川滇地區(qū)地殼塊體運(yùn)動(dòng)特征研究*

蔣鋒云，朱良玉，王雙緒，張曉亮，張 希，黃 智，鄭申寶

0 引言

強(qiáng)烈地震大多是地殼塊體邊界帶應(yīng)變能積累到一定程度，導(dǎo)致斷層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，能量急劇釋放的結(jié)果。因此，研究主要塊體邊界上應(yīng)變積累的時(shí)空變化特點(diǎn)對(duì)該區(qū)域地震活動(dòng)形勢(shì)的把握至關(guān)重要。對(duì)于塊體邊界帶運(yùn)動(dòng)的研究，一般采用對(duì)實(shí)測(cè)GPS水平運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)進(jìn)行剖面分析獲得(Shen et al，2005;趙靜等，2011)，或者利用位錯(cuò)理論反演獲得 (申重陽(yáng)等，2002;張希等，2011)。用剖面分析方法能夠比較實(shí)際客觀的反映塊體邊界的真實(shí)運(yùn)動(dòng)，但其存在兩個(gè)局限:(1)一般認(rèn)為，彈性變形是地殼變形的主要方式。用剖面分析獲得的塊體邊界運(yùn)動(dòng)可能包含了太過(guò)豐富的形變信息，而干擾了彈性變形信息的提取。(2)由于實(shí)際GPS觀測(cè)點(diǎn)位的分布不均勻，對(duì)體邊界帶空間運(yùn)動(dòng)特征的把握不是很精細(xì)、準(zhǔn)確，無(wú)法獲得塊體邊界帶空間上連續(xù)變化的運(yùn)動(dòng)。用位錯(cuò)方法具有明確的物理意義，但反演參數(shù)過(guò)多，未知假設(shè)對(duì)結(jié)果影響較大，且一般通過(guò)分段反演獲得邊界運(yùn)動(dòng)，不具有空間上的連續(xù)性。

因此，我們有必要對(duì)實(shí)際觀測(cè)速度場(chǎng)進(jìn)行濾波，獲得其彈性變形分量。利用分離得到彈性變形場(chǎng)來(lái)進(jìn)一步計(jì)算塊體邊界的傾滑運(yùn)動(dòng)，從而獲得具有塊體變形意義的邊界運(yùn)動(dòng)特征。筆者引入李延興等 (2001)的均勻彈性塊體變形模型，借助實(shí)際觀測(cè)速度場(chǎng)，通過(guò)對(duì)每個(gè)塊體運(yùn)動(dòng)參數(shù)和應(yīng)變參數(shù)的反演來(lái)模擬塊體的均勻彈性變形場(chǎng)，利用此變形場(chǎng)進(jìn)一步計(jì)算塊體邊界的相對(duì)運(yùn)動(dòng)特征。通過(guò)對(duì)不同時(shí)段GPS資料的計(jì)算結(jié)果，分析塊體內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài)的變化和塊體邊界運(yùn)動(dòng)特征的改變與強(qiáng)震孕育之間的關(guān)系，從而進(jìn)一步探討區(qū)域未來(lái)強(qiáng)震活動(dòng)形勢(shì)。

川滇區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜，強(qiáng)震活動(dòng)頻繁，是我國(guó)地震研究的天然試驗(yàn)場(chǎng) (徐錫偉等，2005)，也是中國(guó)地震局強(qiáng)震危險(xiǎn)性重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域之一。該區(qū)域積累有多期GPS觀測(cè)資料，許多學(xué)者利用GPS資料對(duì)該區(qū)域塊體邊界運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究 (Shen et al，2005;趙靜等，2011;申重陽(yáng)等，2002;王閻昭等，2008;張希等，2011)，但這些研究成果由于其所使用的模型方法的差異，存在不一致性。本文主要基于平面均勻彈性塊體模型，對(duì)該區(qū)域地殼塊體應(yīng)變狀態(tài)及其邊界運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間變化特征進(jìn)行研究。

