大涼山次級塊體周邊斷層的閉鎖特征

趙 靜 劉 杰 牛安福 閆 偉

(中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045)

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心測定，北京時間2014年8月3日16時30分云南省昭通市魯?shù)榭h發(fā)生了 MS6.5地震，震中位于27.1°N，103.3°E，震源深度為12km(http://www.cenc.ac.cn/publish/cenc/904/20140803164411140707936/index.html)。魯?shù)榈卣鹗且淮胃邇A角左旋走滑型地震(張廣偉等，2014)，發(fā)震斷層為NW向包谷垴－小河斷裂，是NE向昭通－魯?shù)閿嗔严礜W向次級走滑斷層(中國地震局地質(zhì)研究所，2014)。昭通－蓮峰斷裂帶由昭通、蓮峰兩條NE向斷裂帶組成，其中昭通斷裂帶的前緣主斷裂為會澤－彝良斷裂，斷裂帶平行展布于川滇交界東段、四川大涼山南部至云南昭通之間的地區(qū)，局部進入貴州境內(nèi)(聞學(xué)澤等，2013)。近10年來，該構(gòu)造帶及其附近區(qū)域(大涼山次級塊體周邊)發(fā)生了一系列的中強地震，地震活動較為活躍，包括2003年云南魯?shù)镸S5.0和MS5.1地震、2004年云南魯?shù)镸S5.6地震、2006年云南鹽津2次MS5.1地震、2012年云南彝良MS5.6和MS5.7地震、2014年云南永善MS5.3和MS5.0地震、2014年云南魯?shù)镸S6.5地震、2014年四川越西MS5.0地震等(圖1)。另外，大涼山斷裂帶和昭通－蓮峰斷裂帶附近為M≥7.0級地震危險區(qū)，昭通斷裂帶中、北部存在低b值段，昭通至巧家一帶存在重力顯著變化的異常梯度帶(M7專項工作組，2007)。因此大涼山次級塊體及周邊斷層目前的閉鎖程度和地震危險性如何、是否具有發(fā)生強震的中長期危險背景等成為地學(xué)工作者十分關(guān)注和亟待解決的問題。

GPS流動觀測可以有效監(jiān)測斷裂帶附近地殼變形動態(tài)特征，而地殼變形動態(tài)特征是斷層深淺部動力作用的表現(xiàn)形式，地殼內(nèi)部斷層深淺部的閉鎖與運動狀態(tài)能夠較客觀表征發(fā)震斷裂帶的應(yīng)變積累特征，因此可以利用地表動態(tài)GPS觀測結(jié)果反演斷層深淺部的閉鎖程度、滑動虧損分布等特征，進而判斷斷裂帶未來一段時期內(nèi)地震危險性。汶川地震對大涼山次級塊體周邊地表變形及深部斷層運動可能會產(chǎn)生一定影響，同時考慮到自2009年以后研究區(qū)域GPS觀測的空間分辨率有顯著提高，因此，本文利用1999—2007期中國大陸GPS背景速度場和2009—2013期中國大陸 GPS速度場最新結(jié)果，采用DEFNODE負位錯反演程序估算了大涼山次級塊體周邊斷層在2個階段的斷層閉鎖程度和滑動虧損速率動態(tài)3維分布等，并對該區(qū)域的地震危險性進行了探索性討論。

圖1 研究區(qū)域斷層與地震分布Fig.1 Distribution of faults and earthquakes in the study region.

1 DEFNODE負位錯反演方法基本原理

本文反演研究采用DEFNODE程序(McCaffrey，2002，2007)，該程序假定塊體內(nèi)部點的運動為塊體旋轉(zhuǎn)、塊體內(nèi)部整體均勻應(yīng)變、塊體邊界由于斷層閉鎖產(chǎn)生的滑動虧損而引起的地表彈性變形之和。若塊體內(nèi)部不存在整體均勻應(yīng)變，理論表達式如下:

式(1)中:各參數(shù)的定義見文獻(McCaffrey，2002;趙靜等，2012)，其中φnk為斷層k上節(jié)點n處的閉鎖程度。

若塊體內(nèi)部存在整體均勻應(yīng)變，應(yīng)變率的計算采用Savage等(2001)給出的式(2)。此時模型原理為式(1)加式(2)，其中式(2)表示塊體內(nèi)部均勻應(yīng)變引起的速度量值大小。

