基于GPS數(shù)據(jù)分析巴顏喀拉塊體邊界強(qiáng)震活動特征

李寧 季靈運(yùn) 蔣鋒云 朱良玉 劉傳金

摘要：基于巴顏喀拉塊體邊界大地震序列，運(yùn)用多彈簧滑塊系統(tǒng)理論分析未來各邊界斷裂發(fā)生強(qiáng)震的可能時間；基于1991—2016年中國大陸GPS水平速度場數(shù)據(jù)，采用均勻彈性塊體模型計算了巴顏喀拉塊體各邊界斷裂帶的長期活動特征，并以此作為參考背景，計算了1999—2007、2009—2013、2013—2015、2015—2017、2017—2020年各邊界斷裂帶的活動性質(zhì)及時空演化特征，同時結(jié)合1995年以來發(fā)生在各邊界斷裂帶上的M≥7.0地震震源機(jī)制解綜合分析強(qiáng)震活動與塊體運(yùn)動的關(guān)系。結(jié)果表明：1995年以來發(fā)生在塊體各邊界斷裂帶上的M≥7.0地震震源機(jī)制與塊體邊界的運(yùn)動特征一致，這一系列地震可能是由巴顏喀拉塊體向E—SE向運(yùn)動增強(qiáng)所致。綜合塊體邊界大震序列與塊體相對運(yùn)動結(jié)果認(rèn)為，未來十年，甘孜—玉樹斷裂、龍門山斷裂南段、東昆侖斷裂帶東段存在發(fā)生M≥7.0地震的可能。

關(guān)鍵詞：巴顏喀拉塊體；大地震序列；塊體運(yùn)動；均勻彈性模型；強(qiáng)震活動

中圖分類號：P315.727文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000-0666（2024）03-0405-14

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0041

0引言

地震的孕育和發(fā)生與斷層活動密切相關(guān)?；贕PS、水準(zhǔn)、InSAR等大地測量觀測資料研究斷層的運(yùn)動特征與孕震能力，是分析區(qū)域地震危險性的手段之一（季靈運(yùn)等，2017；李寧等，2018；劉艷慧等，2022；張晨等，2022；康帥等，2020，2021；Zhao et al，2023）。活動塊體理論認(rèn)為塊體邊界斷層變形相對較大，地震活動相對較強(qiáng)（Nur et al，2013；徐錫偉等，2003）。在斷裂系統(tǒng)強(qiáng)震的序次-時間關(guān)系的研究方面，Mogi（1977）在研究1918—1973年發(fā)生于千島—日本海溝板塊俯沖帶的大地震活動時發(fā)現(xiàn)，地震事件的時間間隔隨著事件序次的增加呈現(xiàn)逐漸縮短的趨勢，且這種縮短的時間間隔呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)的形式。張國民和傅征祥（1985）在研究公元1400年以來中國大陸華北地區(qū)M≥7.0歷史強(qiáng)震活動時也發(fā)現(xiàn)了上述現(xiàn)象。從強(qiáng)震的累積頻次-時間關(guān)系曲線發(fā)現(xiàn)，在同一個地震活動期內(nèi)，M≥7.0強(qiáng)震的發(fā)生在時間軸上呈“前疏后密”的狀態(tài)，且強(qiáng)震發(fā)生的累積頻次隨著時間增長呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)形式的變化。聞學(xué)澤等（2011）分析了巴顏喀拉塊體東邊界斷裂系統(tǒng)自18世紀(jì)以來M≥7.0地震與北邊界斷裂系統(tǒng)自19世紀(jì)中晚期以來發(fā)生的M≥6.9地震之間的關(guān)聯(lián)性，探討了兩個邊界斷裂系統(tǒng)大地震應(yīng)變釋放的時間進(jìn)程以及大地震的序次-時間關(guān)系，并依此預(yù)測下一次大震的發(fā)生時間，結(jié)果表明，北邊界斷裂系統(tǒng)發(fā)生下一次M≥7.0地震的可能時間為2010—2021年，東邊界斷裂系統(tǒng)發(fā)生下一次M≥7.0地震的可能時間為2031—2035年。2021年瑪多MS7.4地震的發(fā)生再一次表明了強(qiáng)震的累積頻次-時間指數(shù)函數(shù)關(guān)系的有效性。本文基于1991—2016年中國大陸的GPS水平速度場數(shù)據(jù)分析巴顏喀拉塊體邊界運(yùn)動與已發(fā)生的M≥7.0地震活動的相互關(guān)系，并從時、空兩個尺度分析塊體各邊界斷裂系統(tǒng)未來M≥7.0地震的發(fā)震時間與地點。

1構(gòu)造背景

青藏高原是中國大陸6個一級活動塊體之一，亦是我國大陸最新構(gòu)造活動與地震活動最強(qiáng)烈的地區(qū)之一（張培震等，2003；鄧起東等，2002）。作為一級活動塊體，青藏高原自南向北又可被進(jìn)一步劃分為拉薩、羌塘、巴顏喀拉、柴達(dá)木、祁連和川滇6個二級塊體（張培震等，2003；李平恩等，2019），其中巴顏喀拉塊體位于青藏高原主體地區(qū)的北部，是青藏高原地殼運(yùn)動方向轉(zhuǎn)變的樞紐地區(qū)之一。塊體北邊界的東昆侖斷裂帶（北邊界斷裂系統(tǒng)）以左旋走滑運(yùn)動為主，南邊界自東向西分布的鮮水河斷裂、甘孜—玉樹斷裂和瑪爾蓋茶卡斷裂（南邊界斷裂系統(tǒng)）均以左旋走滑運(yùn)動為主，東邊界的龍門山斷裂帶（東邊界斷裂系統(tǒng)）以逆沖擠壓作用為主，西邊界的阿爾金斷裂帶西南段（西邊界斷裂系統(tǒng)）則主要表現(xiàn)為走滑拉張性質(zhì)（鄧起東等，2010，2014）。該塊體以北的青藏高原東北緣地區(qū)普遍存在著強(qiáng)烈的擠壓隆升作用，塊體以南地區(qū)則主要表現(xiàn)為東向擠出，這種地殼形變方式使得巴顏喀拉塊體周緣斷裂帶活動尤為強(qiáng)烈（聞學(xué)澤等，2011；程佳，徐錫偉，2018）。

