趙 靜，占 偉，任金衛(wèi)，江在森，顧 鐵，劉 杰，牛安福，苑爭(zhēng)一

1. 中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京 100029； 2. 中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045； 3. 中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津 300180； 4. 中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036； 5. 四川省地震局，四川 成都 610041

斷層愈合是指震間期斷層恢復(fù)強(qiáng)度的過(guò)程，在大地震中破裂的斷層將在下一次大地震前愈合并重新閉鎖[1-2]，為彈性能量積累創(chuàng)造條件。愈合速率主要與壓力、溫度、礦物、裂隙閉合、沉淀作用、生物生長(zhǎng)等有關(guān)[3-7]，是控制地震周期的關(guān)鍵機(jī)制[8-9]。因此，研究震后斷層愈合過(guò)程對(duì)深入理解地震機(jī)理、地震斷裂理論[10]、地震周期全過(guò)程[11]和預(yù)測(cè)未來(lái)地震風(fēng)險(xiǎn)[2]等具有重要意義。汶川地震后龍門山斷層中北段基本完全破裂，而西南段并沒(méi)有發(fā)生破裂，中段震源周邊斷層面的愈合過(guò)程和西南段斷層的閉鎖演化特征，為認(rèn)識(shí)大陸高角度逆沖型強(qiáng)震后斷層愈合機(jī)制和彈性應(yīng)變能積累提供了一次很好的研究機(jī)會(huì)。GPS技術(shù)是監(jiān)測(cè)現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)的一種強(qiáng)有力的工具[12]，能夠監(jiān)測(cè)到斷裂帶及周邊區(qū)域在強(qiáng)震孕育、發(fā)生和調(diào)整過(guò)程中出現(xiàn)的地殼動(dòng)態(tài)變形。汶川地震前龍門山斷裂帶周邊尤其是其北西側(cè)GPS觀測(cè)站點(diǎn)相對(duì)較少，汶川地震后中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所在龍門山斷裂帶西南段周邊布設(shè)了10個(gè)GPS連續(xù)觀測(cè)站、在鮮水河-安寧河斷裂帶周邊布設(shè)了4個(gè)GPS連續(xù)觀測(cè)站。這些站點(diǎn)與中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、四川省地震局布設(shè)的GPS連續(xù)站(圖1)為我們利用大地測(cè)量資料持續(xù)監(jiān)測(cè)和研究龍門山斷層中南段在汶川震后的閉鎖動(dòng)態(tài)特征與愈合過(guò)程提供了強(qiáng)有力的支撐。

一些研究學(xué)者通過(guò)深鉆斷裂帶滲透率結(jié)果[7]、地震波速度結(jié)果[13]、b值結(jié)果[14]等推斷汶川地震后龍門山斷層正在快速愈合，同時(shí)摩擦試驗(yàn)結(jié)果[15-16]也表明汶川地震后龍門山斷層存在快速愈合的可能。由于深鉆斷裂帶滲透率結(jié)果，對(duì)于汶川地震二百多千米長(zhǎng)的破裂帶而言只是一個(gè)點(diǎn)，不一定能代表整個(gè)破裂帶的滲透率情況；地震波速度結(jié)果和b值結(jié)果只能推斷斷層的愈合情況，并不是直接表征斷層愈合的結(jié)果，可能斷層還沒(méi)有愈合，但是地震波速度或b值已經(jīng)恢復(fù)了；摩擦試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法給出斷層實(shí)際愈合時(shí)間的概念，只能得到不同斷層愈合的相對(duì)快慢；而GPS結(jié)果為最直接的能夠反映斷層運(yùn)動(dòng)特征的地表觀測(cè)結(jié)果，是更加直觀和客觀的結(jié)果，而且GPS時(shí)間序列能夠?qū)鄬拥倪\(yùn)動(dòng)和愈合過(guò)程進(jìn)行連續(xù)跟蹤，并給出斷層愈合時(shí)間。目前在龍門山地區(qū)尚較少有學(xué)者利用GPS時(shí)間序列通過(guò)反演方法研究斷層面閉鎖程度和愈合過(guò)程動(dòng)態(tài)演化特征，本文在收集了龍門山地區(qū)豐富的GPS連續(xù)站資料，并能夠?qū)堥T山斷層中南段進(jìn)行有效約束的情況下，試圖利用GPS連續(xù)站2010.30—2013.30 這3年時(shí)間序列的解算結(jié)果，分不同時(shí)間尺度，采用TDEFNODE負(fù)位錯(cuò)程序[17]反演汶川地震后龍門山斷層中南段閉鎖程度和滑動(dòng)虧損速率的動(dòng)態(tài)變化，并將結(jié)果與其他手段研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，歸納分析中段斷層不同位置愈合過(guò)程的時(shí)空演化特征、滑動(dòng)速率的空間差異等，討論西南段斷層的地震危險(xiǎn)背景。

1 TDEFNODE方法原理

文獻(xiàn)[17]給出了TDEFNODE負(fù)位錯(cuò)軟件的相關(guān)說(shuō)明。該程序能夠利用GPS日值時(shí)間序列，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷層運(yùn)動(dòng)和閉鎖狀態(tài)的連續(xù)跟蹤，并在一些海洋俯沖帶地區(qū)同時(shí)考慮斷層閉鎖和慢地震的影響進(jìn)行反演計(jì)算[18-21]；還能夠利用同震數(shù)據(jù)進(jìn)行斷層面同震滑動(dòng)分布研究、利用震后數(shù)據(jù)進(jìn)行震后變形特征分析等[22]。

