隴西塊體周邊斷層閉鎖程度與滑動虧損特征研究

趙靜　牛安福　李強　苑爭一

摘要：基于1999～2007年、2009～2013年兩期中國大陸GPS水平速度場數據，使用DEFNODE負位錯程序反演計算了汶川地震前后隴西塊體周邊斷層——海原—祁連山斷裂、六盤山斷裂、莊浪河斷裂和西秦嶺北緣斷裂的斷層閉鎖程度與滑動虧損動態空間分布，并討論了汶川地震對塊體周邊斷裂的影響和可能存在的強震危險段。結果表明，汶川地震后西秦嶺北緣斷裂中西段閉鎖程度有所減弱、中東段閉鎖程度有所增強，地震可能對其有一定影響；在汶川地震前后，其它斷裂的斷層閉鎖程度沒有發生明顯改變，地震可能對其影響較弱。目前冷龍嶺斷裂、金強河斷裂、莊浪河斷裂、六盤山斷裂、西秦嶺北緣斷裂中西段部分區域的閉鎖程度較強，閉鎖深度約為20～25 km，結合地質尺度的斷層地震空區等結果，分析認為上述斷裂可能為地震危險段。汶川地震前后隴西塊體周邊平行斷層滑動虧損速率中，除莊浪河斷裂為右旋滑動虧損以外，其它斷裂均為左旋滑動虧損；隴西塊體周邊垂直斷層滑動虧損速率則均為擠壓。

關鍵詞：隴西塊體周邊斷層；DEFNODE負位錯反演；斷層閉鎖；滑動虧損

中圖分類號：P3157文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2016）03-0351-08

0引言

位于南北地震帶北段的隴西塊體是被青藏高原及海原—六盤山斷裂帶圍限的菱形塊體，周圍分布著海原—祁連山斷裂帶、六盤山斷裂帶、莊浪河斷裂帶和西秦嶺北緣斷裂帶等（田勤儉等，2002），其中海原—祁連山斷裂帶以強烈的左旋走滑為特征，兼具由南向北的逆沖分量；六盤山斷裂帶位于海原—祁連山斷裂帶的東端，以擠壓逆沖運動為主，其北段兼具左旋走滑運動；西秦嶺北緣斷裂帶為一條大型左旋走滑斷裂（袁道陽等，2004）；莊浪河斷裂帶以擠壓運動為主，右旋走滑運動并不明顯（侯康明等，1999；袁道陽等，2002）。綜合考慮地震發生時間和中長期預測的時間尺度，南北地震帶北段可能發生MS≥7地震的6個破裂空區中有4個位于隴西塊體內部及周邊（M7專項工作組，2012）；根據近400多年MS≥65地震的應變能累積釋放速率估計，南北地震帶北段目前的應變能積累相當于一次8級地震所需能量，因此存在發生MS≥7大地震的危險背景（M7專項工作組，2012）；隴西塊體周邊歷史上曾發生過包括1920年海原85級地震在內的多次7級以上強震，但自1955年以來，其周邊地區僅發生了1990年青海共和70級地震，強震背景突出；汶川地震后，隴西塊體及周邊區域應變積累增強，其中2013年岷縣漳縣MS66地震發生在隴西塊體南部臨潭―宕昌斷裂附近，2016年門源MS64地震發生在隴西塊體西北部冷龍嶺斷裂附近。因此汶川地震后隴西塊體周邊斷層的閉鎖程度、運動特征、強震危險段落的判定等成為亟待解決的科學問題，有必要對其進行研究。

地殼內部斷層閉鎖深度、不同位置的閉鎖程度和滑動虧損分布會對地殼表面尤其是斷層附近區域的變形產生很大影響，它們是影響發震斷裂帶應變積累的重要因素，因此能在很大程度上反映斷裂帶的地震危險性（趙靜等，2015）。鑒于此，本文利用1999～2007年、2009～2013年兩期中國大陸GPS水平速度場數據，研究了汶川地震前后隴西塊體周邊斷層的閉鎖程度和滑動虧損空間分布等動態變化特征，并將震前和震后結果進行對比分析，從不同時空尺度討論了汶川地震對該區域斷層的可能影響；最后結合地震空區分布、b值剖面、GPS站速度剖面及高應變能積累斷層等結果綜合分析判定了隴西塊體周邊斷層的地震危險段。

