九寨沟7.0级地震前地壳水平形变状态与变化

杨博 梁洪宝 赵静旸 占伟 杨国华

中国地震局第一监测中心，天津市河东区耐火路7号 300180

0 引言

2017年8月 8日四川九寨沟县（33.14°N，103.7°E）发生MS7.0地震，震源深度 20km（http：//www.csi.ac.cn），该地震发生在巴颜喀拉块体东缘岷江断裂、塔藏断裂和虎牙断裂附近，余震分布以NW向展布为优势。历史上在该区周边（100km之内）多次发生6级以上地震，近期发生的震级最大地震为 1976年 8月 16、23日松潘-平武 2次 7.2级地震（http：//www.csi.ac.cn）。这充分表明该区域为构造活动非常强烈的区域。由于近十几年来中国大陆强震活动主要围绕着巴颜喀拉块体的边界断裂展开（陈长云等，2012a、2012b、2013；谭凯等，2011；王敏，2009；闻学泽等，2011；许才军等，2009；徐锡伟等，2008b；杨国华等，2012、2015；张培震等，2009；赵静等，2012），所以，九寨沟7.0级地震也是巴颜喀拉块体边界断裂持续活动的产物。因此，了解发震区域及其周边现今构造活动状态及其动态变化，以及2008年汶川地震与此次地震的发生是否存在某种关系，可丰富我们对该地震孕震机理和场兆的认识。本文利用1999～2015年区域流动GNSS复测资料以及多核函数法分时段进行地壳构造活动变形状态及动态变化的描述，以期比较详细地了解此次地震形变场的时空变化特征。

1 数据处理流程与方法简述

在球面上获得研究区运动场之后，可利用多核函数法进行运动场的数值解析

式中，dj为球面上2点间的大地线长度；（λj，φj）为核点位置坐标（以km为单位）；C=（c1，c2，…，cnx）为系数阵；ST=（s1，s2，…，snx）为核函数阵。然后，利用式（1）分别对东向和北向进行网格化数值计算，并为它们实施滤波处理

式中，A=（a1，…，anx）、B=（b1，…，bnx）均为待定系数；（λi，φi）和di的含义同式（1）。

依据最小二乘法求解上述任意方向运动的待定系数。此时，经滤波后的水平运动的解析式为

在此基础上，依据下式便可获得有关的应变与旋转量结果等。

式中，R为地球的平均半径；sλ和sφ分别为经向和纬向的弧长；γmax（λ，φ）为最大剪切应变；εmax（λ，φ）为最大主应变；εmin（λ，φ）为最小主应变；ω（λ，φ）为旋转量；εE（λ，φ）为 EW向应变；εN（λ，φ）为SN向应变；γEN（λ，φ）为EW向与SN向之间的剪应变。

2 水平形变场及其动态变化特征

至 2015年底，在研究区已进行了 8次全面观测，分别为 1999、2001、2004、2007、2009、2011、2013、2015年。为了了解动态变化，尤其是2008年汶川地震前后的动态变化，故所用资料分成4个时段进行处理，即 2007年以前、2009～2011、2011～2013、2013～2015年，2007前解算精度为 0.6，之后 3期结果解算精度为 1.0。数据处理时，首先利用 GAMIT/GLOBK/QOCA软件获得该时段ITRF参考框架下运动的“观测结果”；在此基础上，利用上述的处理流程与方法获得核点步长为100km、网格点步长为25km的运动场滤波与解析结果以及相应的各种应变与形变场（杨博等，2010、2011；杨国华等，1995）；为了利于观察，最后，将ITRF框架下的运动场转换为相对于四川盆地的运动场。4个时段的运动场结果如图1所示。

图1（a）为1999～2007年的水平运动场，也是汶川地震前的运动场。由图1（a）可见，鲜水河以东龙门山以北的川西高原不论龙门山断裂带还是龙日坝断裂带（这里特指NE向构造段）几乎都观察不到明显的挤压性运动，即垂直于这2条断裂带方向上相对于四川盆地的运动几乎为零，运动方向基本上平行于这2条断裂带，运动量由南向北逐渐变大，由西向东逐渐变小，整体表现为右旋变形运动。已有的研究表明，这一时段的运动是以龙日坝断裂带为中心的右旋变形运动（徐锡伟等，2008a），与图1（a）所反映的结果一致，并且这种变形状态通过九寨沟震区一直向东北方向延续。这就是说，我们看不到震源区NW向构造存在左旋形变的迹象，若按此结果，则判定发震断裂应为NE向构造。但这是汶川地震前龙门山断裂带活动闭锁条件下的结果。事实上，汶川地震以后我们看到了不一样的结果（图1（b）～1（d））。虽然，这3个时段的结果为非完全常态下的运动结果，但体现了龙门山断裂带活动解锁时的运动形式。因此，包含着常态运动的某些属性。从性质上看，川西高原及其东部区域3个时段的运动结果是一致的；而量级则随着时间的延续而变小。这是汶川地震震后粘滞性松弛型效应等所致。汶川地震震后的结果可归纳为，龙门山断裂带的活动不仅有右旋，而且逆冲挤压活动更突出；龙日坝断裂带及周边仍以右旋活动为主，但没有沿着走向穿过九寨沟地震震源区向NE向延续；相反，在该震源区NW向构造上我们观察到了左旋构造变形。鉴于汶川地震前后的2种运动状态，我们有理由认为，九寨沟地震的孕育与发生与汶川地震或者说与龙门山断裂带的活动有一定的关系。同时，我们也认识到，若周边断裂带活动闭锁时，仅以闭锁前不全面的监测结果进行分析可能会出现偏差；此外，由于九寨沟地震发生在运动较弱但不是最弱的区域上，因此，也不能简单地以运动量的大小来分析强震危险性。

