利用GPS數(shù)據(jù)反演柴北緣斷裂帶現(xiàn)今閉鎖程度與滑動虧損

劉 洋,邱雨軒,王君毅,李航昊,張 宇,溫?fù)P茂,許才軍

1. 武漢大學(xué)測繪學(xué)院,湖北 武漢 430079; 2. 武漢大學(xué)地球空間環(huán)境與大地測量教育部重點(diǎn)實驗室,湖北 武漢 430079; 3. 自然資源部地球物理大地測量重點(diǎn)實驗室,湖北 武漢 430079

青藏高原東北緣作為高原向外擴(kuò)張的前緣部位,是研究高原地殼運(yùn)動學(xué)模式、探索地震孕育和發(fā)生機(jī)制的天然實驗室[1-2]。青藏高原東北緣的斷裂閉鎖程度、滑動虧損及地震危險性的研究主要集中于塊體邊界的大型斷裂,如海原斷裂[3-5]、東昆侖斷裂[4,6-7]。針對其他斷裂閉鎖程度、滑動虧損及地震危險性的研究較少[8]。柴達(dá)木盆地北緣斷裂帶(簡稱“柴北緣斷裂帶”)是青藏高原東北緣的重要地質(zhì)邊界,分隔了柴達(dá)木盆地和祁連山地塊,具有幾何形態(tài)復(fù)雜、斷裂數(shù)量多、活動性強(qiáng)等特點(diǎn)[2,9-10](圖1)。柴北緣斷裂帶全長約700 km,總體呈NW向,由賽什騰山斷裂、綠梁山斷裂、大柴旦斷裂、錫鐵山斷裂、阿木尼克山斷裂、牦牛山斷裂和鄂拉山斷裂等組合而成[11-14]。20世紀(jì)60年代以來,柴達(dá)木盆地北緣已記錄多個中強(qiáng)震事件(中國地震臺網(wǎng)中心,https:∥news.ceic.ac.cn/):1962年Mw6.8阿木尼克山地震,1977年Mw6.3錫鐵山地震,2003年Mw6.6德令哈地震,2008年、2009年Mw6.3大柴旦地震群,2022年Mw6.0德令哈地震。

圖1 柴北緣斷裂帶區(qū)域構(gòu)造Fig.1 Regional tectonic settings of the fault zone in northern Qaidam Basin

目前,基于航衛(wèi)片解譯、野外考察等地質(zhì)學(xué)方法對柴北緣斷裂帶的活動性已開展了大量研究。文獻(xiàn)[15—17]研究得到鄂拉山斷裂水平、垂直滑動速率分別為1～4 mm/a、0.15 mm/a。文獻(xiàn)[12—13]研究得到錫鐵山斷裂全新世晚期以來的水平滑動速率為1.81～2.1 mm/a,平均逆沖速率為0.33～0.38 mm/a;阿木尼克山斷裂全新世平均垂直速率為0.43±0.02 mm/a。文獻(xiàn)[18]研究得到牦牛山斷裂晚更新世以來的垂直滑動速率為0.19～0.51 mm/a。然而地質(zhì)學(xué)方法得到的斷裂運(yùn)動特征是百萬年尺度的平均值,難以準(zhǔn)確刻畫其現(xiàn)今運(yùn)動特征。

現(xiàn)代大地測量數(shù)據(jù)(如GPS、InSAR)能有效反演斷層的現(xiàn)今閉鎖程度及滑動虧損,是評價斷裂孕震潛能的重要手段[3,19-28]。文獻(xiàn)[4,29—30]利用GPS數(shù)據(jù)反演得到鄂拉山斷裂的右旋走滑速率為1～4 mm/a,但文獻(xiàn)[29]未考慮塊體內(nèi)部應(yīng)變對震間速度場的影響,文獻(xiàn)[4,30]對青藏高原整體進(jìn)行運(yùn)動學(xué)塊體建模,忽略了區(qū)域內(nèi)次級塊體和次級斷裂。文獻(xiàn)[31—32]利用GPS數(shù)據(jù)反演得到青藏高原東北緣斷裂平均閉鎖深度為17～22 km,以及主要斷裂的滑動特征,但未研究滑動速率沿走向的變化特征。文獻(xiàn)[8]利用GPS數(shù)據(jù),基于貝葉斯方法反演得到鄂拉山斷裂的閉鎖深度(約15 km)及其滑動特征,但未考慮周邊斷層閉鎖效應(yīng)的影響。

