呂志鵬 伍吉倉(cāng) 孟國(guó)杰 喬學(xué)軍 徐克科

1)同濟(jì)大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院，上海 200092

2)中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036

3)中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢 430071

4)河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，焦作454000

1 引言

青藏高原東緣構(gòu)造運(yùn)動(dòng)之活躍、地震活動(dòng)之強(qiáng)烈得到地學(xué)界的廣泛關(guān)注。各種GPS 形變監(jiān)測(cè)網(wǎng)的廣泛布設(shè)為地殼形變研究提供了強(qiáng)有力的工具。諸多學(xué)者利用GPS 數(shù)據(jù)得出了一系列的有益成果［1－5］。文獻(xiàn)［3］根據(jù)1999—2007年“中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀(guān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)”3 期GPS 觀(guān)測(cè)資料，利用最小二乘配置得出龍門(mén)山斷裂帶受巴顏喀拉塊體自西向東的擠壓作用處于緩慢應(yīng)變積累狀態(tài)，其中2004—2007 局部擠壓增強(qiáng)。文獻(xiàn)［4］利用下地殼層流動(dòng)力學(xué)模型對(duì)川西地區(qū)構(gòu)造特征進(jìn)行分析，得出沿鮮水河斷裂的地殼滑移以及應(yīng)變向其他不同走向斷裂的分配是川西地區(qū)的構(gòu)造變形和強(qiáng)震活動(dòng)的主要成因。文獻(xiàn)［5］的研究得出汶川地震是川西高原長(zhǎng)期持續(xù)的變形轉(zhuǎn)換為龍門(mén)山斷裂帶的應(yīng)力積累的結(jié)果。本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，利用“中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)”2009—2011年GPS 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的速度場(chǎng)，通過(guò)三角形法計(jì)算青藏高原東緣的應(yīng)變，探討汶川Ms8.0地震后青藏高原東緣的地殼形變特征。

2 應(yīng)變計(jì)算模型

采用三角形法［6］計(jì)算地應(yīng)變，三角形的三個(gè)頂點(diǎn)為GPS 形變監(jiān)測(cè)點(diǎn)。假設(shè)在三角形覆蓋范圍內(nèi)介質(zhì)連續(xù)并且發(fā)生均勻微小應(yīng)變，根據(jù)Jaeger［6］關(guān)于均勻微小應(yīng)變的結(jié)論，位移(速度)與應(yīng)變(率)之間滿(mǎn)足:

式中，ΔxAB、ΔyAB、ΔxAC、ΔyAC分別為形變監(jiān)測(cè)點(diǎn)A 與B、C 之間的坐標(biāo)增量，uA，vA，uB，vB，uC，vC分別為形變監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B、C 在x、y 軸方向的位移(速度)。εx、εy、γxy為地應(yīng)變(率)分量，ω 為旋轉(zhuǎn)分量(角速度分量)。它們的定義為:

根據(jù)式(1)計(jì)算三角形單元的地應(yīng)變(率)，只要三角形單元的三個(gè)頂點(diǎn)不在一條直線(xiàn)上，方程具有唯一解。在地應(yīng)變(率)計(jì)算過(guò)程中，利用三角形形狀因子［7］對(duì)三角形計(jì)算單元進(jìn)行篩選，剔除形狀較差的三角形確保地應(yīng)變(率)分量計(jì)算精度。此外，假設(shè)GPS 獲取的形變監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移(速度)估值中已經(jīng)去除構(gòu)造運(yùn)動(dòng)背景場(chǎng)、固體潮汐、季節(jié)性變化等非形變信息，位移估計(jì)值的誤差服從正態(tài)分布，根據(jù)式(1)的解可知應(yīng)變是位移(速度)的線(xiàn)性組合，故應(yīng)變估值也服從正態(tài)分布［8］。因而，可以用χ2檢驗(yàn)對(duì)地應(yīng)變(率)估值的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)。應(yīng)變的計(jì)算可以在高斯平面直角坐標(biāo)系下進(jìn)行，也可以在球坐標(biāo)系下進(jìn)行［9］?？紤]到由“中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)［10］”構(gòu)成的Delaunay 三角網(wǎng)尺度(周長(zhǎng))絕大部分都在106km 以?xún)?nèi)，分別在高斯直角坐標(biāo)系下和球坐標(biāo)系下計(jì)算地應(yīng)變(率)，對(duì)結(jié)果的比較顯示兩種方法并無(wú)顯著差異。