TDEFNODE為考慮中上地殼運(yùn)動(dòng)與變形的負(fù)位錯(cuò)反演程序，程序假定塊體邊界下部的塑性區(qū)可以自由滑動(dòng)，其上部的彈性區(qū)因斷層存在閉鎖作用(部分閉鎖或完全閉鎖)而限制了相對(duì)運(yùn)動(dòng)并導(dǎo)致應(yīng)力應(yīng)變積累。因此地表點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)為塊體旋轉(zhuǎn)、塊體內(nèi)部永久應(yīng)變和塊體邊界由于斷層閉鎖而引起的彈性變形之和，利用GPS時(shí)間序列，在對(duì)年周期、半年周期、突跳等信號(hào)進(jìn)行擬合的同時(shí)，通過(guò)非線性反演方法，求得塊體旋轉(zhuǎn)角速度、塊體內(nèi)部永久應(yīng)變、塊體邊界斷層閉鎖程度和滑動(dòng)虧損速率等。反演計(jì)算時(shí)，將斷層幾何形狀作為斷層參數(shù)輸入值，通過(guò)分布在斷層面上的節(jié)點(diǎn)表示斷層的三維結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)先沿等深線分布，每條等深線包含相同數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，再垂直于等深線分布。利用程序可計(jì)算得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)處斷層閉鎖程度，進(jìn)而通過(guò)雙線性插值方法計(jì)算相鄰節(jié)點(diǎn)之間斷層小網(wǎng)格區(qū)域的閉鎖程度，斷層閉鎖程度與該處斷層長(zhǎng)期滑動(dòng)速率的乘積即為滑動(dòng)虧損速率[23]。

負(fù)位錯(cuò)反演模型理論表達(dá)式為

Gim(X,Xnk)[hΩf×Xnk]·m

(1)

當(dāng)通過(guò)模擬退火、網(wǎng)格搜索等技術(shù)，使得χn2+

∑Pk最小時(shí)，塊體旋轉(zhuǎn)角速度、塊體內(nèi)部永久應(yīng)變、塊體邊界斷層閉鎖程度等參數(shù)求得最佳擬合值。其中

(2)

式中，ri為殘差；f為權(quán)比因子(用于對(duì)不同類型觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行定權(quán)，并考慮未包括在數(shù)據(jù)不確定性估計(jì)中的額外不確定性)；σi為標(biāo)準(zhǔn)差；dof為自由度(觀測(cè)值數(shù)量-自由參數(shù)數(shù)量)[23]。Pk為其他懲罰因子，主要用于將參數(shù)保持在指定范圍和將平滑因子應(yīng)用于滑動(dòng)分布[25]。

2 數(shù)據(jù)與模型

2.1 GPS點(diǎn)位分布與斷層模型

本研究所用數(shù)據(jù)包括中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)站、中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所和四川省地震局布設(shè)的連續(xù)站(圖1)。由于研究區(qū)域內(nèi)的GPS流動(dòng)觀測(cè)站在2010.30—2013.30時(shí)間段，僅有2011年一期觀測(cè)，流動(dòng)觀測(cè)結(jié)果與3年尺度連續(xù)觀測(cè)結(jié)果時(shí)間上不能夠重合，且流動(dòng)觀測(cè)為兩年一期，無(wú)法與年尺度的連續(xù)觀測(cè)結(jié)果時(shí)間上重合，因此本次反演僅用了連續(xù)觀測(cè)結(jié)果。本文研究重點(diǎn)為龍門山斷層中南段，因?yàn)轷r水河斷裂帶與龍門山斷裂帶在青藏高原東緣交叉，青藏高原的運(yùn)動(dòng)變形擴(kuò)展到該區(qū)域時(shí)，這兩條斷裂帶之間的運(yùn)動(dòng)與變形存在著較強(qiáng)的相互影響，因此本研究在建立塊體和斷層系統(tǒng)模型時(shí)同時(shí)考慮了上述兩條斷裂帶，并考慮到活動(dòng)塊體內(nèi)部相對(duì)穩(wěn)定、運(yùn)動(dòng)與變形相對(duì)一致的特點(diǎn)[26]，以及周邊主干斷層分布，將研究區(qū)域以龍門山斷層和鮮水河斷層為邊界劃分為3個(gè)塊體，其中塊體1為龍門山塊體的部分區(qū)域、塊體2為四川盆地的部分區(qū)域、塊體3為川西北塊體的部分區(qū)域；塊體1和塊體2之間為龍門山斷層模型，塊體1和塊體3之間為鮮水河斷層模型(圖1)。

