鮮水河斷裂帶間震期斷層滑動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)特征研究

楊九元　張永志　祝意青　姜永濤　楊　珍

1　長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安市雁塔路126號(hào)， 710054 2　中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心，西安市西影路316號(hào)， 710054 3　南陽(yáng)師范學(xué)院環(huán)境科學(xué)與旅游學(xué)院，南陽(yáng)市臥龍路1638號(hào)， 473061

鮮水河斷裂帶間震期斷層滑動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)特征研究

楊九元1張永志1祝意青2姜永濤3楊珍1

1長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安市雁塔路126號(hào)， 710054 2中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心，西安市西影路316號(hào)， 710054 3南陽(yáng)師范學(xué)院環(huán)境科學(xué)與旅游學(xué)院，南陽(yáng)市臥龍路1638號(hào)， 473061

摘要：構(gòu)建描述斷層平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的向-位錯(cuò)模型，利用2001～2004 年的GPS數(shù)據(jù)，采用粒子群算法反演鮮水河斷裂帶不同分段處的斷層滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)情況，最后由正演計(jì)算驗(yàn)證反演斷層參數(shù)的可靠性。結(jié)果表明：1)鮮水河斷裂帶斷層活動(dòng)以滑動(dòng)特性為主，整體呈左旋走滑運(yùn)動(dòng)，局部兼有擠壓；2)鮮水河斷裂帶轉(zhuǎn)動(dòng)特征分段性較為明顯，北西段和南東段的斷層轉(zhuǎn)動(dòng)特征較強(qiáng)，且南東段斷層轉(zhuǎn)動(dòng)最為顯著。

關(guān)鍵詞：鮮水河斷裂帶；向-位錯(cuò)模型；粒子群算法；斷層轉(zhuǎn)動(dòng)

鮮水河斷裂帶位于青藏高原東南緣，為川滇菱形塊體的東北界，是中國(guó)大陸內(nèi)部一條大型的左旋走滑斷裂帶。該區(qū)域地震活動(dòng)性較強(qiáng)[1]，具有規(guī)模大、地震頻發(fā)等特點(diǎn)。關(guān)于鮮水河斷裂帶構(gòu)造活動(dòng)特征的研究成果較多[2-3]，但關(guān)于該斷裂帶轉(zhuǎn)動(dòng)特征的研究較少。本文基于位錯(cuò)理論，考慮斷層轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)地表變形的影響，建立一種描述斷層滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的向-位錯(cuò)組合模型，利用鮮水河斷裂帶GPS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用粒子群算法反演鮮水河斷裂帶斷層滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)特征，對(duì)認(rèn)識(shí)鮮水河斷裂帶斷層活動(dòng)有重要的意義。

1向-位錯(cuò)理論模型

描述斷層滑動(dòng)與地表形變關(guān)系的位錯(cuò)理論已得到了廣泛應(yīng)用，孫文科等[4]對(duì)位錯(cuò)理論進(jìn)行了深入系統(tǒng)的討論和分析。向錯(cuò)理論[5]研究的是無(wú)限彈性介質(zhì)中兩平面無(wú)變形轉(zhuǎn)動(dòng)與地表可觀察變形的關(guān)系。目前，在宏觀地殼形變的應(yīng)用研究上，向錯(cuò)理論還處于初步階段。張永志等[6]采用向錯(cuò)理論初步研究了斷層轉(zhuǎn)動(dòng)與地表形變的關(guān)系，認(rèn)為斷層轉(zhuǎn)動(dòng)和斷層滑動(dòng)對(duì)地表形變大小的影響在同一數(shù)量級(jí)，且在空間分布上有相似的特征。

