四川及邻区GPS观测揭示的应变积累与大震影响分析*

张 希 蒋锋云 崔笃信 张晓亮 李瑞莎

(中国地震局第二监测中心，西安 710054)

四川及邻区GPS观测揭示的应变积累与大震影响分析*

张 希 蒋锋云 崔笃信 张晓亮 李瑞莎

(中国地震局第二监测中心，西安 710054)

利用2009—2010年四川及其邻区GPS水平运动速度场资料，参考2004—2007年、2007—2008年相应结果，借助形变应变场分析与非震负位错反演，研究活动断裂带近期应变积累特性、分区分段差异性，以及汶川、玉树大震影响和演变情况。结果表明：1)汶川大震影响大幅减弱但未完全结束，尤其龙门山断裂区及其南北两端附近; 2)玉树地震对监测区影响偏弱;3)鄂尔多斯西南缘及甘青川-甘川-甘川陕交界区、川滇交界东部、滇西北至川滇交界目前具备、维持强震孕育背景。

GPS;负位错反演;运动速度;应变场;强震

1 引言

2008年5月12日四川省汶川县龙门山断裂发生8.0级特大地震，地震错动显著、地表破裂长［1］。2007年8月—2008年6月四川及其邻区(云南、甘肃东南部、陕西关中西部)GPS观测显示其对震区以北的甘川-甘川陕交界区、以南的鲜水河-安宁河断裂区及其附近构造运动与应变积累相对明显的影响［1-3］。截至2010年汶川大震发生已过两年，其影响范围、特性与程度是否改变?期间的2010年4月14日研究区西缘附近又发生了玉树7.1级地震，对四川及其邻区有何影响?这些都是地学工作者比较关注的问题。2010年中国地震局地震行业专项——青藏高原东缘地球物理场观测项目、玉树科考项目对四川及其邻区进行了 GPS观测。经GAMIT/GLOBK处理计算，获得了相对欧亚板块2009—2010年水平运动速度场结果。本文参考汶川震前的2004—2007年、反映同震变化的2007—2008年相应GPS速度场结果，借助形变、应变场分析与非震负位错反演，研究了四川及其邻区主要活动断裂带近期应变积累特性、分区分段差异性，以及汶川大震影响的近期演变状况，分析了玉树地震的可能影响。

2 形变应变场演化特征分析

2009—2010年相对欧亚板块GPS水平运动矢量图 1(a)显示相对汶川震时的 2007—2008年［1-3］，龙门山断裂区域(震区)由最高2 m多的速率量减为30 mm左右，逆断兼右旋的错动特征存在但没有震时显著;而2009—2010年相对汶川震前的2004—2007年(图1(b))［4，5］，大多数站点运动方向与震前比较一致或呈现恢复趋势，这些都说明汶川大震影响已明显减弱。但能够清楚看到的是：汶川震前的2004—2007年，整个测区以鲜水河断裂为界，南强北弱特征明显(有较密集观测以来的1999—2001年、2001—2004年也基本如此［5］)，而汶川地震发生两年后的2009—2010年，尽管观测范围比2004—2007年小，由鲜水河断裂、龙门山断裂、阿尼玛卿断裂延伸线围限的巴颜喀拉地块东部及其边缘附近却成为整个测区位移量较大的突出区域，与震前不同。可能说明汶川大震影响至少在震区及其附近未完全结束(截至目前龙门山断裂北段3级左右余震不断，2011年5月15日甘川交界东段甚至发生了一次4.3级余震);此外，2010年4月14日玉树7.1级地震对研究区的影响也可能存在(玉树地震震中距最近的站点不到200 km)，从速率量值上看，没有汶川大震同震影响［1-3］明显。

图1 GPS水平运动速度矢量图(相对欧亚板块)Fig.1 Vectors of GPS horizontal movement relative to Eurasia plate

