趙 靜 劉 杰 牛安福 閆 偉

(中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045)

0 引言

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心測(cè)定，北京時(shí)間2014年8月3日16時(shí)30分云南省昭通市魯?shù)榭h發(fā)生了 MS6.5地震，震中位于27.1°N，103.3°E，震源深度為12km(http://www.cenc.ac.cn/publish/cenc/904/20140803164411140707936/index.html)。魯?shù)榈卣鹗且淮胃邇A角左旋走滑型地震(張廣偉等，2014)，發(fā)震斷層為NW向包谷垴－小河斷裂，是NE向昭通－魯?shù)閿嗔严礜W向次級(jí)走滑斷層(中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，2014)。昭通－蓮峰斷裂帶由昭通、蓮峰兩條NE向斷裂帶組成，其中昭通斷裂帶的前緣主斷裂為會(huì)澤－彝良斷裂，斷裂帶平行展布于川滇交界東段、四川大涼山南部至云南昭通之間的地區(qū)，局部進(jìn)入貴州境內(nèi)(聞學(xué)澤等，2013)。近10年來(lái)，該構(gòu)造帶及其附近區(qū)域(大涼山次級(jí)塊體周邊)發(fā)生了一系列的中強(qiáng)地震，地震活動(dòng)較為活躍，包括2003年云南魯?shù)镸S5.0和MS5.1地震、2004年云南魯?shù)镸S5.6地震、2006年云南鹽津2次MS5.1地震、2012年云南彝良MS5.6和MS5.7地震、2014年云南永善MS5.3和MS5.0地震、2014年云南魯?shù)镸S6.5地震、2014年四川越西MS5.0地震等(圖1)。另外，大涼山斷裂帶和昭通－蓮峰斷裂帶附近為M≥7.0級(jí)地震危險(xiǎn)區(qū)，昭通斷裂帶中、北部存在低b值段，昭通至巧家一帶存在重力顯著變化的異常梯度帶(M7專項(xiàng)工作組，2007)。因此大涼山次級(jí)塊體及周邊斷層目前的閉鎖程度和地震危險(xiǎn)性如何、是否具有發(fā)生強(qiáng)震的中長(zhǎng)期危險(xiǎn)背景等成為地學(xué)工作者十分關(guān)注和亟待解決的問(wèn)題。

GPS流動(dòng)觀測(cè)可以有效監(jiān)測(cè)斷裂帶附近地殼變形動(dòng)態(tài)特征，而地殼變形動(dòng)態(tài)特征是斷層深淺部動(dòng)力作用的表現(xiàn)形式，地殼內(nèi)部斷層深淺部的閉鎖與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)能夠較客觀表征發(fā)震斷裂帶的應(yīng)變積累特征，因此可以利用地表動(dòng)態(tài)GPS觀測(cè)結(jié)果反演斷層深淺部的閉鎖程度、滑動(dòng)虧損分布等特征，進(jìn)而判斷斷裂帶未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)地震危險(xiǎn)性。汶川地震對(duì)大涼山次級(jí)塊體周邊地表變形及深部斷層運(yùn)動(dòng)可能會(huì)產(chǎn)生一定影響，同時(shí)考慮到自2009年以后研究區(qū)域GPS觀測(cè)的空間分辨率有顯著提高，因此，本文利用1999—2007期中國(guó)大陸GPS背景速度場(chǎng)和2009—2013期中國(guó)大陸 GPS速度場(chǎng)最新結(jié)果，采用DEFNODE負(fù)位錯(cuò)反演程序估算了大涼山次級(jí)塊體周邊斷層在2個(gè)階段的斷層閉鎖程度和滑動(dòng)虧損速率動(dòng)態(tài)3維分布等，并對(duì)該區(qū)域的地震危險(xiǎn)性進(jìn)行了探索性討論。

圖1 研究區(qū)域斷層與地震分布Fig.1 Distribution of faults and earthquakes in the study region.

