小江斷裂帶地殼運動特征及地震危險性研究

劉耀輝，李金平，王劉偉

（1．云南師范大學 旅游與地理科學學院，云南 昆明650500；2．西部資源環境地理信息技術教育部工程研究中心，云南 昆明650500）

青藏高原東緣是現今大陸構造運動和地震活動最為強烈的地區。川滇塊體位于青藏高原的東南邊，新生代以來物質東流及阿薩姆（Assam）頂點楔入作用，使該地區構造活動復雜，活動強烈。小江斷裂作為區域內的一條大型活動斷裂和強震發生帶，1500年以來小江斷裂帶上發生10多次大于6級的地震。活動斷層分段及其長期滑動速率是進行中長期強震危險性研究的重要依據［1］，許多學者采用傳統地質方法和數學方法研究小江斷裂帶的走滑速率和地震危險性。聞學澤等［2－3］利用歷史地震資料和數學方法研究小江斷裂帶地震危險性，認為東川以南至嵩明段、澄江至華寧段未來復發強震或大震的可能性較大。

近年來，GPS技術越來越廣泛地應用于大地地殼運動和形變研究，以GPS觀測速度場為約束條件，結合地質學成果，可以更精確地得到斷裂帶的三維地殼形變特征，從而判斷斷裂帶中長期的地震危險性。許多學者基于GPS數據和不同的位錯模型對小江斷裂帶的運動特征進行深入研究［4－7］，程佳等［8］以GPS速度場為約束，利用彈性位錯模型反演滑動速率，根據錯動距離及復發周期分析臨震危險程度，認為小江斷裂帶蒙姑－東川段、東川－尋甸段和宜良－澄江段危險程度較高。李煜航等［9］基于線性球面塊體模型理論 利用GPS數據反演得到青藏高原東緣主要活動斷裂滑動速率和地震矩積累，認為小江斷裂南段地震矩虧損明顯。

本文根據1999～2013年間的川滇地區的GPS速度場數據，使用彈性塊體模型反演計算小江斷裂帶的斷層閉鎖程度、滑動虧損分布和滑動速率，分析斷層深淺部三維地殼特征，同時結合小江斷裂帶歷史地震資料，估算小江斷裂帶未來地震最大震級，為斷裂帶強震中長期預測提供參考。

1 小江斷裂帶運動特征反演研究

1．1 塊體模型

彈性塊體模型可以表征復雜區域內斷層形變活動和運動學特征。在塊體內部不存在整體均勻應變的 前 提 下，Mc Caffrey［10－11］提 出 了 一 個 三 維 彈性塊體位錯模型，其原理如下：

式中各參數的定義見文獻［10］，相應反演程序為DEFNODE［12］。

閉鎖程度用閉鎖系數來描述：

式中：v和V0分別代表斷層的實際滑動速率和根據地塊相對運動計算的理論速率；φ的取值范圍為0～1，φ＝1表示斷層完全閉鎖，φ＝0表示斷層蠕滑。

1．2 GPS數據和節點設置

GPS數據主要來自于“中國地殼運動監測網絡”1999～2013年間川滇地區GPS水平速度場。采用美國JPL的GIPSY軟件進行嚴密的數據處理，獲得各站點坐標的單日松弛約束解，再應用QOCA軟件進行所有單日松弛約束解的聯合平差，獲得各站點在ITRF2008下的站點坐標及速度矢量，最后考慮斷裂分布以及測站的位置，剔除誤差較大的站點數據。GPS測站速度場如圖1所示。

反演將初始斷層閉鎖深度設置為20 k m，節點深度方向從地表起依次為0．1 k m，6 k m，12 k m，16 k m，20 k m。每條等深線上有8個節點，垂直等深線方向有5排節點。

1．3 斷層閉鎖程度

圖1 研究區GPS速度場（相對于歐亞板塊）

圖2 閉鎖程度

1．4 滑動虧損速率

小江斷裂帶在地表以下6 k m的滑動虧損速率約為（9．2±0．4）mm／a，在6～12 k m處滑動虧損速率約為（7．7±0．5）mm／a，12～16 k m處的滑動虧損速率約為（5．3±0．5）mm／a，16～20 k m處整條斷裂帶逐步轉變為蠕滑。小江斷裂帶在地表以下0～12 k m滑動虧損速率較高，滑動虧損積累較高，與斷層閉鎖程度對應，表明斷裂帶積累了相當的能量。

1．5 走滑速率

小江斷裂帶依然作左旋走滑活動，其北段走滑速率約為（12．1±0．4）mm／a，拉張速率為（2．1±0．6）mm／a；中段走滑速率約為（10．8±0．5）mm／a，拉張速率為（1．2±0．4）mm／a；南段走滑速率約為（10．2±0．2）mm／a，拉張速率為（1．8±1．1）mm／a，如圖3所示。與其他學者反演結果具有較好的一致性［4－9］。

