青藏高原东缘地应变空间分布特征分析*

吕志鹏 伍吉仓 孟国杰 乔学军 徐克科

1)同济大学测绘与地理信息学院，上海 200092

2)中国地震局地震预测研究所，北京 100036

3)中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉 430071

4)河南理工大学测绘与国土信息工程学院，焦作454000

1 引言

青藏高原东缘构造运动之活跃、地震活动之强烈得到地学界的广泛关注。各种GPS 形变监测网的广泛布设为地壳形变研究提供了强有力的工具。诸多学者利用GPS 数据得出了一系列的有益成果［1－5］。文献［3］根据1999—2007年“中国地壳运动观测网络”3 期GPS 观测资料，利用最小二乘配置得出龙门山断裂带受巴颜喀拉块体自西向东的挤压作用处于缓慢应变积累状态，其中2004—2007 局部挤压增强。文献［4］利用下地壳层流动力学模型对川西地区构造特征进行分析，得出沿鲜水河断裂的地壳滑移以及应变向其他不同走向断裂的分配是川西地区的构造变形和强震活动的主要成因。文献［5］的研究得出汶川地震是川西高原长期持续的变形转换为龙门山断裂带的应力积累的结果。本文在已有研究成果的基础上，利用“中国大陆构造环境监测网络”2009—2011年GPS 监测站点的速度场，通过三角形法计算青藏高原东缘的应变，探讨汶川Ms8.0地震后青藏高原东缘的地壳形变特征。

2 应变计算模型

采用三角形法［6］计算地应变，三角形的三个顶点为GPS 形变监测点。假设在三角形覆盖范围内介质连续并且发生均匀微小应变，根据Jaeger［6］关于均匀微小应变的结论，位移(速度)与应变(率)之间满足:

式中，ΔxAB、ΔyAB、ΔxAC、ΔyAC分别为形变监测点A 与B、C 之间的坐标增量，uA，vA，uB，vB，uC，vC分别为形变监测点A、B、C 在x、y 轴方向的位移(速度)。εx、εy、γxy为地应变(率)分量，ω 为旋转分量(角速度分量)。它们的定义为:

根据式(1)计算三角形单元的地应变(率)，只要三角形单元的三个顶点不在一条直线上，方程具有唯一解。在地应变(率)计算过程中，利用三角形形状因子［7］对三角形计算单元进行筛选，剔除形状较差的三角形确保地应变(率)分量计算精度。此外，假设GPS 获取的形变监测点的位移(速度)估值中已经去除构造运动背景场、固体潮汐、季节性变化等非形变信息，位移估计值的误差服从正态分布，根据式(1)的解可知应变是位移(速度)的线性组合，故应变估值也服从正态分布［8］。因而，可以用χ2检验对地应变(率)估值的显著性进行检验。应变的计算可以在高斯平面直角坐标系下进行，也可以在球坐标系下进行［9］。考虑到由“中国大陆构造环境监测网络［10］”构成的Delaunay 三角网尺度(周长)绝大部分都在106km 以内，分别在高斯直角坐标系下和球坐标系下计算地应变(率)，对结果的比较显示两种方法并无显著差异。

3 速度场、应变场分布特征

GPS 数据来源于“中国大陆构造环境监测网络”2009—2011年的观测结果。数据处理采用GAMIT/GLOCK 软件。首先，用GAMIT 软件处理相位观测数据，采用IGS 精密轨道、IERS 地球定向参数以及与方位角和高度角相关的天线相位中心模型。利用双差相位观测值计算各测站的坐标、相位整周模糊度，每测站每隔2 小时估计计算一个对流层延迟参数。并且固定欧亚板块的若干IGS 站获得在ITRF2000 参考框架下各GPS 形变监测点的单日松弛解。然后，将所有单日松弛解利用GLOCK 软件进行卡尔曼滤波得到各站的三维坐标、速度及其精度信息。最终，计算各点相对于欧亚板块无旋转的相对速度场。计算的GPS 速度东西向分量、南北向分量精度优于1.2 mm/a，水平速度分量优于1.7 mm/a。