1900年以來，青藏高原經(jīng)歷了3個M≥7.0地震活動叢集系列，當(dāng)前正在經(jīng)歷昆侖—汶川地震序列（1995年至今）（鄧起東等，2010，2014），其主體活動區(qū)就是巴顏喀拉塊體，因此，該地震序列活動與巴顏喀拉塊體密切相關(guān)（聞學(xué)澤等，2011）。自20世紀(jì)90年代中期起，巴顏喀拉塊體一直是我國大陸強(qiáng)震發(fā)生的主體地區(qū)，先后發(fā)生了1997年11月8日瑪尼MS7.5地震、2001年11月14日昆侖山口MS8.1地震、2008年3月21日于田MS7.3地震、2008年5月12日汶川MS8.0地震、2010年4月14日玉樹MS7.1地震、2013年4月20日蘆山MS7.0地震、2014年2月12日于田MS7.3地震、2017年8月8日九寨溝MS7.0地震以及2021年5月22日瑪多MS7.4地震（圖1）。圖1中震源機(jī)制解來自美國哈佛大學(xué)GCMT（1995—2021年），1900—2011年的地震參考聞學(xué)澤等（2011）的研究；藍(lán)色箭頭表示GPS水平運(yùn)動速度場（1991—2016年）（Wang，Shen，2020）。

2巴顏喀拉塊體邊界未來強(qiáng)震發(fā)生時間分析

Mogi（1977）曾采用多彈簧滑塊系統(tǒng)的破壞過程來解釋大地震發(fā)生的物理機(jī)制：假定一個系統(tǒng)的強(qiáng)度由所有并聯(lián)彈簧的強(qiáng)度構(gòu)成，并用某一個彈簧的破壞對應(yīng)一次地震的發(fā)生。地震發(fā)生后，破壞的彈簧喪失了支撐構(gòu)造力的作用，其原本該承受的構(gòu)造力將由其他彈簧來承受。隨著系統(tǒng)中破壞的彈簧越來越多，系統(tǒng)的強(qiáng)度則會越來越弱，彈簧破壞的時間間隔也會隨之呈指數(shù)逐漸縮短，這表示相應(yīng)的地震事件的時間間隔也會以指數(shù)函數(shù)的形式逐漸縮短。

1900年至今，巴顏喀拉塊體邊界相繼發(fā)生了近20次M≥7.0地震（表1），其再次發(fā)生M≥7.0地震的可能時間對于研究區(qū)域強(qiáng)震活動狀態(tài)至關(guān)重要。本文運(yùn)用多彈簧滑塊系統(tǒng)理論，參考聞學(xué)澤等（2011）的研究成果，分別對1900年以來巴顏喀拉塊體北、東、南各邊界斷裂系統(tǒng)的M≥7.0地震進(jìn)行了統(tǒng)計（表1），并計算了瑪多7.4級地震后這3個邊界斷裂系統(tǒng)未來發(fā)生M≥7.0地震的可能時間（西邊界斷裂系統(tǒng)僅發(fā)生2次地震，無法進(jìn)行擬合計算）。圖2為1900年以來北、東、南三個邊界斷裂系統(tǒng)大地震應(yīng)變釋放的時間進(jìn)程關(guān)聯(lián)性曲線圖和大地震序列的序次-時間關(guān)系圖。

從圖2擬合結(jié)果看，無論將2021年瑪多MS7.4地震視為巴顏喀拉塊體內(nèi)部的地震（趙韜等，2021）還是塊體邊界的地震（潘家偉等，2021），擬合的各邊界下一次大震發(fā)生的時間都比較接近，即北邊界地震發(fā)生在2060年前后，東邊界地震發(fā)生在2023—2025年，南邊界地震發(fā)生在2028年左右。

3巴顏喀拉塊體邊界未來強(qiáng)震發(fā)生地點分析

本文基于1991—2016年中國大陸GPS水平速度場數(shù)據(jù)（Wang，Shen，2020），采用均勻彈性塊體模型計算了巴顏喀拉塊體各邊界斷裂系統(tǒng)的活動特征，并以此作為后續(xù)分析塊體不同時期運(yùn)動速率的背景參考，采用均勻彈性塊體運(yùn)動模型計算了1999—2007、2009—2013、2013—2015、2015—2017、2017—2020年5個時期巴顏喀拉塊體邊界運(yùn)動性質(zhì)，分析邊界活動性質(zhì)的時空演化特征，結(jié)合1995年以來發(fā)生在各邊界斷裂系統(tǒng)的M≥7.0地震的震源機(jī)制解綜合分析塊體未來的地震活動趨勢。

