川滇地區地殼塊體運動特征研究*

蔣鋒云，朱良玉，王雙緒，張曉亮，張 希，黃 智，鄭申寶

0 引言

強烈地震大多是地殼塊體邊界帶應變能積累到一定程度，導致斷層發生錯動，能量急劇釋放的結果。因此，研究主要塊體邊界上應變積累的時空變化特點對該區域地震活動形勢的把握至關重要。對于塊體邊界帶運動的研究，一般采用對實測GPS水平運動速度場進行剖面分析獲得(Shen et al，2005;趙靜等，2011)，或者利用位錯理論反演獲得 (申重陽等，2002;張希等，2011)。用剖面分析方法能夠比較實際客觀的反映塊體邊界的真實運動，但其存在兩個局限:(1)一般認為，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動可能包含了太過豐富的形變信息，而干擾了彈性變形信息的提取。(2)由于實際GPS觀測點位的分布不均勻，對體邊界帶空間運動特征的把握不是很精細、準確，無法獲得塊體邊界帶空間上連續變化的運動。用位錯方法具有明確的物理意義，但反演參數過多，未知假設對結果影響較大，且一般通過分段反演獲得邊界運動，不具有空間上的連續性。

因此，我們有必要對實際觀測速度場進行濾波，獲得其彈性變形分量。利用分離得到彈性變形場來進一步計算塊體邊界的傾滑運動，從而獲得具有塊體變形意義的邊界運動特征。筆者引入李延興等 (2001)的均勻彈性塊體變形模型，借助實際觀測速度場，通過對每個塊體運動參數和應變參數的反演來模擬塊體的均勻彈性變形場，利用此變形場進一步計算塊體邊界的相對運動特征。通過對不同時段GPS資料的計算結果，分析塊體內部應變狀態的變化和塊體邊界運動特征的改變與強震孕育之間的關系，從而進一步探討區域未來強震活動形勢。

川滇區域構造復雜，強震活動頻繁，是我國地震研究的天然試驗場 (徐錫偉等，2005)，也是中國地震局強震危險性重點監測區域之一。該區域積累有多期GPS觀測資料，許多學者利用GPS資料對該區域塊體邊界運動進行了研究 (Shen et al，2005;趙靜等，2011;申重陽等，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，對該區域地殼塊體應變狀態及其邊界運動隨時間變化特征進行研究。

1 均勻彈性塊體應變模型簡介

李延興 (2001)提出了均勻彈性塊體應變模型，該模型將塊體看成是均勻的彈性塊體，GPS觀測獲得的地殼水平運動速度場，既包含其剛性運動，又包含其內部發生的彈性變形，公式如下:

式中，Ve、Vn為塊體上GPS測點實際觀測南北向和東西向的速度;λ、φ為觀測點經緯度;λ0、φ0為塊體中心經緯度;ωx、ωy和ωz為塊體剛性歐拉旋轉矢量;εe、εn和εen為塊體東西向、南北向主應變率和剪應變率。

2 川滇地區構造特征及塊體劃分模型

圖1 川滇地區塊體劃分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資料對川滇地區塊體劃分進行了研究，一般認為川滇地區可以做如下塊體劃分 (圖1):以鮮水河斷裂—安寧河斷裂—則木河斷裂—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，其劃分依據或是根據斷層展布，或是根據地形特征所劃分。

3 資料簡介及使用情況

一般認為，較長時間段地殼水平運動速度場更能反映一個區域背景構造運動特征，為此首先使用鄭文俊等 (2009)給出的中國大陸1999～2007年地殼平均年運動速度 (圖2a)來進行塊體應變參數和運動參數的估計，然后利用估計參數反算塊體均勻速度場，并進一步計算塊體邊界的滑動和拉張速率，獲得該區域一個相對較長時間段的塊體應變狀態及邊界運動信息。使用該資料擬合的每個塊體的殘差中誤差大都在1.6 mm/a內，和GPS速度中誤差基本相當，擬合效果較好。每個塊體殘差中誤差計算公式如下:

