龍門山斷裂帶西南段閉鎖與變形特征

趙靜 任金衛 江在森 劉曉霞 牛安福 閆偉 岳沖 苑爭一

摘要：為研究龍門山斷裂帶西南段斷層閉鎖程度與變形狀態，并分析該區域地震危險性，利用1999-2007、2009-2011、2011-2013和2013-2015年共4期GPs速度場，采用DEFNODE負位錯反演程序估算了該斷裂的閉鎖程度和滑動虧損空間動態分布，并結合1990-2017年跨斷層水準資料分析了斷層的三維運動變形特征。結果表明：（1）龍門山斷裂帶西南段在汶川地震前后一直處于較強的閉鎖狀態，且汶川地震使西南段應變積累速度加快，加速了蘆山地震的孕育進程；蘆山地震后西南段閉鎖程度并沒有明顯減弱，蘆山地震對西南段的應變能釋放是局部的和有限的。（2）龍門山斷裂帶4期垂直斷層滑動虧損速率均為擠壓虧損速率，汶川地震后西南段虧損速率明顯增大，而后2期西南段虧損速率逐漸減小，目前依然明顯高于汶川地震前量值。（3）汶川地震前跨斷層水準結果顯示龍門山斷裂帶西南段處于完全閉鎖狀態，汶川地震后多個場地的年均垂直變化速率明顯增大，并隨時間呈逐漸衰減狀態，目前已經恢復至汶川地震前正常變化速率，因此西南段仍然處于閉鎖狀態。綜合GPS反演結果和跨斷層水準結果分析認為，目前龍門山斷裂帶西南段在大部分段落處于強閉鎖狀態下依然有發生大地震的可能性。

關鍵詞：龍門山斷裂西南段；斷層閉鎖；年均垂直變化速率；汶川地震；蘆山地震

中圖分類號：P315.725 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2018）02-0216-10

0 引言

龍門山斷裂帶西南段即從汶川地震的余震區南端至康定地段，是在汶川地震時未破裂的、值得警惕的特殊地段（陳運泰等，2013），2013年4月20日的四川蘆山7.0級地震即發生在該段，這是繼2008年5月12日汶川8.0級地震后，龍門山斷裂帶上發生的又一次強震。汶川地震前整條龍門山斷裂帶基本完全閉鎖，僅西南段閉鎖稍弱；汶川地震后，該斷裂帶中北段基本完全解鎖，而其西南段的應變積累速度進一步加快（武艷強等，2013；趙靜等，2013；周海濤等，2017），其周圍庫倫應力也有所增加（單斌等，2009，2013；邵志剛等，2010）：汶川地震5年后，該斷裂帶西南段發生的蘆山地震就位于應變積累速度加快和庫倫應力增加的區域。蘆山地震破裂可能發生于龍門山斷裂帶西南段主干斷裂以東的盲斷層，在活動斷層及其臨近地段沒有發現明顯的地震地表破裂帶（徐錫偉等，2013），GPS地表位移結果表明該地震雖然導致龍門山斷裂帶西南段整體應變有一定的釋放，但主干斷裂應變釋放的尺度有限（武艷強等，2013），且仍存在地震破裂空段。因此，目前龍門山斷裂帶西南段的地震危險性仍需持續跟蹤研究。

汶川地震和蘆山地震的震源機制結果都顯示地震以逆沖運動為主，這2次大地震的發生導致巴顏喀拉塊體向四川盆地的擠壓運動增強，并使2個塊體之間的龍門山斷裂帶未破裂段落的應變能積累速度加快，因此目前龍門山斷裂帶西南段尤其是破裂空段附近斷層的運動與閉鎖特征，斷層周邊區域的地殼三維變形特征，該破裂空段的地震危險性等成為了亟待研究的科學課題。本文所用GPS資料包括1999-2007、2009-2011、2011-2013和2013-2015年4期中國大陸GPS水平速度場數據，采用DEFNODE負位錯程序反演了龍門山斷裂帶西南段的閉鎖程度和滑動虧損動態空間分布情況；利用布設在龍門山斷裂帶西南段附近的1990-2017年跨斷層水準資料，采用斷層年均變化速率分析了該斷裂帶垂直運動和變形規律，并結合上述三維結果綜合分析討論了龍門山斷裂帶西南段的地震危險性。