3.1數(shù)據(jù)與反演方法

本文使用的1991—2016年的中國大陸GPS速度場資料來源于Wang和Shen（2020）的研究結(jié)果；1999—2007、2009—2013、2013—2015、2015—2017、2017—2020年5個不同時期的GPS數(shù)據(jù)資料主要來自“中國地殼運(yùn)動觀測網(wǎng)絡(luò)”和“中國構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”項目在巴顏喀拉塊體觀測得到的GPS連續(xù)站和流動站數(shù)據(jù)，流動站點觀測了多期數(shù)據(jù)，本文選取了這5個時段進(jìn)行研究，其中1999—2020年其他不同期次的觀測結(jié)果也參與了相應(yīng)時間段的解算。每期觀測時采用30 s采樣間隔，連續(xù)觀測4 d，每天24 h；采用雙差模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并由GAMIT/GLOBK軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理時首先通過GAMIT軟件獲取GPS觀測臺站的位置參數(shù)及其方差-協(xié)方差矩陣的單日松弛解，并消除大氣潮汐、海洋潮汐、對流層、電離層等因素的影響，單日解中包含了測站坐標(biāo)、衛(wèi)星軌道、極移、對流層天頂延遲等參數(shù)的初值及方差-協(xié)方差矩陣；后續(xù)計算時用GLOBK軟件將全球ITRF站和區(qū)域站的所有單日松弛解進(jìn)行組合，從而進(jìn)一步估算出基于ITRF2008參考框架的各區(qū)域站的速率與誤差。

前人已經(jīng)在塊體運(yùn)動方面做了大量的研究工作，并逐漸形成了3種塊體模型：剛性塊體模型、彈性塊體模型和均勻彈性塊體模型。剛性塊體模型認(rèn)為變形主要集中在塊體的邊界帶上，塊體內(nèi)部不存在變形或變形小到可以忽略不計；彈性塊體模型認(rèn)為塊體內(nèi)部存在變形，且塊體邊界斷裂存在應(yīng)變積累；均勻彈性塊體模型則是介于前兩者之間的一種模型。本文采用的即是均勻彈性塊體模型，該模型既考慮了塊體的整體旋轉(zhuǎn)，也考慮了塊體內(nèi)部變形，且認(rèn)為塊體內(nèi)部變形是均勻的（李延興等，2001），即認(rèn)為觀測點的運(yùn)動速度由塊體的剛性旋轉(zhuǎn)和內(nèi)部均勻形變二者引起的速度共同組成。具體理論公式如下：[FL）][KH-1]

[JB（［]VeVn[JB）］]=r[JB（［][HL（3]-sinφcosλ[]-sinφsinλ[]cosφsinλ[]-cosλ[]0[HL）][JB）］][JB（［]ωxωyωz[JB）］]+r[JB（［]εeεenεne[KG*5/6]εn[JB）］][JB（［]（λ-λ0）cosφφ-φ0[JB）］][JY]（1）[HJ1.95mm]

式中：第一部分為剛性塊體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動模型；第二部分為塊體的彈塑性應(yīng)變模型；λ、φ分別表示觀測點經(jīng)度和緯度；Ve、Vn分別表示東向速度和北向速度；ωx、ωy、ωz表示塊體的歐拉矢量；λ0、φ0、 r分別表示研究塊體的幾何中心經(jīng)度、幾何中心緯度和平均曲率半徑；εe、εen、εne、εn均為常數(shù)，分別代表區(qū)域內(nèi)的應(yīng)變率張量，常數(shù)表示假定塊體內(nèi)部的應(yīng)變?yōu)榫鶆虻?。式?）中，除了3個歐拉矢量為未知數(shù)外，3個應(yīng)變參數(shù)也是未知數(shù)，因此至少需要3個GPS站點的數(shù)據(jù)才可以進(jìn)行解算，而進(jìn)行精度評定則至少需要4個GPS站點的數(shù)據(jù)。

對于實際觀測得到的GPS速度場，雖然塊體內(nèi)部整體上呈現(xiàn)出較好的連續(xù)性和一致性，但實際上會出現(xiàn)個別測站速度與周圍測站速度在大小或方向上差異較大的情況，需要剔除這類異常測站點。為此，本文利用二倍中誤差原則進(jìn)行篩選：首先采用塊體內(nèi)部所有測站速度計算模型參數(shù)，基于模型參數(shù)反算每個測站的理論速度值，再計算實際觀測值和理論速度值之差（殘差）的中誤差，對于殘差大于二倍殘差中誤差的站點進(jìn)行剔除，用剩余的測站速度計算模型參數(shù)，如此反復(fù)，直到所有測站殘差都滿足二倍中誤差原則。同時為防止計算模型參數(shù)失真，剔除過程中遵循“剔除的只是個別站點，且空間分布具有偶然性”的原則。采用上述方法，本文對1999—2007、2009—2013、2013—2015、2015—2017和2017—2020年5個時間段的速度場結(jié)果進(jìn)行了篩選，用篩選后的結(jié)果作為計算數(shù)據(jù)，利用篩選后的GPS數(shù)據(jù)通過式（1）計算得到10個塊體的應(yīng)變參數(shù)和歐拉極，再通過得到的參數(shù)計算塊體上任何一點在相應(yīng)時間段的速度值，基于此計算了每一個塊體邊界上均勻分布的各點的速度。需要說明的是，因為巴顏喀拉塊體各邊界均為2個塊體的公共邊界，所以計算時需要分別計算屬于每個塊體時的邊界速度值，再進(jìn)行求差，最終得到2個塊體公共邊界上的相對速度，即本文需要的邊界速度結(jié)果。