斷層面質(zhì)點(diǎn)的剛性運(yùn)動(dòng)包括平移和旋轉(zhuǎn)兩部分[7]，地表發(fā)生平移與地表形變的關(guān)系可以由位錯(cuò)理論來(lái)描述，而轉(zhuǎn)動(dòng)部分尚沒有一個(gè)完整的理論模型來(lái)解釋。為進(jìn)一步探討，假設(shè)彈性半空間中存在一個(gè)不連續(xù)的斷層面，斷層上盤相對(duì)于下盤的轉(zhuǎn)動(dòng)矢量ω和平動(dòng)矢量b可以表示為：

(1)

(2)

基于彈性力學(xué)中的幾何方程,總應(yīng)變表示為：

(3)

彈性介質(zhì)中本征應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系為：

(4)

代入體力為0的應(yīng)力平衡微分方程,得：

(5)

解方程(5),可求得由格林函數(shù)張量表示的位移場(chǎng)一般積分公式：

(6)

(7)

式中，εlqr為愛因斯坦約定符號(hào)，bl=0時(shí)只存在向錯(cuò)引起的位移，ω=0時(shí)只存在位錯(cuò)引起的位移。

為研究地表變形與斷層運(yùn)動(dòng)(滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng))的關(guān)系，需建立相應(yīng)的坐標(biāo)系，見圖1。圖1(a)為彈性半空間斷層坐標(biāo)系，x軸平行于矩形斷層面走向，地面的垂線方向?yàn)閦軸，且經(jīng)過斷層面左下角，y軸在地面內(nèi)垂直于x、z軸，坐標(biāo)原點(diǎn)在地表面x、y與z軸交匯處。圖1(b)為斷層面坐標(biāo)系，ξ、η軸在斷層面上分別平行于斷層面的長(zhǎng)度和寬度，坐標(biāo)原點(diǎn)在矩形斷層面左下角。圖1(c)、(d)、(e)為斷層的3種轉(zhuǎn)動(dòng)方式，分別對(duì)應(yīng)于以垂直于斷層面且通過左下角點(diǎn)的軸線、η軸和ξ軸為旋轉(zhuǎn)軸的斷層轉(zhuǎn)動(dòng)形式。基于式(1)～(7)，本文實(shí)現(xiàn)了由C++語(yǔ)言編制的描述矩形斷層平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)與地表位移關(guān)系的正演程序。

圖1　斷層滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系Fig.1　The coordinate system of fault sliding and rotation

2鮮水河斷裂帶反演結(jié)果與討論

鮮水河斷裂帶整體呈NW-SE向展布，北起甘孜東谷附近，向南東經(jīng)爐霍、道孚、乾寧、康定,至瀘定磨西以南逐漸消失，全長(zhǎng)約350km。本文利用中國(guó)地殼觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)2001～2004年的GPS水平觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)鮮水河斷裂帶斷層活動(dòng)進(jìn)行研究。

實(shí)際的斷層活動(dòng)可能只有一到兩個(gè)方向會(huì)發(fā)生明顯的滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。為細(xì)致研究鮮水河斷裂帶斷層活動(dòng)，假設(shè)每段斷層只沿走向、張裂方向滑動(dòng)，且存在ω1和ω3形式的轉(zhuǎn)動(dòng)。由于鮮水河斷層傾角資料較少，可靠性不高，考慮傾角對(duì)模型本身的改善可能并不明顯，本文根據(jù)前人的研究成果[8]對(duì)斷層深度、寬度、傾角都取近似或相同值，且模型中約定每段斷層傾角為90°。此外，考慮到較長(zhǎng)斷層一側(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致另一側(cè)較大的變形，為盡可能減少模型誤差，在已有研究的基礎(chǔ)上[9]將鮮水河斷裂帶細(xì)分為17段。鮮水河斷裂帶分段情況見表1。

表1　鮮水河斷裂帶各子斷層參數(shù)

