張 希，郝 明，賈 鵬，崔篤信

(中國地震局第二監(jiān)測中心，陜西西安710054)

0 引言

新疆天山、青藏塊體東北緣、川滇、華北地區(qū)是我國大陸主要的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與地震活動(dòng)區(qū)域，GPS站點(diǎn)分布也比較密集。本文利用其2009～2011年GPS水平運(yùn)動(dòng)速度場結(jié)果(利用GIMIT/GLOBK軟件對(duì)中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測網(wǎng)絡(luò)與陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)工程GPS資料處理所得，全國范圍約2 000個(gè)站點(diǎn)，已去掉運(yùn)動(dòng)方向或速率量值與周圍站點(diǎn)差異過大的數(shù)個(gè)站點(diǎn))，分區(qū)構(gòu)建非震負(fù)位錯(cuò)模型，借助反演研究我國大陸近期主要構(gòu)造區(qū)活動(dòng)斷裂的應(yīng)變積累特性、積累速率與其分段差異性、閉鎖深度，及與強(qiáng)震孕育—發(fā)生的可能關(guān)系。

1 地殼水平運(yùn)動(dòng)的非震負(fù)位錯(cuò)模型

Matsu'ura負(fù)位錯(cuò)模型(Matsu'ura et al，1986)認(rèn)為受現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)下的各活動(dòng)地塊間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)在地塊邊界處有可能受到阻礙。假設(shè)塊體邊界下部的塑性區(qū)可自由滑動(dòng)，其上部的彈脆性區(qū)卻因摩擦阻力等因素限制了這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)從而導(dǎo)致應(yīng)力應(yīng)變積聚，則可認(rèn)為這個(gè)彈脆性區(qū)是部分鎖定的。即視塊體邊界區(qū)域的地表位移為塊體(剛性假設(shè))平移減去邊界上部(由若干斷層段構(gòu)成，每條斷層段用Okada(1985)彈性均勻介質(zhì)半空間的矩形位錯(cuò)模擬)對(duì)塊體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部分鎖定在地表產(chǎn)生的位移。它具有聯(lián)系塊體與其邊界斷裂，以尋求以塊體邊界負(fù)位錯(cuò)變形體現(xiàn)的、可能與強(qiáng)震孕育有關(guān)的高應(yīng)變能積累閉鎖段的研究和預(yù)報(bào)意義(何玉梅，姚振興，2002;伍吉倉，許才軍，2002;張希等，2003)。考慮到較大尺度區(qū)域地殼變形還應(yīng)包含塊體內(nèi)部的變形，張希等(2005a，b;2010)探索建立塊體彈性變形與邊界負(fù)位錯(cuò)部分鎖定的復(fù)合模型，較剛性塊體假設(shè)更符合地殼實(shí)際運(yùn)動(dòng)。

具體建模時(shí)，Matsu'ura等(1986)、伍吉倉和許才軍(2002)、何玉梅和姚振興(2002)均采用若干彈性半空間的單一矩形位錯(cuò)模型來模擬塊體邊界的各段，其中后兩篇文獻(xiàn)的研究范圍都達(dá)到了數(shù)百、甚至上千公里。理論上球面分層位錯(cuò)模型更接近大尺度區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)實(shí)際，但考慮到本文研究區(qū)(即使部分區(qū)域如川滇地區(qū))塊體及邊界帶(多具有分段活動(dòng)特性)數(shù)量較多，若位錯(cuò)模型太復(fù)雜實(shí)際求解非常困難，故而在測點(diǎn)分布支持的情況下，對(duì)邊界帶盡可能細(xì)劃(每條斷層段作用范圍有限，僅兩側(cè)數(shù)十、至多百余公里，可近似為平面)較為可行。