3 速度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)分布特征

GPS 數(shù)據(jù)來(lái)源于“中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)”2009—2011年的觀(guān)測(cè)結(jié)果。數(shù)據(jù)處理采用GAMIT/GLOCK 軟件。首先，用GAMIT 軟件處理相位觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用IGS 精密軌道、IERS 地球定向參數(shù)以及與方位角和高度角相關(guān)的天線(xiàn)相位中心模型。利用雙差相位觀(guān)測(cè)值計(jì)算各測(cè)站的坐標(biāo)、相位整周模糊度，每測(cè)站每隔2 小時(shí)估計(jì)計(jì)算一個(gè)對(duì)流層延遲參數(shù)。并且固定歐亞板塊的若干IGS 站獲得在ITRF2000 參考框架下各GPS 形變監(jiān)測(cè)點(diǎn)的單日松弛解。然后，將所有單日松弛解利用GLOCK 軟件進(jìn)行卡爾曼濾波得到各站的三維坐標(biāo)、速度及其精度信息。最終，計(jì)算各點(diǎn)相對(duì)于歐亞板塊無(wú)旋轉(zhuǎn)的相對(duì)速度場(chǎng)。計(jì)算的GPS 速度東西向分量、南北向分量精度優(yōu)于1.2 mm/a，水平速度分量?jī)?yōu)于1.7 mm/a。

如圖1 所示，青藏高原東緣地殼運(yùn)動(dòng)和變形情況復(fù)雜，但總體呈規(guī)律性變化。四川盆地內(nèi)部速度較小，整體呈現(xiàn)出約7 mm/a 的近東向移動(dòng)。其與巴彥喀拉塊體的邊界龍門(mén)山斷裂帶兩側(cè)速度差異明顯。其西側(cè)速度量級(jí)達(dá)到20 mm/a，東側(cè)速度量級(jí)僅為7 mm/a，這與已有的研究成果相矛盾［3］。雖然不同研究者對(duì)此區(qū)域所得的結(jié)論存在差異，而龍門(mén)山斷裂帶并不屬于高應(yīng)變帶這一點(diǎn)是一致的。巴彥喀拉塊體內(nèi)部的速率變化平緩，但是速度方向自西向東由東北東方向逐步過(guò)渡到近東向，由此可知巴彥喀拉塊體東西向拉長(zhǎng)效果明顯，四川盆地西邊界的龍門(mén)山斷裂帶阻擋著這種構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。受汶川8.0級(jí)地震影響，龍門(mén)山斷裂帶震后形成了明顯的速度梯度帶，這反映出了震后松弛與大區(qū)域形變的調(diào)整狀態(tài)。在龍門(mén)山斷裂帶南北兩端的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)也存在差異，在南段速度方向?yàn)闁|南東方向與斷層垂直，使得斷層處于擠壓狀態(tài);在北段速度方向?yàn)榻鼥|向與斷層斜交，地殼運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出右旋走滑特性。鮮水河斷裂帶南北兩側(cè)的川滇塊體與巴顏喀拉塊體速度方向均為東南東方向但大小存在顯著差異，斷層南側(cè)的地殼運(yùn)動(dòng)速度大于北側(cè)，這使得斷層呈現(xiàn)左旋走滑特性。青藏高原中部的昆侖斷裂帶以及青藏高原東北緣的西秦嶺斷裂帶和祁連-海原斷裂帶地殼運(yùn)動(dòng)存在同樣性質(zhì)的差異，這使得這些斷裂帶也表現(xiàn)出左旋走滑特性。這種左旋走滑的變形模式在青藏高原地區(qū)的斷層中具有普遍性。印度板塊自西南方向?qū)η嗖貕K體的擠壓引起它與周?chē)鷦傮w特性較好的塊體之間的相互作用以及青藏塊體內(nèi)部的子塊體之間的相互作用是這種變形模式的根本原因。研究區(qū)域從總體上看速度還具有沿南西北東方向的遞減趨勢(shì)，這說(shuō)明板塊在這個(gè)方向上存在縮短的趨勢(shì)。

