麗江一小金河斷裂帶現今閉鎖程度與地震危險性分析

李寧 朱良玉 劉雷

摘要：基于2009-2015年中國大陸GPS水平速度場數據，采用DEFNODE負位錯反演程序計算了麗江一小金河斷裂帶的斷層閉鎖程度和滑動虧損速率特征，并結合小震精定位結果分析了該斷裂帶的強震危險性。結果表明，GPS水平觀測值與模型值的擬合結果較好，小震分布與閉鎖程度結果存在一定的相關性，麗江—小金河斷裂的南段—中段南部（麗江—寧蒗）除最南端外基本完全閉鎖，斷層的滑動虧損速率也相對較大，該段落具有發生較大地震的潛在危險性；而中段中北部—北段閉鎖程度要弱得多，尤其在斷裂帶的北段，閉鎖程度很弱，除了南部有部分閉鎖，其余地方無強閉鎖狀態，且在5km左右深度處斷裂基本由閉鎖狀態轉化為蠕滑狀態特征，斷層的滑動虧損速率也相應很小，該段發生較大地震的可能性較小。

關鍵詞：麗江—小金河斷裂；DEFNODE負位錯反演；斷層閉鎖；滑動虧損速率；小震活動

中圖分類號：P315.725 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2018）02-0244-07

0 引言

麗江一小金河斷裂帶是川滇菱形塊體內部的一條NE向活動構造帶，斷裂全長360km，它將川滇菱形塊體斜切為川西北和滇中2個次級塊體，是龍門山—錦屏山—玉龍雪山中新生代推覆構造帶西南段基礎上形成的一條活動斷裂帶（鄧起東等，2002；向宏發等，2002），對川滇菱形塊體區域地殼運動的作用至關重要，從全新世至今一直具有較強的活動性（徐錫偉等，2003；季靈運等，2015）。據資料記載，麗江—小金河斷裂帶發生過多次6級以上地震，最大地震為1976年鹽源—寧蒗M6.7地震（李樂等，2008）。近年來，已有大量學者通過形變觀測手段對該斷裂帶的活動情況進行了分析研究，基本證實該斷裂目前仍處于活動狀態，如Shen等（2005）利用GPS資料分析認為麗江—小金河斷裂帶左旋走滑速率為3mm/a；王閻昭等（2008）以GPS觀測為約束，利用最小二乘方法反演得到麗江—小金河斷裂的分段活動結果：北東段左旋走滑速率為（0.8±1.5）mm/a，拉張速率為（2.4±1.7）mm/a；中段以左旋走滑為主，速率為（5.4±1.2）mm/a；南西段以擠壓為主，速率為（2.3±1.8）mm/a。另外，水準和GPS觀測垂直分量均表明現今麗江—小金河斷裂帶兩側地殼垂向運動存在較大差異（王慶良等，2008；Liang et al，2013）。綜上所述，麗江—小金河斷裂帶現今仍在活動，且發生在其南段的1976年鹽源—寧蒗M6.7、6.4震群破裂區和1996年麗江M7.0地震破裂區之間存在50km左右的破裂空區。綜合構造規模、斷層活動性與地震活動強度等方面，認為麗江—小金河斷裂帶區域地質背景復雜、構造活動強烈。

