2010年玉樹地震震前甘孜-玉樹斷裂形變場分析

2010年玉樹地震震前甘孜-玉樹斷裂形變場分析

2010年4月14日青海玉樹MW6.9地震發震斷層為甘孜－玉樹斷裂NW段。斷裂錯動速率的準確估計能夠為認識發震斷裂的結構和地震的孕震過程提供幫助，甘孜－玉樹斷裂周邊地區(89°～103°E，28°～39°N)1999—2007年的GPS觀測使之成為可能。去除受到斷裂鎖定效應或其他斷裂位錯影響的數據后，將跨斷裂剖面上的臺站速率分解為平行斷層和垂直斷層2個分量，并進一步估算得到風火山斷裂、甘孜－玉樹斷裂和鮮水河斷裂NW段左旋走滑速率分別為(6.1±1.9)、(6.6±1.5)和(10.2±0.7)mm/a。結合該地區地質學研究結果，推測甘孜－玉樹－鮮水河斷裂自西向東逐段增強的走滑速率反映了不同區域地殼對印藏碰撞造成形變的轉換、吸收方式之差異。甘孜－玉樹斷裂現今分段錯動速率的定量估計為該斷裂的深入研究和青藏高原變形發展過程的認識提供了寶貴數據。

玉樹地震 GPS 斷裂錯動速率

0 引言

2010年4月14日青海玉樹發生MW6.9(MS7.0)級地震，發震斷層為甘孜－玉樹斷裂NW段(陳立春等，2010)(圖1)。該斷裂以左旋走滑活動為主，與鮮水河－小江斷裂帶共同構成青藏高原物質東向擠出的邊界(王敏等，2008)。甘孜－玉樹斷裂NW段歷史地震記錄很不完整，最近200多年的記載中共發生3次強震，其中1738年6.5級地震的破裂段與本次地震相似(國家地震局，1977)，另外2次發生在玉樹縣城以東(四川地震資料匯編編輯組，1980;中國地震局監測預報司預報管理處，1999)。美國地質調查局根據遠震資料指出本次地震發生在玉樹縣城以西，震源深度為17km，地震破裂以左旋走滑為主(http:∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/eqinthenews/2010/us 2010vacp/)。震后野外地質考察亦發現破裂為左旋走滑性質，實測最大水平位錯約為1.8m(陳立春等，2010)。

甘孜－玉樹斷裂的研究程度較低，對該斷裂的斷層結構和活動歷史認識不足，尤其是對不同段落的位錯量和錯動速率的認識仍存在分歧。李閩峰等(1995)研究認為甘孜－玉樹斷裂隴蒙達以西全新世以來活動強烈，左旋走滑速率為7.3mm/a，隴蒙達－玉樹段主體活動時段在晚更新世以前，以正斷層活動為主，無全新世活動的痕跡;玉樹－竹慶段全新世活動強烈，左旋走滑速率為5mm/a左右。但1738年青海玉樹地震的記載(國家地震局地球物理研究所，1990)卻表明當江－玉樹段現今仍在活動，且以左旋走滑為主。張裕明等(1996)利用沖溝位錯得到當江段距今(13.7±1)ka以來的左旋水平錯動速率為7.3mm/a。周榮軍等(1996)認為錯阿－俄支段平均滑動速率為(7±0.7)mm/a，檔拖村附近左旋走滑速率為(7.2±1.2)mm/a。彭華等(2006)在俄支和竹慶段分別得到(5.4±0.4)mm/a和(3.3±0.3)mm/a的左旋走滑速率，但因其參照體斷錯的開始年齡由估算得到，結果的可信度較低。聞學澤等(2003)利用位于檔拖村附近的河流階地位錯估計該段全新世平均左旋走滑速率為(11.3±1.8)mm/a，但學術界目前對哪一級階地的年齡更接近位錯開始時間尚存在爭議。由于該工作中選取了新的階地年齡作為斷裂位錯開始的時間，因此可能造成斷裂錯動速率被高估。綜合來看，雖然對甘孜－玉樹斷裂錯動速率的認識仍存在分歧，但地質學結果似乎更傾向于該斷裂全新世以來具有約7mm/a的左旋走滑速率。

