利用GPS數(shù)據(jù)分析四川“Y”型構(gòu)造區(qū)地殼運(yùn)動狀態(tài)

姚文舉 唐紅濤

1）中國濟(jì)寧 272100 山東省魯南地質(zhì)工程勘察院（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊）

2）中國西安 710054 中國地震局第二監(jiān)測中心

0 引言

四川是我國地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地區(qū)，境內(nèi)有多條大型斷裂帶，呈“Y”型展布，地質(zhì)構(gòu)造縱橫交錯，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地震活動劇烈。2008 年5 月12 日汶川8.0 級地震發(fā)生，造成巨大的人員傷亡與財產(chǎn)損失；2019 年6 月17 日四川省長寧縣6.0 級地震發(fā)生后，重慶、云南、貴州多地有感。多次破壞性地震的發(fā)生，揭示了四川地區(qū)地殼構(gòu)造活動的劇烈特征，有必要對過去20 年，包括汶川地震前10 年的構(gòu)造運(yùn)動進(jìn)行梳理，總結(jié)地殼應(yīng)變場的演化規(guī)律。本文基于1999—2001 年、2001—2004 年、2004—2007 年、2009—2011 年、2011—2013 年、2013—2015 年及2015—2017 年7 期GPS 水平運(yùn)動速度場數(shù)據(jù)，解算四川“Y”型構(gòu)造區(qū)各周期網(wǎng)格速度場、地殼應(yīng)變率場計算結(jié)果，研究并給出該區(qū)近20 年尺度的地殼應(yīng)變場動態(tài)演化過程。

1 地質(zhì)構(gòu)造與數(shù)據(jù)

四川省區(qū)內(nèi)分布龍門山斷裂帶、鮮水河斷裂帶及安寧河斷裂帶3 條較大斷裂有，整體呈“Y”型展布。該“Y”型斷裂交匯于特提斯—喜馬拉雅構(gòu)造域東緣泛華夏大陸古生代—中生代羌塘—三江構(gòu)造區(qū)（北特提斯構(gòu)造域）之松潘—甘孜褶皺系與揚(yáng)子準(zhǔn)地臺的銜接部位（丁開華等，2013；Huang et al，2014；Zhao et al，2015）。四川“Y”型構(gòu)造區(qū)及1970 年以來該區(qū)地震震中位置分布見圖1，可見大多數(shù)地震分布在龍門山斷裂帶，且2008 年汶川8.0 級大地震即發(fā)生于此，而龍門山斷裂帶東側(cè)為堅硬的揚(yáng)子板塊，該板塊內(nèi)部常年穩(wěn)定（Wessel，2009；Shen et al，2009；Wang et al，2011）。

圖1 四川“Y”型構(gòu)造區(qū)及震中分布Fig.1 The“Y”type tectonic area and epicenter distribution in Sichuan Province

“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”由260個連續(xù)站與2 000 個流動站組成，每2 年進(jìn)行1 期GPS 觀測。由于四川省觀測站分布密集，每期流動站觀測不少于4 個時段，每個時段24 h，數(shù)據(jù)采樣間隔30 s（董運(yùn)洪等，2012；曾波等，2012）。對四川重點(diǎn)構(gòu)造區(qū)進(jìn)行地殼運(yùn)動分析，所用GPS速度場數(shù)據(jù)均相對于歐亞板塊，誤差橢圓為95%的置信度。選取四川地區(qū)1999—2017 年共7 期GPS 水平運(yùn)動速度場數(shù)據(jù)（圖2），剔除個別非構(gòu)造作用影響數(shù)據(jù)（非構(gòu)造作用導(dǎo)致GPS 站點(diǎn)運(yùn)動方向及觀測誤差與周圍觀測站差異較大），分析該區(qū)近20 年尺度的地殼應(yīng)變場動態(tài)演化過程。

