趙靜 劉杰 任金衛(wèi) 江在森 閆偉 岳沖 苑爭一

1）中國地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京市西城區(qū)三里河南橫街5號(hào) 100045

2）中國地震局地質(zhì)研究所（地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），北京市朝陽區(qū)華嚴(yán)里甲1號(hào) 100029

3）中國地震局地震預(yù)測研究所（中國地震局地震預(yù)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），北京 100036

0 引言

2008年5月12日汶川8.0級(jí)地震發(fā)生在巴顏喀拉塊體與華南塊體交界的NE向龍門山斷裂帶上，地震基本為沿著斷裂帶的NE向單側(cè)破裂。汶川地震是有歷史記載以來首例發(fā)生在大陸內(nèi)部低滑動(dòng)速率斷裂上的高角度逆沖型8級(jí)強(qiáng)震，其孕育機(jī)制和發(fā)生機(jī)理與其他特大逆沖型地震可能是不同的（張培震等，2009），而要認(rèn)識(shí)汶川地震的孕育過程，僅研究其發(fā)震斷裂——龍門山斷裂帶是不夠的，巨大地震孕育過程涉及更大的時(shí)空尺度，因此需要對(duì)與發(fā)震斷裂相關(guān)、相鄰的地質(zhì)構(gòu)造單元在震前不同時(shí)段、不同尺度的運(yùn)動(dòng)與變形狀態(tài)進(jìn)行觀測和研究，才能獲得完整、可靠的信息（中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司，2009），這包括垂直斷裂帶的GPS速度場剖面、地表大范圍的GPS應(yīng)變率場、斷層面上閉鎖程度分布、大尺度GPS基線時(shí)間序列、近場跨斷層短水準(zhǔn)等。至2018年5月12日，汶川地震已發(fā)生10年，在這期間許多科學(xué)工作者利用震前GPS資料與跨斷層資料對(duì)龍門山斷裂帶的閉鎖與變形特征、巴顏喀拉塊體與華南塊體的運(yùn)動(dòng)與變形演化過程等進(jìn)行了研究，Chen等（2000）、張培震等（2008、2009）、Hubbard等（2009）、江在森等（2009）、杜方等（2009）、Zhang等（2010）、趙靜等（2012）、Wu等（2015）利用GPS速度剖面方法對(duì)龍門山斷裂帶遠(yuǎn)、近場變形特征進(jìn)行了相關(guān)分析；江在森等（2009）、武艷強(qiáng)等（2011）、趙靜等（2012）、Wei等（2015）、Wu等（2015）對(duì)龍門山斷裂帶及其周邊地區(qū)的應(yīng)變率場進(jìn)行了相關(guān)分析；Shen等（2005）、Meade（2007）、趙靜等（2012）建立塊體與斷層模型，對(duì)龍門山斷裂帶運(yùn)動(dòng)特征、閉鎖程度和滑動(dòng)虧損空間分布進(jìn)行了相關(guān)研究；江在森等（2009）利用大尺度GPS基線對(duì)南北地震帶大范圍地殼變形進(jìn)行了相關(guān)分析；焦青等（2008）、蘇琴等（2009）、程萬正等（2011）、Bo等（2011）利用跨斷層短水準(zhǔn)資料對(duì)龍門山斷裂帶垂向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了相關(guān)分析；楊國華等（2006）、陳祖安等（2011）、陳運(yùn)泰等（2013）、徐晶等（2017）分析了遠(yuǎn)大震和周邊強(qiáng)震對(duì)龍門山斷裂帶及附近地區(qū)的影響。除此之外，前人還在其他方面開展了較豐富的研究工作。上述研究為我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)汶川地震前龍門山斷裂帶近場與遠(yuǎn)場的變形特征、研究汶川地震孕育過程等提供了幫助，但是這些研究大部分只涉及了一種或幾種方法，沒有利用多種資料、方法將地表和斷層深部運(yùn)動(dòng)與變形、斷層水平方向和垂直方向運(yùn)動(dòng)與閉鎖等進(jìn)行綜合研究，因此缺乏針對(duì)龍門山斷裂帶遠(yuǎn)近場、深淺部、三維立體的綜合性分析。本文的目的是對(duì)這方面的10年研究成果進(jìn)行匯總，使讀者了解汶川地震前GPS與跨斷層資料的變化特征和目前的認(rèn)識(shí)。