地震的孕育和發生與斷層活動密切相關，斷層強震危險性和緊迫性是地震中長期預測中的基礎科學問題，而大地形變測量在捕捉地震前兆異常、預測地震危險性方面起著非常重要的作用。目前，通過借助已有形變資料，如GPS、大面積水準等大地測量形變資料反演震間斷層閉鎖程度和滑動位移虧損情況已成為研究現今斷層運動與孕震能力的一個重要手段。王閻昭等（2008）以川滇地區GPS速度場為約束，依據研究區已知斷裂分布情況建立連接斷層元模型，用最小二乘法反演了該地區主要活動斷層的現今錯動速率；張希等（2014）利用2009-2011年全國GPS水平運動速度場資料，借助負位錯反演研究了新疆、青藏塊體東北緣、川滇、華北地區主要活動斷裂能量積累閉鎖段、閉鎖深度、分區分段差異性及其與強震孕育-發生的可能關系；趙靜等（2015）利用1999-2007期和2009-2013期中國大陸GPS速度場數據，采用 DEFNODE負位錯反演程序估算了川滇菱形塊體東邊界——鮮水河—安寧河—則木河—小江斷裂帶在汶川地震前后的斷層閉鎖程度和滑動虧損空間分布動態變化特征；申重陽和王琪（2002）利用川滇地區1991-1999年的高精度GPS觀測處理結果，采用穩健-貝葉斯最小二乘算法與多斷裂位錯模型，分析研究了川滇菱形塊體主要邊界運動的定量模型。綜上，本文將基于2009-2015年中國大陸GPS速度形變場資料，采用DEFNODE反演程序計算麗江一小金河斷裂帶的斷層閉鎖程度和滑動虧損速率，分析該斷裂不同段落的活動性。

1 反演方法介紹

自McCaffrey（2002）提出DEFNODE負位錯反演程序以來，該程序已被很多學者應用和研究。假定震間期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彈性變形積累總和，當塊體內部不存在整體均勻應變時，其理論公式如下：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，各參數的定義參見相關文獻（McCaffrey，2002；趙靜等，2015）。

利用GPS水平速度場數據反演塊體旋轉、塊體內部均勻應變和斷層閉鎖程度等參數的過程中，參數擬合的不符值可由式（2）表示，其中各參數含義參考相關文獻（McCaffrey，2002；趙靜等，2015）：

為得到使Xn2達到最小的一組最佳參數值，本反演程序使用網格搜索和模擬退火算法求解，并且對每個塊體內部是否存在整體均勻應變進行檢驗；檢驗完成后，通過不斷改變f值大小進行逐步擇優，以尋求最滿意的f值，保證Xn2最大程度接近于1，此時模型能夠最佳地解釋觀測數據。2計算分析

本文在GPS數據處理時，數據資料主要來自《中國地殼運動觀測網絡》和《中國構造環境監測網絡》項目在研究地區觀測的GPS連續站和流動站數據，流動站點共進行了2009、2011、2013、2015年4期觀測，每期觀測時采用30 s采樣間隔，連續觀測4d，每天24h。數據采集使用雙差模式，處理由GAMIT/GLOBK軟件完成。首先由GAM1T獲得GPS臺站位置參數及其方差-協方差矩陣的單日松弛解。數據處理中考慮并消除了電離層、對流層、海洋潮汐、大氣潮汐對臺站的影響。單日解中包括測站坐標、極移、衛星軌道和對流層天頂延遲等參數的初值及方差-協方差矩陣。然后用GLOBK將區域站和全球ITRF站的所有單日松弛解組合在一起，估算出區域站在ITRF2008參考框架下的速率及誤差。反演前，對方向、大小明顯偏離區域運動背景的GPS測站進行剔除，其中流動GPS測站水平方向平均誤差小于1mm/a，連續運行的GPS測站水平向平均誤差小于0.5mm/a。

研究區域以麗江—小金河斷裂帶為中心，包含川西北塊體、滇中塊體、華南塊體（圖1），圖中震源機制信息來自GCMT提供的1976-2017年的地震信息；GPS速度場約束方面，2009-2015年有188個GPS測點參與反演。反演過程中，沿麗江—小金河斷裂帶走向共有7條等深線，深度依次為0.1、5、10、15、20、25、30km。斷層結構設置如下：麗江一小金河斷裂每條等深線上有22個節點，斷層傾角為70°（劉耀輝，2016）。通過多次反演計算，GPS水平速度場數據誤差權重因子f=2.4，X2=1.0137，得到麗江—小金河斷裂帶周邊區域GPS速度場及其模擬結果（圖2）和斷裂帶閉鎖程度的空間變化分布結果（圖3）。

