瀘定MS6.8地震震前變形特征及鮮水河斷裂南東段地震活動(dòng)性

申 星 梁洪寶 宋成科

1 中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心,天津市耐火路7號(hào),300180

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)正式測(cè)定,2022-09-05 12:52四川瀘定(29.59°N,102.08°E)發(fā)生6.8級(jí)地震,震源深度16 km,此后發(fā)生多次4～5級(jí)余震。經(jīng)專家學(xué)者現(xiàn)場(chǎng)考察及地震序列的精定位,確定此次地震發(fā)震斷裂為鮮水河斷裂帶南端磨西段。該段處于鮮水河斷裂與龍門山斷裂的交會(huì)部位,構(gòu)造背景復(fù)雜,1700年以來發(fā)生過9次7級(jí)以上大地震[1],與其北部的甘孜-玉樹斷裂、南部的安寧河斷裂、大涼山斷裂、小江斷裂共同構(gòu)成了川滇活動(dòng)塊體的北東邊界[2-4]。研究表明,鮮水河斷裂整體走向呈NNW-SSE,是一條滑動(dòng)速率6～10 mm/a的晚第四紀(jì)活動(dòng)左旋走滑斷裂[5-6]。地震發(fā)生的南東段磨西段平均水平走滑速率約9.3 mm/a,其北側(cè)是多分支結(jié)構(gòu)的乾寧-康定段,南側(cè)是與安寧河斷裂、大涼山斷裂重接的田灣-石棉段,西側(cè)是強(qiáng)烈隆升的貢嘎山,其區(qū)域的隆升速率達(dá)6.1 mm/a,與周邊斷裂活動(dòng)、區(qū)域構(gòu)造變形密切相關(guān)[7](圖1)。鮮水河斷裂帶受青藏高原隆升和高原上地殼物質(zhì)向東蠕散的影響,在青藏高原東部地區(qū)形成一系列弧形走滑斷層系,全新世以來表現(xiàn)出強(qiáng)烈的左旋水平剪切運(yùn)動(dòng)特征[8]。

紅色粗線表示主要塊體邊界;F1～F5分別表示鮮水河斷裂的爐霍段、道孚段、乾寧段、康定段和磨西段,F6表示汶川-茂汶斷裂圖1 鮮水河斷裂帶地震構(gòu)造環(huán)境與主要?dú)v史地震分布Fig.1 Seismic tectonic environment and major historical earthquakes of the Xianshuihe fault zone

2008年汶川8.0級(jí)特大地震發(fā)生后,巴顏喀拉塊體邊界鮮水河斷裂帶南端庫侖應(yīng)力加載效應(yīng)顯著增強(qiáng)[9-10],其周緣斷裂陸續(xù)發(fā)生2010年玉樹7.1級(jí)地震、2013年漳縣-岷縣6.6級(jí)地震、2013年蘆山7.0級(jí)地震、2014年康定6.3級(jí)地震和本次地震(圖1)。鮮水河斷裂北段庫侖應(yīng)力卸載與南段加載效應(yīng)顯著是系列地震的主要成因。方穎等[11]利用30 a的跨斷層形變觀測(cè)資料分析得出鮮水河西北段運(yùn)動(dòng)規(guī)律,認(rèn)為從爐霍段、道孚段到乾寧段斷層閉鎖程度逐年增加;李鐵明等[12]綜合跨斷層短基線、短水準(zhǔn)、區(qū)域重力和區(qū)域GPS觀測(cè)資料,分析得出鮮水河斷裂現(xiàn)今整體左旋走滑速率和部分分支斷裂左旋走滑速率,給出磨西段走滑速率為4.41 mm/a;孫凱等[13]進(jìn)一步結(jié)合InSAR和GPS觀測(cè)資料研究鮮水河斷裂帶爐霍-道孚段的震間運(yùn)動(dòng)特征,給出斷層左旋蠕滑速率在1.0～4.41 mm/a等。以上研究主要集中在運(yùn)動(dòng)速率較大的鮮水河斷裂的西北段,而對(duì)南段的研究較少。隨著瀘定6.8級(jí)地震的發(fā)生,鮮水河斷裂南段的地震活動(dòng)性也逐漸引起廣泛關(guān)注,認(rèn)識(shí)該區(qū)域斷裂帶塊體構(gòu)造地震活動(dòng)性對(duì)地震孕育發(fā)生和地震趨勢(shì)的快速判定具有重要意義。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上,首先對(duì)鮮水河斷裂帶南東段歷史地震活動(dòng)性及地震孕育發(fā)生的構(gòu)造背景進(jìn)行分析,針對(duì)該分支斷裂近10 a的中小地震群的展布特征,精細(xì)描述瀘定6.8級(jí)地震發(fā)震斷層的形態(tài)變化;然后收集震中附近區(qū)域陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)流動(dòng)和連續(xù)測(cè)站的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù),通過處理2009～2015年和2015～2022年2期觀測(cè)資料,給出震源區(qū)及周邊地區(qū)的速度場(chǎng)、應(yīng)變率場(chǎng);最后分析瀘定6.8級(jí)地震震前地殼運(yùn)動(dòng)變形特征,為該區(qū)域未來的地震危險(xiǎn)性判定提供依據(jù)。

