鮮水河斷裂帶間震期斷層滑動與轉動特征研究

楊九元　張永志　祝意青　姜永濤　楊　珍

1　長安大學地質工程與測繪學院，西安市雁塔路126號， 710054 2　中國地震局第二監測中心，西安市西影路316號， 710054 3　南陽師范學院環境科學與旅游學院，南陽市臥龍路1638號， 473061

鮮水河斷裂帶間震期斷層滑動與轉動特征研究

楊九元1張永志1祝意青2姜永濤3楊珍1

1長安大學地質工程與測繪學院，西安市雁塔路126號， 710054 2中國地震局第二監測中心，西安市西影路316號， 710054 3南陽師范學院環境科學與旅游學院，南陽市臥龍路1638號， 473061

摘要：構建描述斷層平動和轉動的向-位錯模型，利用2001～2004 年的GPS數據，采用粒子群算法反演鮮水河斷裂帶不同分段處的斷層滑動和轉動情況，最后由正演計算驗證反演斷層參數的可靠性。結果表明：1)鮮水河斷裂帶斷層活動以滑動特性為主，整體呈左旋走滑運動，局部兼有擠壓；2)鮮水河斷裂帶轉動特征分段性較為明顯，北西段和南東段的斷層轉動特征較強，且南東段斷層轉動最為顯著。

關鍵詞：鮮水河斷裂帶；向-位錯模型；粒子群算法；斷層轉動

鮮水河斷裂帶位于青藏高原東南緣，為川滇菱形塊體的東北界，是中國大陸內部一條大型的左旋走滑斷裂帶。該區域地震活動性較強[1]，具有規模大、地震頻發等特點。關于鮮水河斷裂帶構造活動特征的研究成果較多[2-3]，但關于該斷裂帶轉動特征的研究較少。本文基于位錯理論，考慮斷層轉動對地表變形的影響，建立一種描述斷層滑動和轉動的向-位錯組合模型，利用鮮水河斷裂帶GPS實測數據，采用粒子群算法反演鮮水河斷裂帶斷層滑動和轉動特征，對認識鮮水河斷裂帶斷層活動有重要的意義。

1向-位錯理論模型

描述斷層滑動與地表形變關系的位錯理論已得到了廣泛應用，孫文科等[4]對位錯理論進行了深入系統的討論和分析。向錯理論[5]研究的是無限彈性介質中兩平面無變形轉動與地表可觀察變形的關系。目前，在宏觀地殼形變的應用研究上，向錯理論還處于初步階段。張永志等[6]采用向錯理論初步研究了斷層轉動與地表形變的關系，認為斷層轉動和斷層滑動對地表形變大小的影響在同一數量級，且在空間分布上有相似的特征。

斷層面質點的剛性運動包括平移和旋轉兩部分[7]，地表發生平移與地表形變的關系可以由位錯理論來描述，而轉動部分尚沒有一個完整的理論模型來解釋。為進一步探討，假設彈性半空間中存在一個不連續的斷層面，斷層上盤相對于下盤的轉動矢量ω和平動矢量b可以表示為：

(1)

(2)

基于彈性力學中的幾何方程,總應變表示為：

(3)

彈性介質中本征應力應變本構關系為：

(4)

代入體力為0的應力平衡微分方程,得：

(5)

解方程(5),可求得由格林函數張量表示的位移場一般積分公式：

(6)

(7)

式中，εlqr為愛因斯坦約定符號，bl=0時只存在向錯引起的位移，ω=0時只存在位錯引起的位移。

為研究地表變形與斷層運動(滑動和轉動)的關系，需建立相應的坐標系，見圖1。圖1(a)為彈性半空間斷層坐標系，x軸平行于矩形斷層面走向，地面的垂線方向為z軸，且經過斷層面左下角，y軸在地面內垂直于x、z軸，坐標原點在地表面x、y與z軸交匯處。圖1(b)為斷層面坐標系，ξ、η軸在斷層面上分別平行于斷層面的長度和寬度，坐標原點在矩形斷層面左下角。圖1(c)、(d)、(e)為斷層的3種轉動方式，分別對應于以垂直于斷層面且通過左下角點的軸線、η軸和ξ軸為旋轉軸的斷層轉動形式。基于式(1)～(7)，本文實現了由C++語言編制的描述矩形斷層平動和轉動與地表位移關系的正演程序。

