陳為濤
(中國(guó)地震局地質(zhì)研究所,北京100029)
汶川MS8.0地震前后龍門山斷裂周邊地殼形變特征及地震危險(xiǎn)性分析
陳為濤
(中國(guó)地震局地質(zhì)研究所,北京100029)
2008年5月12日發(fā)生在青藏高原東緣龍門山斷裂帶的汶川MS8.0大地震,使中國(guó)大陸遭受了自1976年唐山MS7.8地震以來(lái)最大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,死亡或失蹤人數(shù)近9萬(wàn),直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)9 000億人民幣。根據(jù)震后的重新定位,此次地震的震中位于103.352°N,30.961°E,震源深度約為16 km。震源機(jī)制以逆沖為主,兼具右旋走滑。地震形成長(zhǎng)達(dá)約240 km的地表主破裂,地面最大垂直錯(cuò)距和右旋水平錯(cuò)距分別為5.0 m和4.8 m,整個(gè)地表破裂的平均錯(cuò)距達(dá)2~3 m。
龍門山斷裂帶地處青藏高原與四川盆地的交界部位,屬松潘—甘孜地塊和華南地塊的邊界斷裂,總體走向NE,傾向NW,長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)性質(zhì)呈擠壓逆沖兼右旋,主體部分由后山斷裂帶(汶川—茂縣斷裂)、中央斷裂帶(映秀—北川斷裂)和前山斷裂帶(灌縣—江油斷裂)和多個(gè)推覆構(gòu)造體組成。
龍門山兩側(cè)巨大的海拔高差和陡峭的地形地貌清晰地展示了強(qiáng)烈的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。但地質(zhì)研究結(jié)果表明,自第四紀(jì)以來(lái),龍門山斷裂帶僅有2~3 mm/a的平均運(yùn)動(dòng)速率,現(xiàn)今的GPS地殼形變觀測(cè)亦顯示出類似于長(zhǎng)期平均速率的弱構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和低應(yīng)變積累,這使我們輕視了龍門山斷裂在整個(gè)川滇地震構(gòu)造區(qū)的地震危險(xiǎn)性。而汶川地震的發(fā)生,為我們展示了一種超越傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)的罕見地震類型:在板內(nèi)強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)域內(nèi),一條歷史強(qiáng)震稀少、應(yīng)變積累緩慢、運(yùn)動(dòng)速率低下的弱活動(dòng)逆沖推覆構(gòu)造所產(chǎn)生的巨大地震。因此,對(duì)龍門山斷裂及其周邊區(qū)域的地球動(dòng)力學(xué)環(huán)境、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)學(xué)模式和汶川地震前后的三維地殼形變特征和演化過程進(jìn)行精細(xì)的大地測(cè)量觀測(cè)研究,對(duì)我們深入認(rèn)識(shí)汶川地震的孕震機(jī)理和分析評(píng)定龍門山斷裂及周邊的未來(lái)地震危險(xiǎn)性具有重要的科學(xué)意義。
自20世紀(jì)90年代以來(lái),以GPS為代表的空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用,為我們高精度、高效率、低成本和全天候地獲取各種規(guī)模尺度的地殼運(yùn)動(dòng)和構(gòu)造形變及其動(dòng)態(tài)演化過程提供了革命性的觀測(cè)手段。而龍門山斷裂及其周邊區(qū)域因地處我國(guó)地震活動(dòng)最為強(qiáng)烈的南北地震帶的中段,成為中國(guó)大陸最早開展GPS觀測(cè)研究、最密布設(shè)GPS觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)和最多獲取GPS觀測(cè)資料的區(qū)域之一,并有相對(duì)豐富的傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量和三角測(cè)量觀測(cè)資料。