基于GPS資料研究云南地區地殼形變動態特征

王巖 洪敏 邵德勝 汪志民

摘要：基于1999—2007年和2011—2013年2期云南地區的GPS速度場資料，結合最小二乘配置方法給出了2個時段應變參數和GPS速度剖面結果，綜合分析了汶川8.0級地震前后云南地區地殼變形動態演化特征。GPS 速度場動態演化結果表明：整體上GPS速度場方向從川滇塊體南部的南向逐漸轉為滇南塊體的南東向，塊體邊界斷裂帶附近存在明顯的相對運動特征。相比于1999—2007年，點位更加密集的2011—2013年GPS速度場結果還反映了斷裂帶分段變形特征；在滇南塊體及周邊地區，南東向的運動有顯著的增加。應變參數動態演化結果表明：整體上呈現“中部拉張、兩端擠壓”的特點；區域變形（剪切、拉張或擠壓）的分布特征與區域主要斷裂帶的背景運動及變形特征密切相關；相比于1999—2007年，2011—2013年的拉張變形區有所擴大，并且有向東和向南擴展的趨勢；川滇塊體東邊界（小江斷裂帶）整體的擠壓變形已經不再顯著，主要集中在小江斷裂帶北段靠北的區域。跨斷裂帶GPS速度剖面結果顯示：小江斷裂帶左旋滑動速率從北向南逐漸減小（由10 mm/a減至5 mm/a），北段變形寬度較寬；紅河斷裂帶右旋滑動速率約為4 mm/a，變形寬度較寬；動態結果表明，汶川地震對2條斷裂帶變形模式影響較小。

關鍵詞：最小二乘配置；GPS速度場；應變參數；GPS速度剖面

中圖分類號：P315.725 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2018）03-0368-07

0 引言

云南地區地處青藏高原東南緣地區，是我國地震活動最為顯著的地區之一，該區域活動構造豐富且復雜（張俊昌等，1980；王義昭等，1988；李西，2015），這種特殊的構造環境也造就了該區域特殊的地殼變形特征。本區域位于南北地震南段，多位研究學者針對南北地震帶地區地殼變形的特征開展了大量研究（江在森等，2001；方穎等，2008；楊國華等，2009；丁開華等，2013；張希等，2003；武艷強等，2012；魏文薪等，2012；季靈運等，2015），另外，也有學者針對云南地區的地殼變形特征開展了相關的研究（楊國華等，2003；洪敏等，2014；王伶俐等，2015，周海濤等，2017），但針對云南地區的地殼變形的動態演化特征研究還略顯不足。2008年汶川8.0級地震發生對云南地區地殼變形的影響如何，該地震前后區域的變形是否有顯著變化等問題值得進一步研究。因此，本文基于1999—2007年和2011—2013年云南地區的GPS速度場資料，結合最小二乘配置方法給出2個時段應變參數結果和GPS速度剖面結果，綜合分析了汶川地震前后云南地區地殼變形動態演化特征。

1 GPS資料概況及數據處理

我國從20世紀80年代末逐步開始GPS觀測，較大規模、高精度的GPS觀測從 “中國地殼運動觀測網絡”建設完成后開始，該網絡分布于中國大陸的GPS區域站約1 000個。在中國地殼運動觀測網絡基礎上，2007年進行二期建設的“中國大陸構造環境監測網絡”（簡稱陸態網絡）把區域網點增加到2 000個。為研究云南地區地殼變形的動態演化特征，本文主要利用中國地殼運動觀測網絡建成后的GPS復測資料進行研究，這些資料包括：中國地殼運動觀測網絡GPS區域網1999，2001，2004，2007年復測資料，中國大陸構造環境監測網絡GPS區域網2011，2013年復測資料。

GPS區域網速度場精密解算工作與GPS時間序列解算類似，分2步進行。第一步為GAMIT解算，由于同步觀測的測點較多，考慮到GAMIT單次解算的測點有限，一般采用分區解算方式，此步的主要產出為單日松弛解hfile。第二步解算以單日松弛解hfile作為輸入，融合中國大陸GPS連續站和IGS單日松弛解結果，采用GLOBK軟件或QOCA軟件（Dong et al，1998）進行GPS速度解算。由于GPS速度解算至少需要2期GPS觀測，因此統一2期（多期）解算結果的參考基準就顯得尤為重要，此時參考框架點的選取原則與時間序列類似。另外一個需要關注的問題是同震位移的扣除，如果在地震后進行過GPS觀測，則可以利用觀測數據建立同震位移分布模型，對同震影響進行扣除。