1DEFNODE負位錯反演方法基本原理

本文反演采用DEFNODE程序（McCaffrey，2002，2007），該程序假定塊體內部點的運動為塊體旋轉、塊體內部整體均勻應變及塊體邊界由于斷層閉鎖產生的滑動虧損而引起的地表彈性變形之和。若塊體內部不存在整體均勻應變，理論表達式如下：

含但最終結果并未給出的斷層）。

GPS速度場約束方面，1999～2007年有180個GPS測點參與反演；2009～2013年有218個GPS測點參與反演。反演過程中，沿各條斷裂帶走

向共有6條等深線，

深度依次為01、5、10、15、20和25 km。

斷層結構設置時，以李強等（2014）、萬永革等（2009）和張希等（2003，2005，2007，2008）的研究成果為主要參考，其中張希等（2003，2005，2007，2008）對本文研究區域進行了長期的跟蹤研究，因此其斷層模型對本文中斷層結構設置具有較高的參考意義；同時還參考構造地質研究成果（王永成，劉百箎，2001；向宏發等，1998）、深地震測深剖面結果（李英康等，2014；王海燕等，2012）、地殼電性結構研究結果（金勝等，2012）和MapSIS軟件中有關斷層結構信息。綜合分析上述研究結果，斷層結構設置如下：六盤山斷裂每條等深線上有4個節點，斷層傾角為45°；毛毛山—老虎山—海原斷裂每條等深線上有10個節點，斷層傾角為50°；西秦嶺北緣斷裂每條等深線上有12個節點，斷層傾角為60°；莊浪河斷裂每條等深線上有6個節點，斷層傾角為60°；河西走廊北側斷裂與武威—天祝斷裂每條等深線上有13個節點，斷層傾角為40°；托萊山—冷龍嶺—金強河斷裂每條等深線上有5個節點，斷層傾角為50°。具體不同學者所得到的斷層傾角見表1。

模型設置時，根據前人的相關研究（Wang et al，2003），將γ值設為05，并保持不變，Z1、Z2初始值分別設為2 km、5 km，并且作為參數同時參與反演；因為本文設定的斷層

深度為25 km，因此Z2的最大值為25 km，同時本文設定Z1的最小值為2 km（假定地表至2 km深度處均為完全閉鎖）、最大值為20 km。根據反演結果，不斷調整Z1和Z2的值，直到尋找到每列節點處Z1和Z2的最優值，然后將此Z1和Z2值作為模型參數并保持不變，進行反演計算得到最終結果。

由于隴西塊體、西秦嶺塊體、西寧塊體、阿拉善塊體和祁連山塊體相對較小，因此本文假定其內部變形主要由斷層閉鎖引起，而其內部整體均勻應變忽略不計；雖然鄂爾多斯塊體較大，但其整體剛性較好，因此其內部整體均勻應變也可忽略不計，所以此次反演僅采用公式（1），以χ2n為標準尋求最佳模型。反演過程中，首先將與周圍其它測點運動趨勢明顯不同的點刪除，然后通過多次試算，得到了最優模型，其中1999～2007年最優模型中GPS速度場誤差權重因子f取為100，此時χ2n≈0888（觀測值個數為360，自由度為292）；2009～2013年最優模型中GPS速度場誤差權重因子f取為177，此時χ2n≈0996（觀測值個數為436，自由度為368）。為了更好地說明模型擇優和擬合效果，圖3給出了最優模型的擬合殘差分布，結果顯示兩期GPS速度場的所有測點速度殘差值都較小，基本處在誤差范圍之內，這表明模型擬合較好。

3汶川地震前后斷層閉鎖程度三維分布

通過多次反演計算，得到2008年汶川地震前（圖4a）和地震后（圖4b）隴西塊體周邊斷層閉鎖程度的空間動態變化分布。綜合分析兩期反演結果，認為汶川地震可能對西秦嶺北緣斷裂有一定影響，地震后西段閉鎖程度有所減弱、中東段閉鎖程度有所增強，而其它斷裂受汶川地震影響可能較弱，地震前后斷層閉鎖程度沒有發生明顯改變。整體來看，冷龍嶺斷裂、金強河斷裂、莊浪河斷裂、