3.2巴顏喀拉塊體邊界運(yùn)動狀態(tài)與強(qiáng)震關(guān)系分析

根據(jù)活動塊體的基本概念及其劃分原則，結(jié)合前人大量研究成果（鄧起東等，2010，2014；李煜航等，2015；Loveless，Meade，2011），本文將巴顏喀拉塊體及其鄰區(qū)塊體劃分為10個計算塊體：巴顏喀拉塊體（B1、B2）、華南塊體（B3）、雅江次級塊體（B4）、羌塘塊體（B5、B6）、西昆侖塊體（B7）、柴達(dá)木塊體（B8）、共和南山塊體（B9）、西秦嶺塊體（B10）?？紤]到塊體的南、北邊界斷裂系統(tǒng)以左旋走滑運(yùn)動為主，東邊界斷裂系統(tǒng)以逆沖擠壓作用為主，西邊界斷裂系統(tǒng)則表現(xiàn)為走滑拉張性質(zhì)，在進(jìn)行塊體邊界運(yùn)動分析時，對南、北邊界主要分析其平行斷層的走滑的運(yùn)動性質(zhì)，對東、西邊界則主要分析其垂直斷層運(yùn)動性質(zhì)。通過反演計算得到1991—2016年巴顏喀拉塊體各邊界斷裂系統(tǒng)運(yùn)動結(jié)果如圖3所示，圖3a中，速率為負(fù)表示左旋運(yùn)動，速率為正表示右旋運(yùn)動；圖3b中，速率為負(fù)表示拉張運(yùn)動，速率為正表示擠壓運(yùn)動。

從圖3中可以看出，北邊界斷裂系統(tǒng)以左旋走滑運(yùn)動為主，速率從西段至東段依次約為（7.6±1.2）、（6.9±0.6）、（5.9±0.5）mm/a。南邊界斷裂系統(tǒng)也以左旋走滑為主，從東段至西段速率依次減小，鮮水河斷裂的左旋走滑速率達(dá)（10.5±1.3）mm/a；甘孜—玉樹斷裂的左旋走滑速率約為（5.2±0.9）mm/a；往西至瑪爾蓋茶卡斷裂也表現(xiàn)為左旋走滑運(yùn)動，速率約為（2.0±0.4）mm/a，甘孜玉樹斷裂到鮮水河斷裂速率是逐漸增大的，這與Zhang等（2022）根據(jù)InSAR和GPS得到的結(jié)果及Qiao等（2022）利用InSAR得到的結(jié)果基本一致。東邊界龍門山斷裂帶顯示以擠壓運(yùn)動為主，南段速率為（2.5±0.5）mm/a，北段速率約為（1.9±0.5）mm/a，同時還兼有右旋走滑運(yùn)動；龍日壩斷裂總體以右旋走滑運(yùn)動為主，北段速率約為（5.1±0.7）mm/a，南段約為（2.0±0.7）mm/a，這與徐錫偉等（2008）得到的右旋滑動速率為（5.4±2.0）mm/a的結(jié)果基本一致，另外還兼有一定程度的擠壓運(yùn)動。西邊界主要以拉張運(yùn)動為主，速率為（3.6±1.0）mm/a，兼有左旋走滑運(yùn)動，北段尤為顯著。另外，巴顏喀拉塊體鄰區(qū)各塊體的主應(yīng)變率（圖3a）結(jié)果顯示，柴達(dá)木塊體內(nèi)部以NNE向的主壓應(yīng)變?yōu)橹?；羌塘塊體西部藏西次級塊體主要表現(xiàn)為近EW向的主張應(yīng)變和近SN向的主壓應(yīng)變，藏東次級塊體以NNW向的主張應(yīng)變?yōu)橹?；雅江次級塊體以NE向的主張應(yīng)變?yōu)橹鳎晃骼鰤K體表現(xiàn)為NE向主壓應(yīng)變和NW向的主張應(yīng)變；龍門山斷裂和龍日壩斷裂之間的次級塊體以NWW向的主壓應(yīng)變?yōu)橹鳌?/p>

本文收集了1995年以來塊體各邊界斷裂系統(tǒng)發(fā)生的M≥7.0地震的震源機(jī)制解，其與各自發(fā)震斷裂的活動性質(zhì)對比見表1。從表1可知，北邊界斷裂系統(tǒng)發(fā)生的2001年昆侖山口西MS8.1地震震源機(jī)制解、南邊界斷裂系統(tǒng)發(fā)生的1997年瑪尼MS7.5、2010年玉樹MS7.1地震震源機(jī)制解都與斷裂的左旋走滑性質(zhì)一致。東邊界斷裂系統(tǒng)整體顯示逆沖為主兼具右旋的性質(zhì)，發(fā)生在龍門山斷裂帶的2008年汶川MS8.0、2013年蘆山MS7.0地震震源機(jī)制解也與斷裂的運(yùn)動性質(zhì)一致；而在東邊界斷裂系統(tǒng)北端靠近東昆侖斷裂帶東端處，則存在有旋轉(zhuǎn)走滑運(yùn)動特征，此處發(fā)育有呈弧形的塔藏—岷山—虎牙斷層組成的左旋走滑斷裂帶，2017年九寨溝MS7.0地震的發(fā)震構(gòu)造為九寨溝—虎牙斷裂，該斷裂為一條斜切岷山隆起的左旋走滑斷裂（張岳橋等，2018）。巴顏喀拉塊體西北端邊界由阿爾金斷裂西南段構(gòu)成，顯示走滑拉張性質(zhì)，發(fā)生在西邊界斷裂系統(tǒng)的2008年于田MS7.3地震與2014年于田MS7.3地震震中相距約110 km，且兩次于田地震的發(fā)震構(gòu)造不同，這表明巴顏喀拉塊體西邊界的阿爾金斷裂帶西段不同段落的運(yùn)動學(xué)特征有明顯差異，在西邊界北端靠近北邊界斷裂帶西端的段落走滑性質(zhì)更為顯著，但兩次地震都顯示出一定的正斷性質(zhì)，這與巴顏喀拉塊體西邊界斷裂帶具有一定拉張性質(zhì)的特征是一致的。