近年來一些學者利用GPS數據估算了甘孜－玉樹斷裂的現今錯動速率，分別為9～12mm/a(Meade，2007)、約 12mm/a(Thatcher，2007)、約 14.4mm/a(Gan et al.，2007)、SE 段(13.0 ±1.7)mm/a和NW段(3.1±2.8)mm/a(王閻昭等，2008)。大地測量給出的結果比地質學方法給出的結果明顯偏大。但通過分析發現，Meade(2007)和Thatcher(2007)在反演斷裂錯動速率時，利用的甘孜－玉樹斷裂附近的數據很少，而主要依賴個別數據和相鄰斷裂錯動速率的約束。Gan等(2007)使用的數據雖然有所增加，但在模型中將整個甘孜－玉樹－鮮水河斷裂帶作為一個斷裂單元考慮，由于鮮水河斷裂滑動速率高且其周邊地區有密集GPS數據，必然導致整個斷裂單元上高滑動速率的反演結果。王閻昭等(2008)雖然進一步給出了分段結果，但由于甘孜－玉樹斷裂NW段處于模型邊緣，也會使誤差相對較大。我們搜集整理了甘孜－玉樹斷裂周邊地區更多的GPS數據，據此獲取該地區現今地殼震間形變場并進行分析，可能對斷裂帶現今錯動速率及其分段活動性做出更可靠的估計，有助于提高對玉樹地震發震斷裂構造特征的認識，加深對孕震過程的理解。

1 數據與分析

文中所使用的數據以“中國地殼運動觀測網絡”1999、2001、2004和2007年的4期觀測數據為主，同時也收集了總參測繪局和國家測繪局大地測量控制點的一些數據。將這些數據與全球IGS跟蹤站的數據進行聯合解算，得到各測站在全球參考框架下的位置和速度(王敏，2008)。由于研究區GPS臺站數量較少，難以為活動塊體運動模型提供可靠約束，因此只能采用簡單的剖面投影方法對該地區地殼運動特征進行定量分析。為突出甘孜－玉樹斷裂兩側地殼的運動差異，選取甘孜－玉樹斷裂帶以南的東羌塘地塊為參照系，利用該地區12個GPS臺站(圖1)的速率計算得到塊體運動速度歐拉極，將與之對應的塊體剛性運動從臺站水平運動速度中扣除，得到該地區相對于東羌塘地塊的GPS水平運動速度場(圖2)。這一步驟的重要性在于，只有扣除了GPS速度場中區域地塊的剛性旋轉成分，才能在后續的研究中避免剛性旋轉對跨斷層剪切與擠壓/拉張形變的分析產生影響。未選取甘孜－玉樹斷裂以北的巴彥喀拉塊體為參照系的原因，一方面是考慮到巴彥喀拉塊體內部GPS臺站較少、數據離散度較高、擬合剛性塊體運動的結果較差，另一方面也是由于與巴彥喀拉地塊相比以東羌塘地塊為參照系的速度場受塊體剛性旋轉的影響更小。

圖2 玉樹地震震中及其周邊地區GPS速度場和斷層剖面位置Fig.2 GPS derived velocity field and fault profiles in the region around the epicenter of Yushu earthquake.以東羌塘地塊為參照系，臺站速度誤差橢圓的置信區間為70%