基于上述處理原則，采用GAMIT/GLOBK軟件解算，得出了1999—2007年共4期和2011—2013年共2期云南地區GPS速度場結果。考慮到南北地震帶中南部西側為中國大陸最大的相對穩定的華南地塊，在云南地區的GPS站實測速度中，扣除華南地塊的歐拉剛體運動參數確定的理論值，獲得該區域相對于華南地塊的地殼運動速度圖，既能夠反映云南地區屬于青藏地塊區的強烈變形與穩定的華南地塊的差異，也能夠兼顧反映云南地區主要塊體邊界帶的相對運動。筆者還針對制約多期GPS速度場動態演化特征分析的關鍵問題，利用改進擬準檢定（QUAD）初選指標的方法，有效解決多期速度場的基準偏移對粗差剔除的影響，給出了相對華南基準的速度場結果（鄒鎮宇等，2015）。圖1給出了由上述GPS觀測資料解算獲得的1999—2007年及2011—2013年云南地區相對于華南地塊的GPS速度場結果。

2 地殼相對運動及其動態變化特征 從云南地區總體地殼相對運動與變形特征來看（圖1），青藏高原東部物質向邊緣流動受到邊界較穩定塊體的阻擋，造成在接近垂直青藏地塊邊界帶方向地殼縮短與沿地塊邊界帶方向地殼伸展，兼有扭動與剪切變形的特征。根據速度衰減或方向改變，大致為南東向或南向。作為本區域重要的塊體邊界帶的小江斷裂帶GPS站速度矢量大小方向在空間上的不斷變化，顯示有較強的相對運動與變形。這表明由于其特殊的構造環境及其東側被穩定的地塊阻擋，其對青藏地塊向東運動及物質東移的吸收十分顯著。云南地區以近南北向地殼縮短變形、近東西向地殼伸展為主。在最南部南北向800 km以內最大縮短量約8 mm/a，而在最南端近東西向地殼伸張量為近10 mm/a。該區地殼相對運動與變形以川滇地塊向南擠出滑移最為顯著，且川滇地塊中部運動速度最大。南部整體上呈現順時針扭轉運動。GPS站速度從西到東及從北到南不斷向南、南部偏轉，使站速度從近東西向運動偏轉到川滇地塊南側地區為向南或南西運動。在南北地震帶南部東邊緣，即川滇地塊與華南地塊邊界帶的GPS站速度在平行地塊邊界帶的分量自西向東衰減顯著，表現為明顯的左旋變形特征，總體左旋扭動量約為10～12 mm/a。

由圖1a可見，1999—2007年 GPS速度場特征主要體現在：（1）GPS速度場方向從川滇塊體南部南向逐漸轉為在滇南塊體的南西向，反映出了繞喜馬拉雅東構造結做順時針旋轉的變形特征；（2）在川滇塊體東邊界的南段存在顯著的左旋剪切運動，滇西北地區存在顯著的拉張變形；（3）青藏高原物質東流，受穩定的華南塊體的阻擋，使得云南地區形成現有的變形特征，雖然區域的構造十分復雜，但主要的塊體邊界斷裂帶的相對運動特征仍能在速度場中清晰的顯示出來。由圖1b可見，2011—2013年GPS點位的密度顯著增加，但是由于觀測時間較短，誤差大于1999—2007年的結果；速度場結果不僅反映了塊體邊界帶的相對運動特征，也可以反映斷裂帶分段變形

特征（例如小江斷裂帶的北段和中段的左旋滑動速率顯著的大于南段的滑動速率）；并且，相比于1999—2007年速度場結果，在滇南塊體及周邊地區，2011—2013年南東向的運動有顯著的增加。

3 應變率場動態變化特征

雖然采用相對運動速度場可以較直觀地反映地殼變形特征，但就對地殼變形的定量描述方面來看，應變場的分析更有優勢。應變場各種參數能夠全面表達變形的不同性質與強度，從一般概念講，由于應變量是由觀測點之間的相對運動來決定的，它不依賴于參考基準。但目前應變計算有多種方法，不同研究者采用不同的方法用相同來源的GPS資料所給出的應變場圖像也有較明顯差異（石耀霖，朱守彪，2006）。Wu 等（2011）借助模擬實驗數據對最小二乘配置應變場解算方法結果與三角單元法、多面函數擬合和球諧函數展開這幾種應變場方法解算結果進行了比較分析，根據其與理論值的逼近程度，客觀估計不同方法模型的優缺點及其抗差性與實用性。結果表明，最小二乘方法最優。因此本文利用最小二乘配置球面應變率計算方法對研究區域的應變率場特征進行分析（江在森，劉經南，2010）。

