小江斷裂帶的運(yùn)動(dòng)及應(yīng)變積累特征研究*

魏文薪 江在森 武艷強(qiáng) 劉曉霞 趙 靜 李 強(qiáng) 董 曼

(1)中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029 2)中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036 3)中國地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京100045)

小江斷裂帶的運(yùn)動(dòng)及應(yīng)變積累特征研究*

魏文薪1，2)江在森2)武艷強(qiáng)1，2)劉曉霞2)趙 靜2)李 強(qiáng)2)董 曼3)

(1)中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029 2)中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036 3)中國地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京100045)

利用1999—2001、2001—2004和2004—2007三個(gè)時(shí)段的GPS速度場數(shù)據(jù)，基于塊體運(yùn)動(dòng)的線性模型(RELSM)研究了小江斷裂帶的運(yùn)動(dòng)與變形的時(shí)空特征，得出小江斷裂的總體左旋走滑速率為3.0～7.1 mm/a。根據(jù)斷裂帶歷史地震地表破裂分段，結(jié)合GPS速度剖面，研究了斷裂帶的分段應(yīng)變積累時(shí)空特征，結(jié)果表明:1)小江斷裂各個(gè)分段不同時(shí)間段的相對(duì)運(yùn)動(dòng)與變形方式有較好一致性，均呈現(xiàn)左旋走滑兼拉張的運(yùn)動(dòng)特征;2)RELSM得出小江斷裂分段滑動(dòng)的差異性，表現(xiàn)為沿?cái)嗔褞У谋倍蔚侥隙蔚淖笮瑒?dòng)速率逐漸減小;3)小江斷裂各段應(yīng)變積累特征表明，北段高于中北段，中南段及南段不利于積累或積累水平低;4)小江斷裂帶北段為相對(duì)閉鎖且剪切應(yīng)變積累速度較高的異常區(qū)域。

小江斷裂帶;GPS;線性變形模型;GPS剖面;應(yīng)變積累

1 引言

小江斷裂帶是川滇菱形塊體東南邊界主干斷裂［1］。從1500年以來，沿該斷裂帶曾發(fā)生過6.0～6.9級(jí)地震11次，7.0～7.9級(jí)地震3次，8.0級(jí)地震1次［2］。從大區(qū)域動(dòng)力學(xué)背景來看，受印度板塊北東向推擠作用，青藏高原南北向地殼縮短，物質(zhì)東移，高原物質(zhì)表現(xiàn)為繞喜馬拉雅構(gòu)造結(jié)做順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)特征，川滇塊體的側(cè)向擠出滑移造成了東邊界的左旋剪切變形，現(xiàn)今的地殼水平運(yùn)動(dòng)也體現(xiàn)了這種運(yùn)動(dòng)特征(圖1)。作為重要的亞板塊邊界帶，許多學(xué)者對(duì)其做了大量研究，給出了小江斷裂帶滑動(dòng)速率和鎖定強(qiáng)度等情況［3-8］。

本文將利用中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測網(wǎng)絡(luò)1999—2001、2001—2004和2004—2007三個(gè)時(shí)間尺度的GPS速度場資料，分析小江斷裂帶變形及應(yīng)變積累分段特征。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造簡圖及2004—2007時(shí)段GPS速度場Fig.1 Structure diagram in studied area and the velocity field in the period of 2004—2007

2 小江斷裂帶水平運(yùn)動(dòng)特征分析

2.1 RELSM的基本原理

塊體運(yùn)動(dòng)和線性應(yīng)變模型的基本原理是根據(jù)活動(dòng)地塊上每一GPS站點(diǎn)的經(jīng)緯度及其東向、北向速度，按照最小二乘原理，解算出活動(dòng)地塊的ωx、ωy、ωz、εe、εn、εen、A0、A1、A2、B0、B1、B2、C0、C1、C2等參數(shù)的最或然值［9］。其中ve、vn是活動(dòng)地塊上任一點(diǎn)(λ，φ)的東向速度與北向速度，為:

2.2 小江斷裂帶滑動(dòng)速率的計(jì)算

利用 1999—2001、2001—2004和 2004—2007三期GPS速度場數(shù)據(jù)(相對(duì)于華南地塊)，沿走向方向的地表破裂長度為量值，將小江斷裂帶分段［10］(圖2)，再根據(jù)RELSM計(jì)算得到各段的滑動(dòng)速率，并將其沿?cái)嗔褞ё呦蚝痛怪睌嗔褞ё呦蜻M(jìn)行投影，從而求得垂直和平行斷裂帶的速率(表1)。

