蘆山MS70地震與NorthridgeMW67地震地表變形場對比研究

杜吉亮　武艷強　鄒鎮(zhèn)宇

摘要：

2013年四川蘆山“4·20”MS70地震和1994年美國Northridge MW67地震的近場同震位移均表現(xiàn)出破裂未達地表的特征，利用1999～2007年GPS資料對比分析了2次地震的震前變形特征與同震位移的關聯(lián)性。結果顯示，蘆山震源區(qū)存在較為顯著的擠壓應變積累（擠壓應變率方位角約為284°），沿蘆山地震破裂節(jié)面剪切變形不明顯；蘆山地震的同震位移場表現(xiàn)為逆沖兼少量左旋特征，反映了整個孕震周期的應變積累特性，可能表明震前10余年的觀測并不能代表整個孕震周期特征。Northridge地震前，地表變形表現(xiàn)為右旋-擠壓特征，同震以逆沖破裂為主，近場表現(xiàn)出類似“圓屋頂形”的東西兩側(cè)水平運動和垂直向上運動，GPS觀測到的震前變形與同震釋放的變形存在一定程度的不一致性。相同震中距測點結果表明：Northridge地震的同震地表位移幅度明顯大于蘆山地震，前者震前擠壓應變積累速度顯著大于1999～2007年蘆山地震震源區(qū)的應變積累背景。

關鍵詞：蘆山地震；Northridge地震；震前變形背景；GPS同震位移

中圖分類號：P315725文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2016）03-0404-06

0引言

2013年4月20日發(fā)生的蘆山MS70地震位于龍門山斷裂帶南段，該地震造成的地表位移以逆沖錯動為主、靠近發(fā)震斷層約50 km的上盤一側(cè)表現(xiàn)出類似左旋應變釋放特征，推測認為同震位移的特殊分布模式是由于破裂未達地表所致（武艷強等，2013）。數(shù)字地震學反演和野外地質(zhì)考察結果均表明，蘆山地震的同震破裂沒有大規(guī)模出露地表（張勇等，2013；徐錫偉等，2013）。趙靜等（2013）采用DEFNODE負位錯反演程序，估算了蘆山地震前龍門山斷裂帶的閉鎖程度，結果表明汶川地震的發(fā)生加速了蘆山地震的孕育過程。杜方等（2013）分析了蘆山地震的基本參數(shù)、余震分布、序列衰減等特征，認為蘆山地震與汶川地震是兩次獨立的地震事件。呂堅等（2013）利用小震分布和區(qū)域應力場擬合了可能存在的發(fā)震斷層面參數(shù)，綜合分析了蘆山地震序列的震源深度、震源機制、震源破裂面特征，探討了可能的發(fā)震構造。陳運泰等（2013）指出，蘆山地震后，龍門山斷裂帶南段仍存在發(fā)生MW72～73地震的危險性。祝意青等（2013）根據(jù)流動重力資料預測了蘆山地震的震中位置，證實區(qū)域重力場觀測對強震震中位置的判定具有獨到的優(yōu)勢。

與蘆山地震類似，1994年1月17日發(fā)生在美國加利福尼亞州的Northridge MW67地震的同震地表位移分布也比較特殊，震源區(qū)近場表現(xiàn)出東西雙向擠出和垂直向上運動，外圍表現(xiàn)出逆沖位錯為主，同樣表現(xiàn)出破裂未達地表特性（Scientists of the US and the Sourthern California Earthquake Centre，1994； Yeats，Huftile，1995； Hudnut et al，1996）。Hudnut等（1996）用多種模型對該地震的GPS數(shù)據(jù)進行處理來分析變形特征，且對比了大地測量方法和地震學方法的異同。多位學者（Scientists of the US and the Sourthern California Earthquake Centre，1994；Yeats，Huftile，1995； Donnellan et al，1993）分析了Northridge地震震源附近斷層和地質(zhì)構造的演化特征以及其與Northridge地震之間的關系。Scientists of the US and the Sourthern California Earthquake Centre（1994）認為該地震的發(fā)震斷層為隱伏斷裂，且該隱伏斷裂在發(fā)震后才被識別。兩次地震的近場同震位移均表現(xiàn)出與外圍不一致的特征，且震級相當又同屬逆沖型地震（http：//wwwglobalcmtorg）。因此，利用震源區(qū)及附近的GPS資料，針對震前和同震變形場的對比分析對認識地震孕育與破裂方式具有現(xiàn)實意義。

