基于GPS監(jiān)測的蘆山地震周圍地區(qū)同震位移與運動速度

唐文清，張清志，潘忠習，劉宇平，楊　成

(中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心,四川　成都　610081)

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基于GPS監(jiān)測的蘆山地震周圍地區(qū)同震位移與運動速度

唐文清，張清志，潘忠習，劉宇平，楊成

(中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心,四川成都610081)

通過對2013年“4.20”四川蘆山地震前后GPS觀測數(shù)據(jù)的處理,得到地震周圍地區(qū)GPS測站同震位移及速度矢量場。 GPS測站同震位移大小為 5.09～51.05mm，平均為14.18mm；GPS測站運動速度為2.64～52.37mm/a，平均為18.89mm/a。利用斷裂兩側(cè)GPS測站速度矢量差得到了龍門山斷裂帶南段次級斷裂的運動速度，龍門山斷裂帶南段的后山斷裂、中央斷裂、前山斷裂運動速度大小分別為49.66±3.90mm/a、79.58±3.33mm/a、50.94±3.91/a；中央斷裂以右旋擠壓為主，而后山斷裂、前山斷裂表現(xiàn)為左旋拉張的特性。綜合分析表明，蘆山地震是發(fā)生在龍門山斷裂帶南段東南側(cè)的逆沖型地震，發(fā)震構(gòu)造為前山斷裂與新津斷裂之間的小斷層。蘆山地震對周圍地區(qū)的影響不大，主要集中在龍門山斷裂帶南段及震中附近區(qū)域。

蘆山地震；GPS監(jiān)測；龍門山斷裂帶；同震位移；運動速度

引言

2013年4月20日，四川蘆山發(fā)生了Ms 7.0級地震，地震造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)破壞。蘆山地震震中位于龍門山斷裂帶南段東南側(cè)，地震發(fā)生與龍門山斷裂帶活動關(guān)系密切。龍門山斷裂帶是由系列壓性、壓扭性斷裂及褶皺組成的逆沖斷裂帶[1]。南起瀘定，沿四川盆地西緣呈北東-南西向延伸，傾向北西，南與北西向的鮮水河斷裂及大涼山斷裂相聚，北與東西向西秦嶺斷裂成斜角相交(圖1)。龍門山斷裂帶由3條主邊界斷裂組成，由西向東，分別稱為龍門山后山斷裂、龍門山中央斷裂、龍門山前山斷裂。龍門山斷裂帶作為青藏高原和四川盆地的分界斷裂，體現(xiàn)了青藏高原對華南地塊擠壓的構(gòu)造特征和四川盆地作為前陸盆地的演化過程，其歷史悠久且具有多期活動，是我國南北地震帶的組成部分，控制著區(qū)域現(xiàn)代地形、地貌和地震活動[2-4]。

蘆山地震發(fā)生后，許多專家[5-13]對地震構(gòu)造背景、震源機制、破裂過程、地表變形等進行了大量分析和研究，獲得許多研究成果。盡管如此，地震運動形變的定量研究相對較少，仍需要進一步探討。

GPS監(jiān)測能提供高精度、大范圍和實時的地殼運動定量數(shù)據(jù)，使得短時間內(nèi)獲取現(xiàn)代地殼運動形變成為可能，成為研究地殼現(xiàn)今運動形變的重要手段[14-17]。近些年來，蘆山地震區(qū)所在的青藏高原東緣及鄰區(qū)相繼發(fā)生了一系列地震(如四川鹽源地震、云南魯?shù)榈卣?、四川康定地震、四川峨邊地震?。因此，對青藏高原東緣現(xiàn)今地殼活動進行研究很有必要。本文利用蘆山地震前(2012年4～6月)青藏高原東緣部分GPS測站及蘆山地震后(2013年4～5月)24個應(yīng)急觀測測站的原始數(shù)據(jù),采用 GAMIT/GLOBK軟件進行處理，得到蘆山地震震中周圍地區(qū)同震位移場，以及2012～2013年歐亞參考框架的運動速度矢量場，分析蘆山地震周圍地區(qū)地殼運動形變，為龍門山斷裂帶現(xiàn)今活動、區(qū)域地震地質(zhì)乃至青藏高原東緣地球運動學和動力學的定量研究提供有益借鑒。

