紅河斷裂帶閉鎖程度與滑動虧損分布的GNSS反演

朱緒林 徐克科 侯 爭 劉吉鵬 趙付領(lǐng) 姚未正 邵振華

1 河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院，河南省焦作市世紀(jì)大道2001號，454000

紅河斷裂帶是一條斜貫云南的深大斷裂，為川滇菱形塊體的西北邊界，也是印支半島和華南地塊的主位移帶。晚更新世以來紅河斷裂帶活動微弱，西側(cè)瀾滄江斷裂和東側(cè)楚雄-建水?dāng)嗔鸦顒用黠@。研究認(rèn)為，川滇塊體的西南邊界由瀾滄江斷裂與楚雄-建水?dāng)嗔验g300 km的右旋剪切帶承擔(dān)[1]，中新世以來繼續(xù)右旋走滑[2]，右旋位移為65 km[3]。

不同學(xué)者采用不同方法和數(shù)據(jù)對紅河斷裂帶的性質(zhì)及運(yùn)動速率進(jìn)行分析，得到不同結(jié)果[4-6]。歷史地震表明，紅河斷裂帶地震較少，處于地震空區(qū)，與之相鄰的楚雄-建水?dāng)嗔褞А⑿〗瓟嗔褞Ц浇鼩v史地震頻發(fā)。近年來紅河斷裂帶活動微弱，是否存在地震危險性尚存爭論。本文使用1999～2007年及2009～2013年2期GPS速度場，采用TDEFNODE負(fù)位錯模型反演紅河斷裂帶的閉鎖程度和滑動虧損速率，為地震危險性評估提供參考。

1 研究方法

本文采用TDEFNODE負(fù)位錯模型進(jìn)行分析[7]，即

Vsf=Vbr+Vis+Vfs

式中，Vsf為實(shí)測地表速度，Vbr為塊體旋轉(zhuǎn)引起的速度，Vis為塊體內(nèi)部應(yīng)變引起的速度，Vfs為斷層閉鎖負(fù)位錯效應(yīng)引起的速度。

若塊體內(nèi)部不存在整體均勻應(yīng)變，其理論表達(dá)式為：

(1)

式中各參數(shù)含義詳見參考文獻(xiàn)[7-8]。塊體內(nèi)部均勻應(yīng)變引起的速度量值大小可表示為：

(2)

(3)

2 研究區(qū)與GNSS觀測

研究區(qū)包含紅河斷裂、龍門山斷裂等川滇地區(qū)的主要斷裂帶，研究范圍見圖1，圖中藍(lán)色箭頭為1999～2007年速度場，黑色箭頭為2009～2013年速度場，紅色圓點(diǎn)為汶川地震起始破裂點(diǎn)，白色矩形框?yàn)槠拭娣秶１疚倪x用1999～2007年及2009～2013年GPS速度場數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于中國地殼運(yùn)動觀測網(wǎng)絡(luò)和中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)處理使用GAMIT/GLOBK軟件，在ITRF2014參考框架下形成統(tǒng)一速度場，然后轉(zhuǎn)換為相對穩(wěn)定的歐亞參考框架。刪除部分運(yùn)動趨勢、大小明顯不同的點(diǎn)，進(jìn)而篩選出速度平均誤差不超過1.5 mm/a的測站。由圖1可以看出，速度場整體呈順時針方向。由圖2可知，平行于斷層走向的站點(diǎn)速度和垂直于斷層的距離之間趨于線性變化。

圖1 研究區(qū)速度場Fig.1 Velocity field of the study area

圖2 GPS速度剖面Fig.2 GPS velocity profile

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究表明[11]，DEFNODE/TDEFNODE程序的反演結(jié)果具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，因此可利用該程序反演計算低傾角和高傾角的斷層閉鎖與滑動虧損。在反演過程中，斷層模型的參數(shù)會對結(jié)果產(chǎn)生一定影響，因此模型參數(shù)的設(shè)置需要盡可能接近斷層的實(shí)際情況。由于龍門山斷裂與紅河斷裂帶存在相似性，兩者的滑動速率都較小，且都處于川滇地區(qū)，本文分別利用1999～2007年和2009～2013年GPS速度場數(shù)據(jù)分析龍門山斷裂帶，可為紅河斷裂帶的研究提供參考。

首先將塊體模型劃分為巴顏喀拉塊體、川滇塊體和華南塊體，在斷層處設(shè)置6條深度分別為0.1 km、6 km、12 km、16 km、21 km和24 km的等深線，每條等深線上設(shè)置8個節(jié)點(diǎn)，每兩排節(jié)點(diǎn)之間的斷層傾角分別為55°、50°、20°、7°和7°，模擬2期龍門山斷裂帶的閉鎖程度，結(jié)果見圖3。

圖3 龍門山斷裂帶閉鎖程度Fig.3 Locking degree of Longmenshan fault zone

通過分析可知，汶川地震后龍門山斷裂帶應(yīng)變與應(yīng)力的釋放由極強(qiáng)的閉鎖狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬θ浠瑺顟B(tài)，由此可以假設(shè)，如果紅河斷裂帶受汶川地震影響較大，也會出現(xiàn)圖3中大量應(yīng)變應(yīng)力釋放的現(xiàn)象。以汶川地震前后龍門山斷裂帶的閉鎖情況來估計紅河斷裂帶的閉鎖程度，可為紅河斷裂帶的危險性評估提供資料。

