圣安地列斯斷裂帶帕克菲爾德段異常運(yùn)動(dòng)及其特征分析

何子晨，馮 威，朱東偉

(西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756)

帕克菲爾德(Parkfiled，CA)地區(qū)位于美國(guó)加利福尼亞州中部，靠近美國(guó)大陸西海岸，地處太平洋板塊和北美板塊交界處，圣安地列斯(San Andreas)主斷裂帶由西北至東南走向從此區(qū)域穿過，此部分?jǐn)嗔褞б蚱湮挥谑グ驳亓兴箶嗔褞У闹醒肴浠魏湍喜繌厝R姆(Cholame)閉鎖段之間，所以被稱為帕克菲爾德過渡段，長(zhǎng)約30 km。此地區(qū)在歷史上發(fā)生過周期約為22年的重復(fù)性中等地震共6次，據(jù)此有人進(jìn)行了地震預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)，但因當(dāng)時(shí)技術(shù)落后與數(shù)據(jù)資料匱乏導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗(Roeloffs et al.，1996)。 隨后，Lienkaemper et al.(1989)通過短距離三角測(cè)量與基線測(cè)量確定此段相對(duì)運(yùn)動(dòng)年平均滑動(dòng)速率為0.99±0.04 cm/a。Murray et al.(2005)通過GPS技術(shù)計(jì)算地表形變來分析圣安地列斯斷層滑動(dòng)情況，Barbot et al.(2013)和Maurer et al.(2014)通過GPS和InSAR技術(shù)聯(lián)合反演圣安地列斯斷層滑動(dòng)情況。通過地表變形分析斷層滑動(dòng)情況和斷層構(gòu)造屬于間接研究，存在一定不確定性。Roecker et al.(2006)通過地震波成像方法分析了圣安地列斯斷層結(jié)構(gòu)，Kim et al.(2017)根據(jù)斷層結(jié)構(gòu)的特征分析了圣安地列斯斷層上各個(gè)位置的地震波波速特性，Taira et al.(2008)通過應(yīng)力測(cè)量的方法分析該地區(qū)2004年地震前后斷層上應(yīng)力變化情況，Shelly et al.(2011)研究了震顫現(xiàn)象與應(yīng)力變化及斷層破碎之間的聯(lián)系。通過地震波與應(yīng)力計(jì)的監(jiān)測(cè)可以較為準(zhǔn)確的反映地下斷層結(jié)構(gòu)與應(yīng)力變化，有利于斷裂帶安全性研究，但其數(shù)據(jù)較為抽象，且對(duì)形變信息不敏感，不利于實(shí)際應(yīng)用。Custódio et al.(2007)分析了此地區(qū)重復(fù)地震的周期特性，Rubinstein et al.(2012)研究了此地區(qū)地震預(yù)報(bào)的方法，Schorlemmer et al.(2004)通過地震統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析了斷層上凹凸體可能存在的位置。通過數(shù)學(xué)方法分析此區(qū)域的地震特性與斷裂帶的結(jié)構(gòu)特征，可對(duì)一些現(xiàn)象做出較為合理的解釋，并分析現(xiàn)象間的聯(lián)系，但對(duì)前提假設(shè)條件要求較高，且不易對(duì)現(xiàn)象作用機(jī)理進(jìn)行分析?，F(xiàn)有針對(duì)此區(qū)域的小尺度斷裂帶研究并不充分，容易忽略細(xì)節(jié)，不利于充分研究斷裂帶活動(dòng)機(jī)理，且現(xiàn)有模型的準(zhǔn)確性和精度還有待提高，所以本文直接通過分析小區(qū)域內(nèi)地表CORS站間高精度相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)來分析小區(qū)域內(nèi)板塊間相互作用，以及小范圍內(nèi)的異常形變的規(guī)律與作用機(jī)理，對(duì)研究小范圍斷裂帶活躍區(qū)域很有必要。

