全國主要構造區GPS水平運動負位錯反演與應變積累特性*

張 希，郝 明，賈 鵬，崔篤信

(中國地震局第二監測中心，陜西西安710054)

0 引言

新疆天山、青藏塊體東北緣、川滇、華北地區是我國大陸主要的構造運動與地震活動區域，GPS站點分布也比較密集。本文利用其2009～2011年GPS水平運動速度場結果(利用GIMIT/GLOBK軟件對中國地殼運動觀測網絡與陸態網絡工程GPS資料處理所得，全國范圍約2 000個站點，已去掉運動方向或速率量值與周圍站點差異過大的數個站點)，分區構建非震負位錯模型，借助反演研究我國大陸近期主要構造區活動斷裂的應變積累特性、積累速率與其分段差異性、閉鎖深度，及與強震孕育—發生的可能關系。

1 地殼水平運動的非震負位錯模型

Matsu'ura負位錯模型(Matsu'ura et al，1986)認為受現今地殼運動驅動下的各活動地塊間的相對運動在地塊邊界處有可能受到阻礙。假設塊體邊界下部的塑性區可自由滑動，其上部的彈脆性區卻因摩擦阻力等因素限制了這種相對運動從而導致應力應變積聚，則可認為這個彈脆性區是部分鎖定的。即視塊體邊界區域的地表位移為塊體(剛性假設)平移減去邊界上部(由若干斷層段構成，每條斷層段用Okada(1985)彈性均勻介質半空間的矩形位錯模擬)對塊體相對運動的部分鎖定在地表產生的位移。它具有聯系塊體與其邊界斷裂，以尋求以塊體邊界負位錯變形體現的、可能與強震孕育有關的高應變能積累閉鎖段的研究和預報意義(何玉梅，姚振興，2002;伍吉倉，許才軍，2002;張希等，2003)。考慮到較大尺度區域地殼變形還應包含塊體內部的變形，張希等(2005a，b;2010)探索建立塊體彈性變形與邊界負位錯部分鎖定的復合模型，較剛性塊體假設更符合地殼實際運動。

具體建模時，Matsu'ura等(1986)、伍吉倉和許才軍(2002)、何玉梅和姚振興(2002)均采用若干彈性半空間的單一矩形位錯模型來模擬塊體邊界的各段，其中后兩篇文獻的研究范圍都達到了數百、甚至上千公里。理論上球面分層位錯模型更接近大尺度區域地殼運動實際，但考慮到本文研究區(即使部分區域如川滇地區)塊體及邊界帶(多具有分段活動特性)數量較多，若位錯模型太復雜實際求解非常困難，故而在測點分布支持的情況下，對邊界帶盡可能細劃(每條斷層段作用范圍有限，僅兩側數十、至多百余公里，可近似為平面)較為可行。

若模型由p個塊體和q個斷層段組成，GPS站點(xi，yi)位于第j個塊體上。，為此塊體質心(，)E向及N向平移量，，，，為在Matsu'ura負位錯模型基礎上借助Taylor展式增加的塊體 (相對質心)均勻應變分量 (即x向正應變、剪應變、y向正應變與旋轉)。進而考慮到矩形位錯產生的位移場可能存在E向、N向平移，與旋轉量αk(k=1，…，q);旋轉中心為，)(顧國華，1990)。借助1985年Okada矩形位錯在地表產生的位移變化解析式，第i個站點的水平運動觀測方程可表示為

等式左邊第1、2項分別為觀測與改正值，Δx=xi個數，避免增加不確定性)。而 Dk，λk，δk，Wk分別為第k個斷層段的鎖定位錯量、錯動角、傾角及寬度(假設斷層延伸至地表，并由地質資料已知斷層軌跡，以避免斷層段起點、終點坐標作為參量反演在斷層段交匯時導致的奇異問題)。

