GNSS約束的2022年瀘定M6.8地震滑動(dòng)分布及同震應(yīng)力變化

余建勝, 趙斌*, 董培育, 劉剛, 劉成利, 徐銳, 陳正松,黃功文, 房立華, 熊維, 王明明, 林牧, 聶兆生, 喬學(xué)軍

1 中國(guó)地震局地震研究所, 武漢 430071

2 中國(guó)地震局地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430071

3 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院, 武漢 430074

4 四川省地震局, 成都 610041

5 自然資源部大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理中心, 西安 710054

6 中國(guó)地震局地球物理研究所, 北京 100081

0 引言

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心正式測(cè)定(https：∥news.ceic.ac.cn),北京時(shí)間2022年9月5日12時(shí)52分,我國(guó)四川省甘孜藏族自治州瀘定縣發(fā)生M6.8強(qiáng)震,震中位于瀘定縣磨西鎮(zhèn)海螺溝冰川森林公園內(nèi)(北緯29.59°,東經(jīng)102.08°),震源深度16 km.震中5 km范圍內(nèi)平均海拔2700 m,震中距瀘定縣城約39 km,距甘孜州、康定市、石棉縣約50 km,距漢源縣60 km,距滎經(jīng)縣78 km.應(yīng)急管理部公布的四川瀘定地震烈度分布顯示本次地震最高烈度達(dá)到Ⅸ度,等震線長(zhǎng)軸呈NW走向,其中長(zhǎng)軸195 km,短軸112 km,瀘定縣磨西鎮(zhèn)、得妥鎮(zhèn)、燕子溝鎮(zhèn)、德威鎮(zhèn)以及石棉縣王崗坪彝族藏族鄉(xiāng)、草科藏族鄉(xiāng)、新民藏族彝族鄉(xiāng)等遭受?chē)?yán)重破壞(https∥www.mem.gov.cn/xw/yjglbgzdt/202209/t20220911_422190.shtml).本次地震造成了嚴(yán)重的基礎(chǔ)設(shè)施破壞和人員傷亡,地震導(dǎo)致主干線省道S217瀘定至石棉段多處中斷,造成11萬(wàn)余人受災(zāi),5萬(wàn)余間房屋損壞,其中道路、通信、電力、水利等基礎(chǔ)設(shè)施不同程度受損,并誘發(fā)多處滑坡、崩塌、堰塞湖、地裂縫等次生災(zāi)害(Qu et al., 2023; Huang et al., 2023).

震區(qū)大范圍崩塌、滑坡和震中周邊未來(lái)地震危險(xiǎn)性受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注(張佳佳等,2023;Qu et al., 2023).國(guó)內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)利用全球遠(yuǎn)場(chǎng)地震波和四川省周邊區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)資料快速確定了震中位置和主震震源機(jī)制解(表1),震后早期精定位余震主要沿鮮水河斷裂南東段呈NW-SE向分布.綜合發(fā)震位置、精定位余震以及周邊活動(dòng)斷裂分布等資料,認(rèn)為此次瀘定地震發(fā)生在川滇菱形塊體內(nèi)部,震中位于川滇塊體東邊界鮮水河斷裂帶南東段磨西斷裂附近,為主震-余震型地震(圖1),震源機(jī)制解顯示為左旋走滑破裂(徐泰然等,2022;張喆等,2023).

表1 2022年瀘定地震震源機(jī)制解Table 1 Focal mechanism solutions of the 2022 Luding earthquake

鮮水河斷裂帶位于青藏高原東南緣,北西起始于四川甘孜,向南東經(jīng)爐霍、道孚、乾寧、康定、瀘定磨西至石棉,全長(zhǎng)約350 km,是一條近NW走向的弧形左旋走滑斷裂,該斷裂存在顯著的分段活動(dòng)特征,不同分段活動(dòng)速率、運(yùn)動(dòng)性質(zhì)具有一定的差異,是我國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)變形最強(qiáng)烈的斷裂帶之一(Allen et al., 1991;Wen et al., 2008;Zhang, 2013;李大虎等,2015;Wu et al., 2019).鮮水河斷裂東南末端位于川滇塊體受四川盆地阻擋而向東南偏轉(zhuǎn)的部位,與其北部的甘孜—玉樹(shù)斷裂、南部的安寧河斷裂、大涼山斷裂、小江斷裂,共同構(gòu)成了川滇活動(dòng)塊體的北東邊界(聞學(xué)澤等,2011;陳桂華等,2011;徐晶等,2013).研究表明,鮮水河斷裂東南段晚第四紀(jì)以來(lái)平均滑動(dòng)速率為6.0～9.9 mm·a-1(Chen et al., 2016).現(xiàn)今GNSS研究結(jié)果顯示鮮水河斷裂帶由北向南地表水平滑動(dòng)速率呈逐漸減小趨勢(shì),且跨鮮水河斷裂的速度梯度在震中東西兩側(cè)有明顯的差異,表現(xiàn)為鮮水河—安寧河斷裂系的左旋運(yùn)動(dòng)(Wang and Shen, 2020;Wang et al., 2021).鮮水河斷裂磨西段以北是多分支的乾寧—康定段,南側(cè)是與安寧河斷裂、大涼山斷裂、大渡河斷裂相連接的田灣—石棉段,西側(cè)是第四紀(jì)以來(lái)強(qiáng)烈隆升的大雪山主峰貢嘎山(譚錫斌等,2010),萬(wàn)年隆升速率達(dá)到6.1 mm·a-1(Chen et al., 2016).鮮水河斷裂歷史上具有較高的地震活動(dòng)性,曾發(fā)生多次強(qiáng)震(聞學(xué)澤等,2011;Bai et al., 2018),平均每40年發(fā)生一次7級(jí)以上地震,歷史地震導(dǎo)致的地表破裂帶幾乎覆蓋整個(gè)斷裂區(qū)(Wen et al., 2008).自1900年以來(lái),距本次震中200 km范圍內(nèi),共發(fā)生6級(jí)以上地震19次(Wen et al., 2008; Jiang et al., 2015; Cheng et al., 2021),其中6.0～6.9級(jí)地震15次,7.0～7.9級(jí)地震4次(圖1),震級(jí)最大的為1955年4月14日康定7.5級(jí)地震(震中距～53 km),時(shí)間最近的為2022年6月1日蘆山6.1級(jí)地震(震中距～120 km),距離最近的為1975年1月15日九龍6.2級(jí)地震(震中距～32 km).