本文首先對比分析了蘆山地震和Northridge地震前的變形背景，識別出了龍門山斷裂南段在震間期的應變積累空間差異特征，并在此基礎上對比分析了兩次地震的震前變形特征與同震位移的關聯(lián)性，并討論了同震位移量值上的差異。

1震前區(qū)域變形特征分析

11蘆山地震前

中國地殼運動觀測網(wǎng)絡區(qū)域站于1999年開始大規(guī)模觀測，至2007年共進行了4期觀測。圖1a給出了1999～2007年龍門山斷裂帶附近GPS速度場分布，數(shù)據(jù)解算采用GAMIT/GLBOK軟件（Herring et al，2010a， b）和QOCA軟件（Dong et al，1998）。首先利用GAMIT軟件解算得到測站坐標和衛(wèi)星軌道等參數(shù)的單日松弛解，然后利用QOCA軟件選定分布于全球的85個框架點，解算得到ITRF2005框架下的速度結果，最后進行基準變換得到圖1結果，具體數(shù)據(jù)處理細節(jié)可參見文獻（牛之俊等，2005；梁洪寶等，2014，2015；占偉等，2016；陳長云，2016）。1999～2007年GPS結果顯示龍門山斷裂帶北東段處于全線閉鎖狀態(tài)，表現(xiàn)為斷裂帶鄰近區(qū)域觀測不到顯著的地殼變形，而遠離斷裂帶的巴顏喀拉地塊內(nèi)部地殼運動相對明顯，上述結果與前人關于汶川地震前龍門山斷裂帶應變積累速度的研究結果一致（張培震等，2008；江在森等，2009；李延興等，2009）。

考慮到最小二乘配置方法在邊緣效應、孤立奇異測點影響、誤差分布、點位稀疏度影響等方面均表現(xiàn)出的優(yōu)勢（Wu et al，2011），基于該方法，圖1b給出了研究區(qū)主應變率和面應變率分布。結果表明汶川地震震源區(qū)南西側(cè)斷裂的應變積累速度明顯大于北東側(cè)，斷裂帶中北段擠壓兼右旋剪切變形特征明顯，中南段以擠壓應變積累為主，沿蘆山地震破裂節(jié)面基本識別不到剪切變形。龍門山斷裂帶北西側(cè)變形幅度從遠離斷裂帶較大到靠近斷裂帶逐漸減小的特征，表明龍門山斷裂帶在震前較長時期已經(jīng)積累了較高的應變能，致使有GPS觀測以來無法觀測到斷裂帶顯著變形。

12Northridge地震前

Northridge地震震源區(qū)處于太平洋板塊與北美板塊交匯地區(qū)，震源位于圣安德列斯（San Andreas）斷層附近的彎曲擠壓區(qū)內(nèi)，該區(qū)存在多組斷層但沒有一條為變形的主控斷層，Northridge地震前該區(qū)發(fā)生過多次逆沖型地震（Scientists of the US and the Sourthern California Earthquake Centre，1994）。為了凸顯Northridge地震孕震區(qū)的變形特征，利用Hudnut等（1996）提供的震前GPS數(shù)據(jù)扣除了研究區(qū)域的整體歐拉運動，圖2a給出了該速度場分布，圖中斷層數(shù)據(jù)來源于Hudnut等（1996）和網(wǎng)站（http：//earthquakeusgsgov/hazards/qfaults/）。圖2a的GPS速度場結果表明沿Northridge地震發(fā)震斷層存在大規(guī)模的擠壓和右旋剪切運動。利用圖2a的GPS速度數(shù)據(jù)，圖2b給出了最小二乘配置球面方法計算得到的該區(qū)的應變率場分布（武艷強等，2009；Wu et al，2011）。應變率結果表明研究區(qū)域以近南北向擠壓、近東西向拉張變形為主，其中Northridge震源區(qū)以西及以南地區(qū)以近南北向擠壓為主，震源區(qū)東北部存在顯著的剪切變形。考慮到Northridge發(fā)震斷層為NWW向，可知震前該斷裂帶存在右旋剪切-擠壓應變積累背景，量級為10×10-8/a。另外，利用圖2a全部數(shù)據(jù)作為輸入，采用塊體變形模型（李延興等，2001）計算得到了該區(qū)應變率具體量值為：主張應變率為（104±10）×10-8/a、主壓應變率為（-125±09）×10-8/a，主張應變率方向為（805±17）°，反映了該區(qū)的總體應變積累背景。本文所得到的Northridge地震震源區(qū)地殼變形特征與Dunnellon等（2011）的描述一致。

