紅河斷裂帶閉鎖程度與滑動(dòng)虧損分布的GNSS反演

朱緒林 徐克科 侯 爭(zhēng) 劉吉鵬 趙付領(lǐng) 姚未正 邵振華

1 河南理工大學(xué)測(cè)繪與國土信息工程學(xué)院，河南省焦作市世紀(jì)大道2001號(hào)，454000

紅河斷裂帶是一條斜貫云南的深大斷裂，為川滇菱形塊體的西北邊界，也是印支半島和華南地塊的主位移帶。晚更新世以來紅河斷裂帶活動(dòng)微弱，西側(cè)瀾滄江斷裂和東側(cè)楚雄-建水?dāng)嗔鸦顒?dòng)明顯。研究認(rèn)為，川滇塊體的西南邊界由瀾滄江斷裂與楚雄-建水?dāng)嗔验g300 km的右旋剪切帶承擔(dān)[1]，中新世以來繼續(xù)右旋走滑[2]，右旋位移為65 km[3]。

不同學(xué)者采用不同方法和數(shù)據(jù)對(duì)紅河斷裂帶的性質(zhì)及運(yùn)動(dòng)速率進(jìn)行分析，得到不同結(jié)果[4-6]。歷史地震表明，紅河斷裂帶地震較少，處于地震空區(qū)，與之相鄰的楚雄-建水?dāng)嗔褞А⑿〗瓟嗔褞Ц浇鼩v史地震頻發(fā)。近年來紅河斷裂帶活動(dòng)微弱，是否存在地震危險(xiǎn)性尚存爭(zhēng)論。本文使用1999～2007年及2009～2013年2期GPS速度場(chǎng)，采用TDEFNODE負(fù)位錯(cuò)模型反演紅河斷裂帶的閉鎖程度和滑動(dòng)虧損速率，為地震危險(xiǎn)性評(píng)估提供參考。

1 研究方法

本文采用TDEFNODE負(fù)位錯(cuò)模型進(jìn)行分析[7]，即

Vsf=Vbr+Vis+Vfs

式中，Vsf為實(shí)測(cè)地表速度，Vbr為塊體旋轉(zhuǎn)引起的速度，Vis為塊體內(nèi)部應(yīng)變引起的速度，Vfs為斷層閉鎖負(fù)位錯(cuò)效應(yīng)引起的速度。

若塊體內(nèi)部不存在整體均勻應(yīng)變，其理論表達(dá)式為：

(1)

式中各參數(shù)含義詳見參考文獻(xiàn)[7-8]。塊體內(nèi)部均勻應(yīng)變引起的速度量值大小可表示為：

(2)

(3)

2 研究區(qū)與GNSS觀測(cè)

研究區(qū)包含紅河斷裂、龍門山斷裂等川滇地區(qū)的主要斷裂帶，研究范圍見圖1，圖中藍(lán)色箭頭為1999～2007年速度場(chǎng)，黑色箭頭為2009～2013年速度場(chǎng)，紅色圓點(diǎn)為汶川地震起始破裂點(diǎn)，白色矩形框?yàn)槠拭娣秶?。本文選用1999～2007年及2009～2013年GPS速度場(chǎng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)和中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)處理使用GAMIT/GLOBK軟件，在ITRF2014參考框架下形成統(tǒng)一速度場(chǎng)，然后轉(zhuǎn)換為相對(duì)穩(wěn)定的歐亞參考框架。刪除部分運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)、大小明顯不同的點(diǎn)，進(jìn)而篩選出速度平均誤差不超過1.5 mm/a的測(cè)站。由圖1可以看出，速度場(chǎng)整體呈順時(shí)針方向。由圖2可知，平行于斷層走向的站點(diǎn)速度和垂直于斷層的距離之間趨于線性變化。

