GPS資料揭示的汶川 8 .0級地震前地殼動態演化特征＊

張曉亮 張 希 王雙緒 蔣鋒云 朱良玉

(中國地震局第二監測中心,西安 710054)

GPS資料揭示的汶川 8 .0級地震前地殼動態演化特征＊

張曉亮 張 希 王雙緒 蔣鋒云 朱良玉

(中國地震局第二監測中心,西安 710054)

利用中國大陸 1999年以來 3個時段的 GPS速度場,研究了汶川 8.0地震前的地殼動態演化特征。研究結果顯示：1)汶川地震發生在區域地殼擠壓運動明顯受阻的區域,孕震區附近存在一較大的障礙體,震中附近斷層多年來處于強閉鎖狀態;2)隨著地震發生日期的臨近,震中西側壓性區表現出明顯的向東逐步擴張態勢,局部地區主壓應變方向出現向北偏轉,右旋剪切作用明顯增強;3)汶川地震同震變形及 6級以上余震分布表現出的區段性與斷裂帶及附近分段性運動變形特征密切相關。

汶川 8.0級地震;GPS速度場;地殼運動變形;斷層;動態演化

1 引言

汶川 8.0級地震形成的地表破裂帶長達 200多千米[1],余震分布帶約長 330 km[2],其 InSAR同震形變場觀測顯示同震形變垂直位移及右旋走滑位移極其顯著[3],反映汶川地震前孕震區積累了大量的彈性應變能。如果地震是可以預報的,那么如此巨大地震能量的長期積累,理論上應當從地殼運動變形中看到其長期孕震背景。鑒于此。本文將利用我國大陸 1999、2001、2004、2007年 4期 GPS觀測資料對汶川 8.0級地震孕震區較大范圍地殼運動變化特征進行研究。

2 資料處理簡介

自我國大陸 GPS網絡工程建成以來,分別在1999、2001、2004和 2007年進行了復測,2001年以來,一些地區還進行了不同程度的 GPS點位加密觀測。

針對多期 GPS觀測資料,聯合區域 IGS站(BAHR、ANKR、GLSV、TIXI、MAC1、TR01、GUAM、TOW2、BAKO、DGAR、MAL I、NTUS、MAG0、MATE、POTS),利用 Gamit軟件處理對其進行載波相位處理,獲得單日松弛解 (衛星星歷采用精密星歷);然后利用 Globk軟件綜合本期觀測的所有合并后的單日松弛解,以 ITRF2005為參考框架,分別獲得各期坐標綜合解,在此基礎,獲得了 1999—2001、2001—2004、2004—2007年 3個時段的速度場,扣除相對歐亞板塊的歐拉旋轉,得到 3個時段相對歐亞板塊的運動速度場(圖 1)。

圖1 2004—2007年中國大陸 GPS速度場(基于歐亞板塊)Fig.1 GPS velocity field of China mainland from 2004 to 2007(relative to the stable Eurasia)

3 汶川地震的水平運動變形特征

從圖 1可以看出,汶川地震孕震區附近地殼水平運動主要以近東西向運動為主。因此,以震中為中心,選取東西向剖面 (剖面寬約 500 km,長約1 000 km),提取平行剖面及垂直剖面方向地殼運動的時空變化曲線,并對其結果進行多階多項式曲線擬合(圖 2)。從圖 2可以看出,地震前兩期資料揭示的地殼形變特征比較一致。從剖面東西向運動速度看(圖 2中黑曲線),在龍門山斷裂帶西側約 400千米的剖面區域,地殼水平擠壓速率接近線性變化,從 20 mm/a左右逐漸衰減到 7 mm/a左右,反映出顯著的擠壓運動及高應變能吸收特征;在龍門山斷裂帶附近至東側較大范圍,剖面東西向運動速度相對穩定(剖面速度變化曲線明顯轉平,基本保持在 5～7 mm/a范圍),揭示擠壓運動在龍門山斷裂帶附近遇到了強烈阻擋。汶川地震就發生在擠壓運動明顯,然后東西向剖面速度變化曲線轉平,地殼表現出明顯的擠壓運動受阻特征的區域。揭示本次地震在印度板塊 NE向主驅動力的作用下,該區近東西向的擠壓運動受到華南地塊的強烈阻擋,使應變能在龍門山構造帶附近長期積累,最終導致斷層失穩,發生汶川地震。

圖2 GPS剖面水平變化量、多項式擬合曲線與地形剖面Fig.2 Horizontal variation of GPS section polynomial fitting curve and terrain section