利用GPS 速度場(chǎng)計(jì)算每個(gè)三角形單元的地應(yīng)變分布如圖2、3 所示，圖2 中只繪制了通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的地應(yīng)變分量，圖3 中還繪制了自1976年以來(lái)5級(jí)以上的地震震源機(jī)制圖。

根據(jù)應(yīng)變變化特性，可將研究區(qū)分為三個(gè)典型變化區(qū)域，即塊體內(nèi)部、塊體邊緣和塊體邊界。塊體內(nèi)部為塊體內(nèi)剛體特性比較突出的部分，其應(yīng)變并不顯著，如圖2 中鄂爾多斯塊體內(nèi)部、四川盆地地區(qū);塊體邊緣為塊體相互作用的影響在塊體內(nèi)的延伸區(qū)域，其應(yīng)變較為顯著，例如在龍門(mén)山斷裂帶兩側(cè)的四川盆地西緣和巴顏喀拉塊體東緣;塊體邊界為兩塊體相互作用的部分，絕大多數(shù)情況以活動(dòng)斷層的形式存在，其應(yīng)變分布最為顯著。

圖1 青藏高原東緣速度場(chǎng)Fig.1 Velocity field in the eastern margin of the Tibetan Plateau

圖2 青藏高原東緣顯著應(yīng)變場(chǎng)Fig.2 Significant strain field in the eastern margin of Tibetan Plateau

如圖2 所示，龍門(mén)山斷裂帶南端分布著北西-南東方向的壓性應(yīng)變，最大主應(yīng)變可達(dá)－4 ×10－7/a，并且主應(yīng)變方向與斷層方向垂直，有利于應(yīng)變能的積累。而在其北端優(yōu)勢(shì)應(yīng)變體現(xiàn)為南西-北東方向的拉性應(yīng)變，并且與斷層方向斜交，使斷層表現(xiàn)出拉張的特性。雖然，龍門(mén)山斷裂帶在以往的研究資料中不被認(rèn)為是高應(yīng)變區(qū)，但是，汶川地震之后大區(qū)域的形變調(diào)整使得這里應(yīng)變顯著變大，這種應(yīng)變能的快速積累過(guò)程在一定程度上加速了2013年4月20日蘆山Ms7.0地震的發(fā)生。結(jié)合文獻(xiàn)［11］中研究成果，2001年11月14日昆侖山西口地震Ms8.1 之后，青藏高原西部東西向拉張?jiān)谡鸷笳{(diào)整期明顯增強(qiáng)，造成青藏高原東部東西向擠壓明顯，而龍門(mén)山斷裂帶正處于擠壓的核心區(qū)，這在一定程度上加速了200年5月12日汶川Ms8.0地震的孕育過(guò)程。因而，在龍門(mén)山斷裂帶地區(qū)長(zhǎng)期的緩慢的應(yīng)變積累與短期應(yīng)變快速累積的地震觸發(fā)模式值得深入研究。同時(shí)，龍門(mén)山斷裂帶及其周?chē)鷧^(qū)域也是地震的高發(fā)區(qū)，這與巴彥喀拉塊體對(duì)四川盆地的大尺度、長(zhǎng)時(shí)間、小量級(jí)的擠壓作用有直接關(guān)系。鮮水河斷裂帶主要分布著南西-北東方向的拉性應(yīng)變，最大主應(yīng)變可達(dá)3 ×10－7/a，這使得鮮水河斷裂帶處在擴(kuò)張的狀態(tài)下不利于應(yīng)變能的積。昆侖山斷裂帶的主應(yīng)變并不顯著，顯示出這一斷裂帶經(jīng)歷了2001 的西昆侖Ms8.0 大地震的震后調(diào)整期地殼相對(duì)穩(wěn)定。在西秦嶺斷裂帶上主應(yīng)變同樣表現(xiàn)出南西-北東方向的拉伸，最大主應(yīng)變可達(dá)2.4 ×10－7/a，這不利于西秦嶺斷裂帶的應(yīng)變能積累。祁連-海原斷裂帶上分布著量級(jí)約為－9 ×10－8/a，使得這一地區(qū)發(fā)生著緩慢的應(yīng)變能積累。