如图1 所示，青藏高原东缘地壳运动和变形情况复杂，但总体呈规律性变化。四川盆地内部速度较小，整体呈现出约7 mm/a 的近东向移动。其与巴彦喀拉块体的边界龙门山断裂带两侧速度差异明显。其西侧速度量级达到20 mm/a，东侧速度量级仅为7 mm/a，这与已有的研究成果相矛盾［3］。虽然不同研究者对此区域所得的结论存在差异，而龙门山断裂带并不属于高应变带这一点是一致的。巴彦喀拉块体内部的速率变化平缓，但是速度方向自西向东由东北东方向逐步过渡到近东向，由此可知巴彦喀拉块体东西向拉长效果明显，四川盆地西边界的龙门山断裂带阻挡着这种构造运动。受汶川8.0级地震影响，龙门山断裂带震后形成了明显的速度梯度带，这反映出了震后松弛与大区域形变的调整状态。在龙门山断裂带南北两端的运动趋势也存在差异，在南段速度方向为东南东方向与断层垂直，使得断层处于挤压状态;在北段速度方向为近东向与断层斜交，地壳运动表现出右旋走滑特性。鲜水河断裂带南北两侧的川滇块体与巴颜喀拉块体速度方向均为东南东方向但大小存在显著差异，断层南侧的地壳运动速度大于北侧，这使得断层呈现左旋走滑特性。青藏高原中部的昆仑断裂带以及青藏高原东北缘的西秦岭断裂带和祁连-海原断裂带地壳运动存在同样性质的差异，这使得这些断裂带也表现出左旋走滑特性。这种左旋走滑的变形模式在青藏高原地区的断层中具有普遍性。印度板块自西南方向对青藏块体的挤压引起它与周围刚体特性较好的块体之间的相互作用以及青藏块体内部的子块体之间的相互作用是这种变形模式的根本原因。研究区域从总体上看速度还具有沿南西北东方向的递减趋势，这说明板块在这个方向上存在缩短的趋势。

利用GPS 速度场计算每个三角形单元的地应变分布如图2、3 所示，图2 中只绘制了通过显著性检验的地应变分量，图3 中还绘制了自1976年以来5级以上的地震震源机制图。

根据应变变化特性，可将研究区分为三个典型变化区域，即块体内部、块体边缘和块体边界。块体内部为块体内刚体特性比较突出的部分，其应变并不显著，如图2 中鄂尔多斯块体内部、四川盆地地区;块体边缘为块体相互作用的影响在块体内的延伸区域，其应变较为显著，例如在龙门山断裂带两侧的四川盆地西缘和巴颜喀拉块体东缘;块体边界为两块体相互作用的部分，绝大多数情况以活动断层的形式存在，其应变分布最为显著。

图1 青藏高原东缘速度场Fig.1 Velocity field in the eastern margin of the Tibetan Plateau

图2 青藏高原东缘显著应变场Fig.2 Significant strain field in the eastern margin of Tibetan Plateau

如图2 所示，龙门山断裂带南端分布着北西-南东方向的压性应变，最大主应变可达－4 ×10－7/a，并且主应变方向与断层方向垂直，有利于应变能的积累。而在其北端优势应变体现为南西-北东方向的拉性应变，并且与断层方向斜交，使断层表现出拉张的特性。虽然，龙门山断裂带在以往的研究资料中不被认为是高应变区，但是，汶川地震之后大区域的形变调整使得这里应变显著变大，这种应变能的快速积累过程在一定程度上加速了2013年4月20日芦山Ms7.0地震的发生。结合文献［11］中研究成果，2001年11月14日昆仑山西口地震Ms8.1 之后，青藏高原西部东西向拉张在震后调整期明显增强，造成青藏高原东部东西向挤压明显，而龙门山断裂带正处于挤压的核心区，这在一定程度上加速了200年5月12日汶川Ms8.0地震的孕育过程。因而，在龙门山断裂带地区长期的缓慢的应变积累与短期应变快速累积的地震触发模式值得深入研究。同时，龙门山断裂带及其周围区域也是地震的高发区，这与巴彦喀拉块体对四川盆地的大尺度、长时间、小量级的挤压作用有直接关系。鲜水河断裂带主要分布着南西-北东方向的拉性应变，最大主应变可达3 ×10－7/a，这使得鲜水河断裂带处在扩张的状态下不利于应变能的积。昆仑山断裂带的主应变并不显著，显示出这一断裂带经历了2001 的西昆仑Ms8.0 大地震的震后调整期地壳相对稳定。在西秦岭断裂带上主应变同样表现出南西-北东方向的拉伸，最大主应变可达2.4 ×10－7/a，这不利于西秦岭断裂带的应变能积累。祁连-海原断裂带上分布着量级约为－9 ×10－8/a，使得这一地区发生着缓慢的应变能积累。

在进行应变研究时，由于量级相对较小并且地壳构造的复杂性以及测量误差的存在，必然导致应变计算结果的空间分布复杂性，以往对于最大剪切应变通常采用等值线的方法进行研究，但是等值线的绘制是以连续介质应变假说为前提。实际上由于断层的广泛发育，这种假说并不合理。因而，本文根据三角形法计算的最大剪应变进行分析，在形变监测站点密度较大时，这种分析方式更加接近最大剪应变空间分布的真实情况。