我們選取了3條跨甘孜－玉樹－鮮水河斷裂帶的GPS剖面(圖2)，自西向東依次對應于風火山斷裂、甘孜－玉樹斷裂和鮮水河斷裂NW段。因GPS臺站分布的限制，文中選取的剖面位置與斷裂的地質分段有一定差異。將斷裂兩側臺站的速率分別投影到斷層走向和傾向上，得到各段斷層位錯走滑分量和擠壓/拉張分量造成的地表形變分布特征(圖3)。由于甘孜－玉樹斷裂與東昆侖斷裂之間臺站數量稀疏且均集中在2條斷裂附近，缺少中遠場數據的約束，因此無法判斷2條斷裂近場臺站速率之間存在階躍的成因(究竟有多少來源于斷層鎖定效應，多少來源于其他斷層的活動)。從剖面圖中不難看出，除甘孜－玉樹－鮮水河斷裂外，其南側怒江斷裂、北側東昆侖斷裂和瑪多－甘德斷裂(斷裂在剖面中的位置在圖3中以灰色實線表示)亦存在明顯活動，這些斷裂的活動對甘孜－玉樹斷裂周邊形變場產生貢獻，因此在估算甘孜－玉樹－鮮水河斷裂的現今滑動速率時，應排除跨過其他斷裂的數據點(圖3中以灰色方塊或菱形塊表示)。與此同時，由于甘孜－玉樹－鮮水河斷裂在玉樹地震前處于鎖定狀態，斷裂近場發生連續形變而非位錯(Savage et al.，1973)，因此近場點位移不能反映斷裂兩側長期穩定的塊體運動，亦應加以排除(圖3中以灰色方塊或菱形塊表示)。在對數據點進行了上述篩選后 (圖3)，分別對斷裂兩側臺站速率投影分量做加權平均，斷裂兩側臺站速率平均值之差即為斷裂現今錯動速率的估計值。由于速度場解算時沒有輸出臺站間的相關信息，所以在計算斷層錯動速率誤差時忽略了臺站速率間的相關性。GPS臺站速率之間通常是正相關的，因此，這里得到的錯動速率誤差可能會略高于實際的誤差。據此，得到風火山斷裂、甘孜－玉樹斷裂和鮮水河斷裂NW段的左旋走滑速率分別為(6.1±1.9)、(6.6±1.5)和(10.2±0.7)mm/a，同時得到風火山斷裂和甘孜－玉樹斷裂擠壓速率分別為(2.8±1.9)和(1.7±1.6)mm/a，鮮水河斷裂NW段拉張速率為(2.8±0.7)mm/a。由于斷裂帶某些段落由若干條走向接近的次級斷裂組成，因此上述結果反映的是斷裂帶總體滑動速率。其中，甘孜－玉樹斷裂走滑速率與李閩峰等(1995)、周榮軍等(1996)和張裕明等(1996)分別利用斷錯地貌和測年方法得到的地質學結果基本一致，但與Meade(2007)、Thatcher(2007)以及Gan等(2007)利用GPS數據所得結果存在較大差異。如前所述，由于后者主要受滑動速率較高的鮮水河斷裂的影響，使得該斷裂滑動速率被高估。王閻昭等(2008)所得結果的誤差較大，但在誤差范圍內仍支持本文給出的較低滑動速率的結果。綜上所述，GPS給出的甘孜－玉樹斷裂現今滑動速率與地質學方法給出的全新世以來的長期滑動速率具有較好的一致性，并且均支持該斷裂具有比鮮水河斷裂更低的錯動速率。

圖3 GPS臺站速率剖線Fig.3 Velocity components of GPS stations parallel(left)and perpendicular(right)to the strike of each fault.

2 討論

由上述研究結果可以獲得甘孜－玉樹－鮮水河斷裂帶分段活動的大致特征，即斷裂左旋走滑速率由西向東逐段增加，甘孜－玉樹段具有擠壓分量，鮮水河NW段具有拉張分量。這一趨勢與Wang等(2008)得到的該斷裂帶早更新世以來的分段活動性相一致。Wang等(2008)利用斷錯地貌得到當江附近約16km的左旋位錯，玉樹以東約25km的左旋位錯，并推測兩者走滑量的差異可能由南側巴塘、下拉秀斷裂的拉張活動以及北側玉樹塊體內部的擠壓變形所吸收。聯系到羌塘地塊內中、西部廣泛發育的NE和NW向共軛剪切斷裂以及近NS走向的拉張斷陷(Armijo et al.，1986;Yin et al.，2000)，青藏高原內部到東緣斷裂活動性的差異可能反映了不同區域地殼對印藏碰撞引起形變的轉換與吸收方式之間的差異(沈正康等，2003)。青藏高原內部的羌塘地塊既存在NS向縮短，又存在地殼物質的東向擠出，相應地在高原的中、西部形成共軛剪切斷裂和拉張斷陷。隨著高原由西向東擠出物質的積累，地殼東向擠出速率不斷增強(Zhang et al.，2004)，在高原東部共軛剪切及拉張斷陷已不能有效運移東向擠出物質，以鮮水河－甘孜－玉樹斷裂和東昆侖斷裂為代表的大型走滑斷裂成為高原物質東向運移的最主要方式。這一運移方式由南到北、由西向東分層次進行。上述兩大斷裂代表了NS方向的階梯型運移層次，其中甘孜－玉樹斷裂至鮮水河斷裂滑移速率的不斷提高則代表了EW方向的運移層次。甘孜－玉樹斷裂自西向東呈現向南的偏轉，斷裂帶以南物質的東向運移也在這一過程中受到少量阻擋，使得斷裂帶產生一定逆沖分量。而鮮水河斷裂西南地區由于從北向南地表高程的迅速下降，重力滑塌作用明顯，鮮水河斷裂西南地區地殼物質的加速南向逃逸使得鮮水河斷裂NW段不再具有逆沖分量。由此可見，研究甘孜－玉樹斷裂帶對于認識整個青藏高原的變形發展過程具有十分重要的作用。但目前對甘孜－玉樹斷裂及其周邊區域的研究程度還相當低，需要在今后有所加強。