圖1研究區(qū)構(gòu)造簡圖及GPS測站同震位移

圖中簡寫代號為GPS測站名，具體地址如下：SHY.石棉縣石灰窯；FSC.石棉縣翻身村；SWS.康定市上瓦斯；ZDT.康定市折多塘；DABA.丹巴縣;BMD.康定市八美鎮(zhèn)；SKX.康定市色卡鄉(xiāng)；XDQ.康定市新都橋鎮(zhèn)；DFB.道孚縣北；DFN.道孚縣南；YJW.金川縣；XJX.小金縣;BXB.寶興縣隴東鎮(zhèn)；BXN.寶興縣靈觀鎮(zhèn);TQX.天全縣；HYX.洪雅縣；SLZ.雅安市上里鎮(zhèn)；MJZ.松潘縣岷江村；MXB.茂縣；DJY.都江堰市龍池鎮(zhèn)；SWP.汶川縣；ZGL.理縣；SJS.紅原縣刷經(jīng)寺；CDHL.成都市黃龍溪鎮(zhèn)

Fig.1Tectonic map, and observatories and coseismic displacement around the Lushan focal area, western Sichuan

1　GPS觀測數(shù)據(jù)處理

1.1同震位移數(shù)據(jù)處理

同震位移數(shù)據(jù)處理采用GAMIT/GLOBK軟件包的GAMIT軟件進行。在數(shù)據(jù)處理過程中，采用了SOPAC中心的GPS精密衛(wèi)星星歷和全球站數(shù)據(jù)，并將中國地區(qū)的SHAO、BJFS、WUHN、URUM、KUMN、LHAZ幾個IGS站數(shù)據(jù)加入到區(qū)域網(wǎng)站分析處理中，進行自由網(wǎng)平差，得到松弛解，經(jīng)過相似變換得到地震前2012年和地震后2013年的ITRF2000坐標值，利用2013年坐標值與2012年坐標值之差，分別得到ITRF2000框架下測站東向、北向同震位移矢量分量。東向及北向位移矢量分量和，便得到GPS測站的整體同震位移大小及方向。

1.2運動速度矢量場數(shù)據(jù)處理

運動速度矢量場的數(shù)據(jù)處理采用GAMIT/GLOBK軟件完成。首先，用GAMIT進行單日解算，得到測站坐標、位置軌道和地球定向參數(shù)等的松弛解；然后，用GLOBK進行多時段綜合解算,以獲得GPS網(wǎng)平差結(jié)果，并計算重復(fù)度及評估數(shù)據(jù)質(zhì)量；最后，選定歐亞框架作為計算參考框架，得出參考框架下的測站運動速度。蘆山地震震區(qū)位于青藏高原東緣，在計算時采用歐亞框架作為參考框架，于是得到蘆山地震前后(2012～2013年)震區(qū)周圍的歐亞參考框架GPS測站運動速度矢量場。

1.3斷裂活動反演計算

斷裂活動為斷裂兩側(cè)地塊的相對運動，斷裂活動速度矢量實際為斷裂兩盤地塊速度矢量差。在實際工作中，通常將斷裂兩側(cè)地塊內(nèi)GPS測站代表地塊，兩側(cè)地塊GPS測站速度矢量東、北方向的速度矢量差，即為斷裂的活動速度矢量分量。最后，根據(jù)速度矢量分量和求出斷裂的運動速度和方向。在計算時，根據(jù)活動性強度，通常將活動性較弱的一側(cè)地塊作為參考(假設(shè)其靜止不動)，即：

