龍門山斷裂周邊區(qū)域在汶川Ms8.0地震和蘆山Ms7.0級地震前的地殼形變特征對比研究*

周德敏 甘衛(wèi)軍 李金平 陳為濤 丁曉光 梁詩明

1)中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

2)云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，昆明 650500

3)中國地震局地殼運動監(jiān)測工程研究中心，北京100036

2013-04-20 四川蘆山發(fā)生Ms7.0級強(qiáng)震，震中位于30.314°N、102.934°E，震源深度12.3 ～15 km，震源斷層走向N40°E，傾角約35°［1－2］。推測發(fā)震斷層為龍門山斷裂系前山斷裂的雙石-大川斷裂，但也不排除是大邑斷裂的可能性［3］。無論是雙石-大川斷裂還是大邑斷裂，其破裂發(fā)震的構(gòu)造動力學(xué)背景都是青藏高原中東部巴顏喀拉塊體的東向逃逸對華南塊體西北端四川盆地的強(qiáng)烈擠壓，屬碰撞帶內(nèi)部的逆斷層型地震。本次地震與2008年汶川Ms8.0地震相距不到100 km，兩個地震是否為主-余震關(guān)系尚未取得共識。

汶川Ms8.0地震后，許多學(xué)者從地震應(yīng)力觸發(fā)的角度研究了龍門山斷裂帶周邊區(qū)域的地震危險性，認(rèn)為龍門山斷裂的西南段處于應(yīng)力加載狀況［4－5］。因而，本次地震的發(fā)生可認(rèn)為是該區(qū)域地殼應(yīng)力場和龍門山斷裂帶應(yīng)力分布狀況在汶川地震5 a 后的又一次調(diào)整，而這種應(yīng)力調(diào)整，必然伴隨著一定區(qū)域地殼形變或地殼應(yīng)變率的變化。本文基于龍門山地區(qū)多年來由“中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)”、“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”GPS 觀測站和汶川Ms8.0地震后局域連續(xù)GPS 觀測網(wǎng)所積累的GPS地殼運動觀測資料，分析對比龍門山斷裂周邊地區(qū)在兩次大震之前的地殼形變特征，以便更好地認(rèn)識大震孕育區(qū)的震前地殼形變場變化規(guī)律和方式。

1 GPS 資料處理

本文選取龍門山斷裂周邊74 個GPS 觀測站(圖1)，站點類型和觀測狀況見表1。采用JPL 開發(fā)的高精度GPS 處理軟件GIPSY-OASIS 處理上述資料。

表1 本文所用龍門山斷裂周邊GPS 站點觀測信息Tab.1 Information of GPS stations aroundin Longmenshan fault zone

圖1 龍門山斷裂帶及周邊地區(qū)GPS 站點分布Fig.1 Distribution of GPS stations around Longmenshan fault zone

第一，首先從JPL 網(wǎng)站獲取相應(yīng)觀測日的IGS 精密衛(wèi)星軌道、精密衛(wèi)星時鐘改正、衛(wèi)星掩蔽信息等信息，采用精密單點定位方法［6］，以消電離層影響的線性組合作為觀測量，衛(wèi)星截止高度角15°，數(shù)據(jù)采樣率300 s。固定JPL 精密星歷和時鐘，采用先驗對流層干延遲模型和對流層投影函數(shù)分別為全球大氣壓和溫度模型GPT(global pressure and temperature)及GMF［7］進(jìn)行處理;海洋潮汐影響改正由FES2004 海洋潮汐模型基于格林函數(shù)在線計算獲得(http://holt.oso.chalmers.se/loading)。處理過程中考慮星歷、鐘差、儀器偏差(DCB)、接收機(jī)天線相位中心和衛(wèi)星相位中心等產(chǎn)品的自洽性。估計參數(shù)除基準(zhǔn)站坐標(biāo)和接收機(jī)鐘差外，還包括對流層延遲參數(shù)，從而解算每個本地站和部分IGS 全球核心參考站的單日坐標(biāo)松弛約束解。其中，部分IGS 全球核心站的加入是為了建立本地網(wǎng)與全球參考框架之間的聯(lián)絡(luò)紐帶。

第二，將已獲得精密單點定位結(jié)果的所有站點組網(wǎng)，進(jìn)一步采用載波相位整周模糊度解的Ambizap 算法［8］，利用固定點法則確定觀測網(wǎng)參數(shù)的各種線性組合，生成唯一、自洽且消除整周模糊度的單日解，并通過7 參數(shù)變換將單日解轉(zhuǎn)換到ITRF2008框架下［9］。對網(wǎng)中所有獨立的站間基線進(jìn)行整周模糊度影響改正，進(jìn)一步提高單日坐標(biāo)松弛約束解的精度。

