李長軍 甘衛(wèi)軍 秦姍蘭 郝明 宋尚武

摘要：為研究滇中地區(qū)主要斷層的活動特征，利用1999—2007年和2011—2017年2期GPS觀測資料以及地質(zhì)資料，基于Okada位錯模型反演了研究區(qū)域主要斷層的滑動速率和閉鎖深度。結果表明：（1）紅河斷裂帶的走滑速率為（1.5±1.6）～（4.7±1.5）mm/a，傾滑速率為（-3.6±1.6）～（1.9±2.4）mm/a，斷裂南段的活動性更強；（2）無量山斷裂和南華—楚雄—建水斷裂的走滑速率為（4.0±1.6）～（5.6±1.5）mm/a 和（4.8±1.4）～（6.6±1.6）mm/a，傾滑速率分別為（-0.7±1.5）～（0.2±1.4）mm/a 和（-5.8±1.5）～（1.7±1.8）mm/a；（3）紅河斷裂帶元江—元陽段和洱源—彌渡段、無量山斷裂帶和南華—楚雄—建水斷裂帶西段處于震間閉鎖狀態(tài)，閉鎖深度分別為6.8 km，7 km和7.2 km。

關鍵詞：斷層滑動速率；閉鎖深度；GPS；斷層活動性

中圖分類號：P315.725 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2018）03-0381-09

0 引言

滇中地區(qū)發(fā)育有3條主要活動斷裂帶，分別為紅河斷裂帶、無量山斷裂帶和南華—楚雄—建水斷裂帶。對這3條斷裂帶之間的相互關系、運動學特征、變形機制、應變分配特征及其地震危險性的研究，對于認識青藏高原隆起及周邊地殼和塊體間變形的運動學和動力學特征，具有很重要的理論和實際意義。

近年來，大地測量等地球物理技術與方法的發(fā)展和完善，為進一步認識紅河斷裂帶及其周緣區(qū)域的變形特征提供了新的契機?；诖蟮販y量資料的研究結果表明，紅河斷裂帶現(xiàn)今處于弱滑動或強閉鎖狀態(tài)，其活動速率約為右旋（0.4±1.6）mm/a，正斷分量為（1.5±1.3）mm/a（王閻昭等，2008；Leloup et al，1993，1995）。劉耀輝等（2015）基于塊體模型（McCaffrey et al，2005，2007，2009）得到紅河斷裂帶的右旋走滑速率，北、中、南段分別為（5.9±1.2）mm/a，（4.8±0.6）mm/a和（4.3±0.4）mm/a，且分別存在3.3 mm/a，2.6 mm/a和2.3 mm的速率虧損。王閻昭等（2008）的研究結果受觀測資料分辨率所限，很難給出比較確切的結果；劉耀輝等（2015）受模型的限制，得到的反演結果與地質(zhì)上2 mm/a的滑動速率相差較大。

為了分析探討紅河斷裂帶、無量山斷裂帶和南華—楚雄—建水斷裂帶現(xiàn)今運動學特征和應變分配狀態(tài)，本文以紅河斷裂帶及其周邊斷裂附近1999—2007年和2011—2017年2期GPS速度場為基礎資料，結合斷層位錯模型（Okada，1985；Gan et al，2000），反演了上述3條主要活動斷裂帶現(xiàn)今滑動速率和鎖定深度。

1 研究區(qū)域概況

紅河斷裂帶位于青藏高原橫向擠出變形的前緣，是連接青藏高原東南緣和南海擴張的一級構造。該斷裂帶在陸-陸碰撞作用的形成和演化過程中，具有舉足輕重的作用。紅河斷裂帶的演化可分為3個階段：上新世之前以左旋走滑運動為主，上新世活動方式開始從左旋向右旋轉(zhuǎn)變，第四紀以來主要是右旋滑動（Allen，Han，1984；Zhu et al，2009；Tapponnier et al，1990；Leloup et al，1993，1995；Schoenbohm et al，2006；常祖峰等，2015）。

