基于跨斷層測(cè)量的鮮水河斷裂帶現(xiàn)今活動(dòng)特征及其與強(qiáng)震關(guān)系研究*

李臘月　季靈運(yùn)　李玉江　占　偉

1) 中國(guó)天津300180中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心　2) 中國(guó)西安710054中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心　3) 中國(guó)北京100085中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所

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基于跨斷層測(cè)量的鮮水河斷裂帶現(xiàn)今活動(dòng)特征及其與強(qiáng)震關(guān)系研究*

李臘月1)季靈運(yùn)2)李玉江3),*占偉1)

1) 中國(guó)天津300180中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心2) 中國(guó)西安710054中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心3) 中國(guó)北京100085中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所

利用鮮水河斷裂帶30多年的跨斷層觀測(cè)資料，基于斷層三維運(yùn)動(dòng)模型，采用主成分分析法，綜合研究了鮮水河斷裂帶現(xiàn)今運(yùn)動(dòng)學(xué)特征及其與周邊幾次強(qiáng)震的關(guān)系． 研究結(jié)果表明： 鮮水河斷裂帶在觀測(cè)期內(nèi)(1982—2015年)以左旋走滑運(yùn)動(dòng)為主，各段落的活動(dòng)速率都不相同，其中爐霍段、道孚段的活動(dòng)速率大于乾寧段，乾寧段趨于閉鎖狀態(tài)； 斷層活動(dòng)參數(shù)時(shí)間序列曲線具有較明顯的線性運(yùn)動(dòng)特征，但在個(gè)別時(shí)段內(nèi)會(huì)出現(xiàn)偏離直線的加速或轉(zhuǎn)折變化． 此外，斷層三維活動(dòng)參數(shù)的主成分分析結(jié)果顯示，斷層水平走滑量和水平張壓量的主成分和綜合指標(biāo)在2001年、2006年、2010年和2012年分別出現(xiàn)趨勢(shì)性轉(zhuǎn)折和破趨勢(shì)的異常變化，斷層垂直升降量第一主成分在2013年也出現(xiàn)了相對(duì)小幅轉(zhuǎn)折變化，這些異常變化可能與2001年昆侖山口西MS8.1、2008年汶川MS8.0、2010年玉樹MS7.1和2013年蘆山MS7.0等地震有關(guān)，屬于這幾次大震的前兆、同震或震后效應(yīng)．

鮮水河斷裂帶跨斷層測(cè)量斷層活動(dòng)參數(shù)主成分分析地震前兆

引言

鮮水河斷裂帶位于青藏高原東緣，全長(zhǎng)約350 km，總體走向?yàn)镹40°—50°W，呈略向NE凸出的弧形． 該斷裂帶大致以乾寧惠遠(yuǎn)寺一帶為界分為北西段和南東段，其中北西段包含爐霍、道孚和乾寧等次級(jí)斷層，而結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的南東段由雅拉河、康定、折多塘和磨西等4條分支斷層組成(羅灼禮等，1987； 錢洪，1988； 聞學(xué)澤等，1989； 李天祒，杜其方，1997)． 鮮水河斷裂帶與甘孜—玉樹斷裂共同構(gòu)成了川滇菱形地塊的北邊界和巴顏喀拉地塊的西南邊界(Wenetal，1988)． 受印度板塊NE向的推擠作用，青藏高原東緣物質(zhì)的東向滑移造成了鮮水河、安寧河和則木河等斷裂帶的高速左旋走滑運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)烈而頻繁的地震活動(dòng)． 自1725年有地震記載以來(lái)，沿鮮水河斷裂帶共發(fā)生M≥7.0地震8次，M6.0—6.9地震14次(李天祒，杜其方，1997)，但自1981年道孚MS6.9地震以后，鮮水河斷裂帶強(qiáng)震活動(dòng)水平相對(duì)較低． 然而，巴顏喀拉地塊的其它周緣斷裂卻相繼發(fā)生昆侖山口西MS8.1、汶川MS8.0、玉樹MS7.1和蘆山MS7.0等強(qiáng)震，這些強(qiáng)震勢(shì)必會(huì)對(duì)鮮水河斷裂帶產(chǎn)生一定的影響． 目前，已有許多研究人員從庫(kù)侖應(yīng)力和GPS同震位移場(chǎng)的角度來(lái)研究這些強(qiáng)震對(duì)鮮水河斷裂帶產(chǎn)生的影響(單斌等，2009； 萬(wàn)永革等，2009； 邵志剛等，2010； 張希等，2011； 李玉江等，2013)，其結(jié)果也表明這些強(qiáng)震對(duì)鮮水河斷裂帶產(chǎn)生了不同程度的加載效應(yīng)，但不同研究方法得到的結(jié)果具有一定的差異性．

