2010年玉树地震震前甘孜-玉树断裂形变场分析

2010年玉树地震震前甘孜-玉树断裂形变场分析

2010年4月14日青海玉树MW6.9地震发震断层为甘孜－玉树断裂NW段。断裂错动速率的准确估计能够为认识发震断裂的结构和地震的孕震过程提供帮助，甘孜－玉树断裂周边地区(89°～103°E，28°～39°N)1999—2007年的GPS观测使之成为可能。去除受到断裂锁定效应或其他断裂位错影响的数据后，将跨断裂剖面上的台站速率分解为平行断层和垂直断层2个分量，并进一步估算得到风火山断裂、甘孜－玉树断裂和鲜水河断裂NW段左旋走滑速率分别为(6.1±1.9)、(6.6±1.5)和(10.2±0.7)mm/a。结合该地区地质学研究结果，推测甘孜－玉树－鲜水河断裂自西向东逐段增强的走滑速率反映了不同区域地壳对印藏碰撞造成形变的转换、吸收方式之差异。甘孜－玉树断裂现今分段错动速率的定量估计为该断裂的深入研究和青藏高原变形发展过程的认识提供了宝贵数据。

玉树地震 GPS 断裂错动速率

0 引言

2010年4月14日青海玉树发生MW6.9(MS7.0)级地震，发震断层为甘孜－玉树断裂NW段(陈立春等，2010)(图1)。该断裂以左旋走滑活动为主，与鲜水河－小江断裂带共同构成青藏高原物质东向挤出的边界(王敏等，2008)。甘孜－玉树断裂NW段历史地震记录很不完整，最近200多年的记载中共发生3次强震，其中1738年6.5级地震的破裂段与本次地震相似(国家地震局，1977)，另外2次发生在玉树县城以东(四川地震资料汇编编辑组，1980;中国地震局监测预报司预报管理处，1999)。美国地质调查局根据远震资料指出本次地震发生在玉树县城以西，震源深度为17km，地震破裂以左旋走滑为主(http:∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/eqinthenews/2010/us 2010vacp/)。震后野外地质考察亦发现破裂为左旋走滑性质，实测最大水平位错约为1.8m(陈立春等，2010)。

甘孜－玉树断裂的研究程度较低，对该断裂的断层结构和活动历史认识不足，尤其是对不同段落的位错量和错动速率的认识仍存在分歧。李闽峰等(1995)研究认为甘孜－玉树断裂陇蒙达以西全新世以来活动强烈，左旋走滑速率为7.3mm/a，陇蒙达－玉树段主体活动时段在晚更新世以前，以正断层活动为主，无全新世活动的痕迹;玉树－竹庆段全新世活动强烈，左旋走滑速率为5mm/a左右。但1738年青海玉树地震的记载(国家地震局地球物理研究所，1990)却表明当江－玉树段现今仍在活动，且以左旋走滑为主。张裕明等(1996)利用冲沟位错得到当江段距今(13.7±1)ka以来的左旋水平错动速率为7.3mm/a。周荣军等(1996)认为错阿－俄支段平均滑动速率为(7±0.7)mm/a，档拖村附近左旋走滑速率为(7.2±1.2)mm/a。彭华等(2006)在俄支和竹庆段分别得到(5.4±0.4)mm/a和(3.3±0.3)mm/a的左旋走滑速率，但因其参照体断错的开始年龄由估算得到，结果的可信度较低。闻学泽等(2003)利用位于档拖村附近的河流阶地位错估计该段全新世平均左旋走滑速率为(11.3±1.8)mm/a，但学术界目前对哪一级阶地的年龄更接近位错开始时间尚存在争议。由于该工作中选取了新的阶地年龄作为断裂位错开始的时间，因此可能造成断裂错动速率被高估。综合来看，虽然对甘孜－玉树断裂错动速率的认识仍存在分歧，但地质学结果似乎更倾向于该断裂全新世以来具有约7mm/a的左旋走滑速率。