因此,為我們定量研究該區(qū)域的震前地殼形變特征和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)速率、震時(shí)同震地表形變和深部破裂位錯(cuò)、震后馳豫地殼形變演化和巖石圈流變結(jié)構(gòu),以及未來(lái)的區(qū)域地震危險(xiǎn)性分析等相關(guān)科學(xué)問題提供了至關(guān)重要的約束資料。圍繞這些科學(xué)問題,本論文開展了以下5個(gè)方面的研究工作。
對(duì)龍門山斷裂及周邊區(qū)域自20世紀(jì)90年代初以來(lái)多家研究機(jī)構(gòu)和不同科研項(xiàng)目所觀測(cè)的GPS資料和部分水準(zhǔn)資料進(jìn)行了系統(tǒng)的收集整理,并對(duì)影響GPS地殼形變觀測(cè)精度的各類主要誤差及相應(yīng)的消除或減弱措施進(jìn)行了歸納總結(jié)。
選用美國(guó)航空航天局(NASA)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的高精度GPS數(shù)據(jù)前處理軟件GIPSY和后處理軟件QOCA,并采納其先進(jìn)的“精密單點(diǎn)定位”技術(shù)、載波相位整周模糊度解的Ambizap算法及單日解的整體聯(lián)合平差,對(duì)龍門山斷裂近斷層兩側(cè)15個(gè)連續(xù)GPS觀測(cè)站震后3年多的數(shù)據(jù)進(jìn)行了嚴(yán)密處理,獲得了高精度的站點(diǎn)坐標(biāo)變化時(shí)間序列,為定量研究汶川地震后,龍門山斷裂的精細(xì)運(yùn)動(dòng)變化和非線性馳豫形變提供了至關(guān)重要的資料。
以汶川地震前龍門山斷裂帶及周邊324個(gè)GPS站點(diǎn)的水平速度場(chǎng)、414個(gè)水準(zhǔn)觀測(cè)站的垂直速度場(chǎng)和部分可靠程度較高的活動(dòng)斷裂的長(zhǎng)期平均運(yùn)動(dòng)速率為約束,采用半無(wú)限彈性體斷裂位錯(cuò)模型,構(gòu)建了龍門山地區(qū)活動(dòng)斷裂與地殼形變的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型;在綜合反演確定了研究區(qū)域各主要斷裂現(xiàn)今運(yùn)動(dòng)速率等模型參數(shù)的基礎(chǔ)上,基于最佳斷裂位錯(cuò)模型的正演內(nèi)插,獲取了整個(gè)區(qū)域連續(xù)分布的三維地殼運(yùn)動(dòng)場(chǎng)和應(yīng)變率場(chǎng),得到了以下的主要認(rèn)識(shí)。
(1)在汶川地震發(fā)生之前的間震期,龍門山斷裂帶的水平應(yīng)變率明顯低于其周邊的鮮水河—小江斷裂帶以及東昆侖斷裂帶。龍門山斷裂帶的應(yīng)變能積累主要分布在龍門山斷裂帶兩側(cè)共約150 km的寬度范圍內(nèi),每100 km×100 km面積范圍的地震矩累積率大約為6.935× 1016N·m/a??紤]到此次汶川地震約240 km的破裂長(zhǎng)度和約8.03×1020N·m的地震矩能量釋放,我們可根據(jù)地震矩累積率估算出汶川地震的平均復(fù)發(fā)間隔約為3 200年。
(2)我們的區(qū)域斷裂位錯(cuò)模型推測(cè)龍門山地區(qū)相對(duì)四川盆地第四紀(jì)以來(lái)約有1.8±0.2 mm/a的平均垂向隆升速率。考慮到該地區(qū)的剝蝕速率以及基底海拔高度,我們得出該地區(qū)相對(duì)四川盆地有著不高于4 000±500 m的總隆升量,比現(xiàn)今2 500~3 500 m的平均高差約高出1 000 m。這似乎表明地殼縮短和斷裂運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的垂向隆升是龍門山地區(qū)隆起的主要因素,而無(wú)需深部軟流物質(zhì)的堆積拱隆。
