徐　銳,.· ,黃圣睦

(1.四川省地震局,四川 成都 610031; 2.弗吉尼亞理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,美國(guó) 弗吉尼亞 24061)

基于GPS觀測(cè)技術(shù)獲取的速度及速度梯度信息可有效反映斷層等地殼形變區(qū)域的應(yīng)力累積、分布狀態(tài)以及潛在的地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程[1-2].作為青藏高原與四川盆地的交匯地帶,青藏高原東南緣在過(guò)去的1千萬(wàn)年中經(jīng)歷了快速的地表隆起[3-6],并被認(rèn)為是青藏高原最“年輕”的發(fā)育地段,因此,該區(qū)域也為青藏高原整體應(yīng)變及動(dòng)力機(jī)制的研究提供了良好的環(huán)境[6].2008年5月12日,位于該區(qū)域的龍門山斷裂帶突然破裂,發(fā)生了汶川Ms8.0級(jí)地震,隨后,在同一斷裂帶及相鄰的鮮水河斷裂上又陸續(xù)發(fā)生了2013年蘆山Ms7.0級(jí)地震及2014年康定Ms6.3級(jí)地震.以汶川地震為主要節(jié)點(diǎn),該區(qū)域的應(yīng)力累積狀態(tài)先后發(fā)生了怎樣的變化? 汶川震后引起的應(yīng)力重新分布對(duì)后續(xù)的地震事件有著什么樣的影響? 現(xiàn)今該區(qū)域的應(yīng)變率分布狀態(tài)及潛在的地震危險(xiǎn)性又如何? 這些問(wèn)題的回答對(duì)于認(rèn)識(shí)該區(qū)域的動(dòng)力機(jī)制及開展地震危險(xiǎn)性評(píng)估等均具有重要的指導(dǎo)意義.

目前,基于GPS速度結(jié)果進(jìn)行青藏高原內(nèi)部應(yīng)力累積和分布狀態(tài)的研究已有許多成果[2,7-9],但主要集中在對(duì)汶川震前或同震的應(yīng)變率場(chǎng)分布狀態(tài)的討論,而關(guān)于整個(gè)區(qū)域受重大地震事件影響引起的應(yīng)變率“動(dòng)態(tài)”時(shí)空演化特征的討論則較少.基于此,本文將使用研究區(qū)域內(nèi)(98°N～-108°N,26°E～-34°E)可獲取的最新GPS站點(diǎn)觀測(cè)資料,首先,計(jì)算該地區(qū)1997—2008、2009—2011、2011—2013、2013—2015年共計(jì)4期面膨脹率、垂直軸旋轉(zhuǎn)率及最大剪應(yīng)變率分布結(jié)果;之后,以2008年汶川Ms8.0級(jí)地震為主要節(jié)點(diǎn),以蘆山2013年 Ms7.0級(jí)地震、康定2014年Ms6.3級(jí)地震為參考節(jié)點(diǎn),分析了上述地震事件對(duì)應(yīng)變率結(jié)果的動(dòng)態(tài)時(shí)空分布影響及其對(duì)區(qū)域地震危險(xiǎn)性評(píng)估的潛在指導(dǎo)意義.

1　GPS數(shù)據(jù)處理與質(zhì)量控制

目前,四川境內(nèi)可獲取的GPS觀測(cè)資料始于1997年,詳細(xì)資料說(shuō)明見(jiàn)文獻(xiàn)[10].

