引言

利用GNSS观测数据研究大陆块体的现今运动和变形,已经成为地壳形变研究的热点。在研究地壳形变问题时,常利用流动GNSS复测资料计算指定区域的位移场、速度场和应变场,利用GNSS流动资料研究中国大陆应变场及块体运动,已取得了丰硕的成果(杨国华等,2002江在森等,2003王敏等,2003张培震等, 2003, 刘志广等,2013)。但是,流动GNSS资料复测周期长,且其观测资料的质量、点位的稳定性等方面与连续观测资料存在较大的差距。随着中国GNSS连续站逐渐增加,利用GNSS连续观测资料进行形变场和应变场的分析也成为了可能。

川滇菱形块体是由现今构造活动强烈的鲜水河、安宁河、则木河、小江、红河、金沙江等深大断裂围成的区域。川滇地块及其边界断裂带是中国大陆地震活动最强烈、构造运动特征最复杂的地区之一。由于川滇地区强烈的构造活动,前人已对其进行了很多研究(徐锡伟等,2003易桂喜等,2004周伟等,2008朱爽等, 2017, 2018)。

断裂、地震活动和该区域密集的GNSS连续台站,为人们利用连续GNSS资料研究地壳形变提供了理想场所。采用刚性块体模型描述块体间的相对运动,能捕捉脆性上地壳的滑移、破裂等脆性特征,各块体主要以平移和旋转等运动形式表现。但除了发生整体旋转之外,其边缘和内部都将发生程度不等的变形,尤其在川滇地区,各边界在2个或多个板块的相互作用下,块体边缘地带的应变非常复杂,理想的刚性板块模型不足以描述构造运动的复杂性。故本文基于高精度GNSS连续站的观测成果,应用块体的旋转应变方程研究川滇地块及周边现今运动状态与应变状态,并分析其北边界——鲜水河断裂的运动速率。

1 川滇地块构造背景

川滇地区位于青藏高原东南部,包括川滇菱形块体、巴颜喀拉块体南部、华南块体西部等块体。青藏高原在印度板块的推挤及华南块体的阻挡作用下,呈现整体的顺时针旋转。长期以来,川滇地区构造变形活动强烈、强震高发。第四纪以来,该地区发育了各种规模、产状各异、活动速率不同的断裂,主要包括甘孜-玉树断裂、鲜水河断裂、龙门山断裂、红河断裂、小江断裂、安宁河断裂、则木河断裂等(图 1)。这些纵横交错的断裂带造成该区域地震活动强烈、长期构造运动特征的复杂性及多解性,也使该地区成为突发性地质灾害的易发区及重灾区。


图 1 川滇地区主要活动断裂分布 Fig. 1 Distribution map of main active faults in Sichuan-Yunnan region

川滇地区是中国强震频发的地区,而大震多发生在活动断裂带上,其中鲜水河断裂以其活动性强、强震发生多而著称。鲜水河断裂南部为川滇块体,北部为巴彦喀拉块体,在2个块体之间的鲜水河断裂带上多次发生7级以上地震,而鲜水河断裂的活动速率一直较高,说明断裂的活动速率与地震的发生可能有一定的相关性。对川滇块体及其周边的形变资料进行分析研究有助于总结川滇地区的地震灾害特征。

2 GNSS连续站数据分析及处理

为了研究川滇块体内GNSS连续站资料的可用性,在川滇块体附近随机选取多个GNSS连续站的时间序列进行分析。图 2图 3分别为SCDF(道孚)和SCMN(冕宁)站点的GNSS数据时间序列,从图中可以看出NS向、EW向变化线性运动明显,周期性运动相对于运动的年速率值很小,因此在进行GNSS站点水平方向年速率拟合时,无须去除水平向的年周期值;而垂向变化的周期值非常明显,周期幅值达10mm左右,因此在进行垂向分析时一般要考虑年周期变化。为了更好地反映川滇块体及其周边的运动状态,共选取川滇块体及其周边数据质量较好的20个GNSS连续站进行分析研究。


图 2 SCDF站点水平及垂向运动时间序列 Fig. 2 The horizontal and vertical motion time series of SCDF site

图 3 SCMN站点水平及垂向运动时间序列 Fig. 3 The horizontal and vertical motion time series of SCMN site