近年来一些学者利用GPS数据估算了甘孜－玉树断裂的现今错动速率，分别为9～12mm/a(Meade，2007)、约 12mm/a(Thatcher，2007)、约 14.4mm/a(Gan et al.，2007)、SE 段(13.0 ±1.7)mm/a和NW段(3.1±2.8)mm/a(王阎昭等，2008)。大地测量给出的结果比地质学方法给出的结果明显偏大。但通过分析发现，Meade(2007)和Thatcher(2007)在反演断裂错动速率时，利用的甘孜－玉树断裂附近的数据很少，而主要依赖个别数据和相邻断裂错动速率的约束。Gan等(2007)使用的数据虽然有所增加，但在模型中将整个甘孜－玉树－鲜水河断裂带作为一个断裂单元考虑，由于鲜水河断裂滑动速率高且其周边地区有密集GPS数据，必然导致整个断裂单元上高滑动速率的反演结果。王阎昭等(2008)虽然进一步给出了分段结果，但由于甘孜－玉树断裂NW段处于模型边缘，也会使误差相对较大。我们搜集整理了甘孜－玉树断裂周边地区更多的GPS数据，据此获取该地区现今地壳震间形变场并进行分析，可能对断裂带现今错动速率及其分段活动性做出更可靠的估计，有助于提高对玉树地震发震断裂构造特征的认识，加深对孕震过程的理解。

1 数据与分析

文中所使用的数据以“中国地壳运动观测网络”1999、2001、2004和2007年的4期观测数据为主，同时也收集了总参测绘局和国家测绘局大地测量控制点的一些数据。将这些数据与全球IGS跟踪站的数据进行联合解算，得到各测站在全球参考框架下的位置和速度(王敏，2008)。由于研究区GPS台站数量较少，难以为活动块体运动模型提供可靠约束，因此只能采用简单的剖面投影方法对该地区地壳运动特征进行定量分析。为突出甘孜－玉树断裂两侧地壳的运动差异，选取甘孜－玉树断裂带以南的东羌塘地块为参照系，利用该地区12个GPS台站(图1)的速率计算得到块体运动速度欧拉极，将与之对应的块体刚性运动从台站水平运动速度中扣除，得到该地区相对于东羌塘地块的GPS水平运动速度场(图2)。这一步骤的重要性在于，只有扣除了GPS速度场中区域地块的刚性旋转成分，才能在后续的研究中避免刚性旋转对跨断层剪切与挤压/拉张形变的分析产生影响。未选取甘孜－玉树断裂以北的巴彦喀拉块体为参照系的原因，一方面是考虑到巴彦喀拉块体内部GPS台站较少、数据离散度较高、拟合刚性块体运动的结果较差，另一方面也是由于与巴彦喀拉地块相比以东羌塘地块为参照系的速度场受块体刚性旋转的影响更小。

图2 玉树地震震中及其周边地区GPS速度场和断层剖面位置Fig.2 GPS derived velocity field and fault profiles in the region around the epicenter of Yushu earthquake.以东羌塘地块为参照系，台站速度误差椭圆的置信区间为70%

我们选取了3条跨甘孜－玉树－鲜水河断裂带的GPS剖面(图2)，自西向东依次对应于风火山断裂、甘孜－玉树断裂和鲜水河断裂NW段。因GPS台站分布的限制，文中选取的剖面位置与断裂的地质分段有一定差异。将断裂两侧台站的速率分别投影到断层走向和倾向上，得到各段断层位错走滑分量和挤压/拉张分量造成的地表形变分布特征(图3)。由于甘孜－玉树断裂与东昆仑断裂之间台站数量稀疏且均集中在2条断裂附近，缺少中远场数据的约束，因此无法判断2条断裂近场台站速率之间存在阶跃的成因(究竟有多少来源于断层锁定效应，多少来源于其他断层的活动)。从剖面图中不难看出，除甘孜－玉树－鲜水河断裂外，其南侧怒江断裂、北侧东昆仑断裂和玛多－甘德断裂(断裂在剖面中的位置在图3中以灰色实线表示)亦存在明显活动，这些断裂的活动对甘孜－玉树断裂周边形变场产生贡献，因此在估算甘孜－玉树－鲜水河断裂的现今滑动速率时，应排除跨过其他断裂的数据点(图3中以灰色方块或菱形块表示)。与此同时，由于甘孜－玉树－鲜水河断裂在玉树地震前处于锁定状态，断裂近场发生连续形变而非位错(Savage et al.，1973)，因此近场点位移不能反映断裂两侧长期稳定的块体运动，亦应加以排除(图3中以灰色方块或菱形块表示)。在对数据点进行了上述筛选后 (图3)，分别对断裂两侧台站速率投影分量做加权平均，断裂两侧台站速率平均值之差即为断裂现今错动速率的估计值。由于速度场解算时没有输出台站间的相关信息，所以在计算断层错动速率误差时忽略了台站速率间的相关性。GPS台站速率之间通常是正相关的，因此，这里得到的错动速率误差可能会略高于实际的误差。据此，得到风火山断裂、甘孜－玉树断裂和鲜水河断裂NW段的左旋走滑速率分别为(6.1±1.9)、(6.6±1.5)和(10.2±0.7)mm/a，同时得到风火山断裂和甘孜－玉树断裂挤压速率分别为(2.8±1.9)和(1.7±1.6)mm/a，鲜水河断裂NW段拉张速率为(2.8±0.7)mm/a。由于断裂带某些段落由若干条走向接近的次级断裂组成，因此上述结果反映的是断裂带总体滑动速率。其中，甘孜－玉树断裂走滑速率与李闽峰等(1995)、周荣军等(1996)和张裕明等(1996)分别利用断错地貌和测年方法得到的地质学结果基本一致，但与Meade(2007)、Thatcher(2007)以及Gan等(2007)利用GPS数据所得结果存在较大差异。如前所述，由于后者主要受滑动速率较高的鲜水河断裂的影响，使得该断裂滑动速率被高估。王阎昭等(2008)所得结果的误差较大，但在误差范围内仍支持本文给出的较低滑动速率的结果。综上所述，GPS给出的甘孜－玉树断裂现今滑动速率与地质学方法给出的全新世以来的长期滑动速率具有较好的一致性，并且均支持该断裂具有比鲜水河断裂更低的错动速率。