綜上所述,不同研究采用不同方法得到的柴北緣斷裂帶活動特征存在差異。綜合分析柴北緣斷裂帶的現(xiàn)今閉鎖程度、滑動虧損及評估其地震危險性具有重要科學(xué)意義。本文收集并融合得到較密集的柴北緣GPS數(shù)據(jù),基于GPS速度剖面法分析斷層運(yùn)動特征,進(jìn)而利用TDEFNODE軟件建立負(fù)位錯模型,采用網(wǎng)格搜索和模擬退火方法定量研究柴北緣斷裂帶的現(xiàn)今閉鎖程度、滑動虧損等變形特征,以全面了解該地區(qū)塊體運(yùn)動和構(gòu)造變形模式,并結(jié)合歷史地震分布分析區(qū)域地震危險性。

1 GPS數(shù)據(jù)及跨斷層剖面

1.1 GPS數(shù)據(jù)

本文采用的GPS數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[33—35],參考框架均為歐亞參考框架,時間跨度分別為1999—2016年、1991—2015年和1998—2018年。其中,文獻(xiàn)[33]通過GAMIT軟件處理得到了中國大陸及周邊地區(qū)共2403個GPS站點(diǎn)的速度場;文獻(xiàn)[34]通過PANDA軟件處理得到了印度-歐亞碰撞帶內(nèi)2576個GPS站點(diǎn)的速度場;文獻(xiàn)[35]采用Bernese軟件處理得到了中國大陸及周邊地區(qū)2260多個GPS站點(diǎn)的速度場。

本文對上述3個數(shù)據(jù)集進(jìn)行融合,以得到較密集的柴北緣GPS數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)融合中,根據(jù)相同GPS測站之間的速度差求解歐拉旋轉(zhuǎn)參數(shù),以文獻(xiàn)[33]為參考,將文獻(xiàn)[34—35]的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。進(jìn)一步地,本文剔除與區(qū)域速度特征差異顯著的個別GPS站點(diǎn),最終選取63個站點(diǎn)的數(shù)據(jù)參與后續(xù)研究(圖2)。

圖2 GPS數(shù)據(jù)及跨斷層速度剖面的位置Fig.2 GPS data and location of cross-fault velocity profile

1.2 GPS跨斷層剖面

為了分析柴北緣斷裂帶各段的運(yùn)動特征,本文對GPS速度場數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換后,采用速度剖面投影法對不同斷裂段進(jìn)行分析。速度剖面投影法是一種簡單有效的活動斷裂研究方法,通過投影得到GPS站點(diǎn)平行和垂直于斷層走向的速度分量,反映了斷裂兩側(cè)站點(diǎn)的速率隨著站點(diǎn)與斷裂之間距離的變化情況[36-37]。其原理可表示為

Vv(X)=Ve(X)×cosα-Vn(X)×sinα

(1)

Vp(X)=Ve(X)×sinα+Vn(X)×cosα

(2)

