圣安地列斯斷裂帶帕克菲爾德段異常運動及其特征分析

何子晨，馮 威，朱東偉

(西南交通大學地球科學與環境工程學院，四川 成都 611756)

帕克菲爾德(Parkfiled，CA)地區位于美國加利福尼亞州中部，靠近美國大陸西海岸，地處太平洋板塊和北美板塊交界處，圣安地列斯(San Andreas)主斷裂帶由西北至東南走向從此區域穿過，此部分斷裂帶因其位于圣安地列斯斷裂帶的中央蠕滑段和南部徹萊姆(Cholame)閉鎖段之間，所以被稱為帕克菲爾德過渡段，長約30 km。此地區在歷史上發生過周期約為22年的重復性中等地震共6次，據此有人進行了地震預報實驗，但因當時技術落后與數據資料匱乏導致實驗失敗(Roeloffs et al.，1996)。 隨后，Lienkaemper et al.(1989)通過短距離三角測量與基線測量確定此段相對運動年平均滑動速率為0.99±0.04 cm/a。Murray et al.(2005)通過GPS技術計算地表形變來分析圣安地列斯斷層滑動情況，Barbot et al.(2013)和Maurer et al.(2014)通過GPS和InSAR技術聯合反演圣安地列斯斷層滑動情況。通過地表變形分析斷層滑動情況和斷層構造屬于間接研究，存在一定不確定性。Roecker et al.(2006)通過地震波成像方法分析了圣安地列斯斷層結構，Kim et al.(2017)根據斷層結構的特征分析了圣安地列斯斷層上各個位置的地震波波速特性，Taira et al.(2008)通過應力測量的方法分析該地區2004年地震前后斷層上應力變化情況，Shelly et al.(2011)研究了震顫現象與應力變化及斷層破碎之間的聯系。通過地震波與應力計的監測可以較為準確的反映地下斷層結構與應力變化，有利于斷裂帶安全性研究，但其數據較為抽象，且對形變信息不敏感，不利于實際應用。Custódio et al.(2007)分析了此地區重復地震的周期特性，Rubinstein et al.(2012)研究了此地區地震預報的方法，Schorlemmer et al.(2004)通過地震統計學方法分析了斷層上凹凸體可能存在的位置。通過數學方法分析此區域的地震特性與斷裂帶的結構特征，可對一些現象做出較為合理的解釋，并分析現象間的聯系，但對前提假設條件要求較高，且不易對現象作用機理進行分析。現有針對此區域的小尺度斷裂帶研究并不充分，容易忽略細節，不利于充分研究斷裂帶活動機理，且現有模型的準確性和精度還有待提高，所以本文直接通過分析小區域內地表CORS站間高精度相對運動趨勢來分析小區域內板塊間相互作用，以及小范圍內的異常形變的規律與作用機理，對研究小范圍斷裂帶活躍區域很有必要。

1 數據處理

1.1 數據源與處理策略

為了研究小區域斷裂帶活動特性，本文選用了斷裂帶活動較為活躍的帕克菲爾德地區的cand、mida、pomm、carh、hunt、hogs、land、p790八個分布于斷裂帶兩側的CORS站。選取2013年至2016年四年間的觀測數據和廣播星歷，其數據為GPS單星座、雙頻、15 s歷元間隔。本文所用GPS數據全部來自于SOPAC網站(http://sopac.ucsd.edu/)。測站及斷裂分布見圖1。

圖1 測站分布圖

利用GNSS差分技術進行基線解算，采用雙差模型，去除接收機鐘和衛星鐘影響。雙差觀測方程可表示為(黃丁發等，2015)：

Δ

Δ

(1)