圖1　斷層滑動和轉動坐標系Fig.1　The coordinate system of fault sliding and rotation

2鮮水河斷裂帶反演結果與討論

鮮水河斷裂帶整體呈NW-SE向展布，北起甘孜東谷附近，向南東經爐霍、道孚、乾寧、康定,至瀘定磨西以南逐漸消失，全長約350km。本文利用中國地殼觀測網絡2001～2004年的GPS水平觀測數據對鮮水河斷裂帶斷層活動進行研究。

實際的斷層活動可能只有一到兩個方向會發生明顯的滑動和轉動。為細致研究鮮水河斷裂帶斷層活動，假設每段斷層只沿走向、張裂方向滑動，且存在ω1和ω3形式的轉動。由于鮮水河斷層傾角資料較少，可靠性不高，考慮傾角對模型本身的改善可能并不明顯，本文根據前人的研究成果[8]對斷層深度、寬度、傾角都取近似或相同值，且模型中約定每段斷層傾角為90°。此外，考慮到較長斷層一側的轉動可能會導致另一側較大的變形，為盡可能減少模型誤差，在已有研究的基礎上[9]將鮮水河斷裂帶細分為17段。鮮水河斷裂帶分段情況見表1。

表1　鮮水河斷裂帶各子斷層參數

根據鮮水河斷裂帶17個子斷層的幾何參數，利用2001～2004 年的GPS數據，基于粒子群算法[10]反演每個子斷層上的滑動和轉動參數。反演過程為：1)選取斷層附近GPS站點數據，利用多面函數法去除鮮水河斷裂帶的整體運動；2)基于本文構建的向-位錯模型，采用粒子群算法對各段斷層滑動和轉動參數進行反演。反演時的目標函數為：

(8)

式中，u(P)代表向-位錯模型模擬的觀測數據，u(O)代表觀測到的地表位移數據，n代表觀測點個數。解算的各斷層滑動和轉動參數見表2。

由表2知，在斷層滑動方面，鮮水河斷裂帶構造運動具有明顯的分段性運動差異，主要以左旋走滑運動為主，局部有擠壓，走滑速率約為4 ～17.9 mm/a，與已有研究結果基本一致[8-9,11-12](數值上略偏小，可能與向-位錯模型中考慮斷層轉動因素有關)。總體上，東南段平均滑動速率比西北段大，可能和鮮水河斷裂帶東南段與安寧河斷裂、龍門山斷裂帶交匯處的復雜構造運動有關。

表2　各子斷層滑動與轉動參數反演結果

注：經、緯度為子斷層坐標原點且取矩形斷層左下角坐標，規定走滑以左旋為正，張裂以拉張為正，ω1形式的轉動以逆時針旋轉為正，ω3形式的轉動以逆時針轉動為正。

鮮水河斷裂帶表現出了一定的旋轉特性且不同段處轉動形式和大小不同，與李鐵明等[13]提出鮮水河斷裂帶地區存在一定旋轉運動的結論較一致。該斷裂帶西北段主要表現為ω3形式的轉動，局部兼有ω1形式的轉動，中段斷層轉動特征表現微弱，逐漸消失，在南東段轉動數值上達到最大，其中ω1、ω3分別達到0.3″、0.7″；相對于北西段，南東段整體上呈現出的轉動特性更顯著，且南東段和北西段具有一定的轉換構造樣式，可能由于在青藏高原物質東向擠出的作用下，該斷裂帶內部物質介質參數不均勻，活動斷裂幾何參數以及不同段處構造背景不同，不同構造應力作用下表現出的一種運動特性。