若模型由p個(gè)塊體和q個(gè)斷層段組成，GPS站點(diǎn)(xi，yi)位于第j個(gè)塊體上。，為此塊體質(zhì)心(，)E向及N向平移量，，，，為在Matsu'ura負(fù)位錯(cuò)模型基礎(chǔ)上借助Taylor展式增加的塊體 (相對(duì)質(zhì)心)均勻應(yīng)變分量 (即x向正應(yīng)變、剪應(yīng)變、y向正應(yīng)變與旋轉(zhuǎn))。進(jìn)而考慮到矩形位錯(cuò)產(chǎn)生的位移場可能存在E向、N向平移，與旋轉(zhuǎn)量αk(k=1，…，q);旋轉(zhuǎn)中心為，)(顧國華，1990)。借助1985年Okada矩形位錯(cuò)在地表產(chǎn)生的位移變化解析式，第i個(gè)站點(diǎn)的水平運(yùn)動(dòng)觀測方程可表示為

等式左邊第1、2項(xiàng)分別為觀測與改正值，Δx=xi個(gè)數(shù)，避免增加不確定性)。而 Dk，λk，δk，Wk分別為第k個(gè)斷層段的鎖定位錯(cuò)量、錯(cuò)動(dòng)角、傾角及寬度(假設(shè)斷層延伸至地表，并由地質(zhì)資料已知斷層軌跡，以避免斷層段起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)作為參量反演在斷層段交匯時(shí)導(dǎo)致的奇異問題)。

將GPS水平運(yùn)動(dòng)資料作為地表位移觀測，通過貝葉斯—最小二乘法(Matsu'ura et al，1986;張希等，2003，2005a，b，2010)可以反演塊體及其邊界斷層段的各項(xiàng)參數(shù)。先利用只有塊體運(yùn)動(dòng)與應(yīng)變參量的地殼運(yùn)動(dòng)模型根據(jù)最小二乘法則確定等式右邊前4項(xiàng)6個(gè)參數(shù)的近似初值;再通過塊體運(yùn)動(dòng)參量初值、斷裂附近站點(diǎn)觀測值反映的塊體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)及邊界斷裂活動(dòng)狀況，參考已知地質(zhì)或地球物理成果確定斷層參數(shù)初值。反演時(shí)加約束以保證鎖定位錯(cuò)量在水平面上分別沿?cái)鄬幼呦蚝头ň€方向的投影小于其兩側(cè)塊體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)量在這兩個(gè)方向的投影。并采用年均地震矩積累量Mk0=μLkWkDk反映能量積累速率，這里的μ為地殼的剛性系數(shù)(取4×1010N/m2)，Lk為斷層長度?；谟?jì)算中扣除正好位于斷裂及其延伸線上的觀測站點(diǎn)及貝葉斯—最小二乘法的特性，這樣的反演過程較為穩(wěn)定，不會(huì)造成奇異問題。