式中,Vv(X)和Vp(X)分別為測站X垂直和平行于斷裂走向的速度分量;α為斷裂走向;Ve(X)和Vn(X)分別為測站X的東向和北向速度分量。本文橫跨柴北緣斷裂帶共繪制了9條剖面(圖2),剖面長為300 km,其中,剖面1橫跨賽什騰山斷裂,剖面2橫跨綠梁山斷裂,剖面3橫跨錫鐵山斷裂,剖面4、5橫跨阿木尼克山-牦牛山斷裂,剖面6、7、8、9橫跨鄂拉山斷裂。將斷裂帶兩側(cè)站點(diǎn)的速度分別沿平行和垂直斷層走向進(jìn)行投影,利用螺旋位錯模型估算斷層的走滑速率,根據(jù)剖面兩側(cè)站點(diǎn)速度平均值之差估算斷層的張/壓速率[36](圖3、圖4)。

圖4 沿剖面1—9的速度分量(垂直于斷層方向)Fig.4 Velocity component along profiles 1—9 (perpendicular-fault direction)

結(jié)果表明:剖面1、2、3區(qū)域顯示為右旋擠壓運(yùn)動,滑動速率由西北向東南逐漸增大,依次約為0.8、1、1.2 mm/a,擠壓速率約為0.5、3、1 mm/a;剖面4、5區(qū)域顯示為左旋擠壓運(yùn)動,滑動速率約為1.5、1 mm/a,擠壓速率約為2、1.2 mm/a;剖面6區(qū)域顯示為右旋拉張運(yùn)動,滑動速率約為3 mm/a,拉張速率約為0.5 mm/a;剖面7、8、9區(qū)域顯示為右旋擠壓運(yùn)動,滑動速率為2～3 mm/a,擠壓速率從北向南由1 mm/a逐漸增大至2 mm/a。需要特別指出的是,剖面5、6、7同時受阿木尼克山-牦牛山斷裂、北鄂拉山斷裂等周圍斷裂閉鎖效應(yīng)的影響,單一剖面無法準(zhǔn)確刻畫相應(yīng)斷層的運(yùn)動特征,需要開展后續(xù)塊體模型反演研究。

根據(jù)圖3、圖4中的剖面結(jié)果,結(jié)合各段走向、傾向及斷層上下盤的差異[11,38-39],本文將柴北緣斷裂帶分為4段:剖面1、2位于賽什騰-綠梁山斷裂段,由茫崖市和平鄉(xiāng)至大柴旦西北部;剖面3、4、5位于錫鐵山-阿木尼克山-牦牛山斷裂段,由大柴旦西北部至都蘭縣東北部;剖面6、7位于北鄂拉山斷裂段,由天峻縣陽康鄉(xiāng)至都蘭縣東北部;剖面8、9位于南鄂拉山斷裂段,由都蘭縣東北部至瑪沁縣西北部。

2 研究方法

2.1 反演理論

假定塊體內(nèi)部點(diǎn)的運(yùn)動為塊體剛性旋轉(zhuǎn)、斷層閉鎖和塊體內(nèi)部永久應(yīng)變對應(yīng)的運(yùn)動分量之和[40-41],可表示為

(3)

反演結(jié)果的優(yōu)劣采用χ2來評估,其定義可表示為

(4)

式中,dof是自由度;r是觀測值的殘差;s是觀測值中誤差;F是觀測值權(quán)重。χ2約等于1時表示反演結(jié)果較好,既沒有過度擬合,也沒有遺漏必要信號[40,44]。

2.2 塊體模型、斷層幾何及反演參數(shù)

基于研究區(qū)域(34°N—40°N,92°E—103°E)內(nèi)山脈、斷層的分布及已有研究[30,45],以柴北緣斷裂帶作為主要邊界,本文將研究區(qū)域劃分成3個塊體:阿克塞-德令哈塊體、柴達(dá)木塊體和鄂拉山塊體(圖5)。本文試驗、調(diào)整不同的初始條件(各閉合塊體邊界坐標(biāo)、邊界斷層幾何形狀、傾角和閉鎖深度初值等),最終獲得較優(yōu)模型(χ2=1.003)。