1 歷史地震活動(dòng)

鮮水河斷裂帶構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍,其北西段和南東段的活動(dòng)速率有所差異,表現(xiàn)出北西向運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,至南東向逐漸減緩的過程,全新世以來以左旋走滑為主,兼具一定的逆沖運(yùn)動(dòng)特征。在構(gòu)造上,鮮水河斷裂帶位于一級(jí)構(gòu)造單元松潘-甘孜地槽褶皺系內(nèi)部,斷裂帶北東側(cè)為巴顏喀拉塊體,西南側(cè)為川滇塊體,為兩個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元的分界線,呈現(xiàn)出不一樣的塊體特征[14-15]。瀘定6.8級(jí)地震正發(fā)生于該分界線上,是青藏高東部典型的走滑型地震事件,距離鮮水河斷裂帶磨西段約7 km。1900年以來,震中附近50 km范圍內(nèi)發(fā)生過2次6.0級(jí)以上地震,最大震級(jí)為本次地震;震中附近100 km范圍內(nèi)發(fā)生過4次6.0 級(jí)以上地震,最大震級(jí)為本次地震;震中200 km范圍內(nèi)發(fā)生過19次6.0級(jí)以上地震,最大震級(jí)為1955-04-14康定7.5級(jí)地震;震中300 km范圍內(nèi)發(fā)生過3次7.0 級(jí)以上震級(jí),最大地震為2008-05-12汶川8.0級(jí)地震,距當(dāng)前地震約200 km。在時(shí)間上,距離此次地震最近的是2022-06-01雅安市蘆山6.1級(jí)地震,距離當(dāng)前地震約125 km。

2 地震分布及斷層活動(dòng)性

2013年以來,鮮水河斷裂帶南東段共發(fā)生3.0級(jí)以上地震40余次,小震活躍,尤其是在瀘定地震發(fā)生后,72 h內(nèi)接連發(fā)生16次3.0級(jí)及以上余震,其中最大的為距瀘定約80 km的石棉MS4.5地震。通過中小震群的分布(圖2)可以看出,震群主要沿鮮水河斷裂分布,走向近NNW-SSE向;在震中北側(cè)、南側(cè)以及西側(cè)分別形成3個(gè)震群帶(圖中虛線框),除震中西側(cè)的震群沿垂直于斷層方向展布外,其他震群基本平行于斷層方向。震群密集處主要集中在斷裂帶西側(cè),這與鮮水河南東段的深部介質(zhì)條件密切相關(guān),該斷裂兩側(cè)上地殼物質(zhì)存在顯著的橫向介質(zhì)差異。磨西段屬于鮮水河斷裂南東段的低速區(qū),位于龍門山斷裂南端及安寧河斷裂冕寧以北段交會(huì)部位的“三岔口”地區(qū),隨著青藏高原東緣向南東方向不斷移動(dòng),加上強(qiáng)烈隆升的貢嘎山塊體不斷擠壓控制了該低速區(qū)的西向展布范圍。斷塊邊界斷裂差異性運(yùn)動(dòng),受到四川盆地西緣邊界剛性塊體的阻擋,鮮水河斷裂在該段向南偏轉(zhuǎn),由左旋水平剪切運(yùn)動(dòng)在轉(zhuǎn)折部位轉(zhuǎn)化為擠壓運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致深部介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)烈的應(yīng)力積累,所積累的應(yīng)力突破一定的界限導(dǎo)致瀘定地震的發(fā)生。

圖2 瀘定地震周邊中小震群展布Fig.2 Distribution of small and medium seismic clusters around the Luding earthquake

