川滇块体东边界中段主要断裂及龙门山断裂带南段震间变形状态研究

1概述发震断裂带/段震间应变积累状态是强震中长期危险性研判的重要指标之一,构造大地测量学的发展已为开展这一方面的研究提供了理论基础与技术方法。川滇块体东边界是我国大陆内部断层滑动速率和强震频度最高的典型活动构造带,主要分布有左旋走滑、逆走滑及逆冲等性质的断裂带,该区历史强震活动频繁,且不同断裂段的最晚一次历史(或古)大地震的离逝时间不同,可能存在不同应力积累程度和活动习性的段落,同时历史强震活动背景反映沿安宁河断裂带和昭通—莲峰等断裂带存在第一类地震空区,这种不同大震离逝时间断层段的变形/闭锁状态的研究对该区中长期地震危险性的判定具有重要的意义。另外,与之相连的龙门山断裂带的中北段于2008年发生的汶川8.0级大地震对区域构造形变与断层应变积累造成显著影响,且仅5年龙门山断裂带南段又发生了芦山7.0级地震,研究芦山地震前后龙门山断裂带南段的应变积累状态对于认识震间晚期变形特征和判定该区的后续强震危险性也具有重要的意义。因此,本文以川滇块体东边界带及龙门山断裂带南段为研究区,在回顾构造大地测量学理论和研究方法数十年发展的基础上,开展多类型不同活动习性断层带/段的震间应变积累特征的研究。本文首先以1999—2007和2009—2013两期GPS速度场为约束,利用Savage和Burford经典位错模型反演了以左旋走滑运动为主的安宁河—则木河断裂带不同段的滑动速率和断层闭锁深度;其次,以GPS速度场为约束,基于Defnode负位错模型反演了安宁河—则木河断裂带和昭通—莲峰断裂带的断层闭锁状态;然后,基于流动和连续GPS观测资料研究了芦山地震前后龙门山断裂带南段应变积累特征;最后分别基于数学方法和数值流形方法对研究区域的水平应力应变状态进行了联合分析。2本论文取得的主要进展2.1安宁河—则木河断裂带不同段的应变积累特征根据前人的研究结果和历史地震破裂图像,将安宁河—则木河断裂带分为石棉—冕宁段、冕宁—西昌段和西昌以南段进行研究,并在位错模型反演过程中充分考虑到近旁大凉山断裂带的可能影响。首先,基于Savage和Burford经典位错模型以及两期GPS速度场资料对包含大凉山断裂带/段在内的断层水平运动速率和断层闭锁深度进行反演,结果显示,石棉—冕宁段的两期平均左旋滑动速率分别约为10.2 mm/a和12.2 mm/a,断层面闭锁深度分别约为20 km和42 km;冕宁—西昌段的两期平均左旋滑动速率分别约为11.2 mm/a和13.1 mm/a,断层面闭锁深度分别约为23 km和46 km。而不包含大凉山断裂带的GPS速度剖面的拟合结果显示,石棉—冕宁段和冕宁—西昌段在2009—2013年的左旋滑动速率分别约为7.3 mm/a和8.1 mm/a,断层闭锁深度分别为18.5 km和23.6 km,均小于精定位地震活动确定的孕震层底界的下限。采用两期相同站点反演的石棉—冕宁段的闭锁深度分别为19 km和29 km,冕宁—西昌段的断层闭锁深度分别为23 km和38 km,2009—2013期的结果也显著偏深。上述结果表明,采用消除大凉山断裂带影响反演结果较为合理。1999—2007年时段由于GPS站点较少,对模型约束不足,反演结果不具备参考性。另由Savage和Burford经典位错模型反演的则木河断裂带的两期平均滑动速率分别约为5.7 mm/a和4.7 mm/a,断层面闭锁深度分别为5 km和8 km,与该段为1850年M7?