图1 四川东北区域 1999～2007年（a）、2009～2011年（b）、2011～2013年（c）和 2013～2015年（d）、水平运动

图2 四川东北区域 1999～2007年（a）、2009～2011年（b）、2011～2013年（c）、2013～2015年（d）主应变方向及大小

图2是以应变张量形式展现主应变大小和方向的空间分布状态。由图2可见，不论是汶川地震前还是之后，九寨沟地震震源区及其周边时段性构造变形的主压方向基本上为EW向。这就是说，区域增量应力场作用的基本特征并没有因为汶川地震而发生质的变化。汶川地震前九寨沟地震震源区压性主应变相对较弱，张性主应变相对更弱，几乎难以识别（图2（a））；汶川地震之后张性主应变强于压性主应变，但基本上分布于孕震区的西侧，震源区及其东侧未见明显的张性应变，压性应变仍具有优势，但随着震后时间的推移，东侧的压性应变逐步减弱（图2（b）～2（d）），至2015年时比汶川地震前还弱。这说明九寨沟地震震源区及其东侧临震前的应变积累可能饱和。总之，九寨沟地震震源区的主应变随着时间的推移又处于相对较弱的状态；也显现了临震前较强地震的主应变可能较弱，汶川地震前龙门山断裂带的活动则最为典型（图2（a））。

图3 四川东北区域 1999～2007年（a）、2009～2011年（b）、2011～2013年（c）、2013～2015年（d）最大剪切应变率

最大剪切应变是反映地壳变形尤其是断裂带活动最直观的形变参量。图3（a）为1999～2007年的最大剪切应变率。由图3（a）可见，除四川盆地最弱以外，其次为川西高原。在该区域最大剪切应变率的值域一般小于20×10－9/a。该区域比较典型的较高值条带恰好是龙日坝断裂带及其NE向的延伸。这说明较高值条带的出现是龙日坝断裂带右旋活动的结果，包括九寨沟地震震源区，并非是NW向的左旋活动的体现，这在图1（a）中体现的非常清晰。应该说与此次九寨沟地震孕育没有直接的关联。汶川地震之后，川西高原的最大剪切应变明显强于震前，2009～2011年时段最大，达 50×10－9/a（图 3（b）），2013～2015年为30×10－9/a（图3（d））。但就分布状态而言，较大的剪切应变在川西高原上以 NW向更为优势。这表明震后该区域左旋形变特征比较明显，体现了NW向的构造活动比较活跃。汶川地震前不仅龙门山断裂带的活动空前闭锁，而且正是由于该断裂带的闭锁也在一定程度上抑制了巴彦喀拉块体东边界附近NW向断裂的活动；随着龙门山断裂带活动的解锁，该处NW向断裂的活动变得活跃，二者相辅相成。

图4 四川东北区域 1999～2007年（a）、2009～2011年（b）、2011～2013年（c）、2013～2015年（d）水平旋转率

水平旋转率的差异变化实质上体现的是另一种形变，这里不妨称为旋剪形变。如果在最大剪切应变难以辨别是左旋还是右旋构造活动所为时，旋剪变形则可直接给出标定。图4为研究区4个时段旋剪变形的空间分布结果。其中，大于0时表示左旋旋剪形变；反之，表示右旋旋剪形变。由图4（a）可知，川西高原1999～2007年旋剪形变基本特征为整体性的右旋剪切变形，龙日坝断裂带及东北区域旋剪形变较大，约为20×10－9/a。九寨沟地震震源区及周边区域没有发现左旋剪切变形。这表明该区域NW向断裂带没有活动的迹象，这种不活动并不一定意味着断层活动已闭锁，因龙门山断裂带活动是否闭锁与该震源区断层活动有一定的关系。汶川地震后2009～2011年的结果显示，九寨沟地震震源区及岷江断裂中南段等出现了显著的左旋剪切变形，最大达55×10－9／a（图4（b）），已远大于鲜水河断裂带的左旋剪切形变。这就是说，龙门山断裂带解锁后，岷江断裂中南段、虎牙断裂等的左旋活动得以恢复，并且强度超常。然而，塔藏断裂带并没有表现出如此明显的活动。2011以后虽然形变性质未发生变化，左旋活动仍呈NW向空间展布，但量级开始逐渐变小（图4（c）、4（d）），2013～2015年该活动的最大值已经小于鲜水河断裂区带，震源区几乎是左旋剪切形变最弱的部位。这样的结果至少体现了震源区构造活动有一定的闭锁性。

