怒江斷裂現(xiàn)今錯動速率與地震危險性

王閻昭 王 敏* 沈正康 邵德盛 施發(fā)奇

1)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029

2)北京大學地球與空間科學學院，北京 100871

3)Department of Earth and Space Sciences，University of California，Los Angeles，California 90095－1567，USA

4)云南省地震局形變測量中心，昆明 650041

0 引言

怒江斷裂帶是一條規(guī)模較大的區(qū)域深大斷裂，總體沿怒江流域展布(圖1)。近年來，關于在怒江流域是否適宜開展水電開發(fā)存在許多爭論。反對者認為修建大壩會對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成破壞，導致怒江流域滑坡、泥石流等地質(zhì)災害頻發(fā)，而且怒江斷裂存在潛在的地震危險性，在怒江流域修建大壩存在極大的安全隱患。支持者則認為水電開發(fā)將改善當?shù)亟?jīng)濟條件，怒江斷裂的現(xiàn)今活動性很弱，只要大壩不橫跨斷裂帶并采取合理的抗震設防標準就能保證大壩的安全。在這場爭論中，怒江斷裂的錯動速率成為雙方爭論的重要論據(jù)和主要分歧點之一，因此對斷裂錯動速率的準確估計及其地震危險性評估是回答這一爭論的關鍵。

圖1 怒江斷裂及其周邊地區(qū)構造和相對于穩(wěn)定歐亞板塊的GPS水平速度場Fig.1 Topography，fault distributions，and GPS horizontal velocity field with respect to the stable Eurasian plate in the adjacent area of the Nujiang Fault.

怒江地區(qū)復雜的地形和極端惡劣的工作環(huán)境限制了野外地質(zhì)工作的開展，有關怒江斷裂新構造運動的研究成果十分有限，大致的認識是怒江斷裂以右旋走滑活動為主(吳根耀，1991;李京昌，1998)，由早期的壓剪構造轉(zhuǎn)化為晚期的張剪構造(李京昌，1998)。GPS技術的應用促進了地殼形變的監(jiān)測和研究，前人依據(jù)GPS數(shù)據(jù)取得了一定的認識，但由于數(shù)據(jù)的不足，其結果很大程度上還是受到研究者主觀認識的影響。申重陽等(2002)根據(jù)怒江斷裂的走向變化將其自北向南分為3段并利用GPS數(shù)據(jù)得到其右旋走滑速率分別為(3.78±0.8)mm/a、(1.2±0.02)mm/a和(1.82±0.03)mm/a，擠壓速率分別為(1.1±0.05)mm/a、(1.11±0.01)mm/a和(1.39±0.01)mm/a;唐方頭等(2010)和宋鍵(2011)基于流動GPS臺站的加密觀測得到怒江斷裂SN走向段右旋走滑速率為2～3mm/a，擠壓速率為1～2，5mm/a。上述研究者的估計基本一致，但申重陽等(2002)顯然過高地估計了結果的精度，反而降低了其結果的可信度。同時，這些結果認為怒江斷裂具有擠壓性質(zhì)，又與地質(zhì)學研究給出的怒江斷裂現(xiàn)階段張剪構造特征相矛盾。這樣的研究現(xiàn)狀正是造成對怒江斷裂活動性及地震危險性的認識存在分歧的原因之一。

近年來，怒江斷裂地區(qū)新增部分GPS流動觀測點，其中包括中國地震局地震行業(yè)科研專項“川滇地區(qū)高分辨率運動及形變場與強震地點確定”于2006年布設的跨怒江斷裂的流動剖面點和分別于2009年和2011年開始數(shù)據(jù)采集的“中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡”區(qū)域站和基準站，使該地區(qū)臺網(wǎng)密度得到較大改善(圖1)。本文以怒江地區(qū)最新GPS速度場為約束采用剖面投影方法對怒江斷裂現(xiàn)今錯動速率進行估計，并在此基礎上定量估計斷裂能量積累情況，從而對地震危險性做出估計。