GPS和跨斷層觀測數(shù)據(jù)可以有效監(jiān)測斷裂帶及其周邊區(qū)域不同尺度地殼三維動(dòng)態(tài)變形特征，而斷層深淺部運(yùn)動(dòng)與閉鎖作用很大程度上影響著地殼變形，因此本文將主要依據(jù)1999～2007期GPS速度場，綜合前人跨斷層速度剖面結(jié)果分析斷裂帶遠(yuǎn)、近場的運(yùn)動(dòng)變形特征；綜合前人最小二乘配置方法計(jì)算結(jié)果分析周邊區(qū)域的應(yīng)變率場，采用DEFNODE負(fù)位錯(cuò)反演程序估算汶川地震前龍門山斷裂帶的閉鎖程度和滑動(dòng)虧損分布；綜合前人大尺度GPS基線時(shí)間序列結(jié)果分析南北地震帶地殼運(yùn)動(dòng)特征；利用1985～2008年跨斷層短水準(zhǔn)資料分析龍門山斷裂帶不同場地年均垂直變化速率、斷層形變累積率空間分布。然后利用上述相關(guān)研究結(jié)果綜合分析汶川地震前龍門山斷裂帶近場和遠(yuǎn)場的水平與垂直變形演化特征、地表與斷層深部運(yùn)動(dòng)與變形特征，探討汶川地震的孕育過程和發(fā)震機(jī)理，以期對(duì)大陸內(nèi)部低滑動(dòng)速率斷裂上的高角度逆沖型8級(jí)強(qiáng)震有更全面、深入的認(rèn)識(shí)。

1 跨斷層GPS速度剖面

利用橫跨斷裂帶的GPS速度剖面可以分析斷裂帶的遠(yuǎn)、近場變形特征（Savage et al，1973；Meade et al，2005），汶川地震后多位學(xué)者（張培震等，2008、2009；江在森等，2009；杜方等，2009；Zhang et al，2010；趙靜等，2012；Wu et al，2015）利用該方法對(duì)龍門山斷裂帶進(jìn)行了相關(guān)分析。圖1為垂直于龍門山斷裂帶的GPS速度剖面，剖面NW側(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，平行于龍門山斷裂帶的水平右旋走滑分量和垂直于龍門山斷裂帶的水平縮短分量都揭示了寬達(dá)500km的川西高原震前遭受著明顯的連續(xù)變形，其右旋走滑速率為9～11mm/a，水平縮短速率為4～5mm/a；川西高原中速度剖面大體上的線性梯度表明其變形和應(yīng)變是準(zhǔn)均勻的（張培震等，2009）。剖面SE側(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，四川盆地一側(cè)GPS站速度都在0值附近，表明四川盆地內(nèi)部無明顯變形趨勢，且跨整個(gè)龍門山斷裂帶的GPS站速度與四川盆地內(nèi)部一致，基本看不到變形趨勢（江在森等，2009）。以上結(jié)果表明川西高原震前經(jīng)歷著強(qiáng)烈的變形，其在變形幅度和空間范圍上遠(yuǎn)大于龍門山斷裂帶和四川盆地（張培震等，2009）。