1 均勻彈性塊體應(yīng)變模型簡(jiǎn)介

李延興 (2001)提出了均勻彈性塊體應(yīng)變模型，該模型將塊體看成是均勻的彈性塊體，GPS觀測(cè)獲得的地殼水平運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)，既包含其剛性運(yùn)動(dòng)，又包含其內(nèi)部發(fā)生的彈性變形，公式如下:

式中，Ve、Vn為塊體上GPS測(cè)點(diǎn)實(shí)際觀測(cè)南北向和東西向的速度;λ、φ為觀測(cè)點(diǎn)經(jīng)緯度;λ0、φ0為塊體中心經(jīng)緯度;ωx、ωy和ωz為塊體剛性歐拉旋轉(zhuǎn)矢量;εe、εn和εen為塊體東西向、南北向主應(yīng)變率和剪應(yīng)變率。

2 川滇地區(qū)構(gòu)造特征及塊體劃分模型

圖1 川滇地區(qū)塊體劃分Fig.1 Block division in Sichuan-Yunnan area

徐錫偉等 (2005)，呂江寧等 (2003)利用形變資料及地質(zhì)資料對(duì)川滇地區(qū)塊體劃分進(jìn)行了研究，一般認(rèn)為川滇地區(qū)可以做如下塊體劃分 (圖1):以鮮水河斷裂—安寧河斷裂—?jiǎng)t木河斷裂—小江斷裂作為川滇塊體的北東—東邊界，以金沙江斷裂—紅河斷裂作為川滇塊體的西—西南邊界，以麗江—小金河斷裂將川滇塊體劃分為滇北和滇南兩個(gè)塊體。其他邊界外圍塊體有巴彥喀拉地塊東部、滇東北、滇東等，其劃分依據(jù)或是根據(jù)斷層展布，或是根據(jù)地形特征所劃分。

3 資料簡(jiǎn)介及使用情況

一般認(rèn)為，較長(zhǎng)時(shí)間段地殼水平運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)更能反映一個(gè)區(qū)域背景構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征，為此首先使用鄭文俊等 (2009)給出的中國(guó)大陸1999～2007年地殼平均年運(yùn)動(dòng)速度 (圖2a)來(lái)進(jìn)行塊體應(yīng)變參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的估計(jì)，然后利用估計(jì)參數(shù)反算塊體均勻速度場(chǎng)，并進(jìn)一步計(jì)算塊體邊界的滑動(dòng)和拉張速率，獲得該區(qū)域一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間段的塊體應(yīng)變狀態(tài)及邊界運(yùn)動(dòng)信息。使用該資料擬合的每個(gè)塊體的殘差中誤差大都在1.6 mm/a內(nèi)，和GPS速度中誤差基本相當(dāng)，擬合效果較好。每個(gè)塊體殘差中誤差計(jì)算公式如下:

式中blockew為塊體東西向殘差中誤差，xobsi代表塊體上某點(diǎn)東西向的觀測(cè)值，xvaluei代表塊體上對(duì)應(yīng)點(diǎn)東向的擬合值，n為塊體內(nèi)部GPS點(diǎn)的個(gè)數(shù)。塊體南北向的殘差中誤差計(jì)算公式依此類(lèi)推。

為了獲得當(dāng)前該區(qū)域的變形特征，我們搜集整理了中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)陸態(tài)網(wǎng)產(chǎn)出的2009及2011兩期GPS觀測(cè)資料，并用GAMIT-GLOBK軟件進(jìn)行了平差計(jì)算。獲得了該區(qū)域2009～2011年最新速度場(chǎng) (圖2b)。利用此資料依據(jù)上述原理進(jìn)行了同樣計(jì)算。這一時(shí)段GPS資料由于受到汶川地震震后、玉樹(shù)地震同震的影響，塊體內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)速度一致性不是很好，初次擬合殘差較大。為此，我們將每次擬合殘差大于3 mm/a的點(diǎn)刪除，重新計(jì)算，經(jīng)過(guò)3次循環(huán)獲得了擬合殘差在2 mm/a以內(nèi)的點(diǎn)，即圖2b中黑色箭頭所示速度。紅色箭頭為刪除的點(diǎn)，從圖上可以看出刪除的點(diǎn)基本上對(duì)塊體的變形特征不會(huì)產(chǎn)生顯著影響，其刪除比例不足5%。因此，我們的計(jì)算能夠反映該時(shí)段塊體內(nèi)部彈性變形特征，獲得的塊體邊界運(yùn)動(dòng)也具有可靠性。