式中：Δφk表示雙差相位觀測值;ΔNk表示雙差模糊度;為雙差幾何距離;[為方向余弦。在小尺度區域內采用差分定位，可以忽略電離層延遲、中性大氣延遲和潮汐影響；通過采用24小時的觀測，進一步削弱多路徑及其它噪聲的影響，實現高精度的位移解算。

cand測站位于北美板塊上，距離斷裂帶較遠，相對于靠近斷裂的其他測站，其運動相對穩定。基線解算時以此站為參考站進行解算，并且將解算結果轉換為沿斷裂帶走向和傾向(垂直于斷裂的水平分量)，設定局部坐標：沿斷裂帶走向西北向為正向，垂直于斷裂的水平分量東北向為正向，以便更好理解和分析此區域板塊間相對運動趨勢。在較小尺度區域內認為斷裂帶近似為一條直線，斷裂帶方位角數據根據SOPAC網站(http://sopac.ucsd.edu/)上地圖數據計算而來。

1.2 位移序列與精度分析

圖2和圖3是沿斷裂的測站相對cand參考站的相對位移時間序列，分別展示了各測站沿斷裂帶走向與傾向的相對運動位移時間序列，黑色實線表示25天時作為窗口的平均移動結果。

圖2 沿斷裂帶走向相對位移時間序列

圖3 沿斷裂帶傾向相對位移時間序列

表1 各監測點位移序列統計精度(移動窗口=25天)

選取無跳變時段的數據計算序列的內符合精度。通過移動平均擬合趨勢項，計算原始結果與移動平均值之差，獲得標準差，以此來反映基線解算結果精度。從圖2、圖3中可以看出測站位移時間序列大多存在以月為周期的較短位移趨勢，為體現測站實際位移趨勢，以25天為移動窗口，此時結果較為平滑，可以明顯看出位移趨勢。移動平均結果(選25天為移動窗口)如表1所示。從表1可以看出，移動平均窗口設置為25天時，各測站原始結果與趨勢差的標準差在走向與傾向都在2.90 mm之內，其中出現異常運動的pomm測站走向、傾向標準差分別為0.84 mm和1.80 mm，其遠小于異常運動所引起的5～15 mm量級的張壓的相對量。將本文結果與他人研究資料(Lienkaemper et al.,1989; Barbot et al.,2013; Maurer et al.,2014)及USGS網站時間序列產品對比分析，本文所解得的測站相對運動趨勢準確，測站在四年當中發生了如圖2、圖3所示的相對運動。

2 近斷裂帶區域監測點運動特征分析

2.1 測站相對運動趨勢分析

通過監測點位移解算結果(平均移動結果)可以看出運動趨勢可明顯分為兩類，此現象符合測站在兩板塊的分布情況。各測站相對速度場見圖4。平行于斷裂的滑動分量顯示在帕克菲爾德區段的圣安地列斯斷裂呈現右旋活動。位于太平洋板塊的pomm、carh、land、hogs、p790五個測站長期運動趨勢較為一致，5個測站相對cand參考站向西北向滑動。其中距離斷裂帶較近的pomm、carh測站四年時間走向滑動約5 cm，年平均滑動速率為1.2 cm/a。距斷裂帶稍遠的land、hogs、p790測站四年走向滑動在6 cm左右，年均滑動速率為1.4 cm/a，其中p790滑動量最大，因其靠近圣安地列斯斷裂帶中部的蠕動段，所以滑動速率較大。在走向滑動上整體表現出西北部速度高、東南部速度低、逐漸過渡的趨勢。carh四年累積垂直于斷裂的水平分量基本無滑動，land、hogs、p790四年累積垂直于斷裂的水平分量滑動在0.7 cm左右，在斷裂帶上表現為太平洋板塊向北美板塊擠壓，而pomm四年累積垂直于斷裂的水平分量滑動達到1 cm，且具有更強的擠壓趨勢。位于北美板塊的hunt、mida兩測站長期運動趨勢較為一致，因其與參考站cand都位于北美板塊，所以其相對走向運動并不明顯，但仍可看出四年累積傾向滑動量達到0.7 cm左右，可認為主要是受太平洋板塊擠壓所致。總體看來，此區域內除pomm測站外的各個測站四年來相對運動趨勢均較為穩定，只有pomm測站出現了三次周期性逆擠壓運動。此站在2013年3月之前與2016年4月之后都具有右旋擠壓的運動趨勢，與所在板塊的運動趨勢保持一致。