跨斷層形變測(cè)量是一種布設(shè)在斷裂帶兩側(cè)的近場(chǎng)形變測(cè)量手段，通過(guò)短水準(zhǔn)和短基線觀測(cè)可直接監(jiān)測(cè)活動(dòng)斷層的三維運(yùn)動(dòng)． 本文擬利用在鮮水河斷裂帶上多年積累的跨斷層數(shù)據(jù)，從形變的角度研究鮮水河斷裂帶運(yùn)動(dòng)特征隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)演化，分析其與周邊強(qiáng)震的相關(guān)性． 在此基礎(chǔ)上，基于累積形變的思路，采用斷層三維運(yùn)動(dòng)模型計(jì)算各場(chǎng)地所處斷層的三維運(yùn)動(dòng)參數(shù)和活動(dòng)速率，定量分析各斷層及其不同段落在觀測(cè)期內(nèi)的主要運(yùn)動(dòng)學(xué)特征； 最后通過(guò)主成分分析法分離和提取跨斷層資料中所包含的非構(gòu)造信息和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)信息，研究其與近年來(lái)周邊強(qiáng)震的關(guān)系．

圖1　鮮水河斷裂帶跨斷層場(chǎng)地分布圖Fig.1　Distribution of fault-crossing measuring sites along the Xianshuihe fault zone

1　資料

四川地區(qū)的跨斷層測(cè)量大多始于20世紀(jì)80年代，據(jù)2015年統(tǒng)計(jì)，共有跨斷層場(chǎng)地27處(其中田灣、葉坪、榆林和雁門等為2014年新增場(chǎng)地)，這些場(chǎng)地主要分布在鮮水河、安寧河—?jiǎng)t木河和龍門山等斷裂帶上，到目前為止已積累了大量的觀測(cè)資料． 本研究選用鮮水河斷裂帶上的9處場(chǎng)地，如圖1所示，其中侏倭、格簍壩子、虛墟、溝普、龍燈壩、老乾寧和折多塘等7個(gè)場(chǎng)地為基線和水準(zhǔn)綜合觀測(cè)場(chǎng)地，道孚和安順場(chǎng)為水準(zhǔn)觀測(cè)場(chǎng)地． 觀測(cè)周期為1—2個(gè)月，均為等間隔觀測(cè)． 基線測(cè)量使用24 m因瓦基線尺； 水準(zhǔn)測(cè)量采用NI002光學(xué)水準(zhǔn)儀，測(cè)量精度優(yōu)于10-6．

2　方法

2.1斷層運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算

根據(jù)跨斷層形變測(cè)量的水準(zhǔn)、基線可得到斷層兩盤測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移，進(jìn)而分析斷層兩盤相對(duì)活動(dòng)與地表兩盤點(diǎn)位相對(duì)位移的關(guān)系． 在小變形情況下，斷層兩盤均可近似為剛體，通過(guò)幾何關(guān)系可進(jìn)一步推算出斷層的水平走滑量、水平張壓量和垂直升降量等． 斷層水平走滑量指斷層沿走向的水平運(yùn)動(dòng)量，水平張壓量指垂直于斷層走向的水平運(yùn)動(dòng)量，垂直升降量指斷層在垂線方向的運(yùn)動(dòng)量，通過(guò)這3個(gè)參數(shù)即可定量地判斷斷層的活動(dòng)特征．

對(duì)于布設(shè)有基線和水準(zhǔn)的綜合觀測(cè)場(chǎng)地，用于計(jì)算斷層活動(dòng)的3個(gè)參數(shù)可表示為(薄萬(wàn)舉等，1998)：

(1)

式中： ΔS1和ΔS2分別為兩條基線的變化量，以伸長(zhǎng)為正； Δh1和Δh2分別為兩條水準(zhǔn)的變化量，以上盤相對(duì)下盤的下降為正；d為斷層水平扭錯(cuò)量，以兩盤作順時(shí)針?lè)较虻呐?dòng)為正，d>0表示右旋；b為斷層水平張壓量，b>0表示張性；c為斷層垂直升降量，c>0表示正斷層活動(dòng)；α1和α2分別為由斷層走向逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)至兩條基線方向時(shí)的角度．

