美國南加州莫哈韋沙漠地區(qū)震間震后形變研究

劉紹卓

(中國地震局地質研究所， 北京100029)

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美國南加州莫哈韋沙漠地區(qū)震間震后形變研究

劉紹卓

(中國地震局地質研究所， 北京100029)

1992年6月28日和1999年10月16日， 位于美國南加州莫哈韋(Mojave)沙漠的加州東部形變剪切帶(Eastern California Shear Zone， ECSZ)莫哈韋段先后發(fā)生2次7級以上走滑型地震， 即MW7.3蘭德斯(Landers)地震和MW7.1 赫克托礦(Hector Mine)地震。 蘭德斯地震和赫克托礦地震是地震學研究的經典震例， 相關研究案例極大地推動了地震學研究的發(fā)展。

以全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System， GPS)為代表的空間對地觀測精確地捕捉到這2次莫哈韋地震的同震和震后形變場。 眾多先前研究利用大地測量觀測作為約束， 研究與這2次地震相關的區(qū)域背景形變場、 同震形變和震后形變， 并得到一系列重要成果。 但是， 自GPS用于南加州地區(qū)地殼形變場研究20多年來， 我們仍不清楚已發(fā)布的GPS速度場在莫哈韋地區(qū)是否準確地描述了區(qū)域背景形變場。 這是因為莫哈韋地區(qū)絕大部分GPS觀測是在1992年蘭德斯地震震后獲得， 且在GPS數(shù)據(jù)處理過程中難以有效分離存在某種程度耦合的震間形變信號和震后形變信號。 基于這些震后GPS觀測得到的背景形變場可能是相當不準確的， 相應的震后形變場特征也可能是不準確的。 當前僅有少數(shù)工作真正意識到這一問題的重要性。 因此， 我們十分有必要驗證莫哈韋地區(qū)的GPS速度場是否是合理的背景速度場， 如果不合理， 還必須嘗試得到更合理準確的區(qū)域GPS速度場。 只有在此基礎之上， 我們才可得到更合理的震后形變模擬數(shù)據(jù)約束。

本文系統(tǒng)收集整理蘭德斯地震震前覆蓋加州東部形變剪切帶莫哈韋段的歷史三角網和三邊網觀測。 通過比較震前歷史形變觀測和震后GPS速度場對應的形變場， 本文發(fā)現(xiàn)南加州地震中心(Southern California Earthquake Center， SCEC) Crustal Motion Map Version 4 (CMM4) GPS速度場在蘭德斯地震和赫克托礦地震近場區(qū)域確實是不準確的， 因為GPS速度場中含有系統(tǒng)性的偏差， 且這種偏差特征極有可能與震后形變相關。

根據(jù)莫哈韋區(qū)域CMM4 GPS速度場的聚類分析并結合莫哈韋區(qū)域構造特點， 本文設計一系列斷層-塊體模型。 在現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源條件下， 使用三角網的應變率和三邊網的邊長觀測以及遠場CMM4 GPS速度場來約束斷層-塊體模型， 通過最優(yōu)模型的模型正演地表形變場近似代表背景形變場。 模擬結果證實， CMM4 GPS速度場在近場存在著2～3 mm/a、 右旋剪切為特征的系統(tǒng)性偏差。 結合蘭德斯地震和赫克托礦地震震源機制和GPS速度場的解算策略， 本文認為， 這種右旋剪切特征的偏差源于震后長期弛豫形變對GPS速度解算的干擾。 這種偏差也存在于其他不同研究組發(fā)布的系列GPS速度場中。 與前人的眾多研究相比， 本文得到迄今為止最準確的莫哈韋地區(qū)， 尤其是蘭德斯地震和赫克托礦地震近場區(qū)域GPS背景速度場。 此外， 本文發(fā)現(xiàn)加州東部形變剪切帶莫哈韋段的累積右旋滑動速率為13.2～14.4 mm/a， 至少2倍于地質研究得到的晚更新世以來形變帶錯動速率(≤6.2±1.9 mm/a)。

利用震后大地測量觀測資料可研究區(qū)域性巖石圈流變學結構和斷裂帶內的力學性質， 這對于我們理解區(qū)域構造演化歷史有重要科學意義。 部分研究懷疑近場GPS臺站的運動速率在蘭德斯地震和赫克托礦地震震后5～6年之后可能已恢復至震前的速率。 但是， 基于本文獲得的背景速度場， 震后GPS位移時間序列表明， 近場臺站在震后10年仍有顯著的震后運動。 此外， 本文得到的中遠場震后形變并不如部分研究使用觀測所表現(xiàn)得那么顯著。 初步的震后形變模擬工作發(fā)現(xiàn)， 單獨的斷層面上的余滑或者分布式粘彈性松弛無法解釋觀測數(shù)據(jù)， 余滑和粘彈性松弛均是必要的物理過程。 初步模擬結果表明， 區(qū)域的流變學結構可能和已有研究的結論并不一致， 下地殼和上地幔的粘性系數(shù)分別為～3×1019Pa·s和～4×1019Pa·s， 即“焦糖布丁模型”(Crème Brléé model)可能在該區(qū)域不成立。

關鍵詞加州東部形變剪切帶莫哈韋段； 背景形變場； 蘭德斯地震和赫克托礦地震； 震后形變； 流變學結構； GPS； 三角/三邊網觀測

(作者電子信箱， 劉紹卓： Liu-shao_zhuo@163.com)

中圖分類號：P315.72+5；

文獻標識碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.07.011

中國地震局地質研究所2015屆博士論文摘要(Ⅲ)