式(2)中:各參數(shù)的定義見文獻(Savage et al.，2001;趙靜等，2013b)。

利用GPS水平速度場數(shù)據(jù)反演塊體旋轉(zhuǎn)、塊體內(nèi)部均勻應(yīng)變和斷層閉鎖程度等參數(shù)的過程中，參數(shù)擬合的不符值可由式(3)表征，其中各參數(shù)含義可參考文獻(McCaffrey，2002;趙靜等，2012，2013a)。

2 大涼山次級塊體周邊斷層計算結(jié)果

2.1 兩期GPS數(shù)據(jù)與斷層模型

大涼山次級塊體位于川滇塊體和華南地塊之間，塊體周邊和內(nèi)部斷裂主要包括安寧河斷裂、則木河斷裂、大涼山斷裂、馬邊－鹽津斷裂、昭通－蓮峰斷裂等。其中塊體西側(cè)邊界的安寧河－則木河斷裂帶以左旋走滑運動為主，速率為3～7mm/a(任金衛(wèi)，1994;何宏林等，2007，2008;聞學(xué)澤等，2013;徐錫偉等，2014);大涼山斷裂左旋走滑速率為3～4mm/a(何宏林等，2008;徐錫偉等，2014);馬邊－鹽津斷裂表現(xiàn)出左旋走滑－擠壓逆沖的晚第四紀活動特征，走滑速率推測約為1mm/a(徐錫偉等，2014)、擠壓速率可達0.8mm/a(張世民等，2005;聞學(xué)澤等，2013);NE向昭通－蓮峰斷裂帶表現(xiàn)出右旋走滑兼逆沖、或者以逆沖為主要錯動方式，GPS獲得結(jié)果顯示斷裂帶水平縮短速率為2～6mm/a、水平剪切變形速率為0～3mm/a(聞學(xué)澤等，2013)。

研究區(qū)域以上述幾條主要斷裂帶為界，包含華南地塊、川滇塊體、大涼山次級塊體，其中華南地塊以華鎣山斷裂帶為界劃分為塊體1和塊體2;大涼山次級塊體以大涼山斷裂帶為界，劃分為塊體4和塊體5;川滇塊體編號為塊體3(圖2，其中川滇塊體和華南地塊均是一部分，并未包含整個地塊)。數(shù)據(jù)約束方面，1999—2007期結(jié)果包括124個GPS測點參與反演，其中塊體1包含38個、塊體2包含13個、塊體3包含54個、塊體4包含4個、塊體5包含15個;2009—2013期結(jié)果包括261個GPS測點參與反演，其中塊體1包含117個、塊體2包含21個、塊體3包含94個、塊體4包含11個、塊體5包含18個。GPS速度場解算采用GAMIT/GLOBK軟件(Herring et al.，2010a，b)和 QOCA 軟件(Dong et al.，1998)。

考慮到本課題組針對安寧河－則木河－小江斷裂帶反演結(jié)果進行過相對系統(tǒng)的研究(趙靜等，2014)，因此本文主要對大涼山斷裂、馬邊－鹽津斷裂、昭通－蓮峰斷裂(以其前緣主斷裂會澤－彝良斷裂為主要參考計算斷層)的斷層閉鎖與滑動虧損速率動態(tài)變化進行分析，但在反演計算時將上述斷裂帶同時進行了反演，該做法可以保證不同斷層對GPS速度的影響不被忽略。反演過程中，沿著大涼山斷裂帶和馬邊－鹽津斷裂帶走向各有5條等深線，深度依次為0.1，5，10，15，20km，大涼山斷裂帶每條等深線上有5個節(jié)點，斷層傾角55°、傾向西;馬邊－鹽津斷裂帶每條等深線上有6個節(jié)點，斷層傾角60°、傾向SW;沿著會澤－彝良斷裂帶走向有5條等深線，深度依次為0.1，10，16，19，22km，每條等深線上有8個節(jié)點，根據(jù)聞學(xué)澤等(2013)的研究結(jié)果，斷裂NE段每兩排節(jié)點之間的斷層傾角從地表至深部依次為65°、50°、35°和4°，斷裂SW段每兩排節(jié)點之間的斷層傾角從地表至深部依次為57°、37°、19°和4°。另外，安寧河－則木河－小江斷裂帶的斷層節(jié)點和斷層結(jié)構(gòu)設(shè)置見參考文獻(趙靜等，2014)。利用DEFNODE程序可反演計算得到每個節(jié)點處斷層的閉鎖程度，進而通過雙線性插值方法計算相鄰節(jié)點之間斷層網(wǎng)格(沿走向方向長4km，深度方向?qū)?km)區(qū)域的閉鎖程度。

圖2 研究區(qū)域GPS速度場兩期結(jié)果(相對于華南地塊)與塊體和斷層模型Fig.2 The GPS velocity field of two periods(relative to South China Block)and model of blocks and faults of the study region.

