地表動(dòng)態(tài)大地測(cè)量資料反映的孕震斷層變形機(jī)制研究

鄒鎮(zhèn)宇

(中國(guó)地震局地質(zhì)研究所， 北京100029)

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地表動(dòng)態(tài)大地測(cè)量資料反映的孕震斷層變形機(jī)制研究

鄒鎮(zhèn)宇

(中國(guó)地震局地質(zhì)研究所， 北京100029)

構(gòu)造地震孕育、 發(fā)生、 震后調(diào)整過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變積累、 釋放必然伴隨有相應(yīng)的地殼形變發(fā)生。 利用大地測(cè)量動(dòng)態(tài)資料研究與地震過(guò)程密切關(guān)聯(lián)的地殼形變時(shí)空動(dòng)態(tài)特征是地震預(yù)測(cè)研究的重要途徑之一。 由于構(gòu)造地震發(fā)生在活動(dòng)斷層上(通常在10 km以下的深部)， 因此， 如何建立逼近真實(shí)的地表形變動(dòng)態(tài)變化與孕震斷層深淺部應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的關(guān)系， 以揭示孕震斷層變形機(jī)理是地震機(jī)理與預(yù)測(cè)研究中至關(guān)重要的科學(xué)問(wèn)題。 開展這方面的研究具有重要的科學(xué)意義。 本論文首先研究了利用GPS觀測(cè)資料獲取與地震孕育關(guān)聯(lián)的地表形變動(dòng)態(tài)變化特征方法， 進(jìn)一步研究了深淺部地殼運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與斷層應(yīng)變積累之間的關(guān)系。 主要研究?jī)?nèi)容、 結(jié)果和取得的認(rèn)識(shí)有：

(一) 地殼變形動(dòng)態(tài)特征分析方法研究及其在南北地震帶的應(yīng)用。 研究解決了速度場(chǎng)穩(wěn)定基準(zhǔn)選取和變形頻域一致等建立多期可比較速度場(chǎng)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題； 研究討論了微元轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)的基本特性及其在構(gòu)造形變分析中的意義。

(1) 利用“中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”和“中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)”GPS區(qū)域站1999～2013年7期復(fù)測(cè)資料， 建立了南北地震帶地區(qū)相對(duì)于穩(wěn)定華南地塊統(tǒng)一參考基準(zhǔn)的多期速度場(chǎng)， 基于該具有可比性速度場(chǎng)， 對(duì)2008年汶川8.0級(jí)地震前后的地殼形變動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了分析。

① 為構(gòu)建各期速度場(chǎng)的統(tǒng)一參考基準(zhǔn)， 發(fā)展了擬準(zhǔn)檢定法(QUAD法)剔除觀測(cè)點(diǎn)群中的不穩(wěn)定點(diǎn)， 改進(jìn)了初選指標(biāo)穩(wěn)定點(diǎn)選取準(zhǔn)則， 有效抑制了初算結(jié)果可能出現(xiàn)的基準(zhǔn)偏移對(duì)穩(wěn)定點(diǎn)的篩選影響， 提高了結(jié)果的可靠性。

② 選擇統(tǒng)一且適當(dāng)?shù)膮f(xié)方差衰減參數(shù)， 利用最小二乘配置進(jìn)行GPS速度場(chǎng)擬合推估， 保證了各期速度場(chǎng)具有相同的變形頻域， 并解決了不同期資料測(cè)點(diǎn)分布存在差異的問(wèn)題。

③ 對(duì)任意兩期網(wǎng)格化速度場(chǎng)求差分獲取了這段時(shí)間的地表位移動(dòng)態(tài)變化。 汶川地震前后的兩期速度場(chǎng)差值結(jié)果顯示， 在2007～2009年間汶川地震的影響范圍較大， 包括祁連地塊、 柴達(dá)木地塊東部都有明顯的南東東向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)， 但距破裂帶更近的鄂爾多斯西南緣響應(yīng)很小， 可能屬于背景應(yīng)力應(yīng)變積累水平較高的地帶， 但巴顏喀拉地塊北邊界帶東部的東昆侖斷裂帶左旋剪切的響應(yīng)明顯。 汶川地震震后效應(yīng)對(duì)龍門山斷裂帶南段表現(xiàn)為顯著的應(yīng)變加載過(guò)程， 而鮮水河斷裂帶則表現(xiàn)為與應(yīng)變積累背景相反的右旋扭動(dòng)響應(yīng)。