(3)基于GPS水平形變資料和水準(zhǔn)測(cè)量垂直形變資料的共同約束,我們的區(qū)域斷裂位錯(cuò)模型推測(cè)龍門山斷裂以南的貢嘎山地區(qū)第四紀(jì)以來(lái)具有高達(dá)2.9±0.2 mm/a的垂向隆升速率。如果假設(shè)僅由斷裂的逆沖位錯(cuò)產(chǎn)生這樣的隆升速率,則龍門山斷裂南部玉農(nóng)希斷裂和麗江—小金河斷裂需要有約3.5 mm/a和約2.9 mm/a的逆沖速率。而實(shí)際的地質(zhì)研究結(jié)果表明,這兩條斷裂僅有約1 mm/a和約0.65 mm/a的長(zhǎng)期平均逆沖速率。因此,推測(cè)貢嘎山地區(qū)的快速隆升,很可能存在深部軟流物質(zhì)的堆積拱隆。
在前人基于彈性半無(wú)限空間位錯(cuò)模型和大地測(cè)量同震觀測(cè)資料約束所反演得到的同震破裂模型的基礎(chǔ)上,采用更加接近真實(shí)情況的分層巖石圈粘彈性介質(zhì)模型,對(duì)汶川地震的同震破裂分布進(jìn)行了進(jìn)一步研究,得到如下認(rèn)識(shí)。
(1)本文得到的破裂模型,在18 km以下的滑脫面并沒有發(fā)生明顯滑動(dòng)的情況下,約降低了約8%的加權(quán)殘差平方和,更優(yōu)地?cái)M合了GPS觀測(cè)到的同震形變場(chǎng)。因此,汶川地震的實(shí)際同震破裂面,可能是形態(tài)更簡(jiǎn)單的、深度在18 km以上的鏟型面,斷裂西南段18 km之下或許并不存在額外的破裂面。
(2)汶川地震的同震位錯(cuò)高值區(qū)分布于15 km以上的淺部區(qū)域,大致在虹口段、清平段、北川段和南壩段下部0~10 km處,震源深度以下沒有明顯的高值滑動(dòng),震源附近的位錯(cuò)并不突出,最大滑動(dòng)值位于地表的虹口一帶,達(dá)到14.68 m。
基于龍門山斷裂周邊15個(gè)連續(xù)GPS觀測(cè)站自2008年汶川地震以來(lái)的觀測(cè)資料,首先定量獲取各站點(diǎn)三維坐標(biāo)變化的時(shí)間序列,然后通過站點(diǎn)間的兩兩組合基線的方式獲取基線端點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)變化,在此基礎(chǔ)上,通過擬合由分層巖石圈粘彈性模型所計(jì)算的理論基線時(shí)間序列,反演確定區(qū)域巖石圈流變結(jié)構(gòu)參數(shù),得到如下認(rèn)識(shí)。
(1)龍門山斷裂北段在震后表現(xiàn)出非常明顯的、具有指數(shù)衰減特征的右旋走滑馳豫錯(cuò)動(dòng)變形。在震后3年間右旋走滑平均速率約15 mm/a;而在逆沖擠壓方向上基本呈線性變化,逆沖擠壓量級(jí)不大,縮短速率約4 mm/a;在垂向上的相對(duì)變化不明顯,僅反映出上盤點(diǎn)相對(duì)下盤點(diǎn)有略微的逆沖升高。龍門山斷裂帶中段,震后弛豫錯(cuò)動(dòng)具有明顯的指數(shù)衰減特征,斷裂活動(dòng)以逆沖擠壓為主,兼具右旋走滑,震后3年平均逆沖縮短速率約27 mm/a,右旋走滑速率約7 mm/a,上盤相對(duì)下盤呈持續(xù)線性快速上升,震后3年內(nèi)平均上升速率20 mm/a。在龍門山斷裂南段,震后的右旋走滑和逆沖縮短均表現(xiàn)出指數(shù)衰減特征,兩者運(yùn)動(dòng)量級(jí)相當(dāng),其中平均右旋走滑速率約8 mm/a,逆沖縮短速率約10 mm/a;在垂向上,震后斷裂上盤相對(duì)下盤存在線性持續(xù)升高,相對(duì)隆升速率約4 mm/a。總的而言,震后形變主要發(fā)生在龍門山斷裂帶中段,整體形變與同震形變具有一致性,從南段的擠壓逆沖到北段的右旋走滑。