對(duì)于只有水準(zhǔn)觀測(cè)的場(chǎng)地，僅計(jì)算斷層垂直升降量c．

2.2斷層三維活動(dòng)的主成分分析

對(duì)跨斷層形變的多年研究表明，近地表的跨斷層觀測(cè)資料不僅包含斷層活動(dòng)的構(gòu)造信息，也包含季節(jié)、氣象和地下水位等非構(gòu)造活動(dòng)的干擾信息，且同一區(qū)域的跨斷層觀測(cè)資料中所包含的非構(gòu)造信息往往具有一定的相關(guān)性(劉冠中等，2013)． 主成分分析方法是一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法，利用降維的思想，在最大限度地保留原有信息的基礎(chǔ)上，把原來(lái)的多個(gè)指標(biāo)化分為少數(shù)幾個(gè)相互獨(dú)立的指標(biāo)，即原指標(biāo)的主成分． 這些主成分可以盡可能地反映原指標(biāo)信息，彼此間又相互獨(dú)立(李衛(wèi)東，2008)，在數(shù)學(xué)上可表述為原指標(biāo)的線性組合F=aTX，式中： F為主成分，F(xiàn)=[F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)p]T； X為原指標(biāo)，X=[X1，X2，…，Xp]T； a為p×p矩陣，且a1i2+a2i2+…+api2=1 (i=1，2，…，p)． F矩陣包含了原指標(biāo)的所有信息，并按方差由大到小排列，因此各主成分所包含的信息量是依次遞減的，選用最前面的少數(shù)幾個(gè)主成分就可以較好地表達(dá)出系統(tǒng)的整體信息．

為了更加客觀地獲取跨斷層觀測(cè)所反映的鮮水河斷裂帶整體運(yùn)動(dòng)信息，本文在定量計(jì)算斷層三維運(yùn)動(dòng)參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用主成分分析法分別對(duì)斷層三維活動(dòng)參數(shù)進(jìn)行主成分分析，提取跨斷層形變資料中與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相關(guān)的信息，進(jìn)而研究斷層活動(dòng)的演化特征及其與周邊強(qiáng)震的關(guān)系. 主成分分析的具體計(jì)算方法見(jiàn)李臘月等(2013)．

3　結(jié)果

3.1跨斷層觀測(cè)反映的斷層運(yùn)動(dòng)學(xué)特征

鮮水河斷裂帶上共有9處跨斷層場(chǎng)地，圖2給出了鮮水河斷裂帶北西段侏倭、格簍壩子、虛墟、溝普、龍燈壩和老乾寧等6處場(chǎng)地的斷層三維活動(dòng)參數(shù)時(shí)間序列． 侏倭、格簍壩子和虛墟這3處場(chǎng)地位于爐霍段，其水平走滑量的計(jì)算結(jié)果均顯示該段在觀測(cè)期內(nèi)為左旋活動(dòng)，且累積活動(dòng)量隨時(shí)間呈線性增加； 垂直升降量的計(jì)算結(jié)果顯示格簍壩子和虛墟場(chǎng)地所處斷層為逆斷層活動(dòng)，而侏倭場(chǎng)地所處斷層為正斷層活動(dòng)； 水平張壓量的計(jì)算結(jié)果顯示侏倭和格簍壩子場(chǎng)地所處斷層均為張性活動(dòng)(圖2a--c)． 從斷層的累積活動(dòng)量來(lái)看，侏倭場(chǎng)地最大，可達(dá)40 mm，虛墟場(chǎng)地次之，格簍壩子場(chǎng)地最小(圖2a--c)．

鮮水河斷裂帶道孚段包括溝普、道孚兩處跨斷層場(chǎng)地，其中道孚為水準(zhǔn)觀測(cè)場(chǎng)地． 溝普?qǐng)龅氐乃阶呋拷Y(jié)果顯示道孚段在觀測(cè)期內(nèi)為左旋活動(dòng)，水平張壓量和垂直升降量曲線均顯示道孚段在觀測(cè)期內(nèi)為壓性、逆斷層活動(dòng)(圖2d)； 道孚場(chǎng)地的水準(zhǔn)觀測(cè)也顯示此處斷層為逆斷層活動(dòng)； 從斷層的累積活動(dòng)量來(lái)看，溝普?qǐng)龅赜?015年達(dá)到最大值38 mm(圖2d)． 此外，溝普?qǐng)龅氐臄鄬踊顒?dòng)具有明顯的線性活動(dòng)特征，在一定的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)背景下，斷層以相對(duì)恒定的速率和相對(duì)穩(wěn)定的方式運(yùn)動(dòng)．