1 DEFNODE負(fù)位錯(cuò)反演方法基本原理

本文反演研究采用DEFNODE程序(McCaffrey，2002，2007)，該程序假定塊體內(nèi)部點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)為塊體旋轉(zhuǎn)、塊體內(nèi)部整體均勻應(yīng)變、塊體邊界由于斷層閉鎖產(chǎn)生的滑動(dòng)虧損而引起的地表彈性變形之和。若塊體內(nèi)部不存在整體均勻應(yīng)變，理論表達(dá)式如下:

式(1)中:各參數(shù)的定義見(jiàn)文獻(xiàn)(McCaffrey，2002;趙靜等，2012)，其中φnk為斷層k上節(jié)點(diǎn)n處的閉鎖程度。

若塊體內(nèi)部存在整體均勻應(yīng)變，應(yīng)變率的計(jì)算采用Savage等(2001)給出的式(2)。此時(shí)模型原理為式(1)加式(2)，其中式(2)表示塊體內(nèi)部均勻應(yīng)變引起的速度量值大小。

式(2)中:各參數(shù)的定義見(jiàn)文獻(xiàn)(Savage et al.，2001;趙靜等，2013b)。

利用GPS水平速度場(chǎng)數(shù)據(jù)反演塊體旋轉(zhuǎn)、塊體內(nèi)部均勻應(yīng)變和斷層閉鎖程度等參數(shù)的過(guò)程中，參數(shù)擬合的不符值可由式(3)表征，其中各參數(shù)含義可參考文獻(xiàn)(McCaffrey，2002;趙靜等，2012，2013a)。

2 大涼山次級(jí)塊體周邊斷層計(jì)算結(jié)果

2.1 兩期GPS數(shù)據(jù)與斷層模型

大涼山次級(jí)塊體位于川滇塊體和華南地塊之間，塊體周邊和內(nèi)部斷裂主要包括安寧河斷裂、則木河斷裂、大涼山斷裂、馬邊－鹽津斷裂、昭通－蓮峰斷裂等。其中塊體西側(cè)邊界的安寧河－則木河斷裂帶以左旋走滑運(yùn)動(dòng)為主，速率為3～7mm/a(任金衛(wèi)，1994;何宏林等，2007，2008;聞學(xué)澤等，2013;徐錫偉等，2014);大涼山斷裂左旋走滑速率為3～4mm/a(何宏林等，2008;徐錫偉等，2014);馬邊－鹽津斷裂表現(xiàn)出左旋走滑－擠壓逆沖的晚第四紀(jì)活動(dòng)特征，走滑速率推測(cè)約為1mm/a(徐錫偉等，2014)、擠壓速率可達(dá)0.8mm/a(張世民等，2005;聞學(xué)澤等，2013);NE向昭通－蓮峰斷裂帶表現(xiàn)出右旋走滑兼逆沖、或者以逆沖為主要錯(cuò)動(dòng)方式，GPS獲得結(jié)果顯示斷裂帶水平縮短速率為2～6mm/a、水平剪切變形速率為0～3mm/a(聞學(xué)澤等，2013)。

研究區(qū)域以上述幾條主要斷裂帶為界，包含華南地塊、川滇塊體、大涼山次級(jí)塊體，其中華南地塊以華鎣山斷裂帶為界劃分為塊體1和塊體2;大涼山次級(jí)塊體以大涼山斷裂帶為界，劃分為塊體4和塊體5;川滇塊體編號(hào)為塊體3(圖2，其中川滇塊體和華南地塊均是一部分，并未包含整個(gè)地塊)。數(shù)據(jù)約束方面，1999—2007期結(jié)果包括124個(gè)GPS測(cè)點(diǎn)參與反演，其中塊體1包含38個(gè)、塊體2包含13個(gè)、塊體3包含54個(gè)、塊體4包含4個(gè)、塊體5包含15個(gè);2009—2013期結(jié)果包括261個(gè)GPS測(cè)點(diǎn)參與反演，其中塊體1包含117個(gè)、塊體2包含21個(gè)、塊體3包含94個(gè)、塊體4包含11個(gè)、塊體5包含18個(gè)。GPS速度場(chǎng)解算采用GAMIT/GLOBK軟件(Herring et al.，2010a，b)和 QOCA 軟件(Dong et al.，1998)。

