GPS資料反映大震前后青藏高原東北緣的水平形變*

楊國華，楊 博，占 偉，劉志廣，梁洪寶

(中國地震局第一監測中心，天津300180)

GPS資料反映大震前后青藏高原東北緣的水平形變*

楊國華，楊 博，占 偉，劉志廣，梁洪寶

(中國地震局第一監測中心，天津300180)

利用1999～2007年和2009～2011年青藏高原東北緣地區水平形變觀測與處理結果，分析了汶川、玉樹地震前后該區域水平形變場及其變化，得出:(1)1999～2007年水平運動的大小與方向變化明顯，但清晰有序，相對運動一般在15 mm/a以內，2009～2011年的水平運動輪廓雖然與1999～2007年相似，但變化可辨，主要體現在震源較近的地域;(2)1999～2007年的主壓應變優勢方向為南東—北西向，有序與一致性較強，值域一般在 (±35～38) ×10－9/a之內，最大主應變區呈帶狀分布于祁連構造帶上，2009～2011年最大主應變的大小及空間分布則有一定的差別，震中附近最大約為180×10－9/a，但主應變方向與1999～2007年基本保持一致;(3)1999～2007年最大剪切應變率大小的空間分布呈北西向條帶狀，較大值域的條帶為祁連構造帶達27×10－9/a，2009～2011年最大剪切應變率的空間狀態不同于以前，最大值位于震源及其附近地區接近120×10－9/a，其他區域相對較小;(4)1999～2007年的旋剪形變呈北西向條帶左、右旋交替的分布狀態;2009～2011年則沒有如此清晰，最大值也位于震中及附近地域。總之，震后區域形變場有較大的調整，可能還在繼續中。

青藏高原東北緣;水平形變;汶川地震;玉樹地震

0 引言

2008年5月12日在四川汶川縣境內的龍門山斷裂帶上發生MS8.0地震，震中位置 (30.986°N，103.364°E)，分別產生了長約240 km和70 km的地表破裂帶，最大逆沖量和右旋走滑量都達到了9～12 m，是以逆沖為主兼右旋走滑的地震 (付碧宏等，2009;王敏，2009;國家重大科學工程“中國地殼運動觀測網絡”項目組，2008)。2010年4月14日青海省玉樹縣發生MS7.1地震，震中位置 (33.1°N，96.6°E)，野外地質調查表明地表破裂長度23～50 km，以左旋走滑活動為主，兼有擠壓逆沖活動，最大滑動量為1.75～2.1 m(劉超等，2010;張勇等，2010;張軍龍等，2010;張永生等，2010)。這兩次地震均發生在青藏高原的東北緣，地震時在一定的空間范圍內形變相當突出，表明震前存在彈性形變積累。由于能量的釋放及應力場調整，必然會在一定區域范圍內存在相應的形變場調整，這種調整甚至會影響地震的孕育和活動。本文依據形變信息提取與一些描述形變特征有關的新方法 (楊博等，2010，2011;楊國華等，2005，2010)，重新描述了1999～2007年青藏高原東北緣地區的水平形變場，同時也給出了震后2009～2011年該區的水平形變結果。在前人研究成果的基礎上，以1999～2007年的水平形變作為青藏高原東北緣具有常態意義的形變場、對比了2009～2011年的形變場，試圖進一步認識大震之后形變場時空變化的動態 (楊國華等，2002，2006，2009;江在森等，2003;王敏等，2003;王琪等，2000;顧國華，張晶，2002)。

1 數據處理方法簡述

由于較大尺度運動場的描述是在球面上進行的，故可利用多核函數進行數值逼近，其具體表達式為

式中，dj為球面上兩點間的大地線長度 (單位為km)，ST=(s1，s2，s3，…，snx)，CT=(c1，c2，c3，…，cnx)。由于上述數值解析所得到的是水平運動，它不僅包含運動信息同時也包含誤差干擾，故而需要對其進行濾波與信息分離。具體表達式為