基于GAMIT-GLOBK軟件[11-12]實(shí)現(xiàn)GPS觀測(cè)資料的處理.首先,我們將GPS接收機(jī)觀測(cè)的雙頻相位觀測(cè)數(shù)據(jù)與研究區(qū)域周圍均勻分布的約5～10個(gè)連續(xù)運(yùn)行IGS觀測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合解算(每24 h 作為一個(gè)分析時(shí)段)以獲取松約束條件下的測(cè)站位置、大氣參數(shù)(如天頂對(duì)流層濕延遲)、地球定向參數(shù)以及相應(yīng)的方差-協(xié)方差矩陣;其次,將上述結(jié)果作為新的觀測(cè)值(即“偽”觀測(cè)值[13])與麻省理工學(xué)院發(fā)布的全球站點(diǎn)聯(lián)合觀測(cè)結(jié)果(h-文件)進(jìn)行融合,實(shí)現(xiàn)區(qū)域數(shù)據(jù)與全球數(shù)據(jù)的聯(lián)接;之后,對(duì)于連續(xù)運(yùn)行參考站,為了更好地獲取測(cè)站的長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)信息(如減弱因突然降雨等短周期環(huán)境噪聲引起的觀測(cè)序列的擾動(dòng)),將每7 d的獨(dú)立時(shí)間序列進(jìn)行加權(quán)平均,得到新的位置觀測(cè)結(jié)果;最后,通過(guò)卡爾曼濾波聯(lián)合處理連續(xù)站與區(qū)域站GPS位置的觀測(cè)結(jié)果,并選取全球范圍內(nèi)均勻分布、時(shí)間序列穩(wěn)定的IGS連續(xù)觀測(cè)站(約為35個(gè))在歐亞框架下(ITRF08_EURA)的先驗(yàn)點(diǎn)位信息(如坐標(biāo)、速度及相關(guān)統(tǒng)計(jì)信息)作為框架約束,獲取待解算測(cè)站在該框架下的位置信息.將2009—2011、2011—2013、2013—2015年的相應(yīng)位置序列信息進(jìn)行分別處理,得到對(duì)應(yīng)的速度信息.

最終得到的1997—2008、2009—2011、2011—2013、2013—2015年等4期速度結(jié)果如圖1所示(約355個(gè)站點(diǎn)落在本文的研究區(qū)域之內(nèi)).為了清晰,圖1每幅子圖僅繪制了最新一期速度結(jié)果70%置信水平的誤差橢圓,灰色曲線為區(qū)域斷層分布,黃色曲線為四川行政邊界.

圖1　多期GPS速度場(chǎng)對(duì)比Fig.1　Comparison of GPS velocity results of different periods

2　應(yīng)變率計(jì)算

基于規(guī)則格網(wǎng)和張力樣條插值方法計(jì)算連續(xù)的應(yīng)變率場(chǎng),計(jì)算公式及原理見(jiàn)文獻(xiàn)[1].其思路是:研究區(qū)域劃分為若干大小相等的格網(wǎng),對(duì)落入每個(gè)格網(wǎng)內(nèi)的所有GPS站點(diǎn)的北、東向速度分量分別進(jìn)行加權(quán)平均,并將該均值作為格網(wǎng)中心點(diǎn)的速度估值,所有格網(wǎng)中心點(diǎn)的速度估值再通過(guò)張力樣條插值獲取連續(xù)的速度場(chǎng)和應(yīng)變率場(chǎng).北、東方向的速度分量可以獨(dú)立處理主要基于二者的相關(guān)性一般非常小(通常在0.001～0.003)這一事實(shí);加權(quán)平均的主要原因則在于震后各期GPS速度結(jié)果的有效觀測(cè)歷元較少,單個(gè)站點(diǎn)的GPS速度估值穩(wěn)定性不高,通過(guò)加權(quán)平均可有效降低(可能的)問(wèn)題測(cè)站對(duì)全局結(jié)果的影響.