1 GPS資料選取與斷層模型構建

地殼內部斷層閉鎖深度、不同位置的閉鎖程度會對地殼表面變形產生很大影響，他們是影響發震斷裂帶應變積累的主要因素，能在很大程度上反映斷裂帶的地震危險性，而通過地表GPS速度場結果能夠反演斷層深部閉鎖的相關信息。本文所用GPS資料包括4期中國大陸GPS水平速度場數據（圖1，其中包括中國地震局地震預測研究所于汶川地震后在龍門山斷裂帶西南段和鮮水河—安寧河斷裂帶附近布設的14個GPS連續觀測站）。

考慮到龍門山斷裂帶與鮮水河斷裂帶、安寧河—則木河—小江斷裂帶在青藏高原東緣構成了交叉口（方穎等，2010），這3條斷裂帶之間的運動與變形存在相互影響，因此本研究在建立塊體和斷層系統模型時同時考慮了上述3條斷裂帶，將整個研究區域以它們為邊界，劃分為川滇地塊、巴顏喀拉地塊和華南地塊（圖1）。由于川滇菱形塊體內部具有相似的運動與變形特征，因此將其作為一個地塊——川滇地塊（申重陽等，2002；Gan et al，2007；Thatcher，2007）：巴顏喀拉地塊為鮮水河斷裂帶、龍門山斷裂帶和東昆侖斷裂帶東段所圍成的區域（喬學軍等，2004；Meade，2007；Hao et al，2014）：華南地塊的邊界范圍如圖1所示。

數據約束方面，包括1999-2007年203個，2009-2011年341個，2011-2013年361個以及2013-2015年354個GPS測點參與反演（圖1），其中1999-2007年結果由王敏研究員提供，其余3期結果由武艷強研究員提供。反演過程中，沿龍門山斷裂走向共設置7條等深線，深度依次為0.1、6、12、15、18、20和22.5km，每條等深線上設置17個節點，由于本文重點研究龍門山斷裂帶西南段，因此西南段節點較密，間距為15.8～16.7km，中北段節點較疏，間距為47～64km；根據前人（王衛民等，2008；徐錫偉等，2008；張培震等，2008；朱介壽，2008；杜方等，2009；Xu et al，2009；Wang et al，2011）的研究結果，每2排節點之間的斷層傾角從地表至深部依次設置為55°，50°，20°，10°，7°和7°；斷裂總長度為479km，斷層面總寬度為78km（圖3、4）。

2 最優模型結果

本文反演采用DEFNODE程序（Savage et al，2001；McCaffrey et al，2002，2007；趙靜等，2013，2016），該程序能夠利用GPS數據、水準數據、InSAR數據等反演計算塊體旋轉、塊體內部永久應變、塊體邊界斷層閉鎖程度等，其中斷層閉鎖程度為斷層滑動虧損速率與斷層長期滑動速率的比值，比值為0表示斷層完全蠕滑，比值為1表示斷層完全閉鎖，比值在0～1之間，表示斷層只是部分閉鎖。

汶川地震前龍門山斷裂帶處于強閉鎖狀態，積累了足夠的彈性應變能。為了充分體現斷層閉鎖產生的彈性應變能，在處理1999-2007年GPS數據時，認為3個地塊內只存在整體旋轉運動和由于斷層閉鎖而產生的彈性應變，不存在內部永久應變。通過大量試算得到了最優模型，其中GPS水平速度場數據誤差權重因子f=2.5，xn2=1.017。汶川地震后，龍門山斷裂帶中北段附近積累的彈性應變能得到了釋放，同時震后余滑和粘彈性松弛等作用也表現出來，所以巴顏喀拉地塊內靠近中北段附近的GPS測點運動速率明顯加快（圖1），在地塊內部產生拉張應變。因此在處理2009-2011、2011-2013和2013-2015年GPS數據時，最優模型為巴顏喀拉地塊和川滇地塊內部存在永久應變，華南地塊內部不存在永久應變。2009-2011年GPS水平速度場數據誤差權重因子f=2.1，xn2=1.136；2011-2013年f=2.7，xn2=0.992；2013-2015年f=5.0，xn2=1.027。