在進(jìn)行應(yīng)變研究時(shí)，由于量級(jí)相對(duì)較小并且地殼構(gòu)造的復(fù)雜性以及測(cè)量誤差的存在，必然導(dǎo)致應(yīng)變計(jì)算結(jié)果的空間分布復(fù)雜性，以往對(duì)于最大剪切應(yīng)變通常采用等值線(xiàn)的方法進(jìn)行研究，但是等值線(xiàn)的繪制是以連續(xù)介質(zhì)應(yīng)變假說(shuō)為前提。實(shí)際上由于斷層的廣泛發(fā)育，這種假說(shuō)并不合理。因而，本文根據(jù)三角形法計(jì)算的最大剪應(yīng)變進(jìn)行分析，在形變監(jiān)測(cè)站點(diǎn)密度較大時(shí)，這種分析方式更加接近最大剪應(yīng)變空間分布的真實(shí)情況。

如圖3 所示，相互垂直的雙箭頭表示了最大剪切應(yīng)變的兩個(gè)可能的方向。青藏高原東緣最大剪切應(yīng)變的高值區(qū)出現(xiàn)在龍門(mén)山斷裂帶上，量值達(dá)到3×10－7/a，這與已有研究資料［3］有所不同?？紤]到龍門(mén)山斷裂帶正處在震后形變的調(diào)整期，這一地區(qū)的剪應(yīng)變高值區(qū)對(duì)于大震預(yù)測(cè)意義不大。在鮮水河斷裂帶出，最大剪應(yīng)變達(dá)到了2 ×10－7/a，表明這一地區(qū)的地殼形變顯著，同時(shí)這一地區(qū)也是川西地區(qū)一直以來(lái)地殼運(yùn)動(dòng)最為活躍的地區(qū)。

4 結(jié)論

青藏高原東緣的龍門(mén)山斷裂帶自汶川Ms8.0地震之后成為區(qū)域內(nèi)應(yīng)變的高值區(qū)，這種應(yīng)變集中現(xiàn)象應(yīng)為汶川Ms8.0地震引起地殼松弛，震后大區(qū)域形變重新調(diào)整的結(jié)果。同時(shí)，青藏高原東緣的鮮水河斷裂帶也出現(xiàn)了局部的應(yīng)變集中現(xiàn)象，剪切應(yīng)變量級(jí)達(dá)到2 ×10－7/a。這一地區(qū)的持續(xù)高應(yīng)變狀態(tài)反映了印度板塊推擠青藏高原亞板塊引起的地殼形變結(jié)果，在高原內(nèi)部廣泛分布著北西-南東向的斷層，這樣的斷層走向到達(dá)南北地震帶時(shí)就變成了近南北方向，并且斷層受剪切力作用明顯。鮮水河斷裂帶就是這種變形模式的體現(xiàn)。汶川地震之后大區(qū)域的形變調(diào)整使得龍門(mén)山地區(qū)應(yīng)變能的快速積累這在一定程度上加速了蘆山Ms7.0地震的發(fā)生，這種地震觸發(fā)模式在龍門(mén)山地區(qū)存在具有普遍性。

致謝感謝中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)提供的“中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)”2009—2011年GPS 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的速度場(chǎng)數(shù)據(jù)!

