基于合成速率法的青藏塊體東北緣斷裂活動(dòng)分析

唐紅濤 張學(xué)剛 高子讓 丁國(guó)麗 李瑞莎

1）中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心，西安 710054

2）青海省測(cè)繪質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，西寧 810001

3）湖南省第二測(cè)繪院，長(zhǎng)沙 410118

4）國(guó)家測(cè)繪地理信息局第一航測(cè)遙感院，西安 710054

0 引言

我國(guó)大陸地殼運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿υ醋杂《劝鍓K北推，當(dāng)遇到堅(jiān)硬的阿拉善、鄂爾多斯地塊，地殼物質(zhì)便由鄂爾多斯地塊西南緣向南運(yùn)移，從而構(gòu)成了我國(guó)中西部地震多發(fā)的南北地震帶這一地殼活動(dòng)的重要組成部分（張培震等，2013；王雙緒等，2005、2012；張希等，2004；李瑞莎等，2012；蘇琴，2005）。該構(gòu)造過(guò)程中的青藏塊體東北緣處于青藏高原、阿拉善地塊以及鄂爾多斯地塊等相互碰撞、擠壓的物質(zhì)遷移交匯區(qū)，對(duì)該地區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)有助于分析研究我國(guó)地殼整體運(yùn)動(dòng)特征。2008年汶川8.0級(jí)地震后，南北地震帶進(jìn)入了地震高發(fā)期，斷層活動(dòng)頻繁，2017年該地區(qū)發(fā)生了門源6.4級(jí)地震，因此，對(duì)青藏塊體東北緣的觀測(cè)研究顯得尤為重要。

中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心自20世紀(jì)80年代起，通過(guò)跨斷層水準(zhǔn)、基線等手段對(duì)該地區(qū)進(jìn)行了斷層活動(dòng)性監(jiān)測(cè)，至今已累積了長(zhǎng)達(dá)30多年的觀測(cè)資料。本文綜合運(yùn)用合成速率法與趨勢(shì)累積率，對(duì)祁連山、海原、六盤山斷裂帶跨斷層水準(zhǔn)資料進(jìn)行了處理分析，進(jìn)而揭示了門源地震前及鄰近期內(nèi)青藏塊體東北緣的地殼運(yùn)動(dòng)特征與斷層活動(dòng)情況。

1 區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征

青藏塊體東北緣內(nèi)部自北向南發(fā)育著NWW-NW向的新構(gòu)造時(shí)期以來(lái)的活動(dòng)斷裂帶，主要包括：祁連山北緣斷裂帶、昌馬-俄博斷裂、冷龍嶺斷裂、陰凹槽斷裂、香山-天景山斷裂、海原斷裂及六盤山斷裂等（圖1）。受印度板塊北推碰撞歐亞大陸的主動(dòng)力驅(qū)使，加之受到相對(duì)穩(wěn)定的阿拉善地塊、鄂爾多斯地塊相當(dāng)力度的阻擋（丁國(guó)瑜，1991；虢順民等，2000；李清河等，1999；張國(guó)民等，2004；魯如魁等，2008；吳滿路等，2008；張先康等，2008，方穎等，2009；姜衛(wèi)平等，2008；吳云等，2002；朱文耀等，1999；張強(qiáng)等，2000；國(guó)家地震局地質(zhì)研究所等，1993），青藏塊體東北緣活動(dòng)斷裂帶地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)以NE向擠壓-逆沖和走滑-旋轉(zhuǎn)（左旋走滑）為主要特征。

整個(gè)青藏塊體東北緣地區(qū)布設(shè)了40個(gè)跨斷層監(jiān)測(cè)點(diǎn)（圖1），監(jiān)測(cè)場(chǎng)地自西向東分布較為均勻，每年觀測(cè)3個(gè)周期（分別在3、7、11月）。圖1中數(shù)據(jù)的截止時(shí)間為2016年11月，紅色標(biāo)注的跨斷層場(chǎng)地為中-長(zhǎng)期異常監(jiān)測(cè)點(diǎn)，藍(lán)色場(chǎng)地為無(wú)異常監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖1 青藏塊體東北緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

2 方法與處理分析

2.1 合成速率法

本文使用的合成速率法是將同一斷裂帶上的異常監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，從整體上分析該斷裂活動(dòng)的總體特征，把多個(gè)場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)經(jīng)該方法處理后繪制在同一個(gè)圖上，觀察其活動(dòng)性質(zhì)是否具有一致性，從而獲取斷裂帶附近區(qū)域應(yīng)變積累狀況。若研究區(qū)域再擴(kuò)大，可將多條斷裂進(jìn)行速率合成以對(duì)比分析。監(jiān)測(cè)點(diǎn)第j年的平均年變化速率為（孫軍等，2014；陳兵等，2000；王永安等，2011）