本文進(jìn)一步通過不同時段GPS水平速度場（圖4）計算了巴顏喀拉塊體邊界的階段性運(yùn)動與大震活動的關(guān)系（圖5）。

1999—2007年東昆侖斷裂帶以左旋走滑性質(zhì)為主，速率約為4.9～5.3 mm/a，較1991—2016年的背景速率明顯減弱，期間發(fā)生了2001年昆侖山口西MS8.1地震，速率值偏小可能與昆侖山口西地震前斷層存在一定程度的閉鎖有關(guān)。甘孜—玉樹—鮮水河斷裂以左旋走滑為主，其中鮮水河斷裂帶速率約為7.0 mm/a，較背景結(jié)果顯著減弱，表明川滇菱形塊體整體向南東方向運(yùn)動速率減弱，巴顏喀拉塊體向S—SE方向運(yùn)動受阻；再往西至瑪爾蓋茶卡斷裂左旋走滑速率遞減，速率約為2.3 mm/a。龍門山斷裂帶顯示以擠壓為主，南段速率約為2.0 mm/a，擠壓速率略低于背景水平，2008年汶川MS8.0地震便是在這種情況下發(fā)生的。龍日壩斷裂右旋走滑運(yùn)動速率較背景值偏小，另外還兼有一定程度的擠壓運(yùn)動（圖5a）。

2009—2013年巴顏喀拉塊體向東運(yùn)動速率也有所增強(qiáng)，川滇菱形塊體向SE方向運(yùn)動速率較上期增強(qiáng)，具體表現(xiàn)為：東昆侖斷裂帶的左旋走滑速率為6.2～7.1 mm/a，較前期明顯增強(qiáng)。鮮水河斷裂帶左旋走滑速率約為7.9 mm/a。甘孜—玉樹斷裂左旋走滑速率低于上期且與背景值相當(dāng)，約為5.3 mm/a，在此背景下發(fā)生了2010年玉樹MS7.0地震。龍門山斷裂帶南段的擠壓速率與上期基本相當(dāng)，但仍低于背景水平，可能表明斷層在此階段存在一定程度的閉鎖，此背景下發(fā)生了2013年蘆山MS7.0地震。龍日壩斷裂帶右旋走滑速率仍小于背景速率，但較上期增大，這可能與巴顏喀拉塊體整體運(yùn)動速率有所增強(qiáng)有關(guān)。西邊界在該時段拉張速率也高于背景值，此外還兼具一定的左旋走滑特征（圖5b）。

2013—2015年巴顏喀拉塊體運(yùn)動速率較前期顯著減弱，表現(xiàn)為：東昆侖斷裂左旋走滑明顯減弱，速率為3.9～5.5 mm/a。鮮水河斷裂左旋性質(zhì)增強(qiáng)，較前期速率增長10.9 mm/a。龍門山斷裂帶南段擠壓速率有所增強(qiáng)，速率約為2.5 mm/a。龍日壩斷裂帶南段右旋走滑速率較前期減小。西邊界拉張速率較2009—2013年也有所減弱，在此背景下發(fā)生了2014年于田MS7.3地震（圖5c）。

2015—2017年巴顏喀拉塊體向SE方向運(yùn)動速率較2013—2015年明顯增強(qiáng)，主要體現(xiàn)在：東昆侖斷裂左旋走滑顯著增強(qiáng)，速率為6.0～9.7 mm/a。鮮水河斷裂左旋走滑性質(zhì)明顯減弱，約為7.5 mm/a。龍門山斷裂帶南段擠壓速率較上期減弱，龍日壩斷裂帶的走滑運(yùn)動速率與上期相當(dāng)，依然小于背景速率。該時期東邊界北端與北邊界交界處發(fā)生了2017年九寨溝MS7.0地震，與邊界的運(yùn)動性質(zhì)一致。西邊界的拉張速率顯著增強(qiáng)，約為5.9 mm/a（圖5d）。

2017—2020年巴顏喀拉塊體向南東方向運(yùn)動速率較2015—2017年略微減弱，表現(xiàn)在東昆侖斷裂左旋走滑較上期減弱，速率大致為4.5～7.2 mm/a。甘孜—玉樹斷裂左旋走滑速率高于前期和背景水平。龍門山斷裂帶擠壓速率為1.6～2.2 mm/a，這表明東邊界由擠壓性質(zhì)導(dǎo)致的應(yīng)變積累狀態(tài)依然很強(qiáng)，值得關(guān)注。西邊界拉張運(yùn)動低于上期，但高于背景值的狀態(tài)依然持續(xù)（圖5e）。

3.3巴顏喀拉塊體邊界未來大震發(fā)生地點分析

3.3.1基于塊體運(yùn)動分析未來大震發(fā)生地點

本文通過進(jìn)一步梳理巴顏喀拉塊體邊界運(yùn)動狀態(tài)與大震活動的關(guān)系，繪制了各個時段塊體邊界斷層運(yùn)動速率的增強(qiáng)和減弱性質(zhì)特征（圖6）。從圖6可以看出，2010年玉樹MS7.0地震是在甘孜—玉樹斷裂出現(xiàn)一定的“左旋走滑速率增強(qiáng)”背景下發(fā)生的，甘孜—玉樹斷裂帶在玉樹地震發(fā)生前（1999—2007、2009—2013年）左旋走滑性質(zhì)明顯增強(qiáng)，在地震后（2013—2015、2015—2017年）左旋走滑性質(zhì)逐漸減弱，當(dāng)前（2017—2020年）左旋性質(zhì)又一次顯著增強(qiáng)；2008年汶川MS8.0、2013年蘆山MS7.0均是在東邊界龍門山斷裂帶“擠壓性質(zhì)減弱”的背景下發(fā)生的；2014年于田MS7.3地震是在西邊界斷裂“拉張性質(zhì)增強(qiáng)—減弱”轉(zhuǎn)折背景下發(fā)生的；2001年昆侖山口西MS8.1地震是在東昆侖斷裂帶具備一定的“左旋走滑性質(zhì)減弱”性質(zhì)的背景下發(fā)生的。