對比兩次地震震前變形特征可知，Northridge地震前的應變積累速度顯著大于汶川地震前蘆山地震震源區(qū)的長期應變積累速度。

2同震變形差異特征分析

蘆山地震和Northridge地震的震源機制結果均顯示為逆沖型破裂（http：//wwwglobalcmtorg），多項研究結果表明破裂均未大規(guī)模出露地表（張勇等，2013；徐錫偉等，2013；Scientists of the US，1994；Yeats，Huftile，1995； Hudnut et al，1996），且地表位移分布較為特殊（武艷強等，2013；Hudnut et al，1996），圖3給出了這兩次地震的同震水平位移場分布。

對比圖3a、3b結果可以發(fā)現(xiàn)，二者既有相同點，又存在顯著差異。首先，遠離震源區(qū)均表現(xiàn)為逆沖應變釋放特征，與震源機制一致。從蘆山地震震中位置到茂縣—汶川斷裂之間表現(xiàn)出典型的左旋應變釋放特征，而從Northridge震中位置到San Gabrief斷層間則表現(xiàn)出雙側(cè)擠出應變釋放特征，且延伸的范圍較大。其次，相同震中距測點的同震位移結果表明，蘆山地震的同震位移量值明顯小于Northridge地震。最后，垂向位移存在顯著差異，蘆山地震的同震僅有個別測點表現(xiàn)出顯著垂直位移特征，如超過10 mm的測點僅包括LS05和LS06。對比而言，Northridge地震引起的垂向位移更加明顯，如超過+100 mm的測點包括SAFE、SAFR、PICO、RESE、NEWH、NORT、CHAT、CHRN，主要分布于震源區(qū)北側(cè)。

基于1999～2007年和2009～2011年GPS資料研究表明，汶川地震后龍門山斷裂帶南段的擠壓應變積累速率顯著增加，汶川地震在一定程度上加速了蘆山地震的孕育發(fā)生（武艷強等，2013；劉曉霞等，2015）。同時，2008年汶川地震后到蘆山地震前震源區(qū)附近表現(xiàn)出快速擠壓兼左旋剪切地表變形特征，蘆山地震同震過程表明地表應變釋放過程為擠壓兼少量左旋剪切錯動，從二者的地表變形方式角度是自洽的。Northridge地震前的變形背景為右旋-擠壓特征，地震破裂以逆沖破裂為主，近場表現(xiàn)出類似“圓屋頂形”的東西兩側(cè)水平運動和垂直向上運動（Hudnut et al，1996），從GPS觀測資料本身二者存在差異，但NWW向同震擠出幅度大于SEE向的特征在一定程度上反映了震前該區(qū)的右旋剪切變形背景。

3討論與認識

強震孕育發(fā)生與區(qū)域地殼變形特征密切相關，一般而言，震前的變形模式與同震應變釋放具有對稱性，但對于破裂未達地表的盲斷層發(fā)震又有其復雜性。

首先，蘆山地震和Northridge地震震前各具特點，Northridge地震前應變積累速率顯著大于蘆山地震前龍門山南段的應變積累速率。2次地震的同震變形也表現(xiàn)出顯著差異，蘆山地震表現(xiàn)出擠壓兼少量左旋應變釋放特征，其中逆沖應變釋放與震前擠壓應變積累特征具有對稱性；Northridge地震表現(xiàn)出擠壓兼東西雙向擠出和垂直向上的“圓屋頂形”應變釋放特征，與震前右旋-擠壓應變積累存在差異，但NWW向同震擠出幅度大于SEE向的特征在一定程度上反映了震前該區(qū)的右旋剪切變形背景。

其次，Northridge同震與震前變形特征存在差異的原因有如下可能：由于該地震為隱伏斷裂發(fā)震，破裂未達地表導致了地表位移分布的頂端效應；震源區(qū)存在多條斷層，震前地表變形場為這些斷層的共同作用結果，而同震位移主要反映了發(fā)震斷層的破裂特征。另外，相同震中距測點結果表明Northridge地震的同震變形幅度明顯大于蘆山地震。

最后，由于蘆山地震的發(fā)震斷層并不是龍門山3條主干斷裂（徐錫偉等，2013），同震位移結果顯示該地震并未造成3條主干斷層的解鎖，因此此次蘆山地震不足以釋放掉主干斷裂的應變積累。

感謝兩位匿名審稿專家提出的建設性意見；本文部分數(shù)據(jù)來源于GPS數(shù)據(jù)中心和四川省地震局；龍門山斷裂帶南段的GPS臨時連續(xù)測網(wǎng)的運轉(zhuǎn)得益于四川省地震局測繪工程院的大力支持，在此一并表示感謝。

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