进而利用最小二乘配置建立水平运动速度值经验协方差函数，借助内插、位移-应变偏导关系计算获得了应变场分布(基于连续介质假设，反映各个站点水平运动的相对差异情况［6，7］)。从反映张、压特性的面膨胀应变率分布图2(a)来看，2009—2010年龙门山断裂逆冲变化相对2007—2008年大幅减弱［2，3］(达10-5/a量级)，但在整个测区仍突出(-(11～15)×10-8/a)，汶川大震影响仍在一定程度上存在。六盘山断裂、渭河断裂、西秦岭北缘断裂、阿尼玛卿断裂东段分别反映压性、拉张、压性、压性为主的变化，与其构造背景一致，其中六盘山断裂与西秦岭北缘断裂之间、阿尼玛卿断裂东端延伸线(甘川交界附近)相对显著、但较汶川震时［2，3］也大幅减弱，较震前(图2(b))压性特征更为明显(时长不同、量值不好比较)，不排除汶川大震一定程度促进应变积累的影响。南部的鲜水河断裂北段拉张而南段挤压;安宁河断裂拉张、挤压交替分布，与汶川震前的2004—2007年大体一致;滇西北至川滇交界一直呈现相对明显的张、压差异高梯度分布，应有利于应力集中、应变能积累(尽管汶川大震影响并不显著)。

图2 面膨胀应变率分布Fig.2 Distribution of superficial expansion strain rate

3 负位错模型反演揭示的应变积累动态演化特征

Matsu’ura等的负位错模型［8］认为受现今地壳运动驱动下的活动地块间的相对运动在地块边界处有可能受到阻碍。假设边界下部的塑性区可自由滑动，其上部的弹脆性区(构造断裂)因摩擦阻力等因素限制这种相对运动从而导致应力集中与应变积聚。即视块体边界区域的地表位移为块体(刚性假设)运动减去边界上部(用Okada均匀介质半空间矩形位错［9］模拟)对块体相对运动的锁定或部分锁定在地表产生的位移。它具有联系活动块体与其边界断裂，以寻求由块体边界负位错变形体现的、可能与强震孕育有关的高应变能积累闭锁段的研究和预报意义(借助GPS、水准等资料反演所得各断裂段负位错锁定的错动量、错动角、倾角、深度值即反映这种与应变积累有关的阻碍作用特性及其差异［10-12］)。笔者曾针对大尺度范围资料，将刚性块体假设改进为弹性块体假设［13，14］。本文根据构造断裂与2009—2010年GPS站点分布建立了10个块体、12条断层段的负位错模型，借助贝叶斯最小二乘法［8，12-14］进行反演。模型与反演结果、模拟效果见图3(a)、图4与表1。需要说明的是：图4是扣除整个测区平移与旋转后速度值及拟合值。因为本文反演寻求的是断裂因两侧块体间相对变化可能产生的负位错变形，GPS速度场作为地表观测值，无论相对什么基准，对断裂两侧相对运动差异以及反演结果没有影响;反演前扣除整体平移、旋转，是为了使断裂两侧差异变化在图上更为清晰地展现［15］，对确定错动特性、参数初值有利，完全能够与2004—2007年相应负位错反演结果对比分析。而对汶川地震前后两时段负位错反演结果的分析表明：相对汶川震前的2004—2007年(图3(b)［4］)，2009—2010年西秦岭北缘断裂B1B2段、阿尼玛卿断裂东段及其延伸的C2C3段、安宁河断裂(F1F2段)仍维持比较显著的应变积累背景，即使考虑一年尺度较3年变化波动性强的因素也如此，从年均锁定位错量看，前两个断层段2004—2007年分别为1.7 mm/ a、2.7 mm/a，2009—2010年锁定量升至3 mm/a以上，汶川大震至少没有减弱其应变积累，不排除一定程度促进影响;安宁河断裂尤其突出(两时段锁定量基本持平，4 mm/a以上);据以往对南北地震带震例研究，错动量3 mm/a以上基本对应6级以上或至少接近6级的孕震背景，量值越高震级可能越高［12-14］)。附近的六盘山断裂、阿尼玛卿断裂东段C1C2段反映一定程度应变积累特性，鲜水河断裂应变积累减弱。2008年发生过汶川8级大震的龙门山断裂能量积累大幅减弱(平均锁定量仅0.8 mm/ a)，中段完全不锁定;而玉树断裂东段(7.1级震中以东100 km外)也基本不锁定，与这两次地震能量释放影响有关;丽江-小金河断裂应变积累减弱。此外，从块体变形量(图3中最大剪应变与面应变值)来看，2009—2010年块体8的挤压变形较2004—2007年(图3(b)块体13)明显增强;块体1～6剪切变形明显较汶川震前增强，不排除与汶川、玉树地震一定程度影响的关系。