第三，根據(jù)JPL 提供的每日參考框架轉(zhuǎn)換參數(shù)，將單日松弛約束解轉(zhuǎn)換到指定的全球參考框架下(如ITRF2008)，得到各站點的坐標(biāo)變化時間序列。

第四，利用QOCA 軟件［10］對上述龍門山地區(qū)所有GPS 觀測站和全球80 個IGS 核心參考站不同時期、不同網(wǎng)絡(luò)的單日松弛約束解進(jìn)行聯(lián)合平差。在假定各站點三維坐標(biāo)隨時間呈線性變化的約束下，確定ITRF2008 參考框架下各站點坐標(biāo)和水平速度的估值及其誤差。

2 兩個地震前的GPS 速度場差異

選取龍門山斷裂東側(cè)四川盆地內(nèi)部的9 個相對較為穩(wěn)定的GPS 站點，建立一個“穩(wěn)定四川盆地”的參考框架，將兩套GPS 速度場均歸化到這一參考框架下。首先通過這9 個點在ITRF2008 參考框架下的速度矢量，求解歐拉旋轉(zhuǎn)參數(shù);然后，將區(qū)域內(nèi)所有的GPS 速度矢量扣除這一歐拉剛性旋轉(zhuǎn)，從而使這9 個點相對于穩(wěn)定的四川盆地不再有整體的平移或旋轉(zhuǎn)。這樣，其他點旋轉(zhuǎn)后的速度矢量，即被歸化至“穩(wěn)定四川盆地”參考框架。圖2 和圖3 分別為兩個地震之前的GPS 速度場。

由圖2 可見，在汶川地震前，位于整個龍門山斷裂帶西側(cè)的H051、H050、H045、H061 等GPS 觀測點相對于穩(wěn)定的四川盆地，水平向縮短量小于2 mm/a，即相對于四川盆地并沒有明顯的水平向縮短變形。此外，介于瑪尼-玉樹-鮮水河斷裂帶與東昆侖斷裂帶之間的巴顏喀拉塊體東向擠出受到華南塊體的阻擋，在高塑性上地殼物質(zhì)的擠壓和重力共同作用下，龍門山斷裂帶中段、北段向東北方向逃逸，量值為1 ～2 mm/a。

在汶川地震后(見圖3)，由于震后形變弛豫效應(yīng)，位于龍門山斷裂帶中北段的H045、H050、H051等GPS 觀測點相對于穩(wěn)定的四川盆地，水平向縮短量不小于10 mm/a;而位于龍門山斷裂帶南段的H061、H377、H384 等GPS 觀測點與汶川地震前相同，其相對于穩(wěn)定的四川盆地，水平向縮短量小于2 mm/a，并沒有明顯的水平向擠壓縮短。

圖2 汶川Ms8.0地震前GPS 水平運動速度場(“穩(wěn)定四川盆地”參考框架)Fig.2 Horizontal velocity field before Wenchuan Ms8.0 earthquake(In Sichuan basin fixed reference frame)

圖3 蘆山Ms7.0地震前GPS 水平運動速度場(“穩(wěn)定四川盆地”參考框架)Fig.3 Horizontal velocity field before Lushan Ms7.0 earthquake(In Sichuan basin fixed reference frame)

需要說明的是，對比汶川Ms8.0地震震前的速度場，蘆山Ms7.0地震前GPS 站點的速度場誤差相對較大，主要是由于GPS 觀測時段跨度較短，但這種相對較大的誤差不會對基本認(rèn)識有實質(zhì)性的影響。

3 震前應(yīng)變率場

利用位移求解應(yīng)變，分為平面坐標(biāo)系求解和球面坐標(biāo)系求解兩大類。通常情況下，如果位移場覆蓋范圍較小，則可用忽略地球曲率影響的平面坐標(biāo)系公式計算相應(yīng)區(qū)域的均勻應(yīng)變、整體平移和旋轉(zhuǎn)［11］。但更嚴(yán)密的做法應(yīng)是無論區(qū)域大小，均盡可能采用球面坐標(biāo)系下的計算方法，以克服地球曲率或投影變形等因素產(chǎn)生的影響［12］。采用下式進(jìn)行應(yīng)變計算［13］:

式中，φ、θ 和r 為地球坐標(biāo)系下的經(jīng)度、余緯度和地心距;uφ、uθ和ur表示各觀測點的東向、北向和垂向位移;φ0、θ0和r0表示觀測網(wǎng)中心點的坐標(biāo);Uφ、Uθ和Ur表示觀測網(wǎng)中心點的三方向位移;Δφ、θ0和r0表示觀測點到觀測網(wǎng)中心點的距離;和表示各應(yīng)變分量;和表示旋轉(zhuǎn)量。只要知道3 個或以上觀測點的東向、北向和垂向三維速度值，就可用最小二乘擬合，求出觀測網(wǎng)的9 個參數(shù)Uφ、和

