南北地震帶近期地殼水平運動變化分析*

蔣鋒云，張曉亮，張　希，王　偉

(1.中國地震局第二監測中心，陜西 西安 710054；2.中國地震局地震研究所，湖北 武漢 430071)

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南北地震帶近期地殼水平運動變化分析*

蔣鋒云1，張曉亮1，張希1，王偉2

(1.中國地震局第二監測中心，陜西 西安 710054；2.中國地震局地震研究所，湖北 武漢 430071)

摘要：對2009、2011及2013年3期陸態網絡流動GPS觀測資料進行了處理，獲得了2009～2011及2011～2013年兩個時間段南北地震帶地殼水平運動速度圖像。參考1999～2007年網絡工程流動GPS速度場結果，分析了南北地震帶近期地殼水平運動場與應變場變化特征，認為近期地殼運動變化受汶川地震震后影響較大。2013年蘆山7.0級地震和岷縣漳縣6.6級地震是2008年汶川8.0級地震震后應力場調整觸發的結果。

關鍵詞：南北地震帶；GPS；應變場；汶川8.0級地震；蘆山7.0級地震；岷縣漳縣6.6級地震

0引言

中國大陸中部發育著著名的南北向構造帶，由于其控制著一系列歷史強震的發生也稱為南北地震帶，該帶北起鄂爾多斯地塊西緣，跨越秦嶺、穿過龍門山，再沿鮮水河—安寧河—小江斷裂帶向南延伸至緬甸境內，成為分隔中國大陸東部相對穩定的鄂爾多斯高原、四川盆地和華南地塊與西部強烈隆升的青藏高原之間的邊界活動構造帶(張培震，2008)。深部地球物理探測和大地測量及地形地貌表明，該帶不僅是地殼厚度梯度帶和重力梯度帶(馬杏垣，1978)，也是中國大陸現今地殼運動和歷史構造活動最為強烈的區域之一。自2008年南北地震帶中段的龍門山斷裂發生汶川8.0級地震后，該區域地殼形變發生了顯著的變化。許多學者從不同的時間和空間尺度對該區域近期地殼運動特征進行了分析與研究(蔣鋒云等，2013；唐紅濤等，2014；方穎等，2014)。在分析該區域構造形變背景特征的基礎上，本文主要分析了利用流動GPS觀測獲得的汶川地震震后兩個時段地殼水平速度場及計算的應變場的變化特征。

1資料來源及處理

資料主要來源于2009、2011及2013年“中國大陸構造環境網絡”項目(簡稱“陸態網絡”)在南北地震帶觀測的GPS數據。采用GAMIT-GLOBK軟件對數據進行處理：首先利用GAMIT軟件獲得GPS測站坐標、衛星軌道及臺站對流層天頂延遲等參數及其方差協方差矩陣的單日松弛解(H文件)，解算時采用SOPAC數據中心提供的精密星歷文件，并將中國大陸及周邊分布均勻、穩定性較好的19個國際IGS永久跟蹤站一并參與解算，對這些IGS站坐標根據實際情況給出合理的坐標約束，對區域站則進行較為寬松的約束。其次，利用GLOBK軟件(卡爾曼濾波)進行多時段綜合解，獲得網平差結果。在此過程中，我們把解算獲得的區域站單日松弛解和全球IGS站單日松弛解捆綁在一起，并選取全球均勻分布的90多個穩定站為基準點，將區域站速度場固定到ITRF2008框架下。最后通過基準變化，獲得相對穩定歐亞板塊的2009～2011年及2011～2013年兩個時間段速度場。1999～2007年速度場主要采用鄭文俊等(2009)給出的結果。

