2010年玉樹地震震前甘孜-玉樹斷裂形變場(chǎng)分析

2010年玉樹地震震前甘孜-玉樹斷裂形變場(chǎng)分析

2010年4月14日青海玉樹MW6.9地震發(fā)震斷層為甘孜－玉樹斷裂NW段。斷裂錯(cuò)動(dòng)速率的準(zhǔn)確估計(jì)能夠?yàn)檎J(rèn)識(shí)發(fā)震斷裂的結(jié)構(gòu)和地震的孕震過程提供幫助，甘孜－玉樹斷裂周邊地區(qū)(89°～103°E，28°～39°N)1999—2007年的GPS觀測(cè)使之成為可能。去除受到斷裂鎖定效應(yīng)或其他斷裂位錯(cuò)影響的數(shù)據(jù)后，將跨斷裂剖面上的臺(tái)站速率分解為平行斷層和垂直斷層2個(gè)分量，并進(jìn)一步估算得到風(fēng)火山斷裂、甘孜－玉樹斷裂和鮮水河斷裂NW段左旋走滑速率分別為(6.1±1.9)、(6.6±1.5)和(10.2±0.7)mm/a。結(jié)合該地區(qū)地質(zhì)學(xué)研究結(jié)果，推測(cè)甘孜－玉樹－鮮水河斷裂自西向東逐段增強(qiáng)的走滑速率反映了不同區(qū)域地殼對(duì)印藏碰撞造成形變的轉(zhuǎn)換、吸收方式之差異。甘孜－玉樹斷裂現(xiàn)今分段錯(cuò)動(dòng)速率的定量估計(jì)為該斷裂的深入研究和青藏高原變形發(fā)展過程的認(rèn)識(shí)提供了寶貴數(shù)據(jù)。

玉樹地震 GPS 斷裂錯(cuò)動(dòng)速率

0 引言

2010年4月14日青海玉樹發(fā)生MW6.9(MS7.0)級(jí)地震，發(fā)震斷層為甘孜－玉樹斷裂NW段(陳立春等，2010)(圖1)。該斷裂以左旋走滑活動(dòng)為主，與鮮水河－小江斷裂帶共同構(gòu)成青藏高原物質(zhì)東向擠出的邊界(王敏等，2008)。甘孜－玉樹斷裂NW段歷史地震記錄很不完整，最近200多年的記載中共發(fā)生3次強(qiáng)震，其中1738年6.5級(jí)地震的破裂段與本次地震相似(國(guó)家地震局，1977)，另外2次發(fā)生在玉樹縣城以東(四川地震資料匯編編輯組，1980;中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司預(yù)報(bào)管理處，1999)。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局根據(jù)遠(yuǎn)震資料指出本次地震發(fā)生在玉樹縣城以西，震源深度為17km，地震破裂以左旋走滑為主(http:∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/eqinthenews/2010/us 2010vacp/)。震后野外地質(zhì)考察亦發(fā)現(xiàn)破裂為左旋走滑性質(zhì)，實(shí)測(cè)最大水平位錯(cuò)約為1.8m(陳立春等，2010)。

