基于GPS的云南地区主要断裂带现今运动特征分析

王伶俐，王青华，张 勇，王 岩（云南省地震局，云南昆明 650041）



基于GPS的云南地区主要断裂带现今运动特征分析

王伶俐，王青华，张 勇，王 岩
（云南省地震局，云南昆明 650041）

摘 要：利用GAMIT/ GLOBK软件对云南境内2009—2013年间三期陆态网络区域网联测数据进行处理，得到欧亚框架下的测站运动速度场。将云南地区划分为4个活动地块以及7个次级构造单元，基于块体整体旋转与均匀应变模型（REHSM）研究了云南主要块体以及断裂带的运动与变形特征，并结合GPS速度剖面，求得云南省主要断裂带的平均滑动速率。结果显示：位于川滇菱块东侧的则木河断裂、小江断裂、莲峰巧家断裂、弥勒师宗断裂均呈左旋走滑运动特征，左旋速率分别为5. 4mm/ a、5. 3～7. 2mm/ a、0. 5mm/ a、1. 8mm/ a；而其西侧红河断裂、无量山断裂、瑞丽龙陵断裂、南汀河断裂、怒江断裂、澜沧江断裂均以右旋走滑活动为主，右旋速率分别为0. 2～4. 3mm/ a、2. 5mm/ a、1. 7mm/ a、1. 1mm/ a、5. 4mm/ a、4. 6mm/ a；位于块体内部的丽江宁蒗断裂、易门断裂等均呈弱活动特征。

关键词：云南；GAMIT/ GLOBK；活动块体；GPS速度剖面；应变模型

0 引言

地震是地壳活动的一种表现，断层活动速率是衡量地壳活动程度的重要指标之一，它反映了断层上应变能量释放的速度，与地震的孕育产生有一定联系，这已被一些大震前后的形变所证实［1-8］。断裂带滑动速率值的确定对地壳稳定性评估、强震重复间隔的研究和地震中长期预报等都是很有意义的［10-11］。云南地处欧亚、太平洋和印度三大地质板块碰撞汇聚地带，其地壳变动剧烈，活动断裂发育［22-23］，作为我国强震活动重点监视区之一，该区域的主要断裂带的活动特征研究对认识构造变形和了解地壳构造的动力作用过程，捕捉与认识孕震信息，以及活跃期内的强震预测具有重要意义。尽管许多研究者给出的该区域的变形和应变积累方式、断层活动性等方面的结果大体一致，但不同研究者由于研究方法以及基础研究数据的不同得到的结果存在一些差异。过去利用GPS观测得到的研究成果［16-26］主要以大尺度为主，研究对象大多是针对整个川滇菱形块体，采用的观测数据多是基于2007年以前的GPS数据，对云南地区主要断裂带近期的活动性研究尚不充分。自2009年起，“中国大陆构造环境监测网络”项目的实施，使得云南地区拥有了点位分布比较密集且相对均匀的水平形变监测网，并陆续开展了监测工作。2013年10月，最新一期的陆态网络区域网联测工作完成。本文对2009—2013年间三期GPS复测资料进行数据处理，建立云南地区现今地壳水平运动的速度场。综合现有的云南地区现今水平运动的分区论述，进行合理块体划分，以GPS速度场为约束，通过块体变形模型和实测剖面定量分析云南主要断裂带运动特征。

1 GPS观测与数据处理

“十一五”期间，国家重大科学工程项目“中国大陆构造环境监测网络工程”（简称陆态网络）启动，该项目由中国地震局牵头，在全国范围内进行高密度、大范围的GNSS观测。该项目在云南省范围内共建成27个基准站和170多个区域站，覆盖了云南的大部地区且跨越了红河、小江等主要活动断裂带。2009年起陆续开展了陆态网络区域网联测工作，到目前为止，共有复测资料三期，资料采集的时间分别为2009年3—10月、2011年4—10月和2013年4—10月。每期每个测点的观测时间长度均不少于90h。

由于涉及多期观测数据，为避免由于处理方法和约束条件不同而产生的速度结果差别，笔者用MIT（Massachusetts Institute of Technology）和SIO（Scripps Institution of Oceanography）研制的GAMIT/ GLOBK软件，采用统一的数据处理方案对所有数据进行了处理，GAMIT数据预处理时，通过IGS的全球跟踪站作“桥梁”，将区域站点纳入全球GPS网络中，从而获得全球统一参考框架中的坐标。具体做法是选取中国及周边部分IGS跟踪站（TSKB、USUD、KUNM、IISC、HYDE、BJFS、IRKT、PIMO、GUAO、WUHN、TWTF、LHAZ、URUM、SHAO、KIT3）与云南省内的测站联合解算，获得测站和卫星轨道的单日区域松弛解；GLOBK数据后处理时，利用GLOBK将GAMIT处理得到的单日松弛解和SOPAC（Scripps Orbital and Permanent Array Center）网站下载的全球IGS站的单日松弛解合并，并对全部单日解进行整网平差；为了更好反映研究区域内部的构造变形，笔者选择KOSG、ONSA等位于欧亚板块的11个速度稳定的IGS站，构建稳定的欧亚板块，以ITRF2008提供的站坐标和速度作为先验值，以其2倍误差作为约束，求出各测站的平均速度，最后将求得的速度扣除欧亚板块旋转后的值作为云南地区地壳运动的速度场（图1）。

