利用加密GNSS數據和震源機制解分析川滇塊體南部現今地殼活動特性

莊文泉 李 君 郝 明 崔篤信

1 中國地震局第二監測中心，西安市西影路316號，710054

川滇塊體位于中國大陸南北地震帶南段，作為青藏高原大型物質向東南方向擠出的前緣，其構造活動復雜、變形強烈，且由于塊體物質的側向擠出，形成多條縱橫交錯的斷裂帶。“地殼運動觀測網絡”和“中國大陸構造環境監測網絡”等國家科技基礎設施項目的實施，可為區域地殼運動形變特征研究提供更多GNSS等基礎資料，對認識震間斷層的運動特征以及斷裂之間的發震危險性具有重要意義。前人已利用GNSS大地測量資料對川滇地區形變空間分布特征和斷層運動特征進行大量研究[1-10]，但這些研究所用的GNSS觀測資料相對比較稀疏，甚至在部分斷層兩側100 km范圍內無GNSS觀測數據，這對于斷層縱橫交錯的川滇塊體南部而言存在一定局限性。因此本文在已有資料的基礎上，利用多源項目獲得的補充加密復測資料(圖1)，采用高精度GNSS數據處理技術獲取川滇塊體南部高精度、高分辨率的GNSS地殼水平運動速度場，計算研究區應變場，對區域主要活動斷裂的活動性進行定量分析，同時通過CAP方法求解震源機制解，反演區域構造應力場的空間分布特征。通過研究主要活動斷裂的性質和區域構造應力場的空間分布特征，分析研究區的地震動力學特征，為地震危險性評估和動力學研究提供基礎資料。

圖1 川滇塊體南部GNSS站點和地震臺站分布Fig.1 Distribution of GNSS sites and seismic stations in the southern Sichuan-Yunnan block

1 數據與方法

1.1 GNSS數據

本文收集的GNSS觀測資料包括：1)“地殼運動觀測網絡”、“中國大陸構造環境監測網絡”項目2014～2019年的GNSS觀測數據；2)中國地震局地質研究所在紅河斷裂兩側建立的18個GNSS站2015、2016和2019年的觀測數據；3)中國地震局第二監測中心在安寧河-則木河-小江斷裂帶80個國家GNSS大地控制網B級點收集的2019年觀測數據，同時收集2014年首期觀測資料。

1.2 GNSS數據處理方法

由于使用多個項目的多期觀測數據，為避免因約束條件及處理方法不同而產生的差異，采用統一的數據處理方案對所有數據進行重新處理，具體方案如下：1)利用GAMIT對收集的GNSS觀測資料進行基線解算，獲得GNSS測站坐標、衛星軌道等參數及方差-協方差矩陣的單日基線松弛解，為避免因模型和框架差異引起的計算結果差異，采用相同的模型和方法對全球選定的約70個均勻分布的IGS站和基準站數據進行處理，獲取單日基線松弛解。2)利用HTOGLB將單日松弛解文件轉換為GLOBK認可的單日基線松弛解，通過GLRED計算時間序列，檢查單天坐標的重復性。3)利用GLOBK將基準站和觀測站多天的單日基線松弛解文件進行多時段綜合，進而從多年數據中估算ITRF2014框架下2014～2019年的GNSS速度場。4)利用Altamimi等[11]提供的歐亞板塊的歐拉旋轉矢量，將GNSS水平運動速度場歸算到歐亞參考框架下(圖2)。

圖2 川滇地區GNSS速度場(2014～2019)Fig.2 GNSS velocity field in Sichuan-Yunnan region

1.3 地震數據

本文研究區范圍為22°～30°N、98°～106°E，從中國地震臺網中心下載2009-01-01～2020-03-18M>3.5地震目錄。圖1中粉色三角形為研究使用的臺站，臺站分布合理，可很好地包含發生在研究區內的大部分地震事件。