1 數(shù)據(jù)處理

1.1 數(shù)據(jù)源與處理策略

為了研究小區(qū)域斷裂帶活動(dòng)特性，本文選用了斷裂帶活動(dòng)較為活躍的帕克菲爾德地區(qū)的cand、mida、pomm、carh、hunt、hogs、land、p790八個(gè)分布于斷裂帶兩側(cè)的CORS站。選取2013年至2016年四年間的觀測(cè)數(shù)據(jù)和廣播星歷，其數(shù)據(jù)為GPS單星座、雙頻、15 s歷元間隔。本文所用GPS數(shù)據(jù)全部來自于SOPAC網(wǎng)站(http://sopac.ucsd.edu/)。測(cè)站及斷裂分布見圖1。

圖1 測(cè)站分布圖

利用GNSS差分技術(shù)進(jìn)行基線解算，采用雙差模型，去除接收機(jī)鐘和衛(wèi)星鐘影響。雙差觀測(cè)方程可表示為(黃丁發(fā)等，2015)：

Δ

Δ

(1)

式中：Δφk表示雙差相位觀測(cè)值;ΔNk表示雙差模糊度;為雙差幾何距離;[為方向余弦。在小尺度區(qū)域內(nèi)采用差分定位，可以忽略電離層延遲、中性大氣延遲和潮汐影響；通過采用24小時(shí)的觀測(cè)，進(jìn)一步削弱多路徑及其它噪聲的影響，實(shí)現(xiàn)高精度的位移解算。

cand測(cè)站位于北美板塊上，距離斷裂帶較遠(yuǎn)，相對(duì)于靠近斷裂的其他測(cè)站，其運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定?；€解算時(shí)以此站為參考站進(jìn)行解算，并且將解算結(jié)果轉(zhuǎn)換為沿?cái)嗔褞ё呦蚝蛢A向(垂直于斷裂的水平分量)，設(shè)定局部坐標(biāo)：沿?cái)嗔褞ё呦蛭鞅毕驗(yàn)檎?，垂直于斷裂的水平分量東北向?yàn)檎?，以便更好理解和分析此區(qū)域板塊間相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。在較小尺度區(qū)域內(nèi)認(rèn)為斷裂帶近似為一條直線，斷裂帶方位角數(shù)據(jù)根據(jù)SOPAC網(wǎng)站(http://sopac.ucsd.edu/)上地圖數(shù)據(jù)計(jì)算而來。

1.2 位移序列與精度分析

圖2和圖3是沿?cái)嗔训臏y(cè)站相對(duì)cand參考站的相對(duì)位移時(shí)間序列，分別展示了各測(cè)站沿?cái)嗔褞ё呦蚺c傾向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)位移時(shí)間序列，黑色實(shí)線表示25天時(shí)作為窗口的平均移動(dòng)結(jié)果。

圖2 沿?cái)嗔褞ё呦蛳鄬?duì)位移時(shí)間序列

圖3 沿?cái)嗔褞A向相對(duì)位移時(shí)間序列

表1 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移序列統(tǒng)計(jì)精度(移動(dòng)窗口=25天)

選取無跳變時(shí)段的數(shù)據(jù)計(jì)算序列的內(nèi)符合精度。通過移動(dòng)平均擬合趨勢(shì)項(xiàng)，計(jì)算原始結(jié)果與移動(dòng)平均值之差，獲得標(biāo)準(zhǔn)差，以此來反映基線解算結(jié)果精度。從圖2、圖3中可以看出測(cè)站位移時(shí)間序列大多存在以月為周期的較短位移趨勢(shì)，為體現(xiàn)測(cè)站實(shí)際位移趨勢(shì)，以25天為移動(dòng)窗口，此時(shí)結(jié)果較為平滑，可以明顯看出位移趨勢(shì)。移動(dòng)平均結(jié)果(選25天為移動(dòng)窗口)如表1所示。從表1可以看出，移動(dòng)平均窗口設(shè)置為25天時(shí)，各測(cè)站原始結(jié)果與趨勢(shì)差的標(biāo)準(zhǔn)差在走向與傾向都在2.90 mm之內(nèi)，其中出現(xiàn)異常運(yùn)動(dòng)的pomm測(cè)站走向、傾向標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.84 mm和1.80 mm，其遠(yuǎn)小于異常運(yùn)動(dòng)所引起的5～15 mm量級(jí)的張壓的相對(duì)量。將本文結(jié)果與他人研究資料(Lienkaemper et al.,1989; Barbot et al.,2013; Maurer et al.,2014)及USGS網(wǎng)站時(shí)間序列產(chǎn)品對(duì)比分析，本文所解得的測(cè)站相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)準(zhǔn)確，測(cè)站在四年當(dāng)中發(fā)生了如圖2、圖3所示的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