把同一斷裂上的跨斷層監(jiān)測(cè)點(diǎn)的年平均速率的均值視為該斷裂運(yùn)動(dòng)的合成速率，則斷裂第j年合成速率為

2.2 解算分析

根據(jù)合成速率理論，本文對(duì)青藏塊體東北緣地區(qū)祁連山斷裂帶、海原斷裂帶及六盤山斷裂帶進(jìn)行了合成速率解算分析，并繪制了每個(gè)測(cè)點(diǎn)的年變化速率（圖2～5）及每個(gè)斷裂的合成速率時(shí)序圖（圖6），以研究同一斷層不同時(shí)段與不同斷層之間的運(yùn)動(dòng)差異特征。為了較好地反映斷層的活動(dòng)特性，本文所選資料均為以往觀測(cè)穩(wěn)定的跨斷層短水準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

圖2 祁連山斷裂帶西段測(cè)點(diǎn)年平均活動(dòng)速率

圖3 祁連山斷裂帶東段測(cè)點(diǎn)年平均活動(dòng)速率

2.2.1 祁連山斷裂帶西段

由于祁連山斷裂帶EW向空間跨度較大，本文計(jì)算與分析時(shí)將其分為祁連山斷裂帶西段與東段。由圖2可知，紅柳峽場(chǎng)地開始觀測(cè)時(shí)間較晚，4個(gè)場(chǎng)地年平均活動(dòng)速率在時(shí)間軸上表現(xiàn)較為一致（1997、2001、2004、2008、2012年等時(shí)間節(jié)點(diǎn)變化規(guī)律明顯一致），玉門5.9級(jí)、汶川8.0級(jí)地震前，曲線顯示了斷裂由張—壓的活動(dòng)特征，2010～2016年間，多個(gè)測(cè)點(diǎn)呈現(xiàn)張性運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖4 海原斷裂帶測(cè)點(diǎn)年平均活動(dòng)速率

圖5 六盤山斷裂帶測(cè)點(diǎn)年平均活動(dòng)速率

2.2.2 祁連山斷裂帶東段

祁連山斷裂帶東段扁都口場(chǎng)地B-水A2測(cè)段表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)速率起伏較大，但其起伏態(tài)勢(shì)與其他測(cè)段有多點(diǎn)的時(shí)間一致性（圖3）。從該5處場(chǎng)地曲線整體來(lái)看，在2010～2016年間，多表現(xiàn)為斷裂由負(fù)轉(zhuǎn)正的變化規(guī)律，尤其從2016年門源6.4級(jí)地震前2年開始，統(tǒng)一呈現(xiàn)斷裂張—壓的活動(dòng)特征。

2.2.3 海原斷裂帶

由圖4可知，該斷裂帶活動(dòng)在時(shí)間上有顯著的分段性變化規(guī)律，1981～1999年斷層活動(dòng)較弱，1999～2005年斷層活動(dòng)較為活躍，其間發(fā)生了景泰5.9級(jí)、民樂(lè)6.1級(jí)地震，2010～2016年，異常測(cè)段均表現(xiàn)為由張—壓的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)，曲線線性趨勢(shì)走向顯著，此區(qū)間發(fā)生了岷縣漳縣6.6級(jí)、門源6.4級(jí)地震，目前海原斷裂帶仍趨向壓性活動(dòng)變化。

2.2.4 六盤山斷裂帶

該斷裂帶中長(zhǎng)期異常監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布相對(duì)集中（圖1），其年平均活動(dòng)速率時(shí)序曲線有顯著的一致性（圖5）。自1981年開始觀測(cè)至2016年，該斷裂帶多處監(jiān)測(cè)點(diǎn)在許多時(shí)點(diǎn)呈現(xiàn)斷裂活動(dòng)特征的明顯一致性（如1982、1983、1995、1996、2000、2001、2004、2010年等）。從圖5可知，永登5.8級(jí)、景泰5.9級(jí)、玉樹7.1級(jí)地震同震反應(yīng)較大，均出現(xiàn)了震后張、拉交替變化現(xiàn)象。但在2016年1月門源6.4級(jí)地震前，多數(shù)測(cè)段出現(xiàn)了壓—張的運(yùn)動(dòng)特征。門源地震后，六盤山斷裂帶大多數(shù)異常測(cè)段年平均活動(dòng)速率轉(zhuǎn)折回升，這可能是此次地震同震反應(yīng)的結(jié)果。從量值上可以看出，六盤山斷裂帶監(jiān)測(cè)點(diǎn)年平均活動(dòng)速率變化幅值大于另外2條斷裂，壓性最大約4.8mm／a，張性最大約2.8mm／a。