地震發(fā)生后,國(guó)內(nèi)學(xué)者利用近遠(yuǎn)場(chǎng)地震波、InSAR和GNSS連續(xù)觀測(cè)資料反演了本次地震的破裂分布.張喆等(2023)采用全球與區(qū)域?qū)掝l帶P波數(shù)據(jù),利用雙差定位、有限斷層波形反演等方法,分析了震源基本特征和余震分布叢集性.Yang等(2022)基于寬頻帶地震波形數(shù)據(jù),采用波形擬合的方法確定主震和M≥3.0余震的震源機(jī)制解,并反演了主震破裂過(guò)程.An等(2023)處理了陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)連續(xù)站1 s高頻和30 s采樣率的觀測(cè)數(shù)據(jù),但僅SCSM有明顯的高頻波形以及20 mm的永久同震位移.單新建等(2023)利用200 km范圍內(nèi)的GNSS連續(xù)站、震中50 km范圍內(nèi)的近場(chǎng)強(qiáng)震動(dòng)以及InSAR數(shù)據(jù)獲取了高精度的同震形變場(chǎng),分析了瀘定地震的發(fā)震機(jī)制、震前閉鎖分布并評(píng)估了周邊強(qiáng)震危險(xiǎn)性;而Li等(2022)在單新建等(2023)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了兩種不同破裂模型,比較了兩種同震滑動(dòng)分布的差異.本次震中位于四川最高峰貢嘎山(海拔7556 m)西側(cè)的海螺溝冰川附近,震區(qū)山高谷深、地形起伏大,正值夏季植被茂盛,且地震導(dǎo)致震區(qū)大量山體滑坡和冰崩等,InSAR干涉結(jié)果不理想.目前已公布有ALOS-2和Sentinel-1數(shù)據(jù)處理結(jié)果,顯示發(fā)震斷層近場(chǎng)區(qū)域InSAR失相干比較嚴(yán)重,信噪低,不能直接獲取發(fā)震斷層跡線(Li et al., 2022;韓炳權(quán)等,2023),上述研究?jī)H使用部分InSAR數(shù)據(jù)來(lái)約束同震滑動(dòng)分布,缺少近場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的約束,擬合殘差相對(duì)較大.因此,本文瀘定地震GNSS近場(chǎng)觀測(cè)顯的更加彌足珍貴,不僅可以彌補(bǔ)InSAR在近場(chǎng)失相干區(qū)域的觀測(cè)不足,還能更好的約束發(fā)震斷層和同震破裂特征(Wang et al., 2011).

目前關(guān)于瀘定地震的上述研究中,在數(shù)據(jù)源類(lèi)別、破裂模型構(gòu)建、滑動(dòng)反演結(jié)果等方面均存在一定差異性.更多關(guān)于主震的精細(xì)同震形變場(chǎng)分布特征、地表是否有滑動(dòng)破裂以及對(duì)周邊斷層的庫(kù)侖應(yīng)力影響等等,需要進(jìn)行更全面的認(rèn)識(shí)和深入的綜合探討分析.為了能更好的認(rèn)識(shí)本次地震形變分布特征、發(fā)震機(jī)理以及應(yīng)力遷移狀態(tài),本文依托項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)前期在震區(qū)布設(shè)的GNSS加密站點(diǎn),同時(shí)搜集了近場(chǎng)其它測(cè)站資料,獲取了本次地震的近場(chǎng)同震位移場(chǎng);根據(jù)周邊地質(zhì)斷裂活動(dòng)構(gòu)造、震源機(jī)制、余震精定位結(jié)果和形變場(chǎng)空間分布特征等為約束,構(gòu)建發(fā)震斷層初始幾何模型,并采用約束最小二乘算法反演斷層滑動(dòng)分布;分析了同震應(yīng)力變化與余震分布的關(guān)系;并對(duì)已發(fā)表的發(fā)震斷層參數(shù)、破裂模型之間的異同進(jìn)行討論分析;最后基于同震滑動(dòng)破裂計(jì)算斷層面在不同深度處的庫(kù)侖應(yīng)力變化,探討區(qū)域地震危險(xiǎn)性．為進(jìn)一步研究本次瀘定地震同震形變、滑動(dòng)破裂特征以及鮮水河斷裂南段地震孕育機(jī)理和未來(lái)地震危險(xiǎn)性評(píng)估提供重要約束.