六盤山斷裂、西秦嶺北緣斷裂中西段部分區域的閉鎖較強，閉鎖深度約為20～25 km，可能為地震危險段；托萊山斷裂只有地表淺部閉鎖，且汶川地震后閉鎖程度有所減弱；毛毛山—老虎山

—海原斷裂基本為持續蠕滑狀態。

將計算得到的1999～2007年隴西塊體周邊斷層閉鎖程度（圖4a）結合大地震破裂空區判定圖（M7專項工作組，2012）綜合分析可知，冷龍嶺—金強河斷裂強閉鎖區域基本對應天祝—大靖地震空區；六盤山斷裂強閉鎖區域基本對應六盤山南段—西秦嶺東段地震空區；西秦嶺北緣斷裂中西段強閉鎖區域基本對應西秦嶺中西段地震空區。另外，根據重新定位的地震資料得到的b值剖面顯示六盤山斷裂帶中段在17～25 km的深度上存在異常低b值區，反映該處的深部斷層面存在較高的應力積累（M7專項工作組，2012）；六盤山斷裂帶中南段、西秦嶺北緣斷裂帶西段GPS站速度剖面圖像與汶川地震前橫跨龍門山斷裂帶的地殼形變圖像（杜方等，2009）極為相似，反映該段已經閉鎖（M7專項工作組，2012）；海原斷裂帶GPS站速度剖面圖像反映海原斷裂帶尚處于開放狀態，說明該斷裂帶自1920年發生85級特大地震破裂以來，斷層面還未完全重新耦合（M7專項工作組，2012）；祁連山構造帶東段及其與莊浪河斷裂、海原斷裂的交匯區域可能具有相對高應變能積累背景（張希等，2003，2007）；六盤山斷裂帶在汶川地震以后變形差異不大，表現出很好的繼承性，因此該斷層存在較強的應變積累背景（武艷強等，2012）。本文反演所得斷層閉鎖程度與上述地震空區、b值剖面、GPS站速度剖面及高應變能積累斷層等結果對應較好。

斷層在震間期的閉鎖是逐步由淺到深的緩慢過程，幾年間應該不會有突出變化，而汶川地震可能使西秦嶺北緣斷裂帶附近受到的構造應力加載有了變化，使得斷裂帶附近GPS測點運動速率發生變化，這就導致負位錯反演得到的斷層閉鎖程度和閉鎖深度發生了變化，所以斷層閉鎖程度和閉鎖深度的變化不一定完全是真實情況的反映（趙靜等，2015）。同時，滑動虧損速率變化的信息應該是真實的，它能夠反映斷層在大地震前后的一個調整運動情況。

4汶川地震前后斷層滑動虧損速率三維分布

圖5所示結果表明汶川地震前后隴西塊體周邊平行斷層滑動虧損速率中，只有莊浪河斷裂為右旋滑動虧損（負值），而其它斷裂均為左旋滑動虧損（正值）。其中，莊浪河斷裂完全閉鎖部分虧損速率在震前約為29 mm/a，在震后約為28 mm/a；托萊山斷裂完全閉鎖部分虧損速率在震前約為54 mm/a，在震后約為48 mm/a；冷龍嶺斷裂和金強河斷裂完全閉鎖部分虧損速率在震前約為59 mm/a，在震后約為52 mm/a；六盤山斷裂完全閉鎖部分虧損速率在震前約為26 mm/a，在震后約為32 mm/a；西秦嶺北緣斷裂中西段完全閉鎖部分虧損速率在震前約為07 mm/a，中東段完全閉鎖部分虧損速率在震后約為20 mm/a，相對來說，該斷裂是震后閉鎖程度和滑動虧損速率變化最大的一條斷裂。