蘆山地震后，文獻(xiàn)[27]根據(jù)科學(xué)考察結(jié)果分析認(rèn)為蘆山地震的發(fā)震斷層為地殼中正在形成的新生盲逆斷層，文獻(xiàn)[28]對(duì)蘆山震中周邊的GPS連續(xù)觀測(cè)站進(jìn)行了野外現(xiàn)場(chǎng)考察，文獻(xiàn)[29]利用布設(shè)在龍門山斷層西南段周邊較豐富的GPS連續(xù)站和流動(dòng)站資料，對(duì)蘆山地震破裂斷層面的展布和同震滑動(dòng)分布作了詳細(xì)分析。本文根據(jù)地震精定位結(jié)果顯示的蘆山地震發(fā)震斷層結(jié)構(gòu)[27]和蘆山地震同震破裂模型的研究結(jié)果[29]，將龍門山斷層中南段模型設(shè)置如下：斷層走向設(shè)置為208°、斷層傾角設(shè)置為43°，斷層總長(zhǎng)度為325 km、斷層面總寬度為36 km。

圖1 龍門山斷層中南段周邊GPS連續(xù)站場(chǎng)地分布Fig.1 Distribution of continuous GPS stations around the middle-southern segment of the Longmenshan fault

一般斷層淺部閉鎖程度和滑動(dòng)虧損速率變化相對(duì)較為緩和，深部變化相對(duì)陡一些，特別是在震源深度附近，因此在0～12 km深度設(shè)置等深線的深度為6 km，而在12～24 km深度設(shè)置等深線的深度為4 km，主要目的是在有限的節(jié)點(diǎn)設(shè)置情況下，盡量展現(xiàn)斷層閉鎖程度和滑動(dòng)虧損速率的變化梯度。另外，將24.6 km深度設(shè)置為蠕滑深度，該深度以下斷層是蠕滑狀態(tài)。綜上所述，總共沿?cái)鄬幼呦蛟O(shè)置7條等深線，深度依次為0.1、6、12、16、20、24和24.6 km。沿著斷層走向方向，每條等深線上設(shè)置11個(gè)節(jié)點(diǎn)，由于蘆山震中區(qū)域布設(shè)了相對(duì)較多的GPS連續(xù)站，為了使反演結(jié)果顯示汶川震中至蘆山震中閉鎖程度的過(guò)渡變化，因此節(jié)點(diǎn)設(shè)置較密。

2.2 GPS時(shí)間序列解算

解算GPS時(shí)間序列時(shí)，首先使用GAMIT/GLOBK軟件[30-31]將GPS連續(xù)站觀測(cè)數(shù)據(jù)與309個(gè)全球均勻分布的IGS站數(shù)據(jù)一并解算。解算單日松弛解時(shí)，天線相位中心模型采用IGS提供的絕對(duì)PCVs模型[32]，海潮模型使用FES2004[33]，對(duì)流層映射函數(shù)選用GMF[34]，考慮到龍門山地區(qū)屬于內(nèi)陸地區(qū)，海潮的非潮汐對(duì)該區(qū)域影響相對(duì)較小，同時(shí)大氣的非潮汐在小范圍空間內(nèi)比較一致，因此在GPS數(shù)據(jù)處理中，暫時(shí)沒(méi)有考慮海潮和大氣非潮汐改正；然后使用QOCA軟件[35]聯(lián)合所有的單天解進(jìn)行整體平差，在309個(gè)IGS站中選取80個(gè)全球范圍內(nèi)均勻分布的測(cè)站作為框架點(diǎn)，通過(guò)這些框架點(diǎn)求解相對(duì)于全球參考框架ITRF2008[36]的相似變換參數(shù)，從而獲得各測(cè)站在ITRF2008下的坐標(biāo)時(shí)間序列[37]。在GAMIT軟件處理時(shí)，將所有測(cè)站分為多個(gè)子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)測(cè)站數(shù)不超過(guò)100個(gè)，且每個(gè)子網(wǎng)間有5～10個(gè)公共點(diǎn)。為了保證數(shù)據(jù)處理的自洽性，在整體平差時(shí)沒(méi)有采用IGS提供的全球范圍h文件，同時(shí)為了能在全球范圍內(nèi)選出足夠多的框架點(diǎn)，因此本文用GAMIT軟件處理中國(guó)境內(nèi)的數(shù)據(jù)時(shí)，每天下載309個(gè)IGS站數(shù)據(jù)一起平差處理。

GPS時(shí)間序列數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度為2010.30—2013.30，具體時(shí)間段為蘆山地震前3整年時(shí)間，選擇這個(gè)時(shí)間段主要因?yàn)楹芏郍PS測(cè)站在2010年以后才開(kāi)始有觀測(cè)數(shù)據(jù)，因此為了有更多的測(cè)站資料參與計(jì)算，對(duì)反演模型提供更好的約束，并考慮到汶川震后影響的減弱，本文的數(shù)據(jù)沒(méi)有從2008年開(kāi)始。此外，由于四川省地震局布設(shè)的部分連續(xù)站在2010年沒(méi)有數(shù)據(jù)，因此部分測(cè)站沒(méi)有參與反演計(jì)算(所有參與反演計(jì)算的點(diǎn)見(jiàn)表1)。

