陳為濤

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

汶川MS8.0地震前后龍門山斷裂周邊地殼形變特征及地震危險性分析

陳為濤

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

2008年5月12日發(fā)生在青藏高原東緣龍門山斷裂帶的汶川MS8.0大地震，使中國大陸遭受了自1976年唐山MS7.8地震以來最大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。統(tǒng)計結(jié)果顯示，死亡或失蹤人數(shù)近9萬，直接經(jīng)濟損失達9 000億人民幣。根據(jù)震后的重新定位，此次地震的震中位于103.352°N，30.961°E，震源深度約為16 km。震源機制以逆沖為主，兼具右旋走滑。地震形成長達約240 km的地表主破裂，地面最大垂直錯距和右旋水平錯距分別為5.0 m和4.8 m，整個地表破裂的平均錯距達2～3 m。

龍門山斷裂帶地處青藏高原與四川盆地的交界部位，屬松潘—甘孜地塊和華南地塊的邊界斷裂，總體走向NE，傾向NW，長期運動性質(zhì)呈擠壓逆沖兼右旋，主體部分由后山斷裂帶（汶川—茂縣斷裂）、中央斷裂帶（映秀—北川斷裂）和前山斷裂帶（灌縣—江油斷裂）和多個推覆構(gòu)造體組成。

龍門山兩側(cè)巨大的海拔高差和陡峭的地形地貌清晰地展示了強烈的新構(gòu)造運動。但地質(zhì)研究結(jié)果表明，自第四紀以來，龍門山斷裂帶僅有2～3 mm／a的平均運動速率，現(xiàn)今的GPS地殼形變觀測亦顯示出類似于長期平均速率的弱構(gòu)造運動和低應(yīng)變積累，這使我們輕視了龍門山斷裂在整個川滇地震構(gòu)造區(qū)的地震危險性。而汶川地震的發(fā)生，為我們展示了一種超越傳統(tǒng)認識的罕見地震類型：在板內(nèi)強構(gòu)造活動區(qū)域內(nèi)，一條歷史強震稀少、應(yīng)變積累緩慢、運動速率低下的弱活動逆沖推覆構(gòu)造所產(chǎn)生的巨大地震。因此，對龍門山斷裂及其周邊區(qū)域的地球動力學(xué)環(huán)境、構(gòu)造運動學(xué)模式和汶川地震前后的三維地殼形變特征和演化過程進行精細的大地測量觀測研究，對我們深入認識汶川地震的孕震機理和分析評定龍門山斷裂及周邊的未來地震危險性具有重要的科學(xué)意義。

自20世紀90年代以來，以GPS為代表的空間對地觀測技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為我們高精度、高效率、低成本和全天候地獲取各種規(guī)模尺度的地殼運動和構(gòu)造形變及其動態(tài)演化過程提供了革命性的觀測手段。而龍門山斷裂及其周邊區(qū)域因地處我國地震活動最為強烈的南北地震帶的中段，成為中國大陸最早開展GPS觀測研究、最密布設(shè)GPS觀測網(wǎng)絡(luò)和最多獲取GPS觀測資料的區(qū)域之一，并有相對豐富的傳統(tǒng)水準測量和三角測量觀測資料。因此，為我們定量研究該區(qū)域的震前地殼形變特征和構(gòu)造運動速率、震時同震地表形變和深部破裂位錯、震后馳豫地殼形變演化和巖石圈流變結(jié)構(gòu)，以及未來的區(qū)域地震危險性分析等相關(guān)科學(xué)問題提供了至關(guān)重要的約束資料。圍繞這些科學(xué)問題，本論文開展了以下5個方面的研究工作。

1 龍門山周邊GPS等大地測量觀測資料的收集整理與數(shù)據(jù)處理

對龍門山斷裂及周邊區(qū)域自20世紀90年代初以來多家研究機構(gòu)和不同科研項目所觀測的GPS資料和部分水準資料進行了系統(tǒng)的收集整理，并對影響GPS地殼形變觀測精度的各類主要誤差及相應(yīng)的消除或減弱措施進行了歸納總結(jié)。

選用美國航空航天局（NASA）噴氣推進實驗室（JPL）的高精度GPS數(shù)據(jù)前處理軟件GIPSY和后處理軟件QOCA，并采納其先進的“精密單點定位”技術(shù)、載波相位整周模糊度解的Ambizap算法及單日解的整體聯(lián)合平差，對龍門山斷裂近斷層兩側(cè)15個連續(xù)GPS觀測站震后3年多的數(shù)據(jù)進行了嚴密處理，獲得了高精度的站點坐標變化時間序列，為定量研究汶川地震后，龍門山斷裂的精細運動變化和非線性馳豫形變提供了至關(guān)重要的資料。