式中，ST=(s1，…，snx)為核函數陣，AT=(a1，…，anx)，BT=(b1，…，bnx)，CT=(c1，…，cnx)均為待定系數。此時核函數選擇為

式中，(λi，φi)為核點位置坐標，di為兩點間的大地線長度。然后以網格化數據為基礎，利用最小二乘法即可求解上述任意方向運動的待定系數。

若假定東西向應變為εE(λ，φ)、南北向應變為 εN(λ，φ) 、它們之間的剪應變為 γEN(λ，φ) 、旋轉量為ω(λ，φ)、濾波后在ITRF框架下水平運動的解析式為

在現行球面坐標系統下球面應變與旋轉量算式則為

式中R為地球的平均半徑，sλ和sφ分別為經向和緯向的弧長。其他相應的參數則描述為

上式中依序分別為面應變、最大剪切應變、最大主應變、最小主應變、及最大主應變方位角。

2 水平形變場及其動態變化

中國地殼運動觀測網絡項目組在青藏高原的東北緣地區布設了較密集的GPS流動測站，2009年以后又在原有的基礎上實施了測站布設的空間加密，用于監測該地區地殼形變及其動態變化。地殼動態變化研究的一個基本問題是對現階段該區常態運動盡量給予較精確的描述。因此，所用資料為常態環境下的多期復測資料，或已剔除曾在某時刻受到污染的成分，并且資料具有較長的時段。到目前為止已分別在1999、2001、2004、2007、2009和2011年對該區進行觀測。由于2008年汶川8.0級地震對該區具有一定程度的影響，為了較有效地獲取具有常態意義的形變場，故在計算其形變場時所用資料為1999～2007年的4期資料。首先利用GAMIT/GLOBK/QOCA軟件獲得該時段ITRF參考框架下運動的“觀測結果”;其次，以此獲得相對于區域無旋轉基準的運動結果 (楊國華等，2005)，再依據 (1)式對研究區相對運動速度及誤差結果進行數據逼近;然后在此基礎上結合以經、緯步長均為30 km計算網格點上的運動結果，進行空間濾波計算，在核點經、緯步長為150 km等間隔的條件下，依據 (2) ～(3)式進行計算，可獲得二維經濾波后的運動結果 (圖1和圖6，圖中的五星為玉樹震中位置);最后，依據 (5) ～(6)式計算形變場的有關結果 (圖2～5，圖中藍點為測站位置，淺藍或淺黃線為斷層)。

2.1 水平運動場

1999～2007年研究區水平運動場是相對于區域整體無旋轉基準的水平運動場。從圖1a中可看出有序與差異活動信息突出。確切地說，青藏高原東北緣水平運動盡管各異，但并非雜亂無章。構造環境方面，研究區東鄰鄂爾多斯塊體，北側是阿拉善塊體，這兩個塊體都較為完整和堅固，因此不易變形。由于受北東向的擠壓 (圖4)以及東側與北側的阻擋，所以在研究區內產生形變。也就是說，這一運動是在北東向擠壓等環境作用下，區域內部產生的結果。產生形變的形態可以是多種多樣，但歸納起來有兩種基本特征:一種是垂直形變，即質元的“上出下入”;另一種是水平形變，即質元在水平方向上的移動。理論上，當物質受到擠壓產生位移時，位移的方向總是指向物質相對軟弱的部位。

