九寨溝7.0級地震前地殼水平形變狀態(tài)與變化

楊博 梁洪寶 趙靜旸 占偉 楊國華

中國地震局第一監(jiān)測中心，天津市河?xùn)|區(qū)耐火路7號 300180

0 引言

2017年8月 8日四川九寨溝縣（33.14°N，103.7°E）發(fā)生MS7.0地震，震源深度 20km（http：//www.csi.ac.cn），該地震發(fā)生在巴顏喀拉塊體東緣岷江斷裂、塔藏斷裂和虎牙斷裂附近，余震分布以NW向展布為優(yōu)勢。歷史上在該區(qū)周邊（100km之內(nèi)）多次發(fā)生6級以上地震，近期發(fā)生的震級最大地震為 1976年 8月 16、23日松潘-平武 2次 7.2級地震（http：//www.csi.ac.cn）。這充分表明該區(qū)域為構(gòu)造活動非常強(qiáng)烈的區(qū)域。由于近十幾年來中國大陸強(qiáng)震活動主要圍繞著巴顏喀拉塊體的邊界斷裂展開（陳長云等，2012a、2012b、2013；譚凱等，2011；王敏，2009；聞學(xué)澤等，2011；許才軍等，2009；徐錫偉等，2008b；楊國華等，2012、2015；張培震等，2009；趙靜等，2012），所以，九寨溝7.0級地震也是巴顏喀拉塊體邊界斷裂持續(xù)活動的產(chǎn)物。因此，了解發(fā)震區(qū)域及其周邊現(xiàn)今構(gòu)造活動狀態(tài)及其動態(tài)變化，以及2008年汶川地震與此次地震的發(fā)生是否存在某種關(guān)系，可豐富我們對該地震孕震機(jī)理和場兆的認(rèn)識。本文利用1999～2015年區(qū)域流動GNSS復(fù)測資料以及多核函數(shù)法分時段進(jìn)行地殼構(gòu)造活動變形狀態(tài)及動態(tài)變化的描述，以期比較詳細(xì)地了解此次地震形變場的時空變化特征。

1 數(shù)據(jù)處理流程與方法簡述

在球面上獲得研究區(qū)運(yùn)動場之后，可利用多核函數(shù)法進(jìn)行運(yùn)動場的數(shù)值解析

式中，dj為球面上2點間的大地線長度；（λj，φj）為核點位置坐標(biāo)（以km為單位）；C=（c1，c2，…，cnx）為系數(shù)陣；ST=（s1，s2，…，snx）為核函數(shù)陣。然后，利用式（1）分別對東向和北向進(jìn)行網(wǎng)格化數(shù)值計算，并為它們實施濾波處理

式中，A=（a1，…，anx）、B=（b1，…，bnx）均為待定系數(shù)；（λi，φi）和di的含義同式（1）。

依據(jù)最小二乘法求解上述任意方向運(yùn)動的待定系數(shù)。此時，經(jīng)濾波后的水平運(yùn)動的解析式為

在此基礎(chǔ)上，依據(jù)下式便可獲得有關(guān)的應(yīng)變與旋轉(zhuǎn)量結(jié)果等。

式中，R為地球的平均半徑；sλ和sφ分別為經(jīng)向和緯向的弧長；γmax（λ，φ）為最大剪切應(yīng)變；εmax（λ，φ）為最大主應(yīng)變；εmin（λ，φ）為最小主應(yīng)變；ω（λ，φ）為旋轉(zhuǎn)量；εE（λ，φ）為 EW向應(yīng)變；εN（λ，φ）為SN向應(yīng)變；γEN（λ，φ）為EW向與SN向之間的剪應(yīng)變。