2.2 pomm站異常運動分析

位于太平洋板塊的pomm測站出現了三次具有周期性的異常運動，發生時間段為2013年3月至2016年3月。其所引起的張壓的相對量在5～15 mm。根據長期運動趨勢和解算結果的統計精度可以確定，異常運動現象確實存在。異常運動為逆擠壓運動趨勢，在斷層上表現為三次“一張一合”，具有一定的周期性，約為12月，見圖5方框。其傾向運動趨勢最終恢復為擠壓趨勢，與斷裂帶在此區域的擠壓趨勢趨于一致。pomm測站異常運動位移時間序列見圖5。在此異常運動期間，USGS網站(https://earthquake.usgs.gov/)所提供的該地區地震記錄中并沒有足以產生如此量級滑動的地震發生。且其滑動速率相較于常規地震非常緩慢，通過對比Frank et al. (2015)研究的墨西哥地區慢地震對CORS站的影響，pomm測站的運動趨勢與慢地震現象較為符合，且證實其推斷：當斷層傾角越接近90°時，斷層面上發生慢地震對地表水平位移影響就越大。通過以上分析則確定斷裂帶上發生慢地震事件。pomm測站長期運動趨勢符合圣安地列斯斷裂帶在帕克菲爾德段的右旋走滑并伴隨擠壓運動的趨勢。當慢地震發生時，pomm測站出現逆擠壓運動趨勢，但從整體長期運動趨勢可以看出，其已于2016年4月恢復了右旋擠壓的運動趨勢，與所在板塊的運動趨于一致。

圖4 相對速度場

圖5 pomm測站相對位移時間序列

本文根據Schorlemmer et al.(2004)所研究的此區域的凹凸體分布，分析區域異常運動的原因為：pomm測站所在附近區域下方的斷層面上由于接觸面壓力或溫度的變化，產生了一個較小的凹凸體，阻礙斷裂帶的右旋走滑運動，使得斷層在此運動時不得不錯開以保證與板塊整體的右旋運動趨勢一致，在地表pomm測站則表現為逆擠壓運動趨勢，當應力累積到一定程度時，與凹凸體接觸的太平洋板塊較為脆弱，太平洋板塊接觸面率先破裂，使運動趨勢恢復了擠壓，引起了監測結果中的部分回跳，但隨著板塊右旋走滑的繼續，凹凸體的存在又阻礙了其運動，又出現了逆擠壓運動趨勢與回跳。此過程重復兩次后，當凹凸體承受能力小于太平洋板塊部分時，凹凸體破裂，使得板塊間再次恢復擠壓運動趨勢，因阻礙滑動運動的凹凸體消失，則之后再無此現象發生，示意圖見圖6。

圖6 異常運動機理示意

3 結語

利用小尺度短基線高精度相對定位的處理策略探究斷裂帶上的異常運動，并將相對運動解算結果投影到斷層面傾向與走向上，可以更加清晰的得到異常運動對板塊間相對運動量。本文利用以上解算策略對美國加州帕克菲爾德地區分布在圣安地列斯斷裂兩側的CORS站間基線進行解算，斷裂帶在此區域的長期運動趨勢呈現右旋走滑伴隨擠壓的運動趨勢，并發現pomm測站存在周期性運動，通過分析認為此逆擠壓的運動可能為慢地震現象，其對pomm測站的位置產生5～15 mm的影響。此區域慢地震復發過程使得斷裂帶呈現“一張一合”的運動規律，對長期運動趨勢的分析可以看出，此區域的逆擠壓運動已消失，整體運動趨勢恢復為與板塊一致的右旋擠壓運動趨勢。本文將凹凸體這一斷層特殊構造用于解釋小區域內的可能慢地震現象，為研究凹凸體與慢地震的聯系提供了一個具有實際價值的例子與思路。