利用形變觀測(cè)資料評(píng)估福建主要構(gòu)造斷裂孕震風(fēng)險(xiǎn)

占 惠 梁全強(qiáng) 李光明 林淑冰 楊 婕 陳新澤 林志彬

1 福建省海洋地震觀測(cè)中心,廈門市盛光路669號(hào),361021

根據(jù)彈性回跳理論分析斷層內(nèi)部的應(yīng)變積累、閉鎖程度和滑動(dòng)虧損分布,是研究地震的重要手段。根據(jù)現(xiàn)代大地測(cè)量資料反演斷層深淺部的閉鎖程度和滑動(dòng)虧損分布特征是判斷斷裂帶未來地震危險(xiǎn)性的重要手段[1]?；贠kada模型[2]的Defnode負(fù)位錯(cuò)反演程序[3-4],可利用GPS、水準(zhǔn)、地質(zhì)數(shù)據(jù)等結(jié)果,采用網(wǎng)格搜索和模擬退火方法求出塊體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的歐拉極、塊體邊界斷層的閉鎖程度和滑動(dòng)虧損速率。

福建地處歐亞板塊、菲律賓海板塊與太平洋板塊交界處,是我國(guó)沿海地震活動(dòng)相對(duì)活躍的地區(qū)。本文利用GPS基準(zhǔn)站、流動(dòng)站及跨斷層水準(zhǔn)場(chǎng)地觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)長(zhǎng)樂-詔安斷裂帶、政和-海豐斷裂帶和邵武-河源斷裂帶等3條大型NE向斷裂帶[5-9]進(jìn)行研究,利用Defnode負(fù)位錯(cuò)反演程序計(jì)算斷裂帶的閉鎖運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、斷層面不同深度的形變分布及斷裂兩側(cè)地質(zhì)構(gòu)造塊體內(nèi)部的彈性應(yīng)變積累,以評(píng)估該地區(qū)構(gòu)造地震的危險(xiǎn)性。

1 Defnode反演方法

Defnode負(fù)位錯(cuò)反演程序假定塊體內(nèi)部點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)為塊體旋轉(zhuǎn)與塊體邊界由于斷層閉鎖產(chǎn)生的滑動(dòng)虧損引起的地表彈性變形之和,具體公式為:

(1)

式中,X為GPS測(cè)站的位置,Vi(X)為測(cè)站X的速度,RΩb為塊體b相對(duì)于參考框架的歐拉極,Φnk為斷層k上節(jié)點(diǎn)n的閉鎖程度,其余各參數(shù)定義見文獻(xiàn)[1-2]。

2 反演過程

塊體劃分的整體原則參考已有的地質(zhì)、地球物理及大地測(cè)量資料(圖1),將研究區(qū)以3條NE向斷裂帶為界自東向西劃分為閩東南地塊、閩東地塊、閩西地塊和閩西北地塊4個(gè)部分。本文使用的2009～2020年福建省56個(gè)GPS基準(zhǔn)站、18個(gè)GPS流動(dòng)站水平速度場(chǎng)數(shù)據(jù)見表1,13個(gè)跨斷層水準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)資料見表2。

表1 2009～2020年各站在ITRF2008坐標(biāo)參考框架下的水平速率

表2 跨斷層場(chǎng)地年平均變化速率與受力狀態(tài)

圖1 福建GPS測(cè)站和水準(zhǔn)場(chǎng)地分布Fig.1 Distribution of GPS stations and leveling sites in Fujian

反演過程中,沿長(zhǎng)樂-詔安斷裂帶走向方向每條等深線上有4個(gè)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)之間的距離為100～130 km;深度方向依次在0.1 km、5 km、10 km、25 km、45 km處垂直等深線方向有5排節(jié)點(diǎn)。斷層傾角設(shè)置為65°,斷裂總長(zhǎng)度為360 km,斷層面總寬度為50 km。沿政和-海豐斷裂帶走向方向每條等深線上有4個(gè)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)之間的距離為110～140 km;深度方向依次在0.1 km、5 km、10 km、25 km、45 km處垂直等深線方向有5排節(jié)點(diǎn)。斷層傾角設(shè)置為70°,斷裂總長(zhǎng)度為400 km,斷層面總寬度為48 km。沿邵武-河源斷裂帶走向方向每條等深線上有3個(gè)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)之間的距離為120～130 km;深度方向依次在0.1 km、5 km、10 km、18 km處垂直等深線方向有4排節(jié)點(diǎn)。斷層傾角設(shè)置為55°,斷裂總長(zhǎng)度為250 km,斷層面總寬度為22 km。設(shè)置0.1 km深度處斷層節(jié)點(diǎn)Φ值為1,從地表沿垂直等深線向下Φ值單調(diào)遞減,整條斷裂深度最大處Φ值為0(完全蠕滑),反演中確定地表以下Φ值的最優(yōu)值。利用Defnode負(fù)位錯(cuò)反演程序計(jì)算得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)處斷層閉鎖程度,再通過雙線性插值方法計(jì)算相鄰節(jié)點(diǎn)之間沿走向方向長(zhǎng)15 km、沿深度方向?qū)? km的斷層網(wǎng)格的閉鎖程度,最終得到整個(gè)斷層的閉鎖程度。