為進一步說明模型擇優效果，圖2主要給出了龍門山斷裂帶周邊區域的4期擬合殘差分布。1999-2007年殘差結果顯示模型擬合效果較好，尤其是龍門山斷裂帶附近擬合殘差值很小（圖2a）。2009-2011年殘差結果顯示龍門山斷裂帶和鮮水河斷裂帶附近擬合殘差值較大（圖2b），而2011-2013年殘差結果顯示這2條斷裂帶附近擬合殘差值較上一期有所減小（圖2c），2013-2015年殘差結果顯示這2條斷裂帶附近擬合殘差值進一步減小（圖2d）。另外，就整體擬合效果來看，震后3期的擬合結果也是越來越好。

大地震引起的震后變形包括震后余滑和粘彈性松弛等作用，無論是哪種震后形變機制，其根本原因是主震造成了應力擾動，進而發生應力松弛。震后早期的形變可以用發生在斷層面上的蠕滑加以模擬，而大震之后的粘彈性松弛造成地表位移較小，但衰減速率較慢，震后影響時間長（王麗鳳等，2013）。由于研究區GPS連續站太少，不能對這一構造介質相對復雜區域的震后應力松弛作用提供有效約束，且震后應力松弛作用在塊體變形上的表現是使塊體產生內部應變，因此本文反演過程中將震后余滑和粘彈性松弛等用塊體內部永久應變來簡單代替，這使得震后數據擬合的殘差中應該還包含了部分震后應力松弛作用的影響。從震后3期的擬合結果還可以看出，震后應力松弛作用在逐漸減弱，擬合效果越來越好，而由于粘彈性松弛影響范圍大、時間長，且震后早期的貢獻不如余滑大（譚凱等，2005；王麗鳳等，2013；孫赫等，2016），因此減弱的應力松弛作用可能主要是震后余滑。

3 斷層閉鎖程度與滑動虧損速率動態跟蹤結果

3.1 斷層閉鎖程度

通過多次反演計算，我們得到了最優模型中龍門山斷裂帶4期斷層閉鎖程度的動態變化分布，圖3為地面投影結果，圖4為空間分布結果。反演結果表明：1999-2007年，整條龍門山斷裂基本處于強閉鎖狀態，只有汶川地震的震源位置處，閉鎖相對較弱；其西南段有寬度約20km斷層在15～22.5km深度為蠕滑狀態，為整條斷裂帶上唯一不閉鎖的位置，而蘆山地震則發生在明顯不閉鎖到強閉鎖的過渡部位。2009-2011年，即汶川地震后，由于汶川地震主要是沿龍門山斷裂北東方向破裂，而往西南方向破裂長度很短，因此破裂的中北段處于震后蠕滑狀態，未破裂的西南段依然保持強閉鎖狀態，且未破裂部分的閉鎖程度較汶川震前有所增強。2011-2013年，由于包含了蘆山地震后的結果，龍門山斷裂西南段汶川地震和蘆山地震之間破裂空段處的閉鎖程度有所減弱，尤其是蘆山地震的震源附近閉鎖程度有所減弱，而由于蘆山地震并未破裂到地表，因此淺處的斷層閉鎖程度并未減弱，且蘆山地震震源位置西南方向斷層依然處于強閉鎖狀態，這表明該次地震沒有顯著釋放處于強閉鎖狀態的西南段所積累的應變能，它對西南段的應變能釋放是局部的和有限的。另外，龍門山斷裂東北端在經歷了汶川震后蠕滑階段后，逐漸積累應變能，閉鎖有所增強。2013-2015年，即蘆山地震后，龍門山斷裂東北端的閉鎖程度較上期結果進一步增強；西南段的閉鎖程度較上期結果基本一致，目前整個龍門山斷裂帶西南段在大部分段落處于強閉鎖的情況下，依然有發生大地震的可能性。

汶川地震震源位于閉鎖相對弱的部位，蘆山地震震源更是位于明顯不閉鎖到強閉鎖的過渡部位。2010年2月27日智利MW8.8地震、2014年4月1日智利8.1級地震震源均位于斷層閉鎖較弱的部位，隨后往強閉鎖區域破裂（Moreno et al，2010；Schorr et al，2014）：2015年4月25日尼泊爾MW7.8地震及其后發生的4次6級以上強余震震源位于斷層強閉鎖到弱閉鎖的過渡部位（趙靜等，2017）。上述這些震例是否說明斷層在大范圍強閉鎖、應變能積累水平很高的情況下，發生強震的起破點可能在閉鎖相對較弱、深部應力應變擾動容易達到的部位？若要驗證這個認識，還需要大量的研究工作。