在GPS速度場(chǎng)已知的情況下,應(yīng)變率場(chǎng)的獲取主要受兩種因素的影響:規(guī)則格網(wǎng)的劃分和樣條張力的選擇.規(guī)則格網(wǎng)的劃分主要依賴于研究區(qū)域的平均GPS站間距及特定的研究目標(biāo).格網(wǎng)越小,應(yīng)變率產(chǎn)品的空間分辨率越高(反映的細(xì)節(jié)越多),但受數(shù)值不穩(wěn)定因素的影響越大,可靠性也越弱;格網(wǎng)越大,穩(wěn)定性增強(qiáng),但空間信息的分辨率也越低.通過(guò)測(cè)試,將規(guī)則格網(wǎng)的大小設(shè)置在0.5°所生成的四川地區(qū)應(yīng)變率場(chǎng)產(chǎn)品較為合理,比如,所獲取的最大剪應(yīng)變率可較好地反映區(qū)域的重要活動(dòng)性剪切斷層的分布和走向特征,所獲取的垂直軸旋轉(zhuǎn)率的空間分布特征與地質(zhì)等結(jié)果基本吻合等.樣條張力的控制則依賴于張力變量T的選擇,依據(jù)文獻(xiàn)[1]的建議,設(shè)置T=0.3.

3　結(jié)　果

3.1　面膨脹率

圖2給出了1997—2008、2009—2011、2011—2013、2013—2015年等4期速度場(chǎng)得到的面膨脹率計(jì)算結(jié)果.圖2中,紅色五角星分別代表汶川2008年 Ms8.0級(jí)地震、蘆山2013年Ms7.0級(jí)地震、康定2014年Ms6.3級(jí)地震的震中位置,黑色實(shí)線為斷層位置[10].

由圖2可知:

(1) 研究區(qū)域內(nèi)較為顯著的面膨脹率分布主要集中在龍門山斷裂、大涼山次級(jí)塊體西側(cè)(安寧河、則木河及大涼山斷裂組成的菱形區(qū)域)及四川地區(qū)西側(cè).

(2) 龍門山斷裂在汶川地震前后均呈現(xiàn)顯著的壓縮特性,這與該區(qū)域的背景運(yùn)動(dòng)特征一致,即,其地處青藏高原與四川盆地(華南地塊)的邊界構(gòu)造帶,并呈疊瓦狀向四川盆地逆沖推覆[11],從而引起擠壓.汶川震后(圖2(b)～(d))該區(qū)域的壓縮應(yīng)變率明顯高于震前(圖2(a)),從量級(jí)上看,除汶川和蘆山地震所在震中位置外,震后量級(jí)大約為震前的3～5倍.當(dāng)然,震前的這兩處面壓縮率高值區(qū)是否恰巧與汶川、蘆山地震的成因有關(guān)仍值得進(jìn)一步探索,但可以確定的是,震前該區(qū)域的空間壓縮率的確高于斷層的其他位置,這一點(diǎn)與文獻(xiàn)[2,8]關(guān)于該區(qū)域的研究結(jié)果是一致的.從空間分布上看,龍門山斷裂帶震后面壓縮率分布相對(duì)于震前而言在其北東段(北川至青川段)有所延伸,這與汶川地震引起龍門山斷裂的能量釋放范圍一致,同時(shí),震后該區(qū)域的面壓縮率高值區(qū)的分布隨著時(shí)間的推移有減緩的趨勢(shì),說(shuō)明該區(qū)域正在經(jīng)歷震后彈性回彈過(guò)程.但在經(jīng)歷了近7年之后(2008—2015年),仍未恢復(fù)至震前水平(1997—2008年),說(shuō)明該區(qū)域下地殼中的黏彈性物質(zhì)(而非上地殼的彈性物質(zhì))對(duì)其弛豫時(shí)間起著決定性影響.

(3) 在大涼山次級(jí)塊體及周邊區(qū)域,震后相對(duì)于震前的面壓縮率明顯增強(qiáng),且隨著時(shí)間的推移,似乎有進(jìn)一步增強(qiáng)的趨勢(shì),如果借鑒汶川地震的分析結(jié)果,該區(qū)域面壓縮率逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)與地震危險(xiǎn)性可能有所關(guān)聯(lián),并值得進(jìn)一步深入研究.