1 李強(qiáng)，等.中國(guó)大陸構(gòu)造變形高精度大密度GPS 監(jiān)測(cè)-現(xiàn)今速度場(chǎng)［J］.中國(guó)科學(xué)D 輯:地球科學(xué)，2012，42(5):629－632.(Li Qiang，et al.The current velocity field :Observation of tectonic deformation in China with precise and intensive GPS［J］.Sci China Earth Sci.，2012，55:695－698)

2 江在森，等.GPS 技術(shù)應(yīng)用于中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)研究的方法及初步結(jié)果［J］.地學(xué)前緣，2003，10(1):71－79.(Jiang Zaisen，et al.The methods to study crust movement in China with GPS and preliminary results.Earth Science Frontiers，2003，10(1):71－79.)

3 江在森，等.汶川8.0級(jí)地震前區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)與應(yīng)變場(chǎng)動(dòng)態(tài)特征［J］.地震，2009，29(1):68－76.(Jiang Zaisen，et al.Dynamic characteristics of the strain fields and crustal movements before the Wenchuan Ms8.0 earthquake［J］.Earthquake，2009，29(1):68－76)

4 張培震.青藏高原東緣川西地區(qū)的現(xiàn)今構(gòu)造變形、應(yīng)變分配與深部動(dòng)力過(guò)程［J］.中國(guó)科學(xué)D 輯:地球科學(xué)，2008，38(9):1 041－1 056.(Zhang Peizhen.Current tectonic deformation，strain distribution and deep dynamic process in the western Sichuan of the eastern margin of the Tibetan Plateau［J］.Science in China Series D:Earth Sciences，2008，38(9):1 041－1 056)

5 張培震，等.2008年汶川8.0級(jí)特大地震孕育和發(fā)生的多單元組合模式［J］.科學(xué)通報(bào)，2009，54(7):944－953.(Zhang Peizhen，et al.Tectonic model of the great Wenchuan earthquake of May 12，2008，Sichuan，China［J］.Chinese Sci Bull.，2009，54(7):944－953)

6 Jaeger J C.Elasticity，fracture and flow with engineering and geological applications［M］.London:Chapman and Hall Ltd，1956.

7 伍吉倉(cāng)，鄧康偉，陳永奇.三角形形狀因子對(duì)地殼形變計(jì)算精度的影響［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2003，(3):26－30.(Wu Jicang，Deng Kangwei and Chen Yongqi.Effects of triangle shape factors on the calculation precision of crustal deformation［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2003，(3):26－30)

8 陳光保，等.一種地應(yīng)變顯著性檢驗(yàn)方法［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2010，(1):1－4.(Chen Guangbao，et al.A statistical method for testing significance of strain components［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2010，(1):1－4)

9 孟國(guó)杰，等.球坐標(biāo)系中圖形單元應(yīng)變與旋轉(zhuǎn)張量及其誤差解算［J］.地震學(xué)報(bào)，2008，30(1):67－75.(Meng Guojie，et al.Computation of strain and rotation tensor and their uncertainty for small arrays in spherical coordinate system［J］.Acta Seismologia Sinica，2008，30(1):67－75)

10 江在森，等.地形變資料求解應(yīng)變值的尺度相關(guān)性問(wèn)題研究［J］.地震學(xué)報(bào)，2000，2(4):352－359.(Jiang Zaisen，et al.Study on scale deformation of strain value obtained from crustal deformation data［J］.Acta Seismologia Sinica，2000，2(4):352－359)

11 武艷強(qiáng)，等.汶川地震前GPS 資料反映的應(yīng)變率場(chǎng)演化特征［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2011，31(5):20－29.(Wu Yanqiang，et al.Evolution characteristics of strain rate field before Wenchuan earthquake reflected by GPS data［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2011，31(5):20－29)