將GPS水平運動資料作為地表位移觀測，通過貝葉斯—最小二乘法(Matsu'ura et al，1986;張希等，2003，2005a，b，2010)可以反演塊體及其邊界斷層段的各項參數。先利用只有塊體運動與應變參量的地殼運動模型根據最小二乘法則確定等式右邊前4項6個參數的近似初值;再通過塊體運動參量初值、斷裂附近站點觀測值反映的塊體間相對運動及邊界斷裂活動狀況，參考已知地質或地球物理成果確定斷層參數初值。反演時加約束以保證鎖定位錯量在水平面上分別沿斷層走向和法線方向的投影小于其兩側塊體間相對運動量在這兩個方向的投影。并采用年均地震矩積累量Mk0=μLkWkDk反映能量積累速率，這里的μ為地殼的剛性系數(取4×1010N/m2)，Lk為斷層長度。基于計算中扣除正好位于斷裂及其延伸線上的觀測站點及貝葉斯—最小二乘法的特性，這樣的反演過程較為穩定，不會造成奇異問題。

2 負位錯模型構建與斷裂帶地質信息

根據我國大陸主要構造區斷裂發育及GPS站點分布情況，筆者構建了圖1所示31個塊體的負位錯模型，相關斷裂的地質背景與傾角、產狀信息見表1(由馬杏垣(1989)、鄧起東等(2002)地質資料，以及基于GIS的地震預報分析系統Mapsis軟件“中國斷層.tab”與“中國斷層_鄧起東.tab”文件綜合總結于表1)。具體反演時:①斷裂傾向與活動特性參考表1。若表1給出了斷裂傾角的取值范圍，原則上約束傾角在此范圍內，若在此范圍內確實無法使擬合效果較好，可適當放松幾度(規定小于10°);若未查到具體的傾角取值范圍，即約束傾向與表1一致、傾角40°～85°。②因難查到斷層深度或寬度的準確信息，考慮到研究區以往發生的基本為淺源地震，10～20 km震源深度相對居多，結合傾角約束，反演時約束斷層寬度60 km以內，分別在15、25、35 km取值通過試算粗略選取擬合效果相對較好的斷層寬度初值。③大多數斷層段反演所得左旋或右旋、逆斷或正斷特性與表1相符，個別斷層段不一致時，以研究時段實測資料反映的塊體間運動差異特征為準，畢竟地質資料是長時間尺度的總體結果，本文則反映近期地形變觀測可能揭示的活動斷裂應變積累特征。④ 因為塊體內部均勻應變參數也在反演模型中，如果其內站點分布密度差異太大，所得應變量未必是想要的，故對巴顏喀拉地塊，只取站點較密的東部進行計算(圖1中地塊3－1)。⑤ 理論上可以對全國數十個塊體、斷層段統一反演，但鑒于每條斷層段4個參數、每個塊體6個參數，實際應用時參數過多，導致程序運行、參數調整很慢，故本文對全國主要構造斷裂區即新疆(天山構造為主，圖1中塊體1－1～1－5)、青藏塊體東北緣(圖1中塊體2－1～2－8)、川滇(圖1中塊體3－1～3－12)、華北地區(圖1中塊體4－1～4－6)分別反演。即僅對地區內部的斷裂段(兩側塊體都屬該地區)進行反演、地區間公共邊界斷裂不參與反演，因斷層位錯作用范圍有限，塊體變形只與該塊體內部站點間相對差異運動有關，故分區反演與全國所有塊體、斷裂統一反演的效果是一致的，有對比分析意義。⑥川滇反演區外圍發生2010年玉樹7.1級，2011年緬甸7.2級地震，但震級不是很高，距其最近的鮮水河與金沙江斷裂、永德—龍陵與南汀河斷裂，震中距300 km以上;2011年日本9級巨震距華北反演區東緣2 000多公里，而同震影響在我國東北比較顯著(楊少敏等，2012)，本文未反演發震斷裂及巨震顯著影響區，所用速度場未扣除同震位移，這樣反演更可能反映兩年里構造變形的實際情況，也可為以后與其它時段做動態對比、進而為推測大震影響時提供參考。

