LS02和LS04)的傾斜互差不超過(guò)0.05°、觀測(cè)期間數(shù)據(jù)穩(wěn)定、同震結(jié)果可解釋，可以推斷該傾斜量很可能為建站時(shí)對(duì)歸心裝置置平過(guò)程中產(chǎn)生的傾斜系統(tǒng)誤差。同時(shí)，LS06和LS10觀測(cè)墩為另一小組采用不同的圓水準(zhǔn)氣泡置平，按照基準(zhǔn)站對(duì)天線歸心裝置傾斜不超過(guò)8'的技術(shù)要求，這2個(gè)測(cè)點(diǎn)墩標(biāo)均無(wú)明顯傾斜，從另一角度輔證了上述推論。而LS05測(cè)點(diǎn)墩標(biāo)傾斜量為0.821°顯著大于同一小組所建的另外3個(gè)測(cè)點(diǎn)，表明相對(duì)建站時(shí)LS05的墩標(biāo)的確發(fā)生了傾斜。

(2)由于LS01等4個(gè)測(cè)點(diǎn)墩標(biāo)均為一個(gè)小組建造，是采用同一圓水準(zhǔn)氣泡對(duì)天線歸心裝置作置平的，上述傾斜系統(tǒng)誤差應(yīng)該對(duì)這4個(gè)測(cè)點(diǎn)均產(chǎn)生影響，下面以3個(gè)基巖點(diǎn)傾斜量的平均值0.426°作為建站時(shí)初始傾斜對(duì)LS05站進(jìn)行分析。設(shè)建站之初LS05站天線歸心裝置存在0.426°的傾斜，傾斜方向未知，圖2給出了不同初始傾斜方向?qū)y(cè)量結(jié)果的影響示意圖。建站時(shí)LS05的傾斜為O點(diǎn)(歸心裝置垂直的位置)至半徑為0.426°的圓周上任一點(diǎn)的P的矢量OP(即OP為原始傾斜量)。LS05測(cè)得的傾斜(OM)為0.821°，而實(shí)際在建站之后發(fā)生的傾斜應(yīng)當(dāng)是圓周上的任意一點(diǎn)P至M的矢量PM。傾斜角度的最大值為1.247°(QM)，傾斜角度的最小值為0.395°(AM)。根據(jù)傾斜角度計(jì)算對(duì)水平位移的影響如下:最小北向傾斜量為24.2mm，最大北向傾斜量為95.6mm;最小西向傾斜量為－1.9mm，最大西向傾斜量為69.4mm。因此，如果假設(shè)該傾斜是由同震引起的，LS05站南向位移量不但不會(huì)減小反而會(huì)增大24.2～95.6mm，該結(jié)果不會(huì)改變同震的左旋應(yīng)變釋放特征。同時(shí)，因LS05仍然沒(méi)有變成向NW運(yùn)動(dòng)，可確定LS05點(diǎn)應(yīng)在上盤(pán)。

(3)此次傾斜測(cè)量中的另一土層點(diǎn)為L(zhǎng)S06，其傾斜量?jī)H為0.068°，滿足基準(zhǔn)站天線歸心裝置傾斜不＞8'的要求。同時(shí)LS06點(diǎn)也在余震區(qū)，其垂直位移量?jī)H次于LS05，主震后3小時(shí)由于余震導(dǎo)致天線信號(hào)電纜線損壞而中斷記錄，足見(jiàn)該點(diǎn)周邊的震動(dòng)也十分強(qiáng)烈。該測(cè)點(diǎn)沒(méi)有明顯傾斜的結(jié)果似乎又顯示觀測(cè)墩的傾斜與土層點(diǎn)及受震晃動(dòng)強(qiáng)烈等不一定有必然聯(lián)系。

圖2 LS05號(hào)點(diǎn)觀測(cè)墩傾斜可能方向示意圖Fig.2 Schematic diagram of possible pier tilt direction of the observation site LS05.

1.2 SCTQ基準(zhǔn)站墩面水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果分析

根據(jù)SCTQ基準(zhǔn)站建站資料，可知在此墩面的4個(gè)方位各埋設(shè)一個(gè)水準(zhǔn)標(biāo)志，編號(hào)分別為GPS1、GPS2、GPS3和GPS4，其對(duì)應(yīng)的方向分別為W，N，E，S(圖3，4)。蘆山地震前于2010年7月進(jìn)行過(guò)一次水準(zhǔn)測(cè)量，2013年7月24日委托四川省地震局測(cè)繪工程院又進(jìn)行了水準(zhǔn)點(diǎn)高差測(cè)量。2次測(cè)量均按一等水準(zhǔn)規(guī)程進(jìn)行，各項(xiàng)限差均符合規(guī)范要求。2次測(cè)量的高差結(jié)果如表2所示。

圖3 SCTQ基準(zhǔn)站水準(zhǔn)標(biāo)志示意圖Fig.3 Schematic diagram of benchmarks in reference station SCTQ.