玉樹地震發生后，我們迅速在玉樹地震震中區附近布設了6個連續GPS臺站，對發震斷層及其鄰域的震后形變進行監測。在本項研究的基礎上，結合震前與震后觀測數據，通過數據分析與建模，希望獲取斷層帶和地殼介質的流變學結構及其對地震的動態響應，了解斷層帶在地震旋回過程中的應力應變演化，同時進一步豐富對青藏高原變形發展過程的認識。

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王閻昭1)王 敏1)沈正康2)葛偉鵬1)王 康2)王 凡1)孫建寶1)

1)中國地震局地質研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029

2)北京大學地球與空間科學學院，北京 100871

INTER-SEISM IC DEFORMATION FIELD OF THE GANZI-YUSHU FAULT BEFORE THE 2010 YUSHU EARTHQAUKE

WANG Yan-zhao1)WANGMin1)SHEN Zheng-kang2)GEWei-peng1)WANG Kang2)WANG Fan1)SUN Jian-bao1)
1)State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
2)School of the Earth and Space Sciences，Peking University，Beijing 100871，China

The 14 April 2010 MW6.9 Yushu earthquake ruptured the northwestern segment of the Ganzi-Yushu Fault in Qinghai，China.Accurate estimation of the secular slip rate across the faultwould help understand tectonic structure of the fault and its seismogenic process.GPS data obtained from 1999 to 2007around the Ganzi－Yushu Fault spanning 89°～103°E，28°～39°N make such estimation possible.After removing GPSstationswhose displacementswere affected by fault locking effects and/or deformation of other faults，we decompose the remaining GPS station velocities into strike-parallel and strike-normal components and examine the data along profiles across corresponding fault segments.The slip rates of the Fenghuoshan，Ganzi－Yushu，and northwestern segment of the Xianshuihe Faults are estimated as 6.1 ±1.9，6.6 ±1.5，and 10.2 ± 0.7mm/a，respectively.These results agree with geological estimates of the fault slip rates，which show progressive increase from northwest to southeast across segments of the Ganzi－ Yushu-Xianshuihe Fault zone，implying variation in transferring and absorbing patterns of deformation in different regions in and around the Tibetan plateau.Estimation of present-day slip rates along segments of the Ganzi－Yushu Faultwould provide valuable data for future research on seismo-tectonics of the fault and tectonic evolution of the Tibetan plateau.

Yushu earthquake，GPS，fault slip rate

P315.2

A

0253－4967(2011)03－0525－08

10.3969/j.issn.0253 － 4967.2011.03.003

2010－12－22收稿，2011－03－29改回。

地震動力學國家重點實驗室課題(LED2009A02)和中國地震局地質研究所基本科研業務專項(IGCEA1011)共同資助。

王閻昭，女，1981年生，2009年在中國地震局地質研究所獲得固體地球物理學博士學位，助研，主要研究方向為GPS地殼形變、地震構造學與地球動力學，電話:010－62009146，E－mail:wangyz 0513@gmail.com。