圖1 龍門山地區(qū)活動(dòng)構(gòu)造與汶川地震前GPS速度剖面（據(jù)Zhang等（2010））

2 GPS應(yīng)變率場

由GPS速度場計(jì)算得到的應(yīng)變率場可以反映地殼上部的張壓和剪切等變形特征，因此汶川地震前龍門山斷裂帶及其附近地區(qū)的應(yīng)變率場結(jié)果能夠反映地震孕育的部分特征。選取25°～34°N、99°～107°E范圍內(nèi)的 GPS水平速度場數(shù)據(jù)，采用最小二乘配置方法（武艷強(qiáng)等，2009；江在森等，2010；Wu et al，2011）計(jì)算得到了該區(qū)域的主應(yīng)變率、EW向應(yīng)變率和最大剪應(yīng)變率的分布（圖2）。主應(yīng)變率結(jié)果（圖2（a））表明龍門山斷裂帶西南段的應(yīng)變積累速率遠(yuǎn)大于中北段，具有明顯的分區(qū)特征，整條斷裂帶表現(xiàn)為擠壓兼右旋剪切變形特征。斷裂帶中北段的NW側(cè)變形幅度從遠(yuǎn)離斷裂帶到靠近斷裂帶逐漸減小，表明川西高原的長期變形在持續(xù)不斷地為閉鎖的龍門山斷裂帶提供應(yīng)變積累，并且在震前較長時(shí)期已經(jīng)積累了很高的應(yīng)變能，而龍門山斷裂帶由于本身強(qiáng)閉鎖狀態(tài)和四川盆地的強(qiáng)烈阻擋，只發(fā)生微弱的震間變形，使得有GPS觀測以來無法觀測到汶川地震前的斷裂帶顯著變形（趙靜等，2012）。斷裂帶中北段的SE側(cè)變形很微弱，表明作為支撐單元的四川盆地在汶川地震前對(duì)川西高原的擠壓起到了穩(wěn)定的阻擋作用，這也是造成龍門山斷裂帶閉鎖和高應(yīng)變積累的必要條件（張培震等，2009）。EW向應(yīng)變率結(jié)果（圖2（b））表明受巴顏喀拉塊體東向運(yùn)動(dòng)影響，龍門山斷裂帶西南段周邊區(qū)域形成了顯著的EW向擠壓應(yīng)變集中區(qū)；龍門山斷裂帶中北段的NW側(cè)擠壓變形明顯，而斷裂帶的SE側(cè)則屬于EW向拉張變形區(qū)，該結(jié)果表明龍門山斷裂帶作為EW向變形的分界帶，具備長期積累擠壓應(yīng)變的背景（趙靜等，2012），而汶川地震就發(fā)生在EW向強(qiáng)烈擠壓變形的邊緣區(qū)域。最大剪應(yīng)變率結(jié)果（圖2（c））表明鮮水河-安寧河-則木河-小江斷裂帶上最大剪應(yīng)變率較高（計(jì)算時(shí)斷層滑動(dòng)速率沒有扣除，因此斷層蠕滑可能會(huì)影響應(yīng)變率值計(jì)算），而在龍門山斷裂中北段剪應(yīng)變并不明顯（Wu et al，2015），表明汶川震前龍門山斷裂中北段的右旋剪切運(yùn)動(dòng)也較弱，斷層處于閉鎖狀態(tài)。此外，從整個(gè)中國大陸西部的 EW 向變形特征（Wei et al，2015；Wu et al，2015）來看，青藏塊體在 92.5°以西地區(qū)主要表現(xiàn)為EW向拉張，反映了青藏高原地殼物質(zhì)的東向流動(dòng)；在92.5°E以東地區(qū)主要表現(xiàn)為EW向擠壓，一直持續(xù)到龍門山斷裂帶附近，反映了青藏高原地殼物質(zhì)東向流動(dòng)受到了華北和華南塊體的阻擋作用，形成了寬達(dá)900多千米的擠壓區(qū)域，而龍門山斷裂帶作為擠壓區(qū)域的邊界，一直接受著來自西部青藏高原大范圍擠壓應(yīng)變能的積累。

圖2 1999～2007期 GPS應(yīng)變率場結(jié)果（趙靜等，2012；Wu et al，2015）

汶川地震前川滇地區(qū)EW向應(yīng)變率場的三期結(jié)果（圖3）反映了龍門山斷裂帶周邊地區(qū)EW向擠壓變形的演化特征。1999～2001年（圖3（a）），EW向擠壓變形高值區(qū)的面積較小、最高值區(qū)位于鮮水河斷裂帶；龍門山斷裂帶西南段擠壓變形較強(qiáng)，而中北段擠壓變形微弱。2001～2004年（圖3（b）），EW向擠壓變形高值區(qū)的量值和面積均有所增加，最大擠壓變形仍然位于鮮水河斷裂帶并向東移動(dòng)；龍門山斷裂帶擠壓變形范圍有所增加，西南段擠壓變形進(jìn)一步增強(qiáng)，中北段附近擠壓變形較強(qiáng)。2004～2007年（圖3（c）），EW向擠壓變形的量值明顯增大，最大擠壓變形繼續(xù)往東遷移至龍門山斷裂帶與鮮水河斷裂帶交界處；在EW向應(yīng)變率場逐漸東向遷移的過程中，龍門山斷裂帶的EW向擠壓變形逐漸增強(qiáng)，到2004～2007年達(dá)到最高（武艷強(qiáng)等，2011）。

圖3 川滇地區(qū)EW向應(yīng)變率場結(jié)果

3 斷層閉鎖

在前面分析跨斷層GPS速度剖面、GPS應(yīng)變率場的基礎(chǔ)上，我們建立了塊體與斷層物理模型對(duì)龍門山斷裂帶在汶川地震前的閉鎖程度和滑動(dòng)虧損空間三維分布等進(jìn)行了相關(guān)反演計(jì)算，試圖從斷層深部運(yùn)動(dòng)與變形角度對(duì)汶川地震有更深一步的認(rèn)識(shí)。所用DEFNODE負(fù)位錯(cuò)反演程序的基本原理和使用方法見參考文獻(xiàn)（McCaffrey，2002、2005；Savage et al，2001；趙靜等，2012、2015），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)部均勻應(yīng)變和由于斷層閉鎖而引起的地表彈性變形之和，因此該程序能夠利用GPS數(shù)據(jù)，采用網(wǎng)格搜索和模擬退火方式反演計(jì)算塊體旋轉(zhuǎn)歐拉極、塊體內(nèi)部均勻應(yīng)變、塊體邊界斷層閉鎖程度和滑動(dòng)虧損速率三維分布等，其中，斷層閉鎖程度為斷層滑動(dòng)虧損速率與斷層長期滑動(dòng)速率的比值，比值為0表示斷層完全蠕滑，比值為1表示斷層完全閉鎖，比值介于0～1之間，表示斷層部分閉鎖，并存在部分蠕滑運(yùn)動(dòng)。我們首先對(duì)該程序的反演可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明在不同斷層傾角條件下反演結(jié)果均具有高度可靠性；權(quán)值f對(duì)反演結(jié)果影響微弱，反演結(jié)果也具有較好的穩(wěn)定性；沿經(jīng)度、緯度方向均為1°間隔分布的GPS速度場數(shù)據(jù)基本能夠約束發(fā)震斷層的震間變形形態(tài)（趙靜等，2013）。