1.4 震源機制解反演

采用CAP方法求解研究區地震的震源機制解，該方法具有較高穩定性，目前已被廣泛使用。在進行波形反演時，選取震源區350 km范圍內信噪比高、覆蓋均勻的臺站記錄的波形數據，具體參數設置參考文獻[12]。圖3為2020-01-23云南紅河地震的CAP反演震源機制解示例，左邊為震源機制解沙灘球及節面參數、數據殘差、12個臺站的波形擬合，右邊為不同深度的數據殘差。本文收集GCMT網站公布的研究區1976-01～2018-05的震源機制解，加上本文反演得到的結果，共有437個震源機制解數據。按照Zoback[13]的分類標準對震源機制進行分類，結果如圖4所示，其中綠色震源球代表正斷層或正斷兼走滑型地震(NF/NS)，藍色震源球代表純走滑型地震(SS)，紅色震源球代表逆沖或逆沖兼走滑型地震(TF/TS)，黑色震源球代表不能劃分到上述類型中的其他類型地震(OTHER)。統計結果表明，走滑型地震有245個，占56.06%；正斷層或正斷兼走滑型地震有55個，占12.62%；逆沖或逆沖兼走滑型地震有88個，占20.18%；49個無法確定類型，占11.16%。從圖4可以看出，川滇地區的地震活動以走滑類型為主，且大多數地震發生在塊體邊界帶上。

圖3 2020-01-23云南紅河地震CAP反演震源機制解Fig.3 The focal mechanism solution of Honghe earthquake in 2020-01-23 determined by CAP method

圖4 川滇塊體震源機制解分布Fig.4 Distribution of the focal mechanism solution in Sichuan-Yunnan block

2 主要斷裂活動特性

分析川滇塊體南部主要活動斷裂的運動變形特征，沿垂直于各斷層的方向作剖面。由于川滇塊體南部次級斷裂交錯復雜，在GNSS剖面選擇時需顧及次級斷裂的影響，GNSS剖面內的測站盡量不跨越其他活動斷裂。考慮歷史大地震破裂的空間分段性[5]，以加密觀測獲取的GNSS速度場作為基礎，將小江斷裂分為4段，紅河斷裂分為3段，元謀斷裂分為2段，南華-楚雄-曲江斷裂分為2段，麗江-小金河斷裂分為1段，GNSS剖面如圖2紅色虛線框所示。將GNSS速度矢量投影到垂直和平行斷層的2個方向，根據剖面內斷層兩側的站點速率估算斷層的走滑和張壓速率。圖5為利用GNSS速度剖面分析獲取各活動斷裂的現今分段活動特性。

圖5 川滇塊體主要斷裂GNSS速度剖面Fig.5 GNSS velocity profiles across major active faults in Sichuan-Yunnan block

2.1 小江斷裂

小江斷裂北段巧家-東川之間存在約11 mm/a的左旋走滑運動，同時存在1.6 mm/a的拉張運動。以嵩明為中心的小江斷裂中段的左旋走滑速率為11.9 mm/a，同時存在1.0 mm/a的拉張運動；以宜良為中心的小江斷裂中南段的左旋走滑速率為10.5 mm/a，同時存在1.0 mm/a的拉張運動；以建水為中心的小江斷裂南段的左旋走滑速率為7.5 mm/a，同時存在2.5 mm/a的拉張運動。本文結果與聞學澤等[5]得到的小江斷裂北段10 mm/a、中段8～9 mm/a、中南段8 mm/a的走滑速率結果一致，但小江斷裂南段的滑動速率結果存在差異，聞學則等[5]得到的滑動速率為4 mm/a。李長軍等[8]認為小江斷裂的滑動速率為9 mm/a，從北段到南段滑動速率逐漸減小[14]，而聞學則等[5]得到的小江斷裂中南段和南段的滑動速率差值較大，可能是由GNSS站點稀疏所導致。本文得到的小江斷裂南段7.5 mm/a的左旋走滑速率與采用地質方法得到的7.02±0.20 mm/a的結果一致[15]，與小江斷裂向西南延伸跨過紅河斷裂還存在7.0 mm/a的左旋走滑運動相對應[16]，小江斷裂的拉張速率與李長軍等[8]的計算結果一致。小江斷裂的震源機制解以走滑型為主，與GNSS計算得到的斷層性質一致。利用GNSS剖面法獲取的小江斷裂北段、中段和中南段現今斷裂的滑動速率小于地震地質結果[17]，且斷裂的變形主要集中在斷裂兩側40 km范圍內，變化特征對應地震周期的晚期，處于應變累積過程。