地震的破裂段,大震离逝时间距今仅167年的背景相符。本文在以上经典位错模型的基础上推导了顾及主断裂旁侧次级活动断裂的位错模型表达式,并由理论数据测试结果显示,采用经典位错模型对伴有次级活动断裂的走滑型断裂反演的滑动速率是两条断层滑动速率之和,断层闭锁深度也是两条断层共同作用的结果,因此,就会出现反演的断层面闭锁深度超出孕震层底界的现象。本文的对比分析和测试结果表明,走滑型主断裂近旁的平行、次平行分支断裂的运动和变形对主断裂带的滑动速率和闭锁深度反演具有显著影响,在GPS站点密度有限的情况下,为保证远场测站的贡献,可在一定程度上削弱次级断层活动的基础上,再采用位错模型对主断层进行反演,以获得较为合理的结果。其次,负位错模型反演结果显示,安宁河断裂带石棉—冕宁段的断层闭锁深度约为20～25 km,闭锁系数在0.9以上,滑动亏损速率约为7～9 mm/a;冕宁—西昌段断层闭锁系数0.6～0.8,滑动亏损速率约为5～7 mm/a;则木河断裂带不闭锁,与经典位错模型的结果一致。负位错模型也显示,大凉山断裂带对安宁河断层的闭锁深度反演存在显著影响,如果在模型中不考虑大凉山断裂带,大凉山断裂带引起的变形则会被累加到安宁河断裂带上,使得反演的安宁河断裂带闭锁程度偏深,但就目前GPS站点的分布密度还无法满足考虑多条断裂带的联合模型反演的准确度和精度,在研究过程中还是采用单一断层的模型能获得较合理的结果。由于汶川地震对周边区域构造应力应变场的显著影响,2009—2013期GPS观测到的地壳变形可能包含汶川地震后深部滞后效应的影响,因此,这期两种方法反演的安宁河断裂带的闭锁深度显著偏深。2.2昭通—莲峰断裂带的应变积累特征首先,GPS速度剖面结果显示,NEE走向的昭通—莲峰断裂带水平缩短速率约为5～6 mm/a,剪切变形速率较小,约为1～2 mm/a,表明昭通—莲峰断裂带存在显著的挤压应变积累现象;其次,基于负位错模型分别以1999—2007年和2009—2013年GPS速度场为约束,反演该断裂带昭通—彝良段的闭锁深度约为16 km,会泽—昭通段闭锁深度稍浅,约为10 km。2014年8月3日发生的鲁甸6.5级地震发生在两段的连接处,但此次地震使昭通断裂带的应变释放不显著,未缓解昭通—莲峰断裂带强震危险性,该断裂带依旧处于挤压应变积累状态。2.3龙门山断裂带南段在芦山地震前后的变形特征首先,芦山地震前的GPS速度场结果显示,2009—2011年间的龙门山南段的挤压应变积累速度约为5.6×10^(–8)/a,左旋剪切应变速率约为3.6×10^(–8)/a,明显高于汶川地震前1.4×10^(–8)/a的挤压应变积累速率;GPS连续观测资料显示,龙门山断裂带南段近场挤压应变速率明显低于茂县—汶川断裂西侧区域,挤压变形速率自西向东逐渐递减。芦山发震断层两侧的剪切变形模式相反,东侧表现为相对于N45°E走向主断裂的左旋剪切变形,西侧表现为以右旋剪切变形为主(局部区域有差异)。以上变形特征说明,汶川地震后巴颜喀拉地块的东向运动对龙门山断裂带南段提供了快速加载,而断裂带内部,特别是芦山地震孕震区的挤压变形速率相对缓慢,因此,应处于显著加速应变积累的状态。其次,2013—2016年的GPS速度剖面结果显示,以茂县—汶川断层为界表现出右旋剪切变形,右旋滑动速率约为6.4 mm/a,而茂汶断裂以东区域以灌县—安县断裂为界表现出弱左旋剪切变形,左旋滑动速率约为1.6 mm/a。