VE=VE1-VE2

VN=VN1-VN2

V=VE+VN

其中，V 為斷裂的運動速度矢量；VE、VN為東、北方向的速度矢量分量差，VE1、VE2、VN1、VN2分別為斷裂兩側(cè)地塊東、北方向的速度矢量分量。

2　計算結(jié)果及分析

2.1震區(qū)周圍測站的同震位移

通過對原始數(shù)據(jù)處理，得到蘆山地震周圍GPS測站的東向和北向同震位移分量、整體位移量及位移方向(圖1、表1)。震區(qū)GPS測站同震位移東向分量為-45.31～25.37mm，平均3.91mm，極值測站分別為BXN(寶興縣靈觀鎮(zhèn))和BXB(寶興縣隴東鎮(zhèn))測站；同震位移北向分量為-25.76～9.38mm，平均-7.05mm，極值測站分別是BXB(寶興縣隴東鎮(zhèn))和HYX(洪雅縣)測站；震區(qū)GPS測站震區(qū)GPS測站同震位移大小為 5.09～51.05mm，平均14.18mm，極值測站分別為TQX(天全縣)和BXN(寶興縣靈觀鎮(zhèn))測站；同震位移方向為74.0°～302°，平均151.1°，極值測站分別是MXB(寶興縣隴東鎮(zhèn))和HYX(洪雅縣)測站。

表1研究區(qū)GPS測站同震位移

Table 1Measurements of the coseismic displacement from individual GPS observatories

測站同震位移量(mm)東向位移分量北向位移分量整體位移量位移方向(°)MJZ4.76-5.987.64141.5SJS3.89-9.8410.58158.4MXB12.93.7013.4274.0YJW5.67-3.786.81123.7ZGL13.83-3.3414.23103.5DFB8.36-4.899.69120.3DFN14.52-12.9019.42131.6DABA7.98-1.248.0898.8XJX-15.38-5.1016.20251.7SWP15.01-8.9417.47120.7DJY12.5-17.7221.69144.8SKX6.74-12.3614.08151.4BMD8.270.628.2985.8BXB25.37-25.7636.16135.4BXN-45.31-23.5151.05242.6SLZ-4.6-2.845.41238.3HYX-14.919.3817.62302.1CDHL8.5-7.4911.33131.4XDQ12.20-10.3015.97130.1ZDT2.48-7.197.61161.0SWS6.34-4.187.59123.4TQX4.83-1.615.09108.4SHY-2.80-9.389.79196.6FSC2.63-4.535.24149.8

由GPS觀測站數(shù)據(jù)可以看出，蘆山地震周圍地區(qū)同震位移量總體不大，位移方向以SE方向為主。同震位移量和方向異常測站主要位于龍門山斷裂帶南段的震中周圍小范圍區(qū)域，極值測站也大多分布于此。特別是橫穿龍門山斷裂帶南段次級斷裂的橫向剖面上，GPS測站同震位移變化最明顯，其大小及方向都發(fā)生了顯著變化。沿該剖面，同震位移除位于前、后山斷裂與中央斷裂間的BXB測站與區(qū)域南東向大體一致外，其它GPS測站同震位移方向都出現(xiàn)了異常。后山斷裂北西側(cè)的XJX測站、前山斷裂兩側(cè)的BXN測站和SLZ測站同震位移為南西方向，而新津斷裂西南側(cè)的HYX測站同震位移與區(qū)域測站總體方向相反，為北西向。靠近震中的前山斷裂西北側(cè)BXN測站同震位移達51.05mm,為觀測區(qū)最大值，而東南側(cè)的SLZ測站同震位移僅為5.41mm，接近觀測區(qū)最小值；離震中稍遠的龍門山斷裂帶南段中央斷裂西北側(cè)的BXB測站同震位移36.16mm，為觀測區(qū)第二大值；離震中更遠的XJX測站和HYX測站同震位移分別為16.20 mm、17.62mm，移動量大小中等，相近觀測區(qū)平均值?？傮w來看，蘆山地震對地殼移動的影響主要集中于龍門山斷裂帶南段及兩側(cè)垂向范圍內(nèi)，震中附近西側(cè)同震位移量大于東側(cè)同震位移量。前山斷裂東南側(cè)SLZ同震位移較小及HYX測站的反向移動，可能與地震應(yīng)力釋放后的彈性回調(diào)有關(guān)。

圖2研究區(qū)歐亞參考框架GPS測站速度矢量場(2012～2013年)

Fig.2Velocity vector fields of individual GPS observatories within the Eurasia reference framework (2012-2013)