2.2 最優(yōu)模型選擇

由于塊體2、塊體4、塊體5都較小，因此假定其內(nèi)部不存在整體均勻應(yīng)變;塊體1為華南塊體的主要部分，因為華南塊體內(nèi)部變形很弱，因此也假定其內(nèi)部不存在整體均勻應(yīng)變;根據(jù)式(1)和(2)，以卡方值為標準對塊體3(川滇塊體)內(nèi)部是否存在整體均勻應(yīng)變進行了驗證，最優(yōu)模型表明兩期結(jié)果中其內(nèi)部均存在整體均勻應(yīng)變。觀測時間較長的1999—2007期GPS速度場誤差權(quán)重因子f取為1.5≈1.006(觀測值個數(shù)為248，自由度為128)。汶川地震后的2009—2013期GPS速度場誤差權(quán)重因子f取為2.65≈0.993(觀測值個數(shù)為522，自由度為402)。

為了進一步說明模型擇優(yōu)效果，圖3給出了殘差分布。圖3 a結(jié)果顯示，1999—2007期GPS測點的速度殘差值都很小，基本都處在誤差范圍之內(nèi)，表明模型擬合較好。圖3b結(jié)果顯示，2009—2013期GPS測點中，塊體3內(nèi)部分測點、塊體1內(nèi)靠近小江斷裂帶的幾個測點速度殘差值較大;其他測點的速度殘差值較小，也表明模型擬合較好。

圖3 最優(yōu)模型速度殘差Fig.3 Residual velocities of the optimal model.

3 大涼山次級塊體周邊斷層閉鎖與滑動虧損動態(tài)分布

3.1 汶川地震前后斷層閉鎖程度

根據(jù)前面的最優(yōu)模型，得到了汶川地震前后大涼山次級塊體周邊斷層閉鎖程度(φ)的動態(tài)變化分布，圖4和圖5分別為1999—2007期和2009—2013期GPS速度場反演得到的汶川地震前后斷層閉鎖程度。結(jié)果表明，汶川地震前后除大涼山斷裂北段斷層閉鎖有所增強以外，其余斷裂的斷層閉鎖程度并沒有發(fā)生較大變化，地震前后基本保持一致。因為1999—2007期GPS速度場中塊體4內(nèi)包含測點較少，對大涼山斷裂反演結(jié)果的約束性相對較差;而2009—2013期GPS速度場中塊體4內(nèi)包含測點數(shù)量有所增加，對大涼山斷裂反演結(jié)果的約束性較好，所以暫不討論大涼山斷裂北段斷層閉鎖發(fā)生的變化。兩期結(jié)果均顯示大涼山斷裂南段、馬邊－鹽津斷裂、會澤－彝良斷裂(西南端除外)基本為完全閉鎖狀態(tài)(φ=1);會澤－彝良斷裂西南端閉鎖較弱，可能是因為該段處于與小江斷裂北段的交會處，而小江斷裂北段曾發(fā)生1733年東川M和1966年東川M6.5地震，可能目前斷層還沒有完全閉鎖。另外，相關(guān)研究顯示，大涼山斷裂帶和昭通－蓮峰斷裂帶附近為M≥7.0地震危險區(qū)、昭通斷裂帶中部和北部存在低b值段、昭通至巧家一帶存在重力顯著變化的異常梯度帶(M7專項工作組，2012);馬邊－鹽津斷裂帶存在3個尺度不等的異常低b值區(qū)(易桂喜等，2010);魯?shù)椋土贾g的斷裂存在高應(yīng)力閉鎖段，其潛在地震的最大矩震級為MW7.4(聞學(xué)澤等，2013)。雖然近10年來，大涼山次級塊體周邊發(fā)生了2004年云南魯?shù)镸S5.6地震、2012年云南彝良MS5.6和MS5.7地震、2014年云南魯?shù)镸S6.5地震以及多次MS5以上地震等一系列的中強地震，地震活動較為活躍，但是6級地震的斷層面長度僅10km左右，而5級地震只有3km左右(川崎一郎，2013)，因此這些地震應(yīng)該遠不足以釋放整條斷裂帶完全閉鎖時所積累的能量。綜合以上信息可知，目前大涼山斷裂南段、馬邊－鹽津斷裂、會澤－彝良斷裂(西南端除外)仍然具有較大地震發(fā)生的危險性。

