汶川震后龙门山周边活动地块构造变形及断裂活动

熊 维 谭 凯 乔学军 王 伟

1 中国地震局地震研究所（地震大地测量重点实验室），武汉市洪山侧路40号，430071

2 中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地，武汉市洪山侧路40号，430071

李强等［1］处理了1999～2007网络工程GPS数据和2009、2011年陆态网络GPS数据，获得较新的中国大陆地壳运动速度场。陆态网络在2013年又观测了1期，增强了速度场分析的精度和可靠性。然而，2008年龙门山断裂中段发生汶川Mw7.9地震，龙门山断裂的解锁和地震释放的巨大应力势必对龙门山周边区域构造运动产生重要影响。

本文基于1999～2013陆态网络工程GPS观测资料，结合地质学和地球物理学资料，通过对汶川地震前后研究区域地块形变模式和断层活动性状的研究，分析了研究区现今构造运动模式与应变分配及其与区域地震活动性的关系，并讨论了汶川地震对上述过程的影响。

1 活动块体划分与活动性状

1.1 活动块体划分

龙门山地区断层十分发育，地震频发，可分为巴颜喀拉地块（包括东部的龙门山块体）、川西北地块（分为南北两部分）、滇中地块、华南地块和柴达木地块等数个次级块体（图1）。

1.2 活动块体运动学特征

1.2.1 块体整体旋转与均匀应变模型

本文参考赵静等［2］的做法，利用块体整体旋转与均匀应变模型描述各活动地块。块体旋转与均匀应变模型［3］认为，块体运动包括刚性旋转和块体内部变形，且块体内部变形是均匀的。观测点的运动速度为由相邻块体的刚性旋转引起的速度与块体内部均匀变形引起的速度之和。其公式如下：

其中，

式中，λ、φ分别为观测点经、纬度，Ve、Vn为东方向速度和北方向速度，ωx、ωy、ωz为块体的欧拉矢量，r为块体的平均曲率半径，λ0、φ0为块体的几何中心经度和几何中心纬度，εe、εne、εen、εn为区域内应变率张量。由于块体应变均匀，因此εe、εne、εen、εn为常数且εen＝εne。式（1）内有ωx、ωy、ωz、εe、εne、εn6个未知量，因此需要3个以上的GPS站点数据进行解算。

1.2.2 块体边界差异运动

块体边界断层的长期滑移速率——块体边界差异运动速率可以通过两个块体的旋转在其边界处的速度差得到，而这两个块体的运动都可以通过球坐标下的欧拉矢量表示。两个相邻块体i和j边界断层上长期滑移速率计算公式如下：

式中，Ωi、Ωj分别为i、j板块的欧拉矢量，Ωij为两个板块的相对运动。利用式（3）可由两个板块的绝对运动求得这两个板块的相对运动。

在板块运动模型已知的情况下，可以求得两个相邻板块边界上的相对运动：

式中，r为测站的位置矢量，为r处两个板块的边界差异运动速率。由活动地块的欧拉运动矢量和式（3）、（4），计算活动地块边界相对运动（表1）。

图1 研究区主要活动断裂、块体划分与速度场Fig.1 Distribution map of main active faults，blocksand GPS－derived horizontal velocity relative to Eurasia plate in the study region

表1 研究区活动块体边界差异运动Tab.1 The differential movement on block boundary

2 研究区主要断裂活动性状

断层滑动速率和断层闭锁深度是描述断裂活动性状的重要依据，同时也是地震危险性分析的重要基础数据。本文基于1999～2007和2009～2013GPS速度场资料，以主要块体间差异运动结果为约束，利用基于Okada 模型的Rngchn 程序［6］，反演研究区主要活动断裂在汶川地震前后的滑动速率与断层闭锁深度，部分反演模拟值与实际观测值的比较见图2。下面简要分析主要断裂的反演结果（表2，图3）。

表2 研究区主要活动断裂滑动速率与断层闭锁深度Tab.2 Slip rate and locking depth of main active faults

图2 反演模拟值与观测值的比较（蓝色箭头表示速度场观测值，红色箭头表示速度场模拟值）Fig.2 Comparison between analog value and observed value（The blue arrows represent observations while the red arrow indicates the value of the simulation）

