大凉山次级块体周边断层的闭锁特征

赵 静 刘 杰 牛安福 闫 伟

(中国地震台网中心，北京 100045)

0 引言

据中国地震台网中心测定，北京时间2014年8月3日16时30分云南省昭通市鲁甸县发生了 MS6.5地震，震中位于27.1°N，103.3°E，震源深度为12km(http://www.cenc.ac.cn/publish/cenc/904/20140803164411140707936/index.html)。鲁甸地震是一次高倾角左旋走滑型地震(张广伟等，2014)，发震断层为NW向包谷垴－小河断裂，是NE向昭通－鲁甸断裂系NW向次级走滑断层(中国地震局地质研究所，2014)。昭通－莲峰断裂带由昭通、莲峰两条NE向断裂带组成，其中昭通断裂带的前缘主断裂为会泽－彝良断裂，断裂带平行展布于川滇交界东段、四川大凉山南部至云南昭通之间的地区，局部进入贵州境内(闻学泽等，2013)。近10年来，该构造带及其附近区域(大凉山次级块体周边)发生了一系列的中强地震，地震活动较为活跃，包括2003年云南鲁甸MS5.0和MS5.1地震、2004年云南鲁甸MS5.6地震、2006年云南盐津2次MS5.1地震、2012年云南彝良MS5.6和MS5.7地震、2014年云南永善MS5.3和MS5.0地震、2014年云南鲁甸MS6.5地震、2014年四川越西MS5.0地震等(图1)。另外，大凉山断裂带和昭通－莲峰断裂带附近为M≥7.0级地震危险区，昭通断裂带中、北部存在低b值段，昭通至巧家一带存在重力显著变化的异常梯度带(M7专项工作组，2007)。因此大凉山次级块体及周边断层目前的闭锁程度和地震危险性如何、是否具有发生强震的中长期危险背景等成为地学工作者十分关注和亟待解决的问题。

GPS流动观测可以有效监测断裂带附近地壳变形动态特征，而地壳变形动态特征是断层深浅部动力作用的表现形式，地壳内部断层深浅部的闭锁与运动状态能够较客观表征发震断裂带的应变积累特征，因此可以利用地表动态GPS观测结果反演断层深浅部的闭锁程度、滑动亏损分布等特征，进而判断断裂带未来一段时期内地震危险性。汶川地震对大凉山次级块体周边地表变形及深部断层运动可能会产生一定影响，同时考虑到自2009年以后研究区域GPS观测的空间分辨率有显著提高，因此，本文利用1999—2007期中国大陆GPS背景速度场和2009—2013期中国大陆 GPS速度场最新结果，采用DEFNODE负位错反演程序估算了大凉山次级块体周边断层在2个阶段的断层闭锁程度和滑动亏损速率动态3维分布等，并对该区域的地震危险性进行了探索性讨论。

图1 研究区域断层与地震分布Fig.1 Distribution of faults and earthquakes in the study region.

1 DEFNODE负位错反演方法基本原理

本文反演研究采用DEFNODE程序(McCaffrey，2002，2007)，该程序假定块体内部点的运动为块体旋转、块体内部整体均匀应变、块体边界由于断层闭锁产生的滑动亏损而引起的地表弹性变形之和。若块体内部不存在整体均匀应变，理论表达式如下:

式(1)中:各参数的定义见文献(McCaffrey，2002;赵静等，2012)，其中φnk为断层k上节点n处的闭锁程度。

若块体内部存在整体均匀应变，应变率的计算采用Savage等(2001)给出的式(2)。此时模型原理为式(1)加式(2)，其中式(2)表示块体内部均匀应变引起的速度量值大小。

式(2)中:各参数的定义见文献(Savage et al.，2001;赵静等，2013b)。

利用GPS水平速度场数据反演块体旋转、块体内部均匀应变和断层闭锁程度等参数的过程中，参数拟合的不符值可由式(3)表征，其中各参数含义可参考文献(McCaffrey，2002;赵静等，2012，2013a)。

2 大凉山次级块体周边断层计算结果

2.1 两期GPS数据与断层模型

大凉山次级块体位于川滇块体和华南地块之间，块体周边和内部断裂主要包括安宁河断裂、则木河断裂、大凉山断裂、马边－盐津断裂、昭通－莲峰断裂等。其中块体西侧边界的安宁河－则木河断裂带以左旋走滑运动为主，速率为3～7mm/a(任金卫，1994;何宏林等，2007，2008;闻学泽等，2013;徐锡伟等，2014);大凉山断裂左旋走滑速率为3～4mm/a(何宏林等，2008;徐锡伟等，2014);马边－盐津断裂表现出左旋走滑－挤压逆冲的晚第四纪活动特征，走滑速率推测约为1mm/a(徐锡伟等，2014)、挤压速率可达0.8mm/a(张世民等，2005;闻学泽等，2013);NE向昭通－莲峰断裂带表现出右旋走滑兼逆冲、或者以逆冲为主要错动方式，GPS获得结果显示断裂带水平缩短速率为2～6mm/a、水平剪切变形速率为0～3mm/a(闻学泽等，2013)。