所用數(shù)據(jù)為汶川地震前的1999～2007期GPS速度場（王敏研究員提供），共有186個(gè)測站數(shù)據(jù)參與反演，因此GPS的空間分辨率應(yīng)該可以約束汶川地震發(fā)震斷層的震間變形形態(tài)?？紤]到龍門山斷裂帶與鮮水河斷裂帶、安寧河-則木河-小江斷裂帶在青藏高原東緣構(gòu)成了交叉口，三條斷裂帶之間的運(yùn)動(dòng)與變形相互影響，因此在建立塊體與斷層物理模型時(shí)，將整個(gè)研究區(qū)域以上述三條斷裂帶為邊界，劃分為巴顏喀拉地塊、川滇地塊和華南地塊。反演所得龍門山斷裂帶閉鎖程度和滑動(dòng)虧損空間分布情況見圖4，圖4（a）結(jié)果顯示：整條龍門山斷裂基本處于強(qiáng)閉鎖狀態(tài)，只有汶川地震的震源位置處閉鎖相對(duì)較弱，閉鎖程度為0.88左右；西南段有大概20km寬度斷層在12～22.5km深度為蠕滑狀態(tài)，為整條斷裂帶上唯一不閉鎖的位置，而蘆山地震則發(fā)生在強(qiáng)閉鎖至不閉鎖的過渡部位（趙靜等，2018）。圖4（b）結(jié)果顯示：平行龍門山斷裂的滑動(dòng)虧損速率均為右旋虧損速率，北東段虧損速率最大，為 5.8～6.0 mm/a；中南段完全閉鎖段落的虧損速率為5.7～5.8mm/a，較北東段稍有減弱。圖4（c）結(jié)果顯示：垂直龍門山斷裂的滑動(dòng)虧損速率均為擠壓虧損速率，自北東端至南西端滑動(dòng)虧損速率逐漸增大，其中，北東段虧損速率最小，為0.6～1.1mm/a；中南段完全閉鎖段落的虧損速率為2.0～3.6mm/a。

圖4 汶川地震前龍門山斷裂帶閉鎖程度與滑動(dòng)虧損空間分布（據(jù)趙靜等（2018））

4 大尺度GPS基線

單個(gè)GPS站的時(shí)間序列會(huì)受到參考框架、季節(jié)性天氣等影響，而這些影響在一定程度上是相關(guān)的，因此需要找出一些具有物理意義、受共有誤差影響較小的參數(shù)來描述地殼變形信息，提取兩個(gè)GPS站間基線的時(shí)間序列與參考框架相關(guān)程度較小且可削弱一些同源誤差影響，能夠凸顯地殼變形信息，而采用大地線弧長作為基線時(shí)間序列又避免了GPS法向觀測誤差（其非構(gòu)造影響更突出）的影響。通過濾波可削弱多種年周期及更短頻段的非構(gòu)造因素的影響，保留相對(duì)低頻的具有穩(wěn)定性的趨勢變化，所反應(yīng)的地殼運(yùn)動(dòng)信息可能更為可靠（江在森等，2009），因此提取兩個(gè)GPS站間大地線弧長低頻信息的方法在地殼變形分析中較為常用。汶川地震后，江在森等（2009）對(duì)中國大陸 GPS基準(zhǔn)站連續(xù)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，結(jié)果表明跨南北地震帶區(qū)域的NE向GPS基線時(shí)間序列自2005年以來出現(xiàn)長趨勢普遍轉(zhuǎn)折現(xiàn)象（圖5（a）），反映南北地震帶NE向地殼縮短的相對(duì)運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)、青藏地塊相對(duì)華南地塊的NE向運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，其中與西南地區(qū)的KMIN（昆明）、XIAG（下關(guān)）、LUZH（瀘州）等站相關(guān)的北東或北北東基線均顯示，2004年12月26日蘇門答臘MW9.0地震后，在2004～2005年先相對(duì)伸長，而后在 2005～2006年轉(zhuǎn)為縮短擠壓變化，如 KM IN（昆明）-YANC（鹽池）基線（圖5（b）），表明西南地區(qū)受蘇門答臘地震同震影響明顯（楊國華等，2006）。青藏塊體和華南塊體內(nèi)部的NE向基線并沒有出現(xiàn)縮短增強(qiáng)的趨勢。同時(shí)，LUZH（瀘州）-LHAS（拉薩）-YANC（鹽池）GPS基準(zhǔn)站構(gòu)成的三角形變形單元應(yīng)變參數(shù)時(shí)間序列結(jié)果（江在森等，2009）表明，南北地震帶大尺度地殼變形的變化為近EW向地殼縮短和NE向右旋剪切活動(dòng)的增強(qiáng)，這與龍門山斷裂帶發(fā)震所需要的構(gòu)造動(dòng)力一致，因此蘇門答臘地震可能促進(jìn)了汶川地震的發(fā)生。

