利用GNSS連續觀測資料分析川滇地塊 與斷層活動的方法與嘗試1

周海濤 趙靜暘

（中國地震局第一監測中心，天津 300180）

引言

利用GNSS觀測數據研究大陸塊體的現今運動和變形，已經成為地殼形變研究的熱點。在研究地殼形變問題時，常利用流動GNSS復測資料計算指定區域的位移場、速度場和應變場，利用GNSS流動資料研究中國大陸應變場及塊體運動，已取得了豐碩的成果（楊國華等，2002；江在森等，2003；王敏等，2003；張培震等，2003，劉志廣等，2013）。但是，流動GNSS資料復測周期長，且其觀測資料的質量、點位的穩定性等方面與連續觀測資料存在較大的差距。隨著中國GNSS連續站逐漸增加，利用GNSS連續觀測資料進行形變場和應變場的分析也成為了可能。

川滇菱形塊體是由現今構造活動強烈的鮮水河、安寧河、則木河、小江、紅河、金沙江等深大斷裂圍成的區域。川滇地塊及其邊界斷裂帶是中國大陸地震活動最強烈、構造運動特征最復雜的地區之一。由于川滇地區強烈的構造活動，前人已對其進行了很多研究（徐錫偉等，2003；易桂喜等，2004；周偉等，2008；朱爽等，2017，2018）。

斷裂、地震活動和該區域密集的GNSS連續臺站，為人們利用連續GNSS資料研究地殼形變提供了理想場所。采用剛性塊體模型描述塊體間的相對運動，能捕捉脆性上地殼的滑移、破裂等脆性特征，各塊體主要以平移和旋轉等運動形式表現。但除了發生整體旋轉之外，其邊緣和內部都將發生程度不等的變形，尤其在川滇地區，各邊界在2個或多個板塊的相互作用下，塊體邊緣地帶的應變非常復雜，理想的剛性板塊模型不足以描述構造運動的復雜性。故本文基于高精度GNSS連續站的觀測成果，應用塊體的旋轉應變方程研究川滇地塊及周邊現今運動狀態與應變狀態，并分析其北邊界——鮮水河斷裂的運動速率。

1 川滇地塊構造背景

川滇地區位于青藏高原東南部，包括川滇菱形塊體、巴顏喀拉塊體南部、華南塊體西部等塊體。青藏高原在印度板塊的推擠及華南塊體的阻擋作用下，呈現整體的順時針旋轉。長期以來，川滇地區構造變形活動強烈、強震高發。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（圖1）。這些縱橫交錯的斷裂帶造成該區域地震活動強烈、長期構造運動特征的復雜性及多解性，也使該地區成為突發性地質災害的易發區及重災區。

圖1 川滇地區主要活動斷裂分布 Fig.1 Distribution map of main active faults in Sichuan-Yunnan region

川滇地區是中國強震頻發的地區，而大震多發生在活動斷裂帶上，其中鮮水河斷裂以其活動性強、強震發生多而著稱。鮮水河斷裂南部為川滇塊體，北部為巴彥喀拉塊體，在2個塊體之間的鮮水河斷裂帶上多次發生7級以上地震，而鮮水河斷裂的活動速率一直較高，說明斷裂的活動速率與地震的發生可能有一定的相關性。對川滇塊體及其周邊的形變資料進行分析研究有助于總結川滇地區的地震災害特征。

2 GNSS連續站數據分析及處理

為了研究川滇塊體內GNSS連續站資料的可用性，在川滇塊體附近隨機選取多個GNSS連續站的時間序列進行分析。圖2、圖3分別為SCDF（道孚）和SCMN（冕寧）站點的GNSS數據時間序列，從圖中可以看出NS向、EW向變化線性運動明顯，周期性運動相對于運動的年速率值很小，因此在進行GNSS站點水平方向年速率擬合時，無須去除水平向的年周期值；而垂向變化的周期值非常明顯，周期幅值達10mm左右，因此在進行垂向分析時一般要考慮年周期變化。為了更好地反映川滇塊體及其周邊的運動狀態，共選取川滇塊體及其周邊數據質量較好的20個GNSS連續站進行分析研究。

圖2 SCDF站點水平及垂向運動時間序列 Fig.2 The horizontal and vertical motion time series of SCDF site

