基于GNSS觀測(cè)的瀘定 MS6.8 地震震前變形演化特征研究

苑爭(zhēng)一 趙靜 牛安福

中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045

0 引言

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心測(cè)定，2022年9月5日12時(shí)52分四川甘孜州瀘定縣發(fā)生MS6.8 地震，震中位于102.08°E、29.59°N，震源深度16km。此次地震位于鮮水河斷裂帶南東段磨西斷裂附近，震源機(jī)制解顯示為一次走滑型破裂，與發(fā)震斷裂的左旋走滑運(yùn)動(dòng)性質(zhì)一致。鮮水河斷裂帶位于青藏高原東南緣，作為巴顏喀拉塊體南部邊界斷裂帶的東段、川滇菱形塊體的東北邊界，在調(diào)節(jié)印度和歐亞板塊的碰撞與擠壓作用中扮演著極其重要的角色(孫凱等，2021)，其動(dòng)力作用和構(gòu)造變形強(qiáng)烈，是中國(guó)大陸內(nèi)部地震活動(dòng)性最強(qiáng)的大型左旋走滑斷裂帶之一(潘佳偉等，2020；Molnar et al，1984；Allen et al，1991)。歷史及儀器記錄地震的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，自1700年以來(lái)，鮮水河斷裂帶先后經(jīng)歷了1700—1816年和1893年至今2個(gè)大震活躍期，第一個(gè)活躍期造成了整個(gè)斷裂帶的破裂(Wen et al，2008；徐晶等，2013)；目前仍處在第二個(gè)活躍期，僅造成了西北段大部分和東南段小部分?jǐn)鄬佣蔚钠屏?，其中西北段先后發(fā)生了6次MS6.7 以上地震，瀘定MS6.8 地震前東南段僅發(fā)生了1955年折多塘MS7.5 地震，并造成了30～35km的斷層破裂，多處段落未發(fā)生MS6.7 以上地震(Papadimitriou et al，2004；趙靜等，2015)。對(duì)鮮水河斷裂帶形變特征、地震危險(xiǎn)性評(píng)估等方面的研究結(jié)果表明，該斷裂整體呈左旋擠壓運(yùn)動(dòng)，由于斷層幾何特征的差異，使得不同段的活動(dòng)強(qiáng)度和力學(xué)性質(zhì)有所差異，構(gòu)造變形具有局部化特征(趙靜等，2018；張文婷等，2020；白明坤等，2022)。地震是地殼運(yùn)動(dòng)引起的局部應(yīng)力-應(yīng)變高密度聚集、積累、釋放和調(diào)整的一系列過(guò)程，地殼形變是地震活動(dòng)在地表的直接響應(yīng)(金陽(yáng)等，2021)，因此結(jié)合GNSS觀測(cè)資料，研究青藏高原東南緣主要活動(dòng)塊體及鮮水河斷裂帶構(gòu)造變形的時(shí)空演化特征，有助于深化對(duì)瀘定地震孕育機(jī)理及其動(dòng)力學(xué)成因的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而推動(dòng)開(kāi)展具有可操作性的地震預(yù)測(cè)實(shí)踐。

1 鮮水河斷裂帶GNSS跨斷層基線時(shí)序分析

GNSS單點(diǎn)時(shí)間序列易受參考框架、電離層、對(duì)流層等影響，而這些影響在一定程度上是相關(guān)的，因此需要找出一些有物理意義的、受共有誤差影響較小的參數(shù)來(lái)描述地殼變形信息。GNSS基線通常以2個(gè)站點(diǎn)間的大地線表示，相對(duì)于單點(diǎn)的時(shí)間序列，不受參考框架的影響(Dong et al，2002；占偉等，2011；劉曉霞等，2015)。因其能夠表示兩站點(diǎn)間地殼的收縮或擴(kuò)張，常通過(guò)分析正交或斜交于斷層的基線時(shí)間序列，量化研究斷裂帶的張壓和走滑運(yùn)動(dòng)特征(Ma et al，2022；郭良遷等，2009；Wu et al，2018)。從基線的時(shí)序曲線上來(lái)看，斜率為正表示距離增加，反之表示距離減小。