图3 GPS台站速率剖线Fig.3 Velocity components of GPS stations parallel(left)and perpendicular(right)to the strike of each fault.

2 讨论

由上述研究结果可以获得甘孜－玉树－鲜水河断裂带分段活动的大致特征，即断裂左旋走滑速率由西向东逐段增加，甘孜－玉树段具有挤压分量，鲜水河NW段具有拉张分量。这一趋势与Wang等(2008)得到的该断裂带早更新世以来的分段活动性相一致。Wang等(2008)利用断错地貌得到当江附近约16km的左旋位错，玉树以东约25km的左旋位错，并推测两者走滑量的差异可能由南侧巴塘、下拉秀断裂的拉张活动以及北侧玉树块体内部的挤压变形所吸收。联系到羌塘地块内中、西部广泛发育的NE和NW向共轭剪切断裂以及近NS走向的拉张断陷(Armijo et al.，1986;Yin et al.，2000)，青藏高原内部到东缘断裂活动性的差异可能反映了不同区域地壳对印藏碰撞引起形变的转换与吸收方式之间的差异(沈正康等，2003)。青藏高原内部的羌塘地块既存在NS向缩短，又存在地壳物质的东向挤出，相应地在高原的中、西部形成共轭剪切断裂和拉张断陷。随着高原由西向东挤出物质的积累，地壳东向挤出速率不断增强(Zhang et al.，2004)，在高原东部共轭剪切及拉张断陷已不能有效运移东向挤出物质，以鲜水河－甘孜－玉树断裂和东昆仑断裂为代表的大型走滑断裂成为高原物质东向运移的最主要方式。这一运移方式由南到北、由西向东分层次进行。上述两大断裂代表了NS方向的阶梯型运移层次，其中甘孜－玉树断裂至鲜水河断裂滑移速率的不断提高则代表了EW方向的运移层次。甘孜－玉树断裂自西向东呈现向南的偏转，断裂带以南物质的东向运移也在这一过程中受到少量阻挡，使得断裂带产生一定逆冲分量。而鲜水河断裂西南地区由于从北向南地表高程的迅速下降，重力滑塌作用明显，鲜水河断裂西南地区地壳物质的加速南向逃逸使得鲜水河断裂NW段不再具有逆冲分量。由此可见，研究甘孜－玉树断裂带对于认识整个青藏高原的变形发展过程具有十分重要的作用。但目前对甘孜－玉树断裂及其周边区域的研究程度还相当低，需要在今后有所加强。

玉树地震发生后，我们迅速在玉树地震震中区附近布设了6个连续GPS台站，对发震断层及其邻域的震后形变进行监测。在本项研究的基础上，结合震前与震后观测数据，通过数据分析与建模，希望获取断层带和地壳介质的流变学结构及其对地震的动态响应，了解断层带在地震旋回过程中的应力应变演化，同时进一步丰富对青藏高原变形发展过程的认识。

陈立春，王虎，冉勇康，等.2010.玉树MS7.1级地震地表破裂与历史大地震［J］.科学通报，55(13):1200—1205.

CHEN Li-chun，WANG Hu，RAN Yong-kang，et al.2010.The MS7.1 Yushu earthquake surface ruptures and historical earthquakes［J］.Chinese Sci Bull，55(13):1200—1205.doi:10.1007/s11434 －010 －0293—1(in Chinese).