圖1 2022年瀘定M6.8地震區(qū)域構(gòu)造背景及歷史地震分布紅色五角星為2022年瀘定地震震中;淡紅色箭頭為相對(duì)歐亞板塊的震前速度場(chǎng);震源球表示自1976年以來(lái)GCMT記錄到的歷史強(qiáng)震(https：∥www.globalcmt.org/),灰色圓圈為1976年以前發(fā)生的MS>6級(jí)以上歷史地震;紫色線條為主要活動(dòng)斷裂,綠色圓點(diǎn)給出了余震序列精定位結(jié)果.(a) 瀘定震中周邊地形、活動(dòng)斷層、歷史地震及震前GNSS水平向速度場(chǎng);(b) 震中位置及余震序列分布;(c) 青藏高原塊體劃分.

圖2 2022年瀘定地震GNSS水平向同震位移場(chǎng)棕色實(shí)線表示震中周邊主要活動(dòng)斷裂.紅色和黑色虛線圓圈分別表示震中距25 km和50 km.藍(lán)色箭頭表示本次地震的同震形變位移.

1 GNSS觀測(cè)資料與數(shù)據(jù)處理

瀘定地震發(fā)生后,中國(guó)地震局組織相關(guān)單位開(kāi)展地震應(yīng)急科考,中國(guó)地震局地震研究所(簡(jiǎn)稱：“武漢地震所”)于震后第二天派出野外測(cè)量與科學(xué)考察工作組趕赴震區(qū)開(kāi)展GNSS應(yīng)急流動(dòng)觀測(cè).流動(dòng)觀測(cè)站點(diǎn)主要包含武漢地震所和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)等單位在震中附近加密建立的流動(dòng)GNSS站點(diǎn),以及陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域站、原國(guó)家測(cè)繪局B級(jí)控制點(diǎn)等(圖2).為深入研究鮮水河斷裂帶石棉段斷層閉鎖特性,武漢地震所于2020年在石棉縣城附近觀測(cè)了兩條近東西向的剖面,分別為沿草科鄉(xiāng)—挖角鄉(xiāng)一帶以及震中以南40 km處經(jīng)過(guò)石棉縣城—蟹螺鄉(xiāng)—洪壩鄉(xiāng),共計(jì)23個(gè)測(cè)站.瀘定地震發(fā)生前一個(gè)月,剛完成這兩條剖面的GNSS流動(dòng)觀測(cè).地震發(fā)生后,我們復(fù)測(cè)了石棉—洪壩剖面的所有測(cè)站點(diǎn)位,因山區(qū)塌方損壞比較嚴(yán)重,導(dǎo)致更靠近震中的草科鄉(xiāng)及其周邊道路不通,故本次科考觀測(cè)未對(duì)更靠近震中的另一條剖面進(jìn)行全點(diǎn)位觀測(cè),僅復(fù)測(cè)了離主干道較近、能安全到達(dá)的2個(gè)測(cè)站(SM15和SMB7).本次科考在十天時(shí)間內(nèi)共計(jì)觀測(cè)25個(gè)GNSS流動(dòng)站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù),有效觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)24～36 h不等.

采用GAMIT/GLOBK 10.71軟件 (Herring et al., 2015) 對(duì)震前、震后GNSS流動(dòng)站資料以及震中周邊陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)和四川省地震局CORS站觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一策略下的數(shù)據(jù)解算.數(shù)據(jù)處理策略主要分兩步：首先是用GAMIT獲取包括測(cè)站坐標(biāo)、衛(wèi)星軌道和天頂對(duì)流層延遲在內(nèi)的測(cè)站單日松弛解;然后用GLOBK將解算得到的區(qū)域松弛解與解算的全球IGS測(cè)站單日松弛解合并,并在全球范圍內(nèi)選取穩(wěn)定的IGS參考站,利用GLOBK通過(guò)七參數(shù)相似變換得到ITRF2014框架下的測(cè)站單日坐標(biāo)解(Altamimi et al., 2016).詳細(xì)的數(shù)據(jù)處理策略請(qǐng)參考Wang等(2022)和王迪晉等(2022).