圖3 SCMN站點水平及垂向運動時間序列 Fig.3 The horizontal and vertical motion time series of SCMN site

采用GAMIT/QOCA軟件對GNSS連續站觀測值的數據進行處理。數據處理的基本流程（王敏，2007）為：首先利用GAMIT獲得GNSS連續站及IGS（International GPS Service）測站的單日松弛解，當同步觀測的測站較多時，采用分區處理；完成GAMIT計算后，利用QOCA軟件將計算所得的各區單日松弛解進行綜合平差，在此基礎上通過IGS核心站求解相似變換參數（包括3個旋轉參數、3個平移參數和1個尺度比參數），從而獲得全球參考框架ITRF2005下的單日解。對計算得到的各測站坐標時間序列，在剔除粗差的基礎上，進行了2001年昆侖山口西8.1級地震、2004年蘇門答臘9級地震、2008年汶川8.0級地震和2013年廬山7.0級地震同震位移改正的處理，從而能更好地反映測站的線性變化，從中選取川滇塊體及周邊的GNSS連續站的時間序列進行分析。

3 川滇地區及周邊速度場、應變場

對川滇塊體及其周邊的GNSS連續站進行擬合，主要選取GNSS連續站時間序列中水平和垂向的位移量，求解站點速度。在計算中采用最小二乘法進行線性擬合，公式為：

其中y和x為已知變量（y為位移量，x為時間），a和b為待求量（a為初始活動水平，b為速率值）。

對不同年份的數據分別進行擬合，可得到不同年份的水平和垂直方向的速率，并重點研究2016、2017年的數據結果。為了求解川滇塊體北邊界斷裂（鮮水河斷裂）的運動速率，對鮮水河斷裂南北兩側的川滇塊體和巴彥喀拉塊體內的GNSS連續站均進行了分析。

考慮到NS向、EW向的周期值相對于水平向趨勢運動速率值很小，在進行站點水平方向年速率擬合時，沒有去除水平向的年周期運動分量，而垂向年速率擬合時去除了年周期值。利用擬合得到的各站點水平和垂向速率（全球框架下）繪制成矢量圖（圖4、圖5）。此外，還選取了中國大陸部分GNSS基準站（圖6），分析中國大陸整體旋轉。

由圖4可以看出，相對于2016年，2017年川滇塊體內GNSS連續站的運動速率及運動方向變化不大，全球框架下的運動速率約為40mm/a，最大值為SCML（木里）站點2017年的運動速率54.54mm/a。川滇塊體內站點的運動方向一般為南東向，相對于2016年，2017年運動方向稍有順時針運動態勢。巴彥喀拉塊體內GNSS連續站的運動速率變化也不大，一般為40mm/a左右，最大值為QHYS（玉樹）站點2016年的運動速率49.17mm/a。相對于2016年，2017年運動方向順時針運動態勢較明顯。

由圖5可以看出，2016年川滇塊體和巴彥喀拉塊體的GNSS連續站在垂直方向均處于上升狀態；在川滇塊體內GNSS連續站中，SCJL（九龍）站點的上升速率最大，為7.60mm/a；在巴彥喀拉塊體內GNSS連續站中，QHMD（瑪多）站點的上升速率最大，為8.07mm/a。而2017年川滇塊體和巴彥喀拉塊體的GNSS連續站在垂直方向升降不一，但變化幅度小于2016年；在川滇塊體內GNSS連續站中，YNYS（永勝）站點的上升速率最大，為4.27mm/a；SCJL（九龍）站點的下降速率最大，為-3.54mm/a；在巴彥喀拉塊體內GNSS連續站中，青海省的站點均呈下降狀態，其中QHYS（玉樹）站點下降速率最大，為-7.18mm/a，只有1個上升點位，為四川省的SCSP（松潘）站點，上升速率為1.76mm/a。

圖4 川滇塊體及其周邊水平向運動矢量圖 Fig.4 The horizontal movement vector diagram in the Sichuan-Yunnan block and its surroundings

圖5 川滇塊體及其周邊垂直向運動矢量圖 Fig.5 The vertical movement vector diagram in the Sichuan-Yunnan block and its surroundings

