汶川震后龍門山周邊活動(dòng)地塊構(gòu)造變形及斷裂活動(dòng)

熊 維 譚 凱 喬學(xué)軍 王 偉

1 中國地震局地震研究所（地震大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071

2 中國地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071

李強(qiáng)等［1］處理了1999～2007網(wǎng)絡(luò)工程GPS數(shù)據(jù)和2009、2011年陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)GPS數(shù)據(jù)，獲得較新的中國大陸地殼運(yùn)動(dòng)速度場。陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)在2013年又觀測了1期，增強(qiáng)了速度場分析的精度和可靠性。然而，2008年龍門山斷裂中段發(fā)生汶川Mw7.9地震，龍門山斷裂的解鎖和地震釋放的巨大應(yīng)力勢必對(duì)龍門山周邊區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生重要影響。

本文基于1999～2013陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)工程GPS觀測資料，結(jié)合地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)資料，通過對(duì)汶川地震前后研究區(qū)域地塊形變模式和斷層活動(dòng)性狀的研究，分析了研究區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造運(yùn)動(dòng)模式與應(yīng)變分配及其與區(qū)域地震活動(dòng)性的關(guān)系，并討論了汶川地震對(duì)上述過程的影響。

1 活動(dòng)塊體劃分與活動(dòng)性狀

1.1 活動(dòng)塊體劃分

龍門山地區(qū)斷層十分發(fā)育，地震頻發(fā)，可分為巴顏喀拉地塊（包括東部的龍門山塊體）、川西北地塊（分為南北兩部分）、滇中地塊、華南地塊和柴達(dá)木地塊等數(shù)個(gè)次級(jí)塊體（圖1）。

1.2 活動(dòng)塊體運(yùn)動(dòng)學(xué)特征

1.2.1 塊體整體旋轉(zhuǎn)與均勻應(yīng)變模型

本文參考趙靜等［2］的做法，利用塊體整體旋轉(zhuǎn)與均勻應(yīng)變模型描述各活動(dòng)地塊。塊體旋轉(zhuǎn)與均勻應(yīng)變模型［3］認(rèn)為，塊體運(yùn)動(dòng)包括剛性旋轉(zhuǎn)和塊體內(nèi)部變形，且塊體內(nèi)部變形是均勻的。觀測點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度為由相鄰塊體的剛性旋轉(zhuǎn)引起的速度與塊體內(nèi)部均勻變形引起的速度之和。其公式如下：

其中，

式中，λ、φ分別為觀測點(diǎn)經(jīng)、緯度，Ve、Vn為東方向速度和北方向速度，ωx、ωy、ωz為塊體的歐拉矢量，r為塊體的平均曲率半徑，λ0、φ0為塊體的幾何中心經(jīng)度和幾何中心緯度，εe、εne、εen、εn為區(qū)域內(nèi)應(yīng)變率張量。由于塊體應(yīng)變均勻，因此εe、εne、εen、εn為常數(shù)且εen＝εne。式（1）內(nèi)有ωx、ωy、ωz、εe、εne、εn6個(gè)未知量，因此需要3個(gè)以上的GPS站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算。

1.2.2 塊體邊界差異運(yùn)動(dòng)

塊體邊界斷層的長期滑移速率——塊體邊界差異運(yùn)動(dòng)速率可以通過兩個(gè)塊體的旋轉(zhuǎn)在其邊界處的速度差得到，而這兩個(gè)塊體的運(yùn)動(dòng)都可以通過球坐標(biāo)下的歐拉矢量表示。兩個(gè)相鄰塊體i和j邊界斷層上長期滑移速率計(jì)算公式如下：

式中，Ωi、Ωj分別為i、j板塊的歐拉矢量，Ωij為兩個(gè)板塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。利用式（3）可由兩個(gè)板塊的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)求得這兩個(gè)板塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

在板塊運(yùn)動(dòng)模型已知的情況下，可以求得兩個(gè)相鄰板塊邊界上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)：

式中，r為測站的位置矢量，為r處兩個(gè)板塊的邊界差異運(yùn)動(dòng)速率。由活動(dòng)地塊的歐拉運(yùn)動(dòng)矢量和式（3）、（4），計(jì)算活動(dòng)地塊邊界相對(duì)運(yùn)動(dòng)（表1）。