地球物理研究結果表明，紅河斷裂兩邊存在顯著的結構差異，斷裂帶下插到地幔以下（Wang et al，2014），是一條重要的深大邊界斷裂，此外，斷裂帶底部存在低速異常，表明介質(zhì)屬性較弱（Sun et al，2014）。該斷裂帶第四紀以來的活動速率約為2 mm/a（Wang，1998；虢順民等，2013），斷裂NW段包含小部分正斷分量，而在東段有較小的逆沖分量，總體表現(xiàn)為順時針旋轉(zhuǎn)和緩慢滑動。古地震研究結果表明，紅河斷裂帶自晚第四紀以來存在活動，并伴隨有古地震發(fā)生，其北段發(fā)生了包括1652年彌渡7級地震和1925年大理7級地震在內(nèi)的9次6.0級以上地震；南段存在全新世中、晚期活動的證據(jù)（李西等，2016）；中段500年以內(nèi)缺少強震，形成了紅河地震空區(qū)?，F(xiàn)代地震活動性研究表明，自1970年以來紅河斷裂帶中部小震活動性較弱（Wen et al，2016），處于低b值高應力區(qū)域（謝卓娟等，2015）。

在紅河斷裂帶的東西兩側(cè)，發(fā)育2條第四紀以來比較活躍的斷裂帶，即無量山斷裂帶和南華—楚雄—建水斷裂帶。無量山斷裂帶位于紅河斷裂帶以西的蘭坪—思茅盆地內(nèi)，斷裂帶由多條斷裂組成，由東至西主要包括磨黑斷裂、寧洱斷裂、普文斷裂和景谷—云仙斷裂。該斷裂帶表現(xiàn)為明顯的右旋走滑性質(zhì)，歷史上發(fā)生了10次6級以上強震及20次5～5.9級地震，構成了一條NW向地震活動帶（虢順民等，1999；常祖峰等，2016）。其中，磨黑斷裂的滑動速率為1.6～2.5 mm/a，寧洱斷裂的滑動速率為2.5～2.8 mm/a，普文斷裂的滑動速率為1.0～2.0 mm/a，景谷—云仙斷裂的滑動速率為1.3～1.4 mm/a。

南華—楚雄—建水斷裂帶是由楚雄—南華斷裂、曲江斷裂和石屏—建水斷裂構成的一組斜列的右旋走滑為主的活動斷裂帶。其中，楚雄—南華斷裂的滑動速率為1.6～2.0 mm/a（常祖峰等，2015），石屏—建水斷裂的平均水平滑動速率為3.0～3.6 mm/a（韓新民等，1982）或2.8～5.3 mm/a（王怡然等，2015），曲江斷裂晚第四紀以來的水平滑動速率為2.3～4.0 mm/a（王洋等，2015；聞學澤等，2011）。目前，紅河斷裂帶主斷裂南段地震活動性較低，而地震活動主要集中在石屏—建水斷裂和通?！瓟嗔堰@一區(qū)域附近（圖1），比如1970年MS7.7通海地震。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 GPS數(shù)據(jù)及其處理方法

國家重大科技基礎設施建設項目“中國地殼運動觀測網(wǎng)絡”（簡稱“網(wǎng)絡工程”）和“中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡”（簡稱“陸態(tài)網(wǎng)絡”）的實施，為本文提供了較密集的GPS觀測資料。由于“陸態(tài)網(wǎng)絡”項目的觀測時間從2009年開始，同時為了減小汶川地震的影響，將觀測資料分為2段，第一段為“網(wǎng)絡工程”項目的40個點（圖1），觀測時間為1999—2007年；第二段為“網(wǎng)絡工程”和“陸態(tài)網(wǎng)絡”2個項目總計50個點（圖1），觀測時間為2011—2017年。此外，在進行數(shù)值模擬時，剔除了觀測噪聲較大的點。數(shù)據(jù)處理采用GAMIT/GLOBK軟件（Herring et al，2010），首先利用GAMIT獲得GPS測站坐標、衛(wèi)星軌道及臺站對流層天頂延遲等參數(shù)及其方差-協(xié)方差矩陣的單日松弛解。為避免因框架和模型的差異所引起的定位結果差異混同于真實的形變信息，同期的全球IGS站及網(wǎng)基準站數(shù)據(jù)，采用相同的模型和方法進行統(tǒng)一的處理。然后利用GLOBK軟件（卡爾曼濾波）進行多時段綜合解算，以獲得網(wǎng)平差結果。在進行GLOBK綜合解算時，把區(qū)域站單日松弛解和全球IGS站單日松弛解捆綁在一起，并選取全球均勻分布的90多個穩(wěn)定站（GAMIT/GLOBK軟件提供）為基準點，將區(qū)域站速度場固定到ITRF2008框架下。最后利用Altamimi等（2011）提供的 ITRF2008框架下歐亞板塊歐拉極，獲取研究區(qū)域相對穩(wěn)定歐亞板塊的水平運動速度場（圖4a，圖5a中的紅色箭頭）。