2 基于块体变形模型研究断裂带的运动特征

从大的尺度来讲，边界带的变形依赖于块体的差异运动。近十几年来，不少学者利用块体变形模型对断裂带的运动特征进行研究，已经取得了许多重要的成果［12-15］。

根据李延兴等块体整体旋转与均匀应变模型（REHSM）［12-15］：

其中，υe和υn分别代表测站的东方向和北方向速率；λ和φ分别代表测站的经度和纬度；r表示地球半径；λ0和φ0分别表示块体几何中心的纬度和经度；ωx、ωy和ωz分别代表块体欧拉运动矢量的三分量；εe、εn和εen分别代表块体东方向和北方向的正应变率以及剪应变率。

参照公式（2）可进一步计算最大主应变率ε1和ε2及其方位角A、最大剪应变率γmax、面应变率Δ等参数。

笔者参照阚荣举等观点将云南地区划分为滇中、滇东（Dd）、印支（Ls）以及滇缅泰4个一级构造单元，并在上述一级块体划分的基础上将云南划分腾冲块体（Tc）、保山块体（Ba）、兰坪—思茅弧后盆地、盐源—丽江陆缘坳陷（Yi）、滇中坳陷（Dz）、康滇古隆起（Kd）、滇东坳褶带等7个二级构造单元［21］。受观测点密度以及分布限制，在上述活动地块中选择滇东、印支等7个构造单元，同时为了更详尽地反应断裂带运动特征，笔者在此基础上增加了川滇块体南段（Cd）和华南地块（Hu）共计9个活动地块为研究对象。采用REHSM模型，以计算得到的云南区域测站基于欧亚框架的GPS速度场为约束，采用最小二乘法，计算得到9个活动块体的运动参数和应变参数（表1）。再由公式（2）得到每个块体的最大主张应变率、最小主压应变率和主压应变率方位角（图2）。

表1　活动块体模型参数计算结果Tab. 1 The calculation results of block model parameters

根据计算得到各活动块体的运动参数和应变参数（表1），在分隔两块体的断裂带上选取部分点按照公式（1）计算模拟速度，将计算得到的两个速度矢量相减再投影到断裂上，即可得到平行断裂（走滑分量）和垂直断裂（挤压/拉张分量）的速度值。计算时设置断层走向时规定断层起点纬度小于终点纬度，对于投影到断层的走滑速率值与断层走向相反为负值（即为右旋）、与断层走向相同为正值（即为左旋），对于投影到断层的垂直方向运动速率以断层走向逆时针旋转90°方向为正方向（即为拉张）。各主要断裂的平均滑动速率见表2。

3 利用GPS实测剖面分析断裂带的运动特征

利用上述块体模型计算断层滑动速率时，得到的是各块体的整体变形参数，计算模型也是建立在两块体边界为非连续的前提条件下，用于描述断裂带两侧连续变形时必然产生模型偏差，因此，笔者在用块体模型计算了主要断裂带的滑动速率的同时，还对断裂带进行GPS速度剖面分析，便于分析断裂带远场及近场的连续运动信息。受GPS台站分布的限制，文中选取了小江断裂、红河断裂、无量山断裂和怒江断裂等15条主要断裂带进行剖面分析，由于澜沧江、怒江断裂北段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，因此本文选取他们中南段做剖面分析，并根据地质学的研究成果，将红河断裂、小江断裂带分成北段、中段、南段来研究。图2中灰色线段为实际断裂分布，采用的是中国地震局GIS的地震预报分析系统MapSIS软件中文件“中国断层. Tab”为基础绘制而成，实际断裂构造并不完全笔直，只能用多段直线段近似描述，各主要断裂的分段模型以及剖面分布如图3所示。