3 研究結(jié)果

3.1 最優(yōu)模型選擇

圖2和表1展示了利用3年GPS時(shí)間序列反演得到的30個(gè)站點(diǎn)的總速率、塊體剛性運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)速率、塊體內(nèi)部永久應(yīng)變產(chǎn)生的永久應(yīng)變速率和斷層閉鎖產(chǎn)生的彈性應(yīng)變速率，因?yàn)槟Ｐ驮O(shè)置時(shí)，將塊體2設(shè)置為參考?jí)K體且無(wú)內(nèi)部變形，因此塊體2的旋轉(zhuǎn)速率和永久應(yīng)變速率均為0(表1)。反演得到的由于斷層閉鎖引起的彈性應(yīng)變速率結(jié)果(圖2，表1)顯示，相對(duì)于塊體2和塊體3，塊體1內(nèi)GPS點(diǎn)的彈性應(yīng)變速率較大，特別是靠近龍門山斷層西南段的GPS點(diǎn)的彈性應(yīng)變速率更大，其中以LS05、SCTQ、LS06點(diǎn)的彈性應(yīng)變速率最大(圖2(b))；塊體2內(nèi)最靠近斷層的YAAN點(diǎn)和QLAI點(diǎn)的彈性應(yīng)變速率較大，其他點(diǎn)的彈性應(yīng)變速率較小。以上結(jié)果表明，斷層閉鎖對(duì)地表斷層附近點(diǎn)的影響最明顯，隨著與斷層垂直距離的增大，斷層閉鎖造成的影響程度逐漸降低；同時(shí)，龍門山斷層西南段閉鎖對(duì)北西側(cè)的龍門山塊體造成的影響明顯高于對(duì)南東側(cè)的四川盆地造成的影響，表明目前積累的彈性應(yīng)變能主要集中在北西側(cè)的龍門山塊體內(nèi)，這與汶川地震前龍門山斷層中北段的變形特征[38-39]和汶川地震同震能量釋放特征[40-41]相似。

通過(guò)將模型反演所得各點(diǎn)的GPS總速率值與由時(shí)間序列直接擬合得到的速率值進(jìn)行對(duì)比，即對(duì)比模型擬合速率殘差，能夠在一定程度上檢驗(yàn)反演結(jié)果擬合的好壞，圖3(a)結(jié)果顯示速率模型值與時(shí)間序列擬合值相符性較好，表明模型擬合效果較好。同時(shí)GPS站點(diǎn)3個(gè)方向的時(shí)間序列觀測(cè)值與模型反演值能夠顯示各個(gè)站點(diǎn)的具體擬合情況，圖3(b)—圖3(d)給出了LS05站點(diǎn)(距離龍門山斷層很近且彈性應(yīng)變速率很大，具體位置見(jiàn)圖2(b))的擬合結(jié)果，圖3(b)為東西(EW)向觀測(cè)值與反演值、圖3(c)為南北(NS)向觀測(cè)值與反演值、圖3(d)為U向觀測(cè)值與反演值，結(jié)果顯示整體擬合效果較好，表明反演結(jié)果可靠。

表1 2010.30—2013.30期間GPS總速率、旋轉(zhuǎn)速率、永久應(yīng)變速率和彈性應(yīng)變速率

圖2 2010.30—2013.30期間GPS運(yùn)動(dòng)速率反演結(jié)果(相對(duì)于塊體2)Fig.2 The inversion results of GPS velocity fields from 2010.30 to 2013.30 (related to block 2)

圖3 2010.30—2013.30期間GPS速率與LS05點(diǎn)時(shí)間序列擬合結(jié)果Fig.3 The fitting results of GPS velocity field and time series of LS05 from 2010.30 to 2013.30

3.2 斷層閉鎖程度與滑動(dòng)虧損速率反演結(jié)果

圖4為最優(yōu)模型反演所得2010.30—2013.30期間龍門山斷層中南段的閉鎖程度和滑動(dòng)虧損速率結(jié)果。圖4(a)、圖4(c)結(jié)果顯示，汶川震中周邊在經(jīng)歷了汶川地震破裂解鎖后，正在逐漸恢復(fù)閉鎖，震中處閉鎖程度約為0.5；蘆山震中周邊尤其是西南方向斷層處于完全閉鎖狀態(tài)，表明汶川地震對(duì)該區(qū)域斷層的閉鎖沒(méi)有產(chǎn)生顯著影響。圖4(b)、圖4(d)結(jié)果顯示，龍門山斷層中南段的滑動(dòng)虧損速率基本從斷層面南西(SW)端至北東(NE)端逐漸減小，西南端周邊滑動(dòng)虧損速率最大值約為21 mm/a，至東北端滑動(dòng)虧損速率逐漸過(guò)渡為蠕滑，其中蘆山震中處滑動(dòng)虧損速率約為16 mm/a，汶川震中處滑動(dòng)虧損速率約為6 mm/a。龍門山斷層中南段較大的滑動(dòng)虧損速率與文獻(xiàn)[42—43]所給出的汶川震后斷層兩側(cè)近場(chǎng)區(qū)域的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率基本一致，主要反映了汶川震后的影響作用。