本文采用基于馬爾可夫蒙特卡洛方法采樣的貝葉斯后驗(yàn)概率密度統(tǒng)計(jì)方法估計(jì)同震位移及其相關(guān)誤差(王迪晉等,2022).該方法充分考慮震間速率估計(jì)的不確定性,特別適用于對(duì)流動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理,目前已被廣泛應(yīng)用于震間斷層運(yùn)動(dòng)、同震破裂滑動(dòng)分布、震后形變估計(jì)等研究中(Sun et al., 2013; Ingleby et al., 2020).公式(1)為通用的GNSS坐標(biāo)時(shí)間序列表達(dá)式(Yu et al., 2019),在同震變形估計(jì)時(shí),我們忽略震后變形項(xiàng).對(duì)于流動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù),不考慮周年和半周年項(xiàng),待估參數(shù)只有初始形變值、長(zhǎng)期線性速度和同震形變位移.

f(t)=C1+C2t+C3sin(2πt+θ)+C4sin(4πt+φ)

+ε,

(1)

其中f(t)表示GNSS測(cè)站在歷元t時(shí)刻的坐標(biāo)分量,C1為初始坐標(biāo)值,C2是長(zhǎng)期線性速度,C3和θ、C4和φ分別表示年周期和半年周期項(xiàng)的幅度和相位,Di表示因地震同震、設(shè)備變化或其他偏移信號(hào)在時(shí)間ti時(shí)刻引起的偏移量,Ei是震后松弛的振幅,H為階躍函數(shù),觀測(cè)誤差ε.

本次復(fù)測(cè)的流動(dòng)GNSS站點(diǎn)中,測(cè)站W(wǎng)391震前僅有2007年一期觀測(cè)資料,在估計(jì)該測(cè)站的同震形變時(shí),我們分別采用2008年汶川地震(Wang et al., 2011)和2013年蘆山地震(Huang et al., 2019)的同震模型正演了這兩次地震對(duì)該測(cè)站的理論同震位移,并予以改正.考慮到汶川地震震后效應(yīng)對(duì)該站影響不足1 cm(Wang et al., 2021),故忽略汶川震后變形并不影響其對(duì)瀘定地震同震形變的估計(jì).同時(shí)考慮長(zhǎng)期構(gòu)造速率、汶川和蘆山地震同震位移的不確定性,該站的水平向同震位移誤差最大,約1.5 cm(表2).

2 同震形變場(chǎng)及特征分析

本次地震引起的地表水平向位移主要集中分布在震中50 km范圍內(nèi),同震位移隨震中距離增加而快速衰減,震中距60 km處GNSS測(cè)站觀測(cè)到的同震位移已衰減至不足1 cm(圖2,表2).近場(chǎng)GNSS觀測(cè)到的最大水平向同震形變達(dá)23 cm,位于得妥鎮(zhèn)(ZD17),距發(fā)震斷層垂直距離僅5 km;水平同震變形大于2 cm的測(cè)站有19個(gè).其中,鮮水河斷裂以東：位于漢源、石棉、挖角鄉(xiāng)附近的GNSS測(cè)站具有北西向運(yùn)動(dòng)的同震位移,新民鄉(xiāng)雙坪村附近測(cè)站(SMB7)位移量～8.5 cm,石棉縣城周邊同震位移在2 cm左右;磨西、得妥、瀘定周邊GNSS測(cè)站(ZD17、W391、MOXI)具有北東向運(yùn)動(dòng)的同震位移,同震形變量超過(guò)12 cm.斷裂以西：位于燕子溝東側(cè)S434省道附近的GNSS測(cè)站(ZD15、H078)有向東南方向大于5 cm的同震形變;震中往南23 km處的草科鄉(xiāng)和平村GNSS測(cè)站(SM15)有17.8 cm的西南向同震位移;震中以北36 km處的雪門(mén)坎附近GNSS測(cè)站(ZD13、ZD14)同震形變僅1.2 cm,再往北在康定周邊GNSS測(cè)站同震形變已經(jīng)不足1 cm.近場(chǎng)GNSS觀測(cè)結(jié)果清晰地顯示本次地震的左旋走滑運(yùn)動(dòng)特征,與區(qū)域構(gòu)造背景(圖1)及表1中不同機(jī)構(gòu)給出的震源機(jī)制結(jié)果相符合.

表2 2022年瀘定地震GNSS觀測(cè)到的水平向同震位移Table 2 Horizontal coseismic displacements observed by GNSS during the 2022 Luding earthquake

3 同震滑動(dòng)分布反演

野外發(fā)震構(gòu)造初步調(diào)查認(rèn)為,在震中及其以北沿磨西斷裂方向經(jīng)過(guò)的位置沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的同震地表破裂,且在震中以南沿?cái)嗔褞Х较虻卣鸹卤容^嚴(yán)重,可能存在疑似地表破裂跡象(李傳友等,2022;單新建等,2023),故本次瀘定地震的具體發(fā)震斷裂地表位置和長(zhǎng)度仍然尚不明確.圖2中近場(chǎng)同震位移場(chǎng)空間分布特征可以為本次地震的發(fā)震斷層走向提供重要約束信息,發(fā)震斷裂應(yīng)位于ZD15和H078以東,MOXI和SMB7站以西,這四個(gè)近場(chǎng)測(cè)站到本次發(fā)震斷裂的垂向距離不足2 km,這四個(gè)測(cè)站的同震位移場(chǎng)分布可以很好的約束斷裂的大致位置和走向.綜合震源機(jī)制解、余震精定位結(jié)果、地震地質(zhì)資料和本文同震位移場(chǎng)空間分布特征,能夠大致確定發(fā)震斷層初始位置和斷層走向(163°),傾角在65°～88°之間(表1,韓炳權(quán)等,2023).