2 水平形變場及其動態(tài)變化特征

至 2015年底，在研究區(qū)已進(jìn)行了 8次全面觀測，分別為 1999、2001、2004、2007、2009、2011、2013、2015年。為了了解動態(tài)變化，尤其是2008年汶川地震前后的動態(tài)變化，故所用資料分成4個時段進(jìn)行處理，即 2007年以前、2009～2011、2011～2013、2013～2015年，2007前解算精度為 0.6，之后 3期結(jié)果解算精度為 1.0。數(shù)據(jù)處理時，首先利用 GAMIT/GLOBK/QOCA軟件獲得該時段ITRF參考框架下運(yùn)動的“觀測結(jié)果”；在此基礎(chǔ)上，利用上述的處理流程與方法獲得核點步長為100km、網(wǎng)格點步長為25km的運(yùn)動場濾波與解析結(jié)果以及相應(yīng)的各種應(yīng)變與形變場（楊博等，2010、2011；楊國華等，1995）；為了利于觀察，最后，將ITRF框架下的運(yùn)動場轉(zhuǎn)換為相對于四川盆地的運(yùn)動場。4個時段的運(yùn)動場結(jié)果如圖1所示。

圖1（a）為1999～2007年的水平運(yùn)動場，也是汶川地震前的運(yùn)動場。由圖1（a）可見，鮮水河以東龍門山以北的川西高原不論龍門山斷裂帶還是龍日壩斷裂帶（這里特指NE向構(gòu)造段）幾乎都觀察不到明顯的擠壓性運(yùn)動，即垂直于這2條斷裂帶方向上相對于四川盆地的運(yùn)動幾乎為零，運(yùn)動方向基本上平行于這2條斷裂帶，運(yùn)動量由南向北逐漸變大，由西向東逐漸變小，整體表現(xiàn)為右旋變形運(yùn)動。已有的研究表明，這一時段的運(yùn)動是以龍日壩斷裂帶為中心的右旋變形運(yùn)動（徐錫偉等，2008a），與圖1（a）所反映的結(jié)果一致，并且這種變形狀態(tài)通過九寨溝震區(qū)一直向東北方向延續(xù)。這就是說，我們看不到震源區(qū)NW向構(gòu)造存在左旋形變的跡象，若按此結(jié)果，則判定發(fā)震斷裂應(yīng)為NE向構(gòu)造。但這是汶川地震前龍門山斷裂帶活動閉鎖條件下的結(jié)果。事實上，汶川地震以后我們看到了不一樣的結(jié)果（圖1（b）～1（d））。雖然，這3個時段的結(jié)果為非完全常態(tài)下的運(yùn)動結(jié)果，但體現(xiàn)了龍門山斷裂帶活動解鎖時的運(yùn)動形式。因此，包含著常態(tài)運(yùn)動的某些屬性。從性質(zhì)上看，川西高原及其東部區(qū)域3個時段的運(yùn)動結(jié)果是一致的；而量級則隨著時間的延續(xù)而變小。這是汶川地震震后粘滯性松弛型效應(yīng)等所致。汶川地震震后的結(jié)果可歸納為，龍門山斷裂帶的活動不僅有右旋，而且逆沖擠壓活動更突出；龍日壩斷裂帶及周邊仍以右旋活動為主，但沒有沿著走向穿過九寨溝地震震源區(qū)向NE向延續(xù)；相反，在該震源區(qū)NW向構(gòu)造上我們觀察到了左旋構(gòu)造變形。鑒于汶川地震前后的2種運(yùn)動狀態(tài)，我們有理由認(rèn)為，九寨溝地震的孕育與發(fā)生與汶川地震或者說與龍門山斷裂帶的活動有一定的關(guān)系。同時，我們也認(rèn)識到，若周邊斷裂帶活動閉鎖時，僅以閉鎖前不全面的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析可能會出現(xiàn)偏差；此外，由于九寨溝地震發(fā)生在運(yùn)動較弱但不是最弱的區(qū)域上，因此，也不能簡單地以運(yùn)動量的大小來分析強(qiáng)震危險性。