表2　基于块体模型得到主要断裂带活动速率Tab. 2 Active rates of principal faults based on REHSM model

具体计算方法：分别以断裂模型两盘的点作为参考，将第一节中计算得到的云南地区地壳运动的GPS速度场根据断层剖面分布分别投影到平行及垂直于断层走向的轴线上，计算时先设置断层走向：规定断层起点纬度小于终点纬度，投影到断层的走滑速率值与断层走向相反为负值、与断层走向相同为正值；对于投影到断层的垂直方向运动速率以断层走向顺时针旋转90°方向为正方向。图4中先统一设定断层左盘为负、右盘为正，垂线表示断层的位置；将断层剖面两侧的站点展绘到图上，横坐标表示站点相对断层垂向距离，纵坐标表示投影后的速度分量。为了便于分析，笔者对同一断层剖面两侧的测点纵坐标进行了平移，将所有断层剖面展布到同坐标系统中，图4 （a）中斜率反映的是断裂带的走滑特征，斜率为正为左旋走滑断裂，反之为右旋走滑断裂；图4 （b）中斜率反映的是断裂的拉张（挤压）特征，正表示拉张，反之则为挤压。将各条断裂两盘的投影速率分量分别求平均值，两盘差异运动速率（右盘减去左盘）即为各段的错动速率（表3），断裂错动速率以左旋走滑和拉张为正。

4 讨论与结论

从大的动力学背景看，云南地区主要受到来自3个方面力的作用：一是印度板块与欧亚板块碰撞，使西藏地块东移，产生四川及川滇菱块的SE、SSE向作用力；二是来自华南地块的NNW、NW向应力的作用；三是印度板块向东经缅甸对云南地区的侧向挤压力［19］。从上述块体运动及应变特征来看，在这3个方面力的作用下，云南主要地块运动方向逐渐由SSE向SSW变化，有顺时针旋转的特征，运动幅度由西向东、由北向南逐渐减弱，菱形块体外各个块体运动速度大幅衰减。从应变率参数结果来看，华南地块、滇东块体的主要受SE向压应力场控制，到滇中地块转为SE—SSE方向，滇西北地区应力场方向为SSE方向，滇西南的印支地块为NNW向，滇西南的腾冲—保山地块主要受NE—NNE向应力场控制。正是这几方面作用力控制了云南及其邻区的主要断层活动及强震活动。

作为川滇块体东边界的则木河、小江断裂是研究区内活动性最强的大型走滑断裂带，本文块体应变反演结果得到则木河平均走滑速率分别为5. 19mm/ a、5. 29mm/ a，呈左旋拉张特征。则木河滑动速率结果与任金卫等根据地貌的错断情况得到4. 7mm/ a滑动速率值相近。小江断裂带又分为东西两支，由于GPS台站分布密度的限制，本文无法获得它们各自的错动速率，只能给出总的活动速率，与Wen［28］根据历史地震及大地震同震位错的贡献得到的9. 6mm/ a滑动速率以及He等［9］得到的13. 0～16. 5mm/ a整体滑动速率结果差别较大。本文剖面结果与块体模型算得的值基本一致，显示小江断裂北、中、南三段滑动速率略有不同，分别为5.97mm/ a、7.19mm/ a、5.30mm/ a。与Shen［26］等采用GPS剖面所得结果（7±2）mm/ a较一致。小江断裂带北段和中段的滑动速率明显大于南段，笔者推测导致这种变化特征的原因可能是由于位于小江断裂南端的曲江—石屏断裂对块体运动有一定吸收作用。

表3　基于剖面分析得到主要断裂活动速率Tab. 3 Active rates of major faults based on profiles analysis method

红河断裂是具有深部背景的大型活动断裂，与金沙江断裂一同被认为是川滇菱形块体的西南边界，从该块体应变结果来看，红河断裂表现出弱右旋走滑特征。从剖面分析的结果来看，北段（洱源县福寿场）和中段（弥渡县至新平县北大斗门）右旋滑动速率分别为4. 33mm/ a、3. 84mm/ a，中南段（新平水塘至河口县）现今活动不强，与申重阳等人得到的红河断裂带的活动剧烈程度以北为最、中段次之、南段最小结论一致［22-23］。

印度板块向东经缅甸对云南地区的侧向挤压力，使得云南西部地区的原本呈南北展布的大断裂在小湾附近呈弧形展布特征［19］。该区域三条大型弧形断裂，包括怒江断裂、澜沧江断裂、无量山断裂与鲜水河—小江断裂带相比，活动性明显降低，块体模型结果显示怒江断裂、澜沧江断裂均呈右旋走滑特征。剖面分析因为受点位密度以及分布的限制，仅对这几条断裂的中南段进行了研究。剖面结果显示澜沧江永平至小湾段右旋走滑速率为4. 62mm/ a，拉张速率为0. 06mm/ a，与王阎昭等得到的碧土以南段右旋走滑速率为（2. 4 ±1. 2）mm/ a［27］结论相近；怒江断裂带北起贡山，经福贡到泸水后，分为东西两支。块体应变结果显示怒江—腾冲，龙陵—瑞丽断裂带的整体右旋走滑特征及拉张特征；剖面结果反应了泸水到龙陵段东西两支的总体右旋走滑速率为5. 42mm/ a，与Shen［26］等所得结果6mm/ a一致；无量山断裂为云南普洱地区的重要断裂带，总体走向NW向，呈反“S”形，具有2. 52mm/ a的右旋走滑活动。由于断裂带南段由若干条走向接近的次级断裂组成，上述结果反映的是断裂带总体滑动速率，与王阎昭（4. 3±1. 1）mm/ a［27］的右旋走滑结果相近。同样位于川滇块体以西NW向展布的瑞丽龙陵断裂，南汀河断裂呈右旋走滑兼张性特征，张性明显，拉张分量分别为2. 83mm/ a、3. 07mm/ a。