2 近斷裂帶區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特征分析

2.1 測(cè)站相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)分析

通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移解算結(jié)果(平均移動(dòng)結(jié)果)可以看出運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)可明顯分為兩類，此現(xiàn)象符合測(cè)站在兩板塊的分布情況。各測(cè)站相對(duì)速度場(chǎng)見圖4。平行于斷裂的滑動(dòng)分量顯示在帕克菲爾德區(qū)段的圣安地列斯斷裂呈現(xiàn)右旋活動(dòng)。位于太平洋板塊的pomm、carh、land、hogs、p790五個(gè)測(cè)站長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)較為一致，5個(gè)測(cè)站相對(duì)cand參考站向西北向滑動(dòng)。其中距離斷裂帶較近的pomm、carh測(cè)站四年時(shí)間走向滑動(dòng)約5 cm，年平均滑動(dòng)速率為1.2 cm/a。距斷裂帶稍遠(yuǎn)的land、hogs、p790測(cè)站四年走向滑動(dòng)在6 cm左右，年均滑動(dòng)速率為1.4 cm/a，其中p790滑動(dòng)量最大，因其靠近圣安地列斯斷裂帶中部的蠕動(dòng)段，所以滑動(dòng)速率較大。在走向滑動(dòng)上整體表現(xiàn)出西北部速度高、東南部速度低、逐漸過渡的趨勢(shì)。carh四年累積垂直于斷裂的水平分量基本無滑動(dòng)，land、hogs、p790四年累積垂直于斷裂的水平分量滑動(dòng)在0.7 cm左右，在斷裂帶上表現(xiàn)為太平洋板塊向北美板塊擠壓，而pomm四年累積垂直于斷裂的水平分量滑動(dòng)達(dá)到1 cm，且具有更強(qiáng)的擠壓趨勢(shì)。位于北美板塊的hunt、mida兩測(cè)站長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)較為一致，因其與參考站cand都位于北美板塊，所以其相對(duì)走向運(yùn)動(dòng)并不明顯，但仍可看出四年累積傾向滑動(dòng)量達(dá)到0.7 cm左右，可認(rèn)為主要是受太平洋板塊擠壓所致。總體看來，此區(qū)域內(nèi)除pomm測(cè)站外的各個(gè)測(cè)站四年來相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)均較為穩(wěn)定，只有pomm測(cè)站出現(xiàn)了三次周期性逆擠壓運(yùn)動(dòng)。此站在2013年3月之前與2016年4月之后都具有右旋擠壓的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，與所在板塊的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)保持一致。

2.2 pomm站異常運(yùn)動(dòng)分析

位于太平洋板塊的pomm測(cè)站出現(xiàn)了三次具有周期性的異常運(yùn)動(dòng)，發(fā)生時(shí)間段為2013年3月至2016年3月。其所引起的張壓的相對(duì)量在5～15 mm。根據(jù)長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和解算結(jié)果的統(tǒng)計(jì)精度可以確定，異常運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象確實(shí)存在。異常運(yùn)動(dòng)為逆擠壓運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，在斷層上表現(xiàn)為三次“一張一合”，具有一定的周期性，約為12月，見圖5方框。其傾向運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)最終恢復(fù)為擠壓趨勢(shì)，與斷裂帶在此區(qū)域的擠壓趨勢(shì)趨于一致。pomm測(cè)站異常運(yùn)動(dòng)位移時(shí)間序列見圖5。在此異常運(yùn)動(dòng)期間，USGS網(wǎng)站(https://earthquake.usgs.gov/)所提供的該地區(qū)地震記錄中并沒有足以產(chǎn)生如此量級(jí)滑動(dòng)的地震發(fā)生。且其滑動(dòng)速率相較于常規(guī)地震非常緩慢，通過對(duì)比Frank et al. (2015)研究的墨西哥地區(qū)慢地震對(duì)CORS站的影響，pomm測(cè)站的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)與慢地震現(xiàn)象較為符合，且證實(shí)其推斷：當(dāng)斷層傾角越接近90°時(shí)，斷層面上發(fā)生慢地震對(duì)地表水平位移影響就越大。通過以上分析則確定斷裂帶上發(fā)生慢地震事件。pomm測(cè)站長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)符合圣安地列斯斷裂帶在帕克菲爾德段的右旋走滑并伴隨擠壓運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。當(dāng)慢地震發(fā)生時(shí)，pomm測(cè)站出現(xiàn)逆擠壓運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，但從整體長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)可以看出，其已于2016年4月恢復(fù)了右旋擠壓的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，與所在板塊的運(yùn)動(dòng)趨于一致。