圖4 1999—2007期大涼山次級塊體周邊斷層閉鎖程度Fig.4 Fault locking around the Daliangshan sub-block during 1999 －2007 period.

圖5 2009—2013期大涼山次級塊體周邊斷層閉鎖程度Fig.5 Fault locking around the Daliangshan sub-block during 2009 －2013 period.

3.2 汶川地震前后斷層滑動虧損速率分布

圖6a，b顯示，汶川地震前后大涼山次級塊體周邊斷層滑動虧損速率均較小，基本都在4mm/a以內(nèi)，在斷層基本完全閉鎖的情況下表明塊體間斷層的相對運動量值較小。圖6a顯示汶川地震前大涼山斷裂南段滑動虧損速率為3.5～4mm/a，中北段由于閉鎖很弱，滑動虧損速率也很小，斷裂滑動虧損速率以左旋滑動為主，兼有擠壓運動;馬邊－鹽津斷裂整體滑動虧損速率約為1mm/a，具有左旋和擠壓運動分量;會澤－彝良斷裂完全閉鎖段的滑動虧損速率約為2.5mm/a，其中擠壓虧損速率約為2.1mm/a、右旋虧損速率約為1.4 mm/a。圖6b顯示汶川地震后大涼山斷裂南段滑動虧損速率為2～4mm/a，北段由于閉鎖增強，滑動虧損速率也增大到約2mm/a，斷裂滑動虧損速率仍以左旋滑動為主，兼有擠壓運動;馬邊－鹽津斷裂整體滑動虧損速率約為1.5mm/a，較汶川震前稍有增加，仍兼具左旋和擠壓運動;會澤－彝良斷裂完全閉鎖段的滑動虧損速率約為2mm/a，基本都為擠壓虧損速率而右旋虧損速率基本為0，因此右旋滑動虧損速率較汶川震前有所減弱。

圖6 大涼山次級塊體周邊斷層滑動虧損速率Fig.6 Fault slip deficit rate around the Daliangshan sub-block.

4 討論與結(jié)論

大涼山次級塊體周邊斷層的研究程度相對較低，近10年來，該次級塊體附近發(fā)生的中強地震明顯增多，這使得該塊體附近斷層的閉鎖特征和地震危險性等成為亟待研究的問題。本文利用汶川地震前后的1999—2007期和2009—2013期GPS速度場，反演計算了大涼山次級塊體周邊斷層的閉鎖程度和滑動虧損分布，獲得了以下主要認識:

(1)大涼山斷裂(北段除外)、馬邊－鹽津斷裂、會澤－彝良斷裂在汶川地震前后閉鎖程度基本一致，可能表明汶川地震對這3條斷裂帶的影響較弱，而鮮水河－安寧河－則木河斷裂帶承受了汶川地震對該區(qū)域的大部分影響。

(2)兩期結(jié)果均顯示大涼山斷裂南段、馬邊－鹽津斷裂、會澤－彝良斷裂(西南端除外)基本為完全閉鎖。結(jié)合其他方法的研究結(jié)果，我們認為目前這些斷層仍然具有較大地震發(fā)生的危險性。

(3)整體上看，汶川地震前后大涼山次級塊體周邊斷層滑動虧損速率均較小，基本都在4mm/a以內(nèi)。大涼山斷裂以左旋滑動為主、兼有擠壓運動，汶川地震后其北段左旋滑動虧損速率有所增加;馬邊－鹽津斷裂具有很弱的左旋和擠壓運動分量，汶川地震后其左旋和擠壓滑動虧損均稍有增強;會澤－彝良斷裂以擠壓滑動虧損為主、兼有右旋滑動虧損，汶川地震后其右旋分量基本為0。