注:1-1、1-2、1-3依次表示賽什騰-綠梁山斷裂段的西北端、中部和東南端;2-1、2-2、2-3依次表示錫鐵山-阿木尼克山-牦牛山斷裂段的西北端、中部和東南端;3-1、3-2、3-3依次表示北鄂拉山斷裂段的北端、中部和南端;4-1、4-2、4-3依次表示南鄂拉山斷裂段的北端、中部和南端。圖5 塊體及斷層劃分Fig.5 Block and fault division

反演計算以斷層幾何形狀作為斷層參數(shù)的輸入值,通過分布在斷層面上沿等深線分布的節(jié)點(diǎn)表示斷層的三維結(jié)構(gòu)。模型沿斷裂帶共有4條等深線,每條等深線上有21個節(jié)點(diǎn),深度依次為0.1、6、15、22 km,各深度的初始閉鎖系數(shù)依次設(shè)置為0.8、0.6、0.4、0。根據(jù)1.2節(jié)柴北緣斷裂帶的劃分,參考已有研究并通過迭代尋優(yōu)得到最優(yōu)模型,其中斷層傾向設(shè)置如下:賽什騰-綠梁山斷裂段傾向NE、傾角70°,錫鐵山-阿木尼克山-牦牛山斷裂段傾向NE、傾角55°,北鄂拉山斷裂段和南鄂拉山斷裂段傾向均為SW、傾角60°[11,38-39]。斷層節(jié)點(diǎn)φ值約束如下:節(jié)點(diǎn)均為獨(dú)立節(jié)點(diǎn),閉鎖系數(shù)從地表向下單調(diào)遞減,22 km深度處的節(jié)點(diǎn)設(shè)置為自由滑動(φ=0)。

反演過程中,采用網(wǎng)格搜索和模擬退火方法計算各節(jié)點(diǎn)的閉鎖系數(shù)及各塊體的歐拉矢量;根據(jù)雙線性插值方法獲得相鄰節(jié)點(diǎn)之間斷層網(wǎng)格(網(wǎng)格大小1 km×1 km)區(qū)域的閉鎖程度;將閉鎖系數(shù)與根據(jù)歐拉矢量計算得到的斷層滑動速率相乘,從而獲得滑動虧損速率的空間分布。進(jìn)一步地,使用蒙特卡洛(Monte Carlo)方法從統(tǒng)計學(xué)的角度估計了模型反演結(jié)果的不確定度。對GPS數(shù)據(jù)加入以觀測誤差作為標(biāo)準(zhǔn)差生成的隨機(jī)噪聲,得到100組帶有擾動的速度場數(shù)據(jù)?；跀_動速度場數(shù)據(jù)重復(fù)反演,統(tǒng)計分析結(jié)果,得到反演結(jié)果的不確定度。

圖6給出了GPS速度擬合殘差結(jié)果?？梢钥闯?擬合殘差方向具有隨機(jī)性,約83%的GPS站點(diǎn)的殘差小于1.5 mm/a,且殘差在東西、南北方向上的分量均符合正態(tài)分布,表明模型未遺漏明顯信號,擬合效果較好[46-47]。殘差值較大的站點(diǎn)主要集中在:①柴達(dá)木塊體北邊界以南的近場區(qū)域,可能是由于斷裂帶傾角沿走向有一定的變化,斷層近場區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變復(fù)雜從而產(chǎn)生局部運(yùn)動分量[48],而本文采用的斷層幾何不足以刻畫所有局部形變特征;②東昆侖斷裂的近場區(qū)域,可能是由于模型反演中未考慮東昆侖斷裂的閉鎖效應(yīng)對地表形變的影響[6-7]。