圖1 塊體編號與邊界、相關斷裂名稱(塊體1－1、1－3、1－5、2－1、3－10、3－11、4－6包含中國大陸邊界)Fig.1 Blocks numbering and the name of boundaries and related faults(Block 1－1、1－3、1－5、2－1、3－10、3－11、4－6 include boundary of China mainland)

3 我國大陸主要構造區負位錯反演分析

3.1 新疆地區

對2009～2011年新疆地區速度場資料建立了5個塊體、5條斷層段的負位錯模型(西昆侖北緣與康西瓦斷裂西南側站點少或分布不均勻，不作為參數反演)，反演結果、擬合效果見圖2、3與表2、3(擬合均方差2.1 mm/a;模型理論與觀測值之差的絕對值在 1 mm/a、2 mm/a、3 mm/a以下的站點數分別占站點總數的68%、90%、96%)。逆斷為主、兼弱左旋或右旋，斷層活動特性及傾角與表1所示地質信息比較一致。塊體變形顯著的地塊即天山地塊(圖2、表2中塊體1－3);而應變能積累顯著(反映積累速率的年均地震矩積累量15～25×1017N·m/a、位錯量4.0～4.7 mm/a)段落為南天山西段(圖2中B1B2段)、北天山中東段與南天山中東段所在的稍大區域(2012年6月30日和靜—新源6.6級強震發生在該區邊緣，見圖2中綠色圓圈標注，有背景預測效能)。

表1 研究區相關斷裂帶活動特性Tab.1 Activity features of the related fault belts in study area

3.2 華北地區

對2009～2011年華北速度場建立了6個塊體、11條斷層段的負位錯模型，反演結果、擬合效果見圖2、3與表2、3(擬合均方差2.6 mm/a;模型理論與觀測值之差的絕對值在1 mm/a、2 mm/a、3 mm/a以下的站點數與站點總數之比分別為57%、79%、89%)。斷層活動特性與地質背景比較一致，其中晉冀蒙交界區附近(圖2中C2D1與C1C2段)應變積累相對明顯(年均地震矩積累量在6×1017N·m/a以上，位錯量1.9～2.5 mm/a)、山西斷陷帶南端及與陜西交界的中條山北麓斷裂次之(圖2中D3D4段，年均地震矩積累量4×1017N·m/a以上，位錯量2 mm/a)。此外，汾渭斷陷帶中段(圖2中D1－D2－D3段)積累偏弱、或出現與地質背景相反的逆斷特性，可能與2008年汶川8.0級、2011年日本9.0級巨震影響，或與2009～2010年該區及附近4級多地震活躍有一定關聯。

3.3 青藏塊體東北緣地區

對2009～2011年青藏塊體東北緣地區速度場資料建立了8個塊體、9條斷層段的負位錯模型，反演結果、擬合效果見圖2、3與表2、3(擬合均方差2.8 mm/a;模型理論與觀測值之差的絕對值在1 mm/a、2 mm/a、3 mm/a以下的站點數與站點總數之比分別為62%、82%、91%)。顯著變形的地塊有祁連山地塊、西寧與甘南地塊(圖2、表2中塊體2－3、2－6、2－8)，甘南地塊擠壓量值在本區最強、靠近汶川震區，結合楊國華等(2012)研究結果，大震影響可能尚未結束。而本區斷層活動特性與地質背景基本一致，祁連山斷裂帶西段、西秦嶺北緣斷裂的甘青交界段應變積累相對明顯(圖2中F1F2、G2G4段，年均地震矩積累量4×1017Nm/a以上、位錯量2 mm/a以上)。