圖1 研究區(qū)速度場(chǎng)Fig.1 Velocity field of the study area

圖2 GPS速度剖面Fig.2 GPS velocity profile

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究表明[11]，DEFNODE/TDEFNODE程序的反演結(jié)果具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，因此可利用該程序反演計(jì)算低傾角和高傾角的斷層閉鎖與滑動(dòng)虧損。在反演過程中，斷層模型的參數(shù)會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定影響，因此模型參數(shù)的設(shè)置需要盡可能接近斷層的實(shí)際情況。由于龍門山斷裂與紅河斷裂帶存在相似性，兩者的滑動(dòng)速率都較小，且都處于川滇地區(qū)，本文分別利用1999～2007年和2009～2013年GPS速度場(chǎng)數(shù)據(jù)分析龍門山斷裂帶，可為紅河斷裂帶的研究提供參考。

首先將塊體模型劃分為巴顏喀拉塊體、川滇塊體和華南塊體，在斷層處設(shè)置6條深度分別為0.1 km、6 km、12 km、16 km、21 km和24 km的等深線，每條等深線上設(shè)置8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每?jī)膳殴?jié)點(diǎn)之間的斷層傾角分別為55°、50°、20°、7°和7°，模擬2期龍門山斷裂帶的閉鎖程度，結(jié)果見圖3。

圖3 龍門山斷裂帶閉鎖程度Fig.3 Locking degree of Longmenshan fault zone

通過分析可知，汶川地震后龍門山斷裂帶應(yīng)變與應(yīng)力的釋放由極強(qiáng)的閉鎖狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)蠕滑狀態(tài)，由此可以假設(shè)，如果紅河斷裂帶受汶川地震影響較大，也會(huì)出現(xiàn)圖3中大量應(yīng)變應(yīng)力釋放的現(xiàn)象。以汶川地震前后龍門山斷裂帶的閉鎖情況來估計(jì)紅河斷裂帶的閉鎖程度，可為紅河斷裂帶的危險(xiǎn)性評(píng)估提供資料。

圖4 研究區(qū)塊體劃分Fig.4 Blocks in the study area

圖5 斷層節(jié)點(diǎn)模型Fig.5 Fault node model

根據(jù)模型進(jìn)行負(fù)位錯(cuò)模型反演，由圖6(a)可以看出，1999～2007年紅河斷裂帶北段與中段0～15 km深度基本處于較強(qiáng)的閉鎖狀態(tài)，閉鎖系數(shù)在0.8～0.99之間，15～25 km深度閉鎖系數(shù)基本在0.6～0.8之間，25 km深度以下閉鎖程度逐漸減弱；而南段在0～10 km深度也處于較強(qiáng)的閉鎖狀態(tài)，10～20 km深度閉鎖狀態(tài)相對(duì)減弱，20 km深度以下基本處于蠕滑狀態(tài)。整體來看，紅河斷裂帶0～15 km深度為較強(qiáng)的閉鎖狀態(tài)，具有較大的應(yīng)變能積累，而相較于南段，北段和中段處于較高的應(yīng)變積累狀態(tài)。由圖6(b)可以看出，2009～2013年紅河斷裂帶0～10 km深度基本處于較強(qiáng)的閉鎖狀態(tài)，閉鎖系數(shù)在0.8～0.99之間，10～20 km深度閉鎖系數(shù)基本在0.5～0.8之間，20 km深度以下閉鎖程度逐漸減弱。