4 汶川地震區水平變形場動態演化特征

4.1 汶川地震孕震區水平運動場基本特征

圖3是汶川地震前 2004—2007年區域地殼水平運動速度場,從圖 3可以看出,粗圈西側區域地殼運動速率明顯大于圈內,且圈內水平運動速率一致性較好,變化量值相近,斷層對形變的吸收作用不明顯,表現出一定的閉鎖特征。為了能更好地確認該區是不是存在閉鎖障礙體。我們基于 2004—2007年 GPS資料繪制了 GPS速度場東西向等值線圖(圖4)。從圖 4可以看出,震中附近其北部和南部區域東西向運動速度明顯強于孕震區附近,揭示該區地殼運動的確存在明顯的障礙體。

圖3 2004—2007年汶川地震區地殼水平運動速度場Fig.3 GPS velocity field of crustal horizontalmovement in Wenchuan earthquake region from 2004 to 2007

圖4 2004—2007年四川及鄰區 GPS速度場東西向等值線圖Fig.4 Isoline distribution in east-west direction of GPS velocity field in Sichuan and its adjacent areas from 2004 to 2007

4.2 汶川孕震區及附近區域水平變形場動態演化特征

圖5 研究區視主應變率場Fig.5 Distribution of apparent principal strain rate field in the studied area

根據 GPS資料,利用最小二乘配置[5]求取得到的 1999—2001、2001—2004、2004—2007年 3期視主應變率場及視面膨脹率等值線分布圖如 5與圖 6所示。從視主應變率場動態演化特征看 (圖 5)：1999—2001年,震中西側區域近東西向壓應變明顯,孕震區存在明顯的主應變變化較小區;2001—2004年震中西側區域主壓應變增強,孕震區附近西南區域出現一定程度向北偏轉,反映一定程度孕震區右旋剪切增強特性,孕震區一帶存在明顯的主應變變化較小區,此外龍門山構造帶北段 6級以上余震分布較集中區域也表現主應變變化較小特征; 2004—2007年孕震區正西側區域主壓應變出現明顯北轉,呈現右旋剪切運動明顯增強特征,主應變變化較小區分布維持 2001—2004年的分布特征。從視面膨脹率等值線分布動態演化特征看 (圖 6)：1999—2001年孕震區西側存在明顯的壓縮區,龍門山構造帶北段西側亦存在明顯的壓縮區;2001—2004年孕震區西側壓縮區相對向東南擴張,龍門山構造帶北段西側壓縮區持續存在;2004—2007年孕震區西側壓縮強烈區相對擴大且表現為向北擴張趨勢,龍門山構造帶北段西側壓縮區依然持續。汶川地震及其余震均分布在顯著壓縮區的邊緣。

從 GPS資料揭示的區域水平變形場動態變化特征可以看出：汶川地震前孕震區西側一直存在較強的應變能積累,且隨著地震發生時間的臨近,其主壓應變出現局部區域偏轉;面膨脹揭示的動態演化特征顯示出孕震區西側顯著壓性區隨時間變化呈逐漸擴張態勢;汶川地震與其 6級以上余震,都分布在明顯壓縮區的邊緣。

圖6 研究區視面膨脹率等值線分布Fig.6 Isoline distribution of apparent surface expansion rate in the studied area

4.3 龍門山構造帶分段差異運動的計算

圖7 龍門山斷裂帶分段圖Fig.7 Segmentation of the Longmenshan fault

汶川地震發生后,在震中附近及發震斷層北段形成了 6級以上余震的相對集中段,針對余震分布特征,我們將龍門山構造帶分為 4段研究其 1999年以來的分段運動差異及演化特征。選取斷層兩側100 km范圍為研究區域,這樣將斷裂帶附近區域分為 8個小區域 (圖 7)。由于 GPS資料的密度問題,近似地將每個小區看作相對獨立的剛體,求取各區段沿斷層及垂直斷層各期資料所揭示的運動變化特征(表 1)。從表可以看出：1)AB段 1999年以來右旋擠壓錯動明顯(速率一直保持在 2 mm以上);BC段多年來表現為壓性閉鎖(其右旋運動1999年以來一直保持在 1 mm以內);CD段 2001年以來右旋擠壓運動明顯增強,且隨著時間的推移,表現一定增強態勢;DE段多年來表現為運動強閉鎖狀態。2)斷層的整體右旋擠壓特征一致性較好,但量值不大。3)汶川地震發生在強閉鎖段 BC段的西端,其 6級以上余震分布特征與閉鎖段分布相對應。4)汶川地震 GPS同震形變場[6]顯示CD段同震位移相當顯著,從GPS計算的斷裂分段結果可以看出該段自2001年以來呈現明顯的右旋走滑特征 (2 mm以上),斷層處于相對活躍狀態,所以該段附近的同震位移相當顯著。

表1 龍門山斷裂帶分段運動特征(單位:mm/a)Tab.1 Segmentation motion features of Longmenshan fault(un it:mm/a)

