汶川MS8.0大震前后鮮水河斷裂帶滑動(dòng)及其西部地殼形變的動(dòng)態(tài)變化

陳 欣，楊國華

（中國地震局第一監(jiān)測中心，天津 300180）

0 引言

斷層在形成之前隨著應(yīng)力作用聚集大量的能量，在形成過程中釋放大量的能量，使得地殼發(fā)生形變與錯(cuò)斷，直接或間接造成地震[1]。強(qiáng)烈的破壞性地震往往都形成了明顯的地表破裂（地震形變帶或地震斷層）。實(shí)際監(jiān)測與研究均表明，地殼變化主要是以斷層或斷裂系統(tǒng)錯(cuò)動(dòng)變形為核心的形變活動(dòng)[2-16]，絕大多數(shù)大震就發(fā)生在這樣的空間部位上[17]，例如2008年汶川大地震[18-21]。如今，地震預(yù)測的諸多問題都是通過研究斷層活動(dòng)與形變規(guī)律展開的，斷層形變活動(dòng)的監(jiān)測與分析對地震研究有著重要意義。

基于GPS、InSAR等觀測技術(shù)的廣泛應(yīng)用，我們能夠較容易地了解到斷層及臨近區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)與形變情況，隨著GPS觀測資料不斷積累，人們能夠不斷深入地研究斷層或斷層系統(tǒng)的活動(dòng)習(xí)性、彼此關(guān)系、時(shí)空差異及相應(yīng)的物理含義[22-25]。

1973年，Savage等為了描述板塊間相對運(yùn)動(dòng)及其斷層的形變活動(dòng)給出了斷層形變活動(dòng)分析模型[26]，以其簡便性、有效性使用至今。然而，在分析板內(nèi)斷層錯(cuò)動(dòng)變形活動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)其變形活動(dòng)比板緣斷層活動(dòng)更加復(fù)雜，以至于存在模型描述失敗或計(jì)算結(jié)果不佳的情況。為此，有學(xué)者對模型進(jìn)行一定程度的系統(tǒng)構(gòu)建與完善，使其適合震間與震時(shí)、單一斷層與多斷層系統(tǒng)、整體形變活動(dòng)與細(xì)部形變特征等的描述，同時(shí)明確了有關(guān)參數(shù)的含義[27]。本文利用完善后的模型對鮮水河斷裂帶及周圍區(qū)域的形變活動(dòng)和特點(diǎn)進(jìn)行了描述和分析。

1 斷層視錯(cuò)動(dòng)變形分析模型

1.1 原始模型

Savage等給出了描述斷層活動(dòng)的數(shù)學(xué)模型[26]：

1.2 模型的改進(jìn)[27]

使用中我們發(fā)現(xiàn)，原始模型有時(shí)不能獲得很好的描述，這與地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境、斷層的活動(dòng)狀態(tài)等密切相關(guān)。結(jié)合板內(nèi)形變的復(fù)雜情況及應(yīng)用實(shí)踐，完善后的模型則為：

式 中 ： μ0、Vb、xc和D分 別 為 研 究 區(qū) 的 整 體 運(yùn) 動(dòng) 速率、斷層兩側(cè)塊體的相對運(yùn)動(dòng)速率、形變中心位置和廣義鎖定深度。這些參數(shù)及其誤差可基于最小二乘法通過反演計(jì)算獲得。

2 鮮水河斷裂帶的活動(dòng)及其西部地殼變形

2.1 鮮水河斷裂帶

鮮水河斷裂帶是中國大陸地震活動(dòng)最強(qiáng)的斷裂帶之一，位于中國西南地區(qū)，起始于甘孜北面的英達(dá)，經(jīng)朱樓、旦都、瓦各及爐霍南側(cè)延伸至道孚，止于康定以南，由多條斷層組成；斷裂帶走向NW40°～50°，總體略呈NE向微凸的弧狀，長約300 km；西北段相對比較簡單，大致為單線延伸幾何結(jié)構(gòu)[28-29]（圖1）。古生代時(shí)期，鮮水河斷裂帶開始形成，經(jīng)過緩慢發(fā)展，到了第四紀(jì)，該斷裂帶發(fā)生了復(fù)雜的構(gòu)造演化，現(xiàn)今成為大型的左旋走滑斷裂帶[30]。近年來，該地區(qū)發(fā)生過多次5級以上地震，表明該帶及附近區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)較為強(qiáng)烈。

