汶川8級大地震對川滇菱形區域內次級塊體的運動影響分析

岳彩亞，黨亞民，楊 強，韓雪麗1，

(1. 山東科技大學，山東 青島 266590； 2. 中國測繪科學研究院，北京 100830)

汶川8級大地震對川滇菱形區域內次級塊體的運動影響分析

岳彩亞1,2，黨亞民2，楊 強2，韓雪麗1，2

(1. 山東科技大學，山東 青島 266590； 2. 中國測繪科學研究院，北京 100830)

在中國境內所有的二級塊體運動中，川滇區域的地殼運動最為活躍，也是各學者研究的熱點領域。本文通過對1998—2008年和2008—2015年兩期GNSS連續觀測數據的解算(時間節點為汶川地震)，并結合前人對川滇區域棱形塊體的劃分方案，利用歐拉矢量計算出各次級塊體的歐拉矢量。對該區域進行了網格插值從而反演兩期地殼運動變化特征，以及通過在斷裂帶上或斷裂帶附近選取一點來研究相鄰塊體的相對運動趨勢變化，并對該區域內地塊垂向運動作了初步研究分析。結果表明，汶川地震并沒有造成該區域整體運動特征的改變，但對一些局部塊體的運動和相鄰塊體的相對運動帶來了一定的影響。

川滇區域；歐拉矢量；網格插值；相對運動

川滇地區是青藏高原東部的重要邊界，并處在印度板塊向中國大陸NE向擠壓作用的前沿地帶，且受穩定的華南塊體的阻擋作用，使得該地區構造復雜，強震活動頻繁，整體呈現順時針旋轉。第四紀以來，該地區發育了各種規模、產狀各異、活動速率不同的斷裂，主要包括: 甘孜-玉樹斷裂、鮮水河斷裂、龍門山斷裂、紅河斷裂、小江斷裂、安寧河斷裂、則木河斷裂等[1-6]。這些斷裂帶常年以走滑、拉張、擠壓等形式不斷運動，從而加劇了該地區構造地震的多發性，特別是2008年5月發生在四川省阿壩藏族羌族自治州汶川縣境內的強大地震，具體位置為龍門、石棉、成都3個地塊的斷裂帶上。前人已經從地質學、巖石力學、地震學、板塊運動學等方面分析了有關該地震的一些特征[7-10]。本文通過解算1998—2008年和2008—2015年兩期GPS觀測數據得到川滇地區現今地殼水平運動速度場，并結合前人對川滇地區次級塊體的劃分方案，利用歐拉矢量計算方法得到兩期中各個次級塊體的歐拉矢量，對該地區進行經緯度間隔為1°的網格插值，進而反算出每個次級塊體的插值速度；對斷裂帶上的點分別進行相鄰塊體歐拉矢量反算，從而分析兩個相鄰塊體的相對運動趨勢。

1 塊體歐拉計算與精度評定

川滇地區塊體整體以旋轉活動為主導方式，引入歐拉定律來研究板塊運動是基于兩個基本假設：其一為巖石圈的板塊是剛性的，其內部并沒有明顯的變形；其二是地球的大小不變，即板塊擴張增生和擠壓消亡的面積相等。且剛體在球面上的運動等效于該剛體圍繞球心軸的旋轉運動，即板塊剛性體形式沿著半徑不變的球面運動，其由某一給定的位置到另一位置的滑移，等效于繞通過某一固定點的某一固定軸的旋轉。

由歐拉定理可得

V=ΩR

(1)

式中，V表示塊體內某臺站的速度；Ω表示該臺站所處板塊運動的歐拉矢量；R表示該臺站位置矢量。板塊的旋轉矢量Ω(也叫歐拉矢量)可用分量Ωx、Ωy、Ωz表示。

考慮到板塊運動多數沿水平方向的特性，將測站在地心空間直角坐標系下的變化速度轉換為站心坐標下的速度更能便于研究塊體的運動特性。當忽略垂直方向的速率，僅考慮水平方向的速率時，可利用下式直接進行轉換

(2)

設VE、VN、VU為k板塊上第i個測站的站心坐標速度，考慮板塊運動多數沿水平方向的特性，故VU與板塊運動無關。VE、VN與該板塊絕對歐拉矢量Ω(Ωx、Ωy、Ωz)之間的關系式為

(3)