2 GPS 運(yùn)動速度場

2.1 水平運(yùn)動速度場

利用1999—2017 年GPS 水平運(yùn)動速度場數(shù)據(jù)，分別給出1999—2001 年、2001—2004 年、2004—2007 年、2009—2011 年、2011—2013 年、2013—2015 年及2015—2017 年7 期GPS 站點(diǎn)運(yùn)動速度矢量圖，見圖2，可見自1999 年起，近20 年間，四川“Y”型構(gòu)造區(qū)水平運(yùn)動具有一定動態(tài)演化規(guī)律。2008 年汶川地震前的3 期GPS 速度場相對穩(wěn)定，從各站點(diǎn)運(yùn)動速率與方向看，整體“Y”型構(gòu)造區(qū)地殼運(yùn)動變化不大，但汶川地震后的2009—2011 年周期，發(fā)生明顯變化，其中龍門山斷裂帶變化最顯著，較震前的3 個周期速率增大，由4.0—5.0 mm/a 增至7.0—9.0 mm/a。在運(yùn)動方向上，汶川以南保持SE 向不變，汶川以北，則為SEE 向，且在汶川地震后4 個周期的GPS 運(yùn)動速度場中，能夠發(fā)現(xiàn)龍門山斷裂帶運(yùn)動方向由震前SE 向略轉(zhuǎn)為SEE 向，其他地區(qū)運(yùn)動方向基本保持不變。

圖2 四川GPS 水平運(yùn)動速度場Fig.2 GPS horizontal velocity field

2.2 格網(wǎng)運(yùn)動速度場

1999—2017 年7 期GPS 格網(wǎng)水平運(yùn)動速度場見圖3，顯著體現(xiàn)了四川“Y”型構(gòu)造區(qū)近20 年水平運(yùn)動的動態(tài)演化特征，特別是在2008 年汶川地震后，其中2009—2011 年周期“Y”型構(gòu)造區(qū)以東地區(qū)運(yùn)動速率明顯增大，而2011—2013 年周期急劇減小，2013—2015 年、2015—2017 年周期則逐漸恢復(fù)至震前活動水平。

圖3 四川GPS 網(wǎng)格水平運(yùn)動速度場Fig.3 Sichuan GPS grid horizontal velocity field

3 地殼應(yīng)變率場動態(tài)演化特征

基于GPS 水平運(yùn)動速度場數(shù)據(jù)，探討近20 年四川“Y”型構(gòu)造區(qū)地殼運(yùn)動變化特征，受參考框架不同影響，最終結(jié)果并不具有唯一性，但基于GNSS 速度場解算的地殼應(yīng)變張量與參考框架的選取無關(guān)（張榮斗等，2008），且能清晰刻畫四川主要斷裂帶地殼形變與應(yīng)力張量之間的相互轉(zhuǎn)換過程。因此，借助最小二乘配置（曹里等，2016），通過應(yīng)變率與位移速度間的偏導(dǎo)關(guān)系，計算四川地區(qū)1999—2017 年7 期水平運(yùn)動應(yīng)變率場。