根據(jù)鮮水河斷裂帶17個(gè)子斷層的幾何參數(shù)，利用2001～2004 年的GPS數(shù)據(jù)，基于粒子群算法[10]反演每個(gè)子斷層上的滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)。反演過程為：1)選取斷層附近GPS站點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用多面函數(shù)法去除鮮水河斷裂帶的整體運(yùn)動(dòng)；2)基于本文構(gòu)建的向-位錯(cuò)模型，采用粒子群算法對(duì)各段斷層滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行反演。反演時(shí)的目標(biāo)函數(shù)為：

(8)

式中，u(P)代表向-位錯(cuò)模型模擬的觀測(cè)數(shù)據(jù)，u(O)代表觀測(cè)到的地表位移數(shù)據(jù)，n代表觀測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)。解算的各斷層滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)見表2。

由表2知，在斷層滑動(dòng)方面，鮮水河斷裂帶構(gòu)造運(yùn)動(dòng)具有明顯的分段性運(yùn)動(dòng)差異，主要以左旋走滑運(yùn)動(dòng)為主，局部有擠壓，走滑速率約為4 ～17.9 mm/a，與已有研究結(jié)果基本一致[8-9,11-12](數(shù)值上略偏小，可能與向-位錯(cuò)模型中考慮斷層轉(zhuǎn)動(dòng)因素有關(guān))。總體上，東南段平均滑動(dòng)速率比西北段大，可能和鮮水河斷裂帶東南段與安寧河斷裂、龍門山斷裂帶交匯處的復(fù)雜構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有關(guān)。

表2　各子斷層滑動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)反演結(jié)果

注：經(jīng)、緯度為子斷層坐標(biāo)原點(diǎn)且取矩形斷層左下角坐標(biāo)，規(guī)定走滑以左旋為正，張裂以拉張為正，ω1形式的轉(zhuǎn)動(dòng)以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，ω3形式的轉(zhuǎn)動(dòng)以逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正。

鮮水河斷裂帶表現(xiàn)出了一定的旋轉(zhuǎn)特性且不同段處轉(zhuǎn)動(dòng)形式和大小不同，與李鐵明等[13]提出鮮水河斷裂帶地區(qū)存在一定旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)論較一致。該斷裂帶西北段主要表現(xiàn)為ω3形式的轉(zhuǎn)動(dòng)，局部兼有ω1形式的轉(zhuǎn)動(dòng)，中段斷層轉(zhuǎn)動(dòng)特征表現(xiàn)微弱，逐漸消失，在南東段轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)值上達(dá)到最大，其中ω1、ω3分別達(dá)到0.3″、0.7″；相對(duì)于北西段，南東段整體上呈現(xiàn)出的轉(zhuǎn)動(dòng)特性更顯著，且南東段和北西段具有一定的轉(zhuǎn)換構(gòu)造樣式，可能由于在青藏高原物質(zhì)東向擠出的作用下，該斷裂帶內(nèi)部物質(zhì)介質(zhì)參數(shù)不均勻，活動(dòng)斷裂幾何參數(shù)以及不同段處構(gòu)造背景不同，不同構(gòu)造應(yīng)力作用下表現(xiàn)出的一種運(yùn)動(dòng)特性。

為驗(yàn)證各斷層滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)的可靠性，采用表2反演結(jié)果，基于向-位錯(cuò)組合模型進(jìn)行正演模擬，計(jì)算出鮮水河斷裂帶區(qū)域的地表水平形變并與實(shí)測(cè)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，見圖2。可以看出，模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果在大小和方向上有較好的一致性。北西段和南東段個(gè)別擬合點(diǎn)存在一定的差異性，一方面可能是由所取活動(dòng)斷裂幾何參數(shù)、測(cè)量誤差等多種因素引起;另一方面也可能與該區(qū)域存在的深大活動(dòng)斷裂帶有關(guān),甘孜-玉樹斷裂東段與鮮水河斷裂北西段交匯，龍門山斷裂、安寧河斷裂與鮮水河斷裂在其南東段出斜交。