图3 四川及其邻区负位错模型(图中代表锁定量大小、特性的红色双箭头比例尺相同)Fig.3 Models for negative dislocation inversion in Sichuan and its nearby areas

表1 四川及其邻区2009—2010年主要的锁定负位错参数反演结果Tab.1 Inverted results of the main locked negative dislocation parameters in 2009—2010 in Sichuan and its nearby areas

4 结论

1)截至2010年汶川大震影响大幅减弱，但未完全结束，尤其龙门山断裂区域及其南北两端附近(包括甘川交界东段及其附近);

2)玉树地震对监测区的影响不能排除，但程度不高;

3)鄂尔多斯西南缘及甘青川-甘川-甘川陕交界区、川滇交界东部(安宁河断裂及其周围区域)、滇西北至川滇交界目前具备、维持强震孕育背景(中-长期时间尺度)。

图4 2009—2010年负位错反演拟合效果对比Fig.4 Comparison between observed values and simulated values from negative dislocation inversion during 2009-2010

1 中国地震局监测预报司.汶川8.0级地震科学研究报告［M］.北京：地震出版社，2008.(Department of Monitoring and Prediction of China Earthquake Administration.Science and research report on the Wenchuan 8.0 earthquake［M］.Beijing：Seismology Press，2008)

2 张希，等.地形变观测揭示的汶川Ms8.0级地震同震响应与影响［J］.武汉大学学报(信息科学版)，2009，34 (10)：1 204-1 209.(Zhang Xi，et al.Coseismic response and influence of the Wenchuan Ms8.0 earthquake revealed by crustal deformation observation［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2009，34(10)：1 204-1 209)

3 张希，等.昆仑山与汶川强烈地震对青藏块体东北缘地壳运动及应变积累的影响［J］.地球学报，2010，31(1)：32-42.(Zhang Xi，et al.The influence of the Kulun Mountain and Wenchuan strong earthquakes on the crustal movement and strain accumulation in the northeastern margin of Qinghai-Xizang block［J］.Acta Geoscientica Sinica，2010，31 (1)：32-42)

4 张希，等.利用GPS资料分析汶川地震前后川滇及其邻区水平运动及应变积累［J］.地震研究，2008，31(增刊)：464-470.(Zhang Xi，et al.Analysis on horizontal movement and strain accumulation in Sichuan-Yunnan and their nearby before and after the Wenchuan earthquake using GPS data［J］.Journal of Seismological Research，2008，31 (Supp.)：464-470)

5 张希，江在森.南北地震带中南段地壳水平运动负位错反演与汶川等地震背景［J］.西北地震学报，2010，32(2)：105-111.(Zhang Xi and Jiang Zaisen.Inversion of negative dislocation for crustal horizontal movement in middlesouthern segment of the China south-north seismic belt［J］.Northwestern Seismological Journal，2010，32(20：105-111)

6 张希，江在森.对华北GPS监测区近期地壳应变连续分布的估计［J］.地震学刊，1999，75(2)：58-62.(Zhang Xi and Jiang Zaisen.Estimation for continuous distribution of recent crsutal strain in GPS monitoring area of north China［J］.Journal of Seismology，1999，75(2)：58-62)

7 江在森，等.GPS初步结果揭示的中国大陆水平应变场与构造变形［J］.地球物理学报，2003，46(3)：352-358.(Jiang Zaisen，et al.Horizontal strain filed and tectonic deformation of China Mainland revealed by preliminary GPS result［J］.Chinese Journal of Geophysics，2003，46(3)：352 -358)

8 Matsu’ura M，Jackson D D and Cheng A.Dislocation model for aseismic crustal deformation at Hollister，California［J］.J of Geophysical Research.，1986，91(B12)：12 661-12 674.