GAMIT軟件處理時采用的處理策略和模型如下：采用軌道的松弛模式，在估算測站位置的同時，允許衛(wèi)星軌道（IGS精密星歷）和地球自轉(zhuǎn)參數(shù)（Bull_A）有微量的調(diào)整；同時參數(shù)估計衛(wèi)星天線的Z-偏差。數(shù)據(jù)處理中涉及到的地球重力場、固體潮和極潮分別采用EGM08模型、IERS03固體潮模型和IERS10規(guī)范的平均地極模型。海潮引發(fā)的測站地殼形變改正采用最新的全球海潮模型FES2004（Lyard et al，2006），此外，還顧及了海潮導致的地球質(zhì)心變化。對流層干分量的天頂延遲由GPT模型（Boehm et al，2007）計算獲得，同時，每個測站每1小時估計1個參數(shù)以改正濕分量導致的天頂延遲，映射函數(shù)采用VMF1（Boehm et al，2006）?？紤]了大氣的不均勻性，對每個測站的東西向和南北向各附加1個大氣水平梯度參數(shù)。數(shù)據(jù)誤差為衛(wèi)星截止高度角的函數(shù)，函數(shù)系數(shù)由數(shù)據(jù)驗后殘差擬合確定。

2.2 小震活動性資料

為準確給定各斷層的鎖定深度，在P、S波成像確定上述主要活斷層深部結構的基礎上（Chen et al，2013；Lei et al，2014；Sun et al，2014；Hu et al，2018），筆者還參考了小震精定位的結果（Fang et al，2015），如圖2所示最終給定的斷層深度參數(shù)為20 km。

2.3 模型及反演方法

跨斷層GPS剖面結果表明（圖3），橫跨紅河斷裂帶、無量山斷裂帶和楚雄—南華—建水斷裂帶速度場平行于斷層分量整體呈現(xiàn)出5～6 mm/a的右旋滑動。其中，橫跨無量山斷裂帶和建水斷裂帶存在明顯的震間反“S”型曲線（圖3b）。垂直于斷層方向分量的離散度比較大，難以確定速度場整體差異，但在橫跨紅河斷裂帶和建水斷裂帶存在2～3 mm/a的速度差異（圖3b）。

Okada（1985）提出了各向同性彈性半無限空間位錯理論，即彈性體內(nèi)一矩形幾何面發(fā)生滑動（走滑、傾滑）所引起某一點的位移，與滑動面的滑動量成正比關系，比例系數(shù)由該點與滑動面的相對位置、滑動面的幾何尺度、傾角、深度和彈性介質(zhì)性質(zhì)所確定。若地下有多個矩形滑動面，則在某一點所引起的位移，就是這些矩形幾何面各自滑動所引起的該點位移的疊加，具體計算公式參考Okada（1985）的研究。在實際應用Okada斷裂位錯模型時，通常將實際斷裂帶分解成一系列上部斷層面閉鎖、下部斷層面“無限”延伸并自由錯動的斷層段矩形面的組合。每個斷層段矩形面不僅尺度和傾角可以互不相同，閉鎖深度、錯動量和錯動方式也可各有差異。其中，下部斷層面無限延伸，即所謂的“深斷裂位錯模型”（Savage et al，1999；Gan et al，2000，2007），主要是為了消除有限深度的斷層面可能產(chǎn)生的不真實的邊界效應?！吧顢嗔盐诲e模型”將錯動矩形面看做無限向下延伸，可在某種程度上等價體現(xiàn)深部大范圍粘彈性差異拖曳的效果。

在反演過程當中，將各斷層段的運動參數(shù)向量作為未知數(shù)，斷層的鎖定深度、走向和傾角給定先驗值，以GPS觀測值作為約束，利用最小二乘原理，使GPS速度場的擬合達到最佳，即殘差平方和最小，從而確定斷層的滑動量。此外，為了確定最優(yōu)的鎖定深度，利用遺傳算法，給定不同的閉鎖深度先驗值，利用殘差平方和最小原理，確定最優(yōu)鎖定深度。

本文首先以紅河斷裂帶、無量山斷裂帶和楚雄—南華—建水斷裂帶的空間幾何展布為基礎，將3條斷裂帶簡單地進行分段處理，其中紅河斷裂分為5段，楚雄—南華—建水斷裂分為2段，無量山斷裂未分段（圖1）。其次，基于斷層的彈性半空間位錯模型（Okada，1985），利用1999—2007年和2011—2017年2期速度場反演了各斷層段的滑動速率（表2）。其中，斷層傾角、滑動速率和斷層鎖定深度均先驗給定（表1）。