在地震預(yù)測中進(jìn)行大震發(fā)生后回溯總結(jié)時，通常認(rèn)為地震前出現(xiàn)異于背景的變化即出現(xiàn)異常時，這種異常有可能是地震的前兆異常。本文計算得到的2001年昆侖山口西MS8.1地震和2010年玉樹MS7.1地震前的斷裂運(yùn)動速率變化異常情況不同，存在兩種情況：①2001年昆侖山口西MS8.1地震是在東昆侖斷裂活動減弱的時候發(fā)生，通常認(rèn)為如果斷裂的運(yùn)動速率一直很高，當(dāng)運(yùn)動速率降低時，斷層閉鎖并且正在積累能量，存在發(fā)震的可能；②2010年玉樹MS7.0地震是在甘孜—玉樹斷裂活動增強(qiáng)的時候發(fā)生，如果斷層的運(yùn)動速率一直較低，當(dāng)速率增大時，可能也有利于斷層釋放能量，導(dǎo)致地震發(fā)生。從力學(xué)角度講，地震是斷層的快速錯動，有兩個主要條件：一是斷層協(xié)同化程度較高，一旦應(yīng)力條件達(dá)到，能夠迅速連接造成較長斷層段的快速錯動；二是斷層上一些部位積累了足夠高的應(yīng)變，能夠克服局部高強(qiáng)部位的錯動阻力。地震的力學(xué)過程存在穩(wěn)態(tài)、亞穩(wěn)態(tài)、亞失穩(wěn)態(tài)、失穩(wěn)態(tài)4種狀態(tài)（馬瑾，郭彥雙，2014；馬瑾，2016），而2010年玉樹MS7.0地震前甘孜—玉樹斷裂活動增強(qiáng)可能與地震力學(xué)過程中的亞失穩(wěn)階段相對應(yīng)。亞失穩(wěn)是斷層失穩(wěn)前應(yīng)力由以積累為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐葬尫艦橹鞯淖詈箅A段，斷層進(jìn)入亞失穩(wěn)階段，已經(jīng)處于以釋放為主的變形階段，表現(xiàn)在斷層運(yùn)動速率上，就顯示為速率增大的現(xiàn)象。對于一些復(fù)發(fā)周期很長的斷層來說，亞失穩(wěn)階段可以超過1 a。在亞失穩(wěn)階段初期，應(yīng)變釋放區(qū)擴(kuò)大和增多，應(yīng)變積累區(qū)范圍收縮和遷移，應(yīng)變水平提高；在亞失穩(wěn)后期應(yīng)變釋放區(qū)加速擴(kuò)展，相互連接，逐步貫通整個斷層段。斷層帶應(yīng)變釋放區(qū)的加速擴(kuò)展是進(jìn)入必震階段的標(biāo)志。斷層上應(yīng)變釋放區(qū)的擴(kuò)展和連接體現(xiàn)了斷層活動的協(xié)同化程度，指示了失穩(wěn)的必然性和時間上的臨近。而斷層的粘滑過程中實際存在兩次失穩(wěn)，前者與弱部位的釋放有關(guān)，后者與強(qiáng)部位的快速釋放有關(guān)，表現(xiàn)為強(qiáng)震。前者的加速擴(kuò)展促進(jìn)了后者的發(fā)生（馬瑾等，2012，2014）。

當(dāng)前東昆侖斷裂東段、龍門山斷裂南段運(yùn)動速率均小于背景速率；甘孜—玉樹斷裂最新一期運(yùn)動速率增大，且遠(yuǎn)高于背景水平，結(jié)合各邊界斷裂帶目前的運(yùn)動性質(zhì)時空演化特征與以往發(fā)生的M≥7.0地震綜合分析，應(yīng)注意這幾條斷裂發(fā)生大震的危險。

3.3.2基于能量累積分析未來大震發(fā)生地點

利用斷裂的滑動速率V、閉鎖深度D和長度L可估算斷裂的累積能量速率M（Ahadov，Jin，2021），表示為：

M/L=μVD[JY]（2）

式中：剪切模量μ設(shè)定為30 GPa；V可通過跨斷裂GPS、InSAR剖面反演得到；D既可以通過跨斷裂GPS、InSAR剖面反演得到，也可以通過分析斷裂現(xiàn)今90%的小震活動的深度獲得。

有研究表明，中、強(qiáng)地震的最大破裂深度與99.9％小震釋放能量深度一致，閉鎖深度與小震深度分布的90%、95%分位數(shù)具有一定的對應(yīng)關(guān)系，大震震源深度與發(fā)震構(gòu)造上小震深度分布的90%、95%和99%分位數(shù)具有很好的對應(yīng)關(guān)系，不同分位數(shù)表示占小震總數(shù)不同百分比的地震深度下界值（李姜一等，2020）。通常，利用地表形變數(shù)據(jù)（如GPS、InSAR等）和數(shù)值模型來反演得到斷層震間應(yīng)力積累的閉鎖深度，利用地震數(shù)據(jù)得到孕震深度，當(dāng)閉鎖深度與孕震深度下界值一致時，斷層在孕震層處于閉鎖狀態(tài)，更具有發(fā)生中強(qiáng)地震的危險，當(dāng)孕震深度下界值與閉鎖深度不相等時，如斷層脆性層存在蠕滑，其差異可能反映不同應(yīng)力積累情況。因此，本文根據(jù)式（2），通過對比M來分析斷裂未來發(fā)生中、強(qiáng)地震的可能。需要說明的是，本文是利用反正切方法獲得的斷層閉鎖深度，無法獲得斷層的破裂長度L，因此在分析時，無法進(jìn)一步估算未來可能發(fā)生地震的震級大小。