2 汶川地震前龍門山斷裂及其周邊的三維地殼形變特征

以汶川地震前龍門山斷裂帶及周邊324個GPS站點的水平速度場、414個水準觀測站的垂直速度場和部分可靠程度較高的活動斷裂的長期平均運動速率為約束，采用半無限彈性體斷裂位錯模型，構(gòu)建了龍門山地區(qū)活動斷裂與地殼形變的運動學(xué)模型；在綜合反演確定了研究區(qū)域各主要斷裂現(xiàn)今運動速率等模型參數(shù)的基礎(chǔ)上，基于最佳斷裂位錯模型的正演內(nèi)插，獲取了整個區(qū)域連續(xù)分布的三維地殼運動場和應(yīng)變率場，得到了以下的主要認識。

（1）在汶川地震發(fā)生之前的間震期，龍門山斷裂帶的水平應(yīng)變率明顯低于其周邊的鮮水河—小江斷裂帶以及東昆侖斷裂帶。龍門山斷裂帶的應(yīng)變能積累主要分布在龍門山斷裂帶兩側(cè)共約150 km的寬度范圍內(nèi)，每100 km×100 km面積范圍的地震矩累積率大約為6.935× 1016N·m／a。考慮到此次汶川地震約240 km的破裂長度和約8.03×1020N·m的地震矩能量釋放，我們可根據(jù)地震矩累積率估算出汶川地震的平均復(fù)發(fā)間隔約為3 200年。

（2）我們的區(qū)域斷裂位錯模型推測龍門山地區(qū)相對四川盆地第四紀以來約有1.8±0.2 mm／a的平均垂向隆升速率?？紤]到該地區(qū)的剝蝕速率以及基底海拔高度，我們得出該地區(qū)相對四川盆地有著不高于4 000±500 m的總隆升量，比現(xiàn)今2 500～3 500 m的平均高差約高出1 000 m。這似乎表明地殼縮短和斷裂運動所導(dǎo)致的垂向隆升是龍門山地區(qū)隆起的主要因素，而無需深部軟流物質(zhì)的堆積拱隆。

（3）基于GPS水平形變資料和水準測量垂直形變資料的共同約束，我們的區(qū)域斷裂位錯模型推測龍門山斷裂以南的貢嘎山地區(qū)第四紀以來具有高達2.9±0.2 mm／a的垂向隆升速率。如果假設(shè)僅由斷裂的逆沖位錯產(chǎn)生這樣的隆升速率，則龍門山斷裂南部玉農(nóng)希斷裂和麗江—小金河斷裂需要有約3.5 mm／a和約2.9 mm／a的逆沖速率。而實際的地質(zhì)研究結(jié)果表明，這兩條斷裂僅有約1 mm／a和約0.65 mm／a的長期平均逆沖速率。因此，推測貢嘎山地區(qū)的快速隆升，很可能存在深部軟流物質(zhì)的堆積拱隆。

3 基于分層巖石圈粘彈性介質(zhì)的汶川地震同震破裂位錯模型研究

在前人基于彈性半無限空間位錯模型和大地測量同震觀測資料約束所反演得到的同震破裂模型的基礎(chǔ)上，采用更加接近真實情況的分層巖石圈粘彈性介質(zhì)模型，對汶川地震的同震破裂分布進行了進一步研究，得到如下認識。

（1）本文得到的破裂模型，在18 km以下的滑脫面并沒有發(fā)生明顯滑動的情況下，約降低了約8%的加權(quán)殘差平方和，更優(yōu)地擬合了GPS觀測到的同震形變場。因此，汶川地震的實際同震破裂面，可能是形態(tài)更簡單的、深度在18 km以上的鏟型面，斷裂西南段18 km之下或許并不存在額外的破裂面。

（2）汶川地震的同震位錯高值區(qū)分布于15 km以上的淺部區(qū)域，大致在虹口段、清平段、北川段和南壩段下部0～10 km處，震源深度以下沒有明顯的高值滑動，震源附近的位錯并不突出，最大滑動值位于地表的虹口一帶，達到14.68 m。

4 汶川地震震后地殼形變的非線性變化特征和巖石圈粘彈性模型解釋

基于龍門山斷裂周邊15個連續(xù)GPS觀測站自2008年汶川地震以來的觀測資料，首先定量獲取各站點三維坐標變化的時間序列，然后通過站點間的兩兩組合基線的方式獲取基線端點相對運動變化，在此基礎(chǔ)上，通過擬合由分層巖石圈粘彈性模型所計算的理論基線時間序列，反演確定區(qū)域巖石圈流變結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到如下認識。