2.2震區(qū)周圍GPS測站速度矢量場

通過GAMIT/GLOBK數(shù)據(jù)處理，得到了蘆山地震周圍地區(qū)2012～2013年歐亞參考框架的測站速度矢量場(圖2、表2)。測站速度場相對精度為10-8～10-9，絕對精度為mm/a級，能滿足地殼運動形變研究的需要。

蘆山地震周圍GPS測站速率范圍2.64～52.37mm/a，平均18.89mm/a，極值測站為SLZ(雅安市上里鎮(zhèn))和BXB測站。其中，測站東向速率范圍-45.54～34.01mm/a，平均速率10.51mm/a，極值測站為BXN和BXB；北向速率范圍-28.21～10.67mm/a，平均速率-7.66mm/a，極值測站為BXB和HYX；GPS測站的位移速度方向范圍為85.5°～314°，平均為137.6°，極值測站是BMD(康定市八美鎮(zhèn))和HYX測站。

表2　研究區(qū)歐亞參考框架2012～2013年GPS測站位移速度

以上結(jié)果可以看出，震區(qū)周圍GPS測站速度變化特征與同震位移具有相似性，運動速度大小和方向變化較大的GPS測站主要位于的蘆山地震震中周圍及穿過震中的龍門山斷裂帶南段橫切剖面上，其它地區(qū)的GPS測站運動速度大小和方向變化不明顯。以龍門山斷裂帶前山斷裂為界，西側(cè)測站運動速率明顯大于東側(cè)測站。中央斷裂兩側(cè)的BXB和BXN測站運動速率特別大，分別達44.19mm/a、52.37mm/a，較觀測區(qū)平均值大2～3倍；而東側(cè)SLZ測站運動速率僅為2.64mm/a，比觀測區(qū)平均值小16mm/a左右。最大運動速率BXN測站和最小運動速率SLZ測站分別位于震中兩側(cè)。不僅如此，沿橫切剖面測站運動速度方向各異，由西向東，XJX、BXB、BXN、SLZ、HYX測站分別為SW向、SE向、SW向、SSW向、NW向。

2.3龍門山斷裂帶南段次級斷裂活動性

表3龍門山斷裂帶南段各次級斷裂的運動速率及性質(zhì)

Table 3Displacement velocities and properties of individual secondary faults in the southern part of the Longmenshan fault zone

龍門山斷裂帶南段斷裂采用測站西側(cè)東側(cè)速度差(mm/a)相對運動方向(°)斷裂性質(zhì)后山斷裂XJXBXB49.66±3.90296.9左旋走滑兼拉張中央斷裂BXBBXN79.58±3.3391.7右旋走滑兼擠壓前山斷裂BXNSLZ50.94±3.91242.9左旋走滑兼拉張

對歐亞參考框架測站運動速度矢量場進行反演計算，得到龍門山斷裂帶南段各次級斷裂的運動速率及活動性質(zhì)(表3)。計算結(jié)果可以看出，龍門山斷裂帶南段各次級斷裂的位移走滑速度并不相同，后山斷裂、中央斷裂、前山斷裂2012～2013年速度大小分別為49.66±3.90mm/a、79.58±3.33mm/a、50.94±3.91mm/a。

由此可見，受蘆山地震的影響，龍門山斷裂帶南段后山斷裂、中央斷裂、前山斷裂次級斷裂的運動速度非常大，尤以中央斷裂的運動速度為最大，中央斷裂運動速度明顯大于后山斷裂、前山斷裂運動速度。龍門山斷裂帶各次級斷裂性質(zhì)不同，中央斷裂表現(xiàn)為右旋走滑兼有擠壓特征，而后山斷裂及前山斷裂表現(xiàn)為左旋走滑兼有拉張?zhí)卣鳌?/p>