9 Okada Y.Surface deformation due to shear and tensile faults in a half-space［J］.Bulletin of the Seismological Society of America，1985，75(4)：1 135-1 154.

10 伍吉仓，陈永奇.一种板块边界断层运动的力学模型［J］.地壳形变与地震，2000，20(2)：8-14.(Wu Jicang and Chen Yongqi.A physical model for fault movement along plate boundary［J］.Crustal Deformation and Earthquake，2000，20(2)：8-14)

11 何玉梅，姚振兴.中国台湾南部及其周边岛屿现今地壳形变的位错模型［J］.地球物理学报，2002，45(5)：638-645.(He Yumei and Yao Zhenxing.Dislocation model for current crustal deformation in and around southern Taiwan，China［J］.Chinese Journal of Geophysics，2002，45(2)：638-645)

12 张希，等.1999—2001年青藏块体东北缘地壳水平运动的非震反位错模型及变形分析［J］.地震学报，2003，25 (4)：374-381.(Zhang Xi，et al.Aseismic negative dislocation model and deformation analysis of crustal horizontal movement during 1999—2001 in the northeast margin of Qinghai-Xizang block［J］.Acta Seismologica Sinica，2003，25(4)：638-645)

13 张希，等.青藏块体东北缘弹性块体边界负位错反演与强震地点预测［J］.地震学报，2005，27(6)：620-629.(Zhang Xi，et al.Inversion for negative dislocation on elastic block boundaries along the northeastern margin of Qinghai-Xizang block and prediction for strong earthquake location［J］.Acta Seismologica Sinica，2005，18(6)：666-677)

14 张希，等.川滇地区地壳水平运动的弹性块体边界负位错模型与强震地点预测［J］.地震研究，2005，28(2)：119 -124.(Zhang Xi，et al.Negative dislocation model of elastic block boundary of horizontal crustal movement and the prediction of strong earthquake position［J］.Journal of Seismological Research，2005，28(2)：119-124)

15 江在森，等.青藏块体东北缘近期水平运动与变形［J］.地球物理学报，2001，44(5)：636-644.(Jiang Zaisen，et al.Recent horizontal movement and deformation in the northeast margin of Qinghai-Tibet block［J］.Chinese Journal of Geophysics，2001，44(5)：636-644)

ANALYSIS OF STRAIN ACCUMULATION AND INFLUENCE OF GREAT EARTHQUAKE OBSERVED BY GPS IN SICHUAN AND ITS ADJACENT AREAS

Zhang Xi，Jiang Fengyun，Cui Duxin，Zhang Xiaoliang and Li Ruisha
(Second Crust Monitoring and Application Center，CEA，Xi’an 710054)

Using horizontal velocity data observed by GPS in 2009-2010 in Sichuan and its nearby areas，referring to relevant results in 2004-2007 and 2007-2008，with the aid of analysis of deformation-stain field and inversion of negative dislocation，the features of recent strain accumulation of active faults and their difference between different regions and different segments and together with the evolution of influence from the Wenchuan and Yushu earthquakes are researched.The results are as follows.1)Influence from the Wechuan earthquake decreased obviously but had not ended，at the Longmenshan fault and its two ends especially.2)Weaker influence from the Yushu earthquake was observed.3)At present，these regions had background of strong earthquakes，i.s.，the southwestern margin of Ordos，boundary of Gansu-Qinghai-Sichuan and Gansu-Sichuan and Gansu-Sichuan-Shannxi，eastern boundary between Sichuan and Yunnan，from the northwestsen Yunnan to the boundary between Sichuan and Yunnan.

GPS;negative dislocation inversion;movemental velocity;strain field;strong earthquake

1671-5942(2011)05-0009-05

2011-06-21

陕西省科学技术发展计划(2011JM5016)

张希，女，1967年生，研究员，主要从事地壳形变研究与地球动力学研究.E-mail：zxivy@yahoo.com.cn

P315.72+5

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