采用GAMIT/QOCA软件对GNSS连续站观测值的数据进行处理。数据处理的基本流程(王敏,2007)为:首先利用GAMIT获得GNSS连续站及IGS(International GPS Service)测站的单日松弛解,当同步观测的测站较多时,采用分区处理;完成GAMIT计算后,利用QOCA软件将计算所得的各区单日松弛解进行综合平差,在此基础上通过IGS核心站求解相似变换参数(包括3个旋转参数、3个平移参数和1个尺度比参数),从而获得全球参考框架ITRF2005下的单日解。对计算得到的各测站坐标时间序列,在剔除粗差的基础上,进行了2001年昆仑山口西8.1级地震、2004年苏门答腊9级地震、2008年汶川8.0级地震和2013年庐山7.0级地震同震位移改正的处理,从而能更好地反映测站的线性变化,从中选取川滇块体及周边的GNSS连续站的时间序列进行分析。

3 川滇地区及周边速度场、应变场

对川滇块体及其周边的GNSS连续站进行拟合,主要选取GNSS连续站时间序列中水平和垂向的位移量,求解站点速度。在计算中采用最小二乘法进行线性拟合,公式为:

$ \mathit{y}{\rm{ = }}\mathit{a}{\rm{ + }}\mathit{bx} $ (1)

其中yx为已知变量(y为位移量,x为时间),ab为待求量(a为初始活动水平,b为速率值)。

对不同年份的数据分别进行拟合,可得到不同年份的水平和垂直方向的速率,并重点研究2016、2017年的数据结果。为了求解川滇块体北边界断裂(鲜水河断裂)的运动速率,对鲜水河断裂南北两侧的川滇块体和巴彦喀拉块体内的GNSS连续站均进行了分析。

考虑到NS向、EW向的周期值相对于水平向趋势运动速率值很小,在进行站点水平方向年速率拟合时,没有去除水平向的年周期运动分量,而垂向年速率拟合时去除了年周期值。利用拟合得到的各站点水平和垂向速率(全球框架下)绘制成矢量图(图 4图 5)。此外,还选取了中国大陆部分GNSS基准站(图 6),分析中国大陆整体旋转。


图 4 川滇块体及其周边水平向运动矢量图 Fig. 4 The horizontal movement vector diagram in the Sichuan-Yunnan block and its surroundings

图 5 川滇块体及其周边垂直向运动矢量图 Fig. 5 The vertical movement vector diagram in the Sichuan-Yunnan block and its surroundings

图 6 中国大陆部分GNSS基站位置示意图 Fig. 6 The location map of some GNSS base stations in the Chinese mainland

图 4可以看出,相对于2016年,2017年川滇块体内GNSS连续站的运动速率及运动方向变化不大,全球框架下的运动速率约为40mm/a,最大值为SCML(木里)站点2017年的运动速率54.54mm/a。川滇块体内站点的运动方向一般为南东向,相对于2016年,2017年运动方向稍有顺时针运动态势。巴彦喀拉块体内GNSS连续站的运动速率变化也不大,一般为40mm/a左右,最大值为QHYS(玉树)站点2016年的运动速率49.17mm/a。相对于2016年,2017年运动方向顺时针运动态势较明显。

图 5可以看出,2016年川滇块体和巴彦喀拉块体的GNSS连续站在垂直方向均处于上升状态;在川滇块体内GNSS连续站中,SCJL(九龙)站点的上升速率最大,为7.60mm/a;在巴彦喀拉块体内GNSS连续站中,QHMD(玛多)站点的上升速率最大,为8.07mm/a。而2017年川滇块体和巴彦喀拉块体的GNSS连续站在垂直方向升降不一,但变化幅度小于2016年;在川滇块体内GNSS连续站中,YNYS(永胜)站点的上升速率最大,为4.27mm/a;SCJL(九龙)站点的下降速率最大,为-3.54mm/a;在巴彦喀拉块体内GNSS连续站中,青海省的站点均呈下降状态,其中QHYS(玉树)站点下降速率最大,为-7.18mm/a,只有1个上升点位,为四川省的SCSP(松潘)站点,上升速率为1.76mm/a。

针对GNSS连续站运动速率等资料,利用最小二乘配置方法,通过建立水平运动速度值的经验协方差函数,并借助位移与应变的偏导关系,可获取视应变场空间分布(薄万举,2008)。通过分析求解,得到川滇块体及其周边的主应变分布,如图 7所示。