圖2 小江斷裂帶分段示意圖Fig.2 Sketch of segmentation of Xiaojiang fault zone

表1 小江斷裂帶分段速率結(jié)果(單位：mm/a)Tab.1 Results of segmentation velocity of Xiaojiang fault zone(unit：mm/a)

2.3 小江斷裂帶的水平運(yùn)動(dòng)時(shí)空特征分析

1)斷裂帶的分段運(yùn)動(dòng)時(shí)間特征

根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果，小江斷裂帶的分段運(yùn)動(dòng)時(shí)間特征如下:

北段:1999—2001時(shí)段，左旋走滑速率為6.15 mm/a，拉張速率為2.66 mm/a;2001—2004時(shí)段左旋走滑速率為7.15 mm/a，拉張速率為1.14 mm/a; 2004—2007年左旋走滑速率的平均值為5.19 mm/ a;拉張速率為0.94 mm/a。從各時(shí)間段的速率看，3個(gè)時(shí)段均呈現(xiàn)左旋走滑兼拉張的運(yùn)動(dòng)特征。

中北段:1999—2001時(shí)段，左旋走滑速率為5.68 mm/a，拉張速率為0.18 mm/a;2001—2004時(shí)段左旋走滑速率為6.44 mm/a，擠壓速率為1.42 mm/a;2004—2007年左旋走滑速率的平均值為4.78 mm/a;擠壓速率為0.99 mm/a。從各時(shí)間段滑動(dòng)速率看，左旋走滑特征不變，與1999—2001時(shí)段相比，2001—2004時(shí)段和2004—2007時(shí)段的垂直斷裂帶速率由拉張變?yōu)閿D壓特征。

中南段:1999—2001時(shí)段，左旋走滑速率為4.22 mm/a，拉張速率為1.12 mm/a;2001—2004時(shí)段左旋走滑速率為5.68 mm/a，擠壓速率為0.23 mm/a;2004—2007年左旋走滑速率的平均值為4.12 mm/a;擠壓速率為0.03 mm/a。從各時(shí)間段滑動(dòng)速率看，左旋走滑特征不變，與1999—2001時(shí)段相比，2001—2004時(shí)段和2004—2007時(shí)段的垂直斷裂帶速率由拉張變?yōu)閿D壓特征，但量值較小，可以認(rèn)為該段仍呈現(xiàn)左旋走滑兼拉張的運(yùn)動(dòng)特征。

南段:1999—2001時(shí)段，左旋走滑速率為6.15 mm/a，拉張速率為2.66 mm/a;2001—2004時(shí)段左旋走滑速率為7.15 mm/a，拉張速率為1.14 mm/a; 2004—2007年左旋走滑速率的平均值為5.19 mm/ a;拉張速率為0.94 mm/a。從各時(shí)間段的速率看，3個(gè)時(shí)段均呈現(xiàn)左旋走滑兼拉張的運(yùn)動(dòng)特征。

2)小江斷裂帶運(yùn)動(dòng)的空間特征分析

從分段空間特征看，小江斷裂的各分段左旋走滑趨勢沒有變化，部分段略帶有擠壓的趨勢，但量值較小。因此，小江斷裂整體為左旋走滑為主的運(yùn)動(dòng)特征;小江斷裂從北段到南段，走滑速率逐漸減小;從垂直斷裂帶的速率看，斷裂帶北段和南段拉張速率較大，中北段和中南段略帶有擠壓特征。從所得到的滑動(dòng)速率值來看，比GPS剖面［11］分析和反演方法［12］得到的結(jié)果偏小。這是由于塊體運(yùn)動(dòng)的線性應(yīng)變模型考慮到了塊體內(nèi)部的非均勻變化過程，也就是說，塊體內(nèi)部的斷裂也吸收部分塊體整體運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了計(jì)算結(jié)果的變小。但是其空間變化特征與其他方法得到的結(jié)果還是一致的。

3 斷裂帶分段變形特征與應(yīng)變積累研究

利用GPS實(shí)測剖面方法分析變形特征，并利用反正切函數(shù)擬合其變化趨勢。圖3給出了三個(gè)時(shí)段小江斷裂四段的GPS實(shí)測剖面。