本文利用研究斷裂的2015—2020年InSAR數(shù)據(jù)（Zhu et al，2021；Zhang et al，2022）及2015—2019年小震數(shù)據(jù)，分別計算了巴顏喀拉塊體邊界的東昆侖斷裂和風(fēng)火山—甘孜—玉樹—鮮水河斷裂的閉鎖深度和孕震深度，并進(jìn)而獲得了兩種不同的能量累積速率（圖7）。圖7中藍(lán)色立柱表示利用小震深度和大地測量獲取的斷層滑動速率計算得到的斷裂每千米能量累積速率；紅色立柱表示利用大地測量獲取的閉鎖深度和斷層滑動速率計算的斷裂每千米能量累積速率。圖7顯示，東昆侖斷裂東段整體地震能量累積速率較大，其中瑪沁—瑪曲段由閉鎖深度獲得的能量累積速率基本與由地震層深度獲取的能量累積速率相當(dāng)；甘孜—玉樹—鮮水河斷裂從西向東地震能量累積速率逐漸增大，部分段落的閉鎖深度能量累積速率與地震層獲取的能量累積速率相當(dāng)，表明存在發(fā)生較大地震的背景。

4討論

2008年汶川MS8.0地震及2013年蘆山MS7.0地震發(fā)生后，大量學(xué)者對龍門山斷裂帶進(jìn)行了諸多研究，其中有不少學(xué)者認(rèn)為龍門山斷裂西南段的地震危險性仍值得高度重視，如陳運(yùn)泰等（2013）通過分析汶川、蘆山地震發(fā)震構(gòu)造、地震活動性、地震矩釋放“虧空”區(qū)等，認(rèn)為龍門山斷裂帶西南段在蘆山MS7.0地震后仍存在發(fā)生M7.0左右地震的危險；徐錫偉等（2013）在蘆山地震后對震區(qū)進(jìn)行了科學(xué)考察并提出“仍應(yīng)高度重視并跟蹤龍門山斷裂帶西南段尚未發(fā)生歷史地震破裂的空段”的觀點；武艷強(qiáng)等（2013）通過GPS觀測結(jié)果對蘆山地震同震位移場、余震分布等進(jìn)行分析，認(rèn)為該地震的能量釋放不足以完成對龍門山斷裂帶南段斷層的解鎖；趙靜等（2021）利用2010—2013年布設(shè)于龍門山斷裂中段汶川地震破裂斷層的GPS時間序列進(jìn)行反演，發(fā)現(xiàn)汶川MS8.0地震破裂斷層的不同段落在震后活動性存在明顯差異，其中震中NE方向的斷裂段落在研究時段（2010—2013年）一直處于蠕滑狀態(tài)，而西南段則處于比較強(qiáng)烈的愈合過程，顯示強(qiáng)閉鎖狀態(tài)，這同樣說明龍門山斷裂西南段在一定的動力學(xué)背景下，擠壓彈性應(yīng)變正快速積累，更有利于發(fā)生大震。另外，聞學(xué)澤等（2011）研究認(rèn)為，19世紀(jì)中晚期至今，巴顏喀拉塊體北邊界斷裂系統(tǒng)在這100多年所發(fā)生的大地震序列中呈現(xiàn)出逐漸加速發(fā)生的變化過程，反映了該塊體在相應(yīng)時間段朝E—SE方向的推進(jìn)作用也在逐漸加強(qiáng)。該過程引起巴顏喀拉塊體東邊界斷裂帶發(fā)生了相應(yīng)的應(yīng)變積累和加速變形，并以另一個亦呈逐漸加速趨勢的、滯后于北邊界斷裂系統(tǒng)至少數(shù)十年的大地震序列進(jìn)行響應(yīng)，而2008年汶川MS8.0地震、2013年蘆山MS7.0地震正是該響應(yīng)序列中的事件。同時，巴顏喀拉塊體北邊界斷層的左旋走滑運(yùn)動在該塊體東邊界轉(zhuǎn)換為斷層的逆沖或逆沖兼走滑運(yùn)動，巴顏喀拉塊體的運(yùn)動對東邊界斷裂帶具有明顯的“加載”作用，而北邊界和東邊界大地震序列之間存在的關(guān)聯(lián)性即是該“加載”作用的反映。2021年瑪多MS7.4地震即是在此背景下發(fā)生的，這對塊體東邊界斷裂帶也可能具有明顯的“加載”作用。

甘孜—玉樹斷裂帶作為巴顏喀拉塊體南邊界的一條重要的斷裂，也是巴顏喀拉塊體與羌塘塊體的共同邊界，具有典型的左旋走滑特征。圖3a中各塊體的主應(yīng)變率結(jié)果顯示羌塘塊體西部藏西次級塊體基本以近EW向的主張應(yīng)變和近SN向的主壓應(yīng)變?yōu)橹鳎鲏簯?yīng)變與羌塘塊體所處的青藏高原受到印度板塊北推的大動力作用背景有關(guān)，主張應(yīng)變則反應(yīng)出塊體內(nèi)部存在一定的東西向局部伸展作用，而已有研究表明羌塘塊體西部存在地表地塹盆地（徐錫偉等，2014），這與其EW向的力學(xué)伸展作用密切相關(guān)。前人對于甘孜—玉樹斷裂運(yùn)動的研究中，對斷裂左旋走滑性質(zhì)的認(rèn)識比較一致（彭華等，2006；石峰等，2013）。已有地震地質(zhì)研究表明，甘孜—玉樹斷裂的不同段落均具備發(fā)生大地震的能力（聞學(xué)澤等，2003；陳立春等，2010）。