考慮到本課題組針對(duì)安寧河－則木河－小江斷裂帶反演結(jié)果進(jìn)行過(guò)相對(duì)系統(tǒng)的研究(趙靜等，2014)，因此本文主要對(duì)大涼山斷裂、馬邊－鹽津斷裂、昭通－蓮峰斷裂(以其前緣主斷裂會(huì)澤－彝良斷裂為主要參考計(jì)算斷層)的斷層閉鎖與滑動(dòng)虧損速率動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析，但在反演計(jì)算時(shí)將上述斷裂帶同時(shí)進(jìn)行了反演，該做法可以保證不同斷層對(duì)GPS速度的影響不被忽略。反演過(guò)程中，沿著大涼山斷裂帶和馬邊－鹽津斷裂帶走向各有5條等深線，深度依次為0.1，5，10，15，20km，大涼山斷裂帶每條等深線上有5個(gè)節(jié)點(diǎn)，斷層傾角55°、傾向西;馬邊－鹽津斷裂帶每條等深線上有6個(gè)節(jié)點(diǎn)，斷層傾角60°、傾向SW;沿著會(huì)澤－彝良斷裂帶走向有5條等深線，深度依次為0.1，10，16，19，22km，每條等深線上有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)聞學(xué)澤等(2013)的研究結(jié)果，斷裂NE段每?jī)膳殴?jié)點(diǎn)之間的斷層傾角從地表至深部依次為65°、50°、35°和4°，斷裂SW段每?jī)膳殴?jié)點(diǎn)之間的斷層傾角從地表至深部依次為57°、37°、19°和4°。另外，安寧河－則木河－小江斷裂帶的斷層節(jié)點(diǎn)和斷層結(jié)構(gòu)設(shè)置見(jiàn)參考文獻(xiàn)(趙靜等，2014)。利用DEFNODE程序可反演計(jì)算得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)處斷層的閉鎖程度，進(jìn)而通過(guò)雙線性插值方法計(jì)算相鄰節(jié)點(diǎn)之間斷層網(wǎng)格(沿走向方向長(zhǎng)4km，深度方向?qū)?km)區(qū)域的閉鎖程度。

圖2 研究區(qū)域GPS速度場(chǎng)兩期結(jié)果(相對(duì)于華南地塊)與塊體和斷層模型Fig.2 The GPS velocity field of two periods(relative to South China Block)and model of blocks and faults of the study region.

2.2 最優(yōu)模型選擇

由于塊體2、塊體4、塊體5都較小，因此假定其內(nèi)部不存在整體均勻應(yīng)變;塊體1為華南塊體的主要部分，因?yàn)槿A南塊體內(nèi)部變形很弱，因此也假定其內(nèi)部不存在整體均勻應(yīng)變;根據(jù)式(1)和(2)，以卡方值為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)塊體3(川滇塊體)內(nèi)部是否存在整體均勻應(yīng)變進(jìn)行了驗(yàn)證，最優(yōu)模型表明兩期結(jié)果中其內(nèi)部均存在整體均勻應(yīng)變。觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)的1999—2007期GPS速度場(chǎng)誤差權(quán)重因子f取為1.5≈1.006(觀測(cè)值個(gè)數(shù)為248，自由度為128)。汶川地震后的2009—2013期GPS速度場(chǎng)誤差權(quán)重因子f取為2.65≈0.993(觀測(cè)值個(gè)數(shù)為522，自由度為402)。

為了進(jìn)一步說(shuō)明模型擇優(yōu)效果，圖3給出了殘差分布。圖3 a結(jié)果顯示，1999—2007期GPS測(cè)點(diǎn)的速度殘差值都很小，基本都處在誤差范圍之內(nèi)，表明模型擬合較好。圖3b結(jié)果顯示，2009—2013期GPS測(cè)點(diǎn)中，塊體3內(nèi)部分測(cè)點(diǎn)、塊體1內(nèi)靠近小江斷裂帶的幾個(gè)測(cè)點(diǎn)速度殘差值較大;其他測(cè)點(diǎn)的速度殘差值較小，也表明模型擬合較好。

圖3 最優(yōu)模型速度殘差Fig.3 Residual velocities of the optimal model.