針對GNSS連續站運動速率等資料，利用最小二乘配置方法，通過建立水平運動速度值的經驗協方差函數，并借助位移與應變的偏導關系，可獲取視應變場空間分布（薄萬舉，2008）。通過分析求解，得到川滇塊體及其周邊的主應變分布，如圖7所示。

由圖7可以看出，相對于2016年，2017年川滇塊體及其周邊大部分地區的主應變率變化不大，主要變化集中在鮮水河斷裂附近及周邊。由此可認為鮮水河斷裂是應變率變化較大的區域。而鮮水河斷裂附近的應變率也相對較大，2016、2017年道孚縣附近最大壓應變率分別為-5.73×10-8/a和-5.74×10-8/a。另1個壓應變率較大的地區為西昌附近，2016、2017年的最大壓應變率分別為-5.73×10-8/a和-6.09×10-8/a。可以認為這2個地區應力積累相對集中。

綜合分析認為，四川道孚、四川西昌、四川馬爾康地區有一定的應變積累，應予以重視。

圖6 中國大陸部分GNSS基站位置示意圖 Fig.6 The location map of some GNSS base stations in the Chinese mainland

4 求解GNSS連續站點相對速度

利用中國大陸23個GNSS基準站（圖6），擬合得到2016、2017年GNSS基準站年速率。考慮到中國大陸包含多個一級和二級塊體，各塊體之間的應變特征各有不同，故利用塊體的 剛體旋轉模型（李延興等，2004），求解得到中國大陸整體旋轉參數ωx、ωy和D=R× arccos[cosβ1c osβ2c os(α1-α2)+ sinβ1s inβ2]，公式為：

其中，Ve、Vn為地塊上任一點（λ、?）的東向與北向速度；r為地球的平均半徑；ωx、ωy、ωz為地塊的歐拉旋轉矢量。

利用川滇塊體與巴彥喀拉塊體的GNSS連續站運動速率和中國大陸整體旋轉參數，可求得川滇塊體和巴彥喀拉塊體內GNSS連續站相對于中國大陸的相對速度分量（李延興等，2003）。把得到的相對速度分量繪制成矢量圖，如圖8所示。

由圖8可以看出，川滇塊體內GNSS連續站的運動狀態呈明顯的順時針旋轉，巴彥喀拉塊體也有順時針旋轉態勢。相對來說川滇塊體和巴彥喀拉塊體2017年順時針旋轉態勢都強于2016年。

圖7 川滇塊體及其周邊水平向主應變率矢量圖 Fig.7 The horizontal main strain rate vector diagram in the Sichuan-Yunnan block and its surroundings

圖8 川滇塊體及其周邊水平向相對運動矢量圖 Fig.8 The horizontal relative movement vector diagram in the Sichuan-Yunnan block and its surroundings

川滇塊體內GNSS連續站的相對速度約為17mm/a，最大值為SCML（木里）站點2016年的相對運動速率24.99mm/a。相對運動方向由北至南表現為南東東—南東—南向—南西西。四川測點的運動速率稍大于云南測點。

巴彥喀拉塊體內GNSS連續站的相對速度約為10mm/a，最大值為QHYS（玉樹）站點2017年的相對運動速率16.44mm/a，西部測點速率一般大于東部。塊體內測點的相對運動方向由西向東表現為東向—南東東—南東。

在川滇塊體及其周邊，2016年發生2次5.0級以上地震，2017年發生1次5.0級以上地震。可以認為川滇塊體及其周邊2016年的地震活動性略強于2017年，但變化不大，而川滇塊體及其周邊2016年的形變、應變量相較于2017年變化也不大，可以認為川滇塊體及其周邊的形變、應變與本地地震可能有一定相關性。3次5.0級以上地震主要位于川滇塊體的西部，這些地區即不是相對運動、主應變、最大剪應變、面壓縮值最大的地區，也不是相對變化最大的地區，可見川滇塊體及其周邊的應變變化對于5級左右地震的響應不甚明顯。

從川滇塊體及其周邊的形變、應變圖中可以看出，活動斷層的位置常常是形變、最大剪應變相對較大的地區，如鮮水河斷裂帶。因此，在今后的研究中可通過研究區域的形變、最大剪應變等來推測斷裂帶的活動狀況。

