汶川地震前GPS资料反映的应变率场演化特征*

武艳强 江在森 杨国华 刘晓霞 赵 静

(1)中国地震局地质研究所，北京 100029 2)中国地震局地震预测研究所，北京 100036 3)中国地震局第一监测中心，天津300180)

汶川地震前GPS资料反映的应变率场演化特征*

武艳强1，2)江在森2)杨国华3)刘晓霞2)赵 静2)

(1)中国地震局地质研究所，北京 100029 2)中国地震局地震预测研究所，北京 100036 3)中国地震局第一监测中心，天津300180)

对中国大陆东西向应变率场的研究结果表明，青藏块体西部(92°E以西)东西向拉张区和青藏块体东部(92°E以东)东西向挤压区反映了青藏高原物质东向流动受到了华北-华南地块的阻挡，形成了空间跨度约900 km的压缩区，3期应变率场结果均显示南北地震带中段位于东西向压应变率高值区。川滇地区应变率场结果表明，巴颜喀拉地块东向运动的增强导致了汶川地震震源区面应变率的集中;在东西向挤压高值区逐渐向东迁移的过程中，龙门山断裂带的东西向挤压变形逐渐增强;旋转率场动态演化结果表明，2004—2007年龙门山南段的逆时针旋转变形强度有所减弱，龙门山断裂带中北部的顺时针旋转变形有所增强;主应变率分布特征由散乱到一致的演化特征表明龙门山断裂带闭锁状态伴随着挤压和右旋剪切作用的增强达到了极高点。

GPS速度场;应变率场;旋转率场;动态演化特征;汶川地震

1 引言

自从开展大规模GPS观测以来，中国大陆共发生两次8级地震，其中2001年发生的昆仑山口西8.1级地震前GPS第二应变率场结果显示出了大范围的东西向左旋变形特征［1］，汶川地震前是否存在反映孕震信息的大尺度GPS变形信息还需要进行深入研究。

由此，本文将利用多期GPS速度场资料，对汶川地震孕震区变形特征进行分析。考虑到龙门山断裂带为北东向展布的逆冲兼右旋走滑型断层，而东西向应变率场可以反映该断裂带的变形特征，因此利用1999—2001、2001—2004和2004—2007等3期GPS应变率场计算结果，从大尺度上分析中国大陆东西向变形特征，进而对汶川地震前的东西向应变率特征进行分析;并用川滇地区的GPS资料，分析小区域内GPS应变率场、旋转率场、主应变率分布等变形场的动态演化特征，从孕震区的尺度对汶川地震的形变特征进行分析。

2 GPS变形场的描述

图1给出了欧亚基准的1999—2001、2001—2004、2004—2007速度场结果和以华南地块基准的2004—2007速度场结果［2，3］。

从图1可以看出，中国大陆西部地壳运动较为剧烈，东部地区较为平和。对比图1(c)和图1(d)可以发现二者在形态上明显不同。如果用欧拉模型［4］来描述图1(c)和图1(d)的结果，两个速度场的差异表现为欧拉参数的差别，即两个速度场之间相差一个整体运动。图1(c)的欧亚基准速度场反映了中国大陆运动偏离欧亚大陆的程度。图1(d)的华南基准速度场反映了中国大陆相对于华南地块的运动状况。

图1 中国大陆GPS速度场结果Fig.1 Distributions of the GPS velocity fields in Chinese mainland