圖4 SCTQ基準(zhǔn)站水準(zhǔn)標(biāo)志編號(hào)及方位示意圖Fig.4 Schematic diagram of numbers and directions of benchmarks in reference station SCTQ.

表2結(jié)果表明，2010年建站時(shí)N－S高差為－1.51mm，W－E高差為+0.68mm，即北點(diǎn)比南點(diǎn)高1.51mm，東點(diǎn)比西點(diǎn)高0.68mm;與2010年觀測(cè)結(jié)果相比，2013年觀測(cè)結(jié)果在N－S向和W－E向高差值幾乎未發(fā)生變化(互差最大值為0.02mm)。因此，SCTQ基準(zhǔn)站觀測(cè)非常穩(wěn)定，未發(fā)生傾斜。

上述觀測(cè)墩標(biāo)傾斜測(cè)量結(jié)果表明，LS06點(diǎn)和SCTQ基準(zhǔn)站沒(méi)有發(fā)生傾斜，其南向運(yùn)動(dòng)可靠;LS05點(diǎn)相對(duì)建站時(shí)存在一定傾斜量，尚不能排除同震傾斜的可能性，但對(duì)于該點(diǎn)即使其傾斜是由于同震造成的，也不會(huì)減小其南向運(yùn)動(dòng)分量。因此，根據(jù)墩標(biāo)傾斜測(cè)量和水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果可以確定，LS05、LS06和SCTQ表現(xiàn)出的GPS同震位移場(chǎng)中的左旋應(yīng)變釋放特征是可信的。

表2 SCTQ基準(zhǔn)站水準(zhǔn)點(diǎn)高差測(cè)量結(jié)果Table2 Vertical survey results of benchmarks in reference station SCTQ

2 野外地表調(diào)查結(jié)果

根據(jù)前文對(duì)LS05等測(cè)點(diǎn)的分析，可以得出同震位移中左旋應(yīng)變釋放并不能歸結(jié)為觀測(cè)墩傾斜的影響?？紤]到4個(gè)觀測(cè)墩標(biāo)的傾斜量超過(guò)允許值，雖然可以推斷其中有3個(gè)觀測(cè)墩標(biāo)歸心裝置的傾斜很可能來(lái)源于建站時(shí)的系統(tǒng)誤差，但LS05的傾斜量是否發(fā)生在同震時(shí)刻仍然是難以判斷的。另一方面，在文獻(xiàn)(武艷強(qiáng)等，2013)中給出GPS同震位移結(jié)果時(shí)分析認(rèn)為，根據(jù)該區(qū)域背景構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)主壓應(yīng)力方向?yàn)榇笾麓怪睌嗔褞У姆较?，由于蘆山地震破裂未達(dá)到地表，最大應(yīng)力方向的位移在靠近發(fā)震斷層的小范圍可能在很大程度上被抑制，而平行斷裂方向的背景應(yīng)力水平較之要小得多，因此該方向的位移不會(huì)受到抑制而相對(duì)容易發(fā)生，因而導(dǎo)致小范圍左旋位移占優(yōu)勢(shì)。這就初步解釋了地表位移可以與由深部錯(cuò)動(dòng)確定的震源機(jī)制解不完全一致的可能原因。如果上述分析成立，在LS05點(diǎn)附近同震地表破壞情況也應(yīng)當(dāng)有與斷層左旋應(yīng)變釋放特征相匹配的現(xiàn)象。帶著這些疑問(wèn)，此次野外地表調(diào)查主要是針對(duì)該點(diǎn)周邊區(qū)域，包括龍門(mén)鄉(xiāng)古城村、五星村、王家村、駱伙火炬村及蘆山縣城，并在有特征現(xiàn)象的點(diǎn)位利用手持GPS測(cè)量概略經(jīng)緯度，共計(jì)42個(gè)點(diǎn)(圖5)。下面將考察點(diǎn)分為3組進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

圖5 LS05_GPS連續(xù)站周邊野外考察點(diǎn)位圖Fig.5 Spotted map of field investigation sites around GPS continuous observation site LS05.

照1 蘆山縣縣城E03點(diǎn)Photo 1 Site E03 at Lushan county seat.

照2 龍門(mén)鄉(xiāng)五星村D13點(diǎn)oto 2 Site D13 at Wuxing Village，Longmen Township.