1 斷裂錯動速率

本文收集了研究區(qū)域內(nèi)所有可利用的GPS觀測數(shù)據(jù)，所用數(shù)據(jù)的總時間跨度為1998—2013年，其中用于估算斷裂錯動速率的4個連續(xù)臺站數(shù)據(jù)長度為3～5a，流動臺站的數(shù)據(jù)跨度為3～15a，觀測期次為3～9期，每期觀測時長為2.5～4d。采用Shen等(2005)的數(shù)據(jù)處理方法獲得無基準的單日解，并通過7參數(shù)的相似變換獲取全球參考框架下的臺站位置時間序列。通過對位置時間序列的擬合估算臺站的運動速率，其中連續(xù)臺站采用閃爍噪聲的隨機誤差模型(Williams et al.，2004)，臺站速率誤差為0.3～0.5mm/a;流動臺站的運動速率采用白噪聲隨機誤差模型擬合，但為了削弱觀測數(shù)據(jù)的時間相關性對誤差估計的影響，擬合得到的速率誤差再放大)倍(Δt為數(shù)據(jù)的時間跨度)，最終各臺站的速率誤差為0.1～1.2mm/a。需要特別指出的是，臺站運動速率的驗后誤差估計表征的都是數(shù)據(jù)的內(nèi)符精度，當其小于先驗誤差時，直接選取先驗誤差為估值誤差。為突出怒江斷裂兩側(cè)地殼的運動差異，選取斷裂東側(cè)呈現(xiàn)較好剛性運動的保山塊體(圖2虛線所示范圍)為參照系，采用該塊體內(nèi)部GPS臺站的運動速度計算得到塊體運動速度歐拉極，將與之對應的塊體剛性運動從臺站水平運動速度中扣除，得到研究區(qū)相對于保山塊體的GPS水平運動速度場(圖2)。這一步驟的重要性在于，只有扣除了GPS速度場中區(qū)域塊體的剛性旋轉(zhuǎn)成分，才能在后續(xù)的研究中避免塊體剛性旋轉(zhuǎn)對跨斷層剪切與擠壓/拉張形變的分析產(chǎn)生影響。

無論是相對于穩(wěn)定歐亞板塊還是相對于保山塊體的速度場中，大約在98°～100°E，25°～26°N范圍內(nèi)的GPS站點相對于周邊地區(qū)相同經(jīng)度上的站點具有1～2 mm/a西向運動速率。GPS定位的任何誤差源都不可能造成這樣的區(qū)域性系統(tǒng)誤差，而通過測站位置時間序列擬合測站速率的方法也排除了站與站之間的相關影響，因此有理由相信這種局部運動差異可能反映了某種構造信息。雖然目前尚不能對其發(fā)生機制作出明確解釋，但這種差異運動并不影響對怒江斷裂帶的滑動速率作出準確估計。

考慮到研究區(qū)構造環(huán)境復雜、斷裂分布密集，且本文重點關注對象為怒江斷裂，因此不適宜也沒有必要采用活動塊體、斷裂位錯等相對復雜的運動學模型開展研究。采用簡單的剖面投影方法定量分析斷裂現(xiàn)今錯動速率更為直觀。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查給出的怒江斷裂帶分段結果①同375頁①。和研究區(qū)GPS臺站的分布情況，分別在亞碧羅—六庫、六庫—賽格和賽格以南選取了3條跨怒江斷裂的GPS剖面(圖2)，將斷裂兩側(cè)臺站的速率分別投影到斷層走向和傾向上，得到各斷裂段位錯走滑分量和擠壓/拉張分量造成的地表形變分布特征(圖2)。

圖2 跨怒江斷裂GPS速度剖面Fig.2 GPS velocity profiles across the Nujiang Fault.

根據(jù)Savage等(1973)提出的斷裂位錯模型，斷裂在震間期造成的地表形變場可以簡單地由鎖定層的閉鎖和鎖定層以下的穩(wěn)定滑移來模擬，其地表形變場的跨斷層剖面則可由一條反正切曲線來近似地表示。由于GPS剖面數(shù)據(jù)有限，同時反演斷裂錯動速率和斷層鎖定深度可能會在一定程度上造成結果的不穩(wěn)定，因此依據(jù)馬宏生等(2008)的地震重新定位深度結果將斷層鎖定深度設定為15km，而僅反演怒江斷裂各段的現(xiàn)今錯動速率。反演結果(表1)顯示，怒江斷裂各段由北至南右旋走滑速率分別為(4.7±0.8)mm/a、(6.4±1.1)mm/a和(4.3±0.3)mm/a，拉張速率分別為(3.9±0.6)mm/a、(5.6±1.1)mm/a和(4.5±0.3)mm/a。這一結果所反映的怒江斷裂活動性與該斷裂所處的構造背景和地質(zhì)學研究結果具有很好的一致性。在印度板塊的推擠作用下，青藏高原東緣物質(zhì)向E—SE方向擠出，繞喜馬拉雅東構造結發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)，導致處于這一“地殼流展”運動西邊界帶內(nèi)的怒江斷裂發(fā)生右旋剪切運動;與此同時，印度板塊的東向下插所造成的緬甸弧地區(qū)的弧后擴張可能是造成怒江斷裂及其周邊地區(qū)構造環(huán)境由壓剪性為主轉(zhuǎn)為張剪性的主要原因，從而導致怒江斷裂的拉張活動。