2.2 鮮水河斷裂帶及其西部地區(qū)的現(xiàn)今構(gòu)造活動(dòng)

圖 1 鮮水河斷裂帶分布情況

為了監(jiān)測與研究鮮水河斷裂帶的形變特征，“中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測網(wǎng)絡(luò)”和“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”等國家重大科學(xué)工程在研究區(qū)進(jìn)行了多期GPS重復(fù)測量。本文以2008年汶川8.0級地震為節(jié)點(diǎn)，分別選取1999—2007年和2009—2013年2個(gè)時(shí)段的地殼運(yùn)動(dòng)場計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。選擇研究區(qū)域東南的四川盆地作為參考塊體，取得其他區(qū)域相對于四川盆地的運(yùn)動(dòng)場結(jié)果，再進(jìn)行恰當(dāng)?shù)臑V波計(jì)算[12-13,31]，其結(jié)果見圖2?？紤]到汶川大地震斷裂帶破裂的長度與空間分布，選擇具有針對性的區(qū)域結(jié)果進(jìn)行投影等有關(guān)計(jì)算[14]，具體區(qū)域與計(jì)算結(jié)果如圖2～3所示（其中：紅色線表示鮮水河斷裂帶，鮮水河以東的灰線表示龍日壩斷裂帶，鮮水河以西的灰線疑似形變中心，該形變中心存在與否及位置有待模型計(jì)算驗(yàn)證）。關(guān)于從場角度的描述有關(guān)研究已給出[12]，不再贅述，在這主要從上述模型的角度探討斷裂帶的活動(dòng)與動(dòng)態(tài)變化特征等。

從圖2a和3a可以看出，汶川大震前后的1999—2007年和2009—2013年鮮水河斷裂帶整體左旋走滑活動(dòng)清晰可見，但量值上并不完全等同（后面的分析中將給出具體結(jié)果）。這可能跟汶川大震的孕育與發(fā)生密切相關(guān)。另外，垂直于斷裂帶的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)也具有顯著的分段特征，它們大致以龍日壩斷層及其向西的幾何延伸線（灰線）為界，斷裂帶北段在2個(gè)時(shí)期均呈壓性，南端均呈張性（圖2b，3b）。但從相對于參考基準(zhǔn)的角度觀察，2個(gè)時(shí)段的結(jié)果是有明顯差異的，從運(yùn)動(dòng)的大小與方向上都表明了這一點(diǎn)，至少體現(xiàn)了大震前后在較大空間范圍內(nèi)存在著運(yùn)動(dòng)的差異。此外，由于西部地區(qū)的運(yùn)動(dòng)差異使我們懷疑可能有類似斷層的變形中心存在，當(dāng)然這僅是一個(gè)初步的假定，我們沿著龍日壩斷裂帶進(jìn)一步向西延伸，希望能夠進(jìn)一步去了解它。

圖 2 鮮水河斷裂1999—2007年水平運(yùn)動(dòng)

圖 3 鮮水河斷裂2009—2013年水平運(yùn)動(dòng)

通過模型計(jì)算，從圖4（粗黑線為斷裂帶的中心位置，粗灰線為形變中心位置，帶有誤差棒的黑點(diǎn)為觀測值，藍(lán)色曲線為模型值）可以看出，汶川大震前（1999—2007 年）左旋走滑量約為 9.2 mm/a（圖 4a），震后（2009—2013年）約為 6.9 mm/a；此外，形變中心震前偏離了鮮水河斷裂帶的位置，震后則回歸于鮮水河斷裂帶。這說明大震前后鮮水河斷裂帶的左旋走滑活動(dòng)存在著一定的差別。這與參考文獻(xiàn)[25]給出的汶川地震前橫跨龍門山斷裂中段和西南段的GPS站速度剖面（圖2）非常一致。參考文獻(xiàn)[32]給出的鮮水河不同段滑動(dòng)速率結(jié)果也說明，鮮水河斷裂滑動(dòng)速率從北到南逐漸減小[32]，也與本文得到的結(jié)果一致。

圖 4 鮮水河斷裂兩期走滑（P）運(yùn)動(dòng)的觀測與模型結(jié)果

如前所述，鮮水河斷裂帶的張壓活動(dòng)具有分段性，北段為壓性，南段為張性。因此，利用模型時(shí)也按北、南兩段進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算北段震前的滑動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，此時(shí)該段不具有斷層滑動(dòng)活動(dòng)的模式，也就是說失去了斷層的活動(dòng)特征，這顯然是一種不正常的活動(dòng)模式（圖5）。由此可知，震后該段恢復(fù)了斷層屬性的活動(dòng)模式。斷裂帶北段的壓性活動(dòng)約為2.1 mm/a，但形變中心卻偏離了斷裂帶約40 km。