圖1 研究區(qū)主要活動(dòng)斷裂、塊體劃分與速度場Fig.1 Distribution map of main active faults，blocksand GPS－derived horizontal velocity relative to Eurasia plate in the study region

表1 研究區(qū)活動(dòng)塊體邊界差異運(yùn)動(dòng)Tab.1 The differential movement on block boundary

2 研究區(qū)主要斷裂活動(dòng)性狀

斷層滑動(dòng)速率和斷層閉鎖深度是描述斷裂活動(dòng)性狀的重要依據(jù)，同時(shí)也是地震危險(xiǎn)性分析的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文基于1999～2007和2009～2013GPS速度場資料，以主要塊體間差異運(yùn)動(dòng)結(jié)果為約束，利用基于Okada 模型的Rngchn 程序［6］，反演研究區(qū)主要活動(dòng)斷裂在汶川地震前后的滑動(dòng)速率與斷層閉鎖深度，部分反演模擬值與實(shí)際觀測值的比較見圖2。下面簡要分析主要斷裂的反演結(jié)果（表2，圖3）。

表2 研究區(qū)主要活動(dòng)斷裂滑動(dòng)速率與斷層閉鎖深度Tab.2 Slip rate and locking depth of main active faults

圖2 反演模擬值與觀測值的比較（藍(lán)色箭頭表示速度場觀測值，紅色箭頭表示速度場模擬值）Fig.2 Comparison between analog value and observed value（The blue arrows represent observations while the red arrow indicates the value of the simulation）

圖3 汶川地震前后斷裂滑動(dòng)速率（藍(lán)色箭頭表示傾滑分量，紅色箭頭表示走滑分量）Fig.3 Slip rate of main active faults before and after Wenchuan earthquake（The blue arrows represent dip－slip rate while the red arrow indicates strike－slip rate）

從反演結(jié)果來看，塊體整體旋轉(zhuǎn)和內(nèi)部均勻應(yīng)變模型與塊體運(yùn)動(dòng)和邊界斷層彈性位錯(cuò)模型所得斷裂活動(dòng)速率大部分相差不大，差異較大的區(qū)域集中在昆侖斷裂西部，除了模型差異原因，主要是數(shù)據(jù)量較少所致。塊體運(yùn)動(dòng)和內(nèi)部均勻變形模型的優(yōu)點(diǎn)是根據(jù)大尺度的宏觀場給出結(jié)果，結(jié)果穩(wěn)定性好；而塊體運(yùn)動(dòng)和邊界彈性位錯(cuò)模型考慮了邊界閉鎖深度和傾滑運(yùn)動(dòng)的影響，理論比較嚴(yán)密。下面主要根據(jù)后者的結(jié)果進(jìn)行討論分析。

2.1 東昆侖斷裂

東昆侖斷裂是柴達(dá)木地塊與巴顏喀拉地塊的分界，以左旋走滑為主，近代地震活動(dòng)性很強(qiáng)?；谛l(wèi)星影像解譯和野外考察測量，李陳俠等［9］認(rèn)為東昆侖斷裂西段（托索湖斷裂）平均水平速率為10.8±1mm／a，中段（瑪沁斷裂）平均水平滑動(dòng)速率為9.3±2mm／a，東段（瑪曲斷裂）平均水平滑動(dòng)速率為4.9±1.3mm／a。本文結(jié)果較之略大，這可能是由于不同的研究方法引起的（李陳俠等利用的是地質(zhì)學(xué)方法）。本文結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果均揭示，東昆侖斷裂水平滑動(dòng)速率從西至東呈梯度下降，但是并沒有出現(xiàn)Kirby所認(rèn)為的150km 內(nèi)滑動(dòng)速率迅速衰減的現(xiàn)象［10］。