图5 GNSS连续站三分量（NEU）时序变化

3 连续站的时序变化特征及同震位移

在九寨沟地震震中附近不同方位地域选择了最近的4个GNSS连续观测站，它们分别是西侧的GSMA、北侧的GSMX、东侧的GSWD和南侧的SCSP站。距震中最近的站为SCSP，距离约为70km，最远的站为GSMA，约200余千米。为了更直观显现构造运动，我们对观测值进行了非构造运动剔除和共模误差削弱的处理，结果如图5所示。由图5可见，南向运动（图 5（a））速度分别为 4.46、6.69、9.35、9.75mm/a，同样表现为西北较小、东南较大的近 SN向张性形变特征，距震中最近的西南侧SCSP和东侧GSWD站间也同样体现为左旋的形变性质。此外，还存在着南向的加速运动，其加速度分别为0.89、0.49、0.48、0.52mm/a2，这除说明区域形变已进入非完全线弹性阶段以外，还说明左旋形变有所加速的趋势性特征。东向运动的差异也较明显（图 5（b）），趋势性运动速度分别为 40.71、37.26、34.64、40.31mm/a，也体现了近EW向“西大东小”的挤压形变特征。然而，其运动具有减速的迹象，加速度分别为－0.10、－0.25、－0.09、－0.87mm/a2，与南向加速运动恰好相反，但程度不如南向。垂向运动的速度分别为 0.62、1.15、1.02、1.71mm/a，整体与差异变化均较弱小（图 5（c）），但加速变化并非最弱，其值分别为 0.66、0.77、0.43、0.42mm/a2，距震中最近的 2个站（GSWU和 SCSP）最小。在以往大震震例研究中发现，震前震源区垂直形变是较弱的（杨国华等，1995），本文研究中亦看到了加速度较弱的现象，这还有待于进一步的总结与验证。由上可知，区域场的形变特征在连续站上得到了体现，与以往研究不同的是细微的变化在连续站上也获得了体现，如加速变化等，这还需要进一步研究。然而，我们却没有发现具有短期意义的“震兆现象”。同震位移表明，只有最近的SCSP站向南移动了约7.1mm，其他分量和其他测站均未出现可辨的同震变化。这说明地震同震影响的空间范围较小。

4 结论与讨论

综上所述，九寨沟7.0级地震之前，川西高原存在着2种性质不同的形变状态。以汶川地震发生的时间为界，震前川西高原整体为NE向运动，其特征为“北大南小”“西大东小”，整体构造活动为以龙日坝断裂带为中心的NE向右旋活动，并不存在NW向左旋构造活动。这与该区域NW向断裂带活动性质不吻合。因此，我们认为这种形变状态并非是一种常态，而是一种特殊情况下的形变状态，或者NW向断裂活动整体闭锁。事实上，龙门山断裂带的活动是闭锁的。川西高原东部NW向断裂活动与龙门山断裂带的活动有一定关系。因为龙门山断裂带若活动（逆冲活动），则有助于作为巴彦喀拉块体东北缘（川西高原东部）NW向断裂的左旋活动，否则会对该向断裂左旋活动起抑制作用。当然，也不能排除九寨沟地震孕震区的活动已达到某种程度的闭锁，否则，1次7级地震不太可能在较短的时间内孕育成熟。

此外，从地震活动的空间分布来看，之前所发生的较强地震均位于此次九寨沟地震的南侧，并对应于左旋剪切形变的高值区，而此次地震则位于左旋剪切形变的低值区。汶川地震之后，随着龙门山断裂带活动的解锁，上述NW向断裂即刻显现了左旋旋剪形变，而且非常显著。虽然汶川地震震后还包含着粘滞性松弛效应，但强度明显弱于监测结果（杨博等，待刊）。这就进一步说明了二者活动间的关系确实是相辅相成的。震源机制解及余震分布表明为NW向破裂，这与震源区及周边的左旋旋剪形变和同震位移也完全吻合，展现了该地震的构造活动背景。从地震活动关联性的角度观察，汶川地震之前，由于龙门山断裂带活动的闭锁使NW向断裂活动受到抑制，即抑制了该断裂强震能量的较快积累，因此，强震发生的时间必然有所推迟；相反，汶川地震发生后又使得该NW向断裂强震能量超常积累，由此也使得强震的发生会有所提前，二者具有一定程度的关联性。需要指出的是，若只有或只依赖于1999～2007年的监测结果，我们很可能会得出错误的认识。因此，全时空监测、全过程分析非常必要。