如图3 所示，相互垂直的双箭头表示了最大剪切应变的两个可能的方向。青藏高原东缘最大剪切应变的高值区出现在龙门山断裂带上，量值达到3×10－7/a，这与已有研究资料［3］有所不同。考虑到龙门山断裂带正处在震后形变的调整期，这一地区的剪应变高值区对于大震预测意义不大。在鲜水河断裂带出，最大剪应变达到了2 ×10－7/a，表明这一地区的地壳形变显著，同时这一地区也是川西地区一直以来地壳运动最为活跃的地区。

4 结论

青藏高原东缘的龙门山断裂带自汶川Ms8.0地震之后成为区域内应变的高值区，这种应变集中现象应为汶川Ms8.0地震引起地壳松弛，震后大区域形变重新调整的结果。同时，青藏高原东缘的鲜水河断裂带也出现了局部的应变集中现象，剪切应变量级达到2 ×10－7/a。这一地区的持续高应变状态反映了印度板块推挤青藏高原亚板块引起的地壳形变结果，在高原内部广泛分布着北西-南东向的断层，这样的断层走向到达南北地震带时就变成了近南北方向，并且断层受剪切力作用明显。鲜水河断裂带就是这种变形模式的体现。汶川地震之后大区域的形变调整使得龙门山地区应变能的快速积累这在一定程度上加速了芦山Ms7.0地震的发生，这种地震触发模式在龙门山地区存在具有普遍性。

致谢感谢中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)提供的“中国大陆构造环境监测网络”2009—2011年GPS 监测站点的速度场数据!

1 李强，等.中国大陆构造变形高精度大密度GPS 监测-现今速度场［J］.中国科学D 辑:地球科学，2012，42(5):629－632.(Li Qiang，et al.The current velocity field :Observation of tectonic deformation in China with precise and intensive GPS［J］.Sci China Earth Sci.，2012，55:695－698)

2 江在森，等.GPS 技术应用于中国地壳运动研究的方法及初步结果［J］.地学前缘，2003，10(1):71－79.(Jiang Zaisen，et al.The methods to study crust movement in China with GPS and preliminary results.Earth Science Frontiers，2003，10(1):71－79.)

3 江在森，等.汶川8.0级地震前区域地壳运动与应变场动态特征［J］.地震，2009，29(1):68－76.(Jiang Zaisen，et al.Dynamic characteristics of the strain fields and crustal movements before the Wenchuan Ms8.0 earthquake［J］.Earthquake，2009，29(1):68－76)

4 张培震.青藏高原东缘川西地区的现今构造变形、应变分配与深部动力过程［J］.中国科学D 辑:地球科学，2008，38(9):1 041－1 056.(Zhang Peizhen.Current tectonic deformation，strain distribution and deep dynamic process in the western Sichuan of the eastern margin of the Tibetan Plateau［J］.Science in China Series D:Earth Sciences，2008，38(9):1 041－1 056)

5 张培震，等.2008年汶川8.0级特大地震孕育和发生的多单元组合模式［J］.科学通报，2009，54(7):944－953.(Zhang Peizhen，et al.Tectonic model of the great Wenchuan earthquake of May 12，2008，Sichuan，China［J］.Chinese Sci Bull.，2009，54(7):944－953)

6 Jaeger J C.Elasticity，fracture and flow with engineering and geological applications［M］.London:Chapman and Hall Ltd，1956.

7 伍吉仓，邓康伟，陈永奇.三角形形状因子对地壳形变计算精度的影响［J］.大地测量与地球动力学，2003，(3):26－30.(Wu Jicang，Deng Kangwei and Chen Yongqi.Effects of triangle shape factors on the calculation precision of crustal deformation［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2003，(3):26－30)

8 陈光保，等.一种地应变显著性检验方法［J］.大地测量与地球动力学，2010，(1):1－4.(Chen Guangbao，et al.A statistical method for testing significance of strain components［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2010，(1):1－4)

9 孟国杰，等.球坐标系中图形单元应变与旋转张量及其误差解算［J］.地震学报，2008，30(1):67－75.(Meng Guojie，et al.Computation of strain and rotation tensor and their uncertainty for small arrays in spherical coordinate system［J］.Acta Seismologia Sinica，2008，30(1):67－75)

10 江在森，等.地形变资料求解应变值的尺度相关性问题研究［J］.地震学报，2000，2(4):352－359.(Jiang Zaisen，et al.Study on scale deformation of strain value obtained from crustal deformation data［J］.Acta Seismologia Sinica，2000，2(4):352－359)

11 武艳强，等.汶川地震前GPS 资料反映的应变率场演化特征［J］.大地测量与地球动力学，2011，31(5):20－29.(Wu Yanqiang，et al.Evolution characteristics of strain rate field before Wenchuan earthquake reflected by GPS data［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2011，31(5):20－29)