川滇区域活动块体运动与应变特征地震影响分析

党亚民，杨 强，梁诗明，王 伟

1. 中国测绘科学研究院，北京 100830； 2. 中国地震局地质研究所，北京 100029

GNSS可以在大、中空间尺度给出基于全球统一参考框架的毫米级地壳运动观测信息和高时空分辨率的应变场信息，使大区域地壳形变监测能力有了根本性提升[1]。国内外许多学者利用GNSS等大地测量资料，对地壳形变空间分布特征[2-9]、地壳形变与地震关联[10-15]、块体运动及边界断裂带活动与应变积累[16-29]等进行了深入的研究。

川滇区域是我国地壳形变最为突出的地区，地质构造复杂、构造活动强烈、地震发生频度高且强度大，受到国内外学者广泛关注。文献[8—10]利用GPS连续资料研究了川滇地区地壳应变特征；文献[11—13]基于GPS速度场研究了大震前后川滇区域地壳形变及变化特征；文献[16—19]利用GPS研究了川滇区域内主要活动断裂现今活动趋势；文献[20—21]利用GPS资料研究了对川滇区域活动块体进行划分并研究了块体的运动与变形。

活动块体作为大陆构造活动基本地质单元，对大陆强震孕育和发生起着直接的控制作用[27]。大量研究表明[1-22]，一定时间、区域内的GNSS站点运动速率在量级和方向上存在明显的规律性。以活动块体为地质单元，考虑块体内部相对稳定、运动与变形相对一致的特点，利用块体内GNSS实测速度场，通过构建活动块体运动与应变模型，可以更准确地反映块体整体运动特征和应变分布信息。本文通过对GNSS速度场合理划分，提取共同运动与变形信息，研究了川滇区域地壳形变整体模式与特征。

1 川滇区域活动块体模型构建

1.1 活动块体模型

活动块体模型主要有3种形式，即刚体运动旋转模型，弹塑性旋转-应变模型，以及平移-旋转-应变模型。研究表明[24-25]，平移-旋转-应变模型可以更准确描述块体运动与变形，本文采用该模型研究地震对川滇区域活动块体运动与应变的影响。

Vs=Rt·Ω

(1)

式中

1.2 川滇区域活动块体模型构建

本文GNSS数据采用1999—2007年296座测站，其中包括3座基准站(图1(a))；2009—2015年选用了514座观测站数据，包括82座基准站(图1(b))，利用GAMITGLOBK软件对上述数据进行处理，其中，N、E方向中误差分别为2.0 mm、2.3 mm，获取的站点GNSS速度场中误差为1.3 mm/a。

图1 GNSS站点分布Fig.1 GNSS stations space distribution

参考我国CPM-CGCS2000板块模型等对我国活动块体的划分[26-27]，川滇区域主要包括川滇、巴颜喀拉、羌塘、华南和滇西南等5个活动块体。本文利用1999—2007年、2009—2015年两个时段GNSS实测速度场分别建立了5个块体平移-旋转-应变模型(表1、表2)。

利用活动块体模型计算了各GNSS站点的运动速率(图2蓝色箭头)，图中红色箭头为实测的GNSS站点运动速率。

表1 1999—2007年川滇区域活动块体模型

表2 2009—2015年川滇区域活动块体模型

图中红色箭头为GNSS站点实测速率，蓝色为模型拟合站点速率图2 GNSS实测速度场与块体模型拟合速度场对比Fig.2 Comparison of measured velocity field and fitting velocity field

为验证活动块体模型的有效性，前人学者通过模型拟合站点速率与实测速率之间的差值进行无偏性和有效性估计，采用差值的均值和方差统计量分别评估块体模型无偏性和有效性[21,25]，统计结果如表3所示。

表3块体模型无偏性和有效性统计分析

Tab.3Blockmodelstatisticalanalysisofunbiasedandeffectiveoptimalvalues

块体名称1999—20072009—2015均值TΔv均方差Tσ2Δv均值TΔv均方差Tσ2Δv川滇0.463.010.473.15巴颜喀拉0.372.210.173.17羌塘0.662.090.582.97华南0.611.750.112.12滇西南0.741.100.190.64

从表3可以看出，平移-旋转-应变模型与实测GNSS速度场对比，无偏性均优于1 mm/a，有效性最差的巴颜喀拉块体也优于4 mm/a，能够较为准确地描述地壳实际运动与应变，可以满足较大尺度块体运动与应变研究的要求。

2 汶川地震前后川滇区域活动块体运动特征

2.1 块体运动

本文利用平移-旋转-应变模型，通过构建0.5°×0.5°格网速度场模型(图3)，研究汶川地震前后川滇区域活动块体整体运动。

从图3可以看出，汶川地震后活动块体运动量级整体上略大于震前，主要表现为东向运动增大。同时，不同块体、块体内部不同地区表现形式存在一定差异。巴颜喀拉块体整体存在右旋运动趋势，块体西部为东-北方向运动，运动速率平均超过10 mm/a。块体东部转为东-南方向运动，速率逐渐降低，平均低于10 mm/a。羌塘块体主要表现为东向运动，南向运动较小。川滇块体明显呈右旋运动趋势。滇西南块体东部、西部运动差异较大，西部主要为西-南向运动，东部则为东-南运动。华南块体运动整体基本一致且量级较小。

2.2 块体间相对运动

各个活动块体的运动方向和量级存在一定的差异，形成了块体间相互作用与相对运动。利用活动块体模型，通过对比相邻块体之间的运动差异可以研究块体间相对运动，即Vij=Vi-Vj,i、j分别表示相邻块体运动。本文分别对1999—2007、2009—2015年块体相对运动量级、形式及其变化进行了研究。如图4所示。

