青藏塊體東北緣近期 GPS水平運動特征與汶川大震影響＊

張 希,張曉亮,張四新,王雙緒,蔣鋒云

(中國地震局第二監測中心,西安 710054)

青藏塊體東北緣近期 GPS水平運動特征與汶川大震影響＊

張 希,張曉亮,張四新,王雙緒,蔣鋒云

(中國地震局第二監測中心,西安 710054)

利用青藏塊體東北緣 2004～2007年、2007～2009年GPS水平運動觀測資料,分析地殼運動與活動斷裂帶構造變形演化特征以及汶川大震對活動斷裂的影響。研究表明:祁連山—海原斷裂帶近期仍呈現與其構造活動背景一致的左旋擠壓特性,觀測結果未顯示汶川大震對斷裂有明顯影響。而汶川大震對西秦嶺構造區中東部、六盤山斷裂中南段、秦嶺北麓與渭河斷裂的西段的影響相對顯著,其中對西秦嶺構造區中東部的大范圍區域應變積累可能呈以增強為主的影響,其它斷裂段近期可能呈以調整為主的狀態特征。

青藏塊體東北緣;GPS;汶川地震

0 引言

青藏塊體東北緣是我國大陸構造活動強烈、強震集中的重點地區之一。區內自北向南發育著NWW—NW向的祁連山—海原—六盤山斷裂帶、西秦嶺北緣斷裂帶等新構造時期以來的活動斷裂帶(圖 1a,走廊北側斷裂、祁連山北緣斷裂與皇城—塔爾莊斷裂、昌馬—俄博斷裂、門源—陶萊山斷裂均屬祁連山斷裂帶;西秦嶺北緣斷裂、臨潭—宕昌斷裂、禮縣—羅家堡斷裂組成西秦嶺構造區)。受印度板塊北推碰撞歐亞大陸的主動力控制,以及受相對穩定的阿拉善地塊、鄂爾多斯地塊一定程度的阻擋,青藏塊體東北緣活動斷裂帶地質構造活動以 NE向擠壓—逆沖和走滑—旋轉(順時針)為主要特征(丁國瑜,盧演儔,1991;虢順民,江在森,2000),是構造活動與應力場變化的敏感部位。2008年5月 12日汶川 8.0級特大地震就發生在該區東南緣附近的龍門山斷裂中南段(圖 1a南邊框外 76 km處),對該區活動斷裂帶構造變形與應變積累可能有影響。

2009年8～9月筆者所在單位承擔了中國地殼運動觀測網絡項目對青藏塊體東北緣地區 130多個GPS站點的復測任務,加上 2004、2007年150余個站點的觀測資料,經 GAM IT/GLOBK軟件處理,獲得了 2004～2007年、2007～2009年即汶川地震前、地震時與地震后該研究區相對歐亞板塊的水平運動速度場結果。本文扣除測區整體平移與旋轉量(江在森等,2001)、借助最小二乘配置擬合與位移—應變偏導關系(張希,江在森,1999;江在森等,2003),以突出 GPS站點間、尤其是活動斷裂帶兩側相對運動、構造變形及其時空演化特征并進一步分析汶川大震對該研究區地殼運動與活動斷裂帶構造變形、應變積累可能的影響。

1 汶川震前青藏塊體東北緣 GPS水平運動與構造變形特征

從扣除測區整體平移與旋轉量的相對運動矢量圖(圖 1a)來看,汶川大震之前的 2004～2007年,NWW—NW向展布的祁連山—海原斷裂帶呈顯著的左旋走滑、逆斷擠壓差異運動特性,即以該斷裂帶為界,其北側呈 S WW—W—NWW運動、南側呈 N—NE—SEE向運動,與其構造活動背景一致(丁國瑜,盧演儔,1991;虢順民,江在森,2000;江在森等,2001),總體上反映出以能量積累為主的特性。其它斷裂兩側相對運動雖沒有祁連山—海原斷裂帶差異顯著,從運動方向與量值大小(即圖中箭頭長度)來看,六盤山斷裂左旋走滑特性、西秦嶺北緣斷裂左旋擠壓特性相對明顯,渭河與秦嶺北麓斷裂區域以擠壓為主。通過最小二乘配置內插擬合獲取網格點速度場函數,再借助位移—應變偏導關系推求視應變場(張希,江在森,1999;江在森等,2003)從而得到反映出站點間相對運動差異的最大剪應變率與面膨脹應變率分布等值線圖(圖 2a,圖 3a),更可以看出:2004～2007年,剪切變形較大的是祁連山斷裂帶至海原斷裂西段,尤其祁連山斷裂帶中東段至海原斷裂西段(最高達 6～8×10-8/a),其次是西秦嶺北緣斷裂帶及與禮縣—羅家堡斷裂交匯區附近(最高達 5×10-8/a);面膨脹壓性高值區沿祁連山—海原斷裂帶、西秦嶺北緣斷裂帶清晰展布,最高達 -4×10-8/a。總體上,與這兩條大型構造斷裂帶的地質活動背景一致。