5 結論

1)汶川地震是印度板塊NE向主驅動力長期作用下遇到華南地塊的強烈阻擋,在龍門山構造帶一帶形成了明顯的擠壓運動受阻區,使應變能長期在該區附近持續積累,最終導致震中附近較大閉鎖障礙體突然破裂錯動的結果。

2)區域 GPS觀測資料揭示,龍門山斷裂帶存在明顯的閉鎖障礙體,汶川地震的震中恰位于閉鎖障礙體的邊緣。其障礙體范圍相對較大,跨越了龍門山斷裂兩側一定區域。

3)汶川地震孕震區及附近地殼水平變形場動態演化特征顯示：孕震區發震斷層西側一帶應變能多年來積累明顯,且隨著地震緊迫性的增強表現出局部區域主壓應變向北偏轉,右旋剪切增強,顯著壓性區逐步擴張的特點,可能揭示一定程度地震中、短期前兆信息。

4)汶川地震同震變形及 6級以上余震分布表現出的區段性與斷裂帶及附近分段運動變形特征密切相關。

1 江在森,等.汶川 8.0級地震前區域地殼運動與變形動態過程[J].地球物理學報,2009,52(2)：505-518.(Jiang Zaisen,et al.The dynamic process of regional crustal movement and deformation before WenchuanMs8.0 earthquake [J].Chinese Journal of Geophysics,2009,52(2)：505-518)

2 張培震,等.2008年汶川 8.0級地震發震斷裂的滑動速率、復發周期和構造成因 [J].地球物理學報,2008,51 (4)：1 066-1 073.(Zhang Peizhen,et al.Slip rates and recurrence intervalsof theLongmenshan active fault zone and tectonic implications for the mechanism of the May 12 Wenchuan earthquake,2008,Sichuan,China[J].Chinese Journal of Geophysics,2008,51(4)：1 066-1 073)

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5 張希,江在森.對華北地區 GPS監測區近期地殼應變連續分布的估計 [J].地震學刊,1999,75(2)：57-62. (Zhang Xi and Jiang Zaisen.Estimation of resent crustal strain continuous distribution in GPS monitoring area of the North China area[J].Journal of Seismology,1999,75(2)：57-62)

6 王敏.基于 GPS同震位移場約束反演 2008年 5.12汶川大地震破裂空間分布 [J].地球物理學報,2009,52 (10)：2 519-2 526.(Wang Min.Coseis mic displacement distribution of the 2008 Wenchuan great earthquake constrained by using GPS coseis mic displacement field[J].Chinese Journal Geophysics,2009,52(10)：2 519-2 526)

7 杜方,等.2008年汶川 8.0級地震前橫跨龍門山斷裂帶的震間形變 [J].地球物理學報,2009,52(11)：2 729-2 738.(Du Fang,et al.Interseis mic deformation across the Longmenshan fault zone before the 2008M8.0 Wenchuan earthquake[J].Chinese Journal of Geophysics,2009,52 (11)：2 729-2 738)

CHARACTERISTICS OF CRUSTAL DYNAM IC EVOLUT ION REVEALED BY GPS OBSERVAT ION BEFOREW ENCHUAN 8.0 EARTHQUAKE

Zhang Xiaoliang,Zhang Xi,Wang Shuangxu,Jiang Fengyun and Zhu Liangyu
(Second CrustM onitoring and Application Center,CEA,X i’an 710054)

By using the GPS velocity fields of China mainland in three time periods since 1999,the characteristics of crustal dynamic evolution before WenchuanMs8.0 earthquake was studied.From the results following knowledges can be drawn.1)TheWenchuan earthquake had taken place in the zone where crustal squeezed movementswere blocked obviously.There was a large obstacle existed in the seis mogenic zone,and the fault nearby the epicenterwas in strong blocking state formany years.2)W ith theWenchuan earthquake approaching,the compressive zone in the west to epicenter gradually expanded to east obviously.In some local areas,the direction of principal compressive strain deflected northward,and right lateral shear slip enhanced obviously.3)The sectional features of coseismic deformation inWhenchuan earthquake and 6.0 or more aftershock distribution were closely related to the sectionalmovement deformation of the fault and its vicinal zone.

Wenchuan 8.0 earthquake;GPS velocity field;crustalmovement and defor mation;fault;dynamic evolution

1671-5942(2011)04-0001-05

2011-03-09

地震科學聯合基金(C08045);中國地震局甘東南-甘青川交界地區強震危險性跟蹤分析課題(2009010103)

張曉亮,男,1973年生,碩士,高級工程師,主要從事數值模擬、地殼形變和地震預報等方面的研究.E-mail：zxlwml@163.com

P315.72+6

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