图3 汶川地震前后断裂滑动速率（蓝色箭头表示倾滑分量，红色箭头表示走滑分量）Fig.3 Slip rate of main active faults before and after Wenchuan earthquake（The blue arrows represent dip－slip rate while the red arrow indicates strike－slip rate）

从反演结果来看，块体整体旋转和内部均匀应变模型与块体运动和边界断层弹性位错模型所得断裂活动速率大部分相差不大，差异较大的区域集中在昆仑断裂西部，除了模型差异原因，主要是数据量较少所致。块体运动和内部均匀变形模型的优点是根据大尺度的宏观场给出结果，结果稳定性好；而块体运动和边界弹性位错模型考虑了边界闭锁深度和倾滑运动的影响，理论比较严密。下面主要根据后者的结果进行讨论分析。

2.1 东昆仑断裂

东昆仑断裂是柴达木地块与巴颜喀拉地块的分界，以左旋走滑为主，近代地震活动性很强。基于卫星影像解译和野外考察测量，李陈侠等［9］认为东昆仑断裂西段（托索湖断裂）平均水平速率为10.8±1mm／a，中段（玛沁断裂）平均水平滑动速率为9.3±2mm／a，东段（玛曲断裂）平均水平滑动速率为4.9±1.3mm／a。本文结果较之略大，这可能是由于不同的研究方法引起的（李陈侠等利用的是地质学方法）。本文结果与文献结果均揭示，东昆仑断裂水平滑动速率从西至东呈梯度下降，但是并没有出现Kirby所认为的150km 内滑动速率迅速衰减的现象［10］。

2.2 鲜水河－安宁河－则木河－小江断裂

鲜水河－安宁河－则木河－小江断裂是研究区活动性最强的左旋走滑断裂带，由北到南依次为鲜水河断裂、安宁河断裂、则木河断裂和小江断裂。王阎昭等［8］利用连接断层元模型给出鲜水河断裂、安宁河断裂、则木河断裂和小江断裂左旋走滑速率依次为8.9～17.1mm／a、5.1±2.5mm／a、2.8±2.3mm／a和9.4±1.2mm／a；丁开华等［7］利用断层速度剖面法给出的以上断层左旋走滑速率分别为10.0±1.0 mm／a、11.4±0.4 mm／a、7.1±0.5 mm／a和7.8±0.8 mm／a。本文结果与上述文献结果基本吻合。

魏文薪等［11］认为，鲜水河南段、安宁河、则木河断裂闭锁程度相对于川滇地区其他活动断裂较高。由本文结果可看出，鲜水河泸定－石棉段、安宁河和则木河断裂震后断层闭锁深度均大于20km。

2.3 龙门山断裂

赵静等［2］给出了龙门山断裂在汶川地震前后的滑动速率与闭锁深度，其结果与本文十分吻合。龙门山断裂南段震后滑动速率与断层闭锁深度均明显上升，说明汶川地震发生后，龙门山断裂北段发生破裂并解锁，其同震扰动和震后蠕滑作用加快了龙门山断裂南段的应力积累，并最终促使了2013年芦山地震的发生。

3 研究区构造运动与应变分配

3.1 巴颜喀拉块体

本文结果与文献结果均揭示东昆仑断裂水平滑动速率呈现出西强东弱的特征，由北西托索湖段的13mm／a左右逐渐下降至南东玛曲段的6.7 mm／a左右，说明青藏高原物质向东挤出作用由西向东连续而渐变地减弱。由于受到华南块体阻挡，巴颜喀拉块体东部在龙门山地区形成巨大的推覆构造。在此作用下，东昆仑断裂走向在其东端塔藏段迅速偏转为近南北向，并与岷江断裂、龙日坝断裂、虎牙断裂交汇，在此，沿东昆仑断裂带向东逸出的青藏高原物质部分被地壳缩短所吸收，驱使岷山－龙门山地区山体抬升。

东昆仑断裂闭锁深度由西向东逐渐升高。西段在经过了玛尼地震、昆仑山口西地震后，应力基本释放完毕，处于震间蠕滑阶段，应力并未充分积累，滑动速率较快且闭锁深度较低。东昆仑断裂东部玛曲段是该断裂著名和唯一的地震空区，缺乏历史地震使得该地区应力长期积累，这种状况在该地区较低的滑动速率和较高的闭锁深度上有所体现。