圖6 GPS數(shù)據(jù)擬合殘差Fig.6 Fitting residual of GPS data

3 反演結(jié)果

圖7給出了柴北緣斷裂帶的閉鎖程度分布。結(jié)果表明:賽什騰-綠梁山斷裂段中部處于強(qiáng)閉鎖狀態(tài)(15 km深度內(nèi)平均閉鎖系數(shù)約0.7),閉鎖深度達(dá)到20 km,從中部向兩端閉鎖程度逐漸減弱。錫鐵山-阿木尼克山-牦牛山斷裂段從西北向東南閉鎖深度由18 km增大到20 km;西北端0～6 km深度平均閉鎖系數(shù)為0.9,6～15 km深度平均閉鎖系數(shù)減小為0.6,15～22 km深度基本為蠕滑狀態(tài);中部和東南端0～15 km深度為強(qiáng)閉鎖狀態(tài)(平均閉鎖系數(shù)約0.99),從15～22 km深度閉鎖程度逐漸降低,由強(qiáng)閉鎖轉(zhuǎn)變?yōu)槿浠１倍趵綌嗔讯伪倍碎]鎖程度較弱,從5～22 km深度基本處于蠕滑狀態(tài);中部和南端處于強(qiáng)閉鎖狀態(tài),閉鎖深度達(dá)到19 km,0～15 km深度平均閉鎖系數(shù)分別約0.99和0.8。南鄂拉山斷裂段北端和南端處于強(qiáng)閉鎖狀態(tài),閉鎖深度達(dá)到20 km,0～15 km深度平均閉鎖系數(shù)分別約0.9和0.99;中部閉鎖程度較弱,從5～22 km深度基本處于蠕滑狀態(tài)。本文得到的柴北緣斷裂帶閉鎖深度與文獻(xiàn)[31—32]通過GPS數(shù)據(jù)確定的青藏高原東北緣斷層平均閉鎖深度17～22 km較為吻合,基本在文獻(xiàn)[49—50]得到的區(qū)域震源深度18±8 km范圍內(nèi)。

圖7 柴北緣斷裂帶閉鎖程度Fig.7 Locking degree of the fault zone in northern Qaidam Basin

圖8給出了滑動虧損分布。結(jié)果顯示:賽什騰-綠梁山斷裂段的滑動虧損較低,滑動虧損從中部(0～15 km深度的平均大小約為1.26 mm/a)向兩端逐漸減小,滑動虧損積累較少。錫鐵山-阿木尼克山-牦牛山斷裂段的滑動虧損從西北向東南逐漸增大,西北端從地表到22 km深度滑動虧損逐漸減小,0～15 km深度的平均大小約為2.30 mm/a,15～22 km深度的平均大小約為1.08 mm/a;中部和東南端0～15 km深度的滑動虧損較西北端有所提高,平均大小分別約為3.34 mm/a和3.80 mm/a,15～22 km深度滑動虧損較小。北鄂拉山斷裂段最北端0～5 km深度平均滑動虧損大小約為3.12 mm/a,5～22 km深度滑動虧損逐漸減小,中部15 km深度內(nèi)平均滑動虧損大小約為2.23 mm/a, 其他部分平均滑動虧損較小。南鄂拉山斷裂段北端在地下15 km深度平均滑動虧損大小約為2.95 mm/a,15 km深度以下滑動虧損逐漸減小,20～22 km深度處幾乎無滑動虧損積累,其他區(qū)域滑動虧損較小。

圖8 柴北緣斷裂帶滑動虧損Fig.8 Slip deficit of the fault zone in northern Qaidam Basin

表1給出了基于較優(yōu)模型得到的阿克塞-德令哈塊體、柴達(dá)木塊體、鄂拉山塊體的剛性旋轉(zhuǎn)參數(shù)、內(nèi)部應(yīng)變參數(shù)。結(jié)果表明:3個塊體的運(yùn)動趨勢相一致,均為順時針旋轉(zhuǎn);鄂拉山塊體的內(nèi)部應(yīng)變表現(xiàn)為北東-南西方向的擠壓和北西-南東方向的拉張,主壓應(yīng)變率為22.49×10-9/a、主張應(yīng)變率為12.70×10-9/a;柴達(dá)木塊體、阿克塞-德令哈塊體的內(nèi)部應(yīng)變表現(xiàn)為北北東-南南西方向的擠壓和北西西-南東東方向的拉張,柴達(dá)木塊體的主壓應(yīng)變率為15.08×10-9/a、主張應(yīng)變率為10.04×10-9/a,阿克塞-德令哈塊體的主壓應(yīng)變率為12.71×10-9/a、主張應(yīng)變率為7.53×10-9/a。