2.2 鮮水河－安寧河－則木河－小江斷裂

鮮水河－安寧河－則木河－小江斷裂是研究區(qū)活動(dòng)性最強(qiáng)的左旋走滑斷裂帶，由北到南依次為鮮水河斷裂、安寧河斷裂、則木河斷裂和小江斷裂。王閻昭等［8］利用連接斷層元模型給出鮮水河斷裂、安寧河斷裂、則木河斷裂和小江斷裂左旋走滑速率依次為8.9～17.1mm／a、5.1±2.5mm／a、2.8±2.3mm／a和9.4±1.2mm／a；丁開華等［7］利用斷層速度剖面法給出的以上斷層左旋走滑速率分別為10.0±1.0 mm／a、11.4±0.4 mm／a、7.1±0.5 mm／a和7.8±0.8 mm／a。本文結(jié)果與上述文獻(xiàn)結(jié)果基本吻合。

魏文薪等［11］認(rèn)為，鮮水河南段、安寧河、則木河斷裂閉鎖程度相對(duì)于川滇地區(qū)其他活動(dòng)斷裂較高。由本文結(jié)果可看出，鮮水河瀘定－石棉段、安寧河和則木河斷裂震后斷層閉鎖深度均大于20km。

2.3 龍門山斷裂

趙靜等［2］給出了龍門山斷裂在汶川地震前后的滑動(dòng)速率與閉鎖深度，其結(jié)果與本文十分吻合。龍門山斷裂南段震后滑動(dòng)速率與斷層閉鎖深度均明顯上升，說明汶川地震發(fā)生后，龍門山斷裂北段發(fā)生破裂并解鎖，其同震擾動(dòng)和震后蠕滑作用加快了龍門山斷裂南段的應(yīng)力積累，并最終促使了2013年蘆山地震的發(fā)生。

3 研究區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與應(yīng)變分配

3.1 巴顏喀拉塊體

本文結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果均揭示東昆侖斷裂水平滑動(dòng)速率呈現(xiàn)出西強(qiáng)東弱的特征，由北西托索湖段的13mm／a左右逐漸下降至南東瑪曲段的6.7 mm／a左右，說明青藏高原物質(zhì)向東擠出作用由西向東連續(xù)而漸變地減弱。由于受到華南塊體阻擋，巴顏喀拉塊體東部在龍門山地區(qū)形成巨大的推覆構(gòu)造。在此作用下，東昆侖斷裂走向在其東端塔藏段迅速偏轉(zhuǎn)為近南北向，并與岷江斷裂、龍日壩斷裂、虎牙斷裂交匯，在此，沿東昆侖斷裂帶向東逸出的青藏高原物質(zhì)部分被地殼縮短所吸收，驅(qū)使岷山－龍門山地區(qū)山體抬升。

東昆侖斷裂閉鎖深度由西向東逐漸升高。西段在經(jīng)過了瑪尼地震、昆侖山口西地震后，應(yīng)力基本釋放完畢，處于震間蠕滑階段，應(yīng)力并未充分積累，滑動(dòng)速率較快且閉鎖深度較低。東昆侖斷裂東部瑪曲段是該斷裂著名和唯一的地震空區(qū)，缺乏歷史地震使得該地區(qū)應(yīng)力長期積累，這種狀況在該地區(qū)較低的滑動(dòng)速率和較高的閉鎖深度上有所體現(xiàn)。

受汶川地震的影響，東昆侖斷裂的滑動(dòng)速率在震后有所上升，且東段增加量大于中段和西段，說明汶川地震的發(fā)生加速了巴顏喀拉塊體向南東方向的運(yùn)動(dòng)，且距離汶川地震震中越近，這種加速作用越大。

3.2 川滇菱形塊體

3.2.1 川西北塊體

鮮水河斷裂滑動(dòng)速率結(jié)果呈現(xiàn)出與東昆侖斷裂相似的西強(qiáng)東弱的特征，其走向在接近華南地塊部分顯著向南北向偏轉(zhuǎn)，說明沿羌塘、川西北塊體逸出的高原物質(zhì)運(yùn)動(dòng)方向由西向東逐漸向南偏轉(zhuǎn)。川西北塊體受到來自羌塘塊體的向東推擠和華南塊體的強(qiáng)烈阻擋作用，其運(yùn)移方向被迫向南偏轉(zhuǎn)，并在川滇菱形塊體中部遇到雜巖體的阻礙，形成帶有較大逆沖分量的麗江－小金河斷裂。