比較兩個(gè)時(shí)段速度場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn)，汶川地震震后龍門(mén)山斷裂西側(cè)，巴彥喀拉東部塊體內(nèi)部地殼縮短消失，龍門(mén)山斷層閉鎖已經(jīng)解體。由于受玉樹(shù)地震同震、汶川地震震后影響，巴彥喀拉塊體向東運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，使得鮮水河斷裂左旋運(yùn)動(dòng)明顯減弱。此外，我們無(wú)法得到更多的信息，為此下面我們依據(jù)上述原理進(jìn)行塊體內(nèi)部彈性變形和邊界錯(cuò)動(dòng)量的計(jì)算。

圖2 1999～2007年 (a)、2009～2011年 (b)GPS速度場(chǎng)Fig.2 GPS velocity fields from 1999 to 2007(a)，and from 2009 to 2011(b)

4 計(jì)算結(jié)果及分析

為了突出塊體內(nèi)部的彈性變形，筆者利用反演得到的塊體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和應(yīng)變參數(shù)，計(jì)算各個(gè)塊體均勻分布的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，并扣除以塊體為基準(zhǔn)的其剛性運(yùn)動(dòng)成分，從而得到以塊體自身為基準(zhǔn)的彈性變形場(chǎng) (圖3)，這一速度場(chǎng)更好的顯示了塊體內(nèi)部的彈性變形。1999～2007年巴顏喀拉地塊內(nèi)部差異運(yùn)動(dòng)顯著，主要以東西向擠壓運(yùn)動(dòng)為主，反映了汶川地震孕震變形。川滇北部塊體表現(xiàn)為以理塘—德巫斷裂為界，呈左旋拉張的形態(tài)。川滇南部塊體表現(xiàn)為近東西向的拉張為主。2009～2011年相比上一時(shí)間段，其變化主要表現(xiàn)在:由于汶川地震的發(fā)生，巴顏喀拉地塊內(nèi)部彈性變形顯著減弱。川滇北部塊體內(nèi)的理塘—德巫斷裂左旋趨勢(shì)有所減弱，而張性運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)。川滇南部塊體由之前明顯的近東西向拉張轉(zhuǎn)變?yōu)橐詨K體內(nèi)部安寧河斷裂中南段為界的左旋運(yùn)動(dòng)特征。

圖4為根據(jù)兩期資料計(jì)算得到的塊體邊界垂直于斷裂走向的傾滑運(yùn)動(dòng)分量及每個(gè)塊體的應(yīng)變特征。從圖4a可以看出，計(jì)算較好的反映了該區(qū)域的構(gòu)造特征:在印度板塊的推擠作用下，川滇地區(qū)的主壓應(yīng)變圍繞喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)呈順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)，這和該區(qū)域地殼沿東南方向擠出的構(gòu)造背景是一致的，青藏高原物質(zhì)的向東擠出與阿薩姆角NEE方向的持續(xù)楔入造成川滇地區(qū)東移，在東部相對(duì)穩(wěn)定的四川盆地和華南塊體的阻擋下，整個(gè)川滇地區(qū)沿鮮水河—小江斷裂帶由向東轉(zhuǎn)為向南運(yùn)動(dòng) (張希等，2007;方穎等，2006)。巴彥喀拉塊體東部近東西向的壓應(yīng)變明顯，表明該塊體內(nèi)部存在顯著的應(yīng)變積累特征。川滇塊體南部主應(yīng)變表現(xiàn)為以近東西向的拉張為主，面應(yīng)變也顯示該塊體以張性為主。這種變形方式的機(jī)理需要我們進(jìn)一步從動(dòng)力學(xué)方面去認(rèn)識(shí)。2009～2011年資料解算結(jié)果和1999～2007年相比，川滇塊體北部、巴彥喀拉地塊近東西向的主壓應(yīng)變明顯減弱，川滇南部塊體近東西向張應(yīng)變方向轉(zhuǎn)為北東向，且量值明顯減弱，可能是玉樹(shù)地震同震及震后、汶川地震震后地殼應(yīng)力松弛調(diào)整影響所致。但兩期資料均顯示，滇東北塊體呈現(xiàn)高應(yīng)變積累狀態(tài)。