為驗證各斷層滑動和轉動參數的可靠性，采用表2反演結果，基于向-位錯組合模型進行正演模擬，計算出鮮水河斷裂帶區域的地表水平形變并與實測GPS數據進行對比，見圖2。可以看出，模擬結果和實測結果在大小和方向上有較好的一致性。北西段和南東段個別擬合點存在一定的差異性，一方面可能是由所取活動斷裂幾何參數、測量誤差等多種因素引起;另一方面也可能與該區域存在的深大活動斷裂帶有關,甘孜-玉樹斷裂東段與鮮水河斷裂北西段交匯，龍門山斷裂、安寧河斷裂與鮮水河斷裂在其南東段出斜交。

圖2　基于向位錯模型模擬的鮮水河斷裂帶區域形變與實測的GPS數據內部形變Fig.2　The simulated deformation of Xianshuihe fault zone area based on the disclination-dislocation model and internal deformation of the measured GPS data

3結語

本文基于向-位錯模型，采用粒子群算法對鮮水河斷裂帶的斷層活動(滑動和轉動)進行分段反演，然后利用反演得到的斷層參數，進行正演模擬，并與GPS實測數據進行對比驗證。研究表明：

1)鮮水河斷裂帶主要表現為左旋走滑運動，局部兼有擠壓，走滑速率約為4～17.9 mm/a。整體上，東南段的平均滑動速率比西北段大。

2)鮮水河斷裂帶主要是以ω1、ω3形式轉動，且不同段處轉動形式和大小不同。其中，南東段斷層轉動特性表現較顯著，ω1、ω3分別最大達到0.3″、0.7″。

3)向-位錯模型考慮斷層轉動對地表變形的影響，是經典位錯模型的發展，可以更為細致地描述斷層的活動情況。

本文僅利用GPS數據研究了鮮水河斷裂帶的分段斷層活動情況。為使向-位錯理論適用于復雜斷裂構造區域的斷層活動研究(而不是孤立的一條斷裂)，在以后的研究工作中尚需從反演目標函數優化等方面對模型和軟件進行改進。

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Foundation support:National Natural Science Foundation of China, No.41374028, 41274083,D040102;Dr Special Foundation of Nanyang Normal University,No.ZX2016007.

About the first author:YANG Jiuyuan, postgraduate, majors in crustal deformation and geodynamics, E-mail:291813306@qq.com.

Research on Slip and Rotational Characteristics of Xianshuihe Fault Zone during the Earthquake Period

YANGJiuyuan1ZHANGYongzhi1ZHUYiqing2JIANGYongtao3YANGZhen1

1School of Geology Engineering and Geomatics, Chang’an University,126 Yanta Road, Xi’an 710054, China 2Second Crust Monitoring and Application Center,CEA,316 Xiying Road,Xi’an 710054, China 3School of Environment Science and Tourism, Nanyang Normal University, 1638 Wolong Road, Nanyang 473061, China

Abstract:For the purpose of detailed study of the Xianshuihe fault activity, the disclination-dislocation model is put forward in this paper. This model combines GPS data in the area of 2001-2004 with article swarm optimization to inter-fault sliding and rotation at different segments of the fault zone.Wethen verify the reliability of fault parameters based on forward calculation. Our results show: 1) The Xianshuihe fault zone, which presents left-lateral strike-slip movement on the whole and extrusion on the local scale, gives priority to sliding characteristics; 2) The Xianshuihe fault zone presents more rotation characteristics in the southeast segment than in the northwest segment.

Key words:Xianshuihe fault zone; disclination-dislocation model; particle swarm optimization; fault rotation

收稿日期：2016-01-21

第一作者簡介：楊九元，碩士生，主要研究方向為地殼形變與地球動力學，E-mail: 291813306@qq.com。

DOI：10.14075/j.jgg.2016.07.009

文章編號：1671-5942(2016)07-0600-04

中圖分類號：P315

文獻標識碼：A

項目來源：國家自然科學基金(41374028，41274083,D040102);南陽師范學院博士專項基金(ZX2016007)。