由圖1a可以看出，研究區受到兩種初始運動的控制，一種是該區域南端受到了來自于北東向推擠控制，另一種是該區東端受到來自于西向運動 (北大南小)的控制;結合圖4所示的主應變方向可知，研究區東側主要起阻擋作用，這是因為擠壓應力的方向并沒有顯著的變化，因此可明確水平動力源來自于西南地區的北東向推擠。通過細部觀察發現，該區的北部 (阿拉善及附近的祁連構造帶)存在著順時針運動的跡象，即運動方向由東側的南西向逐漸變到西部的北西向。雖然運動的量級越往西越大 (西端約7 mm/a)，但變化的值域范圍并不大，且基本呈線性變化。同理可知該區域東南部西端北北東向運動隨著向東南地域的縱深其方向也在有序的變化著，到該區的東南端其優勢運動方向已指向南;運動大小也發生了變化，東端約5 mm/a，向西逐漸變小。結合區域北部的結果，進一步證明了東側鄂爾多斯塊體、北部阿拉善塊體具有較剛性的阻擋作用，故而迫使物質不得不向兩端運移。研究區西南區域的運動形態呈扇形展布，這種展布與物質逐漸向西北和東南2個方向的運移是相輔相成的;該地區最大運動位于其西南部，最大運動速率約18 mm/a，隨著向西北、東南和東的延伸而逐漸變小。總之，在研究區域內物質運移的方向變化和地殼形變幾乎處處可見，因此必然會導致該區域構造活動強烈、分布范圍寬廣;運動上表現為大小與方向不能始終如一，這是該區現今趨勢性水平運動的基本特征。

圖1 1999～2007年 (a)和2009～2011年 (b)青藏高原東北緣地區水平運動場Fig.1 Horizontal movement field in Northeastern Tibetan Plateau area from 1999 to 2007(a)and from 2009 to 2011(b)

2009～2011年研究區的水平運動場如圖1b所示，從輪廓上看，該水平運動場與1999～2007年相似，但細微差異在某種程度上是可辨的。對比圖1 a與圖1b可知，首先是地域性的運動所示不同，例如2009～2011年間研究區北部的阿拉善及周邊的運動速率比1999～2007年大1～2 mm/a，運動方向也略有變化，由原來順時針旋轉運動的趨向變為逆時針旋轉運動;區域南部的運動較圖1a也大，其西側運動速率較大是由玉樹地震同震與震后地殼的破裂活動和調整性活動所致，其東側運動速率較大的原因是汶川地震“疏通了”龍門山斷裂帶的壓性右旋活動，故而使其物質向東南運移，且速度明顯加快。這也說明震后的調整還在持續中。此外，研究區北部西側的運動方向與東側并未保持同步，前者為北西向與以前相同，后者為南東東向與以前不同。這樣的結果固然與這兩次地震有某種關系，可能也顯現了構造活動的一些其他信息，因為圖1a的結果較難解釋斷裂帶西側構造活動的“常態性”，圖1b的結果可給出合理的解釋;換言之上述結果或許還可為我們顯現區域構造活動較初始的或常態性質的某些信息，而1999～2007年的運動只是某一階段運動的展現，并非一定是恒定不變的狀態。

2.2 最大主應變

圖2所示為1999～2007年和2009～2011年兩個時段青藏高原東北緣最大主應變率。理論上最大主應變為負值時，所在區域則處在圍壓的受力狀態。從圖中可以看出，這樣的狀態是存在的。事實上，地殼介質的各項同性并不太理想，這也是大震分布非隨機分布的原因。圖2a顯示研究區最大主應變率值有正有負，空間分布也并非均勻，這除了體現了地殼介質的非均勻性，同時也可能體現區域應力場的差異狀態;但總體正值的空間分布占優勢。最大的張應變區位于玉樹地震區的周圍，該區域的正值范圍也相對較大。結合圖4a可知，張應變產生的一個重要原因是北東向的擠壓導致北西向的引張;然而，從大震的孕育角度看，由于玉樹孕震體在震前的相對閉鎖使得構造左旋活動向周邊轉移，因此也加大了北西向張應變，導致了玉樹北側的高應變值和相對集中的應變空間。圖4a中張、壓應變率大小的尺度也證明了這一點。2009～2011年與1999～2007年的最大主應變率相似程度并不明顯，這說明主應變在大小上有了較大的變化。除了震中區由于左旋破裂而導致的較高張應變外，其北部較高張應變的空間范圍及大小都減小，甚至還出現了負值。就機理而言，因為伴隨著地震的發生出現了玉樹斷裂帶的左旋破裂，因此致使其北部在一定的時間內失去了東南向的牽引。此外，在此時段內張、壓應變有北東向條帶狀展布的跡象，故伴隨西北向具有張、壓交替波浪式分布跡象。雖然1999～2007年的張應變也有優勢性北東向條帶狀，但波浪式的交替并不清晰。因此，它們在時間上的動態變化是存在的，尤其在震源體的周圍地區。