照3 龍門(mén)鄉(xiāng)五星村D15點(diǎn)Photo 3 Site D15 at Wuxing Village，Longmen Township.

照4 龍門(mén)鄉(xiāng)王家村B05點(diǎn)Photo 4 Site B05 at Wuxing Village，Longmen Township.

照5 駱伙火炬村C04點(diǎn)Photo 5 Site C04 at Huoju Village，Luohuo.

圖6 建筑物地表變形特征示意圖Fig.6 Sketch of deformation characteristics of surface buildings.

2.1 第1組考察點(diǎn)

第1組考察點(diǎn)中E03點(diǎn)為L(zhǎng)S05號(hào)點(diǎn)附近的電線桿，它有明顯的NE向傾倒的趨勢(shì);D13點(diǎn)為五星村的村用水塔，這個(gè)現(xiàn)象就更加明顯，整體向NE向傾倒;D15點(diǎn)為龍門(mén)鄉(xiāng)五星村的住戶，房子木質(zhì)房梁有明顯的NE向運(yùn)動(dòng)。上述現(xiàn)象表明，地震時(shí)在地表產(chǎn)生了SW向的加速運(yùn)動(dòng)，使得地表建筑物有向NE向傾倒的趨勢(shì)(圖6)，該結(jié)果與LS05測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)出來(lái)的SW向運(yùn)動(dòng)特征具有一致性。

2.2 第2組考察點(diǎn)

第2組考察點(diǎn)中B05點(diǎn)的水泥路面錯(cuò)動(dòng)表現(xiàn)為沿NE向右旋剪切特征，該點(diǎn)所在路線距LS05的垂直距離約為3km，右旋錯(cuò)動(dòng)量值約為2.5cm;C04點(diǎn)的水泥路面也表現(xiàn)與B05相似的右旋剪切變形;C07點(diǎn)的水泥路面為NE向，調(diào)查結(jié)果顯示路面沿NW向有錯(cuò)動(dòng)裂縫，表現(xiàn)為左旋特征，量值約為3.0cm。由于發(fā)震斷層在地震過(guò)程發(fā)生左旋錯(cuò)動(dòng)的同震位移衰減引起NS向拉張變形，并考慮到圖1的同震位移沿發(fā)震斷層存在左旋應(yīng)變釋放特征，可知位于上盤(pán)一側(cè)沿NE向則表現(xiàn)為右旋剪切變形，而與之垂直方向的變形則表現(xiàn)為左旋剪切變形(圖7)。

圖7 地表變形特征示意圖Fig.7 Schematic diagram of surface deformation characteristics.

照6 駱伙火炬村C07點(diǎn)Photo 6 Site C07 at Huoju Village，Luohuo.

照7 駱伙火炬村C00點(diǎn)Photo 7 Site C00 at Huoju Village，Luohuo.

照8 駱伙火炬村C03點(diǎn)Photo 8 Site C08 at Huoju Village，Luohuo.

2.3 第3組考察點(diǎn)

從第3組考察點(diǎn)可以看出，基本都反映了逆沖型地震的地表變形特征。駱伙村的C00和C03點(diǎn)均反映了地震過(guò)程中產(chǎn)生的NE向的次級(jí)裂縫，其次，在火炬村測(cè)量了8個(gè)點(diǎn)，即C00～C07點(diǎn)，并且這種NE向裂縫一直從C00點(diǎn)延伸至C07點(diǎn)，大概600m。據(jù)當(dāng)?shù)乩相l(xiāng)稱，這種NE向裂縫行跡在地震后還向兩邊延伸;B07點(diǎn)和B04點(diǎn)即為明顯的地殼擠壓縮短變形。綜上所述，在兩盤(pán)對(duì)沖的過(guò)程中而破裂未到達(dá)地表的情況下，在地表就會(huì)形成一系列的NE向的張性裂縫，并且在局部又產(chǎn)生地殼擠壓縮短變形。

照9 龍門(mén)鄉(xiāng)王家村B07點(diǎn)Photo 9 Site B07 at Wuxing Village，Longmen Township.

照10 龍門(mén)鄉(xiāng)王家村B04點(diǎn)Photo 10 Site B04 at Wuxing Village，Longmen Township.