利用該板塊上多個穩定的站點，根據最小二乘原理可求解歐拉矢量參數Ω。設被估計量是t(t為3×1)維未知的參數向量X，每個板塊上測站數量為i，觀測向量為L，其觀測誤差向量為Δ，觀測方程為

L=BX+Δ

(4)

相應的誤差方程為

(5)

(6)

在解算板塊歐拉矢量時，采用下式中的殘差統計估計歐拉矢量Ωx、Ωy、Ωz的精度信息，即歐拉矢量的估計誤差為

-(BTPB)-1BTPΔ

(7)

利用以上方程式反求每個測站的速度場，可驗證板塊運動模型的精度，即

(8)

其中，歐拉極和歐拉矢量為上述最小二乘估計值。根據上述速度場平差值，原速度場與式(8)反求的速度場誤差為

(9)

由上述歐拉矢量的計算和精度評定方法可以計算出每個次級塊體的歐拉矢量在3個軸的分量(Ωx、Ωy、Ωz)，以及各量值的精度。

2 實例分析

本文中所使用的GPS數據分為兩期：第一期為1998—2008年川滇地區陸態網絡和四川省CORS網GNSS觀測站點，共248個測站；第二期為2008—2015年川滇地區陸態網絡和四川省CORS網GNSS觀測站點，共664個測站。對兩期站點數據分4步進行處理：①測站分區及基線解算，以期獲取單日松弛解；②所有測站分區合并；③結合中國境內和周邊IGS站進行網平差；④將求出的測站坐標作為先驗坐標從新解算和平差。最終可分別求得兩期GPS測站在ITRF2008框架下的精確坐標和速度場信息。

2.1 網格插值

在求出川滇區域1998—2008年間和2008—2015年間的GPS臺站的速度場后，根據每個次級地塊的邊界對區域內的GPS臺站進行歸類。利用式(3)以最小二乘為依據求出兩期中每個次級地塊的歐拉矢量，現列舉部分地塊歐拉矢量(見表1)。對川滇區域菱形塊體(位于92°—108°E，21°—35°N)進行1°×1°的網格插值，將插值后的各點經緯度及相應次級塊體的歐拉矢量一并帶入式(9)中，通過歐拉矢量反算方法可求出各插值點的水平方向的速度場信息，如圖1所示。

表1中，“#”前位數代表次級塊體編號，“#1”代表1998—2008年次級塊體間歐拉矢量，“#2”代表2008—2015年次級塊體間歐拉矢量，dΩ為兩期歐拉矢量分量之差。從表1中各次級塊體的分量之差分析可得：在X軸上分量變化較大的塊體有白玉塊體、瀾滄塊體、瑞麗塊體、普渡塊體及中甸塊體，這些塊體的變化值均在5 mm以上；在Y軸上分量變化較大的塊體有安寧塊體、白玉塊體、金沙塊體、瀾滄塊體、南華塊體、瑞麗塊體、無量塊體、普渡塊體及中甸塊體，這些塊體的變化值在15 mm以上；在Z軸上分量變化較大的塊體有白玉塊體、瀾滄塊體、南華塊體、瑞麗塊體、無量塊體、普渡塊體及中甸塊體，這些塊體的變化值在10 mm以上；綜合X、Y、Z方向可知，前后變化較大的塊體有白玉塊體、瀾滄塊體、瑞麗塊體及普渡塊體。

表1 川滇區域兩期次級塊體歐拉矢量分析

圖1中，黑色箭頭表示1998—2008年間GPS臺站速度場，灰色箭頭表示2008—2015年間GPS臺站速度場。從前后兩期網格插值所反算出的臺站速度方向矢量分析可看出，安寧塊體、玉樹塊體、龍門塊體、小江塊體、昆明塊體、南華塊體及玉農塊體運動方向基本不變或變化微小，變化較大的塊體包括金沙、中甸、普渡、瑞麗、成都及瀾滄塊體的西南部，除此之外，白玉塊體和怒江塊體前后兩期速度方向變化也較大，但位于這兩個塊體上的GNSS連續跟蹤站較少，因此可靠性有待進一步證實。從兩期的速度量值來分析，菱形塊體的北部和西北部運動較大，而南部和東南部運動較小，這與前人得出川滇區域地殼運動北強南弱、西強東弱、整體以順時針旋轉的特征基本相同[11-13]，經過前后兩期對比分析可知，汶川地震對這種運動特征沒有決定性作用，即沒有改變這種整體運動趨勢。此外，玉樹塊體、白玉塊體、怒江塊體、康定塊體及金沙塊體的運動較為劇烈，而川滇區域西南部的漢菲塊體、小江塊體、成都塊體及景洪塊體運動較為緩慢，其他內部塊體由西北向到東南向在運動過程中劇烈程度逐漸衰減及被斷裂帶所吸收，這是汶川地震前后兩期中各塊體運動的共性。