圖4 相對(duì)速度場(chǎng)

圖5 pomm測(cè)站相對(duì)位移時(shí)間序列

本文根據(jù)Schorlemmer et al.(2004)所研究的此區(qū)域的凹凸體分布，分析區(qū)域異常運(yùn)動(dòng)的原因?yàn)椋簆omm測(cè)站所在附近區(qū)域下方的斷層面上由于接觸面壓力或溫度的變化，產(chǎn)生了一個(gè)較小的凹凸體，阻礙斷裂帶的右旋走滑運(yùn)動(dòng)，使得斷層在此運(yùn)動(dòng)時(shí)不得不錯(cuò)開以保證與板塊整體的右旋運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)一致，在地表pomm測(cè)站則表現(xiàn)為逆擠壓運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，當(dāng)應(yīng)力累積到一定程度時(shí)，與凹凸體接觸的太平洋板塊較為脆弱，太平洋板塊接觸面率先破裂，使運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)恢復(fù)了擠壓，引起了監(jiān)測(cè)結(jié)果中的部分回跳，但隨著板塊右旋走滑的繼續(xù)，凹凸體的存在又阻礙了其運(yùn)動(dòng)，又出現(xiàn)了逆擠壓運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)與回跳。此過程重復(fù)兩次后，當(dāng)凹凸體承受能力小于太平洋板塊部分時(shí)，凹凸體破裂，使得板塊間再次恢復(fù)擠壓運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，因阻礙滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)的凹凸體消失，則之后再無此現(xiàn)象發(fā)生，示意圖見圖6。

圖6 異常運(yùn)動(dòng)機(jī)理示意

3 結(jié)語

利用小尺度短基線高精度相對(duì)定位的處理策略探究斷裂帶上的異常運(yùn)動(dòng)，并將相對(duì)運(yùn)動(dòng)解算結(jié)果投影到斷層面傾向與走向上，可以更加清晰的得到異常運(yùn)動(dòng)對(duì)板塊間相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。本文利用以上解算策略對(duì)美國(guó)加州帕克菲爾德地區(qū)分布在圣安地列斯斷裂兩側(cè)的CORS站間基線進(jìn)行解算，斷裂帶在此區(qū)域的長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)呈現(xiàn)右旋走滑伴隨擠壓的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，并發(fā)現(xiàn)pomm測(cè)站存在周期性運(yùn)動(dòng)，通過分析認(rèn)為此逆擠壓的運(yùn)動(dòng)可能為慢地震現(xiàn)象，其對(duì)pomm測(cè)站的位置產(chǎn)生5～15 mm的影響。此區(qū)域慢地震復(fù)發(fā)過程使得斷裂帶呈現(xiàn)“一張一合”的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的分析可以看出，此區(qū)域的逆擠壓運(yùn)動(dòng)已消失，整體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)恢復(fù)為與板塊一致的右旋擠壓運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。本文將凹凸體這一斷層特殊構(gòu)造用于解釋小區(qū)域內(nèi)的可能慢地震現(xiàn)象，為研究凹凸體與慢地震的聯(lián)系提供了一個(gè)具有實(shí)際價(jià)值的例子與思路。