紅河斷裂帶閉鎖程度和滑動虧損分布特征研究

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）

印度／亞洲碰撞以來，在青藏高原東南緣形成許多大型韌性走滑斷裂，如嘉黎-高黎貢山斷裂帶、紅河斷裂帶和鮮水河-小江斷裂帶等。這些斷裂對區域內的地體構架以及碰撞造山系起到重要制約和改造作用，造成大量物質向南東及向南方向逃逸（側向擠出）［1］。紅河斷裂是位于云南省境內的大型走滑斷裂，是印支地塊與揚子地塊之間的邊界斷裂帶，也是川滇地塊的西南邊界，早期為左旋走滑后轉換為右旋走滑。紅河斷裂帶的構造活動強度表現出明顯的時空不均勻性或分段特征：北段（苴力以北）現今構造活動十分強烈，表現為伸展變形，中段（苴力至春元）表現為右旋剪切運動，南段（春元至紅河河口）表現為壓縮變形。斷裂帶北段多次發生Ms≥6級以上地震，中段和南段則沒有發生過，甚至Ms＝5級的地震也很少［2-3］。紅河斷裂不同區段地震活動性的顯著差異，是活動微弱還是近2000年來一直處于閉鎖狀態，是一個尚未定論的科學問題［4］。

地震的孕育和發生與斷層活動密切相關。與傳統地質學研究方法相比，GPS大地測量可以提供高精度的地殼形變信息。結合地質學及地球物理學成果，以長期的震間GPS速度場作為約束，已成為研究活動斷裂分段及其長期滑動速率的一種重要手段。近年來，國內外許多學者利用GPS測量成果研究青藏高原東南緣內的主要活動斷裂的長期滑動速率。其中，紅河斷裂帶的右旋走滑速率為（2～10）mm／a［5-9］，但沒有對紅河斷裂帶的閉鎖程度和滑動虧損分布特征進行研究。

本文根據1999～2013年的青藏高原東南緣的GPS速度場數據，使用負位錯反演模型反演紅河斷裂帶的斷層閉鎖程度、滑動虧損分布和滑動速率，分析斷層三維地殼特征和斷裂活動性，為中長期地震危險性研究提供參考。

1 GPS數據

本文所使用的GPS數據資料主要來自于“中國地殼運動監測網絡”［10-11］觀測成果。GPS觀測站數據的采樣間隔為30s，24h為一時段，數據處理采用美國JPL的GIPSY軟件，實現獲得各站點坐標的單日松弛約束解，然后采用美國JPL的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下的站點坐標及三維速度矢量。根據斷裂分布以及測站的位置，將速度場誤差較大的站點數據剔除，最后得到研究區域相對歐亞參考框架下的GPS測站的速度場，如圖1所示。

圖1 研究區GPS速度場（相對于穩定歐亞參考框架）

2 塊體模型及斷層幾何模型建立

2.1 塊體模型

震間期塊體內部點的GPS速度場是塊體旋轉、塊體內部整體均勻應變、塊體邊界斷層閉鎖產生的彈性應變積累之和。McCaffrey［12-14］提出一個假設塊體內部不存在整體均勻應變的三維球面塊體模型并給出反演塊體旋轉、塊體內部均勻應變和斷層閉鎖程度等參數的DEFNODE反演程序，其原理如下：

式中：第一部分為塊體整體運動速度，第二部分為塊體邊界斷裂閉鎖而產生的同震虧損滑動速率，各參數的定義見文獻［12］。

根據反演得出每個節點處的閉鎖程度，進而通過雙線性插值方法計算相鄰節點之間的斷層網格區域的閉鎖程度。斷層在不同深度位置的閉鎖程度用閉鎖系數來描述：

式中：v為斷層的實際滑動速率；V0為根據地塊相對運動計算的理論速率。閉鎖程度φ的取值范圍為0～1。在0～10km的地表附近，斷層完全閉鎖，φ＝1；在斷層的底端，斷層蠕滑，φ＝0。

2.2 斷層幾何模型建立

根據長期的地質數據和GPS觀測結果，參照張培震［5］給出的中國大陸活動塊體劃分方案，以南定河斷裂、紅河斷裂和小江斷裂帶為界將研究區劃分為滇西塊體、滇南塊體、川滇塊體和華南塊體等4個塊體（見圖1）。

反演過程中斷層參數的設置對反演結果會產生一定的影響，研究中通過對斷層多參數設置反演對比估算結果，將初始斷層閉鎖深度設置為20km，節點深度方向從地表起依次為0.1km，6km，12km，16km，20km。每條等深線上有8個節點，垂直等深線方向有5排節點（見圖2）。

圖2 斷層三維節點設置

3 紅河斷裂帶的閉鎖程度和滑動虧損分布特征

3.1 塊體旋轉歐拉極

反演程序使用網格搜索和模擬退火算法求解，得到參數擬合的總體不符值為＝2.18（自由度為292），紅河斷裂附近測站的速度殘差值很小，且分布較均勻，基本都在誤差允許的范圍內，表明模型擬合程度較好。