国家地震局地球物理研究所.1990.中国历史地震图集(清朝(代)时期)［M］.北京:中国地图出版社.24.

Institute of Geophysics，SSB.1990.Atlas of Historical Earthquakes in China(the Qing Dynasty Period)［M］.SinoMaps Press，Beijing.24(in Chinese).

国家地震局.1977.中国地震简目［M］.北京:地震出版社.

China Earthquake Administration.1977.The Brief Earthquake Catalog of China［M］.Seismological Press，Beijing(in Chinese).

李闽峰，邢成起，蔡长星，等.1995.玉树断裂活动性研究［J］.地震地质，17(3):218—224.

LIMin-feng，XING Cheng-qi，CAIChang-xing，et al.1995.Research on activity of Yushu Fault［J］.Seismology and Geology，17(3):218—224(in Chinese).

彭华，马秀敏，白嘉启，等.2006.甘孜玉树断裂带第四纪活动特征［J］.地质力学学报，12(3):295—304.

PENG Hua，MA Xiu-min，BAI Jia-qi，et al.2006.Characteristics of Quaternary activities of the Garzê－ Yushu Fault zone［J］.Journal of Geomechanics，12(3):295—304(in Chinese).

沈正康，王敏，甘卫军，等.2003.中国大陆现今构造应变率场及其动力学成因研究［J］.地学前缘，10(特刊):93—100.

SHEN Zheng-kang，WANGMin，GANWei-jun，etal.2003.Contemporary tectonics strain rate field of Chinese continent and its geodynamic implications［J］.Earth Science Frontiers，10(suppl):93—100(in Chinese).

四川地震资料汇编编辑组.1980.四川地震资料汇编(第一卷)［M］.成都:四川人民出版社.

Editorial Group of the Data Compilation of Earthquakes in Sichuan(ed).1980.The Data Compilation of Earthquakes in Sichuan(Book 1)［M］.People's Publishing House of Sichuan，Chengdu(in Chinese).

王敏，沈正康，甘卫军，等.2008.GPS连续监测鲜水河断裂形变场动态演化［J］.中国科学(D辑)，38(5):575—581.

WANG Min，SHEN Zheng-kang，GANWei-jun，et al.2008.GPSmonitoring of temporal deformation of the Xianshuihe Fault［J］.Science in China(Ser D)，51(9):1259—1266.

王敏.2008.GPS观测结果的精化分析与中国大陆现今地壳形变场研究［D］:［学位论文］.北京:中国地震局地质研究所.

WANG Min.2008.Analysis of GPS data with high precision and study on present-day crustal deformation in China［D］.Ph D thesis.Institute of Geology，CEA，Beijing(in Chinese).

王阎昭，王恩宁，沈正康，等.2008.基于GPS资料约束反演川滇地区主要断裂现今活动速率［J］.中国科学(D辑)，38(5):582—597.

WANG Yan-zhao，WANG En-ning，SHEN Zheng-kang，et al.2008.GPS-constrained inversion of present-day slip rates alongmajor faults of the Sichuan-Yunnan region，China［J］.Science in China(Ser D)，51(9):1267—1283.

闻学泽，徐锡伟，郑荣章，等.2003.甘孜－玉树断裂的平均滑动速率与近代大地震破裂［J］.中国科学(D辑)，33(增刊):199—208.

WEN Xue-ze，XU Xi-wei，ZHENG Rong-zhang，etal.2003.Average slip-rate and recent large earthquake ruptures along the Ganzi-Yushu Fault［J］.Science in China(Ser D)，33(suppl):199—208(in Chinese).

张裕明，李闵峰，孟勇琦，等.1996.巴颜喀拉山地区断层活动性研究及其地震地质意义［A］.见:中国地震局地质研究所编.活动断裂研究(5).北京:地震出版社.154—171.

ZHANG Yu-ming，LIMin-feng，MENG Yong-qi，et al.1996.Research on fault activity in the Bayan Har Mountain region and the seismic and geologic implications［A］.In:Institute of Geology，SSB(ed).Research on Active Faults(5).Seismological Press，Beijing.154—171(in Chinese).

中国地震局监测预报司预报管理处.1999.中国强地震目录(公元前23世纪—公元1999年)［Z］.北京:地震出版社.