甘孜－玉樹斷裂的研究程度較低，對(duì)該斷裂的斷層結(jié)構(gòu)和活動(dòng)歷史認(rèn)識(shí)不足，尤其是對(duì)不同段落的位錯(cuò)量和錯(cuò)動(dòng)速率的認(rèn)識(shí)仍存在分歧。李閩峰等(1995)研究認(rèn)為甘孜－玉樹斷裂隴蒙達(dá)以西全新世以來活動(dòng)強(qiáng)烈，左旋走滑速率為7.3mm/a，隴蒙達(dá)－玉樹段主體活動(dòng)時(shí)段在晚更新世以前，以正斷層活動(dòng)為主，無全新世活動(dòng)的痕跡;玉樹－竹慶段全新世活動(dòng)強(qiáng)烈，左旋走滑速率為5mm/a左右。但1738年青海玉樹地震的記載(國(guó)家地震局地球物理研究所，1990)卻表明當(dāng)江－玉樹段現(xiàn)今仍在活動(dòng)，且以左旋走滑為主。張?jiān)Ｃ鞯?1996)利用沖溝位錯(cuò)得到當(dāng)江段距今(13.7±1)ka以來的左旋水平錯(cuò)動(dòng)速率為7.3mm/a。周榮軍等(1996)認(rèn)為錯(cuò)阿－俄支段平均滑動(dòng)速率為(7±0.7)mm/a，檔拖村附近左旋走滑速率為(7.2±1.2)mm/a。彭華等(2006)在俄支和竹慶段分別得到(5.4±0.4)mm/a和(3.3±0.3)mm/a的左旋走滑速率，但因其參照體斷錯(cuò)的開始年齡由估算得到，結(jié)果的可信度較低。聞學(xué)澤等(2003)利用位于檔拖村附近的河流階地位錯(cuò)估計(jì)該段全新世平均左旋走滑速率為(11.3±1.8)mm/a，但學(xué)術(shù)界目前對(duì)哪一級(jí)階地的年齡更接近位錯(cuò)開始時(shí)間尚存在爭(zhēng)議。由于該工作中選取了新的階地年齡作為斷裂位錯(cuò)開始的時(shí)間，因此可能造成斷裂錯(cuò)動(dòng)速率被高估。綜合來看，雖然對(duì)甘孜－玉樹斷裂錯(cuò)動(dòng)速率的認(rèn)識(shí)仍存在分歧，但地質(zhì)學(xué)結(jié)果似乎更傾向于該斷裂全新世以來具有約7mm/a的左旋走滑速率。

近年來一些學(xué)者利用GPS數(shù)據(jù)估算了甘孜－玉樹斷裂的現(xiàn)今錯(cuò)動(dòng)速率，分別為9～12mm/a(Meade，2007)、約 12mm/a(Thatcher，2007)、約 14.4mm/a(Gan et al.，2007)、SE 段(13.0 ±1.7)mm/a和NW段(3.1±2.8)mm/a(王閻昭等，2008)。大地測(cè)量給出的結(jié)果比地質(zhì)學(xué)方法給出的結(jié)果明顯偏大。但通過分析發(fā)現(xiàn)，Meade(2007)和Thatcher(2007)在反演斷裂錯(cuò)動(dòng)速率時(shí)，利用的甘孜－玉樹斷裂附近的數(shù)據(jù)很少，而主要依賴個(gè)別數(shù)據(jù)和相鄰斷裂錯(cuò)動(dòng)速率的約束。Gan等(2007)使用的數(shù)據(jù)雖然有所增加，但在模型中將整個(gè)甘孜－玉樹－鮮水河斷裂帶作為一個(gè)斷裂單元考慮，由于鮮水河斷裂滑動(dòng)速率高且其周邊地區(qū)有密集GPS數(shù)據(jù)，必然導(dǎo)致整個(gè)斷裂單元上高滑動(dòng)速率的反演結(jié)果。王閻昭等(2008)雖然進(jìn)一步給出了分段結(jié)果，但由于甘孜－玉樹斷裂NW段處于模型邊緣，也會(huì)使誤差相對(duì)較大。我們搜集整理了甘孜－玉樹斷裂周邊地區(qū)更多的GPS數(shù)據(jù)，據(jù)此獲取該地區(qū)現(xiàn)今地殼震間形變場(chǎng)并進(jìn)行分析，可能對(duì)斷裂帶現(xiàn)今錯(cuò)動(dòng)速率及其分段活動(dòng)性做出更可靠的估計(jì)，有助于提高對(duì)玉樹地震發(fā)震斷裂構(gòu)造特征的認(rèn)識(shí)，加深對(duì)孕震過程的理解。