2水平運動速度場及應變率場

2.1水平運動特征分析

為了便于后續的分析，將區域的主要斷裂及發生的主要地震在圖1中標出。斷裂分布位置以鄧起東等(2002)給出的斷裂為主要依據。

圖2為南北地震帶3個不同時間段GPS水平運動速度場，總體來看其運動趨勢較為一致。從構造上來看，由于印度板塊向歐亞板塊俯沖，使得青藏高原向北、向東擴展，在這一過程中，由于受到周邊穩定阿拉善地塊、鄂爾多斯地塊及華南地塊的阻擋，其運動主要被高原內部及邊緣的地殼縮短增厚(Englandetal.，1986)和一系列大型走滑斷裂切割形成的塊體的擠出、旋轉(Tapponnieretal.，1982)所調整和吸收。鑒于“網絡工程”建立后，1999～2007年南北地震帶沒有發生過MS≥7.0、尤其是8級特大地震，因此可將汶川地震前的1999～2007年較長時間段GPS水平運動速度場近似看作研究區水平運動的本底趨勢形態來分析其運動特征，而用震后的2009～2011年及2011～2013年的運動狀態來分析與大地震發生有關的的水平運動變化的時間階段性特征。

F1：連山北緣—昌馬鄂博斷裂；F2：海原—六盤山—隴縣—寶雞斷裂；F3：青海南山—循化南山斷裂；F4：西秦嶺北緣斷裂；F5：東昆侖—塔藏斷裂；F6：龍門山斷裂；F7：甘孜—玉樹斷裂及鮮水河斷裂；F8：麗江—小金河斷裂；F9：川滇塊體東邊界(安寧河—則木河—小江斷裂)；F10：金沙江斷裂；F11：紅河斷裂

圖1研究區域主干斷裂分布及近期發生的主要地震

Fig.1The location of main fault and the recent major earthquake in the study area

從圖2a可以看出，現今水平運動的空間差異性主要體現在運動強度和運動方式上：

(2)運動方式的差異主要表現在：青藏高原東北部自西向東運動方向由NE、NEE、逐漸轉向E偏S的順時針緩慢扭轉運動，若以祁連—海原主干斷裂帶為界，則南側的這種扭轉運動顯著大于北側，形成顯著的劇烈擠壓和左旋剪切變形區，運動總體呈剪切、擠壓逆沖和扭動特征。研究區中部主要以巴彥喀拉地塊為主體，其向東運動受到華南地塊的阻擋，而在龍門山構造帶呈現擠壓為主、兼具走滑的運動特點。其北邊界東昆侖斷裂則主要表現為走滑為主，兼具逆沖的變形特征。而南邊界鮮水河斷裂兩側地殼運動基本上平行于斷裂，且南側運動速率明顯大于北側，反映了鮮水河斷裂以左旋走滑為主。在南北地震帶南部，地殼運動主要呈現為圍繞喜馬拉雅東構造結的順時針旋轉運動，這一順時針運動的外圍邊界以鮮水河—大涼山—則木河—小江斷裂巨形弧形左旋剪切帶為界，主體區域主要為川滇菱形塊體及其以南至緬甸板塊的區域。具體表現為：川滇菱形地塊以NE向的劍川、麗江—小金河斷裂為界，運動方向由SE向SSE偏轉；滇西南地區以NW向的紅河斷裂為界，運動速率明顯弱于川滇菱形地塊，運動方向也逐漸由SSE向S偏轉，而接近西緣近NS向的怒江—永德龍陵和瀾滄—勐遮斷裂對本區順時針運動速率起到一定的屏蔽和吸收作用，其西側GPS點甚至呈現SSW向運動。這些與新構造

