GPS資料獲取的四川地區(qū)應(yīng)變率演化狀態(tài)

徐　銳,.· ,黃圣睦

(1.四川省地震局,四川 成都 610031; 2.弗吉尼亞理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,美國 弗吉尼亞 24061)

基于GPS觀測技術(shù)獲取的速度及速度梯度信息可有效反映斷層等地殼形變區(qū)域的應(yīng)力累積、分布狀態(tài)以及潛在的地球動力學(xué)過程[1-2].作為青藏高原與四川盆地的交匯地帶,青藏高原東南緣在過去的1千萬年中經(jīng)歷了快速的地表隆起[3-6],并被認(rèn)為是青藏高原最“年輕”的發(fā)育地段,因此,該區(qū)域也為青藏高原整體應(yīng)變及動力機制的研究提供了良好的環(huán)境[6].2008年5月12日,位于該區(qū)域的龍門山斷裂帶突然破裂,發(fā)生了汶川Ms8.0級地震,隨后,在同一斷裂帶及相鄰的鮮水河斷裂上又陸續(xù)發(fā)生了2013年蘆山Ms7.0級地震及2014年康定Ms6.3級地震.以汶川地震為主要節(jié)點,該區(qū)域的應(yīng)力累積狀態(tài)先后發(fā)生了怎樣的變化? 汶川震后引起的應(yīng)力重新分布對后續(xù)的地震事件有著什么樣的影響? 現(xiàn)今該區(qū)域的應(yīng)變率分布狀態(tài)及潛在的地震危險性又如何? 這些問題的回答對于認(rèn)識該區(qū)域的動力機制及開展地震危險性評估等均具有重要的指導(dǎo)意義.

目前,基于GPS速度結(jié)果進行青藏高原內(nèi)部應(yīng)力累積和分布狀態(tài)的研究已有許多成果[2,7-9],但主要集中在對汶川震前或同震的應(yīng)變率場分布狀態(tài)的討論,而關(guān)于整個區(qū)域受重大地震事件影響引起的應(yīng)變率“動態(tài)”時空演化特征的討論則較少.基于此,本文將使用研究區(qū)域內(nèi)(98°N～-108°N,26°E～-34°E)可獲取的最新GPS站點觀測資料,首先,計算該地區(qū)1997—2008、2009—2011、2011—2013、2013—2015年共計4期面膨脹率、垂直軸旋轉(zhuǎn)率及最大剪應(yīng)變率分布結(jié)果;之后,以2008年汶川Ms8.0級地震為主要節(jié)點,以蘆山2013年 Ms7.0級地震、康定2014年Ms6.3級地震為參考節(jié)點,分析了上述地震事件對應(yīng)變率結(jié)果的動態(tài)時空分布影響及其對區(qū)域地震危險性評估的潛在指導(dǎo)意義.

1　GPS數(shù)據(jù)處理與質(zhì)量控制

目前,四川境內(nèi)可獲取的GPS觀測資料始于1997年,詳細(xì)資料說明見文獻[10].

基于GAMIT-GLOBK軟件[11-12]實現(xiàn)GPS觀測資料的處理.首先,我們將GPS接收機觀測的雙頻相位觀測數(shù)據(jù)與研究區(qū)域周圍均勻分布的約5～10個連續(xù)運行IGS觀測站點進行聯(lián)合解算(每24 h 作為一個分析時段)以獲取松約束條件下的測站位置、大氣參數(shù)(如天頂對流層濕延遲)、地球定向參數(shù)以及相應(yīng)的方差-協(xié)方差矩陣;其次,將上述結(jié)果作為新的觀測值(即“偽”觀測值[13])與麻省理工學(xué)院發(fā)布的全球站點聯(lián)合觀測結(jié)果(h-文件)進行融合,實現(xiàn)區(qū)域數(shù)據(jù)與全球數(shù)據(jù)的聯(lián)接;之后,對于連續(xù)運行參考站,為了更好地獲取測站的長期統(tǒng)計信息(如減弱因突然降雨等短周期環(huán)境噪聲引起的觀測序列的擾動),將每7 d的獨立時間序列進行加權(quán)平均,得到新的位置觀測結(jié)果;最后,通過卡爾曼濾波聯(lián)合處理連續(xù)站與區(qū)域站GPS位置的觀測結(jié)果,并選取全球范圍內(nèi)均勻分布、時間序列穩(wěn)定的IGS連續(xù)觀測站(約為35個)在歐亞框架下(ITRF08_EURA)的先驗點位信息(如坐標(biāo)、速度及相關(guān)統(tǒng)計信息)作為框架約束,獲取待解算測站在該框架下的位置信息.將2009—2011、2011—2013、2013—2015年的相應(yīng)位置序列信息進行分別處理,得到對應(yīng)的速度信息.