川滇块体以东的莲峰巧家断裂，弥勒师宗断裂位于稳定的华南应力区，从块体应变分析的结果来看，活动性均不太强，剖面定量分析结果显示左旋走滑速率分别为0. 49mm/ a、1. 84mm/ a，呈压性。

川滇块体内部的丽江—小金河断裂作为一条次级构造边界带，本文块体应变反演结果给出该断裂的中段、南西段平均走滑速率为1. 82mm/ a，挤压速率为2. 26mm/ a。与Shen［26］等利用GPS数据得到丽江—小金河断裂3mm/ a的左旋走滑速率相当，但是剖面结果显示南西段丽江宁蒗断裂呈弱活动特征；位于菱块内部的易门断裂从块体应变结果来看，活动性不太明显。

总体来看：红河断裂作为川滇菱形块体的西南边界，在川滇菱形块体SE-SSE方向和滇西南的印支地块NNW方向应力的共同作用下呈右旋运动特征；则木河、小江断裂带作为川滇菱形块体东边界，川滇菱形块体以及滇东地块的NW方向共同作用下呈左旋运动，位于川滇菱块的东侧莲峰巧家断裂、弥勒师宗断裂均呈左旋走滑运动特征，而其西侧无量山断裂、瑞丽龙陵断裂、南汀河断裂、怒江断裂和澜沧江断裂均已以右旋走滑活动为主；位于块体内部的易门断裂、丽江—宁蒗断裂等均呈弱活动特征。

本文所得断裂滑动速率结果与前人所得结果相比略微偏低，尤其是川滇菱块边界的则木河、小江断裂带。可能是由于两方面的原因：一是本文采用的GPS观测资料是2009—2013年陆态网络区域网联测资料，前人采用基本上是2009年以前观测资料，由于时间跨度以及GPS点位分布密度不同，加之采用分析方法及模型的差异，导致结果略微不同；二是2008年发生汶川8. 0级地震，位于川滇菱块边界断裂在川滇地区地壳运动格局中的作用不容忽视，因此推测这些差异或许与汶川地震引起川滇地区大范围应力调整有关。

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Analysis of Current Activity of Main Faults in Yunnan Region based on GPS

Wang Lingli，Wang Qinghua，Zhang Yong，Wang Yan
（Earthquake Administration of Yunnan Province，Kunming 650041，China）

Abstract：GPS data from CMONOC in the period of 2009—2013 in Yunnan region were processed using GAMIT/ GLOBK software，and a velocity field relative to the Eurasian reference frame was obtained. Based on geological division of blocks，Yunnan region can divide into seven active secondary crustal blocks. We studied the movement velocity and deformation characteristics of these blocks and principal faults in Yunnan region by REHSM model and GPS velocity profiles analysis method. The result shows that the Zemuhe，Xiaojiang，Lianfeng-Qiaojia，Mile-Shizong faults on the east side of the Sichuan-Yunnan rhombic block show left-lateral characteristics，with a rate of 5. 4mm/ a，5. 3- 7. 2mm/ a，0. 5mm/ a，1. 8mm/ a respectively. The Red River，Wuliangshan，Ruili-Longling，Nantinghe，Nujiang，Lancangjiang faults on the west side of the Sichuan-Yunnan rhombic block show right-lateral characteristics，with a rate of 0. 2- 4. 3mm/ a，2. 5mm/ a，1. 7mm/ a，1. 1mm/ a，5. 4mm/ a，4. 6mm/ a respectively. Lijiang-Ninglang and Yimen faults that locate inside the block show weak activities.

Keywords：Yunnan；GAMIT/ GLOBK；active block；GPS velocity profiles；strain model

中图分类号：P315. 2

文献标识码：A

文章编号：1673-8047（2016）01-0001-08

收稿日期：2016-01-06

基金项目：云南省地震局科技人员传帮带项目（C2- 2014007）；中国地震局2015年度震情跟踪定向工作任务（2015010219）

作者简介：王伶俐（1981—），女，硕士，高级工程师，主要从事GPS数据处理及分析、地壳形变观测、地震活动性分析工作。