(4) 四川地區(qū)西部(川、滇、藏交界位置,約北緯27°～30°,東經(jīng)98°～100°) 2011—2013年結(jié)果(圖2(c))相對(duì)于之前幾期出現(xiàn)較為明顯的面膨脹分布,這可能是受該區(qū)域2013年8月28日發(fā)生的Ms5.9級(jí)香格里拉德欽—得榮地震影響.文獻(xiàn)[14]的研究結(jié)果表明,該地震為正斷層型地震,且發(fā)震區(qū)域具有顯著的拉張?zhí)匦?與此處的GPS結(jié)果一致.

圖2　不同時(shí)期GPS速度場(chǎng)獲取的面膨脹率結(jié)果(×10-6 strain/yr)Fig.2　Dilatation strain rate results calculated using GPS velocity fields of different periods(×10-6 strain/yr)

3.2　垂直軸旋轉(zhuǎn)率

圖3給出了1997—2008、2009—2011、2011—2013、2013—2015年等4期速度場(chǎng)結(jié)果所分別獲取的研究區(qū)域垂直軸旋轉(zhuǎn)率分布狀態(tài).各結(jié)果所使用的渲染色彩均基于相同的顏色刻度定義,其中,正值代表逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),負(fù)值代表順時(shí)針旋轉(zhuǎn).

由圖3可知:

(1) 顯著的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)主要分布在鮮水河—安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶及龍門山斷裂帶北段,顯著的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)主要分布在龍門山斷裂帶南段及四川地區(qū)西側(cè).

(2) 汶川地震前,龍門山斷裂帶的旋轉(zhuǎn)特性與四川盆地所在的華南地塊基本一致,為微弱的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),而地震后,該斷裂帶北段上呈現(xiàn)顯著的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),而南段則呈現(xiàn)顯著的順時(shí)針旋轉(zhuǎn),這與該斷裂帶逆沖(南段)兼具右旋走滑(北段)的背景特性相一致.同時(shí),隨著時(shí)間的推移,震后該斷裂帶的順、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)高值區(qū)的空間分布和量級(jí)也在逐漸減少,進(jìn)一步揭示了汶川地震的震后調(diào)整過(guò)程.

(3) 鮮水河—安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶呈現(xiàn)顯著的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)特性.從旋轉(zhuǎn)的量級(jí)看,在汶川震前,最大的旋轉(zhuǎn)率出現(xiàn)在鮮水河斷裂帶南段,而震后,最大的旋轉(zhuǎn)率則“轉(zhuǎn)移”到了安寧河—?jiǎng)t木河甚至更南端的小江斷裂帶上,但是由于其量級(jí)的變化非常微弱(約為0.01×10-6strain/yr),因此,這種“轉(zhuǎn)移”是否真實(shí)存在以及這種“轉(zhuǎn)移”是否由汶川地震直接引起,均需要更多學(xué)科手段的聯(lián)合論證.

(4) 四川地區(qū)西側(cè)(川、滇、藏交界區(qū)域)呈現(xiàn)大范圍的順時(shí)針旋轉(zhuǎn),這與原始的GPS速度場(chǎng)結(jié)果(圖2)揭示的旋轉(zhuǎn)特性一致.同時(shí),其所展現(xiàn)的紅河斷裂(右旋)與鮮水河—安寧河—?jiǎng)t木河—小金河斷裂帶(左旋)的旋轉(zhuǎn)特性差異與該區(qū)域的長(zhǎng)期背景認(rèn)知一致[2,8].

圖3　不同時(shí)期GPS資料獲取的垂直軸旋轉(zhuǎn)率結(jié)果對(duì)比(×10-6 strain/yr)Fig.3　Vertical rotation rate results calculated using GPS velocity fields of different periods(×10-6 strain/yr)

3.3　最大剪應(yīng)變率

圖4為不同時(shí)期的最大剪應(yīng)變率分布結(jié)果,內(nèi)插格網(wǎng)值為0.5°.

