川滇菱形块体东边界现今应变积累特征及强震危险性

刘辛中 张风霜 马伶俐 李腊月

1 中国地震局第一监测中心，天津市耐火路7号，300180 2 四川省地震局地壳形变观测中心，四川省雅安市上坝路139号，625000

川滇菱形块体东边界位于青藏高原东南缘、南北地震带中南段，是由鲜水河断裂带、安宁河-则木河断裂带、小江断裂带共同组成的一条长达千余公里的大型左旋走滑断裂系统[1]，在青藏高原东部晚新生代地壳变形中起着重要的调节作用[2]。该断裂带是中国大陆境内动力作用和地壳运动变形非常强烈的断裂带之一。1327年以来，该断裂带上至少发生了16次7级以上地震[3]，但1981年道孚6.9级地震以来，川滇菱形块体东边界再未发生6.7级以上地震，达到1 700 a以来的最长平静时间。近年来，围绕巴颜喀拉地块周缘断裂带相继发生2001年昆仑山口西8.1级地震、2008年汶川8.0级地震、2013年芦山7.0级地震及2017年九寨沟7.0级地震等多次大地震，关于震后断层应力变化的研究结果表明，这些强震的发生对川滇菱形块体东边界多条大型断裂带的库仑破裂应力积累均有影响，使不同断层段的库仑应力增加，地震危险性增强[4]。此外，已有研究表明，南北地震带中段强震主要受巴颜喀拉地块和川滇菱形块体交替活动的影响，巴颜喀拉地块周缘强震活动已经持续20 a以上，存在向周边块体活动迁移的危险[5]。因此，加强对川滇菱形块体东边界现今运动状态及应变积累特征的研究，对南北地震带中南段震情形势的认识与判定有着重要的现实意义。

对地壳应变积累的研究主要从2个方面开展：1)通过相关方法获取地表应变率场，进而分析某一区域应变积累分布特征；2)通过反演断层的闭锁程度与滑动亏损来研究断裂深部的应变积累程度[6]。目前对川滇菱形块体东边界的运动变形及应变积累特征的研究较多[7-8]，也取得了很多有意义的成果，但已有的研究主要是针对川滇菱形块体东边界在汶川地震前后及芦山地震前应变积累的变化，而对芦山地震后现今应变积累特征的研究相对较少。因此，本文拟在前人研究的基础上，首先利用川滇地区2013～2018年GNSS速度场数据解算地壳应变率场，分析现今区域应变积累特征；然后利用块体负位错模型反演川滇菱形块体东边界断层闭锁程度和滑动亏损速率的空间分布，进一步从地壳深部分析川滇菱形块体东边界的应变积累情况；最后结合已有历史地震破裂及断层库仑应力结果，综合分析川滇菱形块体东边界不同段落的强震危险性。

1 川滇菱形块体东边界地质概况

川滇菱形块体位于南北地震带中南段，受印度板块与欧亚板块的碰撞及印度板块NNE向运移的影响，青藏高原中部羌塘地块向东滑移，受华南地块的阻挡，造成川滇菱形块体的SE-SSE向平移和顺时针转动及其东边界的高速左旋走滑运动[9]。川滇菱形块体东边界主要由北段的NW向鲜水河断裂带、中段的近SN向安宁河断裂带和NW向则木河断裂带、南段的近SN向小江断裂带组成。

鲜水河断裂带是川滇菱形块体东边界第四纪活动强烈的大型左旋走滑断裂，其南段与安宁河断裂带在康定一带相接，北与甘孜-玉树断裂带斜列，终止于东谷、甘孜一带[10]。安宁河-则木河断裂带位于川滇菱形块体东边界的中部，北接鲜水河断裂带，南接小江断裂带，东邻大凉山断裂带，是川滇菱形块体东边界断裂带上的一条重要活动断裂[11]。小江断裂带北起巧家以北，南至建水东南，全长约400 km，总体走向近NS，从东川向南分成东、西2个主要分支，东支北起东川，南至宜良盆地南端，西支北起达朵以北，南至澄江以南[12]。为了精细研究川滇菱形块体东边界各段落的运动与应变积累特征，本文在参考前人研究结果[10]的基础上，将川滇菱形块体东边界划分为11个断层段进行分析(图1)，其中鲜水河断裂带自北西向南东依次为炉霍段(S1)、道孚段(S2)、八美段(S3)、康定段(S4)、磨西段(S5)；安宁河断裂带包括石棉-冕宁段(S6)和冕宁-西昌段(S7)，则木河断裂带为则木河段(S8)；小江断裂带包括3个断层段，自北向南依次为巧家-东川段(S9)、东川-宜良段(S10)和宜良-建水段(S11)。