2 負(fù)位錯(cuò)模型構(gòu)建與斷裂帶地質(zhì)信息

根據(jù)我國大陸主要構(gòu)造區(qū)斷裂發(fā)育及GPS站點(diǎn)分布情況，筆者構(gòu)建了圖1所示31個(gè)塊體的負(fù)位錯(cuò)模型，相關(guān)斷裂的地質(zhì)背景與傾角、產(chǎn)狀信息見表1(由馬杏垣(1989)、鄧起東等(2002)地質(zhì)資料，以及基于GIS的地震預(yù)報(bào)分析系統(tǒng)Mapsis軟件“中國斷層.tab”與“中國斷層_鄧起東.tab”文件綜合總結(jié)于表1)。具體反演時(shí):①斷裂傾向與活動(dòng)特性參考表1。若表1給出了斷裂傾角的取值范圍，原則上約束傾角在此范圍內(nèi)，若在此范圍內(nèi)確實(shí)無法使擬合效果較好，可適當(dāng)放松幾度(規(guī)定小于10°);若未查到具體的傾角取值范圍，即約束傾向與表1一致、傾角40°～85°。②因難查到斷層深度或?qū)挾鹊臏?zhǔn)確信息，考慮到研究區(qū)以往發(fā)生的基本為淺源地震，10～20 km震源深度相對(duì)居多，結(jié)合傾角約束，反演時(shí)約束斷層寬度60 km以內(nèi)，分別在15、25、35 km取值通過試算粗略選取擬合效果相對(duì)較好的斷層寬度初值。③大多數(shù)斷層段反演所得左旋或右旋、逆斷或正斷特性與表1相符，個(gè)別斷層段不一致時(shí)，以研究時(shí)段實(shí)測資料反映的塊體間運(yùn)動(dòng)差異特征為準(zhǔn)，畢竟地質(zhì)資料是長時(shí)間尺度的總體結(jié)果，本文則反映近期地形變觀測可能揭示的活動(dòng)斷裂應(yīng)變積累特征。④ 因?yàn)閴K體內(nèi)部均勻應(yīng)變參數(shù)也在反演模型中，如果其內(nèi)站點(diǎn)分布密度差異太大，所得應(yīng)變量未必是想要的，故對(duì)巴顏喀拉地塊，只取站點(diǎn)較密的東部進(jìn)行計(jì)算(圖1中地塊3－1)。⑤ 理論上可以對(duì)全國數(shù)十個(gè)塊體、斷層段統(tǒng)一反演，但鑒于每條斷層段4個(gè)參數(shù)、每個(gè)塊體6個(gè)參數(shù)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)參數(shù)過多，導(dǎo)致程序運(yùn)行、參數(shù)調(diào)整很慢，故本文對(duì)全國主要構(gòu)造斷裂區(qū)即新疆(天山構(gòu)造為主，圖1中塊體1－1～1－5)、青藏塊體東北緣(圖1中塊體2－1～2－8)、川滇(圖1中塊體3－1～3－12)、華北地區(qū)(圖1中塊體4－1～4－6)分別反演。即僅對(duì)地區(qū)內(nèi)部的斷裂段(兩側(cè)塊體都屬該地區(qū))進(jìn)行反演、地區(qū)間公共邊界斷裂不參與反演，因斷層位錯(cuò)作用范圍有限，塊體變形只與該塊體內(nèi)部站點(diǎn)間相對(duì)差異運(yùn)動(dòng)有關(guān)，故分區(qū)反演與全國所有塊體、斷裂統(tǒng)一反演的效果是一致的，有對(duì)比分析意義。⑥川滇反演區(qū)外圍發(fā)生2010年玉樹7.1級(jí)，2011年緬甸7.2級(jí)地震，但震級(jí)不是很高，距其最近的鮮水河與金沙江斷裂、永德—龍陵與南汀河斷裂，震中距300 km以上;2011年日本9級(jí)巨震距華北反演區(qū)東緣2 000多公里，而同震影響在我國東北比較顯著(楊少敏等，2012)，本文未反演發(fā)震斷裂及巨震顯著影響區(qū)，所用速度場未扣除同震位移，這樣反演更可能反映兩年里構(gòu)造變形的實(shí)際情況，也可為以后與其它時(shí)段做動(dòng)態(tài)對(duì)比、進(jìn)而為推測大震影響時(shí)提供參考。

圖1 塊體編號(hào)與邊界、相關(guān)斷裂名稱(塊體1－1、1－3、1－5、2－1、3－10、3－11、4－6包含中國大陸邊界)Fig.1 Blocks numbering and the name of boundaries and related faults(Block 1－1、1－3、1－5、2－1、3－10、3－11、4－6 include boundary of China mainland)

3 我國大陸主要構(gòu)造區(qū)負(fù)位錯(cuò)反演分析

3.1 新疆地區(qū)

對(duì)2009～2011年新疆地區(qū)速度場資料建立了5個(gè)塊體、5條斷層段的負(fù)位錯(cuò)模型(西昆侖北緣與康西瓦斷裂西南側(cè)站點(diǎn)少或分布不均勻，不作為參數(shù)反演)，反演結(jié)果、擬合效果見圖2、3與表2、3(擬合均方差2.1 mm/a;模型理論與觀測值之差的絕對(duì)值在 1 mm/a、2 mm/a、3 mm/a以下的站點(diǎn)數(shù)分別占站點(diǎn)總數(shù)的68%、90%、96%)。逆斷為主、兼弱左旋或右旋，斷層活動(dòng)特性及傾角與表1所示地質(zhì)信息比較一致。塊體變形顯著的地塊即天山地塊(圖2、表2中塊體1－3);而應(yīng)變能積累顯著(反映積累速率的年均地震矩積累量15～25×1017N·m/a、位錯(cuò)量4.0～4.7 mm/a)段落為南天山西段(圖2中B1B2段)、北天山中東段與南天山中東段所在的稍大區(qū)域(2012年6月30日和靜—新源6.6級(jí)強(qiáng)震發(fā)生在該區(qū)邊緣，見圖2中綠色圓圈標(biāo)注，有背景預(yù)測效能)。