圖1 鮮水河斷裂帶跨斷層GNSS基線

2021年瑪多MS7.4 地震后，巴顏喀拉塊體內(nèi)部的甘孜—小金、爐霍—小金基線時(shí)間序列加速壓縮(圖1(b))，表明巴顏喀拉塊體北部邊界斷裂帶受同震破裂影響，解耦后加速向南、東向運(yùn)動(dòng)。受其影響，鮮水河斷裂南段—龍門(mén)山斷裂西南段所圍限的三岔口一帶的地殼應(yīng)變積累速率加快，可能與2022年以來(lái)的蘆山MS6.1、馬爾康MS6.0、瀘定MS6.8 地震有關(guān)；而位于川滇菱形塊體的理塘—甘孜、甘孜—九龍、爐霍—九龍基線時(shí)間序列拉張應(yīng)變減緩，應(yīng)變積累速率有所減緩，表明該區(qū)域的地震危險(xiǎn)性相對(duì)減弱。另外，九龍—天全—越西構(gòu)成的多邊形時(shí)間序列以及理塘—天全—越西所圍限的多邊形應(yīng)變時(shí)序顯示，瀘定地震震中附近區(qū)域自2018年后出現(xiàn)擠壓和剪切應(yīng)變速率減緩的趨勢(shì)變化，表明震中區(qū)域存在一定的變形虧損，且應(yīng)變積累程度較高(圖2)。

圖2 瀘定震中附近的多邊形應(yīng)變時(shí)間序列

2 基于球面小波的多尺度應(yīng)變特征分析

根據(jù)GNSS速度場(chǎng)求解應(yīng)變場(chǎng)的方法大致可分為物理和數(shù)學(xué)兩大類(lèi)，物理方法主要基于位錯(cuò)理論或塊體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，以速度場(chǎng)作為約束進(jìn)行應(yīng)變參數(shù)反演(張希等，2005；趙靜等，2013；江在森等，2020)；數(shù)學(xué)方法則根據(jù)位移-速度微分關(guān)系，由速度場(chǎng)直接求解應(yīng)變參數(shù)，常用的方法有球面最小二乘配置(江在森等，2010)、球面小波(Tape et al，2009)、Gussian加權(quán)內(nèi)插法(Shen et al，2015)等。不同于板塊邊緣變形，受多個(gè)板塊碰撞、俯沖、擠壓共同作用下的中國(guó)大陸內(nèi)部，孕震和動(dòng)力學(xué)環(huán)境更為復(fù)雜，構(gòu)造變形具有多尺度空間特征(徐克科等，2016)；另外，相關(guān)研究表明，板內(nèi)與地震有關(guān)的形變和應(yīng)變積累通常集中在斷裂帶附近幾千米至幾十米較窄的范圍內(nèi)(杜方等，2010)。球面小波方法因其空間和頻率局部化的多分辨分析能力，應(yīng)用該方法解算應(yīng)變場(chǎng)，能凸顯GNSS觀測(cè)站非均勻分布的特征，獲取不同空間尺度的地殼運(yùn)動(dòng)與變形信息(蘇小寧等，2016)，有利于分析不同空間尺度下發(fā)生的地殼形變特征，在數(shù)據(jù)分布密度較高時(shí)獲得小尺度局部形變的細(xì)部特征(金陽(yáng)等，2021)。

如圖3(a)中綠色箭頭所示，本研究采用的ITRF2005參考框架下的GNSS速度場(chǎng)(2017—2020年)顯示出研究區(qū)趨勢(shì)性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)顯著。為獲取不同塊體及斷層間的差異性地殼運(yùn)動(dòng)特征，通常采用具有3個(gè)參數(shù)的全局歐拉矢量法(牛之俊等，2002)模擬地殼運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)項(xiàng)，移除后以殘余速度場(chǎng)作為球面小波方法求解應(yīng)變參數(shù)的輸入數(shù)據(jù)(高涵等，2018)。由于華南塊體的內(nèi)部變形較小，本研究假設(shè)其為剛性塊體擬合歐拉參數(shù)，扣除整體旋轉(zhuǎn)后得到相對(duì)于華南塊體的速度場(chǎng)(圖3(a)中紅色箭頭所示)，從中可以看出，沿川滇菱形塊體東邊界的左旋走滑運(yùn)動(dòng)顯著，巴顏喀拉東南邊界的龍門(mén)山斷裂帶運(yùn)動(dòng)受阻，呈現(xiàn)出擠壓兼右旋走滑的運(yùn)動(dòng)特征。