圖5為垂直龍門山斷層模型的兩條剖面擬合結(jié)果(剖面位置見(jiàn)圖2)，其中剖面長(zhǎng)約285 km，剖面1跨龍門山斷層中段，寬100 km；剖面2跨龍門山斷層西南段，寬120 km。圖中紅色線為垂直斷層運(yùn)動(dòng)的模型擬合結(jié)果，斜率為負(fù)表示擠壓，反之為拉張；藍(lán)色線為平行斷層運(yùn)動(dòng)的模型擬合結(jié)果，斜率為負(fù)表示右旋，反之為左旋。圖5(a)結(jié)果表明，龍門山斷層中段垂直斷層擠壓滑動(dòng)速率在斷層處有約6.4 mm/a的階躍，斷層兩側(cè)存在明顯的運(yùn)動(dòng)差異，表明目前該處斷層仍處于蠕滑狀態(tài)，這與圖4汶川震中NE側(cè)斷層閉鎖很弱的結(jié)果是一致的；平行斷層右旋走滑速率在斷層處并沒(méi)有明顯的階躍，表明龍門山斷層中段目前的蠕滑運(yùn)動(dòng)以垂直斷層的擠壓運(yùn)動(dòng)為主，而右旋走滑運(yùn)動(dòng)較弱，但在塊體1內(nèi)部165 km范圍內(nèi)有約8.8 mm/a的右旋扭動(dòng)量，平均右旋扭動(dòng)變形率為5.3×10-8/a(即：0.053 mm/km/a)，明顯高于汶川震前的(2.1～2.6)×10-8/a[41,44]，表明塊體1內(nèi)部的右旋扭動(dòng)變形很明顯。圖5(b)結(jié)果表明，龍門山斷層西南段垂直斷層擠壓滑動(dòng)速率在斷層處有約1.4 mm/a的小階躍，而且在塊體1內(nèi)部165 km范圍內(nèi)有約9.2 mm/a的擠壓變形，平均擠壓變形率為5.6×10-8/a，明顯高于汶川震前的(0.7～1.3)×10-8/a[41,44]，也明顯高于中段的約3.0 mm/a，在塊體2內(nèi)部120 km范圍內(nèi)有約3.6 mm/a的擠壓變形，明顯高于中段的約0.9 mm/a；垂直斷層模型擬合速度結(jié)果基本符合反正切函數(shù)[45]的分布特征，這些結(jié)果表明龍門山斷層西南段閉鎖很強(qiáng)，積累擠壓彈性應(yīng)變能的速率更快。龍門山斷層西南段平行斷層走滑速率在斷層處也沒(méi)有明顯的階躍，近斷層處表現(xiàn)出左旋走滑運(yùn)動(dòng)特征，這與蘆山地震同震破裂特征一致[29,46]，遠(yuǎn)場(chǎng)塊體之間表現(xiàn)出右旋運(yùn)動(dòng)特征；在塊體1內(nèi)部165 km范圍內(nèi)有約5.6 mm/a的右旋扭動(dòng)量，低于中段的約8.8 mm/a右旋扭動(dòng)量。龍門山斷層中段和西南段近斷層處不同走滑運(yùn)動(dòng)特征，表明塊體1內(nèi)部變形在靠近龍門山斷層處表現(xiàn)出扇形分布特征，在龍門山斷層兩個(gè)端點(diǎn)處作擠出運(yùn)動(dòng)。

圖6為利用年尺度GPS時(shí)間序列反演得到的龍門山斷層中南段最優(yōu)模型閉鎖程度。2010.30—2011.30結(jié)果(圖6(a))顯示汶川地震后，破裂解鎖的震中周邊雖然正在逐漸恢復(fù)閉鎖，但閉鎖依然較弱，閉鎖程度約為0.1；蘆山震中周邊尤其西南方向斷層處于完全閉鎖狀態(tài)。2011.30—2012.30結(jié)果(圖6(b))顯示汶川震中附近的閉鎖程度在逐漸增強(qiáng)，閉鎖程度約為0.4，閉鎖范圍也在逐漸擴(kuò)大；蘆山震中周邊的閉鎖程度沒(méi)有發(fā)生太大變化。2012.30—2013.30結(jié)果(圖6(c))顯示汶川震中附近的閉鎖程度在進(jìn)一步增強(qiáng)，閉鎖程度約為0.6，閉鎖范圍也在進(jìn)一步往東北方向擴(kuò)大；蘆山震中和汶川震中之間斷層面的閉鎖程度也在進(jìn)一步增強(qiáng)。從3年時(shí)間演化結(jié)果來(lái)看，汶川震中周邊的閉鎖程度在逐年增強(qiáng)，閉鎖范圍也逐年往東北方向擴(kuò)展，表明汶川震中周邊的斷層面正在快速愈合，并且愈合的范圍正在增大；蘆山震中西南方向斷層閉鎖程度沒(méi)有發(fā)生明顯改變，其與汶川震中之間斷層面的斷層閉鎖程度也在逐年增強(qiáng)，表明這一區(qū)域的斷層面也在快速愈合。