表1 歐拉矢量與塊體內(nèi)部應(yīng)變率反演結(jié)果

本文使用的負(fù)位錯模型假設(shè)塊體運(yùn)動由塊體剛性旋轉(zhuǎn)、斷層閉鎖和塊體內(nèi)部永久應(yīng)變3部分組成。表1結(jié)果顯示,3個塊體均呈順時針方向旋轉(zhuǎn),塊體內(nèi)部呈北北東-南南西或北東-南西方向的擠壓應(yīng)變特征,揭示了在印度板塊與歐亞板塊匯聚作用和鄂爾多斯、阿拉善剛性塊體阻擋的影響下,區(qū)域發(fā)生了順時針方向的旋轉(zhuǎn)、北北東-南南西或北東-南西方向的縮短,區(qū)域斷裂共同調(diào)節(jié)并吸收了相鄰塊體間的差異運(yùn)動,區(qū)域變形具有局部旋轉(zhuǎn)和整體彌散變形的特征[45,51-52]。但由于模型假設(shè)塊體內(nèi)部應(yīng)變?yōu)榫鶆驊?yīng)變,未顧及其非均勻性,反演結(jié)果可能受相關(guān)因素的影響[53]。

4 討 論

4.1 滑動速率特征對比分析

將模型反演結(jié)果與GPS剖面結(jié)果進(jìn)行對比。模型反演結(jié)果表明,錫鐵山-阿木尼克山-牦牛山斷裂段自西北向東南、北鄂拉山斷裂段自北向南均呈右旋走滑兼擠壓運(yùn)動特征,錫鐵山-阿木尼克山-牦牛山斷裂段右旋走滑、擠壓速率分別約2.67～3.13 mm/a、0.70～2.32 mm/a,北鄂拉山斷裂段右旋走滑、擠壓速率分別約1.27～3.91 mm/a、0.35～0.67 mm/a。GPS剖面結(jié)果表明,錫鐵山-阿木尼克山-牦牛山斷裂段自西北向東南由右旋擠壓轉(zhuǎn)為左旋擠壓,其中,右旋走滑速率約為1.2 mm/a,左旋走滑速率約為1～1.5 mm/a;北鄂拉山斷裂段自北向南由右旋拉張轉(zhuǎn)為右旋擠壓,其中,拉張速率約為0.5 mm/a,擠壓速率約為1 mm/a。二者結(jié)果存在差異,其原因可能為:基于GPS剖面確定斷層滑動速率時,通常假定斷層傾角垂直且地表形變僅受單一斷層影響;而基于負(fù)位錯模型反演時能顧及較為真實的斷層幾何及多斷層運(yùn)動對地表形變的影響,從而得到較為準(zhǔn)確的反演結(jié)果。