3 反演結果與討論

2期速度場的反演結果如表2和圖4，5所示，其中，圖4a和圖5a為2期速度場觀測值和模型值，圖4b和圖5b為擬合殘差。圖4和圖5表明，除了紅河斷裂帶北段接近鶴慶—洱源段的少數(shù)點之外，其它點的速度場資料在1σ誤差范圍內(nèi)均得到很好地擬合。表2為2期速度場反演的各斷層走滑和傾滑速率以及閉鎖深度，結果表明，無量山斷裂、南華—楚雄—建水斷裂和紅河斷裂總體以右旋走滑為主，并伴隨有較小的正傾滑分量。其中，南華—楚雄—建水斷裂帶和無量山斷裂帶的活動性要明顯強于紅河斷裂帶。

3.1 紅河斷裂帶

紅河斷裂帶作為一條深大的邊界斷裂（Wang et al，2014），與金沙江斷裂一起構成了川滇菱形塊體的西南邊界。本文研究結果表明，整體而言，紅河斷裂帶南段（哀牢山山前斷裂和中谷斷裂）的活動性要強于中、北段。北段的2期資料反演的右旋走滑和傾滑速率分別為（單位：mm/a）：（2.5±1.9）（2.1±1.4）和（-0.7±1.5）（0.2±1.4）；中段的2期右旋走滑和拉張速率分別為（單位：mm/a）：（1.6±1.5）（3.2±1.8）和（-2.5±1.6）（-3.0±1.6）；南段的2期右旋走滑和拉張速率分別為（單位：mm/a）：（3.3±2.0）（4.5±2.0）和（1.2±2.2）（-0.3±2.2）。紅河斷裂帶新活動地貌地質(zhì)證據(jù)表明，早更新世以來，紅河斷裂帶北段、中段、南段的水平速率分別為（單位：mm/a）：1.6，3.1，2.6；中更新世以來的水平活動速率分別為（單位：mm/a）：1.6和2.6和3.2；晚更新世以來的速率分別為（單位：mm/a）：2.6，2.4和2.4 。垂直活動速率為（單位：mm/a）：早更新世北段、中段、南段的位錯速率分別為（單位：mm/a）：1.6，0.17和0.11；中更新世速率分別為（單位：mm/a）：1.08，0.23和0.15；晚更新世速率分別為（單位：mm/a）：1.4，0.6和0.6（虢順民等，2013）。本文的結果與地質(zhì)上和其它研究成果基本一致（虢順民等，2013；王閻昭等，2008）。GPS垂向速度場結果表明（Pan，Shen，2017），紅河斷裂帶北邊位于川滇塊體西南部的區(qū)域以約1 mm/a的速率抬升，而紅河斷裂帶南部塊體以大約1 mm/a的速率下沉，上述運動可能形成了紅河斷裂帶約2 mm/a的拉張變形。

3.2 無量山斷裂帶

受青藏高原隆起影響，滇西南塊體向南運動，中下地殼廣泛存在的低速層為塊體運動提供了有利條件，但剛性的臨滄花崗巖體對其南西運動起著頂托作用，使得東、西兩側(cè)塊體運動出現(xiàn)差異，且塊體運動方向與無量山斷裂帶呈小角度相交，在此背景下，無量山斷裂帶表現(xiàn)為水平右旋走滑運動，起著滑動分解應變的作用（常祖峰等，2016）。無量山斷裂帶晚第四紀以來活動特別明顯，孕育了2007年普洱6.4級和2014年景谷MS6.6等強震?；?期速度場資料，本研究獲得的無量山斷裂帶右旋走滑速率和傾滑速率分別為（單位：mm/a）：（5.6±1.5）（4.0±1.6）和（-0.7±1.5）（0.2±1.4）；與活動構造的6.4～8.7 mm/a總滑動速率（虢順民等，1999；常祖峰等，2016）及其它研究成果得到的（4.3±1.1）mm/a基本一致（王閻昭等，2008）。

3.3 南華—楚雄—建水斷裂帶

南華—楚雄—建水斷裂帶在幾何展布上與紅河斷裂帶近乎平行，前人將該斷裂帶作為哀牢山—紅河斷裂帶中南段的重要分支（常祖峰等，2015），與紅河斷裂帶共同構成了川滇菱形塊體的西南邊界。斷裂帶內(nèi)孕育了1680年楚雄6級和1970通海MS7.7地震等，表明該斷裂帶現(xiàn)今活動性比較強。本文基于2期速度場資料給出其平均右旋滑動和傾滑速率分別為（單位：mm/a）：（5.7±1.5）（6.4±1.4）和（-0.2±1.7）（-3.5±1.7）；與地質(zhì)上的2.3～4.0 mm/a的右旋滑動和0.6～1.1 mm/a的構造抬升（王洋等，2015），