最終得到的1997—2008、2009—2011、2011—2013、2013—2015年等4期速度結(jié)果如圖1所示(約355個站點落在本文的研究區(qū)域之內(nèi)).為了清晰,圖1每幅子圖僅繪制了最新一期速度結(jié)果70%置信水平的誤差橢圓,灰色曲線為區(qū)域斷層分布,黃色曲線為四川行政邊界.

圖1　多期GPS速度場對比Fig.1　Comparison of GPS velocity results of different periods

2　應(yīng)變率計算

基于規(guī)則格網(wǎng)和張力樣條插值方法計算連續(xù)的應(yīng)變率場,計算公式及原理見文獻[1].其思路是:研究區(qū)域劃分為若干大小相等的格網(wǎng),對落入每個格網(wǎng)內(nèi)的所有GPS站點的北、東向速度分量分別進行加權(quán)平均,并將該均值作為格網(wǎng)中心點的速度估值,所有格網(wǎng)中心點的速度估值再通過張力樣條插值獲取連續(xù)的速度場和應(yīng)變率場.北、東方向的速度分量可以獨立處理主要基于二者的相關(guān)性一般非常小(通常在0.001～0.003)這一事實;加權(quán)平均的主要原因則在于震后各期GPS速度結(jié)果的有效觀測歷元較少,單個站點的GPS速度估值穩(wěn)定性不高,通過加權(quán)平均可有效降低(可能的)問題測站對全局結(jié)果的影響.

在GPS速度場已知的情況下,應(yīng)變率場的獲取主要受兩種因素的影響:規(guī)則格網(wǎng)的劃分和樣條張力的選擇.規(guī)則格網(wǎng)的劃分主要依賴于研究區(qū)域的平均GPS站間距及特定的研究目標(biāo).格網(wǎng)越小,應(yīng)變率產(chǎn)品的空間分辨率越高(反映的細(xì)節(jié)越多),但受數(shù)值不穩(wěn)定因素的影響越大,可靠性也越弱;格網(wǎng)越大,穩(wěn)定性增強,但空間信息的分辨率也越低.通過測試,將規(guī)則格網(wǎng)的大小設(shè)置在0.5°所生成的四川地區(qū)應(yīng)變率場產(chǎn)品較為合理,比如,所獲取的最大剪應(yīng)變率可較好地反映區(qū)域的重要活動性剪切斷層的分布和走向特征,所獲取的垂直軸旋轉(zhuǎn)率的空間分布特征與地質(zhì)等結(jié)果基本吻合等.樣條張力的控制則依賴于張力變量T的選擇,依據(jù)文獻[1]的建議,設(shè)置T=0.3.

3　結(jié)　果

3.1　面膨脹率

圖2給出了1997—2008、2009—2011、2011—2013、2013—2015年等4期速度場得到的面膨脹率計算結(jié)果.圖2中,紅色五角星分別代表汶川2008年 Ms8.0級地震、蘆山2013年Ms7.0級地震、康定2014年Ms6.3級地震的震中位置,黑色實線為斷層位置[10].

由圖2可知:

(1) 研究區(qū)域內(nèi)較為顯著的面膨脹率分布主要集中在龍門山斷裂、大涼山次級塊體西側(cè)(安寧河、則木河及大涼山斷裂組成的菱形區(qū)域)及四川地區(qū)西側(cè).