圖7為利用年尺度GPS時(shí)間序列反演得到的龍門山斷層中南段最優(yōu)模型滑動(dòng)虧損速率。2010.30—2011.30結(jié)果(圖7(a))顯示龍門山斷層中南段的滑動(dòng)虧損速率基本從西南端至東北端逐漸減小，西南端最大滑動(dòng)虧損速率約為22 mm/a，東北端滑動(dòng)虧損速率逐漸過(guò)渡為蠕滑，其中蘆山震中處滑動(dòng)虧損速率約為16 mm/a，汶川震中處滑動(dòng)虧損速率約為3 mm/a。2011.30—2012.30結(jié)果(圖7(b))顯示汶川震中周邊的滑動(dòng)虧損速率在逐漸增強(qiáng)，震中處虧損速率約為6 mm/a；蘆山震中西南方向的滑動(dòng)虧損速率有所減小，最大值約為20 mm/a。2012.30—2013.30結(jié)果(圖7(c))顯示汶川震中周邊的滑動(dòng)虧損速率在進(jìn)一步增強(qiáng)，虧損速率約為9 mm/a；蘆山震中西南方向的滑動(dòng)虧損速率也在進(jìn)一步減小，最大值約為18 mm/a。從3年時(shí)間演化結(jié)果來(lái)看，隨著斷層逐漸愈合，汶川震中附近尤其西南方向斷層的滑動(dòng)虧損速率在逐年增大，但這并不意味著滑動(dòng)虧損速率會(huì)隨著閉鎖增強(qiáng)而一直增加下去，因?yàn)殡S著震后影響的減弱，巴顏喀拉塊體相對(duì)于華南塊體的運(yùn)動(dòng)速率會(huì)快速衰減[42]，在一段時(shí)間以后，二者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率會(huì)恢復(fù)至震間期水平，那時(shí)龍門山斷層即使恢復(fù)了完全閉鎖，其滑動(dòng)虧損速率也不會(huì)太大，而是恢復(fù)至震間期滑動(dòng)虧損速率的量值大小。

圖4 2010.30—2013.30期間龍門山斷層中南段斷層閉鎖程度與滑動(dòng)虧損速率Fig.4 The fault locking and slip deficit rate in the middle-southern segment of the Longmenshan fault from 2010.30 to 2013.30

圖5 2010.30—2013.30期間橫跨龍門山斷層中段和西南段的速度擬合結(jié)果(相對(duì)于塊體2)Fig.5 The velocity fitting results across the middle segment and the southwestern segment of the Longmenshan fault from 2010.30 to 2013.30 (related to Block 2)

圖6 龍門山斷層中南段年尺度斷層閉鎖程度反演結(jié)果Fig.6 The inversion results of fault locking of annual scale in the middle-southern segment of the Longmenshan fault

圖7 龍門山斷層中南段年尺度斷層滑動(dòng)虧損速率反演結(jié)果Fig.7 The inversion results of slip deficit rate of annual scale in the middle-southern segment of the Longmenshan fault

圖8為L(zhǎng)S05點(diǎn)年尺度時(shí)間序列原始觀測(cè)值與最優(yōu)模型給出的反演值，結(jié)果表明年尺度時(shí)間序列的擬合效果也較好。

圖8 LS05點(diǎn)年尺度時(shí)間序列觀測(cè)值與模型反演值Fig.8 Observations and inversion values of annual scale time series of the LS05 point

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

考慮到斷層閉鎖程度和愈合過(guò)程在時(shí)間和空間上均可能發(fā)生變化，本文利用汶川震后、蘆山震前3年時(shí)間GPS時(shí)間序列分不同時(shí)間尺度，研究了龍門山斷層中南段的閉鎖程度、滑動(dòng)虧損速率的動(dòng)態(tài)演化特征，這有利于更清楚地認(rèn)識(shí)震后斷層愈合動(dòng)態(tài)過(guò)程。

(1) 龍門山斷層不同段震后愈合過(guò)程有顯著差異。龍門山斷裂帶汶川地震破裂帶震后愈合過(guò)程在不同段呈現(xiàn)不同特征，震中附近破裂斷層震后開(kāi)始快速愈合；而震中東北方向的大部分破裂斷層在本文研究時(shí)段內(nèi)尚未愈合，仍處于蠕滑狀態(tài)，剖面結(jié)果顯示近斷層處存在約6.4 mm/a的擠壓蠕滑速率，估計(jì)演化到愈合還需要至少數(shù)年以上的時(shí)間。

(2) 龍門山斷層不同段震后活動(dòng)特征有顯著差異。垂直龍門山斷層模型的兩條剖面擬合結(jié)果表明，龍門山斷層中段在汶川地震后仍處于蠕滑狀態(tài)，斷層兩側(cè)存在明顯的擠壓運(yùn)動(dòng)差異，且在塊體1內(nèi)部右旋扭動(dòng)變形明顯。龍門山斷層西南段在塊體1內(nèi)部擠壓變形明顯，且在塊體2內(nèi)部也產(chǎn)生了較強(qiáng)的擠壓變形；垂直斷層模型擬合速度結(jié)果基本符合反正切函數(shù)的分布特征，表明龍門山斷層西南段閉鎖很強(qiáng)，積累擠壓彈性應(yīng)變能的速率更快。龍門山斷層西南段在近斷層處和塊體之間表現(xiàn)出不同的走滑運(yùn)動(dòng)特征，表明龍門山塊體內(nèi)部變形在靠近龍門山斷層處表現(xiàn)出扇形分布特征，在龍門山斷層西南端點(diǎn)附近作擠出運(yùn)動(dòng)。