研究区域以上述几条主要断裂带为界，包含华南地块、川滇块体、大凉山次级块体，其中华南地块以华蓥山断裂带为界划分为块体1和块体2;大凉山次级块体以大凉山断裂带为界，划分为块体4和块体5;川滇块体编号为块体3(图2，其中川滇块体和华南地块均是一部分，并未包含整个地块)。数据约束方面，1999—2007期结果包括124个GPS测点参与反演，其中块体1包含38个、块体2包含13个、块体3包含54个、块体4包含4个、块体5包含15个;2009—2013期结果包括261个GPS测点参与反演，其中块体1包含117个、块体2包含21个、块体3包含94个、块体4包含11个、块体5包含18个。GPS速度场解算采用GAMIT/GLOBK软件(Herring et al.，2010a，b)和 QOCA 软件(Dong et al.，1998)。

考虑到本课题组针对安宁河－则木河－小江断裂带反演结果进行过相对系统的研究(赵静等，2014)，因此本文主要对大凉山断裂、马边－盐津断裂、昭通－莲峰断裂(以其前缘主断裂会泽－彝良断裂为主要参考计算断层)的断层闭锁与滑动亏损速率动态变化进行分析，但在反演计算时将上述断裂带同时进行了反演，该做法可以保证不同断层对GPS速度的影响不被忽略。反演过程中，沿着大凉山断裂带和马边－盐津断裂带走向各有5条等深线，深度依次为0.1，5，10，15，20km，大凉山断裂带每条等深线上有5个节点，断层倾角55°、倾向西;马边－盐津断裂带每条等深线上有6个节点，断层倾角60°、倾向SW;沿着会泽－彝良断裂带走向有5条等深线，深度依次为0.1，10，16，19，22km，每条等深线上有8个节点，根据闻学泽等(2013)的研究结果，断裂NE段每两排节点之间的断层倾角从地表至深部依次为65°、50°、35°和4°，断裂SW段每两排节点之间的断层倾角从地表至深部依次为57°、37°、19°和4°。另外，安宁河－则木河－小江断裂带的断层节点和断层结构设置见参考文献(赵静等，2014)。利用DEFNODE程序可反演计算得到每个节点处断层的闭锁程度，进而通过双线性插值方法计算相邻节点之间断层网格(沿走向方向长4km，深度方向宽1km)区域的闭锁程度。

图2 研究区域GPS速度场两期结果(相对于华南地块)与块体和断层模型Fig.2 The GPS velocity field of two periods(relative to South China Block)and model of blocks and faults of the study region.

2.2 最优模型选择

由于块体2、块体4、块体5都较小，因此假定其内部不存在整体均匀应变;块体1为华南块体的主要部分，因为华南块体内部变形很弱，因此也假定其内部不存在整体均匀应变;根据式(1)和(2)，以卡方值为标准对块体3(川滇块体)内部是否存在整体均匀应变进行了验证，最优模型表明两期结果中其内部均存在整体均匀应变。观测时间较长的1999—2007期GPS速度场误差权重因子f取为1.5≈1.006(观测值个数为248，自由度为128)。汶川地震后的2009—2013期GPS速度场误差权重因子f取为2.65≈0.993(观测值个数为522，自由度为402)。

为了进一步说明模型择优效果，图3给出了残差分布。图3 a结果显示，1999—2007期GPS测点的速度残差值都很小，基本都处在误差范围之内，表明模型拟合较好。图3b结果显示，2009—2013期GPS测点中，块体3内部分测点、块体1内靠近小江断裂带的几个测点速度残差值较大;其他测点的速度残差值较小，也表明模型拟合较好。

图3 最优模型速度残差Fig.3 Residual velocities of the optimal model.

