張永志,徐海軍,王衛(wèi)東,劉 杰,山 鋒
(長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院,陜西 西安 710054)
活動斷裂既是地殼活動最敏感的“傳感器”,又是應(yīng)力釋放的“窗口”。在彈性介質(zhì)中,斷層的錯(cuò)動與斷層周圍的地表形變存在確定的物理關(guān)系。顯然,地殼運(yùn)動和應(yīng)力釋放引起的地質(zhì)災(zāi)害與斷層的運(yùn)動有著密切的關(guān)系[1]。根據(jù)地表的GPS觀測數(shù)據(jù)反演研究地殼內(nèi)部斷裂活動,認(rèn)識斷層滑動的動力過程,是大地測量研究的主要問題之一。對此國內(nèi)外已有一些相應(yīng)的研究,如Lisowski等利用電子測距儀、GPS和VLBI數(shù)據(jù)對1989年Loma Prieta地震的同震形變進(jìn)行了聯(lián)合反演[2];Heki利用GPS觀測資料采用位錯(cuò)理論模型對板內(nèi)地震的震后斷層的無震滑動進(jìn)行了反演研究[3];張希等人利用1999-2004年的GPS與水準(zhǔn)數(shù)據(jù),結(jié)合三維負(fù)位錯(cuò)模型聯(lián)合反演了青藏東北緣斷裂的主要參數(shù),討論了斷層活動與孕震的關(guān)系[4]。
渭河盆地地處中國重要的大地構(gòu)造分界位置上,北接鄂爾多斯臺地,南鄰秦嶺皺褶帶,東緣山西隆起帶,北端與鄂爾多斯西南邊界弧形斷裂束相接,是中國大陸強(qiáng)震活動區(qū)之一,歷史上地震繁多,它的地裂災(zāi)害也備受矚目。研究該地區(qū)活動斷裂的動力學(xué)機(jī)制,對分析地震和地質(zhì)災(zāi)害的成因機(jī)理以及地震和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)等有重要意義[1]。本文利用粒子群算法結(jié)合位錯(cuò)理論,采用渭河盆地2004-2007年的GPS觀測數(shù)據(jù)對該地區(qū)主要斷層的三維滑動速率進(jìn)行反演分析。
粒子群算法將每個(gè)個(gè)體看作是在D維搜索空間中的一個(gè)沒有重量和體積的粒子[5],并在搜索空間中以一定的速度飛行。該飛行速度由個(gè)體的飛行經(jīng)驗(yàn)和群體的飛行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。為了改善基本PSO算法的收斂性能,Shi與Eberhart首次在速度進(jìn)化方程中引入慣性權(quán)重[6],假設(shè)群體中有n+1個(gè)粒子,則粒子i在第d維的位置與速度更新公式如下:
其中,c1,c2是粒子運(yùn)動的加速度(也稱學(xué)習(xí)因子),分別調(diào)節(jié)全局最好粒子和個(gè)體最好粒子飛行的最大步長;r1j,r2j是[0,1]之間的隨機(jī)數(shù);w 稱為慣性權(quán),在搜索過程中可對其進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。
斷層活動參數(shù)與地面三維位移場之間的關(guān)系可通過位錯(cuò)理論模型來表示[7-9](圖1)
式中,ui(i=x,y,z)表示地面觀測的三維位移場速率,以地面斷層走向?yàn)閤軸,地面的垂線方向?yàn)閦軸,在地面內(nèi)垂直于x軸和z軸的直線為y軸;φ為斷層傾角;L、W、d分別表示斷層的長、寬和下底面深度;Uj(j=1,2,3)分別表示矩形斷層面上盤相對于下盤分別在走向、傾向和張開發(fā)方向的滑動量。
圖1 矩形位錯(cuò)模型Fig.1 Rectangle dislocation model.
為了理解和認(rèn)識渭河盆地實(shí)際斷層活動與地面GPS觀測的地面形變的關(guān)系,我們收集了渭河盆地的部分GPS數(shù)據(jù)。GPS位移速率場的參考框架為ITRF2000。利用GMT軟件對該地區(qū)的數(shù)值高程數(shù)據(jù),斷層數(shù)據(jù)和2004-2007年渭河盆地的GPS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理,獲得相對于歐亞板塊的地表GPS水平運(yùn)動速率場、該地區(qū)主要斷層分布、地形分布的關(guān)系如圖2。圖中,紅色線段為該地區(qū)的主要斷裂;箭頭表示GPS速率,箭頭長度表示GPS速率大小,箭頭方向表示該地區(qū)地殼運(yùn)動方向。從圖2的GPS速率結(jié)果可以看出,研究區(qū)西部主要受甘青塊體向東擠壓的影響,渭河盆地及其周邊的地殼運(yùn)動主要以向東南方向運(yùn)動為主。渭河盆地西部地區(qū)的斷裂分布主要以北西向?yàn)橹鳎鴸|部地區(qū)在盆地內(nèi)的斷裂以北東向?yàn)橹?,盆地南部的山區(qū)以北西西向?yàn)橹鳌?/p>
從圖中還可以看出,渭河盆地的斷裂整體表現(xiàn)出一種不連續(xù)的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動特征。
為深入理解渭河盆地實(shí)際斷裂活動與地面觀測的三維形變場的關(guān)系,本文采用粒子群算法,以及渭河盆地2004-2007年間觀測的GPS數(shù)據(jù)對該地區(qū)主要斷裂的三維滑動速率進(jìn)行了反演計(jì)算分析。讓20個(gè)隨機(jī)粒子在三維空間(U1,U2,U3)中飛行搜索,最終輸出反演結(jié)果,如表1所示。
圖2 渭河盆地GPS觀測位移與主要斷裂分布(2004-2007)Fig.2 Distribution of Displacement velocity observed by GPS and faults in Weihe Basin(2004-2007).