式中blockew為塊體東西向殘差中誤差，xobsi代表塊體上某點東西向的觀測值，xvaluei代表塊體上對應點東向的擬合值，n為塊體內部GPS點的個數。塊體南北向的殘差中誤差計算公式依此類推。

為了獲得當前該區域的變形特征，我們搜集整理了中國地殼運動陸態網產出的2009及2011兩期GPS觀測資料，并用GAMIT-GLOBK軟件進行了平差計算。獲得了該區域2009～2011年最新速度場 (圖2b)。利用此資料依據上述原理進行了同樣計算。這一時段GPS資料由于受到汶川地震震后、玉樹地震同震的影響，塊體內部的運動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的點刪除，重新計算，經過3次循環獲得了擬合殘差在2 mm/a以內的點，即圖2b中黑色箭頭所示速度。紅色箭頭為刪除的點，從圖上可以看出刪除的點基本上對塊體的變形特征不會產生顯著影響，其刪除比例不足5%。因此，我們的計算能夠反映該時段塊體內部彈性變形特征，獲得的塊體邊界運動也具有可靠性。

比較兩個時段速度場可以發現，汶川地震震后龍門山斷裂西側，巴彥喀拉東部塊體內部地殼縮短消失，龍門山斷層閉鎖已經解體。由于受玉樹地震同震、汶川地震震后影響，巴彥喀拉塊體向東運動增強，使得鮮水河斷裂左旋運動明顯減弱。此外，我們無法得到更多的信息，為此下面我們依據上述原理進行塊體內部彈性變形和邊界錯動量的計算。

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

4 計算結果及分析

為了突出塊體內部的彈性變形，筆者利用反演得到的塊體的運動參數和應變參數，計算各個塊體均勻分布的運動場，并扣除以塊體為基準的其剛性運動成分，從而得到以塊體自身為基準的彈性變形場 (圖3)，這一速度場更好的顯示了塊體內部的彈性變形。1999～2007年巴顏喀拉地塊內部差異運動顯著，主要以東西向擠壓運動為主，反映了汶川地震孕震變形。川滇北部塊體表現為以理塘—德巫斷裂為界，呈左旋拉張的形態。川滇南部塊體表現為近東西向的拉張為主。2009～2011年相比上一時間段，其變化主要表現在:由于汶川地震的發生，巴顏喀拉地塊內部彈性變形顯著減弱。川滇北部塊體內的理塘—德巫斷裂左旋趨勢有所減弱，而張性運動增強。川滇南部塊體由之前明顯的近東西向拉張轉變為以塊體內部安寧河斷裂中南段為界的左旋運動特征。

圖4為根據兩期資料計算得到的塊體邊界垂直于斷裂走向的傾滑運動分量及每個塊體的應變特征。從圖4a可以看出，計算較好的反映了該區域的構造特征:在印度板塊的推擠作用下，川滇地區的主壓應變圍繞喜馬拉雅東構造結呈順時針方向運動，這和該區域地殼沿東南方向擠出的構造背景是一致的，青藏高原物質的向東擠出與阿薩姆角NEE方向的持續楔入造成川滇地區東移，在東部相對穩定的四川盆地和華南塊體的阻擋下，整個川滇地區沿鮮水河—小江斷裂帶由向東轉為向南運動 (張希等，2007;方穎等，2006)。巴彥喀拉塊體東部近東西向的壓應變明顯，表明該塊體內部存在顯著的應變積累特征。川滇塊體南部主應變表現為以近東西向的拉張為主，面應變也顯示該塊體以張性為主。這種變形方式的機理需要我們進一步從動力學方面去認識。2009～2011年資料解算結果和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變明顯減弱，川滇南部塊體近東西向張應變方向轉為北東向，且量值明顯減弱，可能是玉樹地震同震及震后、汶川地震震后地殼應力松弛調整影響所致。但兩期資料均顯示，滇東北塊體呈現高應變積累狀態。

