紅河斷裂帶閉鎖程度和滑動虧損分布特征研究

劉耀輝，李金平，王劉偉

（1.云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明650500；2.西部資源環(huán)境地理信息技術(shù)教育部工程研究中心，云南 昆明650500）

印度／亞洲碰撞以來，在青藏高原東南緣形成許多大型韌性走滑斷裂，如嘉黎-高黎貢山斷裂帶、紅河斷裂帶和鮮水河-小江斷裂帶等。這些斷裂對區(qū)域內(nèi)的地體構(gòu)架以及碰撞造山系起到重要制約和改造作用，造成大量物質(zhì)向南東及向南方向逃逸（側(cè)向擠出）［1］。紅河斷裂是位于云南省境內(nèi)的大型走滑斷裂，是印支地塊與揚子地塊之間的邊界斷裂帶，也是川滇地塊的西南邊界，早期為左旋走滑后轉(zhuǎn)換為右旋走滑。紅河斷裂帶的構(gòu)造活動強度表現(xiàn)出明顯的時空不均勻性或分段特征：北段（苴力以北）現(xiàn)今構(gòu)造活動十分強烈，表現(xiàn)為伸展變形，中段（苴力至春元）表現(xiàn)為右旋剪切運動，南段（春元至紅河河口）表現(xiàn)為壓縮變形。斷裂帶北段多次發(fā)生Ms≥6級以上地震，中段和南段則沒有發(fā)生過，甚至Ms＝5級的地震也很少［2-3］。紅河斷裂不同區(qū)段地震活動性的顯著差異，是活動微弱還是近2000年來一直處于閉鎖狀態(tài)，是一個尚未定論的科學(xué)問題［4］。

地震的孕育和發(fā)生與斷層活動密切相關(guān)。與傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)研究方法相比，GPS大地測量可以提供高精度的地殼形變信息。結(jié)合地質(zhì)學(xué)及地球物理學(xué)成果，以長期的震間GPS速度場作為約束，已成為研究活動斷裂分段及其長期滑動速率的一種重要手段。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者利用GPS測量成果研究青藏高原東南緣內(nèi)的主要活動斷裂的長期滑動速率。其中，紅河斷裂帶的右旋走滑速率為（2～10）mm／a［5-9］，但沒有對紅河斷裂帶的閉鎖程度和滑動虧損分布特征進(jìn)行研究。

本文根據(jù)1999～2013年的青藏高原東南緣的GPS速度場數(shù)據(jù)，使用負(fù)位錯反演模型反演紅河斷裂帶的斷層閉鎖程度、滑動虧損分布和滑動速率，分析斷層三維地殼特征和斷裂活動性，為中長期地震危險性研究提供參考。

1 GPS數(shù)據(jù)

本文所使用的GPS數(shù)據(jù)資料主要來自于“中國地殼運動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”［10-11］觀測成果。GPS觀測站數(shù)據(jù)的采樣間隔為30s，24h為一時段，數(shù)據(jù)處理采用美國JPL的GIPSY軟件，實現(xiàn)獲得各站點坐標(biāo)的單日松弛約束解，然后采用美國JPL的QOCA軟件，進(jìn)行所有單日松弛約束解的聯(lián)合平差，獲得各站點在ITRF2008下的站點坐標(biāo)及三維速度矢量。根據(jù)斷裂分布以及測站的位置，將速度場誤差較大的站點數(shù)據(jù)剔除，最后得到研究區(qū)域相對歐亞參考框架下的GPS測站的速度場，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)GPS速度場（相對于穩(wěn)定歐亞參考框架）

2 塊體模型及斷層幾何模型建立

2.1 塊體模型

震間期塊體內(nèi)部點的GPS速度場是塊體旋轉(zhuǎn)、塊體內(nèi)部整體均勻應(yīng)變、塊體邊界斷層閉鎖產(chǎn)生的彈性應(yīng)變積累之和。McCaffrey［12-14］提出一個假設(shè)塊體內(nèi)部不存在整體均勻應(yīng)變的三維球面塊體模型并給出反演塊體旋轉(zhuǎn)、塊體內(nèi)部均勻應(yīng)變和斷層閉鎖程度等參數(shù)的DEFNODE反演程序，其原理如下：

式中：第一部分為塊體整體運動速度，第二部分為塊體邊界斷裂閉鎖而產(chǎn)生的同震虧損滑動速率，各參數(shù)的定義見文獻(xiàn)［12］。

根據(jù)反演得出每個節(jié)點處的閉鎖程度，進(jìn)而通過雙線性插值方法計算相鄰節(jié)點之間的斷層網(wǎng)格區(qū)域的閉鎖程度。斷層在不同深度位置的閉鎖程度用閉鎖系數(shù)來描述：