(2) 龍門山斷裂在汶川地震前后均呈現(xiàn)顯著的壓縮特性,這與該區(qū)域的背景運動特征一致,即,其地處青藏高原與四川盆地(華南地塊)的邊界構(gòu)造帶,并呈疊瓦狀向四川盆地逆沖推覆[11],從而引起擠壓.汶川震后(圖2(b)～(d))該區(qū)域的壓縮應(yīng)變率明顯高于震前(圖2(a)),從量級上看,除汶川和蘆山地震所在震中位置外,震后量級大約為震前的3～5倍.當(dāng)然,震前的這兩處面壓縮率高值區(qū)是否恰巧與汶川、蘆山地震的成因有關(guān)仍值得進一步探索,但可以確定的是,震前該區(qū)域的空間壓縮率的確高于斷層的其他位置,這一點與文獻[2,8]關(guān)于該區(qū)域的研究結(jié)果是一致的.從空間分布上看,龍門山斷裂帶震后面壓縮率分布相對于震前而言在其北東段(北川至青川段)有所延伸,這與汶川地震引起龍門山斷裂的能量釋放范圍一致,同時,震后該區(qū)域的面壓縮率高值區(qū)的分布隨著時間的推移有減緩的趨勢,說明該區(qū)域正在經(jīng)歷震后彈性回彈過程.但在經(jīng)歷了近7年之后(2008—2015年),仍未恢復(fù)至震前水平(1997—2008年),說明該區(qū)域下地殼中的黏彈性物質(zhì)(而非上地殼的彈性物質(zhì))對其弛豫時間起著決定性影響.

(3) 在大涼山次級塊體及周邊區(qū)域,震后相對于震前的面壓縮率明顯增強,且隨著時間的推移,似乎有進一步增強的趨勢,如果借鑒汶川地震的分析結(jié)果,該區(qū)域面壓縮率逐漸增強的趨勢與地震危險性可能有所關(guān)聯(lián),并值得進一步深入研究.

(4) 四川地區(qū)西部(川、滇、藏交界位置,約北緯27°～30°,東經(jīng)98°～100°) 2011—2013年結(jié)果(圖2(c))相對于之前幾期出現(xiàn)較為明顯的面膨脹分布,這可能是受該區(qū)域2013年8月28日發(fā)生的Ms5.9級香格里拉德欽—得榮地震影響.文獻[14]的研究結(jié)果表明,該地震為正斷層型地震,且發(fā)震區(qū)域具有顯著的拉張?zhí)匦?與此處的GPS結(jié)果一致.

圖2　不同時期GPS速度場獲取的面膨脹率結(jié)果(×10-6 strain/yr)Fig.2　Dilatation strain rate results calculated using GPS velocity fields of different periods(×10-6 strain/yr)

3.2　垂直軸旋轉(zhuǎn)率

圖3給出了1997—2008、2009—2011、2011—2013、2013—2015年等4期速度場結(jié)果所分別獲取的研究區(qū)域垂直軸旋轉(zhuǎn)率分布狀態(tài).各結(jié)果所使用的渲染色彩均基于相同的顏色刻度定義,其中,正值代表逆時針旋轉(zhuǎn),負(fù)值代表順時針旋轉(zhuǎn).

由圖3可知:

(1) 顯著的逆時針旋轉(zhuǎn)主要分布在鮮水河—安寧河—則木河—小江斷裂帶及龍門山斷裂帶北段,顯著的順時針旋轉(zhuǎn)主要分布在龍門山斷裂帶南段及四川地區(qū)西側(cè).

(2) 汶川地震前,龍門山斷裂帶的旋轉(zhuǎn)特性與四川盆地所在的華南地塊基本一致,為微弱的逆時針旋轉(zhuǎn),而地震后,該斷裂帶北段上呈現(xiàn)顯著的逆時針旋轉(zhuǎn),而南段則呈現(xiàn)顯著的順時針旋轉(zhuǎn),這與該斷裂帶逆沖(南段)兼具右旋走滑(北段)的背景特性相一致.同時,隨著時間的推移,震后該斷裂帶的順、逆時針旋轉(zhuǎn)高值區(qū)的空間分布和量級也在逐漸減少,進一步揭示了汶川地震的震后調(diào)整過程.

(3) 鮮水河—安寧河—則木河—小江斷裂帶呈現(xiàn)顯著的逆時針旋轉(zhuǎn)特性.從旋轉(zhuǎn)的量級看,在汶川震前,最大的旋轉(zhuǎn)率出現(xiàn)在鮮水河斷裂帶南段,而震后,最大的旋轉(zhuǎn)率則“轉(zhuǎn)移”到了安寧河—則木河甚至更南端的小江斷裂帶上,但是由于其量級的變化非常微弱(約為0.01×10-6strain/yr),因此,這種“轉(zhuǎn)移”是否真實存在以及這種“轉(zhuǎn)移”是否由汶川地震直接引起,均需要更多學(xué)科手段的聯(lián)合論證.