3　討論與結(jié)論

3.1討論

龍門山斷裂帶不但是一條巨大斷裂帶，也是一條非?；钴S的地震帶,斷層滑動以逆沖為主，兼具右旋走滑分量[18]。發(fā)生在斷裂帶西南段的蘆山地震,是繼汶川地震后發(fā)生在龍門山斷裂帶的又一次強烈地震，為逆沖型地震[19-20]，是印度板塊和歐亞板塊碰撞擠壓，在龍門山斷裂帶南段積累較高應(yīng)力所致[21]。根據(jù)GPS觀測結(jié)果，龍門山構(gòu)造帶南段的西側(cè)運動速度明顯大于東側(cè)，證實了龍門山構(gòu)造帶現(xiàn)今活動為逆沖擠壓。蘆山地震發(fā)生后，野外地質(zhì)調(diào)查未發(fā)現(xiàn)典型的同震地表破裂[22]，地震震中位于龍門山構(gòu)造帶南段的前山斷裂西南側(cè)。前山斷裂走向兩側(cè)余震的分布及前山斷裂幾何結(jié)構(gòu)特征，說明前山斷裂應(yīng)該不是發(fā)震構(gòu)造。徐錫偉[19]推測蘆山地震屬典型的盲逆斷層型地震，發(fā)震構(gòu)造為前山斷裂東南側(cè)的盲逆斷層；李勇等[7]也認為蘆山地震形成于龍門山前緣擴展變形帶，發(fā)震斷裂為大邑斷裂，前緣擴展變形帶滑脫面就是蘆山地震的震源層。本文GPS觀測結(jié)果也驗證了這一點，在龍門山構(gòu)造帶南段橫向剖面上,前山斷裂東南側(cè)SLZ測站以及新津斷裂東側(cè)HYX測站的地表同震位移及運動速度的大小方向變化異常，反映了前山斷裂與新津斷裂之間存在有次一級的斷層，應(yīng)為蘆山地震的發(fā)震構(gòu)造。

對于蘆山地震的同震位移，許多專家進行研究并得出結(jié)果。武艷強等[23]利用龍門山斷裂帶及其附近的GPS觀測結(jié)果，認為同震位移幅度不大，最靠近震中的GPS站位移最大，水平位移67.5mm。震中50km范圍內(nèi)同震形變波形清晰，最大震動幅度為70 mm,平均逆沖滑動量約0.60mm[24]；楊國華等用GLONASS觀測數(shù)據(jù)也得出震中周圍同震形變場走滑量約50～70mm[25]。這些結(jié)果與本文的震中西側(cè)最大同震位移量51.02mm相近，結(jié)果間的微小差異可能與GPS測站的位置有關(guān)。與其它方法得到的同震位移相比，約小于采用球正位錯模型得到最大水平同震位移震中附近接近70 mm的結(jié)果[26]以及利用1nSAR技術(shù)與Radarsat雷達數(shù)據(jù)獲得的蘆山地震同震91mm最大滑動量[27]，與使用遠場體波資料反演獲得最大滑動量159cm[28]及利用根據(jù)2010～2013年水準觀測數(shù)據(jù)，震中同震位移場最大同震位移達到198.4mm[29]有較大差異。由此可見，蘆山地震周圍地區(qū)同震變形影響總體上不顯著，地震對震中附近的影響相對明顯[30]。