龍燈壩、老乾寧場(chǎng)地位于鮮水河斷裂帶的乾寧段，其水平走滑量結(jié)果均顯示該段在觀測(cè)期內(nèi)為左旋走滑活動(dòng)，其水平張壓量曲線均顯示斷層在觀測(cè)期內(nèi)以張性活動(dòng)為主； 垂直升降量結(jié)果顯示龍燈壩場(chǎng)地處為弱逆斷層活動(dòng)，而老乾寧場(chǎng)地處為正斷層活動(dòng)； 從斷層的累積活動(dòng)量來(lái)看，老乾寧場(chǎng)地最大，為4 mm，龍燈壩場(chǎng)地最小，不到1 mm (圖2e，f)．

圖2　鮮水河斷裂帶北西段場(chǎng)地?cái)鄬尤S活動(dòng)參數(shù)時(shí)間序列(a) 侏倭； (b) 格簍壩子； (c) 虛墟； (d) 溝普； (e) 龍燈壩； (f) 老乾寧Fig.2　Time series of three-dimensional activity parameters for the six sites on the northwestern segment of Xianshuihe fault zone(a) Zhuwo; (b) Geloubazi； (c) Xuxu； (d) Goupu； (e) Longdengba； (f) Laoqianning

折多塘、安順場(chǎng)場(chǎng)地位于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的鮮水河斷裂帶南東段，其斷層活動(dòng)參數(shù)的時(shí)間序列如圖3所示． 可以看出： 安順場(chǎng)場(chǎng)地的兩條水準(zhǔn)B--A和C--A觀測(cè)顯示該場(chǎng)地所處斷層在觀測(cè)期內(nèi)為張性活動(dòng)，且具有較好的線性運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)(圖3a)； 由于多次改造，折多塘場(chǎng)地只有一條斜交基線，故本文只計(jì)算其水平走滑量，結(jié)果顯示南東段在觀測(cè)期內(nèi)為右旋走滑運(yùn)動(dòng)，水準(zhǔn)測(cè)量顯示該場(chǎng)地所處斷層在觀測(cè)期內(nèi)為逆斷層活動(dòng)(圖3b)．

由圖2和圖3可以看出，鮮水河斷裂帶上多個(gè)場(chǎng)地的斷層活動(dòng)參數(shù)時(shí)間序列曲線在觀測(cè)期內(nèi)具有較明顯的線性運(yùn)動(dòng)特征，但在個(gè)別時(shí)段內(nèi)也會(huì)出現(xiàn)偏離直線的加速或轉(zhuǎn)折變化，如虛墟場(chǎng)地和龍燈壩場(chǎng)地的水平張壓量曲線在2012—2013年出現(xiàn)了向下的加速轉(zhuǎn)折(圖2c，e)． 此外，根據(jù)各個(gè)場(chǎng)地的斷層水平走滑量和斷層垂直升降量，得到鮮水河斷裂帶30多年來(lái)的平均水平走滑速率為0.02—1.32 mm/a，平均垂直升降速率為0.03—0.67 mm/a，具體列于表1．

圖4給出了鮮水河斷裂帶北西段水平走滑速率和垂直升降速率的時(shí)空演化圖． 由圖4a可以看出： 侏倭和溝普?qǐng)龅氐乃阶呋俾首畲?，虛墟和老乾寧?chǎng)地次之，龍燈壩場(chǎng)地最?。?多個(gè)場(chǎng)地在2013年以后出現(xiàn)了右旋活動(dòng)． 由圖4b可以看出： 侏倭和溝普?qǐng)龅氐拇怪鄙邓俾首畲?，虛墟、龍燈壩和老乾寧?chǎng)地的垂直升降速率均較小，龍燈壩場(chǎng)地處斷層趨于閉鎖; 溝普?qǐng)龅卦谟^測(cè)期內(nèi)為逆斷層活動(dòng)； 侏倭場(chǎng)地在觀測(cè)期內(nèi)為正斷層活動(dòng)，且活動(dòng)速率有減小的趨勢(shì).