(4) 四川地區(qū)西側(cè)(川、滇、藏交界區(qū)域)呈現(xiàn)大范圍的順時針旋轉(zhuǎn),這與原始的GPS速度場結(jié)果(圖2)揭示的旋轉(zhuǎn)特性一致.同時,其所展現(xiàn)的紅河斷裂(右旋)與鮮水河—安寧河—則木河—小金河斷裂帶(左旋)的旋轉(zhuǎn)特性差異與該區(qū)域的長期背景認(rèn)知一致[2,8].

圖3　不同時期GPS資料獲取的垂直軸旋轉(zhuǎn)率結(jié)果對比(×10-6 strain/yr)Fig.3　Vertical rotation rate results calculated using GPS velocity fields of different periods(×10-6 strain/yr)

3.3　最大剪應(yīng)變率

圖4為不同時期的最大剪應(yīng)變率分布結(jié)果,內(nèi)插格網(wǎng)值為0.5°.

由圖4可知:

(1) 最大剪應(yīng)變率主要分布在鮮水河—安寧河—則木河—小江斷裂帶及龍門山斷裂帶.

圖4　不同時期GPS資料獲取的最大剪應(yīng)變率結(jié)果(×10-6 strain/yr)Fig.4　Maximum shear strain rates of GPS velocity fields of different periods(×10-6 strain/yr)

(2) 汶川地震之前,龍門山斷裂帶上無顯著的剪切應(yīng)變分布,這與之前的GPS及地質(zhì)觀測結(jié)果一致[15-16].汶川震后,龍門山區(qū)域出現(xiàn)明顯的剪應(yīng)變率分布,并且隨著時間的推移(圖3(b)～(d)),剪應(yīng)變率的空間分布和量級逐漸縮小.

(3) 汶川地震前,整個鮮水河斷裂帶均呈較高的最大剪應(yīng)變率分布特征,而汶川地震后,鮮水河斷裂南段的最大剪應(yīng)變率分布相對于中段和北段更加顯著,并一直持續(xù),這可能說明由于汶川地震的發(fā)生使得該區(qū)域的應(yīng)力累積重新分布,從而最終誘發(fā)了2014年康定Ms6.3級地震.另外,鮮水河斷裂帶北段的剪切應(yīng)變空間分布有增強的趨勢值得繼續(xù)關(guān)注.與面膨脹率的現(xiàn)象類似,川藏交界2011—2013年出現(xiàn)剪切應(yīng)變增加的情況,應(yīng)該亦是受到2013年得榮 Ms5.9級地震影響所致.

由于最大剪應(yīng)變率的分布與潛在的區(qū)域地震危險性直接相關(guān)[1],為了精化地震危險區(qū)的識別范圍,我們將內(nèi)插格網(wǎng)值減小至0.1°,所獲取的最大剪應(yīng)變率分布結(jié)果如圖5所示,內(nèi)插格網(wǎng)值為0.1°.由圖5可知:鮮水河北段(與甘孜—玉樹斷裂的復(fù)合部位)、安寧河—則木河斷裂及大涼山斷裂(即,大涼山次級塊體)仍是主要地震危險區(qū).

圖5　不同時期最大剪應(yīng)變率結(jié)果(×10-6 strain/yr)Fig.5　Maximum shear strain rates of GPS velocity fields of different period(×10-6 strain/yr)

4　結(jié)　論

使用1997—2015年GPS觀測數(shù)據(jù)獲取了青藏高原東南緣四川地區(qū)不同時期的速度場結(jié)果,基于該產(chǎn)品對研究區(qū)域的應(yīng)變率張量及汶川地震前后面膨脹率、垂直軸旋轉(zhuǎn)率及最大剪應(yīng)變率等的時空演化特征進行了分析.

結(jié)果表明,汶川震后,龍門山區(qū)域的3類應(yīng)變率場的空間分布和量級均有減緩的趨勢,客觀揭示了汶川地震的震后回彈過程.但至今,回彈過程尚未結(jié)束(未恢復(fù)至震前狀態(tài)),表明該區(qū)域依然會受到較長時間的下地殼黏彈性流動層的影響.

最大剪應(yīng)變率的分析結(jié)果表明,鮮水河斷裂北段、安寧河—則木河斷裂以及大涼山斷裂仍是未來一段時間該研究區(qū)域內(nèi)應(yīng)該被持續(xù)關(guān)注的主要地震危險區(qū).