(3) 龍門山斷層西南段仍處于強(qiáng)閉鎖狀態(tài)。在汶川地震時(shí)未發(fā)生破裂的龍門山斷層西南段整體仍保持強(qiáng)閉鎖狀態(tài)[47]，雖然該段已經(jīng)發(fā)生了蘆山地震，但是由于蘆山地震發(fā)生在正在形成的新生盲逆斷層[27]，并沒(méi)有破裂到地表，因此蘆山地震對(duì)西南段斷層的能量釋放是局部的、有限的[48]，蘆山地震的發(fā)生也并未導(dǎo)致西南段明顯解鎖。同時(shí)，完全閉鎖區(qū)域的滑動(dòng)虧損速率在2010.30—2013.30期間由高值逐漸減小，可能表明龍門山斷層中段已經(jīng)愈合的區(qū)域分擔(dān)了部分巴顏喀拉塊體對(duì)四川盆地的擠壓作用[49]。龍門山斷層西南段在整體處于強(qiáng)閉鎖狀態(tài)，并且擠壓彈性應(yīng)變快速積累的情況下，發(fā)生大震的背景有所增強(qiáng)。

4.2 討 論

(1) 本文研究結(jié)果與其他手段研究結(jié)果的異同。大震后斷裂帶滲透率的變化能夠反映裂隙的發(fā)育和愈合情況[4,50]。文獻(xiàn)[7]利用汶川地震后科學(xué)鉆探一號(hào)孔獲得的深部鉆孔水位的潮汐響應(yīng)跟蹤龍門山破裂帶的滲透率，結(jié)果顯示2010年1月至2011年7月之間滲透率快速下降，這種現(xiàn)象反映了震后斷層閉合或者連通性降低，推斷震后斷層存在快速愈合過(guò)程。但是深鉆反映的只是局部區(qū)域的信息，不一定能代表整個(gè)龍門山破裂帶的滲透率情況。

實(shí)驗(yàn)室研究表明地震波速度對(duì)應(yīng)力場(chǎng)很敏感[51]。文獻(xiàn)[13]將時(shí)移層析成像技術(shù)運(yùn)用于龍門山地區(qū)，利用包含汶川地震和蘆山地震的四期地震波走時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行了聯(lián)合反演，獲得了斷裂帶同震和震后速度結(jié)構(gòu)演化的全過(guò)程圖像，觀測(cè)到了清晰的汶川同震地震波速度降低和震后快速恢復(fù)現(xiàn)象，因此推斷破裂斷層存在震后快速愈合現(xiàn)象。但是地震波速度結(jié)果并不能直接表征斷層的愈合情況，可能在斷層還沒(méi)有完全愈合時(shí)，地震波速度已經(jīng)恢復(fù)。

摩擦試驗(yàn)?zāi)軌颢@得震后斷層強(qiáng)度恢復(fù)和愈合的相關(guān)信息。文獻(xiàn)[15]利用龍門山斷裂帶地表斷層帶露頭上的斷層泥和少量汶川科鉆一號(hào)孔的斷層泥作了高速滑移下的滑移-保持-滑移試驗(yàn)，結(jié)果顯示斷層在經(jīng)歷高速滑移之后，出現(xiàn)了快速的強(qiáng)度恢復(fù)和愈合；文獻(xiàn)[16]利用龍門山斷裂帶地表暴露處的斷層泥作直剪摩擦試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)含碳酸鹽巖/黏土巖心的斷層淺層愈合的速度比以前從室溫試驗(yàn)中認(rèn)識(shí)到的要快得多。但是摩擦試驗(yàn)結(jié)果只能得到不同斷層愈合時(shí)間的相對(duì)快慢，并不能給出斷層實(shí)際愈合的時(shí)間。

大地測(cè)量是最直接的能夠反映斷層運(yùn)動(dòng)特征的地表觀測(cè)結(jié)果，從斷層孕震角度來(lái)講，斷層兩側(cè)塊體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)斷層起到加載作用，若斷層完全不愈合，斷層是自由滑動(dòng)的，斷層兩側(cè)為階躍式不連續(xù)變形，能量被釋放掉了；若斷層完全愈合，斷層是被鎖住的，斷層兩側(cè)為緩慢連續(xù)變形，能量積累最快[45]。因此可以利用大地測(cè)量得到的跨斷層變形回歸震間斷層閉鎖的連續(xù)程度、恢復(fù)彈性應(yīng)變的積累程度等來(lái)直接判定斷層愈合狀態(tài)及愈合動(dòng)態(tài)過(guò)程，而上述其他手段均屬于間接推斷結(jié)果。本文利用GPS時(shí)間序列所得負(fù)位錯(cuò)反演結(jié)果顯示汶川震中周邊局部區(qū)域斷層存在閉鎖程度快速增強(qiáng)的現(xiàn)象，表明該區(qū)域斷層在震后快速愈合；而震中東北方向斷層依然處于震后蠕滑狀態(tài)，表明該區(qū)域斷層還未愈合。龍門山破裂斷層不同段愈合狀態(tài)和愈合過(guò)程存在顯著差異，是本文一個(gè)很有意義的研究結(jié)果，這與其他技術(shù)手段根據(jù)研究結(jié)果，推斷認(rèn)為整個(gè)龍門山斷層已經(jīng)快速愈合是不同的。