龍門山斷裂與鮮水河斷裂交匯于瀘定附近，鮮水河斷裂的爐霍－瀘定段處于巴顏喀拉塊體與川西北塊體的交界處，位于龍門山斷裂與麗江－小金河斷裂的西側(cè)，瀘定－石棉段位于龍門山斷裂以東、華南塊體與川西北塊體的交界處。比較汶川地震前后的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鮮水河爐霍－瀘定段滑動(dòng)速率在震后明顯下降，而瀘定－石棉段在震后上升。此外，麗江－小金河斷裂滑動(dòng)速率逆沖分量在汶川震后亦顯著上升。這說明在汶川地震后，巴顏喀拉塊體相對(duì)于羌塘塊體和川西北塊體加速向東運(yùn)動(dòng)，而川西北塊體亦受到汶川地震影響，相對(duì)于穩(wěn)定的華南塊體加速向南東方向運(yùn)動(dòng)。

3.2.2 滇中塊體

川西北塊體向南東方向的滑移量經(jīng)過麗江－小金河斷裂的吸收與調(diào)整，傳遞給位于其南部的滇中塊體。安寧河－則木河－小江斷裂系是滇中塊體的東邊界，其走向由南東逐漸偏轉(zhuǎn)向近南北，證明了滇中塊體向南南東向的運(yùn)移和自身的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。滇中塊體的自旋作用使塊體邊界存在區(qū)域應(yīng)變響應(yīng)，形成小江斷裂系南部張性傾滑分量和北部雁列的多條北東向右旋走滑斷裂。值得一提的是，其中的包谷垴－小河斷裂即是2014－08－03云南魯?shù)榈卣鸬脑姓饠鄬?。此外，安寧河－則木河－小江斷裂系的傾滑分量由北段的擠壓逐漸變化至南段的拉張。

比對(duì)汶川地震庫侖應(yīng)力結(jié)果［12］可以看出，同震釋放的應(yīng)力對(duì)滇中地區(qū)影響已非常微弱。然而安寧河、則木河和小江斷裂在汶川震后滑動(dòng)速率均有所上升，說明在羌塘和川西北塊體的加速推擠下，滇中塊體的運(yùn)移速率有所增加。

4 結(jié) 語

本文基于1999～2013陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)工程GPS觀測資料，分析了汶川地震前后龍門山周邊地區(qū)活動(dòng)地塊運(yùn)動(dòng)學(xué)特征和主要斷裂活動(dòng)性狀。結(jié)果顯示，巴顏喀拉、川西北和滇中塊體在向南東運(yùn)移的同時(shí)，自身作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；東昆侖、鮮水河等大型走滑斷裂左旋速率自西向東逐漸降低，在其南東段走向向近南北向偏轉(zhuǎn)；安寧河－則木河－小江斷裂系的傾滑分量由北段的擠壓逐漸變化至南段的拉張。這些現(xiàn)象說明，在印度板塊向歐亞大陸的北北東向俯沖和青藏高原東西向的重力滑塌作用下，青藏高原物質(zhì)的東向擠出遇到華南地塊強(qiáng)硬阻擋后，其運(yùn)移方向發(fā)生向南偏轉(zhuǎn)，造就了東昆侖、鮮水河等大型走滑斷裂和龍門山斷裂、麗江－小金河斷裂等逆沖構(gòu)造，并造成活動(dòng)地塊邊界的多處應(yīng)變響應(yīng)；在多條逆沖斷層的吸收和調(diào)整作用下，高原物質(zhì)運(yùn)動(dòng)幅度由西向東、由北至南逐漸降低，并驅(qū)使逆沖帶區(qū)域地殼增厚與山體抬升。

2008汶川地震使龍門山斷裂解鎖，龍門山斷裂、麗江－小金河斷裂的逆沖速率和安寧河－則木河－小江斷裂走滑速率顯著上升，巴顏喀拉、羌塘、川西北塊體加速向南東運(yùn)移，并推動(dòng)滇中塊體的運(yùn)動(dòng)。這種現(xiàn)象表明，研究區(qū)地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是一個(gè)完整有機(jī)的系統(tǒng)，不同地塊間通過邊界斷裂的錯(cuò)動(dòng)進(jìn)行相互作用與調(diào)整。

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