表1為計算得到的滇西塊體、滇南塊體和川滇塊體相對于華南塊體的歐拉極，速率為負表示順時針旋轉，反之為逆時針旋轉。

表1 塊體歐拉矢量（相對于華南塊體）

3.2 斷層閉鎖程度

圖3為反演得到的紅河斷裂帶的斷層閉鎖程度，斷裂帶內部的閉鎖程度總體不高，不同深度位置存在明顯差異。紅河斷裂帶北段在地表以下6km的閉鎖程度約為0.43，在6～12km處閉鎖程度約為0.29，12～16km處的閉鎖程度約為0.11；中段在地表以下6km的閉鎖程度約為0.22，在6～12km處閉鎖程度約為0.13；南段在地表以下6km的閉鎖程度約為0.25，在6～12km處閉鎖程度約為0.16。

圖3 閉鎖程度

3.3 滑動虧損速率

紅河斷裂帶不同段落的滑動虧損速率差異較小。北段在地表以下6km的滑動虧損速率約為3.3mm／a，6～12km 處 滑 動 虧 損 速 率 約2.1mm／a，12～16km 處 的滑動虧損速率約為1.5mm／a，16～20km處整條斷裂帶逐步轉變為蠕滑；中段在地表以下6km的滑動虧損速率約為2.6mm／a，在 6～12km 處滑動虧損速率約為1.5mm／a，12～20km處整條斷裂帶逐步轉變為蠕滑；南段在地表以下6km的滑動虧損速率約為2.3mm／a，在 6～12km 處滑動虧損速率約為1.8mm／a，12～20km處整條斷裂帶逐步轉變為蠕滑。由此可知，紅河斷裂帶的閉鎖程度和滑動虧損都很低，斷層內部沒有積累相當的能量，應變積累速率較低，不具備發生強地震的條件。

3.4 走滑速率

紅河斷裂的走滑速率（斷裂活動速率以右旋和拉張為正）如圖4所示。北段右旋走滑速率約為（5.9±1.2）mm／a，拉張速率為（4.4±0.9）mm／a；中段和南段的右旋走滑速率較北段有所減弱，右旋走滑速率為（4.8±0.6）mm／a，拉張速率為（1.1±0.3）mm／a；南段右旋走滑速率（4.3±0.4）mm／a，擠壓速率為（-2.3±1.3）mm／a。與其他學者給出的結果基本一致。

圖4 走滑速率

4 結束語

紅河斷裂帶是一條貫穿整個云南省的大型右旋走滑斷裂，不同區段的構造活動強度存在明顯的不均一性。利用GPS數據結合地質及地球物理成果反演結果表明：整條斷裂帶的右旋走滑速率約為（4.3～5.9）mm／a，在不同深度位置的閉鎖程度都比較低，滑動虧損不明顯，與近年的紅河斷裂帶活動比較弱相吻合。與紅河斷裂中段大致平行的程海-建水斷裂地震活動十分強烈，兩者是否共同構成川滇塊體的南北邊界有待進一步研究。

［1］許志琴，李海兵，唐哲民，等.大型走滑斷裂對青藏高原地體 構 架 的 改 造 ［J］.巖 石 學 報，2012，27（11）：3157-3170.

［2］向宏發，董興權.川滇南部地區活動地塊劃分與現今運動特征初析［J］.地震地質，2000，22（3）：253-264.

［3］向宏發，韓竹軍，虢順民，等.紅河斷裂帶大型右旋走滑運動定量研究的若干問題［J］.地球科學進展，2004，19（6）：56-59.

［4］嵇少丞，王茜，孫圣思，等.亞洲大陸逃逸構造與現今中國地震活動［J］.地質學報，2008，82（12）：1643-1667.

［5］張培震，鄧起東，張國民，等.中國大陸的強震活動與活動地塊［J］.中國科學：D 輯，2003，33（B04）：12-20.

［6］呂江寧，沈正康，王敏.川滇地區現代地殼運動速度場和活動塊體模型研究［J］.地震地質，2004，25（4）：543-554.

［7］SHEN Z K，LüJ，WANG M，et al.Contemporary crustal deformation around the southeast borderland of the Tibetan Plateau［J］.Journal of Geophysical Research，2005，110，B11409.

［8］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.

［9］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.

［10］甘衛軍，張銳，張勇，等.中國地殼運動觀測網絡的建設及應用［J］.國際地震動態，2007（7）：43-52.

［11］甘衛軍，李強，張銳，等.中國大陸構造環境監測網絡的建設與應用［J］.工程研究：跨學科視野中的工程，2013，4（4）：324-331.

［12］MCCAFFREY R.Crustal block rotations and plate coupling［J］.Plate boundary zones，2002：101-122.

［13］MCCAFFREY R.Block kinematics of the Pacific–North America plate boundary in the southwestern U-nited States from inversion of GPS，seismological，and geologic data［J］.Journal of Geophysical Research，2005，110，B07401.

［14］MCCAFFREY R.DEFNODE User’s Manual Version 2007.10.25［J］.http：／／web.pdx.edu／～ mccaf／www／defnode／defnode＿071025.html，2007.