3 大凉山次级块体周边断层闭锁与滑动亏损动态分布

3.1 汶川地震前后断层闭锁程度

根据前面的最优模型，得到了汶川地震前后大凉山次级块体周边断层闭锁程度(φ)的动态变化分布，图4和图5分别为1999—2007期和2009—2013期GPS速度场反演得到的汶川地震前后断层闭锁程度。结果表明，汶川地震前后除大凉山断裂北段断层闭锁有所增强以外，其余断裂的断层闭锁程度并没有发生较大变化，地震前后基本保持一致。因为1999—2007期GPS速度场中块体4内包含测点较少，对大凉山断裂反演结果的约束性相对较差;而2009—2013期GPS速度场中块体4内包含测点数量有所增加，对大凉山断裂反演结果的约束性较好，所以暂不讨论大凉山断裂北段断层闭锁发生的变化。两期结果均显示大凉山断裂南段、马边－盐津断裂、会泽－彝良断裂(西南端除外)基本为完全闭锁状态(φ=1);会泽－彝良断裂西南端闭锁较弱，可能是因为该段处于与小江断裂北段的交会处，而小江断裂北段曾发生1733年东川M和1966年东川M6.5地震，可能目前断层还没有完全闭锁。另外，相关研究显示，大凉山断裂带和昭通－莲峰断裂带附近为M≥7.0地震危险区、昭通断裂带中部和北部存在低b值段、昭通至巧家一带存在重力显著变化的异常梯度带(M7专项工作组，2012);马边－盐津断裂带存在3个尺度不等的异常低b值区(易桂喜等，2010);鲁甸－彝良之间的断裂存在高应力闭锁段，其潜在地震的最大矩震级为MW7.4(闻学泽等，2013)。虽然近10年来，大凉山次级块体周边发生了2004年云南鲁甸MS5.6地震、2012年云南彝良MS5.6和MS5.7地震、2014年云南鲁甸MS6.5地震以及多次MS5以上地震等一系列的中强地震，地震活动较为活跃，但是6级地震的断层面长度仅10km左右，而5级地震只有3km左右(川崎一郎，2013)，因此这些地震应该远不足以释放整条断裂带完全闭锁时所积累的能量。综合以上信息可知，目前大凉山断裂南段、马边－盐津断裂、会泽－彝良断裂(西南端除外)仍然具有较大地震发生的危险性。

图4 1999—2007期大凉山次级块体周边断层闭锁程度Fig.4 Fault locking around the Daliangshan sub-block during 1999 －2007 period.

图5 2009—2013期大凉山次级块体周边断层闭锁程度Fig.5 Fault locking around the Daliangshan sub-block during 2009 －2013 period.

3.2 汶川地震前后断层滑动亏损速率分布

图6a，b显示，汶川地震前后大凉山次级块体周边断层滑动亏损速率均较小，基本都在4mm/a以内，在断层基本完全闭锁的情况下表明块体间断层的相对运动量值较小。图6a显示汶川地震前大凉山断裂南段滑动亏损速率为3.5～4mm/a，中北段由于闭锁很弱，滑动亏损速率也很小，断裂滑动亏损速率以左旋滑动为主，兼有挤压运动;马边－盐津断裂整体滑动亏损速率约为1mm/a，具有左旋和挤压运动分量;会泽－彝良断裂完全闭锁段的滑动亏损速率约为2.5mm/a，其中挤压亏损速率约为2.1mm/a、右旋亏损速率约为1.4 mm/a。图6b显示汶川地震后大凉山断裂南段滑动亏损速率为2～4mm/a，北段由于闭锁增强，滑动亏损速率也增大到约2mm/a，断裂滑动亏损速率仍以左旋滑动为主，兼有挤压运动;马边－盐津断裂整体滑动亏损速率约为1.5mm/a，较汶川震前稍有增加，仍兼具左旋和挤压运动;会泽－彝良断裂完全闭锁段的滑动亏损速率约为2mm/a，基本都为挤压亏损速率而右旋亏损速率基本为0，因此右旋滑动亏损速率较汶川震前有所减弱。

图6 大凉山次级块体周边断层滑动亏损速率Fig.6 Fault slip deficit rate around the Daliangshan sub-block.

4 讨论与结论

大凉山次级块体周边断层的研究程度相对较低，近10年来，该次级块体附近发生的中强地震明显增多，这使得该块体附近断层的闭锁特征和地震危险性等成为亟待研究的问题。本文利用汶川地震前后的1999—2007期和2009—2013期GPS速度场，反演计算了大凉山次级块体周边断层的闭锁程度和滑动亏损分布，获得了以下主要认识:

(1)大凉山断裂(北段除外)、马边－盐津断裂、会泽－彝良断裂在汶川地震前后闭锁程度基本一致，可能表明汶川地震对这3条断裂带的影响较弱，而鲜水河－安宁河－则木河断裂带承受了汶川地震对该区域的大部分影响。

(2)两期结果均显示大凉山断裂南段、马边－盐津断裂、会泽－彝良断裂(西南端除外)基本为完全闭锁。结合其他方法的研究结果，我们认为目前这些断层仍然具有较大地震发生的危险性。

(3)整体上看，汶川地震前后大凉山次级块体周边断层滑动亏损速率均较小，基本都在4mm/a以内。大凉山断裂以左旋滑动为主、兼有挤压运动，汶川地震后其北段左旋滑动亏损速率有所增加;马边－盐津断裂具有很弱的左旋和挤压运动分量，汶川地震后其左旋和挤压滑动亏损均稍有增强;会泽－彝良断裂以挤压滑动亏损为主、兼有右旋滑动亏损，汶川地震后其右旋分量基本为0。