圖6 各斷裂帶合成速率

由多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速率合成為同一條斷裂的速率時(shí)序圖（圖6），從圖6可知，2000～2010年是祁連山斷裂帶、海原斷裂帶、六盤山斷裂帶，亦即整個(gè)青藏塊體東北緣地區(qū)的斷層活躍期。2010～2016年，祁連山斷裂帶整體偏向微弱的張性運(yùn)動(dòng)；海原斷裂帶由負(fù)轉(zhuǎn)正，張性變壓性；六盤山斷裂帶在門源地震前顯示張性運(yùn)動(dòng)，震后轉(zhuǎn)折。

2.3 趨勢(shì)累積率

趨勢(shì)累積率可用以分析斷裂的活動(dòng)能量和應(yīng)變的聚集狀況，它反映了自有資料記錄以后監(jiān)測(cè)點(diǎn)的趨勢(shì)形變累積情況以及趨勢(shì)累積量歸一化后的整個(gè)研究區(qū)域地殼應(yīng)變強(qiáng)度比。大范圍的斷層形變趨勢(shì)累積率的時(shí)空演化過(guò)程可以代表區(qū)域地殼形變的分布狀況，它實(shí)際上反映的是一種廣義應(yīng)變的累積速率趨勢(shì)強(qiáng)度比（李媛等，2016），其計(jì)算公式為

式中，hi為斷層兩盤測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)高差觀測(cè)值；n為觀測(cè)期數(shù)。根據(jù)定義，Dc絕對(duì)值為0～1，當(dāng)Dc絕對(duì)值為0時(shí)，形變不存在趨勢(shì)性變化；當(dāng)Dc絕對(duì)值為1時(shí)，形變記錄的趨勢(shì)性最強(qiáng)。Dc絕對(duì)值具有自然歸一性，這為建立不同演化程度的數(shù)據(jù)序列之間的可比性標(biāo)度提供了基礎(chǔ)。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

圖7 祁連山斷裂帶（a）和海原-六盤山斷裂帶（b）跨斷層水準(zhǔn)形變趨勢(shì)累積率等值線分布

利用中長(zhǎng)期趨勢(shì)性異常的跨斷層資料（自有觀測(cè)以來(lái)的全部數(shù)據(jù)），計(jì)算了各場(chǎng)地的Dc值，并繪制了祁連山斷裂帶與海原-六盤山斷裂帶的Dc等值線圖（圖7）。由圖7可見，祁連山斷裂帶（圖7（a））垂直形變累積率高值區(qū)與高梯度帶主要分布在中、西段，東段相對(duì)較穩(wěn)定；海原-六盤山斷裂帶（圖7（b））Dc值高梯度帶主要分布于六盤山地區(qū)，整體來(lái)看，海原-六盤山斷裂帶NE方向應(yīng)力積累效應(yīng)明顯強(qiáng)于其WS方向。這是長(zhǎng)期地殼應(yīng)力積累的結(jié)果，其間必然經(jīng)歷了多次地震能量的釋放與再累積的交替過(guò)程。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將速率合成、趨勢(shì)累積率等方法與青藏塊體東北緣跨斷層短水準(zhǔn)資料相結(jié)合，可獲得以下初步結(jié)論：

（1）由單個(gè)斷裂多個(gè)異常監(jiān)測(cè)點(diǎn)的年平均活動(dòng)速率時(shí)序曲線可以獲知，用速率合成方法分析跨斷層的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以較好地找到某一條斷裂在時(shí)空分布上的具體活動(dòng)規(guī)律（活躍期、張、拉等變化過(guò)程）；而由多個(gè)斷裂集中對(duì)比分析與跨斷層形變趨勢(shì)累積率，則可獲得更廣時(shí)間與空間的地殼形變運(yùn)動(dòng)特征。

（2）從合成速率結(jié)果可知，2010～2016年，祁連山斷裂帶呈微弱拉張的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)；海原斷裂帶由張轉(zhuǎn)壓；六盤山斷裂帶在門源地震前顯示張性運(yùn)動(dòng)，震后發(fā)生轉(zhuǎn)折。趨勢(shì)累積率則從長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)的角度顯示了祁連山斷裂帶中、西段累積應(yīng)變略高于東段，從量值上看整個(gè)青藏塊體東北緣Dc高值區(qū)位于六盤山斷裂帶附近。