從圖2可知，2009-2015年GPS水平觀測值與模型值的剖面擬合結果較好，而圖3a顯示：麗江一小金河斷裂帶南段基本處于強閉鎖狀態，閉鎖比例達0.99，閉鎖深度約為25km，而其南段的最南端閉鎖程度有所降低，閉鎖比例基本在0.77；麗江一小金河斷裂中段北部閉鎖程度較弱，閉鎖深度在6～19km，其往南至中段的中北部，0～5km深度的閉鎖比例為0.52，6～30km逐漸過渡為蠕滑狀態，中段其它位置閉鎖較強；小金河斷裂北段的南端閉鎖深度在4～15km，其它位置30km深度以內基本無強閉鎖狀態。北段相對于中南段同一深度的閉鎖程度要弱很多，在5km左右深度處斷裂基本由閉鎖狀態轉化為蠕滑狀態特征。

斷層的閉鎖程度在一定程度上反映了斷層應變積累的情況，斷層閉鎖程度越強，越容易產生應變積累，反之亦然。而斷層滑動虧損速率用來表示斷層應變積累的速度大小，其大小用斷層長期滑動速率與表示斷層閉鎖程度的系數乘積得到。圖3b為計算出的麗江一小金河斷裂帶滑動虧損速率，結果顯示，斷層滑動虧損速率與斷層閉鎖程度的分布是基本一致的，麗江—小金河斷裂南段南部在深度5～25km處滑動虧損速率最大，約為6.5mm/a，25km以下深度逐漸降低為2.0mm/a；往北到麗江—小金河斷裂中段的中南部，從地表到25km深度處，斷層的滑動虧損速率較北段偏低，約為5.0mm/a；再往北至斷裂中段北部，斷層在同樣深度處的滑動虧損速率越來越小，并逐漸轉變為蠕滑狀態；麗江—小金河斷裂北段滑動虧損速率逐漸降低到近0mm/a，基本無滑動虧損積累。可見，麗江—小金河斷層的中南段可能為地震危險段，而其北段則基本處于蠕滑狀態。

3 小震精定位結果分析

為研究麗江—小金河斷裂帶的小震活動性，筆者收集了中國地震局地球物理研究所房立華研究員提供的小震精定位目錄，并選取了1970-2012年分布在麗江—小金河斷裂兩側20km內M≥1.0震源深度大于1km的地震來分析。同時為了進一步了解該斷裂帶上小震分布的空間特征，我們同樣將其分為北段、中段、南段，具體范圍見圖4中黑色虛線框。

首先，從麗江—小金河斷裂帶的小震分布平面圖（圖4）可知，小震分布與斷裂具有較好的一致性，但在每一段的活動性是不同的，在北段冕寧縣—石棉縣小震分布最為密集，中南段寧蒗彝族自治縣—木里藏族自治縣次之，其它段落小震分布均較少。

其次繪制所選地震的震源深度剖面圖（圖5）。由圖5可知，在該斷裂北段、中段和南段的小震活動性并不均勻，但小震的震源深度都基本在35km范圍內。具體來說，在麗江—小金河斷裂帶北段的北部，小震活動最為密集，震源深度主要分布在10～27km；位于斷裂中段南部的木里藏族自治縣以南小震分布也稍多，震源深度主要分布在5-27km；位于斷裂帶南段北部的寧蒗彝族自治縣以北的小震活動也相對密集，震源深度主要分布在5～32km范圍內，而在麗江—寧蒗段的強震空區段也存在明顯的小震活動空區。

通過對麗江—小金河斷裂帶不同段落的小震分布情況的研究可知，該斷裂北段、中段和南段的小震活動性并不一致，但小震的分布受斷層很好地控制，麗江—寧蒗段的小震活動明顯較弱，可能意味著斷層主要處于應力積累的狀態；寧蒗—鹽源段的小震括動稍強，與1976年鹽源—寧蒗M6.7、6.4震群可能有關；石棉段現今小震活動性最強，斷層應力釋放最為集中。