表1 研究區(qū)相關(guān)斷裂帶活動(dòng)特性Tab.1 Activity features of the related fault belts in study area

3.2 華北地區(qū)

對(duì)2009～2011年華北速度場建立了6個(gè)塊體、11條斷層段的負(fù)位錯(cuò)模型，反演結(jié)果、擬合效果見圖2、3與表2、3(擬合均方差2.6 mm/a;模型理論與觀測值之差的絕對(duì)值在1 mm/a、2 mm/a、3 mm/a以下的站點(diǎn)數(shù)與站點(diǎn)總數(shù)之比分別為57%、79%、89%)。斷層活動(dòng)特性與地質(zhì)背景比較一致，其中晉冀蒙交界區(qū)附近(圖2中C2D1與C1C2段)應(yīng)變積累相對(duì)明顯(年均地震矩積累量在6×1017N·m/a以上，位錯(cuò)量1.9～2.5 mm/a)、山西斷陷帶南端及與陜西交界的中條山北麓斷裂次之(圖2中D3D4段，年均地震矩積累量4×1017N·m/a以上，位錯(cuò)量2 mm/a)。此外，汾渭斷陷帶中段(圖2中D1－D2－D3段)積累偏弱、或出現(xiàn)與地質(zhì)背景相反的逆斷特性，可能與2008年汶川8.0級(jí)、2011年日本9.0級(jí)巨震影響，或與2009～2010年該區(qū)及附近4級(jí)多地震活躍有一定關(guān)聯(lián)。

3.3 青藏塊體東北緣地區(qū)

對(duì)2009～2011年青藏塊體東北緣地區(qū)速度場資料建立了8個(gè)塊體、9條斷層段的負(fù)位錯(cuò)模型，反演結(jié)果、擬合效果見圖2、3與表2、3(擬合均方差2.8 mm/a;模型理論與觀測值之差的絕對(duì)值在1 mm/a、2 mm/a、3 mm/a以下的站點(diǎn)數(shù)與站點(diǎn)總數(shù)之比分別為62%、82%、91%)。顯著變形的地塊有祁連山地塊、西寧與甘南地塊(圖2、表2中塊體2－3、2－6、2－8)，甘南地塊擠壓量值在本區(qū)最強(qiáng)、靠近汶川震區(qū)，結(jié)合楊國華等(2012)研究結(jié)果，大震影響可能尚未結(jié)束。而本區(qū)斷層活動(dòng)特性與地質(zhì)背景基本一致，祁連山斷裂帶西段、西秦嶺北緣斷裂的甘青交界段應(yīng)變積累相對(duì)明顯(圖2中F1F2、G2G4段，年均地震矩積累量4×1017Nm/a以上、位錯(cuò)量2 mm/a以上)。

3.4 川滇地區(qū)

對(duì)2009～2011年川滇速度場資料建立了12個(gè)塊體、18條斷層段的負(fù)位錯(cuò)模型，反演結(jié)果、擬合效果見圖 2、3與表 2、3(擬合均方差3.2 mm/a;模型理論與觀測值之差的絕對(duì)值在1 mm/a、2 mm/a、3 mm/a以下的站點(diǎn)數(shù)與站點(diǎn)總數(shù)之比分別為49%、72%、86%)。變形顯著的地塊主要位于龍門山斷裂東側(cè)、金沙江斷裂兩側(cè)(不排除玉樹地震影響;結(jié)合賈鵬等的(2012)研究結(jié)果，汶川大震影響也未結(jié)束，發(fā)震的龍門山斷裂H2－H3段近兩年幾乎不積聚能量)及滇西地區(qū)。斷層活動(dòng)特性與地質(zhì)背景基本一致，其中，安寧河斷裂應(yīng)變積累居川滇之首，其次是紅河斷裂中段(圖2中 I3I4、PN2段，年均地震矩積累量5×1017N·m/a以上、鎖定位錯(cuò)量3.2～4.3 mm/a);龍門山斷裂南端、則木河斷裂、元謀—綠汁江斷裂南段、小江斷裂南段存在一定程度應(yīng)變積累。