龍門山斷裂帶作為由多條次級斷裂組成的斷裂帶，其次級斷裂活動大小及性質(zhì)一直受到人們的關(guān)注。地震地質(zhì)研究表明，龍門山斷裂在晚更新世以來(萬年尺度)的活動強度相對較低，整個龍門山斷裂帶的滑動速率不超過2～3mm/a[31]。用地質(zhì)方法得出的龍門山斷裂中南段滑動速度為1～2mm/a、地貌法得出的為1～5mm/a[4]；而地震前不同時段GPS監(jiān)測得出龍門山斷裂帶現(xiàn)今運動速率也不大，運動速率一般都小于3mm/a，斷裂帶活動性質(zhì)主要表現(xiàn)為擠壓走滑斷裂帶[32-36]。根據(jù)本文GPS監(jiān)測得到的結(jié)果可以看出，此次蘆山地震使得龍門山斷裂帶南段斷裂速度大小和性質(zhì)發(fā)生了明顯改變。龍門山斷裂帶南段的后山斷裂、中央斷裂、前山斷裂的斷裂運動速度由地震前的1～3mm/a增加到了50～80mm/a，增大了數(shù)十倍，表明蘆山地震對龍門山斷裂帶南段及其斷裂運動速度大小的影響還是相當明顯的。不僅如此，受蘆山地震的影響，次級斷裂的活動性質(zhì)也表現(xiàn)各異。根據(jù)GPS觀測得到的活動性質(zhì)，龍門山斷裂南段運動速度最大的中央斷裂表現(xiàn)為右旋擠壓，這與地震前龍門山斷裂帶的活動性質(zhì)一致。同時也得到了由地震的基本參數(shù)、余震分布、序列衰減等特征反映出震源力學機制顯示為逆沖性質(zhì)[37]結(jié)果的證實。前山斷裂及后山斷裂表現(xiàn)出具有拉張性質(zhì)的左旋扭動，與其它結(jié)果有一些區(qū)別。楊國華等[25]研究得出，震中以西的測站主要為逆沖兼左旋走滑位移，走滑量略占優(yōu)勢。震中以東的測站的主要為逆沖兼右旋走滑位移，逆沖量略占優(yōu)勢。GPS測定同震形變研究表明，蘆山地震逆沖兼具左旋走滑[23-24]。蘆山地震附近的龍門山斷裂帶南段表現(xiàn)出這些運動形變特征，究其原因，是其次要斷裂本身固有性質(zhì)，還是與蘆山地震打破區(qū)域動力學、運動學平衡，導(dǎo)致斷裂帶的斷裂面破裂、應(yīng)力釋放、阻擋暫時消失、地殼彈性回調(diào)等以及余震、斷裂兩側(cè)地塊差異性升降等因素有關(guān)，還有待GPS測站進一步觀測和綜合研究分析加以證實。

3.2結(jié)論

根據(jù)計算結(jié)果及討論分析，獲得以下主要認識：

(1)蘆山地震為逆沖型地震，地震發(fā)生在龍門山斷裂帶南段的前山次級斷裂東南側(cè)的小斷層上。

(2)蘆山地震對周圍地殼運動的影響不大，主要集中在龍門山斷裂帶南段及震中附近區(qū)域。地殼運動速度及位移大小和方向的改變主要發(fā)生在龍門山斷裂帶橫向剖面上。

(3)龍門山斷裂帶南段斷裂活動復(fù)雜，在蘆山地震過程中，各次級斷裂的活動特征表現(xiàn)得并非一致，有著明顯差異性。

(4) 蘆山震區(qū)周圍GPS測站同震位移、運動速度及龍門山斷裂帶次級斷裂活動表現(xiàn)出的特殊性，還需要進一步研究。

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Coseismic displacement and movement velocity around the Lushan focal area, western Sichuan

TANG Wen-qing, ZHANG Qing-zhi, PAN Zhong-xi, LIU Yu-ping, YANG Cheng

(ChengduCenter,ChinaGeologicalSurvey,Chengdu610081,Sichuan,China)

Based on discontinuous GPS data from the micro-earthquake observatories before and after the Lushan earthquake in 2013, the coseismic displacement and velocity vector fields have been obtained around the Lushan focal area, western Sichuan. The coseismic displacement values range between 5.09 and 51.05 mm, with an average of 14.18 mm, and the movement velocities vary from 2.64 to 52.37 mm /a, with an average of 18.89 mm/a. Furthermore, the movement velocities of the secondary faults in the southern part of the Longmenshan fault zone have also been obtained in the light of velocity vector differences, including 49.66±3.90 mm/a for the back range fault, 79.58±3.33 mm/a for the central fault and 50.94±3.91 mm/a for the front range fault. The central fault exhibits dextral compressional movement, whereas the back range and front range faults display sinistral extensional movement. The authors conclude that the Lushan earthquake in 2013 may be interpreted as a thrusting event on the southeastern side of the southern part of the Longmenshan fault zone. The seismogenic structures are represented by the minor faults between the front range fault and Xinjin fault. The Lushan earthquake in 2013 only had an important effect on the southern part of the Longmenshan fault zone and the areas around the Lushan focal area.

Lushan earthquake; GPS monitoring; Longmenshan fault zone; coseismic displacement; movement velocity

1009-3850(2016)02-0105-08

2015-12-31； 改回日期： 2016-03-12

唐文清，男，研究員，主要從事活動構(gòu)造與空間大地測量研究

中國地調(diào)局項目(No.1212011140013，No.12120113009800,DD20160272)

P315

A