圖1 青藏塊體東北緣 GPS觀測獲得的汶川地震前后相對水平運動矢量圖(a)2004～2007年;(b)2007～2009年(扣除測區整體平移與旋轉,中國地殼運動觀測網絡項目)Fig.1 Vector of relative horizontalmovement before and after theWenchuan earthquake observed by GPS in the northeastern margin ofQinghai-TibetBlock(After deducting the motion and rotation of the entire area,belonging to the CrustalMovement Observation Network of China)

2 汶川震時與震后青藏塊體東北緣GPS水平運動與構造變形特征

圖2 青藏塊體東北緣 2004～2009年最大剪應變率等值線分布圖(a)2004～2007年;(b)2007～2009年Fig.2 Isolines ofmaximum shear strain rate during 2004～2009 in the northeastern margin ofQinghai-TibetBlock

汶川大震震時與震后的 2007～2009年(圖1b),門源—陶萊山斷裂南側觀測站點很少,其北側即祁連山構造區 GPS水平運動方向仍呈與上一時段比較一致的 S WW—W—NWW向,相比汶川震前沒有出現大的變化;海原斷裂兩側維持與上一時段相似的左旋擠壓相對運動特征,量值上也沒有顯示大的變化。從最大剪應變率最高值與高值區分布位置、面膨脹應變率張、壓分布及其量值來看,大震前后也沒有發生大的改變。本文所用有限站點的觀測結果,未顯示汶川大震對祁連山—海原斷裂帶有顯著影響,這與萬永革等(2009)所做的汶川地震在該斷裂帶庫侖應力變化值偏小(10-4MPa量級甚至更低)的結果一致。

圖3 青藏塊體東北緣 2004～2009年面膨脹應變率等值線分布圖(a)2004～2007年;(b)2007～2009年Fig.3 Isolines of superficial expansion rate during 2004～2009 in the northeastern margin ofQinghai-TibetBlock