4 討論與結論

目前利用DEFNODE負位錯反演方法研究斷層閉鎖程度已在國外廣泛應用，而利用該方法對麗江一小金河斷裂帶斷層的閉鎖程度的相關研究程度還相對較低，近幾十年來，麗江—小金河斷裂仍在活動，且發生在其南段的1976年鹽源—寧蒗M6.7、6.4震群破裂區和1996年麗江M7.0地震破裂區之間存在明顯的破裂空區（圖5），本文基于2009-2015年中國大陸GPS速度形變場資料，采用DEFNODE反演程序計算分析了麗江—小金河斷裂帶的運動特征和不同段落的活動性，得到以下結論：

（1）地震實際上是在區域構造應力作用下，應變在活動斷裂帶上不斷積累并達到極限狀態后而突發失穩破裂的結果（Scholz，1998；張培震等，2013）。而斷層閉鎖程度越強，越容易產生應變積累，當能量積累到一定程度，則需要通過蠕滑運動或地震進行釋放。若斷層閉鎖程度很高，而且沒有蠕滑運動，那么斷層的滑動虧損速率也就越大，斷層發生中強以上地震的可能性也相應增大。通過對比麗江一小金河斷裂帶的地震分布圖（圖4，5）與閉鎖程度結果（圖3），發現二者存在一定程度的相關性。①在麗江一小金河斷裂南段，斷層閉鎖程度整體較高，閉鎖深度達到25km，而該段的小震活動除了在北部寧蒗—鹽源段稍密集外，其余段落小震活動均較少，而寧蒗—鹽源段的小震活動密集則主要由1976年鹽源—寧菠M6.7、64震群的余震影響所致，所以其南段整體呈現明顯的能量集中狀態，而能量釋放卻很少，斷層的閉鎖程度也很高；②麗江—小金河斷裂中段南部的閉鎖深度達25km，小震活動相對較集中，這同樣是因為1976年鹽源—寧蒗M6.7、6.4震群的余震影響，中段的中北部閉鎖深度在5km左右，且閉鎖強度較南部要弱，而小震活動在中北部也有相對集中的態勢，說明中北部在一定程度上通過小震活動來釋放能量；③在麗江一小金河斷裂北段南端閉鎖深度在4～15m，其它位置30km深度以內基本無強閉鎖狀態，而小震活動在南端小范圍內也存在一定程度的集中，但是活動較弱，而中北部的小震活動則非常強烈。自1976年以來，該段并未發生MS≥6.0地震，可見麗江—小金河斷裂北段中北部大范圍劇烈的小震活動基本緩解了該段的能量積累，這與該段斷層的閉鎖程度結果也是一致的。

（2）根據歷史地震記載及有關學者的研究，麗江一小金河斷裂中段至南段全新世以來均發生過古地震，其中中段至少發生過3次，南段至少發生過2次（李安等，2016；任俊杰等，2015）。1970年以來，發生在麗江一小金河斷裂的MS≥6.0地震基本都發生在其中段南部一南段，可見麗江一小金河斷裂的南段相對于北段應變積累更快，這與南段比北段滑動虧損速率大的結果也是相一致的。

（3）2009-2015年GPS水平觀測值與模型值的剖面擬合結果較好，反演計算結果也揭示了麗江—小金河斷裂的南段—中段南部（麗江—寧蒗）的強震破裂空區段閉鎖程度很高，斷層的滑動虧損速率也相對較大，認為該段落具有發生較大地震的潛在危險性，而中段中北部一北段閉鎖程度要弱得多，尤其北段閉鎖程度很弱，除了南部有部分閉鎖，其余地方無強閉鎖狀態，且在skm左右深度處斷裂基本由閉鎖狀態轉化為蠕滑狀態特征，斷層的滑動虧損速率也相應很小，該段發生較大地震的可能性較小。

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