1 數(shù)據(jù)與分析

文中所使用的數(shù)據(jù)以“中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”1999、2001、2004和2007年的4期觀測(cè)數(shù)據(jù)為主，同時(shí)也收集了總參測(cè)繪局和國(guó)家測(cè)繪局大地測(cè)量控制點(diǎn)的一些數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)與全球IGS跟蹤站的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算，得到各測(cè)站在全球參考框架下的位置和速度(王敏，2008)。由于研究區(qū)GPS臺(tái)站數(shù)量較少，難以為活動(dòng)塊體運(yùn)動(dòng)模型提供可靠約束，因此只能采用簡(jiǎn)單的剖面投影方法對(duì)該地區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行定量分析。為突出甘孜－玉樹斷裂兩側(cè)地殼的運(yùn)動(dòng)差異，選取甘孜－玉樹斷裂帶以南的東羌塘地塊為參照系，利用該地區(qū)12個(gè)GPS臺(tái)站(圖1)的速率計(jì)算得到塊體運(yùn)動(dòng)速度歐拉極，將與之對(duì)應(yīng)的塊體剛性運(yùn)動(dòng)從臺(tái)站水平運(yùn)動(dòng)速度中扣除，得到該地區(qū)相對(duì)于東羌塘地塊的GPS水平運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)(圖2)。這一步驟的重要性在于，只有扣除了GPS速度場(chǎng)中區(qū)域地塊的剛性旋轉(zhuǎn)成分，才能在后續(xù)的研究中避免剛性旋轉(zhuǎn)對(duì)跨斷層剪切與擠壓/拉張形變的分析產(chǎn)生影響。未選取甘孜－玉樹斷裂以北的巴彥喀拉塊體為參照系的原因，一方面是考慮到巴彥喀拉塊體內(nèi)部GPS臺(tái)站較少、數(shù)據(jù)離散度較高、擬合剛性塊體運(yùn)動(dòng)的結(jié)果較差，另一方面也是由于與巴彥喀拉地塊相比以東羌塘地塊為參照系的速度場(chǎng)受塊體剛性旋轉(zhuǎn)的影響更小。

圖2 玉樹地震震中及其周邊地區(qū)GPS速度場(chǎng)和斷層剖面位置Fig.2 GPS derived velocity field and fault profiles in the region around the epicenter of Yushu earthquake.以東羌塘地塊為參照系，臺(tái)站速度誤差橢圓的置信區(qū)間為70%

我們選取了3條跨甘孜－玉樹－鮮水河斷裂帶的GPS剖面(圖2)，自西向東依次對(duì)應(yīng)于風(fēng)火山斷裂、甘孜－玉樹斷裂和鮮水河斷裂NW段。因GPS臺(tái)站分布的限制，文中選取的剖面位置與斷裂的地質(zhì)分段有一定差異。將斷裂兩側(cè)臺(tái)站的速率分別投影到斷層走向和傾向上，得到各段斷層位錯(cuò)走滑分量和擠壓/拉張分量造成的地表形變分布特征(圖3)。由于甘孜－玉樹斷裂與東昆侖斷裂之間臺(tái)站數(shù)量稀疏且均集中在2條斷裂附近，缺少中遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的約束，因此無法判斷2條斷裂近場(chǎng)臺(tái)站速率之間存在階躍的成因(究竟有多少來源于斷層鎖定效應(yīng)，多少來源于其他斷層的活動(dòng))。從剖面圖中不難看出，除甘孜－玉樹－鮮水河斷裂外，其南側(cè)怒江斷裂、北側(cè)東昆侖斷裂和瑪多－甘德斷裂(斷裂在剖面中的位置在圖3中以灰色實(shí)線表示)亦存在明顯活動(dòng)，這些斷裂的活動(dòng)對(duì)甘孜－玉樹斷裂周邊形變場(chǎng)產(chǎn)生貢獻(xiàn)，因此在估算甘孜－玉樹－鮮水河斷裂的現(xiàn)今滑動(dòng)速率時(shí)，應(yīng)排除跨過其他斷裂的數(shù)據(jù)點(diǎn)(圖3中以灰色方塊或菱形塊表示)。與此同時(shí)，由于甘孜－玉樹－鮮水河斷裂在玉樹地震前處于鎖定狀態(tài)，斷裂近場(chǎng)發(fā)生連續(xù)形變而非位錯(cuò)(Savage et al.，1973)，因此近場(chǎng)點(diǎn)位移不能反映斷裂兩側(cè)長(zhǎng)期穩(wěn)定的塊體運(yùn)動(dòng)，亦應(yīng)加以排除(圖3中以灰色方塊或菱形塊表示)。在對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行了上述篩選后 (圖3)，分別對(duì)斷裂兩側(cè)臺(tái)站速率投影分量做加權(quán)平均，斷裂兩側(cè)臺(tái)站速率平均值之差即為斷裂現(xiàn)今錯(cuò)動(dòng)速率的估計(jì)值。由于速度場(chǎng)解算時(shí)沒有輸出臺(tái)站間的相關(guān)信息，所以在計(jì)算斷層錯(cuò)動(dòng)速率誤差時(shí)忽略了臺(tái)站速率間的相關(guān)性。GPS臺(tái)站速率之間通常是正相關(guān)的，因此，這里得到的錯(cuò)動(dòng)速率誤差可能會(huì)略高于實(shí)際的誤差。據(jù)此，得到風(fēng)火山斷裂、甘孜－玉樹斷裂和鮮水河斷裂NW段的左旋走滑速率分別為(6.1±1.9)、(6.6±1.5)和(10.2±0.7)mm/a，同時(shí)得到風(fēng)火山斷裂和甘孜－玉樹斷裂擠壓速率分別為(2.8±1.9)和(1.7±1.6)mm/a，鮮水河斷裂NW段拉張速率為(2.8±0.7)mm/a。由于斷裂帶某些段落由若干條走向接近的次級(jí)斷裂組成，因此上述結(jié)果反映的是斷裂帶總體滑動(dòng)速率。其中，甘孜－玉樹斷裂走滑速率與李閩峰等(1995)、周榮軍等(1996)和張?jiān)Ｃ鞯?1996)分別利用斷錯(cuò)地貌和測(cè)年方法得到的地質(zhì)學(xué)結(jié)果基本一致，但與Meade(2007)、Thatcher(2007)以及Gan等(2007)利用GPS數(shù)據(jù)所得結(jié)果存在較大差異。如前所述，由于后者主要受滑動(dòng)速率較高的鮮水河斷裂的影響，使得該斷裂滑動(dòng)速率被高估。王閻昭等(2008)所得結(jié)果的誤差較大，但在誤差范圍內(nèi)仍支持本文給出的較低滑動(dòng)速率的結(jié)果。綜上所述，GPS給出的甘孜－玉樹斷裂現(xiàn)今滑動(dòng)速率與地質(zhì)學(xué)方法給出的全新世以來的長(zhǎng)期滑動(dòng)速率具有較好的一致性，并且均支持該斷裂具有比鮮水河斷裂更低的錯(cuò)動(dòng)速率。