圖3 3個(gè)時(shí)段小江斷裂四段的GPS剖面(平行斷裂帶滑動(dòng)速率)Fig.3 GPS profiles of four sections in Xiaojiang fault zone in three periods(parallel velocites of fault zone)

1)小江斷裂北段

從1999—2001時(shí)段(圖3(a))可以看出，小江斷裂北段表現(xiàn)為左旋走滑的運(yùn)動(dòng)特征，其平均的滑動(dòng)速率約為7 mm/a，并且該斷裂帶的變形主要集中在斷裂帶附近的50 km范圍內(nèi)，從斷裂帶西側(cè)點(diǎn)H109點(diǎn)約4.9 mm/a上升到 H119點(diǎn)約為10.0 mm/a，反映出小江斷裂北段為左旋剪切變形，并且有一定的應(yīng)變積累。從2001—2004時(shí)段的GPS剖面可以看出，其平均的滑動(dòng)速率約為10 mm/a，從斷裂帶西側(cè)點(diǎn)H109點(diǎn)約4.1 mm/a上升到H119點(diǎn)約為10.3 mm/a;相比于1999—2001時(shí)段，并從現(xiàn)有的GPS點(diǎn)位數(shù)量來看，變形寬度有增加的趨勢，即應(yīng)變在逐年積累。從2004—2007時(shí)段的GPS剖面可以看出，其平均的滑動(dòng)速率約為10 mm/a，從斷裂帶西側(cè)點(diǎn)H109點(diǎn)約5.3 mm/a上升到H119點(diǎn)約為10.3 mm/a，相比于2001—2004時(shí)段，變形寬度變化不大，即該段處于穩(wěn)定的應(yīng)變積累過程中。

2)小江斷裂中北段

從1999—2001時(shí)段(圖3(b))可以看出，小江斷裂中北段表現(xiàn)為左旋走滑的運(yùn)動(dòng)特征，平均滑動(dòng)速率約為7 mm/a，并且該斷裂帶的變形主要集中在斷裂帶附近約35 km范圍內(nèi)，從斷裂帶西側(cè)點(diǎn)H127點(diǎn)約6.0 mm/a上升到H126點(diǎn)的10.0 mm/a;反映出小江斷裂中北段也表現(xiàn)為左旋剪切變形，且有一定的應(yīng)變積累。從2001—2004時(shí)段的GPS剖面可以看出，其平均的滑動(dòng)速率約為7 mm/a，從斷裂帶西側(cè)點(diǎn)H127點(diǎn)約4.2 mm/a上升到H126點(diǎn)約8.4 mm/a;與1999—2001時(shí)段相比，沒有顯著的變化，仍然處于穩(wěn)定的應(yīng)變積累階段。從2004—2007時(shí)段的GPS剖面可以看出，其平均的滑動(dòng)速率約為7 mm/a，從斷裂帶西側(cè)點(diǎn)H127點(diǎn)約4.5 mm/a上升到H126點(diǎn)約為6.1 mm/a;與2001—2004時(shí)段相比，速率的變化值變小，也就是說應(yīng)變積累水平增加。綜上所述，該段也存在著一定的應(yīng)變積累，但與北段的變形寬度相比，中北段變形寬度較窄，應(yīng)變積累水平低于北段。

3)小江斷裂中南段

從1999—2001時(shí)段中南段的變形特征(圖4)可以看出，其變化規(guī)律并不符合震間期斷裂帶變形的一般規(guī)律，經(jīng)分析，可能是該斷裂帶附近發(fā)生過兩次5級(jí)地震(1999年澄江M5.2和2001年江川M5.1)的影響所致。從2001—2004時(shí)段(圖3(c))看出，利用已有的點(diǎn)位可以很好的擬合出該段在該時(shí)間段的變化特征，其平均滑動(dòng)速率約為8 mm/a，從變化特征可以看出，該段似乎有一定的應(yīng)變積累，但是東側(cè)點(diǎn)位不夠，計(jì)算結(jié)果不太明顯。從2004— 2007時(shí)段GPS剖面可以看出，其平均滑動(dòng)速率約為6 mm/a，該段的變形寬度更小。由于該段三個(gè)時(shí)段變化很大，未呈現(xiàn)持續(xù)的應(yīng)變積累狀態(tài)，不利于應(yīng)變積累。綜上所述，該段應(yīng)變積累水平顯著低于北段。