圖4 研究區(qū)塊體劃分Fig.4 Blocks in the study area

圖5 斷層節(jié)點(diǎn)模型Fig.5 Fault node model

根據(jù)模型進(jìn)行負(fù)位錯模型反演，由圖6(a)可以看出，1999～2007年紅河斷裂帶北段與中段0～15 km深度基本處于較強(qiáng)的閉鎖狀態(tài)，閉鎖系數(shù)在0.8～0.99之間，15～25 km深度閉鎖系數(shù)基本在0.6～0.8之間，25 km深度以下閉鎖程度逐漸減弱；而南段在0～10 km深度也處于較強(qiáng)的閉鎖狀態(tài)，10～20 km深度閉鎖狀態(tài)相對減弱，20 km深度以下基本處于蠕滑狀態(tài)。整體來看，紅河斷裂帶0～15 km深度為較強(qiáng)的閉鎖狀態(tài)，具有較大的應(yīng)變能積累，而相較于南段，北段和中段處于較高的應(yīng)變積累狀態(tài)。由圖6(b)可以看出，2009～2013年紅河斷裂帶0～10 km深度基本處于較強(qiáng)的閉鎖狀態(tài)，閉鎖系數(shù)在0.8～0.99之間，10～20 km深度閉鎖系數(shù)基本在0.5～0.8之間，20 km深度以下閉鎖程度逐漸減弱。

圖6 紅河斷裂帶閉鎖程度Fig.6 Locking degree of Red River fault zone

圖7(a)為1999～2007年紅河斷裂帶滑動虧損速率，從圖中可以看出，滑動虧損速率的整體分布特征與斷層閉鎖程度基本一致，滑動虧損速率從地面往深部逐漸變小，這與實(shí)際地球物理現(xiàn)象一致[13]。紅河斷裂帶北段的應(yīng)變積累速率較大，0～15 km深度滑動虧損速率基本大于4.5 mm/a；中段0～10 km深度滑動虧損速率約為4.5～5 mm/a，10～25 km深度約為3.5 mm/a；南段滑動虧損速率最小，0～15km深度為3～4.7mm/a，向下速率逐漸減小。整體來看，紅河斷裂帶0～10 km深度的應(yīng)變能積累速率相對較快。由圖7(b)可以看出，2009～2013年紅河斷裂帶北段0～10 km深度的滑動虧損速率為4.5 mm/a，10 km深度向下滑動虧損速率逐漸減小；中段和南段0～10 km深度的滑動虧損速率基本為5 mm/a，向下速率逐漸減小。

圖7 紅河斷裂帶滑動虧損速率Fig.7 Slip deficit velocity of Red River fault zone

表1為紅河斷裂帶滑動速率，表中正值為左旋或拉張，負(fù)值為右旋或擠壓。由表可知，紅河斷裂帶整體上呈右旋運(yùn)動趨勢，斷裂帶活動性較強(qiáng)，存在較高的應(yīng)變積累。

表1 紅河斷裂帶滑動速率

4 討 論

地震實(shí)際上是在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用下，應(yīng)變在活動斷裂帶上不斷積累并達(dá)到極限狀態(tài)后產(chǎn)生破裂的結(jié)果，而只有在閉鎖狀態(tài)下，斷裂帶上的應(yīng)變才會轉(zhuǎn)化為能量并逐漸累積，通過無震蠕滑或發(fā)生地震進(jìn)行釋放。由此推斷，地震可能發(fā)生在斷層閉鎖程度高的區(qū)域。通過利用1999～2007年和2009～2013年2期GPS速度場數(shù)據(jù)計算紅河斷裂帶的閉鎖程度和滑動虧損速率，結(jié)果表明，紅河斷裂帶整體的閉鎖程度較低，閉鎖深度為10～15 km，該深度的應(yīng)變能積累較大，積累速率也相對較快，但遠(yuǎn)不如龍門山斷裂帶。另外，汶川地震對紅河斷裂帶的影響較小，雖然斷裂帶間的能量有所釋放，但也遠(yuǎn)不如龍門山斷裂帶，可能由于距離較遠(yuǎn)，具體原因值得進(jìn)一步研究。

與虢順民等[4]的研究結(jié)果相比，本文計算結(jié)果中紅河斷裂帶南段的走滑分量整體偏小，但與王閻昭等[6]的結(jié)果相似。2009～2016年斷裂帶的傾滑分量比趙靜[14]的研究結(jié)果小，推測是模型細(xì)節(jié)和使用數(shù)據(jù)年份有所差別所造成，而斷裂帶的閉鎖深度比閆歡歡等[15]的結(jié)果小，原因可能是使用的塊體模型和數(shù)據(jù)存在差異。

5 結(jié) 語

本文選用1999～2007年和2009～2013年GPS速度場數(shù)據(jù)，利用TDEFNODE負(fù)位錯-塊體模型反演得到紅河斷裂帶的閉鎖程度、滑動虧損速率和滑動速率。通過分析認(rèn)為，紅河斷裂帶整體的閉鎖程度較弱，汶川地震后斷裂帶的閉鎖程度和深度均小幅減小，可能有部分應(yīng)變能得到釋放；斷裂帶北段的滑動虧損速率有所減小，中段與南段的滑動虧損速率有所增大，但變化均不明顯。汶川地震發(fā)生后，紅河斷裂帶的走滑速率有所增大，整體趨于5 mm/a，傾滑速率基本保持不變，推測汶川地震對紅河斷裂帶的影響較小。