圖2給出了2個時段的面應變率及最大主應變率的分布圖，1999—2007年的結果顯示：（1）拉張變形主要集中在紅河斷裂帶、程海斷裂帶、麗江小金河斷裂帶南段等區域，擠壓變形主要集中在滇西及川滇塊體東邊界南段的區域，并且整體上呈現“中部拉張、兩端擠壓”的變形特征；（2）拉張變形的區域與地質結果給出的斷裂帶變形特征具有一致性（劉光勛等，1986；黃小巾等，2014），擠壓變形特征可能與此區域的動力源有關，即青藏高原物質東流受到穩定的華南塊體阻擋，在川滇塊體東邊界南段（小江斷裂帶）形成擠壓區；（3）在滇南的邊界區域形成了擠壓變形的高值區，由于最小二乘配置方法在計算的過程中存在邊界效應，因此，高擠壓變形區可信度不高。2011—2013年的結果一方面繼承了上一期整體變形特征，另一方面還存在著顯著的差異性，主要表現為：拉張變形區有所擴大，并且有向東和向南擴展的趨勢；在靠近則木河斷裂帶附近存在顯著的擠壓變形的高值區，川滇塊體東邊界（小江斷裂帶）整體的擠壓變形已經不再顯著，主要集中在小江斷裂帶北段靠北的區域。

圖3給出了最大剪應變率的結果，1999—2007年的空間分布最顯著的特征是應變率高值主要沿川滇地塊東邊界帶南段（小江斷裂帶）分布。并且以程海斷裂帶為界，形成了最大剪應變率的高值與低值的過渡區域，可能預示著該區域剪切應力積累水平較高，需關注該區域的強震危險性。另外，區域剪切變形的分布特征與區域主要斷裂帶的背景運動及變形特征密切相關（例如左旋走滑運動為主的小江斷裂帶處于最大剪應變率的高值區，右旋走滑運動為主的紅河斷裂帶處于最大剪應變率的低值區）。從2011—2013年的空間分布特征來看，與上一時段的一致性較好，這也表明了地殼變形隨著時間的推移，具有較好的繼承性特征；另外，相比于上一時段，程海斷裂帶附近的最大剪應變的高值區有向北擴展的趨勢；與其同步的還有紅河斷裂帶的最大剪應變的高值區也有向北擴展的趨勢。

4 主要斷裂帶運動特性研究

由于最小二乘配置應變率計算方法基于連續變形假設，因此其結果在識別具體斷裂帶的具體變形模式方面不具優勢。GPS速度剖面圖像可直觀展現位移分布與斷層的關系，經常被應用于斷層變形特征的分析中（張培震等，2005，2008；Maurin et al，2010；Wu et al，2015）。因此，本文以小江斷裂帶和紅河斷裂帶為例分析斷裂帶運動變形的動態演化特征。

4.1 小江斷裂帶

小江斷裂帶北起巧家以北，南至建水東南，全長約400 km，總體呈南北走向。根據其內部結構分成3段，分別為北段、中段和南段。在長期的活動過程中，曾經歷壓、張、扭不同力學性質的轉化，晚第四紀以來，斷裂以強烈左旋走滑為特征（宋方敏，汪一鵬，1998）。按照上述的分段原則，以斷裂帶為中心，左右兩側分別圈定一定范圍，利用該范圍內的GPS實測速度場數據進行高斯投影，求得各GPS點的沿斷裂帶走向方向及垂直斷裂帶走向方向的速率；并按照走滑斷層的震間變形模式對剖面進行擬合，最后給出了2個時間段平行斷裂帶GPS速度剖面和擬合結果，如圖4所示。

由圖4可見：（1）小江斷裂帶北段2個時段的滑動速率變化不大，均為10 mm/a，且表現為一定的應變積累的變形特征，變形寬度較寬；（2）小江斷裂帶中段：相比于1999—2007年，2011—2013年的遠場滑動速率有所增加（從7 mm/a增加到10 mm/a），小江斷裂帶從中段開始分為2支，現有的GPS點位密度還不能識別出東西2支的變形特征，所得到的滑動速率結果應為2支滑動速率之和。雖然滑動速率有所增加，并且從剖面的形態來看仍然表現為一定的應變積累特征，但2個時段的變形寬度變化不大；相比于北段，中段的變形寬度較窄；（3）小江斷裂帶南段：相比于北段，該段的滑動速率有了明顯的減少，約為5 mm/a，這可能與曲江石屏斷裂帶吸收了部分變形有關，從2個時段的動態演化特征來看，變形寬度沒有顯著的變化，且變形寬度比小江斷裂帶北段窄。綜合上述分析可以看出，小江斷裂帶以左旋走滑運動為主，不同段落變形有著明顯的差異，滑動速率也有所不同；根據走滑斷層的震間期的變形模型推測小江斷裂帶的應變積累水平較高；另外，從各段落的動態演化特征來看，小江斷裂帶不同段落在不同時段變化并不明顯，汶川地震同震及震后調整對此斷裂帶影響較小。