3 大涼山次級(jí)塊體周邊斷層閉鎖與滑動(dòng)虧損動(dòng)態(tài)分布

3.1 汶川地震前后斷層閉鎖程度

根據(jù)前面的最優(yōu)模型，得到了汶川地震前后大涼山次級(jí)塊體周邊斷層閉鎖程度(φ)的動(dòng)態(tài)變化分布，圖4和圖5分別為1999—2007期和2009—2013期GPS速度場(chǎng)反演得到的汶川地震前后斷層閉鎖程度。結(jié)果表明，汶川地震前后除大涼山斷裂北段斷層閉鎖有所增強(qiáng)以外，其余斷裂的斷層閉鎖程度并沒(méi)有發(fā)生較大變化，地震前后基本保持一致。因?yàn)?999—2007期GPS速度場(chǎng)中塊體4內(nèi)包含測(cè)點(diǎn)較少，對(duì)大涼山斷裂反演結(jié)果的約束性相對(duì)較差;而2009—2013期GPS速度場(chǎng)中塊體4內(nèi)包含測(cè)點(diǎn)數(shù)量有所增加，對(duì)大涼山斷裂反演結(jié)果的約束性較好，所以暫不討論大涼山斷裂北段斷層閉鎖發(fā)生的變化。兩期結(jié)果均顯示大涼山斷裂南段、馬邊－鹽津斷裂、會(huì)澤－彝良斷裂(西南端除外)基本為完全閉鎖狀態(tài)(φ=1);會(huì)澤－彝良斷裂西南端閉鎖較弱，可能是因?yàn)樵摱翁幱谂c小江斷裂北段的交會(huì)處，而小江斷裂北段曾發(fā)生1733年?yáng)|川M和1966年?yáng)|川M6.5地震，可能目前斷層還沒(méi)有完全閉鎖。另外，相關(guān)研究顯示，大涼山斷裂帶和昭通－蓮峰斷裂帶附近為M≥7.0地震危險(xiǎn)區(qū)、昭通斷裂帶中部和北部存在低b值段、昭通至巧家一帶存在重力顯著變化的異常梯度帶(M7專項(xiàng)工作組，2012);馬邊－鹽津斷裂帶存在3個(gè)尺度不等的異常低b值區(qū)(易桂喜等，2010);魯?shù)椋土贾g的斷裂存在高應(yīng)力閉鎖段，其潛在地震的最大矩震級(jí)為MW7.4(聞學(xué)澤等，2013)。雖然近10年來(lái)，大涼山次級(jí)塊體周邊發(fā)生了2004年云南魯?shù)镸S5.6地震、2012年云南彝良MS5.6和MS5.7地震、2014年云南魯?shù)镸S6.5地震以及多次MS5以上地震等一系列的中強(qiáng)地震，地震活動(dòng)較為活躍，但是6級(jí)地震的斷層面長(zhǎng)度僅10km左右，而5級(jí)地震只有3km左右(川崎一郎，2013)，因此這些地震應(yīng)該遠(yuǎn)不足以釋放整條斷裂帶完全閉鎖時(shí)所積累的能量。綜合以上信息可知，目前大涼山斷裂南段、馬邊－鹽津斷裂、會(huì)澤－彝良斷裂(西南端除外)仍然具有較大地震發(fā)生的危險(xiǎn)性。

圖4 1999—2007期大涼山次級(jí)塊體周邊斷層閉鎖程度Fig.4 Fault locking around the Daliangshan sub-block during 1999 －2007 period.

圖5 2009—2013期大涼山次級(jí)塊體周邊斷層閉鎖程度Fig.5 Fault locking around the Daliangshan sub-block during 2009 －2013 period.