3.4 川滇地區

對2009～2011年川滇速度場資料建立了12個塊體、18條斷層段的負位錯模型，反演結果、擬合效果見圖 2、3與表 2、3(擬合均方差3.2 mm/a;模型理論與觀測值之差的絕對值在1 mm/a、2 mm/a、3 mm/a以下的站點數與站點總數之比分別為49%、72%、86%)。變形顯著的地塊主要位于龍門山斷裂東側、金沙江斷裂兩側(不排除玉樹地震影響;結合賈鵬等的(2012)研究結果，汶川大震影響也未結束，發震的龍門山斷裂H2－H3段近兩年幾乎不積聚能量)及滇西地區。斷層活動特性與地質背景基本一致，其中，安寧河斷裂應變積累居川滇之首，其次是紅河斷裂中段(圖2中 I3I4、PN2段，年均地震矩積累量5×1017N·m/a以上、鎖定位錯量3.2～4.3 mm/a);龍門山斷裂南端、則木河斷裂、元謀—綠汁江斷裂南段、小江斷裂南段存在一定程度應變積累。

表2 2009～2011年我國大陸主要地塊變形參數反演結果Tab.2 Inversing results of deformation parameters of main blocks from 2009 to 2011 in China Mainland

圖2 2009～2011年我國大陸GPS速度場資料的負位錯模型Fig.2 Model of negative dislocation for GPS velocity field from 2009 to 2011 in China Mainland

表3 2009～2011年我國大陸主要活動斷裂鎖定負位錯參數反演結果Tab.3 Inversing results of locking negative dislocation parameters of main faults from 2009 to 2011 in China Mainland

圖3 2009～2011年GPS速度場(相對歐亞板塊)資料的負位錯擬合效果對比Fig.3 Simulation effect comparison of negative dislocation for GPS velocity field(related to Eurasia)from 2009 to 2011

4 結論與討論

(1)2009～2011年新疆天山地區應變積累最強(位錯量最弱為 2.1 mm/a，80%段落超過4 mm/a，平均3.9 mm/a)，可能與近幾年大震相對平靜有關(對2012年6月30日天山中部6.6級強震孕育背景反映較好)，平均閉鎖深度最深約20.9 km;其次為川滇地區，位錯量最高4.3 mm/a，但61%的段落位錯量2 mm/a以下，強弱差異明顯，平均1.9 mm/a，較天山地區低得多，應與近幾年測區內及周邊強震尤其汶川8.0級和玉樹7.1級等大震活躍、能量釋放調整有關，平均閉鎖深度約16.3 km。青藏塊體東北緣存在一定程度應變積累(位錯量最高近3 mm/a，78%段落低于2 mm/a，平均1.8 mm/a)，平均深度約15.7 km。華北地區應變積累最弱(位錯量最高僅2.5mm/a，64%段落不超過1.3mm/a，平均1.2 mm/a)，平均深度約16.0 km。

(2)4個地區擬合均方差2.1～3.2 mm/a、平均2.7 mm/a(稍高于速度場基本2 mm/a以下的中誤差值，但差異不大，鑒于大多數站點速率量值十幾甚至數十毫米，反演結果合理)。目前強震孕育背景相對顯著的構造區域有南天山西段、川滇交界東部(安寧河—則木河斷裂尤其安寧河斷裂)、紅河斷裂中段至滇西、祁連山斷裂帶西段、西秦嶺北緣斷裂甘青交界段、晉冀蒙交界，及上述區域附近。

(3)本文較以往時段負位錯反演(張希等，2003，2005a，b，2010)多了新疆、華北全部GPS站點，以及南北地震帶陸態網絡工程GPS站點，速度場處理也非同一人完成，故沒有對比負位錯具體量值變化，僅反映近期應變積累特性與分區、分段相對差異。

(4)本文所用速度場未扣除2010年玉樹7.1級、2011年緬甸7.2級和日本9.0級巨震同震位移，這些地震距待反演且最近的鮮水河與金沙江斷裂、永德—龍陵與南汀河斷裂、郯廬斷裂300多公里甚至2 000 km以上，非發震構造，作為負位錯參數反演是為了以后與其它時段做動態對比分析時提供參考。

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