3.1 最大剪應(yīng)變率場

四川“Y”型構(gòu)造區(qū)GPS 水平運(yùn)動速度場最大剪應(yīng)變率場見圖4。

圖4 最大剪應(yīng)變率Fig.4 The maximum shear strain rate diagram

如圖4 所示，1999—2001 年期與2001—2004 年期最大剪應(yīng)變率場變化一致，反映了最大剪應(yīng)變率高值區(qū)位于鮮水河斷裂與安寧河斷裂，主要分布在甘孜至瀘定一帶及西昌附近，變化率均約10.0×10-8/a，而龍門山斷裂帶應(yīng)變率場變化率則為2.0×10-8/a；至2004—2007 年周期，鮮水河斷裂以甘孜、瀘定為中心集中出現(xiàn)2 個獨(dú)立高值區(qū)，變化率分別達(dá)16.0×10-8/a 與15.0×10-8/a，較早期數(shù)據(jù)增大50%，“Y”型構(gòu)造區(qū)南部高值區(qū)仍分布于安寧河斷裂以東，變化率約12.0×10-8/a，龍門山斷裂帶變化不大，但在汶川地震之后，由2009—2011 年周期可見高值區(qū)集中出現(xiàn)在龍門山山前斷裂，汶川以東，最大剪應(yīng)變率由震前的2.0×10-8/a 增大到22.0×10-8/a，且自龍門山山前斷裂向西到汶川一帶，形成由高到低、平行于龍門山斷裂帶走向的高密度梯度帶，表明了在2008 年汶川地震之后的2年里，由映秀（震中）沿龍門山斷裂帶NE 走向，在殼體內(nèi)部向斷裂兩側(cè)發(fā)生顯著應(yīng)力推擠的構(gòu)造運(yùn)動。此外，廣元西側(cè)最大剪應(yīng)變率約17.0×10-8/a，而汶川地震前鮮水河斷裂與安寧河斷裂所在西昌高值區(qū)，開始有了明顯的回落；2011—2013 年周期，龍門山斷裂帶延續(xù)著2009—2011 年周期構(gòu)造運(yùn)動態(tài)勢，汶川以東變化率約21.0×10-8/a，北川附近達(dá)16.0×10-8/a，且鮮水河斷裂整體應(yīng)變率較上周期有所增大；2013—2015 年周期高值區(qū)又發(fā)生明顯轉(zhuǎn)移，由龍門山斷裂帶轉(zhuǎn)移至鮮水河斷裂南端，變化率約23.0×10-8/a，中心位于瀘定以西，且龍門山斷裂帶應(yīng)變率回落至15.0×10-8/a，以汶川為中心，向NE 及SE 兩個方向遞減，而安寧河斷裂構(gòu)造區(qū)應(yīng)變率變化不大；2015—2017 年周期繼續(xù)維持上周期高值區(qū)分布特點(diǎn)。此外，在近20 年四川“Y”型構(gòu)造區(qū)整體應(yīng)變率場動態(tài)演化過程中，揚(yáng)子板塊內(nèi)部始終變化微弱，相對穩(wěn)定。

3.2 主應(yīng)變率場

主應(yīng)變率場反映了地殼在某些關(guān)鍵點(diǎn)位的張、壓特征。1999 年以來，四川“Y”型構(gòu)造區(qū)7 期GPS 運(yùn)動速度場主應(yīng)變率結(jié)果見圖5。由圖5 可見，與上述最大剪應(yīng)變率一致的是，在2008 年汶川地震前10 年內(nèi)，四川“Y”型構(gòu)造區(qū)3 大斷裂構(gòu)造帶主應(yīng)變率演化特征并不顯著（圖5）。值得注意的是，自鮮水河斷裂向東至龍門山斷裂帶，EW 方向上壓應(yīng)變呈遞減趨勢變化，如西部甘孜、爐霍附近壓應(yīng)變率約5.0×10-8/a，東至汶川，降至約1.0×10-8/a，且1999—2001 年、2001—2004 年、2004—2007 年3 個周期的變化規(guī)律一致。然而，當(dāng)2008 年汶川地震發(fā)生以后，即由圖5 可見，龍門山斷裂帶應(yīng)變率發(fā)生SEE 向壓性顯著增強(qiáng)現(xiàn)象，平均主壓應(yīng)變率由震前3 個周期的-1.2×10-8/a，增至震后的-13.0×10-8/a，且在2009—2017 年近10 年的4 個周期中始終持續(xù)增強(qiáng)變化。同時，由圖2、圖3 所示GPS（網(wǎng)格）水平運(yùn)動速度場亦可發(fā)現(xiàn)，汶川地震后龍門山斷裂帶運(yùn)動速率明顯增大。由此表明，汶川地震前來自青藏塊體內(nèi)部的物質(zhì)流在東向遷移過程中，受到東部堅硬的揚(yáng)子板塊阻擋，以致地殼構(gòu)造在鮮水河斷裂至龍門山斷裂帶之間出現(xiàn)壓應(yīng)變率遞減現(xiàn)象，而汶川地震的發(fā)生則釋放了地殼內(nèi)部多年以來SEE 向壓應(yīng)力的能量累積，在震后10 年中始終受到來自西部地區(qū)地殼擠壓驅(qū)動力的作用，使得該地區(qū)壓應(yīng)力能量釋放為震后構(gòu)造運(yùn)動速率與壓應(yīng)變率增強(qiáng)創(chuàng)造了條件。鮮水河斷裂西段以NS 向主拉應(yīng)變形式存在，變化率約5.0×10-8/a，安寧河斷裂表現(xiàn)為NNW 向主壓應(yīng)變，變化率約6.0×10-8/a。然而，汶川地震以后，“Y”型構(gòu)造區(qū)主應(yīng)變率發(fā)生顯著改變，在龍門山斷裂帶，以SE 或SEE 向主壓應(yīng)變?yōu)橹?，其量值變化范圍?.0×10-8/a—12.0×10-8/a，主要是震后地殼應(yīng)力場調(diào)整的結(jié)果，而鮮水河斷裂則由震前NS 向主拉應(yīng)變，轉(zhuǎn)為震后EW 向主壓應(yīng)變特征。此外，在“Y”型構(gòu)造區(qū)的南端，即安寧河斷裂兩側(cè)，主應(yīng)變率同樣發(fā)生較大改變，東側(cè)震前SE 向主壓應(yīng)變率為6.0×10-8/a，減小至震后2.0×10-8/a，西側(cè)則為增大變化，由震前1.0×10-8/a，平均增至震后7.0×10-8/a；在2015—2017 年周期中，安寧河斷裂兩側(cè)恢復(fù)至1999—2007 年周期應(yīng)力場活動水平，東側(cè)主壓應(yīng)變率增大，西側(cè)整體水平減弱。