表1 渭河盆地主要斷裂三維滑動速率的GPS數(shù)據(jù)反演結(jié)果
從渭河盆地各斷裂的反演結(jié)果可以看出,除韓城—華縣斷裂以張裂為主外,渭河盆地主要斷裂均以正傾滑為主;北東向斷裂如乾縣—蒲城斷裂、臨潼—長安斷裂、韓城—華縣斷裂同時(shí)具有右旋走滑特征。其它斷裂具有左旋走滑特征。GPS數(shù)據(jù)反演的斷裂運(yùn)動性質(zhì)與構(gòu)造地質(zhì)結(jié)果趨勢上基本一致[1,10]。從滑動速率來看,秦嶺北側(cè)大斷裂速率最大,可達(dá)4.5mm/a;鐵爐子斷裂、渭河斷裂較大,平均滑動速率為3mm/a;華山北側(cè)斷裂、口鎮(zhèn)—關(guān)山斷裂、長安-臨潼斷裂、乾縣—蒲城斷裂次之;韓城—華縣斷裂,商縣—丹鳳斷裂,岐山—馬召斷裂活動較??;固關(guān)—寶雞斷裂活動最小,僅為1mm/a左右。在趨勢上與現(xiàn)有的地質(zhì)資料基本一致,以EW向斷裂活動最強(qiáng),NE方向較強(qiáng),而NW方向較弱,分布上呈現(xiàn)南強(qiáng)北弱的特征[10]。但在數(shù)值上與地質(zhì)學(xué)得出的結(jié)果略有差異,這也表明在反演過程中由于斷層參數(shù)往往難以獲得準(zhǔn)確的數(shù)值,從而在某種程度上影響了反演結(jié)果。另外,地質(zhì)方法獲得的斷層滑動速率是上百萬年時(shí)間尺度的平均值,而GPS反演結(jié)果只是近三年時(shí)間尺度上的平均值,二者之間在理論上也存在一定的差異。
通過地面實(shí)測GPS數(shù)據(jù)采用粒子群算法對渭河盆地主要斷裂的三維滑動速率的反演計(jì)算分析,本文得出如下結(jié)論和認(rèn)識:
(1)渭河盆地主要斷裂,除韓城—華縣斷裂外,其他斷裂均以正傾滑為主,兼具走滑特征,呈張裂趨勢。其中,臨潼—長安斷裂、韓城—華縣斷裂、乾縣—蒲城斷裂呈現(xiàn)右旋特征,其它均為左旋走滑。
(2)從數(shù)值上看,該地區(qū)的活動斷裂以EW向斷裂活動最強(qiáng),NE方向較強(qiáng),并且在分布上呈現(xiàn)南強(qiáng)北弱的特征。在趨勢上與現(xiàn)有的地質(zhì)資料基本一致,只是數(shù)值略有差異。
[1]彭建兵,張駿,蘇生瑞,等.渭河盆地活動斷裂與地質(zhì)災(zāi)害[M].西安:西北大學(xué)出版社,1992.
[2]Lisowski M,W H Prescott,J C Savage,et al.Geodetic estimate of coseismic slip during the 1989Loma Prieta,California,earthquake[J].Geophys.Res.Lett.,1990,17:1437-1440.
[3]Heki K,Miyazaki S,Tsuji H.Silent fault slip following an interplate earthquake at the J apan Trench[J].Nature,1997,386:595-597.
[4]張希,江在森,王雙緒,等.青藏塊體東北緣GPS與水準(zhǔn)資料的三維負(fù)位錯(cuò)聯(lián)合反演[J].國際地震動態(tài),2007,7:61-66.
[5]Eberhart R C,Shi Y.Particle swarm optimization:developments,applications and resources[A]∥Proceedings of the IEEE Congress on Evolutionary Computation[C].Piscataway,NJ:IEEE Service Center,2001:81-86.
[6]Parsopoulos K E,Plagianakos V P,Magoulas G D,et al.Improving particle swarm optimizer by function"stretching"[A]∥Hadjisavvas N,Pardalos P.Advances in Convex Analysis and Global Optimization[G].The Netherlands:Kluwer Academic Publishers,2001:445-457.
[7]Okada Y.Surface deformation duo to shear and tensile faults in a half-space[J].BSSA,1985,82:1018-1040.
[8]Okada Y.Internal deformation due to shear and tensile faults in a half-space[J].BSSA,1992,82:1018-1040.
[9]陳運(yùn)泰,黃立人,林邦慧,等.用大地測量資料反演的1976年唐山地震的位錯(cuò)模式[J].地球物理學(xué)報(bào),1979,22(3):201-216.
[10]李永善,等.西安地裂及渭河盆地活動斷層研究[M].北京:地震版社,1992.
[11]馬杏垣,丁國瑜,高文學(xué),等.中國巖石圈動力學(xué)地圖集[M].北京:中國地圖出版社,1989.
[12]喬寶成,李勇,董順利,等.汶川MS8.0地震中央斷裂北段地表破裂特征[J].西北地震學(xué)報(bào),2009,31(4):333-338.
[13]馬博琳,李勇,董順利,等.汶川地震震中映秀地區(qū)地表破裂特征[J].西北地震學(xué)報(bào),2009,31(4):339-343.
[14]胡亞軒,崔篤信,張希,等.用GPS數(shù)據(jù)反演分析海原斷裂帶分段活動特征[J].西北地震學(xué)報(bào),2009,31(3):227-230.