圖4 1999—2001時(shí)段小江斷裂中南段剖面GPS點(diǎn)位分布圖及速度剖面圖Fig 4 Distribution of GPS stations and profile in central south section of Xiaojiang fault zone in 1999-2001

4)小江斷裂南段

從1999—2001時(shí)段(圖3(d))可以看出，南段為左旋剪切變形，其平均滑動(dòng)速率約為5 mm/a。利用反正切函數(shù)擬合其變形特征，似乎反映了該段進(jìn)入了震間晚期，近似線性變化，但是由于點(diǎn)位不夠，應(yīng)變積累水平是否較高，還有待于進(jìn)一步的研究。從2001—2004時(shí)段GPS剖面可以看出，其平均滑動(dòng)速率約為6 mm/a，從變化特征可以看出，似乎該段有一定的應(yīng)變積累。與1999—2001時(shí)段相比，變形寬度變窄，應(yīng)變積累水平下降。從2004—2007時(shí)段GPS剖面可以看出，其平均滑動(dòng)速率約為5 mm/ a，從變化特征可以看出，似乎該段有一定的應(yīng)變積累，并且變形寬度與2001—2004時(shí)段相比有變寬的趨勢。

4 結(jié)論

1)從研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，RELSM可以得出小江斷裂帶的分段差異性。該斷裂帶的北段到南段，滑動(dòng)速率逐漸減小。

2)不同時(shí)間段的相對(duì)運(yùn)動(dòng)與變形方式有較好一致性，但也存在量上的差異。其中中北段2001—2004年擠壓速率最大，這可能與昆侖山口西地震引起大范圍調(diào)整有關(guān)，雖然這期速度場中已經(jīng)扣除了該次地震的同震位移，但其震后調(diào)整影響仍可能包含在具有幾年時(shí)間跨度的速度場中。

3)利用GPS實(shí)測剖面方法分析各段的變形及應(yīng)變積累特征，得到斷裂帶整體為左旋走滑的運(yùn)動(dòng)特征，小江斷裂北段及中北段體現(xiàn)了應(yīng)變逐年積累的特征，中北段斷層應(yīng)變積累程度低于北段。從中南段及南段的動(dòng)態(tài)變形特征，不利于斷層應(yīng)變積累或應(yīng)變積累水平低。

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STUDY ON MOTION CHARACTERISTICS AND STRAIN ACCUMULATION OF XIAOJIANG FAULT ZONE

Wei Wenxin1，2)，Jiang Zaisen2)，Wu Yanqiang1，2)，Liu Xiaoxia2)，Zhao Jing2)，Li Qiang2)and Dong Man3)

(1)Institute of Geology，CEA，Beijing 100029 2)Institute of Earthquake Science，CEA，Beijing 100036 3)China Earthquake Networks Center，Beijing100045)

Using the GPS velocity field data from 1999-2001，2001-2004 and 2004-2007 on short time scales，we studied the overall motion characteristics of Xiaojiang fault through linear model of block(RELSM)，and reached the result that its average left-lateral slip rate is about 3.0～7.1 mm/a.According to the segmentation of surface rupture of fault due to historical earthquakes，we analyze the different characteristics of space-time of strain accumulation on every fragment by using the method of GPS velocity profile.The results indicated as follows.1) The sections in different time periods of Xiaojiang fault have better consistency on relative motion and deformation mode，are sinistral strike-slip and pull-apart movement characteristics.2)RELSM results show segment difference and decrease of slip rate from north to south.3)Strain accumulation features show，the northern section above middle north section，middle south section and the southern section are not conducive to the accumulation or low levels of it.4)The northern section of Xiaojiang fault zone is abnormal regions which was relatively closed and there was high rate of shear strain accumulation.

Xiaojiang fault zone;GPS;linear deformation model;GPS profile;strain accumulation

1671-5942(2012)02-0011-05

2012-01-12

國家自然科學(xué)基金(40974005，41104004)

魏文薪，男，1981年生，博士在讀，主要研究方向?yàn)榈貧ば巫兗暗厍騽?dòng)力學(xué).E-mail:wwx09130510@126.com

P315.72+5

A