圖5 主應(yīng)變率Fig.5 Principal strain rate diagram

3.3 面膨脹率場

面膨脹率在地殼表面主要展現(xiàn)區(qū)域面壓縮與面膨脹的相互作用，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)仍為GPS水平運(yùn)動速度場，但其獨(dú)特的表現(xiàn)形式，為分析地表應(yīng)變率場提供了一種更為直觀的顯示方法。1999 年以來，四川“Y”型構(gòu)造區(qū)7 期GPS 運(yùn)動速度場面膨脹率結(jié)果見圖6，圖中實(shí)線為面膨脹率，虛線是面壓縮率。

圖6 面膨脹率Fig.6 Surface expansion diagram

在2008 年汶川8.0 級地震前的3 期面膨脹率場中，等值線密度較為稀疏，特別是1999—2001 年、2001—2004 年兩期，表明研究區(qū)域內(nèi)部的地表膨脹—壓縮變化率較小，到汶川地震發(fā)生前，即2004—2007 年周期的等值線梯度變化明顯加強(qiáng)，尤其在石棉至瀘定一帶，面壓縮特征顯著，以及汶川以南至都江堰南部，應(yīng)變率場由正轉(zhuǎn)負(fù)，變化率約0.0×10-8/a —-6.0×10-8/a；汶川地震之后，四川“Y”型構(gòu)造區(qū)應(yīng)變率場發(fā)生顯著變化，尤其是龍門山斷裂帶，變化強(qiáng)烈，由震前低密度梯度帶瞬間變?yōu)槠叫杏邶堥T山斷裂帶走向、西側(cè)膨脹—東側(cè)壓縮的等值線高密度變化區(qū)，該區(qū)域存在2 個明顯正負(fù)交替的高密度過渡區(qū)，其中第一個在南部，以金川為中心的膨脹區(qū)向東遞減過渡，經(jīng)龍門山斷裂帶至都江堰東側(cè)，量值變化約10.0×10-8/a—-13.0×10-8/a；第2 個過渡區(qū)在北段，由青川至北川一帶，量值變化約1.0×10-8/a—-9.0×10-8/a。以上均顯示了汶川地震后短期內(nèi)龍門山斷裂帶地殼西區(qū)膨脹、東區(qū)壓縮的演化特征；2011—2013 年周期基本延續(xù)了2009—2011 年周期的變化規(guī)律，僅個別區(qū)域面膨脹—面壓縮有輕微調(diào)整，如由南至北的瀘定—都江堰—汶川，轉(zhuǎn)為膨脹—壓縮—膨脹的變化規(guī)律，梯度變化仍較劇烈；而2013—2015 年與2015—2017年周期變化特征與汶川地震前相似，面膨脹率與面壓縮率等值線密度大幅降低，即汶川地震后面膨脹與面壓縮速率有所降低，可能處于地殼內(nèi)部應(yīng)力調(diào)整時期。