3.2 垂直斷層滑動虧損速率

龍門山斷裂的垂直斷層滑動虧損速率均為擠壓虧損速率（圖5）。1999-2007年，整條龍門山斷裂帶基本處于強閉鎖狀態，自東北端至西南端滑動虧損速率由0.7mm/a逐漸增大至3.6mm/a。2009-2011年，由于中北段處于震后蠕滑狀態，滑動虧損速率基本為0，而未破裂的西南段依然保持強閉鎖狀態，且滑動虧損速率增大到10.3～11.4mm/a。2011-2013年，龍門山斷裂東北端的閉鎖程度有所增強，滑動虧損速率為4.2～6.0mm/a；西南段完全閉鎖段落的滑動虧損速率有所減小，為8.8～10.2mm/a。2013-2015年，龍門山斷裂東北端的滑動虧損速率降低為4.1～5.0mm/a；西南段完全閉鎖段落的滑動虧損速率繼續減小，為6.4～7.1mm/a。

4 龍門山斷裂帶西南段跨斷層水準計算結果

4.1 跨斷層水準場地與斷層年均變化速率計算原理

本文所用跨斷層水準場地沿龍門山斷裂帶西南段包括灌縣、映秀、七盤溝、雙河、寶興、蒲江場地（圖6），其中灌縣、雙河、七盤溝場地水準數據時間范圍為1990-2017年，寶興場地水準數據時間范圍為2009-2017年，蒲江場地水準數據時間范圍為2011-2017年，映秀場地水準數據時間范圍為2012-2017年。

斷層的年均變化速率計算公式為：式中：n為一年中所觀測的期數；hit為第t年中第i個觀測值（江在森等，2001；李媛等，2016）。

4.2 水準計算結果

根據式（1）計算龍門山斷裂帶西南段上6個跨斷層場地的年均垂直變化速率，以2008年5月12日汶川地震和2013年4月20日蘆山地震的發生為分割點，劃分為不同時間段對數據進行計算和展示。圖6顯示灌縣、雙河、七盤溝場地在汶川地震前年均垂直變化速率很小，基本在0.5mm/a以內，表明斷層垂向運動很弱，處于強閉鎖的狀態，這與1999-2007年GPS反演所得斷層閉鎖程度結果是一致的。汶川地震對這3個場地的影響都很明顯，震后它們的年均垂直變化速率明顯增大，其中位于龍門山斷裂上盤的七盤溝場地速率增大最為顯著，達到10.0mm/a，位于龍門山斷裂下盤的灌縣場地速率達到7.4mm/a、雙河場地速率達到5.2mm/a；從2010年開始汶川地震的影響逐漸減弱，速率衰減圖像基本符合震后影響隨時間呈冪函數衰減的特征，截至2017年基本恢復正常變化狀態（七盤溝場地2013年后停測），這與2009-2011、2011-2013和2013-2015年的3期垂直斷層滑動虧損速率與1999-2007年相較先明顯增大，然后逐漸減小的結果一致，也表明汶川地震加快了龍門山斷裂帶西南段的應變積累速度。寶興和映秀2個場地是在汶川地震后新建設的場地，其中寶興場地距離蘆山地震震中最近，年均垂直變化速率在2009年為1.1mm/a，之后速率逐漸減小，在蘆山地震以前有所調整，并受蘆山地震影響較為明顯，震后速率由0.7mm/a增大為2.1mm/a，隨后地震影響逐漸減弱，目前變化速率基本為0，斷層又恢復閉鎖狀態；映秀場地是距離汶川地震震中最近的場地（44km左右），因此可能受汶川地震的影響更明顯，自2012年開始一直處于震后年均垂直運動速率衰減的狀態，目前運動速率由4.7mm/a衰減到1.9mm/a，而蘆山地震對其影響較弱，后續需加強對其跟蹤分析。蒲江場地由于受到破壞，在原來場地的延長線上新建了點位，自新建以來速率一直很小，且由于其距離蘆山地震震中較遠，受蘆山地震影響微弱，基本一直處于閉鎖狀態。