圖5 南北地震帶及其附近區(qū)域部分NE向GPS基線時(shí)間序列去線性后曲線圖（江在森等，2009）

5 跨斷層短水準(zhǔn)結(jié)果

圖6為汶川地震前龍門山斷裂帶跨斷層短水準(zhǔn)場地分布與高差變化，短水準(zhǔn)場地包括灌縣、七盤溝、耿達(dá)、雙河、蒲江等5個(gè)場地，其水準(zhǔn)數(shù)據(jù)時(shí)間跨度為1985～2008年。綜合分析認(rèn)為，汶川地震前5個(gè)場地跨斷層形變資料基本沒有出現(xiàn)明顯的短期異常（蘇琴等，2009；Bo et al，2011）。

從圖6可以看出：耿達(dá)A-B測線在震前出現(xiàn)了大幅拉張異常，但經(jīng)異常核實(shí)認(rèn)為該變化為A點(diǎn)受環(huán)境因素影響產(chǎn)生下沉，且異常出現(xiàn)時(shí)段與當(dāng)?shù)匦藿ǚ课輹r(shí)段非常吻合，因此不作為地震前兆異常（蘇琴等，2009）；灌縣3-4測線在1992～1994年出現(xiàn)顯著拉張變化，最大幅度達(dá)到2.47mm，1994年后斷層處于弱活動(dòng)狀態(tài)，2005～2008年有一個(gè)先擠壓后拉張的微弱變化；蒲江1-2測線自1987年以后呈現(xiàn)持續(xù)拉張狀態(tài)，1993年9月～1995年9月出現(xiàn)拉張速率增強(qiáng)又減弱的異常過程（焦青等，2008），1995～2002年曲線恢復(fù)走勢，表明該觀測斷層段張性活動(dòng)恢復(fù)，2002～2004年曲線拉平，水準(zhǔn)變化明顯減弱，斷層活動(dòng)消失，而從2004年底開始，水準(zhǔn)拉張變化再次增強(qiáng)，2006年下半年由拉張轉(zhuǎn)擠壓，之后汶川地震發(fā)生（程萬正等，2011）；七盤溝和雙河場地水準(zhǔn)年變周期較為規(guī)律，但同時(shí)呈現(xiàn)一定的壓性變化。

圖6 汶川地震前龍門山斷裂帶跨斷層短水準(zhǔn)場地分布（a）與高差變化（b）

為進(jìn)一步研究汶川地震前跨斷層短水準(zhǔn)變化，我們計(jì)算了水準(zhǔn)年均形變速率（圖7），從幾個(gè)場地的年均變化速率結(jié)果可以看出，整個(gè)龍門山斷裂帶上斷層的年均變化速率都在0附近波動(dòng)變化，說明整個(gè)斷層垂向運(yùn)動(dòng)很弱，處于強(qiáng)閉鎖的狀態(tài)，這與1999～2007期GPS反演所得斷層閉鎖程度結(jié)果是一致的。蒲江場地和灌縣場地水準(zhǔn)年均形變速率分別在2006年和2007年出現(xiàn)了小幅度的變化，可能表明斷層的活動(dòng)性在汶川震前稍有增強(qiáng)。但是縱觀龍門山斷裂帶上所有斷層形變資料不難看出，汶川地震前基本沒有出現(xiàn)明顯的短期突跳或速率改變異常。

為研究汶川地震前龍門山斷裂帶周邊地區(qū)的跨斷層短水準(zhǔn)垂直變化空間分布結(jié)果，我們計(jì)算了斷層垂直形變累積率Dc（圖8），Dc為斷層形變長期平均年變速率與平均年變幅度之比（無量綱），其絕對(duì)值范圍在0～1之間，越趨于1，表示曲線線性趨勢越好且波動(dòng)變化越?。辉节呌?，表示曲線往復(fù)變化或曲線平穩(wěn)且無形變和應(yīng)變累積（岳沖等，2017）。圖8結(jié)果顯示：鮮水河斷裂帶上的侏倭、溝普、安順場場地Dc絕對(duì)值一直趨于1，表明其長期處于形變和應(yīng)變累積過程，而其他場地的形變和應(yīng)變累積速率較低，綜合鮮水河斷裂帶8處場地結(jié)果可以看出，斷裂帶北西段閉鎖較弱，而南東段閉鎖較強(qiáng)。龍門山斷裂帶上耿達(dá)、七盤溝、雙河場地具有很小的形變累積率，結(jié)合圖7可以看出這三處場地的年均垂直變化速率曲線的波動(dòng)性即擾動(dòng)性并不強(qiáng)，表明這三處場地活動(dòng)很弱；蒲江和灌縣場地的形變累積率稍大，結(jié)合圖6、7結(jié)果可以看出，灌縣場地形變累積率稍大主要是由1992～1996年觀測數(shù)據(jù)引起的。綜合龍門山斷裂帶5處場地結(jié)果，可以看出整個(gè)斷裂帶的形變累積率很低，表明斷層沒有明顯的速率改變、處于強(qiáng)閉鎖狀態(tài)。