圖1 四川東北區(qū)域 1999～2007年（a）、2009～2011年（b）、2011～2013年（c）和 2013～2015年（d）、水平運(yùn)動

圖2 四川東北區(qū)域 1999～2007年（a）、2009～2011年（b）、2011～2013年（c）、2013～2015年（d）主應(yīng)變方向及大小

圖2是以應(yīng)變張量形式展現(xiàn)主應(yīng)變大小和方向的空間分布狀態(tài)。由圖2可見，不論是汶川地震前還是之后，九寨溝地震震源區(qū)及其周邊時段性構(gòu)造變形的主壓方向基本上為EW向。這就是說，區(qū)域增量應(yīng)力場作用的基本特征并沒有因為汶川地震而發(fā)生質(zhì)的變化。汶川地震前九寨溝地震震源區(qū)壓性主應(yīng)變相對較弱，張性主應(yīng)變相對更弱，幾乎難以識別（圖2（a））；汶川地震之后張性主應(yīng)變強(qiáng)于壓性主應(yīng)變，但基本上分布于孕震區(qū)的西側(cè)，震源區(qū)及其東側(cè)未見明顯的張性應(yīng)變，壓性應(yīng)變?nèi)跃哂袃?yōu)勢，但隨著震后時間的推移，東側(cè)的壓性應(yīng)變逐步減弱（圖2（b）～2（d）），至2015年時比汶川地震前還弱。這說明九寨溝地震震源區(qū)及其東側(cè)臨震前的應(yīng)變積累可能飽和?？傊耪瘻系卣鹫鹪磪^(qū)的主應(yīng)變隨著時間的推移又處于相對較弱的狀態(tài)；也顯現(xiàn)了臨震前較強(qiáng)地震的主應(yīng)變可能較弱，汶川地震前龍門山斷裂帶的活動則最為典型（圖2（a））。

圖3 四川東北區(qū)域 1999～2007年（a）、2009～2011年（b）、2011～2013年（c）、2013～2015年（d）最大剪切應(yīng)變率

最大剪切應(yīng)變是反映地殼變形尤其是斷裂帶活動最直觀的形變參量。圖3（a）為1999～2007年的最大剪切應(yīng)變率。由圖3（a）可見，除四川盆地最弱以外，其次為川西高原。在該區(qū)域最大剪切應(yīng)變率的值域一般小于20×10－9/a。該區(qū)域比較典型的較高值條帶恰好是龍日壩斷裂帶及其NE向的延伸。這說明較高值條帶的出現(xiàn)是龍日壩斷裂帶右旋活動的結(jié)果，包括九寨溝地震震源區(qū)，并非是NW向的左旋活動的體現(xiàn)，這在圖1（a）中體現(xiàn)的非常清晰。應(yīng)該說與此次九寨溝地震孕育沒有直接的關(guān)聯(lián)。汶川地震之后，川西高原的最大剪切應(yīng)變明顯強(qiáng)于震前，2009～2011年時段最大，達(dá) 50×10－9/a（圖 3（b）），2013～2015年為30×10－9/a（圖3（d））。但就分布狀態(tài)而言，較大的剪切應(yīng)變在川西高原上以 NW向更為優(yōu)勢。這表明震后該區(qū)域左旋形變特征比較明顯，體現(xiàn)了NW向的構(gòu)造活動比較活躍。汶川地震前不僅龍門山斷裂帶的活動空前閉鎖，而且正是由于該斷裂帶的閉鎖也在一定程度上抑制了巴彥喀拉塊體東邊界附近NW向斷裂的活動；隨著龍門山斷裂帶活動的解鎖，該處NW向斷裂的活動變得活躍，二者相輔相成。

圖4 四川東北區(qū)域 1999～2007年（a）、2009～2011年（b）、2011～2013年（c）、2013～2015年（d）水平旋轉(zhuǎn)率