（1）龍門山斷裂北段在震后表現(xiàn)出非常明顯的、具有指數(shù)衰減特征的右旋走滑馳豫錯動變形。在震后3年間右旋走滑平均速率約15 mm／a；而在逆沖擠壓方向上基本呈線性變化，逆沖擠壓量級不大，縮短速率約4 mm／a；在垂向上的相對變化不明顯，僅反映出上盤點相對下盤點有略微的逆沖升高。龍門山斷裂帶中段，震后弛豫錯動具有明顯的指數(shù)衰減特征，斷裂活動以逆沖擠壓為主，兼具右旋走滑，震后3年平均逆沖縮短速率約27 mm／a，右旋走滑速率約7 mm／a，上盤相對下盤呈持續(xù)線性快速上升，震后3年內(nèi)平均上升速率20 mm／a。在龍門山斷裂南段，震后的右旋走滑和逆沖縮短均表現(xiàn)出指數(shù)衰減特征，兩者運動量級相當，其中平均右旋走滑速率約8 mm／a，逆沖縮短速率約10 mm／a；在垂向上，震后斷裂上盤相對下盤存在線性持續(xù)升高，相對隆升速率約4 mm／a?？偟亩?，震后形變主要發(fā)生在龍門山斷裂帶中段，整體形變與同震形變具有一致性，從南段的擠壓逆沖到北段的右旋走滑。

（2）通過對龍門山斷裂帶兩側(cè)不同基線的端點震后相對運動研究，反映出龍門山地區(qū)整體的逆時針旋轉(zhuǎn)特征；不同的是，上盤的逆時針旋轉(zhuǎn)非線性特征更加明顯，這反映出青藏高原與四川盆地兩者在地殼介質(zhì)上存在明顯不同。此外，位于青藏高原的上盤不同區(qū)段逆時針運動也顯著不同，從南段的南東向運動逐漸過渡到北段的北西向運動；垂向上的運動變化也存在差異，中段相比南北段存在顯著的隆升運動。在四川盆地的下盤，不同區(qū)段間水平向和垂直向變化并不明顯，基本未出現(xiàn)形變或有輕微形變，這反映了四川盆地地殼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

（3）在連續(xù)GPS基線變化的時間序列中合理去除長期斷裂運動成分、同震位錯成分和震后滑移成分后，通過對分層巖石圈介質(zhì)模型粘彈性馳豫形變特性的最佳擬合，反演獲得龍門山地區(qū)下地殼上地幔的平均粘滯性系數(shù)為1×1019Pa·s。

5 龍門山周邊幾個強震重點監(jiān)視區(qū)庫侖破裂應(yīng)力變化和地震危險性分析

針對龍門山斷裂周邊前人基于多學(xué)科研究資料所圈定的4個未來強震重點監(jiān)視區(qū)：西秦嶺斷裂帶監(jiān)視區(qū)，六盤山斷裂帶監(jiān)視區(qū)，海原斷裂帶監(jiān)視區(qū)和東昆侖斷裂帶監(jiān)視區(qū)，我們基于粘彈性靜態(tài)應(yīng)力觸發(fā)模型，研究它們在汶川地震后的應(yīng)力加／卸載狀況以及未來強震危險性程度?？紤]到下地殼上地幔粘彈性松弛效應(yīng)作用的長期性，在實際研究過程中，我們不僅考慮汶川地震的作用，還考慮了1920—2010年期間發(fā)生在本區(qū)域及其周邊的其他大于7級的歷史強震影響，計算出這些地震在各重點監(jiān)視區(qū)最可能發(fā)震斷層面上所導(dǎo)致的粘彈性靜態(tài)庫侖破裂應(yīng)力變化，加上GPS得到的長期構(gòu)造背景加載下的應(yīng)力積累量，定量分析了每個重點監(jiān)視區(qū)近百年來的庫侖破裂應(yīng)力變化，并在此基礎(chǔ)上初步分析各重點監(jiān)視區(qū)的未來發(fā)震危險性程度，具體認識如下：

（1）西秦嶺斷裂帶監(jiān)視區(qū)和六盤山斷裂帶監(jiān)視區(qū)均處于長期構(gòu)造背景場和歷史地震影響共同加載應(yīng)力的狀況，而海原斷裂帶監(jiān)視區(qū)和東昆侖斷裂帶監(jiān)視區(qū)，如果不考慮長期構(gòu)造背景的應(yīng)力加載，則處于地震影響的卸載狀況。

（2）考慮到這4個重點監(jiān)視區(qū)的大震平均復(fù)發(fā)周期及上次大震事件的離逝時間，我們認為，西秦嶺斷裂帶監(jiān)視區(qū)的未來強震危險性程度最高，海原斷裂帶次之，然后才是東昆侖斷裂帶和六盤山斷裂帶。

汶川地震；龍門山斷裂帶；GPS觀測；地殼形變；地震危險性分析

（作者電子信箱，陳為濤：weitaochen＠foxmail.com）

P315.72＋5；

A；

10.3969／j.issn.0235－4975.2013.11.005