圖3　鮮水河斷裂帶南東段安順場(chǎng)(a)和折多塘(b)場(chǎng)地?cái)鄬踊顒?dòng)參數(shù)時(shí)間序列Fig.3　Time series of fault activity parameters for Anshunchang site (a) and Zheduotang site (b) on the southeastern segment of Xianshuihe fault zone

圖4　鮮水河斷裂帶北西段水平走滑速率(a)和垂直升降速率(b)的時(shí)空演化圖Fig.4　Horizontal strike-slip rate (a) and vertical rate (b) along the northwestern segment of Xianshuihe fault zone 表1　跨斷層測(cè)量所反映的鮮水河斷裂帶活動(dòng)性質(zhì)及活動(dòng)速率 Table 1　Activity characteristics and activity rate of Xianshuihe fault zone derived from fault-crossing measurements

段落場(chǎng)地　觀測(cè)時(shí)段斷層活動(dòng)性質(zhì)平均水平走滑速率/(mm·a-1)平均垂直升降速率/(mm·a-1)爐霍段　侏倭1981—2015左旋，正斷1．320．67格簍壩子1982—2013左旋，逆斷0．200．07虛墟1981—2015左旋，逆斷0．130．12西北段道孚段　溝普1983—2015左旋，逆斷1．020．47道孚2008—2015逆斷-0．05乾寧段　龍燈壩1985—2015左旋，逆斷0．020．03老乾寧1983—2015左旋，正斷0．080．11　　南東段折多塘1984—2015右旋，逆斷0．070．05安順場(chǎng)1977—2015正斷-0．25

3.2基于主成分分析的斷層形變異常特征

20世紀(jì)90年代以來(lái)，川滇菱形地塊及其鄰區(qū)發(fā)生過(guò)多次強(qiáng)烈地震，如1996年2月3日麗江MS7.0、2001年11月14日昆侖山口西MS8.1、2008年5月12日汶川MS8.0、2010年4月14日玉樹MS7.1和2013年4月20日蘆山MS7.0等地震． 而這些強(qiáng)震發(fā)生前后，鮮水河斷裂帶上多個(gè)跨斷層場(chǎng)地出現(xiàn)顯著異常變化，這些異常變化是否與周邊強(qiáng)震具有一定的關(guān)聯(lián)性呢？ 本文將應(yīng)用主成分分析法對(duì)二者關(guān)系作進(jìn)一步探討．

3.2.1斷層水平走滑量的主成分分析

對(duì)鮮水河斷裂帶水平走滑分量進(jìn)行主成分分析得到的主成分和綜合指標(biāo)隨時(shí)間的變化如圖5所示． 前3個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率為96.77%，而其它主成分的貢獻(xiàn)率僅為3.23%(由于篇幅所限，其它幾個(gè)主成分未給出)，這說(shuō)明前3個(gè)主成分可以有效地反映斷層活動(dòng)的整體信息. 其中，第一主成分的貢獻(xiàn)率最大，為70.13%，占據(jù)斷層走滑運(yùn)動(dòng)的絕大部分能量，主要反映了斷層的長(zhǎng)期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)信息，且這種長(zhǎng)期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以左旋走滑為主； 第二主成分和第三主成分的貢獻(xiàn)率分別為15.48%和11.15%，占據(jù)除第一主成分外的絕大部分能量，不僅包含部分構(gòu)造運(yùn)動(dòng)信息，而且可能包含溫度、降雨和地下水等年變干擾成分或比年變周期更短的干擾成分； 其它主成分的貢獻(xiàn)率為3.23%，所占據(jù)能量很小，反映的可能是比較隨機(jī)的干擾成分．

從圖5a可以看出： 第一主成分曲線在2001年底發(fā)生轉(zhuǎn)折，由原來(lái)的持續(xù)下降轉(zhuǎn)平，而此時(shí)距鮮水河斷裂帶北西段約1000 km處發(fā)生了昆侖山口西MS8.1地震，推測(cè)該轉(zhuǎn)折為昆侖山口西MS8.1地震的震后效應(yīng)； 第一主成分和綜合指標(biāo)曲線均在2010年出現(xiàn)了向上的高值異常(圖5a，d)，這時(shí)距鮮水河斷裂帶北西段400 km處發(fā)生了玉樹MS7.1地震，此異常可能是該遠(yuǎn)場(chǎng)地震的同震響應(yīng)； 第一主成分曲線從2012年開(kāi)始出現(xiàn)破趨勢(shì)的加速轉(zhuǎn)折變化，至2013年達(dá)到最大值，此時(shí)距鮮水河斷裂帶北西段約140 km處發(fā)生了蘆山MS7.0地震，該地震屬研究區(qū)內(nèi)的近場(chǎng)地震，跨斷層觀測(cè)到了較為明顯的中短期前兆異常．