圖3 GPS臺(tái)站速率剖線Fig.3 Velocity components of GPS stations parallel(left)and perpendicular(right)to the strike of each fault.

2 討論

由上述研究結(jié)果可以獲得甘孜－玉樹－鮮水河斷裂帶分段活動(dòng)的大致特征，即斷裂左旋走滑速率由西向東逐段增加，甘孜－玉樹段具有擠壓分量，鮮水河NW段具有拉張分量。這一趨勢(shì)與Wang等(2008)得到的該斷裂帶早更新世以來的分段活動(dòng)性相一致。Wang等(2008)利用斷錯(cuò)地貌得到當(dāng)江附近約16km的左旋位錯(cuò)，玉樹以東約25km的左旋位錯(cuò)，并推測(cè)兩者走滑量的差異可能由南側(cè)巴塘、下拉秀斷裂的拉張活動(dòng)以及北側(cè)玉樹塊體內(nèi)部的擠壓變形所吸收。聯(lián)系到羌塘地塊內(nèi)中、西部廣泛發(fā)育的NE和NW向共軛剪切斷裂以及近NS走向的拉張斷陷(Armijo et al.，1986;Yin et al.，2000)，青藏高原內(nèi)部到東緣斷裂活動(dòng)性的差異可能反映了不同區(qū)域地殼對(duì)印藏碰撞引起形變的轉(zhuǎn)換與吸收方式之間的差異(沈正康等，2003)。青藏高原內(nèi)部的羌塘地塊既存在NS向縮短，又存在地殼物質(zhì)的東向擠出，相應(yīng)地在高原的中、西部形成共軛剪切斷裂和拉張斷陷。隨著高原由西向東擠出物質(zhì)的積累，地殼東向擠出速率不斷增強(qiáng)(Zhang et al.，2004)，在高原東部共軛剪切及拉張斷陷已不能有效運(yùn)移東向擠出物質(zhì)，以鮮水河－甘孜－玉樹斷裂和東昆侖斷裂為代表的大型走滑斷裂成為高原物質(zhì)東向運(yùn)移的最主要方式。這一運(yùn)移方式由南到北、由西向東分層次進(jìn)行。上述兩大斷裂代表了NS方向的階梯型運(yùn)移層次，其中甘孜－玉樹斷裂至鮮水河斷裂滑移速率的不斷提高則代表了EW方向的運(yùn)移層次。甘孜－玉樹斷裂自西向東呈現(xiàn)向南的偏轉(zhuǎn)，斷裂帶以南物質(zhì)的東向運(yùn)移也在這一過程中受到少量阻擋，使得斷裂帶產(chǎn)生一定逆沖分量。而鮮水河斷裂西南地區(qū)由于從北向南地表高程的迅速下降，重力滑塌作用明顯，鮮水河斷裂西南地區(qū)地殼物質(zhì)的加速南向逃逸使得鮮水河斷裂NW段不再具有逆沖分量。由此可見，研究甘孜－玉樹斷裂帶對(duì)于認(rèn)識(shí)整個(gè)青藏高原的變形發(fā)展過程具有十分重要的作用。但目前對(duì)甘孜－玉樹斷裂及其周邊區(qū)域的研究程度還相當(dāng)?shù)?，需要在今后有所加?qiáng)。