图 7 川滇块体及其周边水平向主应变率矢量图 Fig. 7 The horizontal main strain rate vector diagram in the Sichuan-Yunnan block and its surroundings

图 7可以看出,相对于2016年,2017年川滇块体及其周边大部分地区的主应变率变化不大,主要变化集中在鲜水河断裂附近及周边。由此可认为鲜水河断裂是应变率变化较大的区域。而鲜水河断裂附近的应变率也相对较大,2016、2017年道孚县附近最大压应变率分别为-5.73×10-8/a和-5.74×10-8/a。另1个压应变率较大的地区为西昌附近,2016、2017年的最大压应变率分别为-5.73×10-8/a和-6.09×10-8/a。可以认为这2个地区应力积累相对集中。

综合分析认为,四川道孚、四川西昌、四川马尔康地区有一定的应变积累,应予以重视。

4 求解GNSS连续站点相对速度

利用中国大陆23个GNSS基准站(图 6),拟合得到2016、2017年GNSS基准站年速率。考虑到中国大陆包含多个一级和二级块体,各块体之间的应变特征各有不同,故利用块体的刚体旋转模型(李延兴等,2004),求解得到中国大陆整体旋转参数${\omega _x}$${\omega _y}$$D = R \times $${\rm{arccos[cos}}{\beta _1}{\rm{cos}}{\beta _2}{\rm{cos}}({\alpha _1} - {\alpha _2}) + {\rm{sin}}{\beta _1}{\rm{sin}}{\beta _2}]$,公式为:

$ \left[ \begin{array}{l} {V_e}\\ {V_n} \end{array} \right] = r\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} { - {\rm{sin}}\varphi {\rm{cos}}\lambda }&{ - {\rm{sin}}\varphi {\rm{sin}}\lambda }&{{\rm{cos}}\varphi }\\ {{\rm{sin}}\lambda }&{ - {\rm{cos}}\lambda }&0 \end{array}} \right]\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{\omega _x}}\\ {{\omega _y}}\\ {{\omega _z}} \end{array}} \right] $ (2)

其中,VeVn为地块上任一点(λ$\varphi $)的东向与北向速度;r为地球的平均半径;${\omega _x}$${\omega _y}$${\omega _z}$为地块的欧拉旋转矢量。

利用川滇块体与巴彦喀拉块体的GNSS连续站运动速率和中国大陆整体旋转参数,可求得川滇块体和巴彦喀拉块体内GNSS连续站相对于中国大陆的相对速度分量(李延兴等,2003)。把得到的相对速度分量绘制成矢量图,如图 8所示。


图 8 川滇块体及其周边水平向相对运动矢量图 Fig. 8 The horizontal relative movement vector diagram in the Sichuan-Yunnan block and its surroundings

图 8可以看出,川滇块体内GNSS连续站的运动状态呈明显的顺时针旋转,巴彦喀拉块体也有顺时针旋转态势。相对来说川滇块体和巴彦喀拉块体2017年顺时针旋转态势都强于2016年。

川滇块体内GNSS连续站的相对速度约为17mm/a,最大值为SCML(木里)站点2016年的相对运动速率24.99mm/a。相对运动方向由北至南表现为南东东—南东—南向—南西西。四川测点的运动速率稍大于云南测点。

巴彦喀拉块体内GNSS连续站的相对速度约为10mm/a,最大值为QHYS(玉树)站点2017年的相对运动速率16.44mm/a,西部测点速率一般大于东部。块体内测点的相对运动方向由西向东表现为东向—南东东—南东。

在川滇块体及其周边,2016年发生2次5.0级以上地震,2017年发生1次5.0级以上地震。可以认为川滇块体及其周边2016年的地震活动性略强于2017年,但变化不大,而川滇块体及其周边2016年的形变、应变量相较于2017年变化也不大,可以认为川滇块体及其周边的形变、应变与本地地震可能有一定相关性。3次5.0级以上地震主要位于川滇块体的西部,这些地区即不是相对运动、主应变、最大剪应变、面压缩值最大的地区,也不是相对变化最大的地区,可见川滇块体及其周边的应变变化对于5级左右地震的响应不甚明显。

