川滇區(qū)域活動塊體運動與應(yīng)變特征地震影響分析

黨亞民，楊 強，梁詩明，王 偉

1. 中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830； 2. 中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

GNSS可以在大、中空間尺度給出基于全球統(tǒng)一參考框架的毫米級地殼運動觀測信息和高時空分辨率的應(yīng)變場信息，使大區(qū)域地殼形變監(jiān)測能力有了根本性提升[1]。國內(nèi)外許多學(xué)者利用GNSS等大地測量資料，對地殼形變空間分布特征[2-9]、地殼形變與地震關(guān)聯(lián)[10-15]、塊體運動及邊界斷裂帶活動與應(yīng)變積累[16-29]等進(jìn)行了深入的研究。

川滇區(qū)域是我國地殼形變最為突出的地區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、構(gòu)造活動強烈、地震發(fā)生頻度高且強度大，受到國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[8—10]利用GPS連續(xù)資料研究了川滇地區(qū)地殼應(yīng)變特征；文獻(xiàn)[11—13]基于GPS速度場研究了大震前后川滇區(qū)域地殼形變及變化特征；文獻(xiàn)[16—19]利用GPS研究了川滇區(qū)域內(nèi)主要活動斷裂現(xiàn)今活動趨勢；文獻(xiàn)[20—21]利用GPS資料研究了對川滇區(qū)域活動塊體進(jìn)行劃分并研究了塊體的運動與變形。

活動塊體作為大陸構(gòu)造活動基本地質(zhì)單元，對大陸強震孕育和發(fā)生起著直接的控制作用[27]。大量研究表明[1-22]，一定時間、區(qū)域內(nèi)的GNSS站點運動速率在量級和方向上存在明顯的規(guī)律性。以活動塊體為地質(zhì)單元，考慮塊體內(nèi)部相對穩(wěn)定、運動與變形相對一致的特點，利用塊體內(nèi)GNSS實測速度場，通過構(gòu)建活動塊體運動與應(yīng)變模型，可以更準(zhǔn)確地反映塊體整體運動特征和應(yīng)變分布信息。本文通過對GNSS速度場合理劃分，提取共同運動與變形信息，研究了川滇區(qū)域地殼形變整體模式與特征。

1 川滇區(qū)域活動塊體模型構(gòu)建

1.1 活動塊體模型

活動塊體模型主要有3種形式，即剛體運動旋轉(zhuǎn)模型，彈塑性旋轉(zhuǎn)-應(yīng)變模型，以及平移-旋轉(zhuǎn)-應(yīng)變模型。研究表明[24-25]，平移-旋轉(zhuǎn)-應(yīng)變模型可以更準(zhǔn)確描述塊體運動與變形，本文采用該模型研究地震對川滇區(qū)域活動塊體運動與應(yīng)變的影響。

Vs=Rt·Ω

(1)

式中

1.2 川滇區(qū)域活動塊體模型構(gòu)建

本文GNSS數(shù)據(jù)采用1999—2007年296座測站，其中包括3座基準(zhǔn)站(圖1(a))；2009—2015年選用了514座觀測站數(shù)據(jù)，包括82座基準(zhǔn)站(圖1(b))，利用GAMITGLOBK軟件對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其中，N、E方向中誤差分別為2.0 mm、2.3 mm，獲取的站點GNSS速度場中誤差為1.3 mm/a。

圖1 GNSS站點分布Fig.1 GNSS stations space distribution

參考我國CPM-CGCS2000板塊模型等對我國活動塊體的劃分[26-27]，川滇區(qū)域主要包括川滇、巴顏喀拉、羌塘、華南和滇西南等5個活動塊體。本文利用1999—2007年、2009—2015年兩個時段GNSS實測速度場分別建立了5個塊體平移-旋轉(zhuǎn)-應(yīng)變模型(表1、表2)。

利用活動塊體模型計算了各GNSS站點的運動速率(圖2藍(lán)色箭頭)，圖中紅色箭頭為實測的GNSS站點運動速率。

表1 1999—2007年川滇區(qū)域活動塊體模型

表2 2009—2015年川滇區(qū)域活動塊體模型

圖中紅色箭頭為GNSS站點實測速率，藍(lán)色為模型擬合站點速率圖2 GNSS實測速度場與塊體模型擬合速度場對比Fig.2 Comparison of measured velocity field and fitting velocity field

為驗證活動塊體模型的有效性，前人學(xué)者通過模型擬合站點速率與實測速率之間的差值進(jìn)行無偏性和有效性估計，采用差值的均值和方差統(tǒng)計量分別評估塊體模型無偏性和有效性[21,25]，統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