塊體邊界相對(duì)運(yùn)動(dòng)的計(jì)算，根據(jù)邊界兩側(cè)利用上述方法反演得到的塊體運(yùn)動(dòng)參數(shù)和應(yīng)變參數(shù)，反算獲得邊界點(diǎn)分屬兩個(gè)塊體的運(yùn)動(dòng)速度，并對(duì)速度進(jìn)行垂直于邊界和平行于邊界的投影，對(duì)投影結(jié)果進(jìn)行直接相減，即可得到塊體邊界走滑和傾滑運(yùn)動(dòng)分量。

使用1999～2007年資料計(jì)算獲得的塊體邊界垂直斷層方向的傾滑運(yùn)動(dòng)顯示:金沙江斷裂、鮮水河斷裂南段—安寧河斷裂—?jiǎng)t木河—小江斷裂北段、紅河斷裂表現(xiàn)為壓性運(yùn)動(dòng)，但量值不大，基本在2 mm/a以內(nèi)。比較兩期資料計(jì)算結(jié)果可以看出，鮮水河斷裂南段受到汶川地震及玉樹(shù)地震的影響，由之前的壓性轉(zhuǎn)變?yōu)閺埿?。龍門(mén)山斷裂可以明顯看出地震發(fā)生后，斷層閉鎖解體，表現(xiàn)出上盤(pán)相對(duì)于下盤(pán)的逆向錯(cuò)動(dòng)。金沙江斷裂壓性顯著增強(qiáng)，麗江—小金河斷裂南段由之前的輕微壓性轉(zhuǎn)變?yōu)閺埿浴t木河斷裂—小江斷裂北段由之前的壓性轉(zhuǎn)為張性，而位于則木河斷裂和安寧河斷裂交匯處的西昌跨斷層短水準(zhǔn)場(chǎng)地，自2009年以來(lái)出現(xiàn)跨斷裂兩側(cè)垂直形變差異異常增大。

圖3 1999～2007年 (a)、2009～2011年 (b)川滇地區(qū)塊體內(nèi)部變形Fig.4 Internal deformation of the block in Sichuan-Yunnan area from 1999 to 2007(a)，and from 2009 to 2011(b)

圖4 1999～2007年 (a)、2009－2011年 (b)塊體邊界傾滑分量和塊體主應(yīng)變率Fig.4 The dip-slip component of boundary between the adjacent blocks and the main strain rate in blocks from 1999 to 2007(a)，and from 2009 to 2011(b)