表1 怒江斷裂各段現(xiàn)今錯動速率反演結果與地震危險性估計Table 1 Inversion results of the present－day slip rates and assessment of potential earthquake risks along each segment of the Nujiang Fault

2 地震危險性估計

構造加載產(chǎn)生的能量在斷層帶上可能以地震、蠕滑和塑性變形等方式得到釋放，并以地震或(和)蠕滑為主。雖然無震滑移已經(jīng)在全世界很多斷層上被觀測到，但在中國大陸內(nèi)部還鮮有報道。從跨怒江斷裂的GPS速度剖面上看(圖2)，基本可以排除怒江斷裂存在無震滑移的可能性，即便存在，其滑移速率與長期構造加載速率相比也微乎其微。因此假設斷層帶脆性層在鎖定過程中所積累的彈性應變能將完全以地震的形式釋放，則一定長度的斷裂上在一定時間間隔內(nèi)積累的等效地震矩可由下式估計得到(Kostrov，1974):

式(1)、(2)中Mp和Mn分別為由斷裂走滑活動和擠壓/拉張活動造成的地震矩累積量;vp和vn分別為斷裂走滑速率和擠壓/拉張速率;δ為斷層傾角，取值為45°;μ為地殼剪切模量，取值為3×1010Pa;L和d分別為斷層長度和鎖定深度，T為彈性能累積時間。一般而言，特征地震造成的破裂應當主要表現(xiàn)在斷裂帶的優(yōu)勢錯動分量上，而次要分量的能量由于形變場的分解，有可能通過其他非特征型地震釋放。本文得到的怒江斷裂各段錯動速率的走滑分量和擠壓/拉張分量基本相當，僅從斷層活動性來看難以確定斷裂帶的優(yōu)勢錯動分量，因此分別根據(jù)2個分量對地震矩積累量進行估計。

黃瑋瓊等(1994)研究表明，該地區(qū)自1900年以來7級地震記錄基本完整，自1929年以來5級和6級地震記錄完整。地震資料顯示沿怒江斷裂歷史上僅發(fā)生過個別5級左右地震(國家地震局震害防御司，1995;云南省地方志編撰委員會，1999;中國地震局震害防御司，1999)。因此，對于估計6級以上地震危險性而言，怒江斷裂帶上最后一次特征地震至少可追溯至1929年以前，截止2013年對應的彈性能積累時間至少84a。一條斷裂上最終累積的凈能量應為彈性能累積量和地震釋放能量之差，但是，一個5級地震釋放的能量大約相當于一個6級地震所釋放能量的3%，一個7級地震所釋放能量的0.1%，同時地震能量的估計本身存在一定的誤差，而怒江斷裂上有記錄的5級地震很少，通過這些地震釋放的能量對于估計6級以上地震危險性而言，完全可以忽略不計。因此，在后面的地震矩凈積累量的估算中僅考慮彈性能的積累而忽略地震能量的釋放。由斷裂長度和錯動速率的估值利用式(1)和式(2)得到怒江斷裂亞碧羅—六庫段、六庫—賽格段和賽格以南段自1929年以來由于拉張活動積累的地震矩分別為(1.9±0.3)×1019N·m、(2.1±0.5)×1019N·m 和(1.4±0.1)×1019N·m，分別相當于1 次6.8級(或19次6.0級)、1次6.9級(或21次6.0級)和1次6.8級(或14次6.0級)地震所釋放的能量;由于右旋走滑活動積累的地震矩分別為(2.3±0.4)×1019N·m、(2.4±0.5)×1019N·m和(1.4±0.1)×1019N·m，分別相當于1次6.9級(或23次6.0級)、1次6.9級(或24次6.0級)和1次6.8級(或14次6.0級)地震所釋放的能量。