④汶川地震發(fā)生后， 川滇地塊中北部及其邊界有近東西向擠壓增強(qiáng)， 但整個(gè)川滇地塊南東向擠出滑移的運(yùn)動(dòng)背景并沒有增強(qiáng)， 直到2011～2013時(shí)段南東向運(yùn)動(dòng)才有所增強(qiáng)。

(2) 通過(guò)應(yīng)變張量計(jì)算得到的轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)反映計(jì)算單元的有限轉(zhuǎn)動(dòng)但不包含純應(yīng)變信息， 與應(yīng)變參數(shù)配合使用可以更客觀地反映地表的變形狀態(tài)。

① 該特征與剪應(yīng)變參數(shù)不同， 轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)與坐標(biāo)方向的選取無(wú)關(guān)， 值的大小表示微小單元的轉(zhuǎn)動(dòng)。

② 轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)與參考基準(zhǔn)的選取有關(guān)。 當(dāng)研究多期資料時(shí)， 需考慮參考基準(zhǔn)的統(tǒng)一， 可采用研究區(qū)域無(wú)整體旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)速度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。

③ 轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)反映了微元在變形中主應(yīng)變軸的偏轉(zhuǎn)。 基于區(qū)域無(wú)整體旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)速度場(chǎng)計(jì)算的轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)可表示最大剪應(yīng)變?cè)趦蓚€(gè)方向的不對(duì)稱， 從而確定區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)決定的實(shí)際剪切變形最大方向。

④ 對(duì)于純走滑斷層， 震間位移曲線的斜率反映了轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)的大小。 當(dāng)斷層的變形寬度較窄時(shí)， 轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)非零值的區(qū)域較窄； 當(dāng)斷層的變形寬度較寬時(shí)， 轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)非零值的區(qū)域較寬。 當(dāng)區(qū)域剪應(yīng)變較大時(shí)， 如果轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)量值較大， 說(shuō)明斷層的應(yīng)變積累程度可能較高； 當(dāng)區(qū)域剪應(yīng)變較大， 而轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)量值較小， 說(shuō)明斷層的應(yīng)變積累程度可能較低， 甚至斷層處于蠕滑狀態(tài)。

(二) 一般傾角斷層下地表震間/同震位移場(chǎng)的變形特征研究。 通過(guò)對(duì)特定斷層的剖面分析研究， 從力學(xué)特性分析了斷層傾角對(duì)地表位移的影響。 在原有公式基礎(chǔ)上推導(dǎo)給出了帶斷層傾角的震間、 同震的走滑、 傾滑地表位移公式， 該公式能夠較好地?cái)M合與斷層閉鎖關(guān)聯(lián)的地表位移， 與位錯(cuò)模型中的復(fù)雜公式相比是一種簡(jiǎn)化公式， 但已能達(dá)到相當(dāng)高的擬合精度， 便于實(shí)測(cè)GPS速度場(chǎng)資料做擬合的實(shí)際應(yīng)用。

(1) 對(duì)于非直立型走滑斷層而言， 震間變形中心一般不位于斷層出露地表處， 而是位于斷層的滑動(dòng)段上邊沿， 即斷層閉鎖段與滑動(dòng)段的分界線在地表投影處。

(2) 無(wú)論走滑斷層還是傾滑斷層的震間形變， 斷層閉鎖段與滑動(dòng)段的分界線在地表投影與斷層地表出露處之間的距離doffset、 斷層閉鎖深度d和斷層傾角δ之間存在關(guān)系tanδ=d/doffset， 此關(guān)系揭示了斷層的閉鎖深度與斷層傾角之間的關(guān)系。

(3) 由于斷層傾角的影響， 震間形變曲線以斷層閉鎖段與滑動(dòng)段的分界線在地表投影為中心， 同震時(shí)上下盤錯(cuò)動(dòng)沿?cái)鄬影l(fā)生錯(cuò)動(dòng)， 導(dǎo)致上下盤同震釋放的位移不對(duì)稱。 而當(dāng)發(fā)震斷層為盲斷層時(shí)， 地震錯(cuò)動(dòng)不達(dá)到地表時(shí)的特例情況與震間的情況類似。