圖3 GNSS速度場(chǎng)確定的球面小波最大分解尺度

根據(jù)數(shù)據(jù)集合中GNSS觀測(cè)站點(diǎn)的空間分布特征，利用空間掃描方法獲得了研究區(qū)域最大分解尺度qmax的空間分布(圖3(b))，結(jié)果顯示研究區(qū)整體的最大分解尺度在5階以上，對(duì)應(yīng)的觀測(cè)站點(diǎn)間距小于220.4km；只有個(gè)別區(qū)域能夠達(dá)到測(cè)站間距為13.8km的9階分解；測(cè)站間距為27.5km的8階分解集中分布在川滇菱形塊體東邊界及三岔口區(qū)域，瀘定MS6.8 地震震中附近的分解尺度為7階。據(jù)此確定研究區(qū)的最大分解尺度qmax取為6～8，由研究區(qū)內(nèi)站點(diǎn)的空間分布范圍求得2L=727km，結(jié)合空間支撐與最小分解尺度的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以確定qmin=3(Tape et al，2009)。

分解尺度q取3～6時(shí)可以得到研究區(qū)的整體變形特征，面膨脹率的正值代表拉張，負(fù)值代表擠壓，計(jì)算結(jié)果(圖4(a))顯示，擠壓區(qū)集中分布于巴顏喀拉塊體東南邊緣的龍門(mén)山斷裂帶附近，與區(qū)域內(nèi)逆沖型地震(圖中用紅色沙灘球表示)的空間分布具有較高的一致性；拉張區(qū)集中分布于川滇菱形塊體內(nèi)部及羌塘塊體東邊界，與區(qū)域內(nèi)正斷型地震(圖中用綠色沙灘球表示)的空間分布具有較高的一致性。最大剪應(yīng)變率的計(jì)算結(jié)果(圖4(b))顯示，高值區(qū)集中分布于塊體邊界斷裂附近，尤其是川滇菱形塊體東邊界和龍門(mén)山斷裂帶中段至西南段，與區(qū)域內(nèi)走滑型地震(圖中用藍(lán)色沙灘球表示)的空間分布具有較高的一致性；龍門(mén)山斷裂帶兼具擠壓和剪切應(yīng)變，構(gòu)造變形強(qiáng)烈且復(fù)雜，中強(qiáng)地震活動(dòng)性較強(qiáng)。利用球面小波方法得到的大尺度應(yīng)變特征，與歷史地震的震源機(jī)制解反映的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)具有較高的一致性，表明了該方法用于求解地殼應(yīng)變參數(shù)的可行性。

圖4 球面小波方法解算的應(yīng)變特征參數(shù)與歷史地震震源機(jī)制(1) 震源機(jī)制解數(shù)據(jù)源自https：//www.globalcmt.org/CMTsearch.html(q取3～6)

分解尺度q取3～7和3～8時(shí)求得的應(yīng)變參數(shù)具有較高的空間一致性，相對(duì)于q取3～6求得的應(yīng)變特征參數(shù)，增加分解尺度后的應(yīng)變場(chǎng)具有更高空間分辨率，能夠反映出小區(qū)域范圍的局部應(yīng)變積累特征。以q取3～8求得的應(yīng)變參數(shù)分析瀘定地震周邊的變形特征，如圖5(a)所示，地震周邊斷層的主應(yīng)變表現(xiàn)為NNE向拉張和NWW向擠壓，震中處于面擠壓和膨脹的過(guò)渡區(qū)；鮮水河斷裂帶不同段落的面膨脹率呈現(xiàn)出分段特征，龍門(mén)山斷裂帶則具有較高的一致性，統(tǒng)一表現(xiàn)為較強(qiáng)的擠壓應(yīng)變特征；如圖5(b)所示，震中位于最大剪應(yīng)變高值區(qū)的邊緣，其北段的剪切變形較強(qiáng)，塊體邊界斷裂剪切運(yùn)動(dòng)的局部弱化，表明了震中附近斷層運(yùn)動(dòng)受阻，存在斷層閉鎖和應(yīng)變積累增強(qiáng)的可能，與“走滑型地震多發(fā)生在最大剪應(yīng)變高值區(qū)邊緣與大型走滑斷裂帶的交會(huì)地帶”的認(rèn)識(shí)(武艷強(qiáng)等，2020)基本一致。