圖5　鮮水河斷裂帶水平走滑量第一(a)、第二(b)和第三(c)主成分和綜合指標(biāo)(d)的時(shí)間序列曲線Fig.5　Time series of the first three principle components (a，b，c) and composite indicator (d)of horizontal strike-slip cumulant of Xianshuihe fault zone

3.2.2斷層水平張壓量的主成分分析

張晶等(2012)和李玉江等(2015)關(guān)于跨斷層的研究結(jié)果表明，斷層活動(dòng)性質(zhì)往往在大震前或大震后發(fā)生轉(zhuǎn)折性變化，如日本MW9.0地震前華北地區(qū)形變趨勢(shì)異常的轉(zhuǎn)折性變化，反映了遠(yuǎn)場(chǎng)地震的中短期異常特征． 鮮水河斷裂帶水平張壓量主成分分析結(jié)果如圖6所示，前3個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率為95.54%，其它主成分的貢獻(xiàn)率為4.46%，所以本文僅針對(duì)前3個(gè)主成分進(jìn)行分析． 同樣，第一主成分主要反映的是斷層的長(zhǎng)期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)信息，第二、第三主成分除包含部分構(gòu)造信息外，還包含一些年變干擾信息或比年變更短周期的干擾信息． 可以看出： 3個(gè)主成分在2001年同步發(fā)生趨勢(shì)性轉(zhuǎn)折變化，這可能與2001年11月14日昆侖山口西MS8.1地震有關(guān)，為其震后效應(yīng)； 3個(gè)主成分在2006年再一次出現(xiàn)轉(zhuǎn)折變化，曲線有所轉(zhuǎn)平，幅度相對(duì)較小，這種相對(duì)閉鎖的狀態(tài)可能是2008年汶川MS8.0地震的前兆反應(yīng)； 3個(gè)主成分在2012年底開(kāi)始出現(xiàn)破趨勢(shì)的異常變化，異常幅度較大，2013年異常達(dá)到最大值，2014年異常有所恢復(fù)，在異常達(dá)到最大值時(shí)距鮮水河斷裂帶北西段140 km處發(fā)生了蘆山MS7.0地震，表明水平張壓量3個(gè)主成分在蘆山地震前均出現(xiàn)了明顯異常； 水平張壓量綜合指標(biāo)顯示，在2001年、2006年和2012年也出現(xiàn)了趨勢(shì)性轉(zhuǎn)折及破趨勢(shì)異常變化，推測(cè)這些異常分別是昆侖山口西MS8.1、汶川MS8.0和蘆山MS7.0等地震的震后效應(yīng)和前兆反應(yīng)．

圖6　鮮水河斷裂帶水平張壓量第一(a)、第二(b)和第三(c)主成分和綜合指標(biāo)(d)的時(shí)間序列曲線Fig.6　Time series of the first three principle components (a，b，c) and composite indicator (d)of horizontal tensional or compressive cumulant of Xianshuihe fault zone

3.2.3斷層垂直升降量的主成分分析

鮮水河斷裂帶斷層垂直升降量的主成分分析結(jié)果如圖7所示，前3個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率為93.51%，其它主成分的貢獻(xiàn)率為6.49%． 可以看出： 第一主成分顯示鮮水河斷裂帶的垂直活動(dòng)具有明顯的趨勢(shì)性變化，但在2012年出現(xiàn)小幅下降變化(圖7a)； 第二主成分具有較為顯著的年變特征，可能包含溫度、降雨和地下水等部分年變信息(圖7b)． 由鮮水河斷裂帶斷層運(yùn)動(dòng)特征可知，該斷裂帶以水平走滑運(yùn)動(dòng)為主，垂直運(yùn)動(dòng)量較?。?因此，該斷裂帶的垂直升降量各主成分及綜合指標(biāo)在幾個(gè)大震前的變化均沒(méi)有水平活動(dòng)的兩個(gè)參數(shù)顯著．