(4) 基于實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)， 利用帶傾角的公式擬合安寧河斷裂帶的傾角， 得到的傾角結(jié)果小于地質(zhì)考察結(jié)果， 原因可能由于實(shí)際斷層是曲面而非平面， 在地表處斷層陡峭， 隨著斷層深度增加傾角變小。 由于斷層閉鎖段以下滑動(dòng)對(duì)地表位移的影響， 相當(dāng)于斷層出露地表處與斷層閉鎖與滑動(dòng)分界之間存在一條“平面斷層”對(duì)地表的作用。 利用反正切函數(shù)擬合的傾角結(jié)果為這條“平面斷層”的傾角。

(三) 應(yīng)用三維數(shù)值流形方法研究孕震斷層深淺部力學(xué)特性。 基于三維數(shù)值流形方法的連續(xù)與非連續(xù)耦合計(jì)算的優(yōu)勢(shì)， 通過(guò)斷層切割算法構(gòu)建了三維模型， 對(duì)孕震斷層的力學(xué)特性進(jìn)行研究。 設(shè)置斷層上部閉鎖， 下部滑動(dòng)， 對(duì)研究塊體側(cè)向和底部加載“動(dòng)力源”進(jìn)行走滑剪切數(shù)值試驗(yàn)， 給出了不同加載方式下地表位移場(chǎng)分布差異特性。 基于該結(jié)果， 對(duì)汶川地震后龍門山斷裂帶和川滇塊體東邊界斷裂帶閉鎖深度反演的動(dòng)態(tài)變化給出了機(jī)理上的解釋。

(1) 利用三維數(shù)值流形方法的斷層切割算法建立了三維塊體模型， 塊體中的斷層設(shè)置為上部閉鎖， 下部滑動(dòng)， 對(duì)研究區(qū)域塊體加載“推擠”和“拖曳”兩種力源來(lái)模擬塊體所受其他塊體對(duì)其的推擠作用和脆性層底部軟流物質(zhì)對(duì)其的拖曳作用。 模擬結(jié)果顯示， 兩種動(dòng)力模式下地表位移場(chǎng)均呈現(xiàn)較精確的反正切函數(shù)特性， 與位錯(cuò)解析結(jié)果有很好的一致性。

(2) 針對(duì)兩種不同“力源”輸入， 模擬得到的位移分布曲線表現(xiàn)出顯著差異， 在一定程度上反映力源的力學(xué)特征。 “推擠” 力源的力學(xué)特性是沿水平方向傳遞， 得到的反正切曲線在斷層遠(yuǎn)端相對(duì)平直， 曲線遠(yuǎn)端基本反映“推擠”力源的加載量， 變形寬帶較小， 利用反正切函數(shù)擬合得到的閉鎖深度小于模型設(shè)定值。 “拖曳”力源的力學(xué)特性是垂直向上傳遞， 得到的反正切曲線在斷層遠(yuǎn)端略有上翹， 由于力在垂直方向傳遞時(shí)衰減導(dǎo)致曲線遠(yuǎn)端不能反映“推擠”力源的加載量， 曲線變形寬帶較大， 利用反正切函數(shù)擬合得到的閉鎖深度大于模型設(shè)定值。

(3) 實(shí)際塊體應(yīng)既受到其他塊體對(duì)其的推擠作用， 又受到下部軟流物質(zhì)對(duì)其的拖曳作用。 將兩種力源按不同比例同時(shí)加載， 得到的結(jié)果表明： 哪種力源增強(qiáng)， 地表形變動(dòng)態(tài)變化就體現(xiàn)出此力源加載下的曲線特征。 基于此認(rèn)識(shí)， 可以對(duì)汶川地震之后川滇地區(qū)地殼深淺部運(yùn)動(dòng)特征和DEFNODE負(fù)位錯(cuò)反演動(dòng)態(tài)結(jié)果給出可能的解釋。 汶川地震之后， 龍門山斷裂帶南段西側(cè)的巴顏喀拉塊體南東向運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)， 是由于龍門山斷裂帶脆性層同震釋放所導(dǎo)致， 可理解為塊體的“推擠”作用， 所以反演得到的龍門山斷裂帶南段閉鎖深度變淺。 上部脆性層的突然加速對(duì)下部軟流物質(zhì)提供加載動(dòng)力。 獲得加載動(dòng)力的巴顏喀拉塊體下部軟流物質(zhì)由通道進(jìn)入川滇塊體下部， 對(duì)川滇塊體上部脆性層提供了“拖曳”力源， 由此計(jì)算的小江斷裂閉鎖深度增加。