4.2 紅河斷裂帶中段

根據紅河斷裂帶幾何結構特征，可以分為3個變形區，并且北西段和南東段存在多個次級斷裂（向宏發等，2004），顧及到實際GPS點位分布特征，本文僅對紅河斷裂的中段進行GPS剖面分析。由于紅河斷裂帶是以右旋走滑為主，因此，圖5給出了平行斷裂帶的GPS速度剖面和擬合結果。

從GPS速度剖面及擬合結果可以看出，紅河斷裂帶中段主要以右旋走滑運動為主，滑動速率約為4 mm/a，2個時段的滑動速率變化不大；從斷裂帶的變形形態來看，存在著一定的應變積累特征，以現有的GPS點位做剖面擬合可以看出，2個時段的變形寬度變化不大，但變形寬度較寬，可能預示著該段落可能處于孕震晚期；從以上分析也可看出，汶川地震的發生對此斷裂的變形影響較小。

5 討論與結論

基于1999—2007年和2011—2013年的2期GPS速度場資料，并結合最小二乘配置方法給出的2個時段應變參數結果，綜合分析了汶川地震前后云南地區地殼變形動態演化特征。獲得了以下主要認識：

（1）2個時段GPS速度場的動態結果表明：整體上GPS速度場方向從川滇塊體南部南向逐漸轉為在滇南塊體的南西向，反映出了繞喜馬拉雅東構造結做順時針旋轉的變形特征。塊體邊界斷裂帶附近存在明顯的相對運動特征。2011—2013年點位的密度顯著增加，速度場結果不僅反映了塊體邊界帶的相對運動特征，也可以反映斷裂帶分段變形特征；相比于1999—2007年的GPS速度場結果，在滇南塊體及周邊地區，南東向的運動有顯著的增加。

（2）2個時段的應變率場動態結果表明，整體上“中部拉張、兩端擠壓”；區域變形（剪切、拉張或擠壓）的分布特征與區域主要斷裂帶的背景運動及變形特征密切相關；相比于1999—2007年，2011—2013年給出的拉張變形區有所擴大，并且有向東和向南擴展的趨勢；川滇塊體東邊界（小江斷裂帶）整體的擠壓變形已經不再顯著，主要集中在小江斷裂帶北段靠北的區域；程海斷裂帶附近的最大剪應變的高值區有向北擴展的趨勢；與其同步的還有紅河斷裂帶的最大剪應變的低值區也有向北擴展的趨勢。

（3）跨斷裂帶GPS速度剖面結果顯示：小江斷裂帶左旋滑動速率從北向南逐漸減小（由10 mm/a減至5 mm/a），北段變形寬度較寬；紅河斷裂帶右旋滑動速率約為4 mm/a，變形寬度較寬；動態結果表明，汶川地震對2條斷裂帶變形模式影響較小。

GPS 數據處理得到中國地震局第一監測中心武艷強研究員數據解算團隊的技術支持，GPS的變形分析得到了中國地震局地震預測研究所魏文薪博士的有益討論，在此一并表示感謝。

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Abstract Based on the GPS velocity field data of 1999—2007 and 2011—2013，we used the least squares configuration method and GPS velocity profile results to synthetically analyze the dynamic evolution characteristics of crustal deformation in Yunnan area before and after the Wenchuan earthquake. The dynamic evolution of GPS velocity field shows that the direction is gradually changed from the south of the southern part of the Sichuan-Yunnan block to the south-west of the southern Yunnan block and there is a clear relative motion characteristic near the block boundary fault zone. Compared with the GPS velocity of 1999—2007，the results of 2011—2013 also reflect segmental deformation characteristics of the block boundary fault zone. South-east movement has a significant increase. This may be related to crustal deformation adjustment after the Wenchuan earthquake. The dynamic evolution of strain parameters shows that ‘middle tension，squeeze at both ends is in the whole area and the distribution of deformation（shear，tension or extrusion）is closely related to the background motion and deformation characteristics of the main fault zone. Compared with results during the period of 1999—2007，the tensile zone in 2011—2013 has been expanded in the eastward and southward direction. The extrusion deformation of the eastern boundary（Xiaojiang fault zone）of the Sichuan-Yunnan block is no longer significant，mainly concentrated in the northern section of the Xiaojiang fault zone，which may be related to the post-seismic deformation adjustment of the Wenchuan earthquake. The GPS velocity profile results show that the left-lateral slip velocity of the Xiaojiang fault zone reduced gradually from north to south（from 10 mm/a to 5 mm/a），and the width of the northern section is wider. The right-hand slip rate of the Honghe fault zone is about 4 mm/a，and the deformation width is wider. The dynamic results show that the Wenchuan earthquake has little effect on the deformation modes of the two fault zones.

Keywords：least squares configuration；GPS velocity field；strain parameter；GPS velocity profile