图4 块体相对运动Fig.4 The relative blocks movement

图4显示，巴颜喀拉块体与华南块体边界，北部相对华南块体主要为相对左旋走滑运动，南部则相对挤压，且在2008年后，量级明显增大。羌塘与巴颜喀拉块体相对运动自西向东，由东北向挤压转为相对滑动运动，汶川地震前后量级基本一致。羌塘与川滇块体之间主要为相对挤压运动，汶川地震后量级有较明显增加。巴颜喀拉与川滇块体之间则以相对拉张运动为主，方向上汶川地震前有较为明的相对滑动趋势，震后则主要表现为相对拉张运动。川滇块体与华南块体之间则为明显的自北向南沿小江断裂带相对滑动。川滇块体与滇西南块体边界带西部为相对拉张运动，中部则转为相对滑动，东部转为相对挤压，量级上西部明显高于东部。

3 汶川地震对活动块体运动与应变的影响分析

为探讨活动块体和地壳运动与应变的运动学与几何变形含义，以及汶川地震对块体运动与应变的影响，根据汶川地震前后两个时段块体模型的平移参数、应变参数、旋转参数，将图3中的地壳运动分解为平移运动、旋转运动和应变运动，如图5所示。

注：图中红色箭头表示2009—2015年格网速度场，蓝色箭头表示1999—2007年格网速度场。图3 川滇区域格网速度场Fig.3 Grid velocity filed in Sichuan-Yunnan region

图中红色箭头表示2009—2015年运动，蓝色箭头表示1999—2007年运动图5 块体运动分解Fig.5 Block movement decomposition

对照图3—图5，研究发现：①地壳平移量级较小，块体内部运动一致，运动方向与块体旋转运动方向相反，且两个时段基本不变，最大为川滇块体，约2.6 mm/a，最小为巴颜喀拉块体，仅为0.4 mm/a。②块体旋转运动是地壳主要运动形式，与图3对比可以发现，旋转运动在量级上普遍大于实测速率，汶川地震后，整体存在较为明显东向运动趋势增大趋势。③块体应变(图5(c))运动显示了块体应变在块体整体运动的作用方向与量级。川滇菱形块体最为典型，受羌塘块体挤压，川滇块体北部显示为东向应变，受华南块体阻挡后，川滇-华南块体边界带相对运动逐渐转变为延小江断裂带南北向滑动，块体南部应变方向转变为西南向。④汶川地震后，巴颜喀拉块体东部东向速率增大约2～4 mm/a。巴颜喀拉块体与羌塘块体边界带主要表现为东北向挤压应变，巴颜喀拉块体受华南块体阻挡，延龙门山断裂带自北向南滑动，并在与华南块体边界带产生东南向挤压应变。对照图4和图3(c)发现，汶川地震后巴颜喀拉-华南块体边界带北段主要是沿龙门山滑动应变、南段主要为东南向挤压应变，且明显增大，显示该区域受地震影响较为严重，存在明显的应变积累现象。⑤羌塘块体整体运动速率在汶川地震后略有增加，主要表现为东西速率平均增大约2～4 mm/a，南向速率平均减小约1～3 mm/a。羌塘块体延边界带呈现顺时针旋转的挤压应变，汶川地震后应变值明显增大。⑥川滇菱形块体在汶川地震后西北部东向运动增加约1～2 mm/a，块体东南部则出现南向运动减小、东向增大趋势。川滇块体北部与华南块体边界带东西向挤压应变，与滇西南块体边界带东部和中部南部呈南北向挤压应变、西部则出现拉张应变趋势，地震前后应变值没有明显变化。⑦滇西南块体西部主要为西南向拉张应变，自北向南逐渐减小，东部则为东北向拉张应变，自南向北逐渐减小。汶川地震后，东部南向运动加速，而西部则出现减速趋势，导致与华南块体边界带拉张应变值增大。⑧华南块体主要表现为旋转运动，应变值较小，块体整体表现为刚体运动。汶川地震前后块体东向运动基本一致，南向运动由东向西有逐渐减小趋势。

4 结论与分析

本文利用GNSS实测速度场，通过构建活动块体平移-旋转-应变模型，研究了地震对川滇区域活动块体运动与应变的影响。模型与实测GNSS速度场拟合度较好，能够较为准确地描述活动块体实际运动与应变状态。

图3显示，巴颜喀拉和羌塘块体东向运动明显大于其他块体。从图4可以看出川滇菱形块体受到西北边界受到巴颜喀拉块体、羌塘块体的推挤，东向运动又受到华南块体的阻挡，是区域内运动与变形最为复杂的活动块体。滇西南块体东部主要表现为东南向运动，而西部则主要是西南向运动，与川滇块体边界带西部、与华南块体边界带主要表现为拉张应变。华南块体运动与应变均较小，其运动形式主要为刚性旋转运动。

汶川地震对羌塘、巴颜喀拉、川滇块体及各块体边界带的运动和应变影响最为显著。汶川地震后，巴颜喀拉和羌塘块体东向运动有增大趋势，巴颜喀拉-华南边界带南段产生较大的挤压应变。川滇块体与羌塘块体边界带挤压应变明显增大，但与华南块体相对运动没有明显变化，其内部应变也没有太大变化。滇西南块体东部南向运动加速，而西部则出现减速趋势，导致与华南块体边界带拉张应变值有所增大。

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