圖6為鮮水河斷裂帶南段2個(gè)時(shí)段的結(jié)果。汶川大震前（圖6a）該段的張性運(yùn)動(dòng)約為3.7 mm/a，而震后（圖6b）卻約為8.3 mm/a，兩者之間出現(xiàn)了顯著的差別，震后的張性活動(dòng)比震前大了約4.6 mm/a。這應(yīng)歸屬于汶川大震的孕育與發(fā)生，否則難以給出合理的解釋。

圖 5 鮮水河斷裂北段擠壓（N）運(yùn)動(dòng)的觀測與模型結(jié)果（2009—2013年）

圖 6 鮮水河斷裂南段擠壓（N）運(yùn)動(dòng)的觀測與模型結(jié)果

圖 7 鮮水河斷裂西部旋剪形變的觀測與模型結(jié)果

圖7 給出了鮮水河斷裂帶以西，平行于龍日壩斷裂帶的GPS速度剖面觀測與模型計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?，汶川地震前后，區(qū)域形變并不是塊體型的準(zhǔn)均勻形變模式，而是具有類似于斷裂帶形變中心的形變模式。然而，目前我們在龍日壩斷裂帶延伸線或平行該線方向上并沒有發(fā)現(xiàn)斷裂帶的存在。上述形變特征反映的是類似斷層大體與鮮水河斷裂帶平行，并廣泛地分布于這一區(qū)域，未觀測到可辨的斷層性走滑活動(dòng)。由此推測，這種現(xiàn)象可能與地質(zhì)構(gòu)造的特殊環(huán)境和周邊的動(dòng)力環(huán)境密切相關(guān)。總體而言，汶川地震前后該區(qū)域平行于延伸線的運(yùn)動(dòng)分量存在較大的差異（圖7），震前的右旋性旋剪形變大于震后。模型計(jì)算結(jié)果顯示，理論上差異達(dá)6.5 mm/a左右，這是汶川地震前后包括鮮水河在內(nèi)的該區(qū)域模型化差異活動(dòng)最突出的變化結(jié)果。由此說明，一個(gè)大震的孕育直到臨震前在較大的空間范圍上都可能存在一些形變異常。

3 討論與結(jié)論

有分析表明，汶川大震臨震之前不僅龍門山斷裂帶的活動(dòng)已處于完全閉鎖狀態(tài)，甚至其北部的龍日壩斷裂帶的活動(dòng)也近閉鎖[27]。這就是說鮮水河斷裂帶以東地區(qū)的形變與構(gòu)造活動(dòng)臨震前是一種顯著的異常形變狀態(tài)。那么，是否僅局限于此而在更大的空間范圍上就不存在異常現(xiàn)象呢？本文的分析結(jié)果表明，龍門山和龍日壩斷裂帶附近的鮮水河斷裂帶及其以西更大的空間范圍上也存在著可識別形變異?，F(xiàn)象。這一現(xiàn)象的揭示讓我們深入認(rèn)識到，大震孕育至臨震狀態(tài)時(shí)形變異?？赡懿粌H僅在發(fā)震斷裂帶上，其周邊地區(qū)也可能會伴隨產(chǎn)生與其相協(xié)調(diào)的形變異?，F(xiàn)象。因此，異常的識別與判定應(yīng)是系統(tǒng)性的、多角度的、甚至具有一定空間尺度的。

關(guān)于鮮水河斷裂帶以西的區(qū)域存在著疑似斷層型的形變活動(dòng)模式比較特殊，該模式可能與特殊的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境和周邊的動(dòng)力環(huán)境有密切的關(guān)系，需要今后能夠通過觀測與研究進(jìn)一步認(rèn)識類似的異常變化。就大震前兆異常的分析而言，跟蹤監(jiān)測與研究它的動(dòng)態(tài)變化對于分析某種構(gòu)造是否孕育著大震是很有意義的。既可以從較大空間尺度資料中提取針對性的動(dòng)態(tài)形變變化信息，同時(shí)也有助于對周邊動(dòng)力環(huán)境變化的分析。然而，是什么機(jī)理使該區(qū)域存在類似斷層的形變活動(dòng)模式卻未形成與之相應(yīng)的地殼破裂等疑問，還有待于深入探索。