玉樹地震發(fā)生后，我們迅速在玉樹地震震中區(qū)附近布設(shè)了6個(gè)連續(xù)GPS臺(tái)站，對(duì)發(fā)震斷層及其鄰域的震后形變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在本項(xiàng)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合震前與震后觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析與建模，希望獲取斷層帶和地殼介質(zhì)的流變學(xué)結(jié)構(gòu)及其對(duì)地震的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，了解斷層帶在地震旋回過程中的應(yīng)力應(yīng)變演化，同時(shí)進(jìn)一步豐富對(duì)青藏高原變形發(fā)展過程的認(rèn)識(shí)。

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王閻昭1)王 敏1)沈正康2)葛偉鵬1)王 康2)王 凡1)孫建寶1)

1)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2)北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871

INTER-SEISM IC DEFORMATION FIELD OF THE GANZI-YUSHU FAULT BEFORE THE 2010 YUSHU EARTHQAUKE

WANG Yan-zhao1)WANGMin1)SHEN Zheng-kang2)GEWei-peng1)WANG Kang2)WANG Fan1)SUN Jian-bao1)
1)State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
2)School of the Earth and Space Sciences，Peking University，Beijing 100871，China

The 14 April 2010 MW6.9 Yushu earthquake ruptured the northwestern segment of the Ganzi-Yushu Fault in Qinghai，China.Accurate estimation of the secular slip rate across the faultwould help understand tectonic structure of the fault and its seismogenic process.GPS data obtained from 1999 to 2007around the Ganzi－Yushu Fault spanning 89°～103°E，28°～39°N make such estimation possible.After removing GPSstationswhose displacementswere affected by fault locking effects and/or deformation of other faults，we decompose the remaining GPS station velocities into strike-parallel and strike-normal components and examine the data along profiles across corresponding fault segments.The slip rates of the Fenghuoshan，Ganzi－Yushu，and northwestern segment of the Xianshuihe Faults are estimated as 6.1 ±1.9，6.6 ±1.5，and 10.2 ± 0.7mm/a，respectively.These results agree with geological estimates of the fault slip rates，which show progressive increase from northwest to southeast across segments of the Ganzi－ Yushu-Xianshuihe Fault zone，implying variation in transferring and absorbing patterns of deformation in different regions in and around the Tibetan plateau.Estimation of present-day slip rates along segments of the Ganzi－Yushu Faultwould provide valuable data for future research on seismo-tectonics of the fault and tectonic evolution of the Tibetan plateau.

Yushu earthquake，GPS，fault slip rate

P315.2

A

0253－4967(2011)03－0525－08

10.3969/j.issn.0253 － 4967.2011.03.003

2010－12－22收稿，2011－03－29改回。

地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室課題(LED2009A02)和中國(guó)地震局地質(zhì)研究所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(IGCEA1011)共同資助。

王閻昭，女，1981年生，2009年在中國(guó)地震局地質(zhì)研究所獲得固體地球物理學(xué)博士學(xué)位，助研，主要研究方向?yàn)镚PS地殼形變、地震構(gòu)造學(xué)與地球動(dòng)力學(xué)，電話:010－62009146，E－mail:wangyz 0513@gmail.com。