致謝:感謝四川省測繪與地理信息局提供部分GPS站點資料.

參考文獻:

[1]HACKL M,MALSERVISI M,WDOWINSKI S.Strain rate patterns from dense GPS networks[J].Natural Hazards and Earth System Sciences,2009,9:1177-1187.

[2]ALLMENDINGER R W,REILINGER R,LOVELESS J.Strain and rotation rate from GPS in Tibet,Anatolia,and the Altiplano[J].Tectonics,2007,26 (3):39-44.

[3]LEASE R O,BURBANK D W,GEHRELS G E,et al.Signatures of mountain building:detrital zircon U/Pb ages fromnortheastern Tibet[J].Geology,2007,35:239-242.

[4]ZHENG D W,ZHANG P Z,WAN J L,et al.Rapid exhumation at similar to 8 Ma on the Liupan Shan thrust fault from apatite fission-track thermochronology:implications for growth of the northeastern Tibetan Plateau margin[J].Earth and Planetary Science Letters,2006,248:198-208.

[5]ZHEN D W,CLARK M K,ZHANG P Z,et al.Erosion,fault initiation and topographic growth of the North Qilian Shan (Northern Tibetan Plateau)[J].Geosphere,2010,6:937-941.

[6]TIAN X B,LIU Z,SI S K,et al.The crustal thickness of NE Tibet and its implication for crustal shortening[J].Tectonophysics,2004,634:198-207.

[7]ENGLAND P,MOLNAR P.Late quaternary to decadal velocity fields in Asia[J].Journal of Geophysical Research,2005,110(B12):3-24.

[8]GAN W,ZHANG P,SHEN Z K,et al.Present-day crustal motion within the Tibetan Plateau inferred from GPS measurements[J].Journal of Geophysical Research,2007,112(B8):9-24.

[9]鄒鎮(zhèn)宇,江在森,武艷強,等.基于GPS速度場變化結(jié)果研究汶川地震前后南北地震帶地殼運動動態(tài)特征[J].地球物理學(xué)報,2015,58(5):1597-1609.

ZOU Zhenyu,JIANG Zaisen,WU Yanqiang,et al.Dynamic characteristics of crustal movement in north-south seismic belt from GPS velocity field before and after the Wenchuan Earthquake[J].Chinese Journal Geophysics,2015,58(5):1597-1609.

[10]RUI X,STAMPS D S.Present-day kinematics of the eastern Tibetan Plateau and Sichuan Basin:implications for lower crustal rheology[J].Journal of Geophysical Research,2016,121(5):3846-3866.

[11]HERRING T A,KING R W,MCCLUSKY S C.Documentation of the MIT GPS analysis software:GAMIT release 10.4[M].Cambridge:Massachusetts Institute of Technology,2010:12-14.

[12]HERRING T A,KING R W,MCCLUSKY S C.GLOBK:Global Kalman filter VLBI and GPS analysis program,release 10.4[M].Cambridge:Massachusetts Institute of Technology,2010:19-34.

[13]DONG D N,HERRING T A,KING R W,Estimating regional deformation from acombination of space and terrestrial geodetic data [J].Journal of Geodesy,1998,72:200-214.

[14]羅鈞,趙翠萍,周連慶.2013年8月香格里拉德欽-得榮Ms5.9地震序列震源機制與應(yīng)力場特征[J].地球物理學(xué)報,2015,58(2):424-435.

LUO Jun,ZHAO Cuiping,ZHOU Lianqing.Focal mechanisms and stress field of the Shangri-La Deqen,Yunnan Province-Derong,Sichuan Province Ms5.9 earthquake sequence in August,2013[J].Chinese Journal Geophysics,2015,58(2):424-435.

[15]KING R W,SHEN F,BURCHFIEL B C,et al.Geodetic measurement of crustal motion in southwest China[J].Geology,1997,25:179-182.

[16]馬保起,蘇剛,侯治華,等.龍門山斷裂帶中段晚第四紀(jì)活動速率[J].國際地震動態(tài),2004(增刊1):234-242.

MA Baoqi,SU Gang,HOU Zhihua,et al.The slip rate of Longmenshan fault in late quaternary[J].Recent Developments in World Seismology,2004(Sup.1):234-242.