時期以來的本研究區構造運動的繼承性趨勢較一致。反映了現今水平運動受控于青藏高原北向推擠、東向擠出和繞東構造結旋轉作用。

相比圖2a、b反映了該區域幾次主要地震，特別是汶川8.0級地震對區域地殼運動的震后影響，圖2c為震后更長時間區域地殼水平運動。為了從一個較大的空間尺度定量地反映這些變化對主要構造部位的影響，借助剖面分析方法，選取3個剖面(圖2中矩形框)進行投影。SE向剖面主要跨越龍門山斷裂汶川地震主破裂段；NE向剖面主要跨越西秦嶺、六盤山斷裂帶；EW向剖面跨越川滇菱形塊體東邊界安寧河北段、大涼山斷裂、馬邊—鹽津斷裂。對于SE向剖面和NE向剖面，由于GPS運動優勢方向主要沿著剖面裂的遠近投影得到跨斷裂地殼水平運動速度投影圖3、圖4。而對于EW向剖面，由于剖面走向基本上垂直于斷裂的走向，而GPS速度運動方向主要平行于斷裂走向(垂直于剖面走向)，所以我們沿平行于斷裂方向(垂直于剖面走向)投影，按距離斷裂的遠近投影得到跨斷裂地殼水平運動速度投影圖5。

從圖3可以看出，汶川地震前(1999～2007年)，在六盤山斷裂的西南側沿NE向剖面走向地殼運動表現為明顯的線性縮短，在將近500 km的范圍內地殼運動速率縮為10 mm/a，線應變達到2×10-8/a。在六盤山附近則表現為明顯的位移虧損(運動受阻)，應變明顯減小。這可能反映了六盤山斷裂處于長期的強閉鎖特征。汶川地震后(2009～2011年)，NE向剖面投影顯示，在西秦嶺斷裂附近出現明顯的運動受阻，西秦嶺以北相對以南應變減弱。可能反映了汶川地震發震構造的劇烈逆沖和右旋錯動導致西秦嶺構造帶擠壓增強，從而引起相關斷裂閉鎖(王雙緒等，2013)。而2013年7月22日甘肅岷縣漳縣6.6級地震正是發生在西秦嶺北緣斷裂附近。2011～2013年圖像和2009～2011年較為相似，只是西秦嶺北緣斷裂以南地殼北東向運動相對前兩個時間段有所增強。

從巴彥喀拉地塊東緣至成都平原，沿著GPS速度運動的優勢方向，跨越汶川地震主破裂段的GPS站水平運動速度投影(圖4)結果顯示：汶川地震前(1999～2007年)，龍門山發震斷裂附近地殼水平相對運動速度較小，存在位移虧損特征，具有孕震背景(圖4a)；2009～2011年龍門山斷裂及其西側附近GPS站SEE向運動速度高達25 mm/a，而成都平原GPS站速度仍與前一段時間相差不大，斷裂兩側運動幅度差異懸殊(圖4b)，反映了汶川地震發震構造破裂錯動，地震破裂帶西側巨幅逆沖為主的地殼運動釋放了長期擠壓閉鎖積累的應變能之后，震后仍存在非常明顯的余滑，幅度達到15 mm/a；2011～2013年結果反映了隨時間的推移，斷層兩側震后余滑減弱(10 mm/a)，斷層西側GPS站水平運動速度趨勢特征和2009～2011年相反，逐漸恢復到震前的特征。

跨越川滇塊體北東邊界的近EW向剖面(圖5)顯示，1999～2007年平行于斷裂速率，從西向東呈逐漸衰減的特征。由于剖面內地殼運動主要為平行與斷裂的運動，且斷裂西側速度明顯大于其東側，表明該區域主要以左旋剪切變形為主。剖面所跨安寧河—則木河斷裂、昭覺—小江斷裂及馬邊—鹽津斷裂正處在水平剪切變形梯度帶上，該區域也是歷史構造活動相對活躍的區域，特別是安寧河—則木河斷裂和馬邊—鹽津斷裂歷史上多次發生M≥6.0強震。2009～2011年相比1999～2007年，安寧河斷裂的西側平行于斷裂的速度有所增強，表明斷裂附近汶川震后應變能積累存在一定的加速，這種加速有可能觸發中強地震的發生。到2011～2013年，剖面投影形態和1999～2007年接近，反映了隨著時間的推移汶川震后影響逐漸減弱。