5 結論與討論

本文利用4期中國大陸GPS水平速度場數據，獲得了以多期資料為約束的最優模型結果，包括龍門山斷裂西南段的閉鎖程度和滑動虧損動態空間分布，并利用布設在附近的跨斷層水準資料，采用斷層年均變化速率分析了龍門山斷裂帶西南段附近地殼變形動態演化特征。經過綜合分析得出以下結論：

（1）利用1999-2007年和2009-2011年這2期GPS資料反演時，由于在龍門山斷裂西南段設置了比之前的研究（趙靜等，2012，2013）更多的節點，反演結果較之前的結果稍有變化，也更能體現斷層閉鎖程度和滑動虧損等空間分布的差異，因此本文沒有直接引用之前的研究成果，而是給出了最新的反演結果。同時，我們經過分析研究得到了一點新的認識：汶川地震前整條龍門山斷裂基本處于強閉鎖狀態，只有汶川地震的震源位置處閉鎖相對較弱；西南段有寬約20km寬斷層在15～22.5km深度為蠕滑狀態，為整條斷裂帶上唯一不閉鎖的區域，而蘆山地震則發生在明顯不閉鎖到強閉鎖的過渡部位。汶川8.0級地震、蘆山7.0級地震、智利MW8.8和8.1級地震、尼泊爾MW7.8地震等震例能否說明斷層在大范圍強閉鎖、應變能積累水平很高的情況下，發生強震的起破點可能在閉鎖相對較弱、深部應力應變擾動容易達到的部位，還值得深入研究。

（2）GPS反演結果顯示，汶川地震時龍門山斷裂西南段沒有發生破裂，一直處于較強的閉鎖狀態，且汶川地震使龍門山斷裂西南段應變積累速度加快，加速了蘆山地震的孕育進程；由于蘆山地震破裂可能發生于龍門山斷裂帶西南段主干斷裂以東的盲斷層，且該段主干斷裂所積累應變能并沒有被顯著釋放，因此蘆山地震后，西南段閉鎖程度并沒有明顯減弱，目前龍門山斷裂帶西南段大部分依然處于強閉鎖狀態。

（3）龍門山斷裂4期垂直斷層滑動虧損速率均為擠壓虧損速率，汶川地震后西南段虧損速率明顯增大，而后2期西南段虧損速率逐漸減小，目前依然明顯高于汶川震前虧損速率。這可能反映了汶川地地震發生后，造成巴顏喀拉塊體邊界較大范圍斷層解鎖，使得巴顏喀拉塊體東向運動速度加快（圖1a），塊體對龍門山斷裂帶西南段的擠壓加載效應明顯增強，因此汶川地震后虧損速率明顯增大；隨后由于余滑和粘彈性松弛等震后效應逐漸減弱，巴顏喀拉塊體東向運動速度逐漸減緩（圖1b），塊體對龍門山斷裂帶西南段的擠壓加載效應隨時間也有所減緩，因此后2期虧損速率又逐漸減小。

（4）跨斷層水準年均垂直變化速率結果顯示，汶川地震前龍門山斷裂帶西南段處于完全閉鎖狀態，汶川地震后灌縣、雙河、七盤溝3個場地的速率明顯增大，并隨時間呈逐漸衰減狀態，目前已經恢復到汶川前震前正常變化速率，因此西南段仍然處于閉鎖狀態。綜合GPS反演結果和跨斷層水準結果分析認為，目前龍門山斷裂帶西南段在大部分段落處于強閉鎖狀態下依然有發生大地震的可能性。

受到GPS測點密度不足的局限性，可能對反演結果的實際分辨能力和空間變化細節逼近真實程度有一定影響，如可能對強閉鎖狀態的約束相對有效，而對弱閉鎖或不閉鎖與強閉鎖過渡位置的約束可能不夠，這還有待進一步研究。

感謝中國地震局地質研究所王敏研究員和中國地震局第一監測中心武艷強研究員為本研究提供的GPS速度場資料；感謝兩位審稿專家為本文提出的修改意見和建議。

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