3 討論和初步結(jié)論

(1)LS01、LS02、LS04、LS05、LS06和LS10測(cè)點(diǎn)傾斜測(cè)量結(jié)果表明，前3個(gè)和后2個(gè)測(cè)點(diǎn)的傾斜量表現(xiàn)出明顯的分群特征，根據(jù)同震位移和實(shí)地調(diào)查結(jié)果，前3個(gè)測(cè)點(diǎn)的傾斜與同震位移結(jié)果不能關(guān)聯(lián)，考慮到建站時(shí)采用了同一個(gè)圓氣泡置平裝置，認(rèn)為初始置平過(guò)程產(chǎn)生了傾斜系統(tǒng)誤差的可能性較大。由于LS05測(cè)站(土層點(diǎn))與上述3個(gè)測(cè)點(diǎn)采用了同樣的建站置平裝置，但其傾斜量值明顯偏大(沿330.617°方向傾斜約0.821°)，即使假定相對(duì)建站時(shí)觀測(cè)墩標(biāo)發(fā)生的傾斜就發(fā)生在同震過(guò)程，最終影響均不改變?cè)擖c(diǎn)同震南向位移為主的特征。而同在余震區(qū)的LS06測(cè)點(diǎn)(土層點(diǎn))的傾斜量十分有限，可以忽略不計(jì)，似乎表明觀測(cè)墩的傾斜與土層點(diǎn)及受震晃動(dòng)強(qiáng)烈等不一定有必然聯(lián)系。這就是說(shuō)LS05站觀測(cè)墩標(biāo)的傾斜也可能是建站初期發(fā)生的。水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果表明SCTQ基準(zhǔn)站十分穩(wěn)定，未發(fā)生傾斜。

(2)汶川地震的同震位移顯示，跨蘆山發(fā)震斷層垂直斷裂帶速率顯示明顯的擠壓連續(xù)變形特征，平行斷裂帶速率表現(xiàn)了左旋連續(xù)變形的特征;汶川地震后到蘆山地震前這一時(shí)段，跨蘆山發(fā)震斷層垂直斷裂帶速率仍然顯示為明顯擠壓的變形特征，但是較汶川地震前呈現(xiàn)增強(qiáng)態(tài)勢(shì)，平行斷裂帶的速率仍然表現(xiàn)為左旋連續(xù)變形的特征。隨后蘆山地震的發(fā)生，同震位移結(jié)果表現(xiàn)為西北盤(pán)靠近斷層50km的范圍內(nèi)左旋應(yīng)變釋放特征(圖8)是不難理解的。

(3)地表調(diào)查結(jié)果表明，地殼擠壓縮短變形特征較為明顯;LS05測(cè)點(diǎn)附近的電線桿、五星村的水塔等存在NE向傾倒趨勢(shì)，表明震時(shí)地面存在SW向加速運(yùn)動(dòng)。有路面存在NE向展布的右旋裂縫及NW向展布的左旋裂縫，表明同震位移沿發(fā)震斷層存在左旋應(yīng)變釋放特征，而位于上盤(pán)一側(cè)沿NE向則表現(xiàn)為右旋剪切特征。同時(shí)，由于發(fā)震斷層在地震過(guò)程發(fā)生左旋錯(cuò)動(dòng)的同震位移衰減(武艷強(qiáng)等，2013)引起SN向拉張變形也會(huì)造成NW向發(fā)生左旋剪切裂縫與NE向右旋剪切裂縫。因此，野外地質(zhì)考察結(jié)果與GPS同震位移結(jié)果是一致的，即此次地震以逆沖為主，且上盤(pán)一側(cè)存在左旋應(yīng)變釋放特征。

圖8 汶川地震同震和蘆山地震前變形特征示意圖(汶川地震同震數(shù)據(jù)引自Wang et al.，2011)Fig.8 Schematic diagram of coseismic deformation characteristics of Wenchuan earthquake and the deformation before Lushan earthquake(Coseismic data of Wenchuan earthquake are from Wang et al.，2010).

(4)我們從此次地震是否引起了觀測(cè)墩標(biāo)傾斜的討論中也汲取了一些教訓(xùn)。首先，在建站過(guò)程中要充分考慮周邊的地質(zhì)特征，并嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建站，對(duì)于一些臨時(shí)站的設(shè)置也應(yīng)盡量從嚴(yán);其次，臨時(shí)的GPS連續(xù)站也應(yīng)設(shè)立4個(gè)水準(zhǔn)標(biāo)志，以動(dòng)態(tài)跟蹤觀測(cè)墩位傾斜(我們已委托四川省地震局測(cè)繪工程院完成了每個(gè)點(diǎn)位補(bǔ)增4個(gè)水準(zhǔn)標(biāo)志的工作);最后，在觀測(cè)條件允許的情況下，應(yīng)盡量減少土層點(diǎn)，若必須選土層點(diǎn)，應(yīng)特別注意基坑開(kāi)挖深度。

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