西秦嶺構造區及鄂爾多斯地塊西南緣的六盤山斷裂中南段、渭河與秦嶺北麓斷裂西段比較靠近汶川震區。龍門山斷裂北東向延伸到達的陜、甘、川交界區附近在汶川大震后發生過數次 5級以上余震(王衛民等,2008;中國地震局監測預報司,2008)。2009年11月 5日在距汶川較遠的陜西高陵地區還發生了 4.4級地震,這在陜西地區比較少見,可能反映了汶川大震調整影響。而借助庫侖應力變化計算推測認為汶川大震對西秦嶺北緣斷裂東段(105°E以東)、六盤山斷裂南段與秦嶺北麓斷裂西段應變積累以一定程度的增強影響為主;對西秦嶺北緣斷裂西段(105°E以西)、六盤山斷裂中段、秦嶺北麓斷裂中東段應變積累可能存在一定程度的減緩為主的影響(萬永革等,2009;張希,江在森,1999),10-3～10-4MPa量級。從圖 1～3(b)反映的斷裂兩側相對變形特征及量值來看,2007～2009年即汶川震時與震后,西秦嶺北緣斷裂帶東段及其南側的臨潭—宕昌斷裂中東段、禮縣—羅家堡斷裂及其附近區域呈現與上一時段及構造活動背景一致的擠壓變化,量值顯著增高。汶川大震在該大范圍區域產生了較上一時段增大數倍的NE向擠壓運動,該地區 2007～2008年6月 GPS水平運動也呈顯著 NE向擠壓(張希等,2008)。面膨脹壓性最高值達-14×10-8/a以上,大約是汶川震前的 5倍;剪切變形也顯著增強,最高達(9～20) ×10-8/a,是汶川震前的 2～4倍。西秦嶺北緣斷裂東段兩側仍呈現左旋運動特性,汶川大震同震變化及其影響應促進西秦嶺構造區中東部(GPS站點主要分布于此)的左旋擠壓活動(與地質背景一致)。汶川大震對該區域(包括延伸到達的六盤山斷裂以西區域)應變積累更可能有增強影響,這個判斷與萬永革等(2009),張希等(2009)的庫侖應力計算結果基本一致。至于六盤山斷裂(地質活動背景為逆斷層)中—南段及陜、甘、寧交界區附近的渭河與秦嶺北麓斷裂西段(108°E以西,地質活動背景為正斷層),汶川大震后相對于震前,剪切變形增強達到(4～8) ×10-8/a,是汶川震前的1.3～2.7倍,而面膨脹應變率以由弱擠壓為主轉為以拉張為主,絕對值(2～4) ×10-8/a,是汶川震前面膨脹應變率絕對值的 2倍,汶川大震對其應變積累究竟是正影響還是負影響,萬永革等(2009)的庫侖應力計算結果顯示:汶川地震對六盤山斷裂南段、秦嶺北麓斷裂西段以正影響為主;對六盤山斷裂中段以負影響為主。前者是發震一年多后實際觀測結果,后者是相對簡化的數理模型計算,可能主要反映同震影響,鑒于其正好位于西秦嶺構造區大范圍壓性高值區的邊緣地帶,呈現相當顯著的壓、張差異變化高梯度分布,筆者認為這更可能反映的是汶川大震發生一年多后,在西秦嶺構造區中東部及其北側的應變積累以增強為主的大背景下,周圍局部區域的調整、擾動狀態。跨六盤山斷裂由西至東會寧—平涼 200多 km長水準剖面觀測顯示 2006～2009年與地形地貌相反的、隆德山區相對平涼盆地下沉的逆繼承性形變特征,也反映了它的調整狀態(圖 4)。而渭河與秦嶺北麓斷裂中東段(108°E以東)上一時段站點偏少,從有限個公共站點的剪切變形與張、壓變化特性來看,不排除調整狀態下擾動為主的特征。2009年11月 5日高陵 4.4級地震很可能就是這種調整擾動下的能量積累區失穩釋放所引發的。

圖4 跨六盤山斷裂水準剖面地形(a)與 2006～2009年變化速率(b)Fig.4 Variation rate during 2006～2009 of leveling section crossing the Liupanshan Fault and its landfor m

3 結論

2009年青藏塊體東北緣有限個站點的 GPS觀測結果未顯示汶川大震對祁連山—海原斷裂帶有明顯影響。目前該斷裂帶仍呈現與其構造活動背景一致的左旋擠壓特性。而汶川大震對西秦嶺構造區中東部、六盤山斷裂中南段、秦嶺北麓與渭河斷裂的西段影響相對顯著,對其應變積累可能以增強作用為主,這主要表現在西秦嶺構造區中東部的大范圍區域內。而其它斷裂帶近期可能表現為以調整為主的狀態特征。

丁國瑜,盧演儔 .1991.中國巖石圈動力學概論[M].北京:地震出版社,142-153.

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Features of Current Horizontal MovementObserved by GPS and Influence of the GreatW enchuan Earthquake in the Northeastern margin of Qingha i-xizang block

ZHANG X i,ZHANG X iao-liang,ZHANG Si-xin,WANG Shuang-xu,JIANG Feng-yun
(The Second M onitoring and Application Center of CEA,Xi'an710054,Shaanxi,China)

Using the GPS observational data during the period of2004～2007and2007～2009in the northeastern m argin of Q inghai-Tibet block,the evolution features of crustal m ovem ent and tectonic deform ation of active fractures are analyzed,together w ith the influence of the W enchuan Earthquake.The result show s that,this earthquake did not display rem arkable effect on the Q ilianshan-Haiyuan fracture belt from observation result of lim it stations,w hich still reflected thrust and sinistral slip,w ith according to its tectonic background; but displayed relatively obvious influence on the W est Q inling tectonic region,the m edium-southern segm ents of L iupanshan fault,the w est segm ents of N orthern foot fault of Q inling andW eihe fault,m ainly revealing enganced strain accum ulation on the m iddle-eastern W est Q inling tectonic region,m ainly revealing adjusting-distrubing effect on other fault-segm ents.

N ortheastern m argin of Q inghai-X izang block,GPS,W enchuan Earthquake

P315.72+7

A

1000-0666(2010)04-0265-04

2010-02-04.

國家自然科學基金課題“汶川地震對區域應變積累影響的研究”(40974005)與中國地震局 2010年度震情跟蹤合同制定向工作任務(2010010401)資助 .