受汶川地震的影响，东昆仑断裂的滑动速率在震后有所上升，且东段增加量大于中段和西段，说明汶川地震的发生加速了巴颜喀拉块体向南东方向的运动，且距离汶川地震震中越近，这种加速作用越大。

3.2 川滇菱形块体

3.2.1 川西北块体

鲜水河断裂滑动速率结果呈现出与东昆仑断裂相似的西强东弱的特征，其走向在接近华南地块部分显著向南北向偏转，说明沿羌塘、川西北块体逸出的高原物质运动方向由西向东逐渐向南偏转。川西北块体受到来自羌塘块体的向东推挤和华南块体的强烈阻挡作用，其运移方向被迫向南偏转，并在川滇菱形块体中部遇到杂岩体的阻碍，形成带有较大逆冲分量的丽江－小金河断裂。

龙门山断裂与鲜水河断裂交汇于泸定附近，鲜水河断裂的炉霍－泸定段处于巴颜喀拉块体与川西北块体的交界处，位于龙门山断裂与丽江－小金河断裂的西侧，泸定－石棉段位于龙门山断裂以东、华南块体与川西北块体的交界处。比较汶川地震前后的结果发现，鲜水河炉霍－泸定段滑动速率在震后明显下降，而泸定－石棉段在震后上升。此外，丽江－小金河断裂滑动速率逆冲分量在汶川震后亦显著上升。这说明在汶川地震后，巴颜喀拉块体相对于羌塘块体和川西北块体加速向东运动，而川西北块体亦受到汶川地震影响，相对于稳定的华南块体加速向南东方向运动。

3.2.2 滇中块体

川西北块体向南东方向的滑移量经过丽江－小金河断裂的吸收与调整，传递给位于其南部的滇中块体。安宁河－则木河－小江断裂系是滇中块体的东边界，其走向由南东逐渐偏转向近南北，证明了滇中块体向南南东向的运移和自身的顺时针旋转。滇中块体的自旋作用使块体边界存在区域应变响应，形成小江断裂系南部张性倾滑分量和北部雁列的多条北东向右旋走滑断裂。值得一提的是，其中的包谷垴－小河断裂即是2014－08－03云南鲁甸地震的孕震断层。此外，安宁河－则木河－小江断裂系的倾滑分量由北段的挤压逐渐变化至南段的拉张。

比对汶川地震库仑应力结果［12］可以看出，同震释放的应力对滇中地区影响已非常微弱。然而安宁河、则木河和小江断裂在汶川震后滑动速率均有所上升，说明在羌塘和川西北块体的加速推挤下，滇中块体的运移速率有所增加。

4 结 语

本文基于1999～2013陆态网络工程GPS观测资料，分析了汶川地震前后龙门山周边地区活动地块运动学特征和主要断裂活动性状。结果显示，巴颜喀拉、川西北和滇中块体在向南东运移的同时，自身作顺时针旋转；东昆仑、鲜水河等大型走滑断裂左旋速率自西向东逐渐降低，在其南东段走向向近南北向偏转；安宁河－则木河－小江断裂系的倾滑分量由北段的挤压逐渐变化至南段的拉张。这些现象说明，在印度板块向欧亚大陆的北北东向俯冲和青藏高原东西向的重力滑塌作用下，青藏高原物质的东向挤出遇到华南地块强硬阻挡后，其运移方向发生向南偏转，造就了东昆仑、鲜水河等大型走滑断裂和龙门山断裂、丽江－小金河断裂等逆冲构造，并造成活动地块边界的多处应变响应；在多条逆冲断层的吸收和调整作用下，高原物质运动幅度由西向东、由北至南逐渐降低，并驱使逆冲带区域地壳增厚与山体抬升。

2008汶川地震使龙门山断裂解锁，龙门山断裂、丽江－小金河断裂的逆冲速率和安宁河－则木河－小江断裂走滑速率显著上升，巴颜喀拉、羌塘、川西北块体加速向南东运移，并推动滇中块体的运动。这种现象表明，研究区地壳构造运动是一个完整有机的系统，不同地块间通过边界断裂的错动进行相互作用与调整。