為了能更好地揭示斷層面滑動(dòng)分布細(xì)節(jié)特征,將發(fā)震斷層初始位置沿走向和傾向進(jìn)行擴(kuò)展,選定斷層面長(zhǎng)度和寬度分別為75 km和25 km,并將斷層沿走向和傾向進(jìn)行格網(wǎng)離散化,劃分成若干個(gè)1.875 km×1.25 km的子斷層塊.以GNSS水平向同震位移為約束,采用彈性半空間均勻位錯(cuò)模型(Okada, 1992),基于約束條件下最小二乘方法反演發(fā)震斷層面同震滑動(dòng)分布(Wang et al.,2022),約束滑動(dòng)角在[-45°, 45°]范圍變化.鑒于平滑因子的選取對(duì)反演的滑動(dòng)分布結(jié)果影響較大,本文根據(jù)擬合殘差與斷層面滑動(dòng)分布光滑度之間的折中曲線來(lái)確定平滑因子,最佳光滑因子取值0.1(圖3c).反演過(guò)程中對(duì)斷層傾角進(jìn)行搜索,根據(jù)圖3b確定發(fā)震斷層最佳傾角值為71°.圖3a是基于近場(chǎng)GNSS水平向同震形變反演的最優(yōu)破裂模型.結(jié)果顯示破裂分布特征相對(duì)單一,呈近似橢圓形;同震滑動(dòng)主要集中分布在深度2～8 km范圍,最大滑動(dòng)量達(dá)到1.96 m,發(fā)生在深度4.6 km處;主滑動(dòng)破裂位于震中以南得妥鎮(zhèn)至田灣鄉(xiāng)之間,主破裂長(zhǎng)度在20～30 km范圍.假設(shè)泊松比為0.25,剪切模量為30 GPa,計(jì)算得到地震矩釋放能量為9.25×1018N·m,對(duì)應(yīng)矩震級(jí)MW6.6,與表1中震源機(jī)制解給出的震級(jí)一致.棋盤(pán)測(cè)試結(jié)果顯示(附圖1),本文GNSS近場(chǎng)觀測(cè)資料可以有效分辨并約束本次瀘定地震的同震滑動(dòng)分布.

圖3 (a) 基于GNSS同震位移反演得到的最優(yōu)滑動(dòng)模型; (b) 斷層傾角與擬合誤差之間的關(guān)系; (c) GNSS擬合殘差與滑動(dòng)分布光滑度之間的關(guān)系

根據(jù)反演得到的最佳滑動(dòng)分布模型,計(jì)算GNSS測(cè)站水平向同震位移模擬值,并與觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)比(圖4).觀測(cè)值與模擬值在近場(chǎng)GNSS測(cè)站中擬合一致性較高,平均擬合殘差3.2 mm,最近的ZD15、H078、MOXI和ZD17殘差不超過(guò)5 mm.在沒(méi)有明顯地表破裂、InSAR失相干嚴(yán)重的川西高山高海拔地區(qū),近場(chǎng)分布的GNSS同震形變對(duì)確定發(fā)震斷層走向和位置極其重要,同時(shí)能夠?qū)鄬踊瑒?dòng)破裂提供更加有效的約束.

圖4 GNSS同震位移觀測(cè)值與模擬值對(duì)比大寫(xiě)英文字母表示地理位置.其中,GGXS,貢嘎雪山;HLG,海螺溝;MZG,磨子溝;YZG,燕子溝鎮(zhèn);MX,磨西鎮(zhèn);DT,得妥鎮(zhèn);CKX,草科鄉(xiāng);TW,田灣鄉(xiāng);XM,新民鄉(xiāng);AS,安順場(chǎng)鎮(zhèn);WJX,挖角鄉(xiāng);HB,洪壩鄉(xiāng).

4 靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力及余震分布

為分析靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力對(duì)余震分布的觸發(fā)作用,我們采用上述最優(yōu)同震滑動(dòng)模型,分別計(jì)算了沿發(fā)震斷層(DD′)和垂直于發(fā)震斷層的(EE′)剖面上產(chǎn)生的靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力變化(以下均簡(jiǎn)稱為ΔCFS;圖5).有效摩擦系數(shù)取常用值0.4(Toda et al., 2012).對(duì)于剖面DD′我們采用同主震震源機(jī)制解一致的接收斷層參數(shù)計(jì)算ΔCFS,剖面EE′的接收斷層參考?xì)v史地震及余震的震源機(jī)制解.馮靜等(2018)對(duì)2016年發(fā)生在瀘定周邊的ML≥2.0地震序列進(jìn)行了重定位分析和震源機(jī)制解研究,顯示該區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)以走滑錯(cuò)動(dòng)為主.而在2022年10月22日(震后第54天),西北方向震中距約5 km處(29.61°N,102.03°E),發(fā)生了一次M5.0最大余震,震源機(jī)制解顯示為拉張性質(zhì),如圖5a黑色震源球所示.因此,我們推測(cè)剖面EE′可能具有拉張兼具右旋走滑的性質(zhì),因此我們選擇該剖面的接收斷層參數(shù)為走向247°,傾角80°,滑動(dòng)角174°.圖5b顯示同震滑動(dòng)破裂的南北兩側(cè),同震庫(kù)侖應(yīng)力顯著增加,超過(guò)地震觸發(fā)理論閾值0.1 bar(0.01 MPa).圖5c顯示在剖面西段ΔCFS增量高達(dá)1 MPa,也遠(yuǎn)超地震觸發(fā)閾值.計(jì)算結(jié)果顯示靜態(tài)庫(kù)倫應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)域與精定位余震分布一致性較好,表明余震主體上是由本次地震同震應(yīng)力加載觸發(fā)導(dǎo)致的(圖5b,5c).