水平旋轉(zhuǎn)率的差異變化實質(zhì)上體現(xiàn)的是另一種形變，這里不妨稱為旋剪形變。如果在最大剪切應(yīng)變難以辨別是左旋還是右旋構(gòu)造活動所為時，旋剪變形則可直接給出標(biāo)定。圖4為研究區(qū)4個時段旋剪變形的空間分布結(jié)果。其中，大于0時表示左旋旋剪形變；反之，表示右旋旋剪形變。由圖4（a）可知，川西高原1999～2007年旋剪形變基本特征為整體性的右旋剪切變形，龍日壩斷裂帶及東北區(qū)域旋剪形變較大，約為20×10－9/a。九寨溝地震震源區(qū)及周邊區(qū)域沒有發(fā)現(xiàn)左旋剪切變形。這表明該區(qū)域NW向斷裂帶沒有活動的跡象，這種不活動并不一定意味著斷層活動已閉鎖，因龍門山斷裂帶活動是否閉鎖與該震源區(qū)斷層活動有一定的關(guān)系。汶川地震后2009～2011年的結(jié)果顯示，九寨溝地震震源區(qū)及岷江斷裂中南段等出現(xiàn)了顯著的左旋剪切變形，最大達(dá)55×10－9／a（圖4（b）），已遠(yuǎn)大于鮮水河斷裂帶的左旋剪切形變。這就是說，龍門山斷裂帶解鎖后，岷江斷裂中南段、虎牙斷裂等的左旋活動得以恢復(fù)，并且強(qiáng)度超常。然而，塔藏斷裂帶并沒有表現(xiàn)出如此明顯的活動。2011以后雖然形變性質(zhì)未發(fā)生變化，左旋活動仍呈NW向空間展布，但量級開始逐漸變?。▓D4（c）、4（d）），2013～2015年該活動的最大值已經(jīng)小于鮮水河斷裂區(qū)帶，震源區(qū)幾乎是左旋剪切形變最弱的部位。這樣的結(jié)果至少體現(xiàn)了震源區(qū)構(gòu)造活動有一定的閉鎖性。

圖5 GNSS連續(xù)站三分量（NEU）時序變化

3 連續(xù)站的時序變化特征及同震位移

在九寨溝地震震中附近不同方位地域選擇了最近的4個GNSS連續(xù)觀測站，它們分別是西側(cè)的GSMA、北側(cè)的GSMX、東側(cè)的GSWD和南側(cè)的SCSP站。距震中最近的站為SCSP，距離約為70km，最遠(yuǎn)的站為GSMA，約200余千米。為了更直觀顯現(xiàn)構(gòu)造運(yùn)動，我們對觀測值進(jìn)行了非構(gòu)造運(yùn)動剔除和共模誤差削弱的處理，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，南向運(yùn)動（圖 5（a））速度分別為 4.46、6.69、9.35、9.75mm/a，同樣表現(xiàn)為西北較小、東南較大的近 SN向張性形變特征，距震中最近的西南側(cè)SCSP和東側(cè)GSWD站間也同樣體現(xiàn)為左旋的形變性質(zhì)。此外，還存在著南向的加速運(yùn)動，其加速度分別為0.89、0.49、0.48、0.52mm/a2，這除說明區(qū)域形變已進(jìn)入非完全線彈性階段以外，還說明左旋形變有所加速的趨勢性特征。東向運(yùn)動的差異也較明顯（圖 5（b）），趨勢性運(yùn)動速度分別為 40.71、37.26、34.64、40.31mm/a，也體現(xiàn)了近EW向“西大東小”的擠壓形變特征。然而，其運(yùn)動具有減速的跡象，加速度分別為－0.10、－0.25、－0.09、－0.87mm/a2，與南向加速運(yùn)動恰好相反，但程度不如南向。垂向運(yùn)動的速度分別為 0.62、1.15、1.02、1.71mm/a，整體與差異變化均較弱?。▓D 5（c）），但加速變化并非最弱，其值分別為 0.66、0.77、0.43、0.42mm/a2，距震中最近的 2個站（GSWU和 SCSP）最小。在以往大震震例研究中發(fā)現(xiàn)，震前震源區(qū)垂直形變是較弱的（楊國華等，1995），本文研究中亦看到了加速度較弱的現(xiàn)象，這還有待于進(jìn)一步的總結(jié)與驗證。由上可知，區(qū)域場的形變特征在連續(xù)站上得到了體現(xiàn)，與以往研究不同的是細(xì)微的變化在連續(xù)站上也獲得了體現(xiàn)，如加速變化等，這還需要進(jìn)一步研究。然而，我們卻沒有發(fā)現(xiàn)具有短期意義的“震兆現(xiàn)象”。同震位移表明，只有最近的SCSP站向南移動了約7.1mm，其他分量和其他測站均未出現(xiàn)可辨的同震變化。這說明地震同震影響的空間范圍較小。