塊體邊界相對運動的計算，根據邊界兩側利用上述方法反演得到的塊體運動參數和應變參數，反算獲得邊界點分屬兩個塊體的運動速度，并對速度進行垂直于邊界和平行于邊界的投影，對投影結果進行直接相減，即可得到塊體邊界走滑和傾滑運動分量。

使用1999～2007年資料計算獲得的塊體邊界垂直斷層方向的傾滑運動顯示:金沙江斷裂、鮮水河斷裂南段—安寧河斷裂—則木河—小江斷裂北段、紅河斷裂表現為壓性運動，但量值不大，基本在2 mm/a以內。比較兩期資料計算結果可以看出，鮮水河斷裂南段受到汶川地震及玉樹地震的影響，由之前的壓性轉變為張性。龍門山斷裂可以明顯看出地震發生后，斷層閉鎖解體，表現出上盤相對于下盤的逆向錯動。金沙江斷裂壓性顯著增強，麗江—小金河斷裂南段由之前的輕微壓性轉變為張性。則木河斷裂—小江斷裂北段由之前的壓性轉為張性，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場地，自2009年以來出現跨斷裂兩側垂直形變差異異常增大。

圖3 1999～2007年 (a)、2009～2011年 (b)川滇地區塊體內部變形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 是兩期資料計算得到的平行于塊體邊界的相對走滑運動。從較長時間段可以看出:整個區域塊體邊界走滑運動特征和地質上的描述基本一致，川滇菱形地塊的東邊界鮮水河—安寧河—則木河斷裂—小江斷裂表現為明顯的左旋走滑，其走滑量值為5～10 mm/a，為地質構造上獲得的全新世以來滑動速率的三分之二 (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)、利用位錯模型反演得到的結果基本一致 (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。紅河斷裂基本表現為右旋走滑，量值為1mm/a左右。整個區域從地表塊體邊界走滑運動來看，川滇菱形塊體的東邊界是構造活動最為強烈的區域，這和該區MS7.0以上地震活動的空間分布較為一致。2009～2011年最新觀測資料計算結果顯示，整個區域塊體邊界走滑運動特征和前一時間段基本一致。差別主要體現在:(1)相比前一個時間段，該時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為明顯的左旋，紅河斷裂整體右旋增強。這些差異與該區域發生的幾次中強地震緊密相關，特別是汶川地震和玉樹地震。對該區域的變形特征，需要我們進一步結合孕震機理從運動學原理和動力學機制上去解釋。此外，兩期資料均顯示，在川滇菱形塊體東邊界的安寧河—則木河斷裂處，斷層左旋滑動速率明顯要低于東邊界上其他位置，這可能揭示了該區域處于相對走滑受阻區域，有益于能量的積累。同時，兩期資料計算結果均顯示，其東側的滇東北塊體呈現高應變積累狀態。因此該區域具備發生中強地震的形變背景。

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 結論及討論

本文主要將均勻彈性塊體模型進一步發展，用于計算相鄰塊體邊界運動。該方法和基于位錯模型的斷層運動的反演、模擬相比較，僅僅考慮地殼的平面彈性塊體運動，并沒有涉及三維斷層參數的反演，具有一定的局限性，但實際觀測的GPS速度場僅僅是地表的運動，用該方法具有反演參數較少、操作簡單易行、能夠獲得連續變形的邊界運動狀況的優點。本文用此方法對川滇地區塊體邊界運動進行計算，和其他專家對該區域用剖面方法計算斷層運動結果大體一致，說明這種方法具有一定的可行性。另外用于計算塊體彈性變形的模型有很多種，每種方法都有各自的優缺點，如何選擇最優的模型來進行彈性變形場的計算，也是需要進一步探索的問題。

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