圖5 (a) 2022年瀘定地震重定位余震序列; (b) 發(fā)震斷層面庫(kù)侖應(yīng)力變化與余震分布; (c) 垂直于發(fā)震斷層的庫(kù)侖應(yīng)力變化與余震分布

余震精定位結(jié)果顯示余震大致沿磨西斷裂呈北北西向條帶狀分布,長(zhǎng)約60 km,深度集中分布在3～14 km,向東南側(cè)最遠(yuǎn)可到達(dá)石棉縣城周邊,往北側(cè)最遠(yuǎn)到達(dá)燕子溝以北20 km,遠(yuǎn)大于同震破裂滑動(dòng)區(qū)域.主震以北靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力增加區(qū)域存在一個(gè)明顯的余震空區(qū)(圖5a).這個(gè)余震空區(qū)可能表明該段存在同震應(yīng)力降,但從我們的同震破裂模型看,該段的同震破裂很小,而且集中在深部(圖3a).根據(jù)余震的展布,我們不排除該段存在因發(fā)震斷層走向的變化而造成破裂模型的不準(zhǔn)確.為此,我們以磨西為界,以北的斷層走向調(diào)整為148°,與余震分布保持一致,以南的斷層走向不變,仍保持163°.基于該分段模型的反演結(jié)果顯示,地震空區(qū)仍沒(méi)有明顯的同震滑移,并且擬合誤差達(dá)8.6 mm(見(jiàn)附圖2).結(jié)合地震波反演結(jié)果(張喆等,2023),我們推測(cè)該余震空區(qū)并不是本次地震引起的應(yīng)力降造成的,可能仍處于歷史地震造成的應(yīng)力影區(qū),由于瀘定地震自身引起的庫(kù)侖應(yīng)力增加不足以改變當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)并觸發(fā)余震.

5 討論

5.1 與已有研究結(jié)果的比較

目前已發(fā)表有一些瀘定地震發(fā)震斷層和滑動(dòng)破裂模型(韓炳權(quán)等,2023;Li et al., 2022; 徐泰然等,2022;張喆等,2023), 通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),這些模型在數(shù)據(jù)源、滑動(dòng)分布特征以及最大滑動(dòng)量方面均存在一定差異性.韓炳權(quán)等(2023)和Li等(2022)處理了Sentinel-1升、降軌和ALOS-2降軌數(shù)據(jù),但在滑動(dòng)反演過(guò)程中,前者認(rèn)為ALOS-2遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲較大,僅使用Sentinel-1數(shù)據(jù);后者以Sentinel-1升軌影像干涉效果不佳,剔除了升軌數(shù)據(jù).ALOS-2數(shù)據(jù)在近場(chǎng)的相干性雖然優(yōu)于Sentinel-1,但空間分辨率相對(duì)較低,近場(chǎng)形變?cè)肼曒^大.單新建等(2023)選取震中200 km范圍內(nèi)的71個(gè)GNSS連續(xù)站,但震中距100 km以內(nèi)測(cè)站僅11個(gè),遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)站形變量級(jí)不足厘米量級(jí),近場(chǎng)測(cè)站數(shù)量較少且分布比較稀疏,震中距50 km范圍內(nèi)連續(xù)站僅2個(gè).最近的強(qiáng)震動(dòng)儀器觀測(cè)到的永久位移12 cm.而本文震中距16 km內(nèi)GNSS測(cè)站有5個(gè),震中距最近的僅7 km,觀測(cè)到的同震形變位移量可達(dá)23 cm;南側(cè)剖線的GNSS測(cè)站距震中位置相對(duì)較遠(yuǎn)但同震位移整體偏大,可能表明同震破裂主要集中在震中東南方向,這與早期精定位余震分布和滑動(dòng)反演結(jié)果一致.對(duì)比單新建等(2023)震中距～50 km處的GNSS連續(xù)站同震位移,震中以南LS23同震形變位移～20 cm,要遠(yuǎn)大于震中以北LS10同震形變位移～10 cm,表明本文流動(dòng)站觀測(cè)結(jié)果是可靠的.以韓炳權(quán)等(2023)中的滑動(dòng)破裂模型正演本文GNSS測(cè)站同震位移模擬值,并與本文滑動(dòng)模型正演結(jié)果進(jìn)行比較(附圖3),可以看出僅用InSAR約束的滑動(dòng)模型存在一定偏差,其GNSS模擬值在近場(chǎng)具有較大不確定性.近場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)相比于遠(yuǎn)場(chǎng)觀測(cè)對(duì)于地震機(jī)制的研究有著更高的科學(xué)價(jià)值,本文加密觀測(cè)的GNSS數(shù)據(jù)不僅可以提高對(duì)斷層近場(chǎng)行變特征的認(rèn)識(shí),還能更好的約束發(fā)震斷層幾何參數(shù)和同震滑動(dòng)分布.