表3塊體模型無偏性和有效性統(tǒng)計分析

Tab.3Blockmodelstatisticalanalysisofunbiasedandeffectiveoptimalvalues

塊體名稱1999—20072009—2015均值TΔv均方差Tσ2Δv均值TΔv均方差Tσ2Δv川滇0.463.010.473.15巴顏喀拉0.372.210.173.17羌塘0.662.090.582.97華南0.611.750.112.12滇西南0.741.100.190.64

從表3可以看出，平移-旋轉(zhuǎn)-應(yīng)變模型與實測GNSS速度場對比，無偏性均優(yōu)于1 mm/a，有效性最差的巴顏喀拉塊體也優(yōu)于4 mm/a，能夠較為準(zhǔn)確地描述地殼實際運動與應(yīng)變，可以滿足較大尺度塊體運動與應(yīng)變研究的要求。

2 汶川地震前后川滇區(qū)域活動塊體運動特征

2.1 塊體運動

本文利用平移-旋轉(zhuǎn)-應(yīng)變模型，通過構(gòu)建0.5°×0.5°格網(wǎng)速度場模型(圖3)，研究汶川地震前后川滇區(qū)域活動塊體整體運動。

從圖3可以看出，汶川地震后活動塊體運動量級整體上略大于震前，主要表現(xiàn)為東向運動增大。同時，不同塊體、塊體內(nèi)部不同地區(qū)表現(xiàn)形式存在一定差異。巴顏喀拉塊體整體存在右旋運動趨勢，塊體西部為東-北方向運動，運動速率平均超過10 mm/a。塊體東部轉(zhuǎn)為東-南方向運動，速率逐漸降低，平均低于10 mm/a。羌塘塊體主要表現(xiàn)為東向運動，南向運動較小。川滇塊體明顯呈右旋運動趨勢。滇西南塊體東部、西部運動差異較大，西部主要為西-南向運動，東部則為東-南運動。華南塊體運動整體基本一致且量級較小。

2.2 塊體間相對運動

各個活動塊體的運動方向和量級存在一定的差異，形成了塊體間相互作用與相對運動。利用活動塊體模型，通過對比相鄰塊體之間的運動差異可以研究塊體間相對運動，即Vij=Vi-Vj,i、j分別表示相鄰塊體運動。本文分別對1999—2007、2009—2015年塊體相對運動量級、形式及其變化進(jìn)行了研究。如圖4所示。

圖4 塊體相對運動Fig.4 The relative blocks movement

圖4顯示，巴顏喀拉塊體與華南塊體邊界，北部相對華南塊體主要為相對左旋走滑運動，南部則相對擠壓，且在2008年后，量級明顯增大。羌塘與巴顏喀拉塊體相對運動自西向東，由東北向擠壓轉(zhuǎn)為相對滑動運動，汶川地震前后量級基本一致。羌塘與川滇塊體之間主要為相對擠壓運動，汶川地震后量級有較明顯增加。巴顏喀拉與川滇塊體之間則以相對拉張運動為主，方向上汶川地震前有較為明的相對滑動趨勢，震后則主要表現(xiàn)為相對拉張運動。川滇塊體與華南塊體之間則為明顯的自北向南沿小江斷裂帶相對滑動。川滇塊體與滇西南塊體邊界帶西部為相對拉張運動，中部則轉(zhuǎn)為相對滑動，東部轉(zhuǎn)為相對擠壓，量級上西部明顯高于東部。

3 汶川地震對活動塊體運動與應(yīng)變的影響分析

為探討活動塊體和地殼運動與應(yīng)變的運動學(xué)與幾何變形含義，以及汶川地震對塊體運動與應(yīng)變的影響，根據(jù)汶川地震前后兩個時段塊體模型的平移參數(shù)、應(yīng)變參數(shù)、旋轉(zhuǎn)參數(shù)，將圖3中的地殼運動分解為平移運動、旋轉(zhuǎn)運動和應(yīng)變運動，如圖5所示。

注：圖中紅色箭頭表示2009—2015年格網(wǎng)速度場，藍(lán)色箭頭表示1999—2007年格網(wǎng)速度場。圖3 川滇區(qū)域格網(wǎng)速度場Fig.3 Grid velocity filed in Sichuan-Yunnan region

圖中紅色箭頭表示2009—2015年運動，藍(lán)色箭頭表示1999—2007年運動圖5 塊體運動分解Fig.5 Block movement decomposition