圖7 汶川地震前龍門山斷裂帶跨斷層短水準(zhǔn)年均垂直變化速率

圖8 汶川地震前斷層形變累積率空間分布等值線（1990～2008年結(jié)果）

6 討論與結(jié)論

（1）利用汶川地震同震位移除以GPS方法獲得的震間斷層滑動(dòng)速率，得到汶川地震的復(fù)發(fā)間隔為 2500～5000年（趙靜等，2012）、3190～5952年（張培震等，2008）、2000～10000年（Burchfiel et al，2008），但是十年尺度GPS結(jié)果獲得的斷層滑動(dòng)速率是否能夠代表過去幾千年甚至更長時(shí)間斷層的滑動(dòng)速率，是計(jì)算地震復(fù)發(fā)間隔的關(guān)鍵所在（Yin，2010）。像喜馬拉雅斷層這樣的大斷裂，遠(yuǎn)離斷層500km左右還能夠積累彈性應(yīng)變（Feldl et al，2006），而斷層近場GPS觀測不到明顯的變形，當(dāng)積累的能量釋放時(shí)卻能夠促使斷層上大地震的發(fā)生。龍門山斷裂帶與喜馬拉雅斷裂帶有一定的相似性，均為大陸內(nèi)部逆沖斷裂帶，只不過龍門山斷裂帶為仰沖斷裂帶（主動(dòng)盤為上盤），喜馬拉雅斷裂帶為俯沖斷裂帶（主動(dòng)盤為下盤），因此除了青藏高原東緣的龍門山斷裂帶以外，巴顏喀拉塊體東部應(yīng)該有一個(gè)大范圍應(yīng)變積累區(qū)域，而跨斷層GPS速度剖面結(jié)果就顯示寬達(dá)500km的整個(gè)川西高原震前經(jīng)歷著空間上連續(xù)分布的強(qiáng)烈變形。地震地質(zhì)研究結(jié)果給出的汶川地震前龍門山斷裂帶滑動(dòng)速率比GPS結(jié)果給出的速率要高，因此利用汶川地震同震位移除以地震地質(zhì)方法獲得的斷層滑動(dòng)速率，得到汶川地震的復(fù)發(fā)間隔為2233～4167年，比GPS結(jié)果獲得的復(fù)發(fā)間隔要短（張培震等，2008）。

（2）大地震釋放的彈性應(yīng)變來源于震前地殼運(yùn)動(dòng)造成的長期應(yīng)變積累，汶川地震可能經(jīng)歷了幾千年的彈性應(yīng)變能積累過程，而跨斷層資料的觀測時(shí)間只有不到30年、GPS資料的觀測時(shí)間只有10年，都處于汶川地震周期的最后階段，因此可能在該階段龍門山斷裂帶附近地殼彈性應(yīng)變積累已經(jīng)趨于極限，正處于一個(gè)十分緩慢積累甚至已經(jīng)無法積累的狀態(tài)，這可能是導(dǎo)致前兆異常特別是近斷層異常不易突出顯現(xiàn)的原因，也是導(dǎo)致我們?cè)谥虚L期尺度上低估了其地震危險(xiǎn)性的重要原因之一。汶川地震后，我們認(rèn)識(shí)到斷層在低運(yùn)動(dòng)和變形速率下并不一定代表低的潛在地震危險(xiǎn)性，特別是逆沖型斷層可能反映了其正處在強(qiáng)閉鎖和應(yīng)變能高度積累的狀態(tài)。由于汶川地震前龍門山斷裂帶北西盤沒有布設(shè)GPS連續(xù)觀測站，因此我們對(duì)震前斷層附近的地殼連續(xù)變形并沒有獲得較好的觀測，也無法用連續(xù)的GPS資料分析斷層附近連續(xù)變形的演化特征。汶川地震后中國地震局地震預(yù)測研究所江在森研究員的研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到，未發(fā)生破裂的龍門山斷裂帶南段依然有發(fā)生強(qiáng)震的危險(xiǎn)性，因此他們?cè)谀隙沃苓叢荚O(shè)了10個(gè)GPS連續(xù)觀測站，并成功捕捉到了蘆山7.0級(jí)地震前龍門山斷裂帶南段的連續(xù)變形演化特征（劉曉霞等，2015），使我們對(duì)大陸內(nèi)部逆沖型斷層的震前變形和發(fā)震機(jī)理等有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