垂直断裂带的GPS速度剖面显示,巴颜喀拉地块以6～7 mm/a的速度向华南地块推挤,茂县—汶川断裂以东地区为连续的挤压变形特征,平均挤压应变率约为2.6×10^(–8)/a,说明龙门山断裂带南段总体上依旧处于挤压应变积累和右旋剪切变形的状态,特别是茂县—汶川断裂带以东的区域,应变积累特征显著。2.4研究区应变率场分布特征首先,采用Kriging方法和最小二乘配置方法分别获取了研究区GPS主应变率分布特征,结果显示,Kriging方法计算的应变率分布的连续性不如最小二乘配置方法,且更容易受局部站点和观测误差的影响,不适用于较大范围的应变率场变形趋势的分析。川滇地块东边界中段地区的主压应变率方向为NWW-SEE,安宁河—则木河断裂带主压应变率约为–(2～4)×10^(–8)/a,主张应变率约为(1～3)×10^(–8)/a,两种方法计算的结果均显示,2009—2013期两个主应变率有所增强,2013—2015期恢复到汶川震前的状态;龙门山断裂带南段汶川地震前后调整显著,表现为汶川震后主压应变率的显著增强,龙门山断裂带南段面应变率由汶川震前的–2.7×10^(–8)/a增强到–3.7×10^(–8)/a,虽然2013—2015期的面收缩率有所减小,但该区依旧处于显著的挤压应变积累状态;昭通—莲峰断裂NW向主压应变率维持在3.8×10^(–8)/a左右。其次,利用数值流形方法(NMM)模拟了川滇地块研究区的水平形变场和应力增量分布,在边界约束中除了考虑块体两侧的推挤作用,也考虑到川滇地块绕喜马拉雅东构造结顺时针旋转的底部拖曳作用。采用1999—2007和2009—2013期GPS速度场为约束模拟的速度场与观测速度场具有高度的一致性,模拟结果显示,川滇交界东部主压应变率方向为NWW-SEE,汶川地震前后龙门山断裂带和三岔口地区主压应变率显著增强,安宁河—则木河断裂带和大凉山断裂带无显著变化,川滇地块东边界为最大剪应力增量变化的梯度带,反映了此处主要断层的应力应变积累的孕震特征。值得注意的是,龙门山断裂带的应变率的增加是汶川震后变形引起的,已超出连续应变计算的范畴,此时的高应变率不代表高应变积累状态。3主要创新点(1)基于构造大地测量学相关思路和方法,针对川滇地块东边界中段具有不同强震破裂背景/大震离逝时间以及现今活动特征的活动断裂带/段,开展震间运动与变形状态的定量研究,结果深化了研究区地壳形变与主要走滑、倾滑断裂带/段闭锁程度、应变积累状态的认识;特别是,针对汶川地震前后应变状态变化的新认识,揭示了汶川地震对龙门山断裂带南段的显著构造加载作用,以及逆冲型断裂在震间晚期阶段的变形特征。(2)深入研究了主断裂近旁平行、次平行的分支断裂运动和变形对反演走滑型主断裂的滑动速率和闭锁深度具有显著影响,推导了企图减小这种影响的位错模型表达式,由理论和实际数据进行试算,并将结果与沿主断裂的精定位震源深度分布进行比较和检验,在此基础上提出可在一定程度上削弱次级断层活动影响,采用位错模型针对主断裂的反演技术思路。(3)针对相同研究区并采用相同的GPS速度场数据,通过计算,系统比较分析了采用Kriging方法和最小二乘配置方法计算区域GPS应变率的结果,发现Kriging方法结果容易受局部站点和观测误差的影响,应变率场分布的连续性较差,不适用于较大区域应变率总体趋势特征的分析,比较适用于应变率场细节特征的识别。(4)引入可准确描述断层运动与非连续变形的数值流形方法,充分考虑断层的几何展布,对研究区的应力应变状态进行定量模拟,获得新结果。