(4) “推擠”與“拖曳”力源計(jì)算得到斷層不同深度的位移結(jié)果均表明， 斷層的閉鎖段以下位移量隨深度逐漸加大， 并非位錯(cuò)理論中閉鎖與滑動(dòng)的突變分界而是漸變的過(guò)程， 這與Tse和Rice(1986)的模型示意圖具有一致性。

(5) 考慮下部軟流物質(zhì)應(yīng)為漸變的可能性， 對(duì)“拖曳”力源進(jìn)行改進(jìn)， 使之逐漸加載， 加載量與距斷層距離呈現(xiàn)單調(diào)遞增函數(shù)關(guān)系。 模擬得到的地表位移結(jié)果表明， 漸變“拖曳”力源的加載使得地表位移曲線相比于無(wú)漸變“拖曳”力源得到的變形寬度更大， 因此， 實(shí)際斷層由于可能存在軟流物質(zhì)漸變拖曳而使得地表變形寬度更寬。

(6) 南北地震帶中段三維數(shù)值流形模擬結(jié)果表明， 在彈性本構(gòu)模型下水平主應(yīng)力增量和水平主應(yīng)變?cè)隽康姆较蚓哂幸恢滦裕?但主張應(yīng)力增量與主壓應(yīng)力增量的比值和主張應(yīng)變?cè)隽颗c主壓應(yīng)變?cè)隽康谋戎荡嬖诓町悺?汶川地震前龍門山斷裂帶處于擠壓面應(yīng)力積累狀態(tài)， 汶川震源區(qū)處于該擠壓應(yīng)力速率高值區(qū)的邊緣， 以汶川震源區(qū)為界龍門山斷裂帶南段的擠壓應(yīng)力速率明顯快于龍門山斷裂帶北東段。 汶川地震后的2009～2013年龍門山斷裂帶中北段處于震后調(diào)整過(guò)程， 而龍門山斷裂帶南段則處于應(yīng)力積累狀態(tài)。 鮮水河斷裂帶中北段以張性應(yīng)力增量為主， 而其中南段以張剪應(yīng)力增量為主。 蘆山地震震源區(qū)處于龍門山斷裂帶中北段和鮮水河斷裂帶中南段最大剪應(yīng)力快速積累區(qū)的弱化地帶。 安寧河斷裂帶的最大剪應(yīng)力積累速率小于其北側(cè)的鮮水河斷裂帶南段以及其南側(cè)的則木河斷裂帶。

總體而言， 本文通過(guò)定量描述地表形變動(dòng)態(tài)變化特征， 從理論上研究斷層傾角對(duì)震間和同震的地表位移影響， 利用三維數(shù)值流形方法研究斷層深淺部力學(xué)特性對(duì)地表位移的影響， 分析了地殼動(dòng)態(tài)變形特征及其反映的孕震斷層力學(xué)特性， 對(duì)孕震斷層應(yīng)變積累狀態(tài)與地表位移的動(dòng)態(tài)變化之間關(guān)系有了初步認(rèn)識(shí)。 為今后進(jìn)一步結(jié)合不同期GPS資料， 利用三維數(shù)值流形方法研究實(shí)際斷層不同時(shí)間段， 地表形變動(dòng)態(tài)變化的深部動(dòng)力加載影響， 科學(xué)揭示孕震斷層閉鎖與深淺部應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)奠定了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞三維數(shù)值流形方法； GPS速度場(chǎng)； 擬準(zhǔn)檢定法； 孕震斷層； 力學(xué)特性

(作者電子信箱， 鄒鎮(zhèn)宇： 407124082@qq.com)

中圖分類號(hào)：P315.72+5；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.07.0012