圖2 1999～2007(a)和2009～2011年 (b)青藏高原東北緣最大主應變率 (單位:10－9/a)Fig.2 Maximum main strain rate in Northeastern Tibetan Plateau from 1999 to 2007(a)and from 2009 to 2011(b)(unit:10－9/a)

2.3 最小主應變

與最大主應變相輔相成的另一應變參數是最小主應變。由圖3a可以看出，最小主應變的空間分布較為有序，主要呈條帶狀分布，且無張性空間存在。最小主應變率最小值為－35×10－9/a，且呈條帶狀分布，其空間區域恰好位于祁連構造帶上。表明祁連構造帶是該區域現今最為活躍、形變也較大的構造帶。另一個最小值的分布條帶位于研究區的南邊緣，其展布大體與祁連構造帶平行，最小值近－30×10－9/a，但有序性略差，表明了該條帶是研究區另一個構造活動較強的區域。玉樹斷裂帶的活動并不太大，可能體現了形變的虧損特征。其他地區壓性應變均不大。該時段最小主應變率大小的空間分布基本上為北東向的交替空間變化。2009～2011年的最大主應變率 (圖3b)也體現了大小交替空間變化的特征。除玉樹震源區和汶川附近地區外，其數值變化范圍一般在 (－60～25) ×10－9/a之間，區內出現了張性應變;其有序性也不如1999～2007年間，形態頗為復雜。盡管最小主應變大小的分布特征與上一期相似，但變化也是可見的，如最小值優勢性條帶的展布方向在1999～2007年時段為北西向，2009～2011時段卻為北北西向。但總的來說，靠近震源區的變化較大些，其他地區相對小一些。

2.4 主應變方向和大小

筆者以張量形式展現主應變方向和大小的空間分布狀態 (圖4)。圖4a的結果表明區域主壓應變優勢方向為北西—南東向，在空間上雖有變化，但有序性較好。從宏觀上看，自西向東主壓應變的方向從西部的北西—南東向變到東部的近東西向。這可能是由于西南印度板塊向北推擠的過程中受到阻擋迫使物質不得不向東北流動，在此過程中又受到東側的鄂爾多斯塊體阻擋，因此主壓應變方向發生了變化，這是1999～2007年主應變方向的基本特征。2009～2011年顯示主應變大小的空間差異較突出 (圖4b)，但主應變方向除玉樹地震區差異變化稍大以外，其它地區的一致性仍保持的較好，與1999～2007年的結果相比沒有明顯的差別。這說明地震發生后，盡管區域形變有所不同，區域應力的大小也有所變化，但應力作用的方向仍保持不變。

圖3 1999～2007(a)和2009～2011年 (b)青藏高原東北緣最小主應變率 (單位:10－9/a)Fig.3 Minimum main strain rate in Northeastern Tibetan Plateau area from 1999 to 2007(a)and from 2009 to 2011(b)(unit:10－9/a)

圖4 1999～2007(a) 和2009～2011年 (b)青藏高原東北緣主應變方向及大小Fig.4 Direction and size of main strain rate in Northeastern Tibetan Plateau from 1999 to 2007(a)and from 2009 to 2011(b)