从直观上可以发现图1(c)和图1(d)存在显著差别，比如图1(c)显示华南块体存在南东向运动，兴安-东蒙地块运动特征不显著，西域地块存在北北东向运动;而图1(d)显示华南地块的运动特征不显著，兴安-东蒙地块存在北西向运动，西域地块存在北西向运动。图2给出了2004—2007年跨龙门山断裂带的GPS速度投影结果，数据选取范围为(92.8°E，35.0°N)，(93.0°E，35.7°N)，(106.9°E，30.7° N)，(106.3°E，29.9°N)。结果显示，该投影面以挤压变形为主。欧亚基准结果与华南基准结果均表现出挤压特征，基准的不同对该变形信息的识别没有任何影响。二者的差别仅在于相差一个整体刚性运动。以华南基准为例，位于巴颜喀拉地块距离龙门山断裂带-1 050 km处测点的南东向运动速率约为11.0 mm/a;-835 km处相对运动速率约为7.5 m/ a;-330 km处运动速率约为2 mm/a，从-1 050 km到-330 km处的地壳缩短折合成应变率约为-1.2 ×10-8/a;跨越龙门山断裂带处没有明显的差异性运动，从-280 km到+200 km处的地壳缩短折合成应变率约为-0.6×10-8/a。反映地壳缩短率的应变率结果表明，2004—2007年龙门山断裂带附近200 km附近存在一定的变形闭锁，应变亏损率约为-0.6×10-8/a，这一应变亏损表现为应变能的持续积累。另外，用欧亚基准速度场可以得到极为一致的结果，二者的差别仅为微小量级，不影响对变形特征的分析。

图2 GPS速度剖面投影结果(龙门山断裂带的南东向投影，2004—2007年)Fig.2 Projection results of GPS velocity(the south-east direction projection ofLongmenshan faultfor 2004—2007)

3 汶川地震前中国大陆GPS应变率场动态演化特征分析

表1给出了最小二乘配置方法对3期速度场拟合的残差分布情况［4-8］。

从表1看出，残差绝对值较小的数据所占比例较大，而残差绝对值较大的数据所占比例较小。因此，从残差分布及其均方差结果来看，3期结果的最小二乘配置拟合值能够反映绝大部分速度场信息。

表1 中国大陆速度场的残差分布Tab.1 Fitting residuals of the velocity fields in Chinese mainland

由于汶川地震的震源机制表现为东西向逆冲兼右旋走滑特性，同时作为主动盘的巴颜喀拉地块主要表现为东西向运动特性。图3给出了中国大陆东西向应变率场的动态演化结果。图3(d)、(e)和(f)分别为1999—2001年、2001—2004年和2004—2007年东西向应变率结果的一倍误差等值线图。

从总体上看，中国大陆西部东西向变形较为剧烈，其中青藏块体西部(92°E以西)东西向以拉张变形为主;青藏块体东部(92°E以东至100°E以西)东西向以挤压为主。3期应变率场结果均显示南北地震带中段位于东西向压应变高值区，1999—2007年一直处于大范围挤压状态。

相对于图3(c)和图3(e)，图3(a)中青藏高原西部的东西向拉张区面积和强度与图3(e)相当而小于图3(c)，并且图3(a)结果显示南北地震带中部的东西向压缩区面积和强度均小于图3(c)和图3(e)，该特征表明随着时间的推移南北地震带东西向挤压变形有逐渐增强的趋势。

图3(c)应变率场结果显示，位于南北地震带的压缩区的面积和挤压强度均有所增加，面积增大区域主要集中在原压缩区的东西两侧;位于青藏高原西部的东西向拉张区的拉张强度和面积也有所增加。该结果表明，虽然2001期观测结果已经利用同震位错模型扣除了同震位移的影响，该左旋型地震的震后调整仍然对青藏高原的东西向应变积累带来了较大影响。该影响主要表现为巴颜喀拉和羌塘地块的西部由于两块体的东向运动增强而形成了显著的拉张增强区，而两块体的东部由于受到四川盆地的阻挡形成了显著的压缩增强区。

图3(e)中，中国大陆东西向应变率场演化特征相对于图3(c)的差别主要表现在：位于青藏高原西部的东西向拉张区的拉张强度有所减小;位于南北地震带的挤压区的强度和范围有所增加，表现为该区的挤压逐渐增强。

总体上看，龙门山断裂带处于东西向挤压的核心区，整个挤压区空间跨度900km左右，并且随汶川地震发生时间的临近，东西向挤压的强度和面积也越来越大。另外，2001年昆仑山地震的发生在一定程度上加速了汶川地震的孕育过程。