5 利用塊體運動求解鮮水河斷裂運動

考慮到巴彥喀拉塊體內GNSS連續站相對較少，故利用整體旋轉和均勻應變模型（李延興等，2004），求解得到巴彥喀拉塊體旋轉參數和應變參數；川滇塊體內GNSS連續站相對較多，故利用整體旋轉和線性應變模型（李延興等，2004），求解得到川滇塊體旋轉參數和應變參數。

利用求解的巴彥喀拉塊體旋轉參數和應變參數，反演求解巴彥喀拉塊體南邊界——鮮水河斷裂帶的運動速率；利用求解的川滇塊體旋轉參數和應變參數，也可反演求解川滇塊體北邊界——鮮水河斷裂帶的運動速率。在鮮水河斷裂上選取了4個點位進行分析計算（圖8），鮮水河斷裂兩側塊體運動速率之差即為鮮水河斷裂運動速率（表1、2）。

表1 鮮水河斷裂不同點位東向和北向運動速率 Table1 The eastward and northward movement rate of different points on the Xianshuihe fault

表2 鮮水河斷裂不同點位走滑和張壓運動速率 Table1 The strike slip and tension movement rate of different points on the Xianshuihe fault

從表1和表2中可以看出，鮮水河斷裂的走滑速率約為14mm/a，鮮水河斷裂西部運動速率比東部稍大，約有2—3mm/a的差異。鮮水河斷裂主要表現為左旋走滑和壓性運動。經過長期累積，鮮水河斷裂將會積累巨大的應變能。鮮水河斷裂2017年的運動速率比2016年小，變小幅值約1mm/a。西部變小幅度大于東部，可以認為對應變能的積累是一種消減。

實際上，鮮水河斷裂的滑動會有巨大的滑動摩擦阻力，甚至有潛在孕震的障礙體存在。而描述模型給出鮮水河斷裂處的運動，只有在鮮水河斷裂滑動摩擦阻力極小的時候才能實現。然而事實并非如此，所以表1、2所示的鮮水河斷裂運動速率在實際中是不存在的（本研究在跨斷層觀測時也從未觀測到如此大的相對滑動速率）。

描述模型給出的結果有如此大的斷層滑動速率，而實際不存在，其原因在于模型與實際存在差異。模型給出的應變僅反映塊體內GNSS連續站點之間的應變，塊體邊緣斷層對塊體旋轉的摩擦阻力造成塊體邊緣變形大于塊體內部，因此，模型應變參數外推到塊體邊緣處的運動與變形量與實際不符。二者的差異主要存在于GNSS連續站點到斷層處之間的變形，而存在差異也說明斷層處對塊體旋轉起到阻礙作用（個別地方可能是促進塊體旋轉的作用，相應的斷層為促使塊體旋轉的斷層）。模型外推的斷層滑動值與斷層處實際存在的滑動值差異越大，說明該斷層處積累的能量就越大，其差異量為斷層滑動的虧損量，這種虧損量積累的足夠大時，就有可能引起破裂—滑動—發震，形成發震斷層的錯動，彌補斷層滑動量的虧損，進入下一個斷層滑動虧損的積累期，形成地震的活動復發周期。

6 結論

利用GNSS連續站資料，分析研究了2016、2017年川滇塊體和巴彥喀拉塊體內的速度場、應變場特征，認為道孚、西昌和馬爾康附近應力積累相對集中。分析GNSS連續站點相對速度，發現川滇塊體內的GNSS連續站運動狀態呈明顯的順時針旋轉，巴彥喀拉塊體也有順時針旋轉態勢。此外，利用塊體相對運動求解鮮水河斷裂運動速率，鮮水河斷裂西部運動速率比東部稍大，約有2—3mm/a的差異。2017年鮮水河斷裂的運動速率比2016年小，有利于緩解鮮水河斷裂應變能的積累。

模型計算得出鮮水河斷裂運動速率較高，而在跨鮮水河斷裂測量中并未測得如此高的速率值。模型外推的斷層滑動值與斷層處實際存在的滑動值差異越大，可能斷裂處積累的能量就越大，從而使得該斷裂能量集中區的地震危險性越大，應引起重視。

致謝：感謝薄萬舉研究員對本文的指導和幫助。