［1］李强，游新兆，杨少敏，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：地球科学，2012，42（5）：629－632（Li Qiang，You Xinzhao，Yang Shaomin，et al.A Precise Velocity Field of Tectonic Deformation in China as Inferred from Intensive GPS Observations［J］.Science China Earth Science，2012，42（5）：629－632）

［2］赵静，江在森，武艳强，等.汶川地震前龙门山断裂带闭锁程度和滑动亏损分布研究［J］.地球物理学报，2012，55（9）：2 963－2 972（Zhao Jing，Jiang Zaisen，Wu Yanqiang，et al.Study on Fault Locking and Fault Slip Deficit of the Longmenshan Fault Zone before the Wenchuan Earthquake［J］.Chinese J Geophys，2012，55（9）：2 963－2 972）

［3］李延兴，黄珹，胡新康，等.板内块体的刚性弹塑性运动模型与中国大陆主要块体的应变状态［J］.地震学报，2001，24（6）：565－572（Li Yanxing，Huang Cheng，Hu Xinkang，et al.The Rigidand Elastic－Plastic Model of the Blocks in Intro－Plate and Strain Status of Principal Blocks in the Continent of China［J］.Actaseismologica Sinica，2001，24（6）：565－572）

［4］Yang S M，Wang W，Wang Q.Crustal Block Rotations in Chinese Mainland Revealed by GPS Measurements［J］.Earthquake Science，2009，22（6）：639－649

［5］乔学军，王琪，杜瑞林，等.川滇地区活动地块现今地壳形变特征［J］.地球物理学报，2004，47（5）：805－811（Qiao Xuejun，Wang Qi，Du Ruilin.Characteristics of Current Crustal Deformation of Active Blocks in the Sichuan－Yunnan Region［J］.Chinese J Geophys，2004，47（5）：805－811）

［6］Feigl K L，DupréE.RNGCHN：A Program to Calculate Displacement Components from Dislocations in an Elastic Half－Space with Applications for Modeling Geodetic Measurements of Crustal Deformation［J］.Computers ＆Geosciences，1999，25（6）：695－704

［7］丁开华，许才军，邹蓉，等.利用GPS分析川滇地区活动地块运动与应变模型［J］.武汉大学学报：信息科学版，2013，38（7）：822－827（Ding Kaihua，Xu Caijun，Zhou Rong，et al.Crustal Movement and Strain Model of Active Blocks Analyzed by GPS in Sichuan－Yunnan Region［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2013，38（7）：822－827）

［8］王阎昭，王恩宁，沈正康，等.基于GPS资料约束反演川滇地区主要断裂活动速率［J］.中国科学D 辑：地球科学，2008，38（5）：582－597（Wang Yanzhao，Wang Enning，Shen Zhengkang，et al.GPS－Constrained Inversion of Present－Day Slip Rates along Major Faults of the Sichuan－Yunnan Region，China［J］.Science in China（Series D）：Earth Science，2008，38（5）：582－597）

［9］Li C X，Xu X W，Wen X Z，et al.Rupture Segmentation and Slip Partitioning of the Mid－Eastern Part of the Kunlun Fault，North Tibetan Plateau［J］.Science China Earth Science，2011，54（11）：1 730－1 745

［10］Kirby E，Harkins N，Wang E Q，et al.Slip Rate Gradients Along the Eastern Kunlun Fault［J］.Tectonics，2007，26（2）：485－493

［11］魏文薪，江在森，武艳强，等.利用GPS数据研究川滇块体东边界主要断裂带运动特性［J］.武汉大学学报：信息科学版，2012，37（9）：1 041－1 044（Wei Wenxin，Jiang Zaisen，Wu Yanqiang，et al.Motion Characteristics of Major Faults in East Boundary of Sichuan－Yunnan Block Obtained with GPS Data［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2012，37（9）：1 041－1 044）

［12］单斌，熊熊，郑勇，等.2008年5月12日Mw7.9汶川地震导致的周边断层应力变化［J］.中国科学D 辑：地球科学，2009，39（5）：537－545（Shan Bin，Xiong Xiong，Zheng Yong，et al.Stress Changes on Major Faults Caused by Mw7.9 Wenchuan Earthquake，May 12，2008［J］.Science in China（Series D）：Earth Science，2009，39（5）：537－545）