2.5 面應變

面應變是反映形變狀態另一種描述參量，在受力狀態下可觀察面的膨脹與收縮的大小及在空間上的分布。1999～2007年的面應變率如圖5a所示，從應變率的膨脹與收縮空間范圍來看面收縮占優勢，這表明該區是以壓性為主的方式積累應變能。應變大小的空間分布除西南與東北角為面膨脹外其余區域基本為面收縮，面收縮較大值主要分布在祁連帶上，最大絕對值均位于玉樹地震和汶川地震震中的周圍地區，說明大震的孕育有著深刻的形變背景。且大震之后這一格局明顯被打破，原有的狀態不復存在 (圖5b)，震中及周圍地區變化最突出。結合圖4發現，盡管面應變的空間形態已改變，但主應力方向并沒有變化。因此，筆者推測得知:區域應力場的震后調整基本上是在大小上而并非在方向上，形變的變化由其大小變化所生，且這一狀態還可能表明形變的調整目前尚未結束。

2.6 最大剪切應變率

1999～2007年最大剪切應變率結果 (圖6a)表明，較大的值域呈條帶狀展布在區域內，一個位于祁連帶，另一個位于其南面靠近區域南端且與其平行的條帶上，最大值分別位于祁連帶的東端和其相鄰南帶的西端 (玉樹震中的北側)，約為27×10－9/a。此外的其他區域最大剪切應變率值均較小，整體上構成了以條帶狀展布、大小相間的“波浪式”分布狀態，體現了該區剪切式構造活動的不均勻性及有序性。大震之后玉樹震中及周圍地區的剪切應變值最大接近120×10－9/a(圖6b)，但其空間范圍有限。靠近汶川地震震中的地區剪應變也較大。除此之外，原有的應變格局也有一定變化，表現在有序性和“波浪式”變化不如以前突出，“南大北小”也是其一個變化特征，反映了震后區域最大剪切應變率也發生了較大的調整。

圖5 1999～2007(a)和2009～2011年 (b)青藏高原東北緣面應變率 (單位:10－9/a)Fig.5 Plane strain rate in Northeastern Tibetan Plateau from 1999 to 2007(a)and from 2009 to 2011(b))(unit:10－9/a)

圖6 1999～2007(a)和2009～2011年 (b)青藏高原東北緣最大剪切應變率 (單位:10－9/a)Fig.6 Maximum shear strain rate in Northeastern Tibetan Plateau from 1999 to 2007(a)and from 2009 to 2011(b)(unit:10－9/a)

2.7 水平旋轉量

水平旋轉量不但可描述局域單元旋轉活動的大小，還可描述斷裂帶走滑活動的性質與大小，但又不同于通常意義的剪切應變，所以根據其含義稱其為旋剪形變量。如圖7a所示，1999～2007年的水平旋轉率的正負在空間上的分布比較有序，左旋活動 (綠色區域)與右旋活動 (紅色區域)呈區域性展布。祁連帶為左旋活動帶，旋剪形變最大部位位于該帶東端，數值超過12×10－9rad/a;另一個左旋剪形變區域位于玉樹地震區的北部，最大達18×10－9rad/a。除此之外，基本上為右旋活動區，最大數值位于祁連帶東端的南部，超過21×10－9rad/a;靠近汶川震區的部位也比較大，余下的其它地區則相對較小。這說明汶川、玉樹地震也有著旋剪形變的背景，同時也說明除了其他性質的形變外還存在著較為明顯的旋剪變形，這為我們深入研究區域形變特征與機理提供了另一個角度。2009～2011年的水平旋轉率結果同樣比較復雜 (圖7b)。一方面是數值比較大 (最大約為70×10－9rad/a)，另一方面是由于原有的圖像特征遭到了不同程度的破壞。例如區域南部變為以左旋活動為主，這說明通過汶川與玉樹地震的活動，其南部物質較北部向東流動更快。區域北部原有的形變性質雖留有痕跡，但正負的空間分布與范圍有某種程度的變化，這說明這兩個地震也影響到區域北部。但就整體來說，越遠離震中影響的程度就越弱。