圖5 球面小波方法解算的應(yīng)變特征參數(shù)(q取3～8)

不同空間影響范圍的地殼形變信息會(huì)在相應(yīng)尺度的應(yīng)變場(chǎng)中得以體現(xiàn)，小尺度應(yīng)變場(chǎng)具有檢測(cè)局部地殼形變信息的優(yōu)勢(shì)(徐克科等，2016)。為此，單獨(dú)提取了分解尺度為7階的NE向應(yīng)變率(近垂直于鮮水河斷裂帶的應(yīng)變分量)和最大剪應(yīng)變率的空間分布。該尺度對(duì)應(yīng)的空間范圍約55km，與震源過(guò)程反演得到的瀘定地震51km左右的同震破裂滑動(dòng)范圍大致相當(dāng)(王衛(wèi)民等，2022)。NE向的應(yīng)變結(jié)果(圖6(a))顯示，近年來(lái)，瀘定地震震中附近垂直于斷層方向的拉張變形顯著；最大剪應(yīng)變的計(jì)算結(jié)果(圖6(b))顯示，震中處于剪切應(yīng)變高值區(qū)的邊緣附近，強(qiáng)剪切運(yùn)動(dòng)背景下的局部弱化現(xiàn)象依然存在，表明該尺度下震中附近仍表現(xiàn)為一定的閉鎖特征。

圖6 球面小波方法解算的應(yīng)變特征參數(shù)(q=7)

3 結(jié)論

本文詳細(xì)分析了2022年瀘定MS6.8 地震前震中附近區(qū)域及其毗連的巴顏喀拉東南緣、川滇菱形塊體東北緣的構(gòu)造變形及其演化特征，取得以下初步認(rèn)識(shí)：

(1)2021年瑪多MS7.4 地震后，巴顏喀拉塊體內(nèi)部的甘孜—小金、爐霍—小金基線時(shí)間序列加速壓縮，表明巴顏喀拉北部邊界斷裂帶受瑪多地震同震破裂影響，解耦后加速側(cè)向運(yùn)動(dòng)；導(dǎo)致鮮水河斷裂南段—龍門(mén)山斷裂西南段所圍限的三岔口一帶的應(yīng)變能積累速度加快，地震危險(xiǎn)性增加，可能對(duì)該區(qū)域2022年以來(lái)發(fā)生的3次強(qiáng)震，包括蘆山MS6.1、馬爾康MS6.0、瀘定MS6.8 地震，起到了一定的觸發(fā)作用。

(2)小尺度應(yīng)變參數(shù)反映出的局部細(xì)節(jié)變形特征顯示，瀘定MS6.8 地震處于大型走滑斷裂帶剪切應(yīng)變高值區(qū)邊緣的弱化帶，表明震中附近斷層存在運(yùn)動(dòng)受阻和應(yīng)變能加速積累的現(xiàn)象，而垂直于斷層的應(yīng)變呈現(xiàn)出張性變化，表明斷層正應(yīng)力有減小的趨勢(shì)，二者共同作用下的斷層容易發(fā)生破裂，類(lèi)似的斷層段具有較高的地震危險(xiǎn)性，為今后利用GNSS應(yīng)變參數(shù)判斷強(qiáng)震地點(diǎn)提供了一些參考依據(jù)。

(3)GNSS同震形變的空間分布結(jié)果顯示，震中南側(cè)的安寧河至則木河區(qū)域，同震響應(yīng)較震中北側(cè)弱(中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，2022)，結(jié)合震前斷層閉鎖反演結(jié)果顯示的該區(qū)域斷層處于強(qiáng)閉鎖狀態(tài)(趙靜等，2015)，綜合分析認(rèn)為安寧河—?jiǎng)t木河斷裂帶具有較高的地震危險(xiǎn)背景。