圖3 走滑速率

2 地震危險性分析

地震危險性分析根本在于估算斷裂帶斷層上未來發生地震的最大等級。長期以來國內外很多學者用歷史地震數據和儀器數據研究分析地震震級與地表破裂長度、面積、頻度、斷層分布和走滑速率的回歸關系［13－14］。一些學者研究發現地震回歸時期的地震等級與地震發生時的構造環境存在依賴關系。Wes mpisky等［15］把斷裂帶分成高走滑速率和低走滑速率，分析認為地震發生時斷層的走滑速率有助于地震危險性研究分析。Anderson等［16］使用全球43個歷史地震數據，得出矩震級、破裂長度和斷層走滑速率的關系方程：

式中：L為地表破裂長度，k m；S為斷層走滑速率，mm／a。

文獻［2，17］研究得到小江斷裂帶不同分段區間歷史上發生的最大地震如圖4所示。如果這些區域再次復發地震，利用式（3）得到未來發生地震的最大震級：小江斷裂帶北段（巧家－東川）的震級約為7．2級，中段的震級約為7．3級，南段（宜良－華寧）的震級約為6．9級，如表1所示。結果與小江斷裂帶較強的閉鎖程度和滑動虧損速率相吻合。事實上，近年來小江斷裂帶及附近區域活動頻繁，未來還會有較強的地震活動，應當引起注意。

表1 震級預測

圖4 歷史地震數據

3 結 論

采用1999～2013年間的川滇地區GPS速度場為約束，基于線性彈性塊體模型研究小江斷裂帶地殼運動特征，同時結合小江斷裂帶歷史地震資料分析未來地震危險性。結果表明，小江斷裂帶現階段處于應變積累時期，已積累了相當的能量。小江斷裂帶左旋走滑速率約為（10．2～12．1）mm／a，在地表以下6 k m小江斷裂帶閉鎖程度很高，閉鎖比例達到0．94，滑動虧損積累較大，滑動虧損速率約為（9．2±0．4）mm／a，未來小江斷裂帶可能發生地震最大震級為7．3級。到目前為止，小江斷裂帶已經181年未發生7級以上的大地震，未來發生大地震及特大地震的危險性較大，應引起足夠的重視和注意，加強斷裂帶活動性的監測和研究。

［1］ 丁國瑜，田勤儉，孔凡臣．活斷層的分段—原則，方法及運用［M］．北京：地震出版社，1993．

［2］ 聞學澤．小江斷裂帶的破裂分段與地震潛勢概率估計［J］．地震學報，1993，15（3）：322－330．

［3］ 聞學澤，杜方，龍鋒，等．小江和曲江－石屏兩斷裂系統的構造動力學與強震序列的關聯性［J］．中國科學：地球科學，2011，41（5）：713－724．

［4］ 申重陽，王琪．川滇菱形塊體主要邊界運動模型的GPS數據反演分析［J］．地球物理學報，2002，45（3）：352－361．

［5］ 王閻昭，王恩寧，沈正康，等．基于GPS資料約束反演川滇地區主要斷裂現今活動速率［J］．中國科學：D輯，2008，38（5）：582－597．

［6］ 程佳，徐錫偉，甘衛軍，等．青藏高原東南緣地震活動與地殼運動所反映的塊體特征及其動力來源［J］．地球物理學報，2012，55（4）：1198－1212．

［7］ 魏文薪，江在森，武艷強，等．小江斷裂帶的運動及應變積累特征研究［J］．大地測量與地球動力學，2012，32（2）：11－15．

［8］ 程佳，劉杰，甘衛軍，等．川滇菱形塊體東邊界各斷層段強震演化特征研究［J］．中國科學：D輯，2011，41（9）：1311－1326．

［9］ 李煜航，郝明，季靈運，等．青藏高原東緣中南部主要活動斷裂滑動速率及其地震矩虧損［J］．地球物理學報，2014，57（4）：1062－1078．

［10］MCCAFFREY R．Cr ustal block rotations and plate coupling［J］．Plate boundar y zones，2002：101－122．

［11］MCCAFFREY R．Block kinematics of the Pacific–North America plate boundary in the south wester n United States from inversion of GPS，seismological，and geologic data［J］．Jour nal of Geophysical Research：Solid Earth（1978–2012），2005，110（B7）．

［12］MCCAFFREY R．DEFNODE User＇s Manual Version 2007．10．25［J］．http：／／web．pdx．edu／～mccaf／www／def node／def node＿071025．ht ml，2007．

［13］KANA MORI H，ALLEN C R．Earthquake repeat time and average stress drop［J］．Earthquake Source Mechanics，1986：227－235．

［14］SCHOLZ C H，AVILES C A，WESNOUSKY S G．Scaling differences bet ween large inter plate and intraplate earthquakes［J］．Bulletin of the Seis mological Society of America，1986，76（1）：65－70．

［15］WESNOUSKY S G．Earthquakes，Quater nary faults，and seis mic hazard in California［J］．Journal of Geophysical Research：Solid Earth（1978–2012），1986，91（B12）：12587－12631．

［16］ANDERSON J G，WESNOUSKY S G，STIRLING M W．Earthquake size as a f unction of fault slip rate［J］．Bulletin of the Seis mological Society of America，1996，86（3）：683－690．

［17］閔子群，沈斯偉．886—1981年云南地區M≥4．7地震目錄［J］．地震研究，1983，6（4）：695－711．