為進(jìn)一步精細(xì)描述發(fā)震斷層的形態(tài)變化,了解發(fā)震斷層的震源閉鎖深度,在瀘定地震震中的西側(cè)、南側(cè)和北側(cè)劃出3個(gè)小震群帶,進(jìn)行震源深度分析(圖3)。依據(jù)震群分布特征對(duì)距離震中西側(cè)25 km范圍內(nèi)的震源深度進(jìn)行分析(圖3(b))。可以看出,震源深度主要集中在10～15 km范圍內(nèi),且分布相對(duì)比較集中;震中南側(cè)距震中距約為50～100 km范圍,震級(jí)在3.5級(jí)以下時(shí)分布比較集中,震級(jí)介于3.5～4.5之間的地震震源深度比較分散(圖3(c)),在10～20 km左右;除震中西側(cè)和南側(cè)震群外,在斷層靠近北側(cè)康定段有稀疏的震群分布(圖3(a)),震源深度在4～12 km范圍內(nèi),隨著震中距的增加,震源深度逐漸減小。分析認(rèn)為,震群展布特征與上地殼物質(zhì)特性有關(guān),四川盆地西緣的瀘定-雅安地區(qū)其上地殼物質(zhì)比較堅(jiān)硬,而松潘-甘孜塊體的地殼物質(zhì)比較軟弱,鮮水河斷裂帶南東段特有的視密度和視磁化異常也反映了康定地區(qū)東、西兩側(cè)的基底性質(zhì)存在明顯差異[5],該地區(qū)的地震活動(dòng)趨勢(shì)和地震危險(xiǎn)性值得進(jìn)一步關(guān)注。

圖3 瀘定地震周邊震群震源深度分布Fig.3 Source depth distribution of the earthquakes around the Luding earthquake

3 瀘定地震GNSS速度結(jié)構(gòu)特征

3.1 GNSS水平速度場(chǎng)分析

地震發(fā)生后,中國(guó)地震局迅速啟動(dòng)地震應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制,對(duì)震中及周邊地區(qū)開展GNSS應(yīng)急觀測(cè)。本文挑選了川滇地區(qū)2009～2015年和2015～2022年2期GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來源為中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)、中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、中國(guó)大陸綜合地球物理場(chǎng)觀測(cè)的部分資料,數(shù)據(jù)處理采用GMAIT/GLOBK 10.70軟件,最終獲得ITRF2014框架下川滇地區(qū)鮮水河斷裂帶南東段約60個(gè)站點(diǎn)的GNSS水平速度場(chǎng)(圖4)。在數(shù)據(jù)處理中,為了削弱或者盡可能消除2013年蘆山7.0級(jí)地震和2014年康定6.3級(jí)地震同震位移對(duì)速度場(chǎng)的影響,在進(jìn)行GLOBK融合解算時(shí),對(duì)2次地震產(chǎn)生顯著影響的站點(diǎn)施加等速度約束,即約束地震前后的GNSS速度保持一致,該處理方法可以有效去除同震及震后3 a的影響[16]。結(jié)果顯示,2期數(shù)據(jù)均表現(xiàn)出鮮水河斷裂帶南東段震中附近有左旋走滑運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),走滑速率約為10 mm/a,而鮮水河斷裂北部甘孜-爐霍段2009～2015年相對(duì)于2015～2022年水平運(yùn)動(dòng)速度變化明顯,速率方向由NE向轉(zhuǎn)向近NNE向,數(shù)值也有所增加,最大變化量達(dá)15 mm/a,形成一個(gè)速率高值區(qū)。但這個(gè)高值區(qū)與瀘定地震距離較遠(yuǎn),相關(guān)性較弱,對(duì)瀘定地震產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行解釋還需要積累更長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)資料。

圖4 GNSS水平速度場(chǎng)Fig.4 GNSS horizontal velocity field

3.2 GNSS應(yīng)變率場(chǎng)分析

應(yīng)變率場(chǎng)受參考框架影響較小,能反映不同測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況,并且在一定程度上與地震危險(xiǎn)性存在聯(lián)系[17]。基于水平速度場(chǎng),采用最小二乘球面配置方法[16]計(jì)算震源區(qū)及周邊區(qū)域應(yīng)變率場(chǎng)。此方法穩(wěn)定性好、抗差性較強(qiáng),在計(jì)算過程中通過獲得GNSS觀測(cè)速度信號(hào)的協(xié)方差函數(shù),構(gòu)建速度場(chǎng)連續(xù)分布函數(shù)模型,最終給出待定點(diǎn)的應(yīng)變率[16]。GNSS數(shù)據(jù)的協(xié)方差參數(shù)結(jié)果見圖5,擬合函數(shù)為F(d)=Ae-k2d2,其中,F(d)為協(xié)方差值,A、k為待定參數(shù),d為測(cè)點(diǎn)間的距離。圖5中的C(d)為GNSS測(cè)站間的協(xié)方差值,可以看出,GNSS速度場(chǎng)協(xié)方差值與函數(shù)具有較高的擬合度。