圖6 紅河斷裂帶閉鎖程度Fig.6 Locking degree of Red River fault zone

圖7(a)為1999～2007年紅河斷裂帶滑動(dòng)虧損速率，從圖中可以看出，滑動(dòng)虧損速率的整體分布特征與斷層閉鎖程度基本一致，滑動(dòng)虧損速率從地面往深部逐漸變小，這與實(shí)際地球物理現(xiàn)象一致[13]。紅河斷裂帶北段的應(yīng)變積累速率較大，0～15 km深度滑動(dòng)虧損速率基本大于4.5 mm/a；中段0～10 km深度滑動(dòng)虧損速率約為4.5～5 mm/a，10～25 km深度約為3.5 mm/a；南段滑動(dòng)虧損速率最小，0～15km深度為3～4.7mm/a，向下速率逐漸減小。整體來看，紅河斷裂帶0～10 km深度的應(yīng)變能積累速率相對(duì)較快。由圖7(b)可以看出，2009～2013年紅河斷裂帶北段0～10 km深度的滑動(dòng)虧損速率為4.5 mm/a，10 km深度向下滑動(dòng)虧損速率逐漸減?。恢卸魏湍隙?～10 km深度的滑動(dòng)虧損速率基本為5 mm/a，向下速率逐漸減小。

圖7 紅河斷裂帶滑動(dòng)虧損速率Fig.7 Slip deficit velocity of Red River fault zone

表1為紅河斷裂帶滑動(dòng)速率，表中正值為左旋或拉張，負(fù)值為右旋或擠壓。由表可知，紅河斷裂帶整體上呈右旋運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，斷裂帶活動(dòng)性較強(qiáng)，存在較高的應(yīng)變積累。

表1 紅河斷裂帶滑動(dòng)速率

4 討 論

地震實(shí)際上是在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用下，應(yīng)變?cè)诨顒?dòng)斷裂帶上不斷積累并達(dá)到極限狀態(tài)后產(chǎn)生破裂的結(jié)果，而只有在閉鎖狀態(tài)下，斷裂帶上的應(yīng)變才會(huì)轉(zhuǎn)化為能量并逐漸累積，通過無震蠕滑或發(fā)生地震進(jìn)行釋放。由此推斷，地震可能發(fā)生在斷層閉鎖程度高的區(qū)域。通過利用1999～2007年和2009～2013年2期GPS速度場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算紅河斷裂帶的閉鎖程度和滑動(dòng)虧損速率，結(jié)果表明，紅河斷裂帶整體的閉鎖程度較低，閉鎖深度為10～15 km，該深度的應(yīng)變能積累較大，積累速率也相對(duì)較快，但遠(yuǎn)不如龍門山斷裂帶。另外，汶川地震對(duì)紅河斷裂帶的影響較小，雖然斷裂帶間的能量有所釋放，但也遠(yuǎn)不如龍門山斷裂帶，可能由于距離較遠(yuǎn)，具體原因值得進(jìn)一步研究。

與虢順民等[4]的研究結(jié)果相比，本文計(jì)算結(jié)果中紅河斷裂帶南段的走滑分量整體偏小，但與王閻昭等[6]的結(jié)果相似。2009～2016年斷裂帶的傾滑分量比趙靜[14]的研究結(jié)果小，推測(cè)是模型細(xì)節(jié)和使用數(shù)據(jù)年份有所差別所造成，而斷裂帶的閉鎖深度比閆歡歡等[15]的結(jié)果小，原因可能是使用的塊體模型和數(shù)據(jù)存在差異。

5 結(jié) 語

本文選用1999～2007年和2009～2013年GPS速度場(chǎng)數(shù)據(jù)，利用TDEFNODE負(fù)位錯(cuò)-塊體模型反演得到紅河斷裂帶的閉鎖程度、滑動(dòng)虧損速率和滑動(dòng)速率。通過分析認(rèn)為，紅河斷裂帶整體的閉鎖程度較弱，汶川地震后斷裂帶的閉鎖程度和深度均小幅減小，可能有部分應(yīng)變能得到釋放；斷裂帶北段的滑動(dòng)虧損速率有所減小，中段與南段的滑動(dòng)虧損速率有所增大，但變化均不明顯。汶川地震發(fā)生后，紅河斷裂帶的走滑速率有所增大，整體趨于5 mm/a，傾滑速率基本保持不變，推測(cè)汶川地震對(duì)紅河斷裂帶的影響較小。