Forecasting Administration，Monitoring and Forecasting Department of China Earthquake Administration.1999.The catalogue of strong earthquakes in China(from 23 Century B.C.to 1999 A.D.)(in Chinese)［Z］.Seismological Press，Beijing.

周荣军，马长浩，蔡长星.1996.甘孜－玉树断裂带的晚第四纪活动特征［J］.中国地震，12(3):250—260.

ZHOU Rong-jun，MA Chang-hao，CAI Chang-xing.1996.Late Quatenery active feature of the Ganzi－ Yushu fault zone［J］.Earthequake Research in China，12(3):250—260(in Chinese).

Armijo R，Tapponnier P，Mercier JL，et al.1986.Quaternary extension in southern Tibet:Field observations and tectonic implications［J］.JGeophys Res，91(B14):13803—13872.

Gan Wei-jun，Zhang Pei-zhen，Shen Zheng-kang，et al.2007.Present-day crustalmotion within the Tibetan Plateau inferred from GPSmeasurements［J］.JGeophys Res，112.B08416.doi:10.1029/2005JB004120.

Meade B.2007.Present-day kinematics at the India-Asia collision zone［J］.Geology，35(1):81—84.

Savage JC and Burford R O.1973.Geodetic determination of relative platemotion in central California［J］.JGeophys Res，78(5):832—845.

ThatcherW.2007.Microplate model for the present-day deformation of Tibet［J］.JGeophys Res，112，B01401.doi:10.1029/2005JB004244.

Wang SF，Fan C，Wang G，etal.2008.Late Cenozoic deformation along the northwestern continuation of the Xianshuihe Fault system，Eastern Tibetan Plateau ［J］.GSA Bull.120(3/4):312—327.doi:10.1130/B25833.1.

Yin An and Harrison TMark.2000.Geological evolution of the Himalayan-Tibetan orogen ［J］.Annu Rev Earth Planet Sci，28:211—280.

Zhang Pei-zhen，Shen Zheng-kang，Wang Min，et al.2004.Continuous deformation of the Tibetan Plateau from global positioning system data［J］.Geology，32(9):809—812.

王阎昭1)王 敏1)沈正康2)葛伟鹏1)王 康2)王 凡1)孙建宝1)

1)中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029

2)北京大学地球与空间科学学院，北京 100871

INTER-SEISM IC DEFORMATION FIELD OF THE GANZI-YUSHU FAULT BEFORE THE 2010 YUSHU EARTHQAUKE

WANG Yan-zhao1)WANGMin1)SHEN Zheng-kang2)GEWei-peng1)WANG Kang2)WANG Fan1)SUN Jian-bao1)
1)State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
2)School of the Earth and Space Sciences，Peking University，Beijing 100871，China

The 14 April 2010 MW6.9 Yushu earthquake ruptured the northwestern segment of the Ganzi-Yushu Fault in Qinghai，China.Accurate estimation of the secular slip rate across the faultwould help understand tectonic structure of the fault and its seismogenic process.GPS data obtained from 1999 to 2007around the Ganzi－Yushu Fault spanning 89°～103°E，28°～39°N make such estimation possible.After removing GPSstationswhose displacementswere affected by fault locking effects and/or deformation of other faults，we decompose the remaining GPS station velocities into strike-parallel and strike-normal components and examine the data along profiles across corresponding fault segments.The slip rates of the Fenghuoshan，Ganzi－Yushu，and northwestern segment of the Xianshuihe Faults are estimated as 6.1 ±1.9，6.6 ±1.5，and 10.2 ± 0.7mm/a，respectively.These results agree with geological estimates of the fault slip rates，which show progressive increase from northwest to southeast across segments of the Ganzi－ Yushu-Xianshuihe Fault zone，implying variation in transferring and absorbing patterns of deformation in different regions in and around the Tibetan plateau.Estimation of present-day slip rates along segments of the Ganzi－Yushu Faultwould provide valuable data for future research on seismo-tectonics of the fault and tectonic evolution of the Tibetan plateau.

Yushu earthquake，GPS，fault slip rate

P315.2

A

0253－4967(2011)03－0525－08

10.3969/j.issn.0253 － 4967.2011.03.003

2010－12－22收稿，2011－03－29改回。

地震动力学国家重点实验室课题(LED2009A02)和中国地震局地质研究所基本科研业务专项(IGCEA1011)共同资助。

王阎昭，女，1981年生，2009年在中国地震局地质研究所获得固体地球物理学博士学位，助研，主要研究方向为GPS地壳形变、地震构造学与地球动力学，电话:010－62009146，E－mail:wangyz 0513@gmail.com。