由圖4可知:

(1) 最大剪應(yīng)變率主要分布在鮮水河—安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶及龍門山斷裂帶.

圖4　不同時(shí)期GPS資料獲取的最大剪應(yīng)變率結(jié)果(×10-6 strain/yr)Fig.4　Maximum shear strain rates of GPS velocity fields of different periods(×10-6 strain/yr)

(2) 汶川地震之前,龍門山斷裂帶上無(wú)顯著的剪切應(yīng)變分布,這與之前的GPS及地質(zhì)觀測(cè)結(jié)果一致[15-16].汶川震后,龍門山區(qū)域出現(xiàn)明顯的剪應(yīng)變率分布,并且隨著時(shí)間的推移(圖3(b)～(d)),剪應(yīng)變率的空間分布和量級(jí)逐漸縮小.

(3) 汶川地震前,整個(gè)鮮水河斷裂帶均呈較高的最大剪應(yīng)變率分布特征,而汶川地震后,鮮水河斷裂南段的最大剪應(yīng)變率分布相對(duì)于中段和北段更加顯著,并一直持續(xù),這可能說(shuō)明由于汶川地震的發(fā)生使得該區(qū)域的應(yīng)力累積重新分布,從而最終誘發(fā)了2014年康定Ms6.3級(jí)地震.另外,鮮水河斷裂帶北段的剪切應(yīng)變空間分布有增強(qiáng)的趨勢(shì)值得繼續(xù)關(guān)注.與面膨脹率的現(xiàn)象類似,川藏交界2011—2013年出現(xiàn)剪切應(yīng)變?cè)黾拥那闆r,應(yīng)該亦是受到2013年得榮 Ms5.9級(jí)地震影響所致.

由于最大剪應(yīng)變率的分布與潛在的區(qū)域地震危險(xiǎn)性直接相關(guān)[1],為了精化地震危險(xiǎn)區(qū)的識(shí)別范圍,我們將內(nèi)插格網(wǎng)值減小至0.1°,所獲取的最大剪應(yīng)變率分布結(jié)果如圖5所示,內(nèi)插格網(wǎng)值為0.1°.由圖5可知:鮮水河北段(與甘孜—玉樹斷裂的復(fù)合部位)、安寧河—?jiǎng)t木河斷裂及大涼山斷裂(即,大涼山次級(jí)塊體)仍是主要地震危險(xiǎn)區(qū).

圖5　不同時(shí)期最大剪應(yīng)變率結(jié)果(×10-6 strain/yr)Fig.5　Maximum shear strain rates of GPS velocity fields of different period(×10-6 strain/yr)

4　結(jié)　論

使用1997—2015年GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取了青藏高原東南緣四川地區(qū)不同時(shí)期的速度場(chǎng)結(jié)果,基于該產(chǎn)品對(duì)研究區(qū)域的應(yīng)變率張量及汶川地震前后面膨脹率、垂直軸旋轉(zhuǎn)率及最大剪應(yīng)變率等的時(shí)空演化特征進(jìn)行了分析.

結(jié)果表明,汶川震后,龍門山區(qū)域的3類應(yīng)變率場(chǎng)的空間分布和量級(jí)均有減緩的趨勢(shì),客觀揭示了汶川地震的震后回彈過(guò)程.但至今,回彈過(guò)程尚未結(jié)束(未恢復(fù)至震前狀態(tài)),表明該區(qū)域依然會(huì)受到較長(zhǎng)時(shí)間的下地殼黏彈性流動(dòng)層的影響.

最大剪應(yīng)變率的分析結(jié)果表明,鮮水河斷裂北段、安寧河—?jiǎng)t木河斷裂以及大涼山斷裂仍是未來(lái)一段時(shí)間該研究區(qū)域內(nèi)應(yīng)該被持續(xù)關(guān)注的主要地震危險(xiǎn)區(qū).

致謝:感謝四川省測(cè)繪與地理信息局提供部分GPS站點(diǎn)資料.

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