表2 2009～2011年我國大陸主要地塊變形參數(shù)反演結(jié)果Tab.2 Inversing results of deformation parameters of main blocks from 2009 to 2011 in China Mainland

圖2 2009～2011年我國大陸GPS速度場資料的負(fù)位錯(cuò)模型Fig.2 Model of negative dislocation for GPS velocity field from 2009 to 2011 in China Mainland

表3 2009～2011年我國大陸主要活動(dòng)斷裂鎖定負(fù)位錯(cuò)參數(shù)反演結(jié)果Tab.3 Inversing results of locking negative dislocation parameters of main faults from 2009 to 2011 in China Mainland

圖3 2009～2011年GPS速度場(相對(duì)歐亞板塊)資料的負(fù)位錯(cuò)擬合效果對(duì)比Fig.3 Simulation effect comparison of negative dislocation for GPS velocity field(related to Eurasia)from 2009 to 2011

4 結(jié)論與討論

(1)2009～2011年新疆天山地區(qū)應(yīng)變積累最強(qiáng)(位錯(cuò)量最弱為 2.1 mm/a，80%段落超過4 mm/a，平均3.9 mm/a)，可能與近幾年大震相對(duì)平靜有關(guān)(對(duì)2012年6月30日天山中部6.6級(jí)強(qiáng)震孕育背景反映較好)，平均閉鎖深度最深約20.9 km;其次為川滇地區(qū)，位錯(cuò)量最高4.3 mm/a，但61%的段落位錯(cuò)量2 mm/a以下，強(qiáng)弱差異明顯，平均1.9 mm/a，較天山地區(qū)低得多，應(yīng)與近幾年測區(qū)內(nèi)及周邊強(qiáng)震尤其汶川8.0級(jí)和玉樹7.1級(jí)等大震活躍、能量釋放調(diào)整有關(guān)，平均閉鎖深度約16.3 km。青藏塊體東北緣存在一定程度應(yīng)變積累(位錯(cuò)量最高近3 mm/a，78%段落低于2 mm/a，平均1.8 mm/a)，平均深度約15.7 km。華北地區(qū)應(yīng)變積累最弱(位錯(cuò)量最高僅2.5mm/a，64%段落不超過1.3mm/a，平均1.2 mm/a)，平均深度約16.0 km。

(2)4個(gè)地區(qū)擬合均方差2.1～3.2 mm/a、平均2.7 mm/a(稍高于速度場基本2 mm/a以下的中誤差值，但差異不大，鑒于大多數(shù)站點(diǎn)速率量值十幾甚至數(shù)十毫米，反演結(jié)果合理)。目前強(qiáng)震孕育背景相對(duì)顯著的構(gòu)造區(qū)域有南天山西段、川滇交界東部(安寧河—?jiǎng)t木河斷裂尤其安寧河斷裂)、紅河斷裂中段至滇西、祁連山斷裂帶西段、西秦嶺北緣斷裂甘青交界段、晉冀蒙交界，及上述區(qū)域附近。

(3)本文較以往時(shí)段負(fù)位錯(cuò)反演(張希等，2003，2005a，b，2010)多了新疆、華北全部GPS站點(diǎn)，以及南北地震帶陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)工程GPS站點(diǎn)，速度場處理也非同一人完成，故沒有對(duì)比負(fù)位錯(cuò)具體量值變化，僅反映近期應(yīng)變積累特性與分區(qū)、分段相對(duì)差異。

(4)本文所用速度場未扣除2010年玉樹7.1級(jí)、2011年緬甸7.2級(jí)和日本9.0級(jí)巨震同震位移，這些地震距待反演且最近的鮮水河與金沙江斷裂、永德—龍陵與南汀河斷裂、郯廬斷裂300多公里甚至2 000 km以上，非發(fā)震構(gòu)造，作為負(fù)位錯(cuò)參數(shù)反演是為了以后與其它時(shí)段做動(dòng)態(tài)對(duì)比分析時(shí)提供參考。

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