图3 中国大陆东西向应变率等值线分布Fig.3 Contour distribution of east-west strain rates in Chinese mainland

4 汶川地震前川滇地区GPS变形特征分析

表2给出了最小二乘配置方法对川滇地区三期速度场的拟合残差的分布情况。表2的残差分布结果与表1的类似，均具有较好的正态分布特性，从残差分布及其均方差结果来看，3期结果的最小二乘配置拟合值能够反映绝大部分川滇速度场信息。另外，川滇地区3期应变参数的平均误差约为0.48× 10-8/a，结果具有较好的精度和较高的稳定性。

表2 川滇地区速度场拟合残差分布表Tab.2 Fitting residuals of the velocity fields in Sichuan-Yunnan region

4.1 川滇地区GPS应变率场演化特征分析

图4给出了川滇地区面应变率演化结果。1999—2001年期间震源区表现为弱压缩特征，量值约为0.5×10-8/a;2001—2004年期间压缩区表现出集中特性，量值约为1.0×10-8/a;2004—2007年期间压缩区呈现完全集中现象，量值约为1.5× 10-8/a。

图5给出了川滇地区东西向应变率场演化结果，它清晰地反映了巴颜喀拉地块的动力作用引起的东西向挤压的变形特征。1999—2001年，东西向挤压高值区的面积较小、最高值区位于鲜水河断裂带;2001—2004年，该挤压高值区的面积和量值均有所增加，最大的挤压变形仍然位于鲜水河断裂带并向东移动;2004—2007年，挤压变形的量值明显增强，最大东西向挤压变形位于龙门山断裂带与鲜水河断裂带交界处。在东西向应变率场逐渐东向迁移的过程中，龙门山断裂带的东西向挤压变形逐渐增强，到2004—2007年间达到最高。

图6为川滇地区的旋转率场动态演化结果(等值线虚线表示旋转率小于0，代表顺时针旋转;实线表示旋转率大于0，代表逆时针旋转)，旋转率反映了微元上除纯剪切变形以外的转动部分，单点不包含变形信息，不同微元组合起来定量表征了微元之间的相对运动。结果显示川滇菱形块体西部以顺时间旋转为主，反映了藏南地区绕阿萨姆角的大范围顺时针旋转变形特征;川滇菱形块体与华南地块交界以逆时针旋转为主，反映了该区域的近南北向左旋变形特征十分显著。相对于图6(a)和(b)，图6 (c)显示龙门山南段的逆时针旋转强度有所减弱，表明2004—2007年该段的右旋剪切变形有所增强，并导致了安宁河断裂带左旋变形影响的减弱。龙门山断裂带中北部以顺时针旋转为主，反映了该区近南北向右旋剪切变形特征。具体来说，1999—2001年和2001—2004年龙门山断裂带中北段地区的右旋剪切变形维持稳定状态，2004—2007年该段右旋剪切变形区域有所扩大，量值也有所增强。

4.2 龙门山断裂带变形特征分析

图4 川滇地区面应变率等值线分布图Fig.4 Contour distribution of surface strain rates in Sichuan-Yunnan

图5 川滇地区东西向应变率等值线分布图Fig.5 Contour distribution of east-west strain rates in Sichuan-Yunnan

图7为龙门山断裂带两侧200km范围内主应变的分布。结果显示1999—2001年龙门山断裂带东西两侧主应变率存在明显差异，表现为龙门山断裂西侧应变率量值较大、一致性较好，越靠近断裂带主压应变方位角越大，龙门山断裂带及其东侧应变分布比较散乱;2001—2004年应变率分布沿龙门山断裂带呈规则分布特征，与前一期相比断裂带附近及龙门山断裂带东侧主压应变方向逐渐统一到110°左右;2004—2007期结果的规则性进一步增强，表现为断层两侧主压应变方向更加一致，与前两期结果比较该期结果在龙门山断裂带主压应变量值更大、方向更加一致。从总体上看，3期结果均表现为龙门山断裂带中北段的主压应变方位角小于南段。图7(c)不同于图7(a)和图7(b)的地方还表现为龙门山断裂带中北部同一纬度的主压应变方向高度一致，而图7(a)和图7(b)结果表现为自西向东主压应变方位角逐步由小到大的偏转。该特征表明1999—2007年龙门山断裂带的闭锁逐渐达到极限，而2004—2007年龙门山断裂带附近的右旋剪切和东西向挤压的增强有利于汶川地震的发生。