4 結(jié)論與討論

綜上所述，九寨溝7.0級地震之前，川西高原存在著2種性質(zhì)不同的形變狀態(tài)。以汶川地震發(fā)生的時間為界，震前川西高原整體為NE向運(yùn)動，其特征為“北大南小”“西大東小”，整體構(gòu)造活動為以龍日壩斷裂帶為中心的NE向右旋活動，并不存在NW向左旋構(gòu)造活動。這與該區(qū)域NW向斷裂帶活動性質(zhì)不吻合。因此，我們認(rèn)為這種形變狀態(tài)并非是一種常態(tài)，而是一種特殊情況下的形變狀態(tài)，或者NW向斷裂活動整體閉鎖。事實上，龍門山斷裂帶的活動是閉鎖的。川西高原東部NW向斷裂活動與龍門山斷裂帶的活動有一定關(guān)系。因為龍門山斷裂帶若活動（逆沖活動），則有助于作為巴彥喀拉塊體東北緣（川西高原東部）NW向斷裂的左旋活動，否則會對該向斷裂左旋活動起抑制作用。當(dāng)然，也不能排除九寨溝地震孕震區(qū)的活動已達(dá)到某種程度的閉鎖，否則，1次7級地震不太可能在較短的時間內(nèi)孕育成熟。

此外，從地震活動的空間分布來看，之前所發(fā)生的較強(qiáng)地震均位于此次九寨溝地震的南側(cè)，并對應(yīng)于左旋剪切形變的高值區(qū)，而此次地震則位于左旋剪切形變的低值區(qū)。汶川地震之后，隨著龍門山斷裂帶活動的解鎖，上述NW向斷裂即刻顯現(xiàn)了左旋旋剪形變，而且非常顯著。雖然汶川地震震后還包含著粘滯性松弛效應(yīng)，但強(qiáng)度明顯弱于監(jiān)測結(jié)果（楊博等，待刊）。這就進(jìn)一步說明了二者活動間的關(guān)系確實是相輔相成的。震源機(jī)制解及余震分布表明為NW向破裂，這與震源區(qū)及周邊的左旋旋剪形變和同震位移也完全吻合，展現(xiàn)了該地震的構(gòu)造活動背景。從地震活動關(guān)聯(lián)性的角度觀察，汶川地震之前，由于龍門山斷裂帶活動的閉鎖使NW向斷裂活動受到抑制，即抑制了該斷裂強(qiáng)震能量的較快積累，因此，強(qiáng)震發(fā)生的時間必然有所推遲；相反，汶川地震發(fā)生后又使得該NW向斷裂強(qiáng)震能量超常積累，由此也使得強(qiáng)震的發(fā)生會有所提前，二者具有一定程度的關(guān)聯(lián)性。需要指出的是，若只有或只依賴于1999～2007年的監(jiān)測結(jié)果，我們很可能會得出錯誤的認(rèn)識。因此，全時空監(jiān)測、全過程分析非常必要。