3 反演結(jié)果

通過逐步擇優(yōu),得到最終模型。圖2給出GPS速度殘差分布?？梢钥闯?參與反演的74個(gè)GPS測(cè)站中,除了6個(gè)測(cè)站的速度殘差值稍大,其他測(cè)站的速度殘差值基本處在誤差范圍內(nèi),表明模型擬合較好。反演得到3條NE向斷裂的滑動(dòng)速率和閉鎖程度見圖3、4?？梢钥闯?從北向南,長(zhǎng)樂-詔安斷裂帶的滑動(dòng)速率逐漸減小,政和-海豐斷裂帶的滑動(dòng)速率先減小后增大,邵武-河源斷裂帶的滑動(dòng)速率逐漸增大。閩東南地塊相對(duì)于閩東地塊呈右旋運(yùn)動(dòng),閩東地塊相對(duì)于閩西地塊呈左旋運(yùn)動(dòng),閩西地塊相對(duì)于閩西北地塊呈右旋運(yùn)動(dòng)。

圖2 GPS速度殘差Fig.2 Velocity residuals of GPS

圖3 3條NE向斷裂帶滑動(dòng)速率Fig.3 Slip rate of the three NE faults

圖4 3條NE向斷裂帶閉鎖程度Fig.4 Locking degree of the three NE faults

長(zhǎng)樂-詔安斷裂帶南段5 km深度處閉鎖比例約為0.99,閉鎖程度最高,5～25 km深度處閉鎖比例約為0.94,25～30 km深度處閉鎖比例約為0.76;斷裂帶北段5 km深度處閉鎖比例約為0.96,閉鎖程度較高,5～25 km深度處閉鎖比例約為0.92,25～30 km深度處閉鎖比例約為0.74,較南段同一深度閉鎖程度稍低;斷裂帶中段5 km深度處閉鎖比例約為0.60,5～30 km深度處閉鎖比例約為0.15。30～45 km深度處整條斷裂帶由閉鎖逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆浠?/p>

政和-海豐斷裂帶南段15 km深度處閉鎖比例約為0.99,閉鎖程度最高,15～25 km深度處閉鎖比例約為0.97,25～30 km深度處閉鎖比例約為0.76;斷裂帶中段5 km深度處閉鎖比例約為0.99,閉鎖程度最高,5～25 km深度處閉鎖比例約為0.94,25～30 km深度處閉鎖比例約為0.76;斷裂帶北段5 km深度處閉鎖比例約為0.99,閉鎖程度最高,5～10 km深度處閉鎖比例約為0.76,10～30 km深度處閉鎖比例約為0.20,較南段和中段閉鎖程度低。30～45 km深度處整條斷裂帶由閉鎖逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆浠?/p>

邵武-河源斷裂帶南段5 km深度處閉鎖比例約為0.96,閉鎖程度較高,5～10 km深度處閉鎖比例約為0.93;斷裂帶中段和北段10 km深度處閉鎖比例約為0.99,閉鎖程度最高。10～18 km深度處整條斷裂帶逐步由閉鎖轉(zhuǎn)變?yōu)槿浠?/p>

斷層滑動(dòng)虧損速率為閉鎖程度與2個(gè)塊體間斷層相對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量的乘積。圖5給出3條NE向斷裂帶滑動(dòng)虧損速率分布。結(jié)果顯示,長(zhǎng)樂-詔安斷裂帶南段以正斷為主,中段和北段以逆沖為主,兼右旋分量;政和-海豐斷裂帶南段以逆沖為主,中段和北段以正斷為主,兼少許左旋分量;邵武-河源斷裂帶以逆沖為主,兼右旋分量。

圖5 3條NE向斷裂帶滑動(dòng)虧損速率分布Fig.5 Slip deficit rate of the three NE direction faults

長(zhǎng)樂-詔安斷裂帶中段平行和垂直斷層方向的滑動(dòng)虧損速率比南段和北段小,南段地表至25 km深度處垂直斷層方向的拉張滑動(dòng)虧損速率約為0.35 mm/a(平行斷層方向的變化范圍為0.15～0.55 mm/a,南端最大,往北東逐漸減小),25～40 km深度處拉張滑動(dòng)虧損速率約為0.2 mm/a;北段地表至25 km深度處垂直斷層方向的擠壓滑動(dòng)虧損速率約為1.0 mm/a,25～40 km深度處擠壓滑動(dòng)虧損速率約為0.5 mm/a。斷裂帶南段和北段地表至40 km深度處平行斷層方向的右旋滑動(dòng)虧損速率約為0.4 mm/a;中段地表至5 km深度處平行斷層方向的右旋滑動(dòng)虧損速率約為0.4 mm/a,5～40 km深度處右旋滑動(dòng)虧損速率約為0.2 mm/a。40～45 km深度處整條斷裂帶逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆浠?/p>