2.2應變率場特征分析

有關應變率與強震活動之間的關系，許多學者做了大量的研究。張國民等(1999)結合垂直形變資料，通過理論分析、實際資料對比與計算機模型研究等方面討論了地殼應變速率與地震活動水平之間的關系，并認為在地震孕過程中，應變率的增大可能是強震臨近的反映。江在森等(2003)對GPS水平面應變率及最大剪應變率的震例分析總結認為，與構造背景相一致的面應變、剪應變的高值區及其邊緣梯度帶是未來強震可能發生的危險區域。

以上結論具有普遍的指導意義，但在具體應用時，由于實際地殼運動非常復雜，不僅包含彈性變形，而且包含斷層的蠕滑、強震的同震錯動、震后余滑等等，需要在分析應變場的時候，不僅要考慮區域構造背景特征，而且要考慮顯著地震的影響。下面我們主要對南北地震帶上述3個時間段水平面應變率和最大剪應變率場，結合該區域幾次顯著地震和繼承性構造變形背景，在探討該區形變應變機理的基礎上，分析汶川震后形變應變場變化特征。主應變率、面應變率和最大剪應變率采用最小二乘配置計算獲得(張希等，1998)。

1999～2007年主應變率和面應變率(圖6a)反映了南北地震帶背景應變場特征，由圖可見，以逆沖推覆構造為主的祁連山構造帶、西秦嶺構造帶、六盤山構造帶及龍門山構造帶面應變均表現為顯著壓性特征。川滇塊體東邊界雖然構造上以左旋走滑為主，但仍然表現為壓性特征，顯示其具有一定的逆沖特征。而在羌塘塊體的東部和川滇菱形塊體中西部及其西南部的保山地塊面應變為張性，可能是由于高原物質沿著喜馬拉雅東構造結順時針旋轉逃逸過程中，中下地殼流變層拖拽、隆升、分流等多種作用力共同影響的結果(張培震，2008；王慶良等，2008；王雙緒等，2013)。

2009～2011年主應變率和面應變率(圖6b)分布相比1999～2007年量值明顯偏大，空間分布非均勻性也增強。變化主要體現在：(1)龍門山斷裂西北部的東昆侖斷裂至西秦嶺北緣斷裂區域，表現為與背景應變場(圖6b)一致的增強特征，有利于該區域中強地震的發生；(2)由于斷層震后余滑效應，龍門山斷裂帶呈現顯著的壓應變增強特征，而巴彥喀拉地塊內部由于震后松弛表現為張性；(3)祁連山構造帶至海原斷裂北東向壓性應變均存在不同程度的增強；(4)小江斷裂中南段則由之前的壓性轉換為張性。此外2010年玉樹地震的同震動影響顯著，沿斷裂在震區東南側出現壓應變高值區。

2011～2013年面應變率和主應變率空間分布和2009～2011年基本一致，只是量值普遍有所減弱，反映了汶川地震、玉樹地震后該區域應力場的調整、恢復過程。具體表現為：(1)東昆侖至西秦嶺一帶仍然處于汶川震后恢復階段，顯示出高應變積累特征；(2)龍門山斷裂震后余滑有所減弱，而其南部的川滇塊體東邊界安寧河—則木河段仍處于高應變積累特征；(3)祁連山構造帶至海原斷裂帶基本上恢復到和背景場一致的特征。