图6 川滇地区旋转率场等值线分布图Fig.6 Contour distribution of rotation rate fields in Sichuan-Yunnan

图7 龙门山断裂带主应变分布Fig.7 Distribution of principal strain rates in Longmenshan fault

5 结论

1)川滇地区的面应变率场结果表明，由于巴颜喀拉地块东向运动增强进而导致汶川地震震源区的应变集中;东西向应变率场结果表明在东西向挤压高值区逐渐向东迁移的过程中，龙门山断裂带的东西向挤压变形逐渐增强。旋转率场动态演化结果表明，2004—2007年龙门山南段的逆时针旋转强度有所减弱，龙门山断裂带中北部的顺时针旋转有所增强，表明龙门山断裂带在此期间右旋剪切变形有所增强。主应变率分布特征由散乱到一致的演化特征表明龙门山断裂带受巴颜喀拉地块作用的逐步增强，闭锁状态伴随着龙门山断裂带挤压和右旋剪切作用的增强而达到了极限。

2)龙门山断裂带应变积累速率不高，但从东西向应变率场分布特征来看，该区仍然处于东西向挤压的高值区。在应变长期积累的背景下，2004—2007年结果显示该期间应变积累速度有所加快，反映了震前应变积累的非稳态过程。总体而言，1999—2007年GPS变形分析结果在一定程度上反映了汶川地震的孕震特征。

致谢 感谢中国地壳运动观测网络中心提供观测数据!

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EVOLUTION CHARACTERISTICS OF STRAIN RATE FIELD REFLECTED BY GPS DATA BEFORE WENCHAUN EARTHQUAKE

Wu Yanqiang1，2)，Jiang Zaisen1)，Yang Guohua3)，Liu Xiaoxia2)and Zhao Jing2)

(1)Institute of Geology，CEA，Beijing 100029 2)Institute of Earthquake Science，CEA，Beijing 100036 3)First Crust Monitoring and Application Center，CEA，Tianjin300180)

On the analysis of deformation information reflected by GPS velocity data in different reference，the difference between movement and deformation is discussed and we emphasize the deformation is independent from reference basis.On the basis of reliability analysis of GPS strain rate calculation results with least square collocation method，the evolution characteristics of GPS strain rate fields are discussed in different spatial scale.The east-west strain rate fields shows that the area in west to 92°E has a EW stretch and the area in the east to 92°E has an EW compression in Qinghai-Tibet block.This character reflects the eastward flow of the material of Qinghia-Tibet plateau is barred by North-China and South-China Blocks and forms a spatial span of 900km compression zone，that the strain rate results of 3 sections shows the high compression zone locating at the middle area of South-North seismic zone.The strain rate result in Sichuan-Yunnan illustrates that the eastward movement of Bayankala block lead to the surface strain concentrating in the source of Wenchuan eartqhake，and the east-west compression deformation becomes more intensive in Longmenshan faults while the high area of east-west compression transferring to east.The evolution result of rotation rate fields shows that the anticlockwise deformation is weaken in the south of Longmen-

GPS velocity field;strain rate field;rotation rate field;dynamic evolution characteristics;Wenchuan earthquake

1671-5942(2011)05-0020-07

P315.72+6

A

2011-02-23

公益性地震行业科研专项(201008007)

武艳强，男，副研究员，博士研究生，主要从事大地测量数据处理与分析工作.E-mail：chdqyw@126.com shan fault and the clockwise deformation has been strengthened in the north of Longmenshan fault from 2004 to 2007.The distribution of principal strain rate changing from disheveled to consistent reveals that the locking status of Longmenshan fault has reached high-point with the compression and dextrorotation deformation strengthening.