震源球为1900年以来的M≥6.7地震；黑色实线为二级块体边界图1 川滇菱形块体东边界及其周边强震分布Fig.1 Distributionof the eastern boundary of the Sichuan-Yunnan block and its surrounding strong earthquakes

2 GNSS数据及处理

收集中国大陆构造环境观测网络(简称陆态网络)2013～2018年的GNSS数据(每个测站每期观测4 d以上)，解算2013～2018年研究区GNSS速度场。解算过程中，考虑到汶川MS8.0、芦山MS7.0、康定MS6.3等强震震后效应的影响，选用汶川地震震中200 km范围内2015年以后的观测数据、康定和鲁甸地震震中100 km范围内2016年以后的数据进行解算。由于震后粘弹性松弛作用持续时间较长，但考虑其在块体变形上的表现是使块体产生内部应变，因此在后续反演过程中以块体内部永久应变来简单替代粘弹性松弛作用。

GNSS速度场的解算步骤为：1)采用GAMIT软件解算每期区域网观测数据的测站坐标和卫星轨道的单日松弛解；2)利用GLOBK软件融合IGS连续站、中国大陆基准站和中国大陆多期GNSS区域站的单日松弛解，平差得到ITRF2014参考框架下的GNSS速度场；3)通过基准变换扣除整体运动，得到欧亚参考框架下的速度场。

图2给出的2013～2018年GNSS速度场结果显示，在欧亚参考框架下巴颜喀拉地块以10～15 mm/a的速度向东运动，并逐渐衰减，到龙门山断裂带处运动速度约为5 mm/a；川滇块体整体上呈现明显的顺时针旋转运动，向东南的挤出滑移速度约为10～15 mm/a，且块体北部的运动速率高于块体南部。

图2 川滇地区2013～2018年GNSS速度场Fig.2 GNSS velocity field in the Sichuan-Yunnan area from 2013 to 2018

3 区域GNSS应变率场

利用稳定性强、抗差性相对较好的最小二乘配置方法[13]计算研究区域的地壳应变率场，结果见图3。主应变率结果显示，最大主应变高值主要分布在川滇块体东边界和龙门山断裂带上。鲜水河断裂带北西段主压应变方向为近EW向，主张应变方向为近SN向，且最大主压应变方向沿着鲜水河-安宁河-则木河-小江断裂带逐渐由近EW向转为NW向，最大主张应变方向由近SN向逐渐转为NE向。此外，从主应变率的空间分布结果还可以看出，川滇菱形块体东边界的主应变率方向基本上与边界断裂带呈45°夹角，这些结果与前人基于1999～2007年GNSS速度场得出的结论基本一致[8]，反映川滇块体东边界现今所受的区域构造应力作用没有发生改变，仍然受印度板块东构造结NNE向的推挤和来自羌塘地块等对其的推挤所产生的挤出滑移作用。

图3(a)显示，最大剪应变高值沿着鲜水河-安宁河-则木河-小江断裂带分布，一直向南延伸到小江断裂带建水附近，其中三岔口地区(鲜水河、安宁河与龙门山断裂带交会区域)最大剪应变率量值最大，为3.5×10-8/a，剪切应变积累最为显著；龙门山断裂带也具有一定的剪应变积累，但量值不大。图3(b)显示，龙门山断裂带具有较高的EW向挤压应变率，最大量值达-4×10-8/a，表明龙门山断裂带作为EW向变形的分界带，现今仍具有较高的挤压应变积累；鲜水河-安宁河-则木河断裂带也表现为EW向的挤压应变，其中康定-石棉段EW向挤压应变率最高，为-3×10-8/a；而小江断裂带的挤压变形从北段向南段逐渐减弱，在东川以南表现为拉张变形，其中宜良-建水段EW向拉张应变率量值达到3×10-8/a。

图3 川滇块体东边界及邻近地区应变率场分布Fig.3 Strain rate fields around the eastern boundary of the Sichuan-Yunnan block and its adjacent area

4 川滇菱形块体东边界断层闭锁与滑动亏损分布

4.1 模型构建

本文使用Defnode负位错反演程序[14]构建断层模型。为保证不同断层对GNSS速度场的影响不被忽略，同时构建鲜水河-安宁河-则木河-小江断裂带及龙门山断裂带的断层模型，计算时将这些断裂带一并进行反演。将整个研究区域以上述断裂带为边界划分为川滇块体、巴颜喀拉地块和华南地块。参考前人研究成果[7]，在反演过程中将川滇块体和巴颜喀拉地块设置为弹性块体，反演时同时完成闭锁程度(闭锁系数)、块体运动欧拉矢量及块体内部均匀应变张量的计算。将华南地块设置为刚性块体，反演过程中不计算其应变张量。