圖5 是兩期資料計(jì)算得到的平行于塊體邊界的相對(duì)走滑運(yùn)動(dòng)。從較長(zhǎng)時(shí)間段可以看出:整個(gè)區(qū)域塊體邊界走滑運(yùn)動(dòng)特征和地質(zhì)上的描述基本一致，川滇菱形地塊的東邊界鮮水河—安寧河—?jiǎng)t木河斷裂—小江斷裂表現(xiàn)為明顯的左旋走滑，其走滑量值為5～10 mm/a，為地質(zhì)構(gòu)造上獲得的全新世以來(lái)滑動(dòng)速率的三分之二 (徐錫偉等，2005)，和利用剖面分析 (趙靜等，2011;呂江寧等，2003;沈正康等，2003)、利用位錯(cuò)模型反演得到的結(jié)果基本一致 (張希等，2007，2011)。川滇塊體北部和南部的邊界，麗江—小金河斷裂基本上也是以左旋走滑為主，其量值為2 mm/a左右。金沙江斷裂基本以右旋走滑為主，但走滑量不大，為1～2 mm/a。紅河斷裂基本表現(xiàn)為右旋走滑，量值為1mm/a左右。整個(gè)區(qū)域從地表塊體邊界走滑運(yùn)動(dòng)來(lái)看，川滇菱形塊體的東邊界是構(gòu)造活動(dòng)最為強(qiáng)烈的區(qū)域，這和該區(qū)MS7.0以上地震活動(dòng)的空間分布較為一致。2009～2011年最新觀測(cè)資料計(jì)算結(jié)果顯示，整個(gè)區(qū)域塊體邊界走滑運(yùn)動(dòng)特征和前一時(shí)間段基本一致。差別主要體現(xiàn)在:(1)相比前一個(gè)時(shí)間段，該時(shí)間段川滇菱形塊體的東邊界左旋走滑速率明顯減弱，特別是安寧河斷裂和則木河斷裂的交匯部位其走滑速基本上可以忽略;(2)金沙江斷裂北段由之前的輕微右旋轉(zhuǎn)為明顯的左旋，紅河斷裂整體右旋增強(qiáng)。這些差異與該區(qū)域發(fā)生的幾次中強(qiáng)地震緊密相關(guān)，特別是汶川地震和玉樹(shù)地震。對(duì)該區(qū)域的變形特征，需要我們進(jìn)一步結(jié)合孕震機(jī)理從運(yùn)動(dòng)學(xué)原理和動(dòng)力學(xué)機(jī)制上去解釋。此外，兩期資料均顯示，在川滇菱形塊體東邊界的安寧河—?jiǎng)t木河斷裂處，斷層左旋滑動(dòng)速率明顯要低于東邊界上其他位置，這可能揭示了該區(qū)域處于相對(duì)走滑受阻區(qū)域，有益于能量的積累。同時(shí)，兩期資料計(jì)算結(jié)果均顯示，其東側(cè)的滇東北塊體呈現(xiàn)高應(yīng)變積累狀態(tài)。因此該區(qū)域具備發(fā)生中強(qiáng)地震的形變背景。

圖5 1999～2007年 (a)、2009－2011年 (b)塊體邊界走滑分量Fig.8 The strike-slip component of boundary between the adjacent blocks from 1999 to 2007(a)，and from 2009 to 2011(b)

5 結(jié)論及討論

本文主要將均勻彈性塊體模型進(jìn)一步發(fā)展，用于計(jì)算相鄰塊體邊界運(yùn)動(dòng)。該方法和基于位錯(cuò)模型的斷層運(yùn)動(dòng)的反演、模擬相比較，僅僅考慮地殼的平面彈性塊體運(yùn)動(dòng)，并沒(méi)有涉及三維斷層參數(shù)的反演，具有一定的局限性，但實(shí)際觀測(cè)的GPS速度場(chǎng)僅僅是地表的運(yùn)動(dòng)，用該方法具有反演參數(shù)較少、操作簡(jiǎn)單易行、能夠獲得連續(xù)變形的邊界運(yùn)動(dòng)狀況的優(yōu)點(diǎn)。本文用此方法對(duì)川滇地區(qū)塊體邊界運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，和其他專(zhuān)家對(duì)該區(qū)域用剖面方法計(jì)算斷層運(yùn)動(dòng)結(jié)果大體一致，說(shuō)明這種方法具有一定的可行性。另外用于計(jì)算塊體彈性變形的模型有很多種，每種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如何選擇最優(yōu)的模型來(lái)進(jìn)行彈性變形場(chǎng)的計(jì)算，也是需要進(jìn)一步探索的問(wèn)題。

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