从川滇块体及其周边的形变、应变图中可以看出,活动断层的位置常常是形变、最大剪应变相对较大的地区,如鲜水河断裂带。因此,在今后的研究中可通过研究区域的形变、最大剪应变等来推测断裂带的活动状况。

5 利用块体运动求解鲜水河断裂运动

考虑到巴彦喀拉块体内GNSS连续站相对较少,故利用整体旋转和均匀应变模型(李延兴等,2004),求解得到巴彦喀拉块体旋转参数和应变参数;川滇块体内GNSS连续站相对较多,故利用整体旋转和线性应变模型(李延兴等,2004),求解得到川滇块体旋转参数和应变参数。

利用求解的巴彦喀拉块体旋转参数和应变参数,反演求解巴彦喀拉块体南边界——鲜水河断裂带的运动速率;利用求解的川滇块体旋转参数和应变参数,也可反演求解川滇块体北边界——鲜水河断裂带的运动速率。在鲜水河断裂上选取了4个点位进行分析计算(图 8),鲜水河断裂两侧块体运动速率之差即为鲜水河断裂运动速率(表 12)。

表 1 鲜水河断裂不同点位东向和北向运动速率 Table 1 The eastward and northward movement rate of different points on the Xianshuihe fault
表 2 鲜水河断裂不同点位走滑和张压运动速率 Table 2 The strike slip and tension movement rate of different points on the Xianshuihe fault

表 1表 2中可以看出,鲜水河断裂的走滑速率约为14mm/a,鲜水河断裂西部运动速率比东部稍大,约有2—3mm/a的差异。鲜水河断裂主要表现为左旋走滑和压性运动。经过长期累积,鲜水河断裂将会积累巨大的应变能。鲜水河断裂2017年的运动速率比2016年小,变小幅值约1mm/a。西部变小幅度大于东部,可以认为对应变能的积累是一种消减。

实际上,鲜水河断裂的滑动会有巨大的滑动摩擦阻力,甚至有潜在孕震的障碍体存在。而描述模型给出鲜水河断裂处的运动,只有在鲜水河断裂滑动摩擦阻力极小的时候才能实现。然而事实并非如此,所以表 12所示的鲜水河断裂运动速率在实际中是不存在的(本研究在跨断层观测时也从未观测到如此大的相对滑动速率)。

描述模型给出的结果有如此大的断层滑动速率,而实际不存在,其原因在于模型与实际存在差异。模型给出的应变仅反映块体内GNSS连续站点之间的应变,块体边缘断层对块体旋转的摩擦阻力造成块体边缘变形大于块体内部,因此,模型应变参数外推到块体边缘处的运动与变形量与实际不符。二者的差异主要存在于GNSS连续站点到断层处之间的变形,而存在差异也说明断层处对块体旋转起到阻碍作用(个别地方可能是促进块体旋转的作用,相应的断层为促使块体旋转的断层)。模型外推的断层滑动值与断层处实际存在的滑动值差异越大,说明该断层处积累的能量就越大,其差异量为断层滑动的亏损量,这种亏损量积累的足够大时,就有可能引起破裂—滑动—发震,形成发震断层的错动,弥补断层滑动量的亏损,进入下一个断层滑动亏损的积累期,形成地震的活动复发周期。

6 结论

利用GNSS连续站资料,分析研究了2016、2017年川滇块体和巴彦喀拉块体内的速度场、应变场特征,认为道孚、西昌和马尔康附近应力积累相对集中。分析GNSS连续站点相对速度,发现川滇块体内的GNSS连续站运动状态呈明显的顺时针旋转,巴彦喀拉块体也有顺时针旋转态势。此外,利用块体相对运动求解鲜水河断裂运动速率,鲜水河断裂西部运动速率比东部稍大,约有2—3mm/a的差异。2017年鲜水河断裂的运动速率比2016年小,有利于缓解鲜水河断裂应变能的积累。

模型计算得出鲜水河断裂运动速率较高,而在跨鲜水河断裂测量中并未测得如此高的速率值。模型外推的断层滑动值与断层处实际存在的滑动值差异越大,可能断裂处积累的能量就越大,从而使得该断裂能量集中区的地震危险性越大,应引起重视。

致谢: 感谢薄万举研究员对本文的指导和帮助。
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