將本文與先前研究結(jié)果進(jìn)行對比(表2)。賽什騰-綠梁山斷裂段的右旋走滑速率為1.55～1.96 mm/a,介于文獻(xiàn)[31—32]給出的1～2.9 mm/a之間;擠壓速率為1.59～2.50 mm/a,顯著小于文獻(xiàn)[31]給出的7.3 mm/a,且與文獻(xiàn)[32]給出的拉張速率1 mm/a有較大差異。錫鐵山-阿木尼克山-牦牛山斷裂段的右旋走滑速率為2.67～3.13 mm/a,略大于1.81～2.1 mm/a[12-13];擠壓速率為0.70～2.32 mm/a,大于0.19～0.51 mm/a[12-13,18]。北鄂拉山斷裂段的右旋走滑速率為1.27～3.91 mm/a,南鄂拉山斷裂段的右旋走滑速率為1.48～2.24 mm/a,介于前人給出的鄂拉山斷裂全段右旋走滑速率0.6～5 mm/a[4,8,15,17,29-32]之間。北鄂拉山斷裂段的擠壓速率為0.35～0.67 mm/a,介于前人給出的0～1.1 mm/a[15-16,31-32]之間。南鄂拉山斷裂段由擠壓速率0.27～0.71 mm/a轉(zhuǎn)為拉張速率0.33 mm/a,該特征與前人給出的全段擠壓速率0.15～1.7 mm/a存在差異[15-16,31-32]。本文研究結(jié)果與先前研究結(jié)果整體上一致,但存在局部差異,其原因可能為:①研究區(qū)域、斷層幾何及塊體模型不同;②采用的數(shù)據(jù)源不同;③反演存在不唯一性。

表2 不同研究給出的柴北緣斷裂帶滑動速率

4.2 斷層閉鎖分辨率試驗

為了研究GPS數(shù)據(jù)對閉鎖程度反演結(jié)果的分辨能力,本文進(jìn)行了分辨率試驗。該方法主要分為正演和反演兩步:①正演:給定每個節(jié)點(diǎn)處的閉鎖系數(shù)φ,正演得到各GPS站點(diǎn)的模擬速度場;②反演:將各GPS站點(diǎn)的中誤差作為白噪聲加入到模擬速度場中,進(jìn)而反演斷層閉鎖程度[46-47]。與正演模型(圖9(a)、(b))相比,由反演結(jié)果(圖9(c)、(d))可知:①在賽什騰-綠梁山斷裂段,反演結(jié)果較好地識別出高閉鎖區(qū)域集中在中部0～15 km深度范圍的特征;②在錫鐵山-阿木尼克山-牦牛山斷裂段,反演結(jié)果識別出了中部的高閉鎖區(qū)域,但分布相對分散,在東南端閉鎖程度略高于正演模型;③在北鄂拉山斷裂段,反演結(jié)果較好地刻畫了中部的高閉鎖區(qū)域;④在南鄂拉山斷裂段,反演結(jié)果顯示高閉鎖區(qū)域集中在南端0～5 km、中部0～15 km深度范圍內(nèi),與正演模型設(shè)置的集中在中部0～15 km深度范圍略微存在差異。綜上,本文使用的GPS數(shù)據(jù)能較好約束塊體模型反演,能夠有效識別出斷層閉鎖的分布特征。

圖9 柴北緣斷裂帶閉鎖程度分辨率試驗Fig.9 Resolution test of the locking degree of the fault zone in northern Qaidam Basin

4.3 區(qū)域地震危險性分析

斷層現(xiàn)今閉鎖程度與滑動虧損、地震危險性密切相關(guān)[1-2,54-56],如2008年汶川地震、2010年玉樹地震、2013年蘆山地震、2015年廓爾喀地震等發(fā)震斷層在震間階段的閉鎖系數(shù)接近于1[42,56-57]?；谥袊卣鹋_網(wǎng)中心(https:∥news.ceic.ac.cn/)地震目錄,本文給出了該區(qū)域1970—2016年的歷史地震分布(圖10)。根據(jù)歷史地震統(tǒng)計,柴北緣斷裂帶近場共發(fā)生M≥5級地震104次,其中M≥6級地震17次。綜合反演結(jié)果與歷史地震分布分析,可以看出:

圖10 研究區(qū)域歷史地震分布Fig.10 Historical earthquakes distribution in the study area

賽什騰-綠梁山斷裂段閉鎖程度從中部向兩端逐漸減小,全段滑動虧損較小,應(yīng)變難以積累。錫鐵山-阿木尼克山-牦牛山斷裂段閉鎖程度在中部和東南端較高,閉鎖深度達(dá)到20 km,應(yīng)變在此積累;中部和東南端現(xiàn)今小震活動相對西北端較弱,應(yīng)變釋放程度低,地震危險性值得關(guān)注[56,58]。北鄂拉山斷裂段閉鎖程度在中部和南端較高,閉鎖深度達(dá)19 km,滑動虧損在中部較大,應(yīng)變在此積累,且中部現(xiàn)今小震活動不活躍,為歷史地震的未破裂段,應(yīng)變釋放較弱,地震危險性值得關(guān)注。南鄂拉山斷裂段閉鎖程度在北端和南端較高,閉鎖深度達(dá)20 km,滑動虧損在北端較大,應(yīng)變在此積累,且北端是歷史地震的未破裂段,現(xiàn)今小震活動活躍程度較低,釋放的應(yīng)變較少,地震危險性值得關(guān)注。

綜上,在閉鎖程度較高、滑動虧損較大、小震活動較弱的錫鐵山-阿木尼克山-牦牛山斷裂段中部和東南端、北鄂拉山斷裂段中部、南鄂拉山斷裂段北端應(yīng)變積累且釋放較弱,其地震危險性可能較高,須加以關(guān)注。

5 結(jié) 論

本文利用融合得到的較密集的柴北緣GPS數(shù)據(jù),基于GPS速度剖面法初步分析斷層運(yùn)動特征,進(jìn)一步通過負(fù)位錯模型定量研究了斷裂帶的滑動速率、閉鎖程度及滑動虧損等,結(jié)合歷史地震對區(qū)域地震危險性進(jìn)行分析,主要結(jié)論如下:

(1) 滑動速率反演結(jié)果表明,賽什騰-綠梁山斷裂段、錫鐵山-阿木尼克山-牦牛山斷裂段、北鄂拉山斷裂段呈右旋走滑兼擠壓運(yùn)動特征,南鄂拉山斷裂段的運(yùn)動特征自北向南由右旋擠壓轉(zhuǎn)為右旋拉張。

(2) 閉鎖程度反演結(jié)果顯示,錫鐵山-阿木尼克山-牦牛山斷裂段中部和東南端、北鄂拉山斷裂段中部和南鄂拉山斷裂段南端閉鎖顯著,15 km深度內(nèi)的平均閉鎖系數(shù)約0.99。賽什騰-綠梁山斷裂段中部、錫鐵山-阿木尼克山-牦牛山斷裂段西北端、北鄂拉山斷裂段南端、南鄂拉山斷裂段北端的閉鎖較強(qiáng),15 km深度內(nèi)的平均閉鎖系數(shù)約為0.7～0.9。

(3) 滑動虧損反演結(jié)果顯示,賽什騰-綠梁山斷裂段中部的滑動虧損相對較大,15 km深度內(nèi)的平均大小約為1.26 mm/a,向兩端逐漸減小。錫鐵山-阿木尼克山-牦牛山斷裂段的滑動虧損自西北向東南均逐漸增大,中部和東南端較大,15 km深度內(nèi)平均大小約為3.34 mm/a和3.80 mm/a。北鄂拉山斷裂段中部滑動虧損較大,15 km深度內(nèi)平均大小約為2.23 mm/a。南鄂拉山斷裂段北端滑動虧損較大,15 km深度內(nèi)平均大小約為2.95 mm/a。

(4) 閉鎖程度、滑動虧損反演結(jié)果及區(qū)域歷史地震分布表明,錫鐵山-阿木尼克山-牦牛山斷裂段中部和東南端、北鄂拉山斷裂段中部、南鄂拉山斷裂段北端具有閉鎖程度較高、滑動虧損較大、小震活動相對較弱的特點(diǎn),地震危險性可能較高,是值得關(guān)注的區(qū)域。