需要說明的是，式(1)和式(2)中的L是各斷裂段的長度，有別于地震破裂長度(Lr):地震可能僅造成某個斷裂段的局部破裂(L＞Lr)，也可能造成多個斷裂段的級聯(lián)破裂(L＜Lr)，地震破裂長度僅在地震的發(fā)生嚴格遵從上述斷裂分段特征的情況下等同于斷裂段長度。上述各斷裂段上的累積地震矩也不一定恰好在一次地震中得到完全釋放。前人研究表明，地震的大小與其造成的地表破裂長度和同震位錯量之間存在正相關關系(Chinnery，1969;郭增建等，1979)，地震學家基于這一認識通過統(tǒng)計研究發(fā)展出適用于不同地區(qū)的震級－斷層破裂長度和震級－位錯量的經(jīng)驗關系(郭增建等，1979;Bonilla et al.，1984;陳達生，1984;Slemmons et al.，1989;吳開統(tǒng)等，1990;鄧起東等，1992;Wells et al.，1994;葉文華等，1996;李忠華等，1999;龍鋒等，2006)。其中，鄧起東等(1992)對青藏高原地區(qū)地震的震級(M)與破裂長度(Lr)和位錯量(D)進行統(tǒng)計，得到以下經(jīng)驗關系:

若一定時間段內(nèi)斷層上積累的位錯量在地震中完全破裂，可以根據(jù)式(4)推測相應的地震震級;然后利用式(3)估計相應震級的地震可能造成的地表破裂長度Lr;最后，通過比較Lr與各斷裂段的總長度L進一步分析各斷裂段的地震危險性(表1)?？紤]到1929年以前地震目錄缺失，我們的估計應當視為可能發(fā)生最大地震的下限。

結果顯示，怒江斷裂亞碧羅—六庫段、六庫—賽格段和賽格以南段分別具有發(fā)生大于或等于6.4級、6.5級和6.4級地震的危險性，可能造成的破裂長度分別為36km、40km和36km，均小于各斷裂段的長度，但由于上述震級均為可能發(fā)生最大地震的下限，因此不排除發(fā)生更大規(guī)模破裂的可能。結合震級－位錯量經(jīng)驗關系給出的各斷裂段地震危險性估計比單純利用能量積累估計方法得到的結果略低。

3 結論和討論

本文采用剖面投影方法分析怒江地區(qū)最新GPS水平速度場，由此得到亞碧羅—六庫段、六庫—賽格段和賽格以南段的右旋走滑速率分別為(4.7±0.8)mm/a、(6.4±1.1)mm/a和(4.3±0.3)mm/a，拉張速率分別為(3.9±0.6)mm/a、(5.6±1.1)mm/a和(4.5±0.3)mm/a。事實上，怒江斷裂帶由若干次級斷裂組成，但由于GPS臺站的分布，難以對單條次級斷裂的錯動速率做出估計，上述估計值反映的是斷裂帶綜合錯動速率與相應地震矩積累率。

基于獲得的怒江斷裂各段的錯動速率，再結合怒江地區(qū)的地震資料，可得到截至2013年怒江斷裂的彈性能積累時間至少為84a，亞碧羅—六庫段、六庫—賽格段和賽格以南段由于拉張活動造成的累積地震矩分別≥(1.9±0.3)×1019N·m、(2.1±0.5)×1019N·m 和(1.4±0.1)×1019N·m，各相當于1次6.8級、1次6.9級和1次6.8級地震所釋放的能量;由于右旋走滑活動造成的累積地震矩分別≥(2.3±0.4)×1019N·m、(2.4±0.5)×1019N·m 和(1.4±0.1)×1019N·m，分別相當于1次6.9級、1次6.9級和1次6.8級地震所釋放的能量。此外，還利用震級－位錯量經(jīng)驗關系，按照84a累積的斷層位錯量推斷各段可能發(fā)生最大地震的震級分別≥6.4級、6.5級和6.4級。采用的2種地震危險性估計方法基于2種不同的假設條件(一個假設累積的地震矩在一次地震中完全釋放，一個假設累積的位錯量在一次地震破裂中得到完全補償)，但得到的結果卻具有一定的一致性，表明對怒江斷裂地震危險性的估計具有一定的可信度。如前所述，由于怒江斷裂地區(qū)地震資料可追溯的歷史有限，尚不知道上一次特征地震發(fā)生的確切時間，因此并不排除發(fā)生更大震級地震的可能性。

怒江斷裂帶總體沿怒江展布，且其中某些次級斷裂沿怒江河谷發(fā)育，若斷裂帶上發(fā)生地震，其造成的破裂將距離水壩非常近甚至可能直接穿過水壩。這就對水壩的選址及其抗震設防強度提出了極為苛刻的條件，在怒江流域修建水壩應十分謹慎。