圖2　基于向位錯(cuò)模型模擬的鮮水河斷裂帶區(qū)域形變與實(shí)測(cè)的GPS數(shù)據(jù)內(nèi)部形變Fig.2　The simulated deformation of Xianshuihe fault zone area based on the disclination-dislocation model and internal deformation of the measured GPS data

3結(jié)語(yǔ)

本文基于向-位錯(cuò)模型，采用粒子群算法對(duì)鮮水河斷裂帶的斷層活動(dòng)(滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng))進(jìn)行分段反演，然后利用反演得到的斷層參數(shù)，進(jìn)行正演模擬，并與GPS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。研究表明：

1)鮮水河斷裂帶主要表現(xiàn)為左旋走滑運(yùn)動(dòng)，局部兼有擠壓，走滑速率約為4～17.9 mm/a。整體上，東南段的平均滑動(dòng)速率比西北段大。

2)鮮水河斷裂帶主要是以ω1、ω3形式轉(zhuǎn)動(dòng)，且不同段處轉(zhuǎn)動(dòng)形式和大小不同。其中，南東段斷層轉(zhuǎn)動(dòng)特性表現(xiàn)較顯著，ω1、ω3分別最大達(dá)到0.3″、0.7″。

3)向-位錯(cuò)模型考慮斷層轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)地表變形的影響，是經(jīng)典位錯(cuò)模型的發(fā)展，可以更為細(xì)致地描述斷層的活動(dòng)情況。

本文僅利用GPS數(shù)據(jù)研究了鮮水河斷裂帶的分段斷層活動(dòng)情況。為使向-位錯(cuò)理論適用于復(fù)雜斷裂構(gòu)造區(qū)域的斷層活動(dòng)研究(而不是孤立的一條斷裂)，在以后的研究工作中尚需從反演目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化等方面對(duì)模型和軟件進(jìn)行改進(jìn)。

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Foundation support:National Natural Science Foundation of China, No.41374028, 41274083,D040102;Dr Special Foundation of Nanyang Normal University,No.ZX2016007.

About the first author:YANG Jiuyuan, postgraduate, majors in crustal deformation and geodynamics, E-mail:291813306@qq.com.

Research on Slip and Rotational Characteristics of Xianshuihe Fault Zone during the Earthquake Period

YANGJiuyuan1ZHANGYongzhi1ZHUYiqing2JIANGYongtao3YANGZhen1

1School of Geology Engineering and Geomatics, Chang’an University,126 Yanta Road, Xi’an 710054, China 2Second Crust Monitoring and Application Center,CEA,316 Xiying Road,Xi’an 710054, China 3School of Environment Science and Tourism, Nanyang Normal University, 1638 Wolong Road, Nanyang 473061, China

Abstract:For the purpose of detailed study of the Xianshuihe fault activity, the disclination-dislocation model is put forward in this paper. This model combines GPS data in the area of 2001-2004 with article swarm optimization to inter-fault sliding and rotation at different segments of the fault zone.Wethen verify the reliability of fault parameters based on forward calculation. Our results show: 1) The Xianshuihe fault zone, which presents left-lateral strike-slip movement on the whole and extrusion on the local scale, gives priority to sliding characteristics; 2) The Xianshuihe fault zone presents more rotation characteristics in the southeast segment than in the northwest segment.

Key words:Xianshuihe fault zone; disclination-dislocation model; particle swarm optimization; fault rotation

收稿日期：2016-01-21

第一作者簡(jiǎn)介：楊九元，碩士生，主要研究方向?yàn)榈貧ば巫兣c地球動(dòng)力學(xué)，E-mail: 291813306@qq.com。

DOI：10.14075/j.jgg.2016.07.009

文章編號(hào)：1671-5942(2016)07-0600-04

中圖分類號(hào)：P315

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金(41374028，41274083,D040102);南陽(yáng)師范學(xué)院博士專項(xiàng)基金(ZX2016007)。