由圖6可知汶川地震前后隴西塊體周邊垂直斷層滑動虧損速率均為擠壓（負值）。其中，莊浪河斷裂完全閉鎖部分虧損速率在震前

約為27 mm/a，在震后約為17 mm/a；托萊山斷裂完全閉鎖部分虧損速率在震前約為41 mm/a，在震后約為34 mm/a；冷龍嶺斷裂和金強河斷裂完全閉鎖部分虧損速率在震前約為32 mm/a，在震后約為27 mm/a；六盤山斷裂完全閉鎖部分虧損速率在震前約為27 mm/a，在震后約為17 mm/a；西秦嶺北緣斷裂中西段完全閉鎖部分虧損速率在震前約為17 mm/a，中東段完全閉鎖部分虧損速率在震后約為04 mm/a，相對來說，該斷裂也是震后變化最大的一條斷裂。

5結論

本文利用1999～2007年和2009～2013年兩期中國大陸GPS水平速度場數據，使用目前在國際上應用較為廣泛的DEFNODE負位錯反演程序研究了汶川地震前后隴西塊體周邊斷層的閉鎖程度和滑動虧損空間分布動態變化特征，并討論了汶川地震對該區域斷層的可能影響；最后結合地震空區分布、b值剖面、GPS站速度剖面及高應變能積累斷層等多種結果綜合分析判定了隴西塊體周邊斷層的強震危險段。

（1）汶川地震可能對西秦嶺北緣斷裂有一定影響。地震后西秦嶺北緣斷裂中西段閉鎖程度有所減弱、中東段閉鎖程度有所增強，而其它斷裂地震前后斷層閉鎖程度沒有發生明顯改變；汶川地震前后西秦嶺北緣斷裂平行和垂直斷層滑動虧損速率在所有研究斷層中也是變化最大的。

（2）將1999～2007年隴西塊體周邊斷層閉鎖程度與地震空區綜合分析可知，冷龍嶺—金強河斷裂強閉鎖區域基本對應天祝—大靖地震空區；六盤山斷裂強閉鎖區域基本對應六盤山南段—西秦嶺東段地震空區；西秦嶺北緣斷裂中西段強閉鎖區域基本對應西秦嶺中西段地震空區，這在一定程度上說明了本文反演結果的可靠性。

（3）汶川地震前后隴西塊體周邊平行斷層滑動虧損速率中，除了莊浪河斷裂為右旋滑動虧損（負值）以外，其它斷裂均為左旋滑動虧損（正值）；隴西塊體周邊垂直斷層滑動虧損速率均為擠壓（負值）。

（4）冷龍嶺斷裂、金強河斷裂、莊浪河斷裂、六盤山斷裂、西秦嶺北緣斷裂中西段部分區域的閉鎖較強，閉鎖深度約為20～25 km，結合地震空區分布、b值剖面、GPS站速度剖面及高應變能積累斷層等結果綜合分析認為上述斷裂可能為地震危險段。

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Abstract：By using GPS horizontal velocity field data during 1999～2007 and 2009～2013 periods and the negative dislocation model of DEFNODE， we inverted the dynamic spatial distribution of fault locking and fault slip deficit in the faults around the Longxi Block before and after the Wenchuan earthquake， such as HaiyuanQilian Mountain Fault， Liupan Mountain Fault， Zhuanglang River Fault， and north fringe fault of west Qinling Mountain. Then we discussed the influence of Wenchuan earthquake on the faults and analyzed the seismic potential sections combining with seismic gaps and some other research. The results show that the Wenchuan earthquake possibly has some influence on the north fringe fault of west Qinling Mountain， because its middlewestern segment is locked weekly and its middleeastern segment is locked tightly after the earthquake. The locking of the other faults are almost same before and after the Wenchuan earthquake， which means that the earthquake has little influence on these faults. At present， Lenglongling Fault， Jinqiang River Fault， Zhuanglang River Fault， Liupan Mountain Fault and middlewestern segment of the north fringe fault of west Qinling Mountain are locked tightly and their locking depth is about 20～25 km. These faults are seismic potential segments considering seismic gaps along the faults in the geological scale. The parallel fault slip deficit in the faults around the Longxi Block are all sinistral strikeslip deficit except that the Zhuanglang River Fault is dextral strikeslip deficit before and after the Wenchuan earthquake， and the vertical fault slip deficit of the faults are all compression deficit.

Key words：the faults around the Longxi Block； negative dislocation inversion of DEFNODE； fault locking； slip deficit