圖7　鮮水河斷裂帶垂直升降量第一(a)、第二(b)和第三(c)主成分和綜合指標(biāo)(d)時(shí)間序列曲線Fig.7　Time series of the first three principle components (a，b，c) and composite indicator (d)of vertical activity cumulant of Xianshuihe fault zone

4　討論與結(jié)論

利用鮮水河斷裂帶30多年的跨斷層觀測(cè)資料，基于斷層三維運(yùn)動(dòng)模型，采用主成分分析法綜合分析了鮮水河斷裂帶現(xiàn)今運(yùn)動(dòng)學(xué)特征、各分段運(yùn)動(dòng)學(xué)差異及其與周邊幾次強(qiáng)震可能的關(guān)系．

4.1斷層活動(dòng)分段差異性及其成因

基于跨斷層觀測(cè)資料的斷層三維運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)表明： 鮮水河斷裂帶北西段在觀測(cè)期內(nèi)以左旋走滑運(yùn)動(dòng)為主，不同段落的斷裂活動(dòng)速率存在差異，總體上爐霍段和道孚段的活動(dòng)速率明顯高于乾寧段，與王敏等(2008)基于連續(xù)GPS的觀測(cè)結(jié)果一致； 垂直活動(dòng)性也存在差異，爐霍段和道孚段主要為逆斷層活動(dòng)，乾寧段則為正斷層活動(dòng)． 針對(duì)斷裂各分段運(yùn)動(dòng)學(xué)差異的研究結(jié)果認(rèn)為，斷層幾何產(chǎn)狀變化、相鄰斷層作用、斷層介質(zhì)物性及區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)特征等都會(huì)不同程度地影響斷裂帶的運(yùn)動(dòng)水平(徐錫偉等，2003; Li，Liu，2006; 王敏等，2008; Hergert，Heidbach，2010; 王輝等，2010)． 徐錫偉等(2003)認(rèn)為，斷層走向的變化將導(dǎo)致水平運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為垂直運(yùn)動(dòng)分量； 鮮水河斷裂帶南東段發(fā)生分支，這可能會(huì)對(duì)其兩側(cè)地塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)起到分配作用，導(dǎo)致其走滑速率小于北西段(潘懋等，1994)． 王敏等(2008)基于Okada半無(wú)限空間位錯(cuò)模型的反演結(jié)果顯示，斷層活動(dòng)速率的差異可能與斷層面介質(zhì)的物理性質(zhì)有關(guān)，鮮水河斷裂帶北段和道孚段轉(zhuǎn)換層的介質(zhì)強(qiáng)度可能低于南段．

此外，爐霍段在垂直向的活動(dòng)總體為逆斷層活動(dòng)，但位于該段落的侏倭場(chǎng)地顯示的是正斷層活動(dòng)． 侏倭場(chǎng)地位于甘孜—玉樹斷裂帶與鮮水河斷裂帶之間正在發(fā)展的拉分盆地邊緣，該拉分區(qū)的主要作用是將沿鮮水河斷裂帶的斷塊水平剪切運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為局部拉張及垂直斷陷運(yùn)動(dòng). 因此，侏倭場(chǎng)地顯示為正斷層活動(dòng)．

4.2斷層活動(dòng)參數(shù)及其指示意義

鮮水河斷裂帶多個(gè)場(chǎng)地的斷層活動(dòng)參數(shù)時(shí)間序列曲線表明，斷層在觀測(cè)期內(nèi)具有較明顯的線性運(yùn)動(dòng)特征，但個(gè)別時(shí)段內(nèi)也出現(xiàn)偏離直線的加速或轉(zhuǎn)折變化． 而基于巖石力學(xué)摩擦滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，斷層在無(wú)應(yīng)力積累狀態(tài)下，表現(xiàn)為相對(duì)平穩(wěn)的蠕滑(穩(wěn)滑)運(yùn)動(dòng)，黏滑發(fā)生前的穩(wěn)滑過(guò)程可分為持續(xù)穩(wěn)滑和前兆穩(wěn)滑； 在持續(xù)穩(wěn)滑過(guò)程中變形與時(shí)間近似成線性關(guān)系，在前兆穩(wěn)滑過(guò)程中變形與時(shí)間的關(guān)系偏離直線，表現(xiàn)為非線性應(yīng)變(Scholzetal，1972； 馬瑾等，1996)． 跨斷層觀測(cè)顯示，鮮水河斷裂帶在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)以持續(xù)穩(wěn)滑運(yùn)動(dòng)為主，但也出現(xiàn)過(guò)較為明顯的前兆穩(wěn)滑運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這與巖石力學(xué)摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的．