（3）在地震學(xué)研究中，震間變形因涉及時(shí)間窗口長和各種干擾因素的影響，已成為具有挑戰(zhàn)性的問題之一。在汶川地震前大致半個(gè)世紀(jì)內(nèi)，龍門山斷裂帶周邊區(qū)域發(fā)生了多次6～7級(jí)強(qiáng)震，主要包括1976年8月16日松潘7.2級(jí)、8月22日松潘6.7級(jí)、8月23日松潘7.2級(jí)地震序列，1941年6月12日瀘定-天全一帶6.0級(jí)地震和1970年2月24日大邑6.2級(jí)地震。有關(guān)大地震同震效應(yīng)和震后效應(yīng)引起的庫侖應(yīng)力變化研究結(jié)果顯示，松潘地震序列對(duì)2008年汶川8.0級(jí)地震、2013年蘆山7.0級(jí)地震和整個(gè)龍門山斷裂帶影響微弱（徐晶等，2017）。1941年瀘定-天全一帶6.0級(jí)地震和1970年大邑6.2級(jí)地震所釋放的地震波能量太小，僅為MW6.8（汶川地震和蘆山地震之間未破裂段落的震級(jí)估值）地震所釋放地震波能量的6%～13%，不足以改變龍門山斷裂帶西南段危險(xiǎn)斷層的地震估值（陳運(yùn)泰等，2013）。地震的影響既有同震相變，也有震后蠕變調(diào)整，雖然上述研究指出這些強(qiáng)震對(duì)汶川地震的影響可能較弱，主要因素仍是汶川地震本身能量的積累，但本文給出的龍門山斷裂帶及周邊地區(qū)的震間變形仍然是包括這些地震影響的，這也是不同地震之間變形差異的一個(gè)原因。

（4）橫跨斷裂帶的GPS速度剖面結(jié)果顯示，不論是垂直于龍門山斷裂的水平縮短分量還是平行于龍門山的水平右旋走滑分量，都揭示出寬達(dá)500km的川西高原在震前遭受著明顯的、連續(xù)的變形；而四川盆地一側(cè)GPS站速度和跨龍門山斷裂處的GPS站速度都在0值附近，基本看不到變形趨勢，表明汶川地震前川西高原在持續(xù)不斷地為已經(jīng)處于閉鎖狀態(tài)的龍門山斷裂帶提供能量積累。

（5）GPS主應(yīng)變率結(jié)果顯示，龍門山斷裂帶西南段的應(yīng)變積累速率明顯大于中北段，整條斷裂帶表現(xiàn)為擠壓兼右旋剪切變形特征。龍門山斷裂帶中北段的NW側(cè)變形幅度從遠(yuǎn)離斷裂帶較大到靠近斷裂帶逐漸減小，而斷裂帶由于本身強(qiáng)閉鎖狀態(tài)，不發(fā)生或只發(fā)生微弱的震間形變。GPS面應(yīng)變率結(jié)果顯示，龍門山斷裂帶西南段形成了顯著的EW向擠壓應(yīng)變集中區(qū)；以龍門山斷裂帶中北段為界，斷裂帶的NW側(cè)擠壓變形明顯，而斷裂帶的SE側(cè)則屬于EW向拉張變形區(qū)。GPS剪應(yīng)變率結(jié)果顯示，鮮水河-安寧河-則木河-小江斷裂帶上最大剪應(yīng)變率很高，而在龍門山斷裂中北段剪應(yīng)變并不明顯。GPS應(yīng)變率多種結(jié)果表明龍門山斷裂帶作為巴顏喀拉塊體和華南塊體運(yùn)動(dòng)與變形的分界帶，具備長期積累擠壓和右旋剪切應(yīng)變的背景。