(2) 龍門山斷層愈合機(jī)制。文獻(xiàn)[52]對(duì)龍門山斷裂帶上北川擂鼓鎮(zhèn)趙家溝剖面的斷層巖進(jìn)行了碳酸鹽礦物同位素的相關(guān)分析，認(rèn)為震后斷裂帶內(nèi)深部高壓流體向上滲透，同時(shí)大氣降水來(lái)源的流體進(jìn)入斷層，與斷層巖相互作用并沉淀于破裂帶內(nèi)，導(dǎo)致脈體的沉淀與基質(zhì)的膠結(jié)；隨著沉淀及膠結(jié)作用的進(jìn)行，斷裂帶內(nèi)裂隙閉合[7]，斷層逐漸愈合，強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。因此震后斷裂帶內(nèi)水循環(huán)對(duì)斷層愈合起到了重要作用[7]，深部流體上涌及所導(dǎo)致的表層大氣水再循環(huán)可能是引起震后斷層快速愈合的重要原因。

汶川地震的破裂過(guò)程有一定的特殊性，破裂從震中開(kāi)始向東北方向單側(cè)擴(kuò)展，而且不同段落的破裂方式也存在差異，震中附近以逆沖運(yùn)動(dòng)為主，越往東北走滑分量越大[40]。一般大陸走滑斷層的震后愈合過(guò)程可能需要較長(zhǎng)時(shí)間，如1920年海原8.5級(jí)地震、1973年?duì)t霍7.6級(jí)地震破裂斷層目前仍在愈合過(guò)程中[53-56]，而愈合過(guò)程長(zhǎng)短與斷層幾何形態(tài)[57]、運(yùn)動(dòng)方式、活動(dòng)習(xí)性等有關(guān)，龍門山斷層震中附近以高角度逆沖運(yùn)動(dòng)為主，可能比震中東北方向斷層愈合得更快，這可能是破裂帶愈合從震中逐漸向東北方向擴(kuò)展的原因。初步分析認(rèn)為，斷層不同段構(gòu)造力學(xué)性質(zhì)差異、震后相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式的差異可能是斷層震后愈合狀態(tài)呈現(xiàn)顯著差異的主要原因。

(3) 反演模型設(shè)置。大地震引起的震后變形主要包括震后余滑、黏彈性松弛等作用[47,58-61]。相關(guān)研究表明余滑作用主要影響震源周邊區(qū)域，并在震后100天以內(nèi)快速衰減、100—300天逐漸衰減，其后影響微弱[62]，而汶川地震80%的余滑在震后2年內(nèi)釋放[47]，因此2010.30—2013.30期間GPS時(shí)間序列受汶川震后余滑作用的影響較弱。中下地殼的震后黏彈性松弛作用衰減慢、影響時(shí)間長(zhǎng)[63]，巴顏喀拉塊體周邊的中下地殼驅(qū)動(dòng)彈性的中上地殼發(fā)生運(yùn)動(dòng)和變形[64-65]，并且中上地殼及四川盆地的地殼在汶川地震后依然處于彈性狀態(tài)[66]。TDEFNODE為考慮中上地殼運(yùn)動(dòng)與變形的負(fù)位錯(cuò)塊體模型軟件，本文反演過(guò)程中用塊體運(yùn)動(dòng)、塊體內(nèi)部彈性應(yīng)變和均勻應(yīng)變等來(lái)表示中上地殼地塊的運(yùn)動(dòng)與變形，而認(rèn)為24.6 km深度以下中下地殼的斷層是完全蠕滑的。因此，龍門山斷裂帶周邊具體的地質(zhì)條件，可以滿足軟件的假定。圖3和圖8結(jié)果顯示，該模型用于汶川震后數(shù)據(jù)的擬合效果較好。

(4) 論文研究工作存在的不足之處及改進(jìn)思路。豐富的GPS站點(diǎn)分布能夠?yàn)榉囱萏峁┝己玫募s束，并提高反演結(jié)果的分辨率；在GPS站點(diǎn)數(shù)量不變的情況下，盡量減少未知參數(shù)的數(shù)量，也可以提高反演參數(shù)的精度。雖然本文GPS連續(xù)站較多，但相對(duì)有限，尤其是龍門山東北段周邊站點(diǎn)較少，因此本文并未討論整條龍門山斷層；而結(jié)合InSAR結(jié)果進(jìn)行聯(lián)合反演，能夠很大程度上提高反演結(jié)果的分辨率和反演參數(shù)的精度，并減弱邊緣效應(yīng)，尤其是對(duì)GPS點(diǎn)位分布稀疏的區(qū)域能夠起到很好的補(bǔ)充作用，因此筆者將在后續(xù)的研究工作中，嘗試?yán)肎PS數(shù)據(jù)和InSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合反演。此外，本文所用GPS資料為地表觀測(cè)資料，是地殼變形在地表的最直接的體現(xiàn)，但是僅利用這些資料做相關(guān)的反演工作，對(duì)深入認(rèn)識(shí)該區(qū)域的深部動(dòng)力學(xué)機(jī)制以及相關(guān)的物理機(jī)制是不夠的，后續(xù)還有待進(jìn)一步加深研究。