设置断层模型时，沿鲜水河断裂带断层走向布设11个节点，沿安宁河-则木河及小江断裂带断层走向各布设8个节点，沿龙门山断裂带断层走向布设9个节点，节点之间的平均距离约为35～40 km。参考区域地震精定位[15]和地壳速度结构相关研究成果[16]，将断层模型深度设置为20 km，沿断层倾向设置6条等深线，深度依次为0.1 km、4 km、8 km、12 km、16 km、20 km(图4)。

图4 川滇块体东边界断层三维结构与节点设置Fig.4 3D structure and node settings of the eastern boundary of the Sichuan-Yunnan block

4.2 川滇块体东边界断层闭锁程度与滑动亏损速率分析

图5 模型速度场残差分布Fig.5 Distribution of velocity field residuals

图6为根据最优模型得到的2013～2018年川滇菱形块体东边界闭锁程度的空间动态分布。可以看出，汶川及芦山地震后鲜水河断裂带北西段道孚段、八美段地表至地下8 km仍处于强闭锁状态；康定段在汶川及芦山地震后处于弱闭锁状态，闭锁系数在0.4～0.6范围内；磨西段在汶川及芦山地震后闭锁程度较强，从地表至地下16 km为强闭锁状态。安宁河断裂带石棉-冕宁段冕宁附近及则木河断裂带西昌以南的闭锁程度较高，闭锁深度达16 km。小江断裂带整体闭锁程度较高，除巧家-东川段和东川-宜良段的嵩明附近闭锁深度稍浅外，其他部分的闭锁深度达16 km。

图6 川滇菱形块体东边界断层闭锁程度分布Fig.6 Degree of fault locking distribution of eastern boundary of the Sichuan-Yunnan block

图7为根据最优模型计算得到的2013～2018年川滇菱形块体东边界平行断层滑动亏损速率，结果显示，川滇菱形块体东边界为左旋滑动亏损(正值)。鲜水河断裂带在汶川及芦山地震后左旋滑动亏损速率较低，道孚段左旋亏损速率约为4 mm/a，八美-康定几乎无左旋滑动亏损，三岔口及其以南的安宁河-则木河-小江断裂带表现出相对较高的左旋滑动亏损速率，其中安宁河断裂带石棉-冕宁段、则木河断裂带及小江断裂带巧家-东川段、东川-宜良段的左旋滑动速率亏损约为6 mm/a，安宁河断裂带冕宁-西昌段和小江断裂带宜良-建水段的左旋滑动亏损速率最高，为8～10 mm/a。

图7 川滇菱形块体东边界平行断层滑动亏损速率分布Fig.7 Distribution of parallel fault slip deficit of the eastern boundary of the Sichuan-Yunnan block

图8为根据最优模型计算得到的2013～2018年川滇菱形块体东边界垂直断层滑动亏损速率，可以看出，汶川及芦山地震后，鲜水河断裂带炉霍段为拉张速率亏损，最大为4 mm/a，道孚段地表至地下8 km也为拉张速率亏损，速率为2 mm/a；安宁河断裂带石棉-冕宁段表现为较强的挤压滑动速率亏损，最大挤压亏损速率为6～7 mm/a；小江断裂带华宁-建水段表现为拉张速率亏损，最大拉张亏损速率为4 mm/a。

图8 川滇菱形块体东边界垂直断层滑动亏损速率分布Fig.8 Distribution of vertical fault slip deficit of the eastern boundary of the Sichuan-Yunnan block

5 讨 论

5.1 川滇菱形块体东边界现今应变积累特征

本文计算的2013～2018年GNSS应变率场和断层闭锁反演结果显示，川滇菱形块体东边界现今仍具有较高的最大剪应变率和不同程度的左旋滑动速率亏损，这与其大型左旋剪切运动的背景特征一致[1-2]，反映鲜水河-安宁河-则木河-小江断裂带具有显著的剪切应变积累现象。在川滇菱形块体东边界的局部地区或不同断层段还表现出局部挤压或拉张的应变积累特征，其中鲜水河、安宁河和龙门山断裂带交会的三岔口地区除了具有较高的最大剪切应变率(3.5×10-8/a)外，还具有相对较高的EW向挤压应变率(-3×10-8/a)和挤压滑动速率亏损(6～7 mm/a)；小江断裂带宜良-建水段则呈现出较高的EW向拉张应变(3×10-8/a)和张性滑动速率亏损(4 mm/a)。本文反演的断层闭锁结果与GNSS应变率结果具有较好的一致性，均反映出川滇块体东边界现今左旋剪切应变兼局部挤压或拉张的应变积累特征。在三岔口地区及小江断裂带南段等断层强闭锁区或闭锁段，断层表现出明显的挤压或拉张亏损，这与张世民等[17]的认识一致，即在走滑断裂带的构造闭锁区，因断层走滑错动受到限制而呈现出拉张或挤压性质，地貌上表现为凹陷或隆起。