注：圖中塊體名稱:AN(安寧)；BY(白玉)；SM(石棉)；KD(康定)；JH(景洪)；JS(金沙)；KM(昆明)；LC(瀾滄)；LM(龍門)；HF(漢菲)；NH(南華)；ND(南定)；NJ(怒江)；HH(紅河)；RL(瑞麗)；LL(龍陵)；WL(無量)；XJ(小江)；YN(玉農)；YS(玉樹)；CD(成都)；PD( 普渡)；ZD(中甸)。圖1 前后兩期插值速度對比

2.2 前后兩期次級塊體相對運動分析

首先將每兩個相鄰塊體的歐拉矢量作差(Ωij=Ωi-Ωj),求出相對歐拉矢量，i和j為兩相鄰塊體，并在相鄰塊體邊界上或邊界附近選取一點或多點，即在斷裂帶上選取具有代表性的特征點，將這些點的經緯度信息及相鄰的兩個次級塊體的相對歐拉矢量代入式(9)中，從而反算出兩個相鄰塊體的相對運動趨勢及運動量級。如圖2所示，黑色箭頭為2008—2015年間的次級板塊相對運動趨勢，灰色箭頭為1998—2008年間的次級板塊相對運動趨勢。

從相鄰塊體兩期塊體的錯動形式來分析，前后兩期錯動形式變化較小的塊體組合有玉樹塊體與康定塊體、玉樹塊體與龍門塊體、昆明塊體與小江塊體、南定塊體與龍陵塊體、安寧塊體與石棉塊體，這些塊體均以走滑的錯動形式相互運動；景洪塊體與漢菲塊體、玉農塊體與康定塊體、玉農塊體與石棉塊體、玉農塊體與昆明塊體等以拉張或擠壓的錯動形式。前后期塊體相對運動變化較大的組合有玉樹塊體與白玉塊體、白玉塊體與怒江塊體、中甸塊體與白玉塊體、石棉塊體與成都塊體、普渡塊體與無量塊體、南定塊體與瀾滄塊體、中甸塊體與龍陵塊體、無量塊體與漢菲塊體，這些塊體組合有些由原來的擠壓變成拉張，有些由拉張變成擠壓，有些以大角度的方式改變了塊體的相對運動方向。總體而言，從汶川地震前后兩期數據所反演次級塊體相對運動的結果來看，北部和東部的次級塊體相對運動改變較小，而西北部和南部以及中北部的次級塊體改變較大，因此汶川地震對川滇菱形塊體的西北部和南部以及中北部影響較大。

圖2 兩期塊體邊界相對運動對比分析

重點分析相鄰塊體間變化明顯的塊體組合，對于普渡塊體與無量塊體，前期在作E方向的擠壓運動，擠壓運動速率為17.99 mm/a，后期主要運動方向為SE向的拉張運動，且分離速度為2.23 mm/a，據此可知，汶川地震后普渡塊體與無量塊體間的相對運動不顯著，此塊體間的斷裂帶發生地震的可能性較小。南定塊體與瀾滄塊體，前期主要表現為N方向的拉張運動，運動量級較小，為4.13 mm/a，而后期板塊間的相對運動主要表現為SW方向的擠壓運動，運動量級為16.49 mm/a，因此汶川地震使得此塊體組合相對運動變大，且方向由原來的北向拉張變為西南向的擠壓。從圖中還可以看出，白玉塊體與其相鄰塊體的錯動趨勢變化非常顯著，出現這種情況的原因可能是分布在白玉塊體的臺站特別少且不均勻，導致此塊體的歐拉矢量計算不正確，以至于出現差異如此大的運動趨勢變化。