圖3a中各二級塊體的主應(yīng)變率結(jié)果顯示柴達(dá)木塊體內(nèi)部以近NNE向的主壓應(yīng)變?yōu)橹?，與青藏高原主要承受印度板塊向北推擠作用的大構(gòu)造動力環(huán)境有關(guān)。Zhu等（2021）基于InSAR形變場反演了東昆侖斷裂帶的斷層運(yùn)動和斷層面閉鎖特征，認(rèn)為瑪沁段閉鎖強(qiáng)度較高，存在大震發(fā)生的可能。

5結(jié)論

巴顏喀拉塊體作為青藏高原地殼運(yùn)動方式轉(zhuǎn)變的重要樞紐，塊體以北的青藏高原東北緣的強(qiáng)烈擠壓隆升作用和塊體以南地區(qū)的強(qiáng)烈東向擠出作用使得巴顏喀拉塊體周緣斷裂帶的活動極其強(qiáng)烈。

本文基于巴顏喀拉塊體邊界大地震序列，根據(jù)強(qiáng)震的累積頻次-時間指數(shù)函數(shù)關(guān)系，結(jié)合多彈簧滑塊系統(tǒng)模型機(jī)制，分析認(rèn)為未來十年巴顏喀拉塊體東邊界和南邊界存在發(fā)生M≥7.0地震的可能。

基于1991—2016年中國大陸GPS水平速度場數(shù)據(jù)，采用均勻彈性塊體模型計算了巴顏喀拉塊體各邊界斷裂帶的長期活動特征，并以此作為參考背景，計算了1999—2007、2009—2013、2013—2015、2015—2017、2017—2020年各邊界斷裂帶的活動性質(zhì)及時空演化特征，同時結(jié)合1995年以來發(fā)生在各邊界斷裂帶上的M≥7.0地震震源機(jī)制解綜合分析強(qiáng)震活動與塊體運(yùn)動的關(guān)系。綜合分析認(rèn)為，1995年以來，巴顏喀拉塊體向E—SE向運(yùn)動增強(qiáng)，發(fā)生在塊體邊界的一系列M≥7.0地震震源機(jī)制與塊體邊界的運(yùn)動特征一致；當(dāng)前，東昆侖斷裂東段運(yùn)動速率持續(xù)減小；甘孜—玉樹斷裂運(yùn)動速率增大，且遠(yuǎn)高于背景水平；龍門山斷裂南段運(yùn)動速率持續(xù)低于背景水平。結(jié)合塊體邊界斷裂現(xiàn)今閉鎖程度和累積能量釋放相互關(guān)系，分析認(rèn)為上述斷裂可能是未來發(fā)生7級以上地震的主要地點。

本文小震數(shù)據(jù)由四川省地震局正高級工程師龍鋒提供，在此表示感謝。

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Analysis of Future Strong Earthquake Activity at the Boundary Faults?of the Bayan Har Block Based on GPS Data

LI Ning1，2，JI Lingyun1，2，3，JIANG Fengyun1，2，ZHU Liangyu1，2，LIU Chuanjin1，2

（1.The Second Monitoring and Application Center，China Earthquake Administration，Xian 710054，Shaanxi，China）

（2.Department of Geological Hazards，National Remote Sensing Center of China，Beijing 100036，China）

（3.School of Earth Sciences，Institute of Disaster Prevention，Sanhe 065201，Hebei，China）

Abstract

Nearly ten strong earthquakes（M≥7.0）have occurred on the boundary faults of the Bayan Har block since 1995，providing an opportunity and showing the necessity for the researchers to study the strong earthquake activities along these boundary faults in future.Which boundary fault will be potential place for the next strong earthquake（M≥7.0），and when the earthquake will happen are questions to be addressed.In this article，based on the historical earthquake events（M≥7.0）on the boundary faults of the Bayan Har block since 1900，we use the model of the multi-spring slider system to calculate the possible time of the potential earthquake and judge the possible boundary fault on which the earthquake may occur.Then we use the GPS data of the horizontal velocity field in the region of the Bayan Har block from 1991 to 2016 and the homogeneous elastic block model to calculate the long-term seismic characteristics of the boundary faults of the Bayan Har block.We further calculate the seismic properties of the boundary faults in 5 periods（1999-2007，2009-2013，2013-2015，2015-2017，and 2017-2020），and obtain the temporalspatial evolution characteristics of these faults.On this basis，we analyze the seismic trend of the faults with the help of the focal mechanisms of the strong earthquakes（M≥7.0）on the faults since 1995.We find that the seismic characteristics of the boundary faults are consistent with the focal mechanisms，and strong earthquakes（M≥7.0）on the faults since 1995 are caused by the enhancement of the eastwardsoutheast movement of the Bayan Har block.Strong earthquakes（M≥7.0）are more likely to occur on the Ganzi-Yushu fault and the South Longmenshan fault in ten years.In addition，the east segment of the East Kunlun fault should be paid more attention to.

Keywords：?the Bayan Har block；strongearthquake sequence；block activity；homogeneous elastic model；strongearthquake activity

收稿日期：2023-03-01.

基金項目：國家自然科學(xué)基金（42104061，41904007）.

第一作者簡介：李寧（1985-），副研究員，主要從事地震斷層形變機(jī)理研究工作.E-mail：lee_eq@163.com.

李寧，季靈運(yùn)，蔣鋒云，等.2024.基于GPS數(shù)據(jù)分析巴顏喀拉塊體邊界強(qiáng)震活動特征［J］.地震研究，47（3）：405-418，doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0041.

Li N， Ji L Y，Jiang F Y，et al.2024.Analysis of future strong earthquake activity at the boundary faults of the Bayan Har block based on GPS data［J］.Journal of Seismological Research，47（3）：405-418，doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0041.