為了由離散的GPS 速度矢量獲得空間上連續(xù)變化的應(yīng)變率場，首先采用二維“高張力樣條”(τ=0.95)內(nèi)插算法對非均勻的GPS 速度場進(jìn)行0.5° ×0.5°的均勻預(yù)測加密，然后根據(jù)每個1° ×1°網(wǎng)格邊界及內(nèi)部的9 個內(nèi)插速度矢量，計算出相應(yīng)1° ×1°網(wǎng)格內(nèi)的均勻應(yīng)變率。這種基于9 個加密網(wǎng)格點的單元區(qū)域均勻應(yīng)變率計算，既能控制應(yīng)變計算單元網(wǎng)格的密度，又能充分反映那些高密度觀測區(qū)實際觀測結(jié)果對應(yīng)變計算的貢獻(xiàn)。

這里所采用的二維張力樣條是一種基于所有已知點的通用內(nèi)插算法。其中的張力參數(shù)τ(0≤τ ＜1)表示曲面膜中張力應(yīng)變能所占總應(yīng)變能的份額。當(dāng)τ=0 時，這種內(nèi)插算法等同于曲率平方和最小的雙調(diào)和樣條。隨著張力的增加，整個曲面膜曲率的平方和也隨之增加。而當(dāng)τ→1 時，這種算法將等同于基于所有已知點的線性內(nèi)插。Gan［14］通過對數(shù)種方法的比較發(fā)現(xiàn)，“高張力樣條”法對速度場的內(nèi)插效果較優(yōu)。基于上述方法，獲取龍門山地區(qū)在汶川Ms8.0地震和蘆山Ms7.0地震前的地殼應(yīng)變率場(圖4、圖5)。

在2008年汶川Ms8.0地震前(圖4)，龍門山斷裂帶中段、北段的典型應(yīng)變率值小于10 nanostrain/a，而南段的應(yīng)變率值約為30 nanostrain/a，反映了巴顏喀拉地塊東部物質(zhì)向東順時針扭轉(zhuǎn)運動并未引起龍門山斷裂帶中段、北段的壓縮應(yīng)變。

圖4 汶川Ms8.0地震震前應(yīng)變率場Fig.4 Strain rate filed in Longmenshan fault zone before Wenchuan Ms8.0 earthquake

圖5 蘆山Ms7.0地震前地殼應(yīng)變率場Fig.5 Strain rate filed in Longmenshan fault zone before Lushan Ms7.0 earthquake

在2008年汶川Ms8.0地震后(圖5)，由于地震弛豫效應(yīng)對周圍區(qū)域的影響，龍門山斷裂帶周邊地區(qū)的應(yīng)變率值明顯增加，其中龍門山斷裂帶中段、北段的水平應(yīng)變率值達(dá)到200 nanostrain/a 以上，四川盆地、巴顏喀拉地塊及鮮水河斷裂帶均有明顯增大;但蘆山Ms7.0地震的發(fā)震斷層附近，應(yīng)變率值在汶川地震前、后未有明顯變化，擠壓縮短的典型應(yīng)變率仍為30 nanostrain/a，其結(jié)果與Wu 等［15］獲得的龍門山斷裂帶南段水平應(yīng)變率明顯增大的結(jié)論不同。

4 結(jié) 論

本研究初步結(jié)論如下:

1)受汶川Ms8.0地震震后形變弛豫效應(yīng)影響，龍門山斷裂帶中北段水平向縮短量不小于10 mm/a，而龍門山斷裂帶南段與汶川地震震前相比，其水平向縮短量小于2 mm/a，并沒有明顯的水平向擠壓縮短。

2)由于汶川Ms8.0地震對周邊區(qū)域震后地殼變形的調(diào)整作用，龍門山斷裂帶南段的水平應(yīng)變率在震后有明顯增大，但對比周邊區(qū)域，蘆山Ms7.0地震震中附近區(qū)域由于孕震斷層及其附近區(qū)域的地殼形變因彈性變形已趨于極限狀態(tài)，其地殼形變趨緩或保持低的形變狀態(tài)而應(yīng)變率值為一個相對的“低值區(qū)”，其擠壓縮短的典型應(yīng)變率為30 nanostrain/a，而周邊擠壓縮短的典型應(yīng)變率量值至少在60 nanostrain/a 以上。

3)兩次強(qiáng)震都發(fā)生在擠壓縮短的典型應(yīng)變率“低值區(qū)”斷層上，其原因可能是即將發(fā)生大地震的孕震區(qū)域，其應(yīng)力已處于巖石破裂的臨界狀態(tài)，巖石的彈性變形積累也已趨于極限狀態(tài)，因此，其地殼形變的增量或應(yīng)變率將趨緩或保持低值。

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