赵静等[7]反演给出的汶川地震后、芦山地震前的川滇菱形块体东边界断层闭锁程度和滑动亏损空间分布结果显示，川滇菱形块体东边界各断层段均表现为左旋走滑亏损，在安宁河断裂带北段、则木河断裂带中北段及小江断裂带南段左旋滑动亏损速率最大，约为12～13.5 mm/a；垂直断层滑动亏损速率既有拉张亏损也有挤压亏损。本文反演的芦山地震后川滇菱形块体东边界断层滑动亏损速率空间分布结果与赵静等[7]的结果基本一致，只是在速率量值上稍有差异，本文反演得到的断层左旋滑动亏损速率稍小于芦山地震前的结果[13]。震间期断层的闭锁是逐步由浅到深的过程，并且这一过程是缓慢的，几年间不会有很大变化，而滑动速率亏损反映的是断层两侧块体滑动转化为应变能的快慢，由于汶川及芦山地震的发生导致龙门山断裂带中北段和南段大范围解锁，巴颜喀拉地块东向运动加快，进而导致鲜水河断裂带等川滇菱形块体东边界各断层段的运动特征及应变积累速率产生调整变化。

5.2 川滇菱形块体东边界现今地震危险性分析

活动断层的闭锁段、地震破裂空段及背景地震活动的低b值段等是判定活动断层未来强震地点的有效标志[18-19]；断层面上的库仑应力变化也是研究断层应力状态及区域危险性的重要手段之一，被用于对危险断层段强震紧迫程度的判断[4]。

断层闭锁程度与滑动亏损反演结果显示，鲜水河断裂带道孚-八美段闭锁程度相对较高，具有一定的左旋和拉张滑动亏损，仍处于较高的应变积累状态。该段是近年来许多专家和学者关注的重点段落，闻学泽等[20]根据地质学方法推算了该段的强震平均复发间隔为84～118 a，此段距今最近一次地震为1893年发生的乾宁M7地震，目前已超过了最大复发间隔；易桂喜等[18]利用中国地震台网中心及四川区域地震台网中心1976～2006年的地震目录，根据精细b值计算结果，发现鲜水河断裂带道孚-乾宁间有一个大尺度的凹凸体，该凹凸体为低b值区；此外，芦山地震的同震库仑应力结果显示，芦山地震的发生造成了康定-道孚段库仑应力的增加[4]，康定段已于芦山地震后1 a发生了MS6.3地震。因此，本文推测道孚-八美段可能为现今的闭锁段，其地震危险性值得重视。

GNSS应变率场和断层闭锁反演结果还显示，康定以南的磨西段目前仍处于挤压应变积累状态，具有较高的闭锁程度和左旋、挤压滑动亏损速率。该段位于鲜水河断裂带南端及安宁河和龙门山断裂带的交会区域，构造环境比较复杂，是一条地震多发的断裂带，最近一次7级以上地震为1786年康定-泸定磨西间M7地震，可能由于间隔时间较长，并受长期构造加载作用的影响，该段已经有了较高的应变积累。此外，库仑应力演化结果也证实，该断层段目前积累了较高的库仑应力[4]，所以其强震危险性值得关注。

安宁河断裂带除最南端闭锁程度较弱外，其余部分闭锁程度较高，仍处于挤压应变状态，其中石棉-冕宁段具有较高的挤压滑动速率亏损。石棉-冕宁段1480年发生过一次7.5级地震，冕宁-西昌段曾发生1489年6级、1536年7级和1952年6级3次强震，考虑到2个断层段7级以上地震间隔时间均较长，且现今仍处于挤压的应变环境，已积累了一定的应变能，因此具有较高的强震危险性。与其相连的则木河断裂带历史上曾发生1732年6级、1850年7级2次地震，最近一次7级地震距今已有170 a，还未达到平均复发间隔473+142 a[3]。断层闭锁反演结果显示，则木河断裂带北段闭锁程度较高，南段闭锁程度相对较弱，目前可能还处在持续的应变积累中。

小江断裂带除嵩明附近闭锁程度较弱外，其他段现今闭锁程度较高，宜良-建水段表现出较高的左旋滑动速率亏损和拉张滑动速率亏损。Wen等[3]根据地震地质方法分析认为，小江断裂带北段(巧家-东川段)存在地震空区，该段自1733年7级地震以来仅发生过小尺度破裂；此外，小江断裂带南段建水附近也存在地震空区，该段自1606年以来再未发生过强震或大地震。因此，根据小江断裂带现今应变积累特征及历史地震给出的平均复发间隔综合分析认为，小江断裂带巧家-东川段、宜良-建水段现今地震危险性较高。