圖5 協(xié)方差函數(shù)擬合結(jié)果Fig.5 Covariance function fitting results

圖6和圖7給出震源區(qū)及周邊區(qū)域最大剪應(yīng)變率和面應(yīng)變率分布結(jié)果。圖6顯示,鮮水河斷裂帶南東段表現(xiàn)出較強(qiáng)的剪切變形特征,最大剪切應(yīng)變區(qū)域呈現(xiàn)出條帶形狀分布,一邊是川滇塊體的東邊界,一邊是地塊穩(wěn)定的華南塊體,瀘定地震發(fā)生在兩個(gè)剪切應(yīng)變高值區(qū)的中間部位。2015～2022年的最大剪應(yīng)變?cè)跔t霍段、道孚段發(fā)生動(dòng)態(tài)調(diào)整,最大剪切應(yīng)變積累速率從5.5×10-8/a下降到3.2×10-8/a。南東段磨西段存在剪切應(yīng)變積累,受汶川等強(qiáng)震的影響,具有較高的閉鎖程度,長(zhǎng)期以來一直處于高值區(qū),未來具有較高的強(qiáng)震危險(xiǎn)性。

圖7 2期面應(yīng)變率結(jié)果Fig.7 Surface strain rate results for two periods

圖7為鮮水河斷裂南東段面應(yīng)變場(chǎng),從面應(yīng)變的擠壓和拉張范圍來看,川滇菱形塊體是以拉張為主的方式積累應(yīng)變能,而華南塊體四川盆地則是擠壓占主導(dǎo)作用,說明青藏高原向北運(yùn)動(dòng)受到穩(wěn)定的鄂爾多斯及華南塊體的阻擋,同時(shí)受到龍門山斷裂帶逆沖運(yùn)動(dòng)的影響,四川盆地的擠壓作用體現(xiàn)得更為明顯。從2009～2015年的面應(yīng)變率結(jié)果可以看出,在近垂直于鮮水河斷裂的NE向上存在2個(gè)以拉張為主的高值區(qū),其中北側(cè)的高值區(qū)可能與汶川8.0級(jí)地震后龍門山斷裂帶卸載作用以及巴顏喀拉塊體整體EES向滑動(dòng)有關(guān),汶川特大地震發(fā)生后青藏高原和華南塊體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的地震能量的釋放和震后能量調(diào)整在地殼形變上有所反映,這與前人研究結(jié)果較為一致[18]。2015～2022年的面應(yīng)變結(jié)果反映出龍門山斷裂帶的拉張高值區(qū)有所減弱,且合并為一個(gè)高值區(qū)并有向WS向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。汶川地震龍門山斷裂帶南段應(yīng)變能不斷釋放,間接地沖擊鮮水河斷裂帶的南東段,推測(cè)這也是2008年后鮮水河斷裂帶上小震群頻發(fā)的主要原因。鮮水河斷裂帶南東段NE側(cè)的剛性塊體面壓縮量值較大,瀘定地震所處的地區(qū)仍然處于高值區(qū)的邊緣。

上述結(jié)果表明,鮮水河斷裂帶南東段現(xiàn)今仍具有較高的斷層運(yùn)動(dòng)學(xué)特征,認(rèn)為是在川滇地塊整體順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的背景下,內(nèi)部次級(jí)地塊運(yùn)動(dòng)與變形局部差異性的真實(shí)反映[19-20],也是該斷裂帶強(qiáng)震頻發(fā)的主要原因。

4 結(jié) 語

本文針對(duì)鮮水河斷裂帶南東段的歷史地震活動(dòng)性和中小震群展布特征進(jìn)行分析,利用GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)給出2022年瀘定6.8級(jí)地震震源區(qū)及周邊區(qū)域的速度場(chǎng)、應(yīng)變率場(chǎng),識(shí)別了此次地震震前的變形特征,得出如下結(jié)論:

1)鮮水河斷裂表現(xiàn)出北西向運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,至南東向逐漸減緩。南東段受強(qiáng)烈隆升的貢嘎山塊體的不斷擠壓和四川盆地西緣邊界剛性塊體的阻擋,左旋水平剪切運(yùn)動(dòng)在轉(zhuǎn)折部位轉(zhuǎn)化為擠壓運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生強(qiáng)烈的應(yīng)力積累,是誘發(fā)瀘定地震的重要原因。

2)GNSS速度場(chǎng)和應(yīng)變率場(chǎng)結(jié)果表明,鮮水河斷裂帶南東段存在最大剪切應(yīng)變積累,在磨西和石棉段具有較高的斷層閉鎖程度。面應(yīng)變結(jié)果反映出川滇菱形塊體以拉張為主的方式積累應(yīng)變能,該斷裂持續(xù)處于應(yīng)變積累高值區(qū)的邊緣,斷裂處小震頻發(fā),表明鮮水河斷裂帶南東段現(xiàn)今仍具有較高的斷層運(yùn)動(dòng)學(xué)特征,其地震活動(dòng)趨勢(shì)和地震危險(xiǎn)性背景值需進(jìn)一步關(guān)注和研究。

致謝：感謝占偉研究員對(duì)論文的建議。