政和-海豐斷裂帶南段地表至40 km深度處垂直斷層方向的擠壓滑動(dòng)虧損速率約為0.55 mm/a(平行斷層方向變化范圍為0.4～0.7 mm/a,南端最大,往北東逐漸減小);中段地表至40 km深度處垂直斷層方向的拉張滑動(dòng)虧損速率約為0.25 mm/a(平行斷層方向變化范圍為0.1～0.4 mm/a,北端最大,往南西逐漸減小);北段地表至15 km深度處垂直斷層方向的拉張滑動(dòng)虧損速率約為1.05 mm/a(平行斷層方向變化范圍為0.7～1.4 mm/a,北端最大,往南西逐漸減小),15～40 km深度處拉張滑動(dòng)虧損速率約為0.3 mm/a。斷裂帶地表至5 km深度處平行斷層方向的左旋滑動(dòng)虧損速率約為0.2 mm/a,5～40 km深度處左旋滑動(dòng)虧損速率約為0.1 mm/a。40～45 km深度處整條斷裂帶逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆浠?/p>

邵武-河源斷裂帶南段垂直斷層方向的擠壓滑動(dòng)虧損速率比北段大,平行斷層方向的右旋滑動(dòng)虧損速率比北段略小;南段地表至10 km深度處垂直斷層方向的擠壓滑動(dòng)虧損速率約為1.0 mm/a(平行斷層方向變化范圍為0.8～1.2 mm/a,南端最大,往北東逐漸減小);北段地表至10 km深度處垂直斷層方向的擠壓滑動(dòng)虧損速率約為0.1 mm/a。斷裂帶地表至10 km深度處平行斷層方向的右旋滑動(dòng)虧損速率約為0.55 mm/a。10～18 km深度處整條斷裂帶逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆浠?/p>

采用最小二乘配置方法[10-11]計(jì)算2009～2020年福建地區(qū)GPS觀測(cè)的主應(yīng)變率和EW向應(yīng)變率分布,結(jié)果見圖6?？梢钥闯?福建地區(qū)3條NE向主斷裂附近的變形具有明顯的分區(qū)特征,長(zhǎng)樂-詔安斷裂帶東側(cè)的應(yīng)變積累速率明顯大于西側(cè),主要表現(xiàn)為壓應(yīng)變較大且往北東逐漸增大的趨勢(shì),整條斷裂帶表現(xiàn)為右旋剪切變形特征;政和-海豐斷裂帶和邵武-河源斷裂帶整體表現(xiàn)為拉應(yīng)變較大,其中,長(zhǎng)樂-詔安斷裂帶南段的擠壓變形幅度小于中北段,南段東側(cè)變形幅度表現(xiàn)為靠近斷裂帶逐漸減小的特征,表明其在一段時(shí)間內(nèi)已積累了較高的應(yīng)變能,更利于發(fā)生破裂滑動(dòng)。由EW向應(yīng)變率可知,受歐亞板塊、菲律賓海板塊和太平洋板塊相互碰撞的影響,長(zhǎng)樂-詔安斷裂帶南段北西側(cè)屬于EW向拉張變形區(qū),南東側(cè)則呈現(xiàn)擠壓變形,表明斷裂帶南段作為EW向變形的分界帶,具備擠壓應(yīng)變積累背景,且閉鎖程度較高、地震危險(xiǎn)性較大,值得重點(diǎn)關(guān)注。

圖6 2009～2020年福建地區(qū)應(yīng)變率分布Fig.6 Distribution of strain rate in Fujian area from 2009 to 2020

4 結(jié) 語

本文利用2009～2020年福建地區(qū)GPS基準(zhǔn)站、流動(dòng)站和跨斷層水準(zhǔn)場(chǎng)地觀測(cè)資料,使用Defnode負(fù)位錯(cuò)模型,反演研究區(qū)3條NE向斷裂帶的滑動(dòng)速率、閉鎖程度和滑動(dòng)虧損分布。結(jié)果表明,長(zhǎng)樂-詔安斷裂帶從北到南滑動(dòng)速率逐漸減小,政和-海豐斷裂帶從北到南滑動(dòng)速率先減小后增大,邵武-河源斷裂帶從北到南滑動(dòng)速率逐漸增大。其中,長(zhǎng)樂-詔安斷裂帶南段5 km深度處閉鎖程度較高(閉鎖比例0.99),政和-海豐斷裂帶南段15 km深度處閉鎖程度較高(閉鎖比例0.99)。長(zhǎng)樂-詔安斷裂帶南段以正斷為主,中段和北段以逆沖為主,兼右旋分量;政和-海豐斷裂帶南段以逆沖為主,中段和北段以正斷為主,兼少量左旋分量;邵武-河源斷裂帶以逆沖為主,兼右旋分量。最小二乘配置應(yīng)變率結(jié)果顯示,長(zhǎng)樂-詔安斷裂帶壓應(yīng)變較大,南段擠壓變形幅度小于中北段,且南段東側(cè)的變形幅度靠近斷裂帶呈逐漸減小的特征,表明長(zhǎng)樂-詔安斷裂帶南段作為EW向變形的分界帶,具備長(zhǎng)期擠壓應(yīng)變積累背景,這一特征與反演結(jié)果一致,值得重點(diǎn)關(guān)注。