以及約4.5 mm/a的大地測量資料研究結果（王閻昭等，2008；聞學澤等，2011）基本一致。與紅河斷裂帶的活動性相比，南華—楚雄—建水斷裂帶的活動性明顯更強，這與紅河斷裂帶中南段近期的低地震活動性和南華—楚雄—建水斷裂帶的較強地震活動性現(xiàn)狀完全吻合。前人研究認為，位于小江和普渡河斷裂西側(cè)的地殼在運動過程中不斷發(fā)生近東西向的沖斷、逆掩，造成地殼的隆升和水平縮短。由于這種構造作用的轉(zhuǎn)換，小江斷裂帶西盤（川滇塊體）的主動向南運動對建水斷裂帶具有長期強烈的作用，建水斷裂帶以右旋走滑/剪切-橫向縮短/逆沖變形的方式吸收與轉(zhuǎn)換小江斷裂帶西盤的向南運動，從而導致了小江斷裂帶靠近紅河段活動性的驟減和南華—楚雄—建水斷裂帶的活動性增強（Wang，et al，1998；聞學澤等，2011）。

3.4 斷層鎖定深度

利用2期資料，反演得到紅河斷裂帶的平均閉鎖深度為6.8 km，閉鎖程度最強的區(qū)域為元江—元陽段（F6）和洱源—彌渡段（F3），與M7圈定的地震危險區(qū)和Wen等（2016）的結果相符。南華—楚雄—建水斷裂帶的平均閉鎖深度為7.2 km，斷裂北段（F1）的閉鎖深度要高于斷裂南段（F2）；無量山斷裂帶的平均閉鎖深度為7 km。

3.5 討論

基于1999—2007年和2011—2017年2期GPS速度場觀測資料，反演了滇中地區(qū)主要活斷層現(xiàn)今滑動速率和平均閉鎖深度。反演結果中，2期資料的結果存在一定的差異，主要原因可能來自于觀測數(shù)據(jù)和大地震的影響。為減小汶川地震對反演結果的影響，筆者將數(shù)據(jù)分成了2段，剔除了汶川地震之后一年的觀測數(shù)據(jù)。因此，這種差異可能主要來自于數(shù)據(jù)質(zhì)量和觀測點的空間分布，圖4a，5a給出了研究區(qū)域的觀測站點分布，紅河斷裂帶西北—中段100 Km范圍內(nèi)缺少觀測數(shù)據(jù)，很難準確地約束斷裂帶的震間和細部變形特征。作為M7（2016—2025地震危險區(qū)劃圖）圈定的主要地震危險區(qū)，要進一步研究紅河斷裂帶的地震危險性及其與周邊斷裂帶之間的應變特征，還需要布設更詳細的近斷層觀測剖面。

感謝匿名審稿人對本文提供的指導，本文使用的畫圖軟件為GMT，在此對研發(fā)團隊表示感謝。也感謝中國地震局第二監(jiān)測中心和地質(zhì)所各位老師和師兄的指導和幫助。

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Abstract To analyze characteristics of the main active faults in the central Yunan province，we inverted slip rates and lock depths of the main fault zones according to Okadas fault dislocation model based on GPS observations during 1999-2007，2011-2017 and geologic slip rates.Our results are as follows：（1）the strike-slip rate of the Red River fault is about（1.5±1.6）～（4.7±1.5）mm/a and the dip-slip rate is（-3.6±1.6）～（1.9±2.4）mm/a，while the southern segment is more active than other parts.（2）the strike-slip rates of the Nanhua-Chuxiong-Jianshui fault and the Wuliangshan fault are（4.8±1.4）～（6.6±1.6）mm/a and（4.0±1.6）～（5.6±1.5）mm/a，respectively.And the dip-slip rates are（-5.8±1.5）～（1.7±1.8）mm/a and（-0.7±1.5）～（0.2±1.4）mm/a，respectively.（3）the Yuanjiang-Yuanyang and Eryuan-Midu segments of the Red River fault，the Wuliangshan fault zone，and the western part of the Nanhua-Chuxiong-Jianshui fault are locked，with locking depths of 6.8 km，7 km，and 7.2 km，respectively.

Keywords：fault slip rates；locking depth；GPS；fault activity