研究資料中的兩個時間段長度并不相同。一般資料間隔時間越長，其處理結果的相對誤差就越小，時間軸上高頻運動成份在速度中所占的比重就越低，趨勢性運動特征就更加明顯，反之亦然。所以，理解上述對比分析時應該考慮這樣的背景，即使時段長度相同，若時間長度較短也需考慮這樣的背景。

圖7 1999～2007(a)和2009～2011年 (b)青藏高原東北緣水平旋轉率 (單位:10－9rad/a)Fig.7 Horizontal rotation rate in Northeastern Tibetan Plateau from 1999 to 2007(a)and from 2009 to 2011(b)(unit:10－9rad/a)

3 結語

綜上所述，以汶川地震、玉樹地震為界，青藏高原東北緣地區的形變前后有很大的不同，表現在各種應變與形變參量的大小及在空間上的分布上，這表明震后的調整是明顯的并還在持續中，影響的范圍也是較大，但主應變的方向這個參量基本不變。這可能說明區域應力場的調整主要是在大小上。這一現象是否有一定普遍性還需進一步研究。震后形變場的調整可以較大，反應在數值上明顯高于震前、形變狀態也迥然不同。目前這種調整似乎還未結束。但是，由于研究區是中國大陸主要的運動削減和轉化區，這種調整與區域內強震孕育是否有明顯的關系尚難給出定論，因此有必要進一步跟蹤監測。

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Horizontal Deformation of the Northeastern Edge of Qinhai-Tibetan Plateau before and After Largre Earthquake Reflected by GNSS Data

YANG Guo-hua，YANG Bo，ZHAN Wei，LIU Zhi-guang，LIANG Hong-bao
(First Crust Monitoring and Application Center，CEA，Tianjin 300180，China)

Based on the GNSS observation data and its processing result from 1999 to 2007 and from 2009 to 2011 in the northeastern edge of Qinghai-Tibetan plateau，we analyzed the horizontal deformation field and its variation before and after Wenchuan M8.0 and Yushu M7.1 earthquakes.The results show as follows:(1)The rate and direction of horizontal movement changed obviously，but it was clear and ordered，its relatively movement was within 15mm/a from 1999 to 2007.Although the movement profile from 2009 to 2011 was similar as before，there was little difference especially in the region near by the epicenters.(2)The principal compressive strain from 1999 to 2007 had more orderliness and consistency.Its value is between ±35×10－9/a and its superior direction is SE-NW.The region of maximal principal compressive strain showed zonal distribution and located in Qilian tectonic zone.The size and space distribution of maximal principal compressive strain from 2009 to 2011 is different，the maximal value of principal compressive strain near by the epicenter is about 180 × 10－9/a.However，the direction of it remained the same.(3)The space distribution of the maximal shear strain rate from 2009 to 2011 showed a banding distribution along the north-west direction，the more value of bending which lay in Qilian tectonic belt was 27 ×10－9/a.The spatial shape of the maximal shear strain rate from 2009 to 2011 is different from the result of 1999～2007，the maximum value of the strain rate from 2009 to 2011 which lay in the epicenter and its adjacent region was 120×10－9/a.The strain rate in the other region is less.(4)The revolving shear deformation from 1999 to 2007 showed bending distribution along North-West direction and was orderly alternate change with left-lateral and dextral.However，the state of revolving shear deformation from 2009 to 2011 was not clear，and there was the maximum value was around epicenter and its adjacent area.In a word，there were major changes of crustal deformation after earthquakes and it might be on still.

northeastern edge of Tibetan Plateau;horizontal deformation;Wenchuan M8.0 earthquake;Yushu M7.1 earthquake

P315.7

A

1000－0666(2012)03－0295－08

2012－03－05.

行業科研專項GNSS地殼形變場相關信息的提取及在地震趨勢預測中的應用 (201208006)資助.