3.2 汶川地震前后斷層滑動(dòng)虧損速率分布

圖6a，b顯示，汶川地震前后大涼山次級(jí)塊體周邊斷層滑動(dòng)虧損速率均較小，基本都在4mm/a以內(nèi)，在斷層基本完全閉鎖的情況下表明塊體間斷層的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量值較小。圖6a顯示汶川地震前大涼山斷裂南段滑動(dòng)虧損速率為3.5～4mm/a，中北段由于閉鎖很弱，滑動(dòng)虧損速率也很小，斷裂滑動(dòng)虧損速率以左旋滑動(dòng)為主，兼有擠壓運(yùn)動(dòng);馬邊－鹽津斷裂整體滑動(dòng)虧損速率約為1mm/a，具有左旋和擠壓運(yùn)動(dòng)分量;會(huì)澤－彝良斷裂完全閉鎖段的滑動(dòng)虧損速率約為2.5mm/a，其中擠壓虧損速率約為2.1mm/a、右旋虧損速率約為1.4 mm/a。圖6b顯示汶川地震后大涼山斷裂南段滑動(dòng)虧損速率為2～4mm/a，北段由于閉鎖增強(qiáng)，滑動(dòng)虧損速率也增大到約2mm/a，斷裂滑動(dòng)虧損速率仍以左旋滑動(dòng)為主，兼有擠壓運(yùn)動(dòng);馬邊－鹽津斷裂整體滑動(dòng)虧損速率約為1.5mm/a，較汶川震前稍有增加，仍兼具左旋和擠壓運(yùn)動(dòng);會(huì)澤－彝良斷裂完全閉鎖段的滑動(dòng)虧損速率約為2mm/a，基本都為擠壓虧損速率而右旋虧損速率基本為0，因此右旋滑動(dòng)虧損速率較汶川震前有所減弱。

圖6 大涼山次級(jí)塊體周邊斷層滑動(dòng)虧損速率Fig.6 Fault slip deficit rate around the Daliangshan sub-block.

4 討論與結(jié)論

大涼山次級(jí)塊體周邊斷層的研究程度相對(duì)較低，近10年來(lái)，該次級(jí)塊體附近發(fā)生的中強(qiáng)地震明顯增多，這使得該塊體附近斷層的閉鎖特征和地震危險(xiǎn)性等成為亟待研究的問(wèn)題。本文利用汶川地震前后的1999—2007期和2009—2013期GPS速度場(chǎng)，反演計(jì)算了大涼山次級(jí)塊體周邊斷層的閉鎖程度和滑動(dòng)虧損分布，獲得了以下主要認(rèn)識(shí):

(1)大涼山斷裂(北段除外)、馬邊－鹽津斷裂、會(huì)澤－彝良斷裂在汶川地震前后閉鎖程度基本一致，可能表明汶川地震對(duì)這3條斷裂帶的影響較弱，而鮮水河－安寧河－則木河斷裂帶承受了汶川地震對(duì)該區(qū)域的大部分影響。

(2)兩期結(jié)果均顯示大涼山斷裂南段、馬邊－鹽津斷裂、會(huì)澤－彝良斷裂(西南端除外)基本為完全閉鎖。結(jié)合其他方法的研究結(jié)果，我們認(rèn)為目前這些斷層仍然具有較大地震發(fā)生的危險(xiǎn)性。

(3)整體上看，汶川地震前后大涼山次級(jí)塊體周邊斷層滑動(dòng)虧損速率均較小，基本都在4mm/a以內(nèi)。大涼山斷裂以左旋滑動(dòng)為主、兼有擠壓運(yùn)動(dòng)，汶川地震后其北段左旋滑動(dòng)虧損速率有所增加;馬邊－鹽津斷裂具有很弱的左旋和擠壓運(yùn)動(dòng)分量，汶川地震后其左旋和擠壓滑動(dòng)虧損均稍有增強(qiáng);會(huì)澤－彝良斷裂以擠壓滑動(dòng)虧損為主、兼有右旋滑動(dòng)虧損，汶川地震后其右旋分量基本為0。