李傳友等(2022)根據(jù)野外地質(zhì)考察,認(rèn)為瀘定地震以SE向單側(cè)破裂為主,在震中以北和愛(ài)國(guó)村以南磨西斷裂通過(guò)的位置沒(méi)有發(fā)育地表破裂,在震中以南沿磨西鎮(zhèn)二臺(tái)子到到王崗坪鄉(xiāng)愛(ài)國(guó)村一帶可能發(fā)育有15.5 km長(zhǎng)度、15～40 cm的同震地表位移;Li等(2022)基于GNSS、InSAR和強(qiáng)震動(dòng)波形反演得到的滑動(dòng)模型顯示在二臺(tái)子以北沿磨西斷裂有0.3 m的地表破裂,在二臺(tái)子以南至團(tuán)結(jié)村以北有0.7～1.0 m的淺層地表滑動(dòng);徐泰然等(2022)基于地震波形數(shù)據(jù)得出本次地震是一次高傾角、直立的走滑事件,同震地表破裂長(zhǎng)度約20 km;本文最優(yōu)滑動(dòng)模型顯示至少存在10 km長(zhǎng)度的0.5～1 m的地表破裂,我們的結(jié)果傾向于本次瀘定地震破裂到地表,但具體的地表破裂長(zhǎng)度和滑移量仍存在不確定性.根據(jù)震源機(jī)制解(表1)和已發(fā)表結(jié)果可以得出,本次地震走向差異性較小,由地震波獲取的震源機(jī)制解顯示震中傾角較陡,斷層面接近直立.在最大滑移尺度上各研究結(jié)果也不盡相同,本文基于近場(chǎng)GNSS觀測(cè)得到的最大滑動(dòng)量～1.96 m,Li等(2022)和Yang等(2022)分別基于全球遠(yuǎn)場(chǎng)地震波和近場(chǎng)地震波數(shù)據(jù)得到的最大滑移為1 m和0.8 m,張喆等(2023)采用全球與區(qū)域?qū)掝l帶P波數(shù)據(jù)進(jìn)行有限斷層反演顯示最大滑動(dòng)量1.4 m,Li等(2022)利用GNSS、InSAR和近場(chǎng)強(qiáng)震動(dòng)約束破裂模型獲得最大滑動(dòng)1.8 m,韓炳權(quán)等(2023)利用InSAR數(shù)據(jù)得到最大滑移～2.23 m,是目前已知結(jié)果中最大的,可能與其滑動(dòng)破裂模型沒(méi)有破裂到地表有關(guān),也可能與其選取的InSAR數(shù)據(jù)有關(guān).上述通過(guò)地震波方法反演得到的最大滑移普遍比基于大地測(cè)量資料反演得到的結(jié)果要小,可能表明近場(chǎng)大地測(cè)量資料比地震波資料對(duì)滑動(dòng)破裂更敏感,能更好的約束同震滑動(dòng)模型.

5.2 同震庫(kù)侖應(yīng)力對(duì)周邊斷層影響

以圖3a所示同震滑動(dòng)破裂模型為應(yīng)力擾動(dòng)源,采用邊界元軟件Poly3D(Thomas, 1993)計(jì)算本次地震對(duì)周邊斷層的應(yīng)力擾動(dòng)變化.本文計(jì)算的斷層主要包括龍門(mén)山斷裂帶,鮮水河斷裂帶北段,南部安寧河斷裂、大涼山斷裂,以及西側(cè)的玉龍希斷裂.龍門(mén)山斷裂帶是本次計(jì)算中的唯一一條逆沖斷裂帶(傾角取值30°),玉龍希斷裂為右旋兼具逆沖型,其他斷層均為近似垂直的左旋走滑斷裂.根據(jù)斷層地表跡象及傾角建立斷層模型,并按1 km×1 km剖分網(wǎng)格.