4.3斷層三維活動(dòng)參數(shù)的主成分與強(qiáng)震的關(guān)系

斷層三維活動(dòng)參數(shù)的主成分分析結(jié)果顯示，斷層水平走滑量與水平張壓量的前3個(gè)主成分和綜合指標(biāo)分別在2001年、2006年、2010年和2012年出現(xiàn)趨勢(shì)性轉(zhuǎn)折及破趨勢(shì)同步異常變化，這些異常變化可能與2001年昆侖山口西MS8.1、2008汶川MS8.0、2010年玉樹MS7.1和蘆山MS7.0等地震有關(guān)，分別為這幾次大震的前兆、同震或震后效應(yīng)． 由于鮮水河斷裂以水平走滑為主，垂直運(yùn)動(dòng)量較小，因此垂直升降量各主成分及綜合指標(biāo)在幾次大震前的變化并沒(méi)有水平向顯著． 對(duì)比分析斷層運(yùn)動(dòng)3個(gè)活動(dòng)參數(shù)的第二主成分，可以看出垂直升降量的第二主成分的年周期變化特征更加明顯，這可能是由于水準(zhǔn)觀測(cè)是點(diǎn)位垂直向的觀測(cè)，更容易受到降雨、氣溫和地下水位等的影響，而基線測(cè)量是水平向的距離觀測(cè)，影響因素更復(fù)雜．

鮮水河斷裂帶的斷層運(yùn)動(dòng)學(xué)特征以及活動(dòng)參數(shù)主成分分析的動(dòng)態(tài)變化，可能與區(qū)域強(qiáng)震的發(fā)生具有一定的關(guān)聯(lián)性，該異常變化的動(dòng)力學(xué)機(jī)理及其與強(qiáng)震的關(guān)系，尚需結(jié)合數(shù)值模擬等手段深入分析．

北京市地震局邢成起研究員提出了寶貴意見(jiàn)，部分圖件使用GMT軟件(Wessel，Smith，1995)繪制，作者在此一并表示衷心感謝．

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Current activity characteristics of Xianshuihe fault zone and its relationship with strong earthquakes based on fault-crossing measurements

Li Layue1)Ji Lingyun2)Li Yujiang3),*Zhan Wei1)

1)FirstCrustMonitoringandApplicationCenter，ChinaEarthquakeAdministration，Tianjin300180，China2)SecondCrustMonitoringandApplicationCenter，ChinaEarthquakeAdministration，Xi’an710054，China3)InstituteofCrustalDynamics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085，China

This paper employed the fault-crossing deformation data about three decades (1982—2015) along the Xianshuihe fault zone to analyze fault activity characteristics and its relationship with adjacent strong earthquakes by using the three-dimensional movement model of fault and principal component analysis method. The preliminary results show that the Xianshuihe fault zone exhibits the left-lateral strike-slip features during the observation period (1982—2015)，and the fault activity is different along each segments，the activity rates of Luhuo and Daofu segments are greater than that of Qianning segment，the Qianning segment tends to be locked. The series of fault activity parameters have obviously linear movement characteristic in the observation period，but in individual period，they show accelerating or turning deviating from the straight line. In addition，the principal component analyses of fault activity parameters show that the principal components and composite indicator of the fault horizontal strike-slip cumulant and horizontal tensional or compressive cumulant change original trend or break the trend respectively in the years 2001，2006，2010 and 2012，and the first principal component of fault vertical activity cumulant changes a little in 2013. These anomalies may be related with the 2001 western Kunlunshan PassMS8.1, 2008 WenchuanMS8.0, 2010 YushuMS7.1 and 2013 LushanMS7.0 earthquakes, belonging to the precursor, coseismic or postseismic effects of these strong earthquakes, respectively.

Xianshuihe fault zone; fault-crossing measurement; fault activity parameter; principal component analysis； earthquake precursor

科技部基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)(2015FY210400)、中國(guó)地震局震情跟蹤課題(2015010203，2016010207)和中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、科研三結(jié)合課題(153304)共同資助.

2015-12-02收到初稿，2016-02-18決定采用修改稿.

e-mail: toleeyj@126.com

10.11939/jass.2016.05.008

P315.72+5

A

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