（6）閉鎖程度和滑動(dòng)虧損三維分布反演結(jié)果顯示，汶川地震前整條龍門山斷裂帶基本處于強(qiáng)閉鎖狀態(tài)，只有汶川地震的震源位置處閉鎖相對(duì)較弱（閉鎖程度為0.88左右），西南段有大概20km寬度斷層在12～22.5km深度為蠕滑狀態(tài)，而蘆山地震則發(fā)生在強(qiáng)閉鎖至不閉鎖的過渡部位。平行龍門山斷裂帶的滑動(dòng)虧損速率均為右旋虧損速率，北東段虧損速率為5.8～6.0mm/a，中南段完全閉鎖段落的虧損速率為5.7～5.8mm/a；垂直龍門山斷裂帶的滑動(dòng)虧損速率均為擠壓虧損速率，北東段虧損速率為0.6～1.1mm/a，中南段完全閉鎖段落的虧損速率為2.0～3.6mm/a。此外，隨機(jī)選取的2組只包含80%GPS數(shù)據(jù)反演計(jì)算所得結(jié)果與原始結(jié)果基本一致，僅在西南段蠕滑位置處稍有差異；權(quán)值f由最優(yōu)值1.74調(diào)整為1.64和1.84后，反演計(jì)算所得結(jié)果與原始結(jié)果基本一致，表明反演結(jié)果具有較好的可靠性和穩(wěn)定性。

（7）大尺度GPS基線結(jié)果顯示，跨南北地震帶區(qū)域的NE向GPS基線時(shí)間序列從2005年以來長趨勢出現(xiàn)普遍轉(zhuǎn)折，反映NE向地殼縮短的相對(duì)運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，其中與西南地區(qū)站點(diǎn)相關(guān)的NE或NNE基線顯示，2004年蘇門答臘MW9.0地震后，在2004～2005年先相對(duì)伸長，而后在2005～2006年轉(zhuǎn)為縮短擠壓變化。GPS基準(zhǔn)站構(gòu)成的三角形變形單元應(yīng)變參數(shù)時(shí)間序列結(jié)果顯示，南北地震帶大尺度地殼變形的變化為近EW向地殼縮短和NE向右旋剪切活動(dòng)的增強(qiáng)，這與龍門山斷裂帶發(fā)震所需要的構(gòu)造動(dòng)力一致。

（8）沿龍門山斷裂帶跨斷層短水準(zhǔn)場地（灌縣、七盤溝、耿達(dá)、雙河、蒲江場地）相關(guān)解算結(jié)果表明，汶川地震前觀測原始曲線和年均垂直變化速率基本沒有出現(xiàn)明顯的短期突跳或速率改變異常；整條龍門山斷裂帶的形變累積率很低，表明斷層近場活動(dòng)很弱，處于垂向活動(dòng)強(qiáng)閉鎖狀態(tài)。GPS水平速度場反演的斷層面強(qiáng)閉鎖狀態(tài)和跨斷層短水準(zhǔn)資料反映的斷層垂向強(qiáng)閉鎖狀態(tài)相一致，表明汶川8.0級(jí)逆沖型強(qiáng)震發(fā)生前，無論斷層深淺部還是斷層水平向與垂直向運(yùn)動(dòng)，都處于強(qiáng)閉鎖狀態(tài)，不能夠自由運(yùn)動(dòng)。

（9）通過以上汶川8.0級(jí)地震前GPS與跨斷層資料的相關(guān)分析，可以看出在相對(duì)小尺度的地殼變形中，汶川地震前龍門山斷裂帶深淺部均處于強(qiáng)閉鎖狀態(tài)，斷裂帶水平與垂直變形都很微弱，從超過2000年的復(fù)發(fā)間隔來看，這種現(xiàn)象可能已經(jīng)經(jīng)歷了一個(gè)長時(shí)間的緩慢過程，而且越是臨近地震的發(fā)生，微弱變形的范圍可能越大。同時(shí)在相對(duì)大尺度的地殼變形中，汶川地震前龍門山斷裂帶西側(cè)的巴顏喀拉塊體東部地區(qū)經(jīng)歷了地殼緩慢且持續(xù)的縮短擠壓變形，為龍門山斷裂帶應(yīng)變積累持續(xù)提供了動(dòng)力支持。2001年昆侖山口西8.1級(jí)地震的發(fā)震斷層發(fā)生左旋走滑錯(cuò)動(dòng)，引起東昆侖斷裂帶南側(cè)巴顏喀拉塊體進(jìn)一步東擴(kuò)和一定規(guī)模的變形，并在東側(cè)受到四川盆地的阻擋，使得龍門山斷裂帶庫侖破裂應(yīng)力增大，促進(jìn)了其擠壓應(yīng)變能積累增強(qiáng)（江在森等，2009；陳祖安等，2011）。2004年蘇門答臘MW9.0地震有利于印度板塊向北運(yùn)動(dòng)，而川滇和華南地塊南部向西南方向運(yùn)動(dòng)加快（楊國華等，2006），同時(shí)造成南北地震帶大尺度NE向地殼縮短的相對(duì)運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng)，這種大尺度的影響與龍門山斷裂帶發(fā)生右旋剪切破裂所需要的動(dòng)力作用一致，因此蘇門答臘地震可能會(huì)促進(jìn)龍門山斷裂帶右旋剪切應(yīng)變能積累增強(qiáng)（江在森等，2009）。

致謝：感謝審稿專家提出的中肯意見和建議。