依據(jù)上述7 期GPS 水平運(yùn)動速度場與視應(yīng)變場數(shù)據(jù)，給出四川“Y”構(gòu)造區(qū)運(yùn)動速率與應(yīng)變場率統(tǒng)計結(jié)果，見表1，表中列舉了鮮水河斷裂帶、龍門山斷裂帶、安寧河斷裂帶、則木河斷裂帶近20 年各期平均運(yùn)動參數(shù)量化值。由表1 可見，在2008 年汶川地震后的2009—2011 年周期，龍門山斷裂帶主壓應(yīng)變率與面壓縮率陡然增大，之后表現(xiàn)為遞減趨勢。

表1 “Y”型構(gòu)造區(qū)運(yùn)動速率與應(yīng)變場率統(tǒng)計Table 1 Statistics of movement rate and strain field rate in“Y”type tectonic area

4 結(jié)束語

基于1999—2017 年7 期GPS 水平運(yùn)動速度場數(shù)據(jù)，解算四川“Y”型構(gòu)造區(qū)各周期網(wǎng)格速度場、地殼應(yīng)變率場，分析并研究該區(qū)近20 年尺度的地殼應(yīng)變場演化過程，初步獲取以下結(jié)論。

（1）2008 年汶川地震前，3 期GPS 水平運(yùn)動速度場相對穩(wěn)定，“Y”型構(gòu)造區(qū)地殼運(yùn)動變化不大，但汶川地震后發(fā)生明顯變化，其中龍門山斷裂帶變化最顯著，變化率由震前4.0—5.0 mm/a 增至8.0—10.0 mm/a。

（2）1999—2007 年，四川“Y”型構(gòu)造區(qū)應(yīng)變場演化特征微弱，而汶川地震后的2 個周期，最大剪應(yīng)變高值區(qū)出現(xiàn)在汶川以東，由震前的2.0×10-8/a 增至22.0×10-8/a，且自龍門山山前斷裂向西至汶川一帶，形成由高到低、平行于龍門山斷裂帶走向的高密度梯度帶。龍門山斷裂帶以SE 或SEE 向主壓應(yīng)變?yōu)橹?，變化率約5.0×10-8/a—12.0×10-8/a，鮮水河斷裂帶由震前的NS 向主拉應(yīng)變，轉(zhuǎn)為震后EW 向主壓應(yīng)變，安寧河斷裂帶東側(cè)SE 向主壓應(yīng)變由震前6.0×10-8/a，減小至震后2.0×10-8/a。面膨脹結(jié)果則顯示，龍門山斷裂帶由震前低密度梯度帶瞬間變?yōu)槠叫杏跀嗔褞ё呦虻母呙芏茸兓瘏^(qū)，且存在以金川至都江堰、北川至青川為條帶的2 個正負(fù)交替過渡區(qū)。

（3）2008 年汶川地震的發(fā)生，成為近20 年龍門山斷裂帶運(yùn)動的轉(zhuǎn)折。汶川地震后龍門山斷裂帶SEE 向壓性特征顯著增強(qiáng)，且持續(xù)變化近10 年，表明汶川地震的發(fā)生，釋放了地殼內(nèi)部多年以來SEE 向壓應(yīng)力累積能量，為震后運(yùn)動速率與壓應(yīng)變率的增強(qiáng)創(chuàng)造了條件，導(dǎo)致在震后10 年中始終受到來自西部地區(qū)地殼擠壓驅(qū)動力的作用，但該變化對鮮水河斷裂與安寧河斷裂的整體運(yùn)動狀態(tài)則無明顯觸發(fā)作用。