對照圖3—圖5，研究發(fā)現(xiàn)：①地殼平移量級較小，塊體內(nèi)部運動一致，運動方向與塊體旋轉(zhuǎn)運動方向相反，且兩個時段基本不變，最大為川滇塊體，約2.6 mm/a，最小為巴顏喀拉塊體，僅為0.4 mm/a。②塊體旋轉(zhuǎn)運動是地殼主要運動形式，與圖3對比可以發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)運動在量級上普遍大于實測速率，汶川地震后，整體存在較為明顯東向運動趨勢增大趨勢。③塊體應(yīng)變(圖5(c))運動顯示了塊體應(yīng)變在塊體整體運動的作用方向與量級。川滇菱形塊體最為典型，受羌塘塊體擠壓，川滇塊體北部顯示為東向應(yīng)變，受華南塊體阻擋后，川滇-華南塊體邊界帶相對運動逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檠有〗瓟嗔褞媳毕蚧瑒樱瑝K體南部應(yīng)變方向轉(zhuǎn)變?yōu)槲髂舷?。④汶川地震后，巴顏喀拉塊體東部東向速率增大約2～4 mm/a。巴顏喀拉塊體與羌塘塊體邊界帶主要表現(xiàn)為東北向擠壓應(yīng)變，巴顏喀拉塊體受華南塊體阻擋，延龍門山斷裂帶自北向南滑動，并在與華南塊體邊界帶產(chǎn)生東南向擠壓應(yīng)變。對照圖4和圖3(c)發(fā)現(xiàn)，汶川地震后巴顏喀拉-華南塊體邊界帶北段主要是沿龍門山滑動應(yīng)變、南段主要為東南向擠壓應(yīng)變，且明顯增大，顯示該區(qū)域受地震影響較為嚴(yán)重，存在明顯的應(yīng)變積累現(xiàn)象。⑤羌塘塊體整體運動速率在汶川地震后略有增加，主要表現(xiàn)為東西速率平均增大約2～4 mm/a，南向速率平均減小約1～3 mm/a。羌塘塊體延邊界帶呈現(xiàn)順時針旋轉(zhuǎn)的擠壓應(yīng)變，汶川地震后應(yīng)變值明顯增大。⑥川滇菱形塊體在汶川地震后西北部東向運動增加約1～2 mm/a，塊體東南部則出現(xiàn)南向運動減小、東向增大趨勢。川滇塊體北部與華南塊體邊界帶東西向擠壓應(yīng)變，與滇西南塊體邊界帶東部和中部南部呈南北向擠壓應(yīng)變、西部則出現(xiàn)拉張應(yīng)變趨勢，地震前后應(yīng)變值沒有明顯變化。⑦滇西南塊體西部主要為西南向拉張應(yīng)變，自北向南逐漸減小，東部則為東北向拉張應(yīng)變，自南向北逐漸減小。汶川地震后，東部南向運動加速，而西部則出現(xiàn)減速趨勢，導(dǎo)致與華南塊體邊界帶拉張應(yīng)變值增大。⑧華南塊體主要表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)運動，應(yīng)變值較小，塊體整體表現(xiàn)為剛體運動。汶川地震前后塊體東向運動基本一致，南向運動由東向西有逐漸減小趨勢。

4 結(jié)論與分析

本文利用GNSS實測速度場，通過構(gòu)建活動塊體平移-旋轉(zhuǎn)-應(yīng)變模型，研究了地震對川滇區(qū)域活動塊體運動與應(yīng)變的影響。模型與實測GNSS速度場擬合度較好，能夠較為準(zhǔn)確地描述活動塊體實際運動與應(yīng)變狀態(tài)。

圖3顯示，巴顏喀拉和羌塘塊體東向運動明顯大于其他塊體。從圖4可以看出川滇菱形塊體受到西北邊界受到巴顏喀拉塊體、羌塘塊體的推擠，東向運動又受到華南塊體的阻擋，是區(qū)域內(nèi)運動與變形最為復(fù)雜的活動塊體。滇西南塊體東部主要表現(xiàn)為東南向運動，而西部則主要是西南向運動，與川滇塊體邊界帶西部、與華南塊體邊界帶主要表現(xiàn)為拉張應(yīng)變。華南塊體運動與應(yīng)變均較小，其運動形式主要為剛性旋轉(zhuǎn)運動。

汶川地震對羌塘、巴顏喀拉、川滇塊體及各塊體邊界帶的運動和應(yīng)變影響最為顯著。汶川地震后，巴顏喀拉和羌塘塊體東向運動有增大趨勢，巴顏喀拉-華南邊界帶南段產(chǎn)生較大的擠壓應(yīng)變。川滇塊體與羌塘塊體邊界帶擠壓應(yīng)變明顯增大，但與華南塊體相對運動沒有明顯變化，其內(nèi)部應(yīng)變也沒有太大變化。滇西南塊體東部南向運動加速，而西部則出現(xiàn)減速趨勢，導(dǎo)致與華南塊體邊界帶拉張應(yīng)變值有所增大。

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