圖7顯示了3個時間段最大剪應變率的大小和主應變率，1999～2007年最大剪應變率顯示，整個南北帶最顯著的高值區為川滇塊體東邊界，主要包括鮮水河—安寧河—則木河—小江斷裂，反映了高原物質東南向逃逸過程中和巴彥喀拉塊體、華南地塊之間顯著的相對運動。其次，祁連山—海原構造帶也顯示較高的最大剪應變分布，反映了青藏高原物質北東向運動受到阿拉善地塊和鄂爾多斯地塊阻擋之后，在其東北邊緣產生強烈的逆沖推覆、旋轉走滑等構造運動。最后，東昆侖構造帶東段和西秦嶺構造帶之間，主要包括東昆侖斷裂東段、塔藏斷裂、迭部—白龍江斷裂、臨潭—宕昌斷裂等，也顯示相對較高的最大剪應變率分布，反映了巴彥喀拉地塊東部北邊界和甘東南區域強烈的逆沖推擠、剪切走滑作用。以上3個部位也是區域內歷史地震發生相對密集的區域。2009～2011年最大剪應變率由于受到汶川地震的影響，相對1999～2007年整個區域量值明顯偏高，特別是上述三個背景應變場高值區域。此外，由于汶川地震震后、玉樹地震同震的影響，在龍門山斷裂帶和鮮水河斷北段存在顯著的最大剪應變高值分布。2011～2013年最大剪應變相比2009～2011年整體有所減弱，可能反映地殼運動處于汶川地震、玉樹地震震后隨時間的恢復調整階段。而相對2009～2011年最大剪應變率有所增強的部位為鮮水河斷裂東段、龍門山斷裂和安寧河斷裂北段的交匯部位，也是川滇塊體、巴彥拉地塊和華南地塊三大塊體的交界區，考慮到該區是背景應變高值區，未來一年及稍長時間應注意中強地震的發生。

就應變場與強震的對應關系上來看，該區域幾次中強地震，均發生在背景應變場應變量值較高、且近期應變顯著增強區域或其邊緣部位。如2013年4月20日發生于龍門山南段的蘆山7.0級地震、2013年7月22日發生于臨潭—宕昌斷裂的岷縣漳縣6.6級地震。2014年5月30日發生的云南盈江6.1級地震也具有相似的應變場特征。

3結論

通過上述對南北地震帶地殼背景形變應變場和近期地殼形變應變場的動態分析，可以看出，汶川地震震后變形對研究區形變應變場影響較大，蘆山地震和岷縣漳縣地震是汶川地震震后應力場調整過程中，在已有中強地震形變孕育背景的構造部位形成應力觸發作用的結果。由于沒有汶川地震之前玉樹地震之后的水平形變資料，本文沒有進一步研究汶川地震之后玉樹地震之前該區域形變應變特征。但相關研究(程佳等，2011)認為汶川地震同震及震后變形對玉樹地震具有觸發作用。就大尺度近期地殼形變應變場而言，應注意東昆侖斷裂東段至西秦嶺北緣斷裂之間和鮮水河斷裂東段至安寧河斷裂北段之間發生6級以上強震的危險性。

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We derived the crustal horizontal velocity field at North-South Seismic Belt in two periods of 2009～2011 and 2011～2013 by processing the GPS observation data from TEONC(China Tectonic Environment Observation Network)in 2009，2011 and 2013. Contrast with the GPS velocity field during 1999 and 2007 from CMONC(China Crustal Movement Observation Network)，we analyzed the recent variations characteristic of crust horizontal velocity field and strain field at the north-south seismic belt and considered that the recent variation of crust movement was mainly influenced by post-seismic effect of WenchuanMS8.0 earthquake. The Lu-shanMS7.0 earthquake and Minxian-ZhangxianMS6.6 earthquake were the trigging result of post-seismic stress field adjustment of Wen-chuanMS8.0 earthquake.

Key words：North-South Seismic Belt；GPS；strain field；WenchuanMS8.0 earthquake；LushanMS7.0 earthquake；Minxian-ZhangxianMS6.6 earthquake

*收稿日期：2014-07-21. 基金項目：陜西省自然科學基礎研究項目(2014JM2-4039)和國家自然基金青年基金—海原斷裂震間滑動和地震周期變形的GPS研究與構造意義(41404015)聯合資助.

中圖分類號：P315.7

文獻標識碼：A

文章編號：1000-0666(2015)02-0229-08

Analysis on Recent Crustal Horizontal Movement Variation of South-North Seismic Belt

JIANG Feng-Yun，ZHANG Xiao-liang，ZHANG Xi1，WANG Wei2

(1.The Second Crust Monitoring and Application Center，CEA，Xi’an 710054，shaanxi，China) (2.Institute of seismology，CEA，Wuhan 430071，Hubei，China)

Abstract