(2)通過對(duì)龍門山斷裂帶兩側(cè)不同基線的端點(diǎn)震后相對(duì)運(yùn)動(dòng)研究,反映出龍門山地區(qū)整體的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)特征;不同的是,上盤的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)非線性特征更加明顯,這反映出青藏高原與四川盆地兩者在地殼介質(zhì)上存在明顯不同。此外,位于青藏高原的上盤不同區(qū)段逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)也顯著不同,從南段的南東向運(yùn)動(dòng)逐漸過渡到北段的北西向運(yùn)動(dòng);垂向上的運(yùn)動(dòng)變化也存在差異,中段相比南北段存在顯著的隆升運(yùn)動(dòng)。在四川盆地的下盤,不同區(qū)段間水平向和垂直向變化并不明顯,基本未出現(xiàn)形變或有輕微形變,這反映了四川盆地地殼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。
(3)在連續(xù)GPS基線變化的時(shí)間序列中合理去除長(zhǎng)期斷裂運(yùn)動(dòng)成分、同震位錯(cuò)成分和震后滑移成分后,通過對(duì)分層巖石圈介質(zhì)模型粘彈性馳豫形變特性的最佳擬合,反演獲得龍門山地區(qū)下地殼上地幔的平均粘滯性系數(shù)為1×1019Pa·s。
針對(duì)龍門山斷裂周邊前人基于多學(xué)科研究資料所圈定的4個(gè)未來(lái)強(qiáng)震重點(diǎn)監(jiān)視區(qū):西秦嶺斷裂帶監(jiān)視區(qū),六盤山斷裂帶監(jiān)視區(qū),海原斷裂帶監(jiān)視區(qū)和東昆侖斷裂帶監(jiān)視區(qū),我們基于粘彈性靜態(tài)應(yīng)力觸發(fā)模型,研究它們?cè)阢氪ǖ卣鸷蟮膽?yīng)力加/卸載狀況以及未來(lái)強(qiáng)震危險(xiǎn)性程度??紤]到下地殼上地幔粘彈性松弛效應(yīng)作用的長(zhǎng)期性,在實(shí)際研究過程中,我們不僅考慮汶川地震的作用,還考慮了1920—2010年期間發(fā)生在本區(qū)域及其周邊的其他大于7級(jí)的歷史強(qiáng)震影響,計(jì)算出這些地震在各重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)最可能發(fā)震斷層面上所導(dǎo)致的粘彈性靜態(tài)庫(kù)侖破裂應(yīng)力變化,加上GPS得到的長(zhǎng)期構(gòu)造背景加載下的應(yīng)力積累量,定量分析了每個(gè)重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)近百年來(lái)的庫(kù)侖破裂應(yīng)力變化,并在此基礎(chǔ)上初步分析各重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)的未來(lái)發(fā)震危險(xiǎn)性程度,具體認(rèn)識(shí)如下:
(1)西秦嶺斷裂帶監(jiān)視區(qū)和六盤山斷裂帶監(jiān)視區(qū)均處于長(zhǎng)期構(gòu)造背景場(chǎng)和歷史地震影響共同加載應(yīng)力的狀況,而海原斷裂帶監(jiān)視區(qū)和東昆侖斷裂帶監(jiān)視區(qū),如果不考慮長(zhǎng)期構(gòu)造背景的應(yīng)力加載,則處于地震影響的卸載狀況。
(2)考慮到這4個(gè)重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)的大震平均復(fù)發(fā)周期及上次大震事件的離逝時(shí)間,我們認(rèn)為,西秦嶺斷裂帶監(jiān)視區(qū)的未來(lái)強(qiáng)震危險(xiǎn)性程度最高,海原斷裂帶次之,然后才是東昆侖斷裂帶和六盤山斷裂帶。
汶川地震;龍門山斷裂帶;GPS觀測(cè);地殼形變;地震危險(xiǎn)性分析
(作者電子信箱,陳為濤:weitaochen@foxmail.com)
P315.72+5;
A;
10.3969/j.issn.0235-4975.2013.11.005