式中：v為斷層的實際滑動速率；V0為根據(jù)地塊相對運動計算的理論速率。閉鎖程度φ的取值范圍為0～1。在0～10km的地表附近，斷層完全閉鎖，φ＝1；在斷層的底端，斷層蠕滑，φ＝0。

2.2 斷層幾何模型建立

根據(jù)長期的地質(zhì)數(shù)據(jù)和GPS觀測結(jié)果，參照張培震［5］給出的中國大陸活動塊體劃分方案，以南定河斷裂、紅河斷裂和小江斷裂帶為界將研究區(qū)劃分為滇西塊體、滇南塊體、川滇塊體和華南塊體等4個塊體（見圖1）。

反演過程中斷層參數(shù)的設(shè)置對反演結(jié)果會產(chǎn)生一定的影響，研究中通過對斷層多參數(shù)設(shè)置反演對比估算結(jié)果，將初始斷層閉鎖深度設(shè)置為20km，節(jié)點深度方向從地表起依次為0.1km，6km，12km，16km，20km。每條等深線上有8個節(jié)點，垂直等深線方向有5排節(jié)點（見圖2）。

圖2 斷層三維節(jié)點設(shè)置

3 紅河斷裂帶的閉鎖程度和滑動虧損分布特征

3.1 塊體旋轉(zhuǎn)歐拉極

反演程序使用網(wǎng)格搜索和模擬退火算法求解，得到參數(shù)擬合的總體不符值為＝2.18（自由度為292），紅河斷裂附近測站的速度殘差值很小，且分布較均勻，基本都在誤差允許的范圍內(nèi)，表明模型擬合程度較好。

表1為計算得到的滇西塊體、滇南塊體和川滇塊體相對于華南塊體的歐拉極，速率為負(fù)表示順時針旋轉(zhuǎn)，反之為逆時針旋轉(zhuǎn)。

表1 塊體歐拉矢量（相對于華南塊體）

3.2 斷層閉鎖程度

圖3為反演得到的紅河斷裂帶的斷層閉鎖程度，斷裂帶內(nèi)部的閉鎖程度總體不高，不同深度位置存在明顯差異。紅河斷裂帶北段在地表以下6km的閉鎖程度約為0.43，在6～12km處閉鎖程度約為0.29，12～16km處的閉鎖程度約為0.11；中段在地表以下6km的閉鎖程度約為0.22，在6～12km處閉鎖程度約為0.13；南段在地表以下6km的閉鎖程度約為0.25，在6～12km處閉鎖程度約為0.16。

圖3 閉鎖程度

3.3 滑動虧損速率

紅河斷裂帶不同段落的滑動虧損速率差異較小。北段在地表以下6km的滑動虧損速率約為3.3mm／a，6～12km 處 滑 動 虧 損 速 率 約2.1mm／a，12～16km 處 的滑動虧損速率約為1.5mm／a，16～20km處整條斷裂帶逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槿浠恢卸卧诘乇硪韵?km的滑動虧損速率約為2.6mm／a，在 6～12km 處滑動虧損速率約為1.5mm／a，12～20km處整條斷裂帶逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槿浠?；南段在地表以?km的滑動虧損速率約為2.3mm／a，在 6～12km 處滑動虧損速率約為1.8mm／a，12～20km處整條斷裂帶逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槿浠Ｓ纱丝芍?，紅河斷裂帶的閉鎖程度和滑動虧損都很低，斷層內(nèi)部沒有積累相當(dāng)?shù)哪芰?，?yīng)變積累速率較低，不具備發(fā)生強地震的條件。

3.4 走滑速率

紅河斷裂的走滑速率（斷裂活動速率以右旋和拉張為正）如圖4所示。北段右旋走滑速率約為（5.9±1.2）mm／a，拉張速率為（4.4±0.9）mm／a；中段和南段的右旋走滑速率較北段有所減弱，右旋走滑速率為（4.8±0.6）mm／a，拉張速率為（1.1±0.3）mm／a；南段右旋走滑速率（4.3±0.4）mm／a，擠壓速率為（-2.3±1.3）mm／a。與其他學(xué)者給出的結(jié)果基本一致。

圖4 走滑速率

4 結(jié)束語

紅河斷裂帶是一條貫穿整個云南省的大型右旋走滑斷裂，不同區(qū)段的構(gòu)造活動強度存在明顯的不均一性。利用GPS數(shù)據(jù)結(jié)合地質(zhì)及地球物理成果反演結(jié)果表明：整條斷裂帶的右旋走滑速率約為（4.3～5.9）mm／a，在不同深度位置的閉鎖程度都比較低，滑動虧損不明顯，與近年的紅河斷裂帶活動比較弱相吻合。與紅河斷裂中段大致平行的程海-建水?dāng)嗔训卣鸹顒邮謴娏?，兩者是否共同?gòu)成川滇塊體的南北邊界有待進(jìn)一步研究。

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