2.3 地震后塊體垂向運動分析

由于汶川地震前的GPS數據觀測質量較差，并且數據站點偏少，因此本文只對汶川地震后2008—2015年期間的區域內次級塊體在垂直方向的運動趨勢進行分析。基于GPS本身在高程方向上的解算精度存在一定的局限性，因此只對塊體垂向的運動特征在一個大尺度上作簡要分析。圖3中，箭頭向下代表測站下沉，向上代表測站隆升。位于川滇區域外圍的次級地塊基本上呈現上部和下部運動趨勢相反的狀態，這或許是由于青藏高原塊體的推擠作用及穩定的華南塊體的阻擋作用導致的，使得各個次級地塊的各位置受到的力大小和方向不同。此外，該區域內最下面的一些次級地塊運動趨勢比較統一，整個地塊或上升，或下降，但以下降為主，這說明川滇區域南部的一些塊體在汶川地震后一直呈現下降的趨勢，對于該區域進行定期檢測顯得尤為重要。從各測站上升和下降的量級而言，每年基本保持在10 mm以下，大部分在5 mm左右，由此可見從各測站上反映出的地塊垂向運動并不是太劇烈。由于數據質量問題和高程方向解算精度的局限，對區域內次級地塊垂向運動只停留在趨勢性分析，隨著數據積累，還需要作進一步的驗證。

圖3 次級塊體垂向趨勢運動

3 結 論

本文對川滇區域汶川地震前后兩期(1998—2008年和2008—2015年)GNSS連續跟蹤站數據進行了解算，求得兩期的測站在全球框架下的水平速度場信息，結合前人對川滇區域棱形塊體的劃分方案，利用歐拉計算方法得到了各次級塊體的歐拉矢量。同時對該區域進行了間隔為1°的網格插值，并結合次級塊體的歐拉矢量反演出了兩期中各次級塊體的運動方向和相鄰塊體的相對運動趨勢，結果表明：

(1) 汶川地震并沒有改變川滇區域地殼運動北強南弱、西強東弱、整體以順時針旋轉的特征，但局部塊體有運動方向和運動量級上的變化。此外，汶川地震使得北部和東部的次級塊體相對運動改變較小，而西北部和南部以及中北部的次級塊體相對運動改變較大；同時使得一些相鄰塊體的相對運動的活躍程度和方向發生變化，這些都對地震發生位置和造成災害程度預估具有一定的參考意義。

(2) 由于數據質量和解算精度限制，僅對汶川地震后川滇區域次級地塊垂向運動作了簡單分析，對于區域周邊地塊表現為上、下部運動方向相反，而在區域內部以及下部的地塊表現為做沉降運動，且運動量級并不是太顯著。隨著GPS數據的積累，對該部分結論還需作進一步的研究分析來證明其是否正確。

(3) 通過現有的GPS水平速度場和地塊垂直活動情況，可得到帶有逆沖性質的邊界，在水平走滑背景下，可以計算各塊體的逆沖運動縮減量，以便更有效地進行地震研究與預測。

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AnalysisoftheImpactofPrismaticSubBlockMotionfromthe8MagnitudeEarthquakeinWenchuanArea

YUE Caiya1,2，DANG Yamin2，YANG Qiang2，HAN Xueli1,2

(1. Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China; 2. Chinese Academy of Surveying and Mapping,Beijing 100830,China)

The crustal movement in the Sichuan Yunnan region is the most active around China, which is also the hot spot of the scholars′ research. Based on the GNSS continuous observation data solution (time node for the Wenchuan earthquake) in 1998—2008 and 2008—2015, combined with the previous classification scheme of the Sichuan Yunnan region prismatic block,Euler vector of each block is calculated based on the Euler vector. In this region, grid interpolation is used to retrieve the characteristics of two periods of crustal movement, and to study the relative motion of adjacent blocks by selecting a point in the vicinity of the fault zone or the fault zone.The results showed that the Wenchuan earthquake did not cause the change of the whole movement characteristics, but the movement of some local blocks and the relative motion of the adjacent blocks.

Sichuan Yunnan region; Euler vector; grid interpolation; relative motion

P22

A

0494-0911(2017)01-0030-05

岳彩亞，黨亞民，楊強，等.汶川8級大地震對川滇菱形區域內次級塊體的運動影響分析[J].測繪通報，2017(1)：30-34.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0007.

2016-03-16

國家自然科學基金(41474011)；國家青年科學基金(41404034)；國家公益性行業專項(B1503)；國家基礎測繪科技項目(2016KJ0205)；中國測繪科學研究院科研業務費(7771502)

岳彩亞(1990—)，男，碩士生，主要研究方向為GNSS數據處理與分析。E-mail:1462453505@qq.com