假設(shè)有效摩擦系數(shù)為0.4,通過(guò)計(jì)算得到各目標(biāo)接收斷層的靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力變化(圖6).結(jié)果顯示在鮮水河斷裂帶上ΔCFS增強(qiáng)區(qū)域主要分布在震源破裂區(qū)四周,最大值為MPa量級(jí), ΔCFS負(fù)值區(qū)域與主要破裂區(qū)域重合,揭示破裂區(qū)的應(yīng)力得到了充分釋放.通常在走滑型地震的破裂區(qū)兩端會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力加載效應(yīng),此次地震破裂區(qū)南端相鄰為安寧河和大涼山斷裂,在這兩條斷裂的北部ΔCFS增加數(shù)bar量級(jí),均超過(guò)觸發(fā)閾值(0.1 bar).同時(shí),玉龍希斷裂北部也有數(shù)bar量級(jí)的應(yīng)力加載效應(yīng).ΔCFS增強(qiáng)區(qū)域可能預(yù)示未來(lái)地震危險(xiǎn)性程度較高,是未來(lái)地震危險(xiǎn)性重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域之一.此外,在龍門(mén)山斷裂帶西南端與鮮水河斷裂帶交界區(qū)域,ΔCFS為負(fù)值,表明該地區(qū)應(yīng)力得到釋放,延緩了地震的發(fā)生.

研究表明,鮮水河斷裂東南末端存在明顯的閉鎖狀態(tài)(Wen et al., 2008;趙靜等,2015),同時(shí),受2008和2013年龍門(mén)山斷裂帶上汶川和蘆山兩次地震的影響,鮮水河斷裂附近庫(kù)侖應(yīng)力明顯增加,可能會(huì)加速鮮水河斷裂帶東南方向康定—石棉段的地震發(fā)生(易桂喜等,2013;Jiang et al., 2015;Li et al., 2021).基于以上述分析,認(rèn)為本次瀘定地震確實(shí)發(fā)生在鮮水河斷裂東南段閉鎖區(qū).假設(shè)本次地震破裂的核心區(qū)域面積為100～140 km2,斷層長(zhǎng)期滑動(dòng)速率取10 mm·a-1,那么自1786年以來(lái),該破裂區(qū)域積累地震矩能量約為(7.5～10)×1018N·m,與本次地震釋放的能量基本相當(dāng).本次瀘定地震盡管充分釋放了磨西—石棉田灣段積累的應(yīng)變能,但未來(lái)在石棉—冕寧段可能積累更大應(yīng)變能,以及本次瀘定地震對(duì)安寧河斷裂北段有應(yīng)力加載作用,安寧河斷裂北段誘發(fā)大地震的可能性也值得密切關(guān)注.

圖6 2022年瀘定地震引起的周邊斷層庫(kù)侖應(yīng)力變化

6 結(jié)論

本文首先采用震前、震后近場(chǎng)GNSS觀測(cè)資料,獲取了本次瀘定地震水平向同震位移場(chǎng),然后基于約束最小二乘算法反演斷層滑動(dòng)破裂分布模型,并根據(jù)最優(yōu)破裂模型計(jì)算了本次地震對(duì)周邊鄰近斷層的庫(kù)侖應(yīng)力影響.主要結(jié)論如下：

(1) 近場(chǎng)同震形變場(chǎng)空間分布結(jié)果表明,瀘定地震是一次左旋走滑型地震,同震形變場(chǎng)呈四象限分布,可觀測(cè)到的最大同震位移量達(dá)23 cm;同震位移主要分布在震中50 km范圍內(nèi)的近場(chǎng)區(qū)域,在磨西鎮(zhèn)、得妥鎮(zhèn)、草科鄉(xiāng)等區(qū)域同震位移量可達(dá)10 cm.

(2) 同震位移場(chǎng)的空間分布特征為判定發(fā)震斷裂的具體位置提供了重要的約束條件,綜合震源機(jī)制解、余震精定位結(jié)果和同震位移場(chǎng)分布特征,能大致確定發(fā)震斷層初始位置和發(fā)震斷層幾何參數(shù)信息.

(3) 同震滑動(dòng)分布結(jié)果表明,滑動(dòng)分布特征與余震精定位結(jié)果具有很好的互補(bǔ)性,反演結(jié)果顯示至少存在10 km長(zhǎng)度的0.5～1.0 m之間的地表破裂,主破裂位于斷層面2～8 km,最大滑動(dòng)量達(dá)到1.96 m,所處深度4.6 km,釋放地震矩能量9.25×1018N·m,對(duì)應(yīng)矩震級(jí)MW6.6.

(4) 同震庫(kù)侖應(yīng)力顯示瀘定地震對(duì)周邊斷層有應(yīng)力加載作用,導(dǎo)致發(fā)震斷層南端鄰近的安寧河、大涼山斷裂以及鮮水河斷裂康定—磨西段未來(lái)地震風(fēng)險(xiǎn)性增加,需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè).

致謝感謝GNSS野外科考工作隊(duì)員趙昕宇、黃子軒等參與GNSS加密觀測(cè)的各位同仁的辛苦付出.感謝韓炳權(quán)博士提供的同震破裂模型.感謝責(zé)任編輯和三位匿名評(píng)審專(zhuān)家對(duì)提升本文內(nèi)容提出的建設(shè)性修改意見(jiàn).

附圖1 棋盤(pán)測(cè)試

附圖2 分段斷層模型反演的同震滑動(dòng)分布

附圖3 GNSS觀測(cè)值與不同滑動(dòng)模型模擬值對(duì)比其中,藍(lán)色：觀測(cè)值;紅色：本文模擬值;綠色：韓炳權(quán)等(2023)模擬值.