2.2 元謀斷裂

元謀斷裂在幾何分布上與小江斷裂近乎平行，其震源機制解顯示為走滑性質斷層。作為滇中塊體內部的分界斷裂，元謀斷裂將滇中塊體分割成2個次級斷塊，次級斷塊的順時針旋轉運動及斷層逆沖斷裂活動對塊體擠出具有吸收和轉換作用，致使青藏塊體的擠出幅度存在由西向東逐漸減弱的趨勢[18]。本文計算結果表明，元謀斷裂北段和南段的左旋走滑速率為0.1 mm/a，縮短速率為0.5 mm/a，現今走滑速率小于地質學方法得出的1.0～2.0 mm/a[19]，表明該斷裂可能處于強閉鎖的孕震狀態。

2.3 麗江-小金河斷裂

橫切川滇菱形塊體的麗江-小金河斷裂將該塊體分割為川西北和滇中2個子塊體，GNSS速率剖面表明，該斷裂左旋走滑速率和擠壓速率分別為0.9 mm/a和-1.3 mm/a，與李煜航等[4]和丁開華等[6]的研究結果一致。麗江-小金河斷裂的橫向擠壓對川西北子塊體的東向和東南向擠出過程具有一定的吸收和轉換作用[18]。麗江-小金河斷裂上的走滑性質的震源機制解主要集中在斷裂中段，與GNSS揭示的斷層活動性質一致。

2.4 南華-楚雄-建水斷裂

南華-楚雄-建水斷裂與紅河斷裂共同構成川滇塊體的西南邊界。GNSS速率剖面結果表明，南華-楚雄段和曲江-建水段的右旋走滑速率分別為-3.5 mm/a和-3.3 mm/a，小于李長軍等[8]-4.4±0.8 mm/a和-5.3±0.5 mm/a的計算結果，與常祖峰等[20]和韓新民等[21]采用地質方法計算的結果及王閻昭等[7]采用連接元模型反演得到的結果一致。震源機制解顯示，南華-楚雄-建水斷裂為走滑性質，與GNSS計算的斷層右旋走滑性質相符，斷裂的現今構造活動性高于紅河斷裂，與其高頻率的地震活動性一致。

2.5 紅河斷裂

紅河斷裂作為川滇菱形塊體的西南邊界，在構造運動和演化過程中具有重要作用。本文計算得到紅河斷裂北段、中段、南段的右旋走滑速率分別為-2.5 mm/a、-0.5 mm/a、-1.2 mm/a，垂直于斷層方向北段、中段、南段的運動速率分別為-0.8 mm/a、-0.3 mm/a、1.6 mm/a。從滑動速率來看，紅河斷裂的走滑速率與斷裂兩端多、中間少的走滑型震源機制解的分布特征相對應。本文獲得的平行于斷層方向的右旋走滑速率結果與李長軍等[8]和徐文等[10]的研究結果基本一致，北段、中段垂直于斷層方向的擠壓速率和南段的拉張速率與徐文等[10]的計算結果一致。GNSS速度場顯示，跨過紅河斷裂后運動狀態并未出現顯著變化，且由GNSS速度剖面得出的斷層活動相對較弱。同時，震源機制解分布在北端彌渡-大理-麗江一線，而在彌渡苴力以南至越南紅河三角洲入海口長800 km段落上，震源機制解分布相對離散，呈現出少震、弱震的特點[22]。因此，本文認為紅河斷裂晚第四紀以來活動性已大大減弱[23-24]。

3 應力應變場計算

采用Shen等[25]提出的應變率計算方法，從GNSS速度場中獲取應變率場，該方法根據相鄰數據到插值點的距離和空間覆蓋率，為其指定最優權重，通過最小二乘反演方法估計應變率場參數。選取網格距離為0.5°×0.5°，計算研究區主應變率、面應變率和最大剪應變率。整體而言，川滇塊體南部的主壓應變率主要集中在川滇塊體東部，并沿著塊體東部邊界由北向南發生順時針旋轉，由SSE向逐漸轉為SN向(圖6(b))。

將研究區劃分成1°×1°格網，采用MSATSI軟件，利用阻尼區域應力張量反演技術，以應力張量在斷層面上的剪應力方向與斷層滑動矢量方向是否一致作為約束條件，通過計算一組不同阻尼系數值下的模型長度與數據殘差的擬合曲線，選取最佳阻尼系數，此時模型長度與數據殘差同時達到最小。阻尼系數的引入可修正相鄰區域應力張量變化突兀的情況，使由反演得到的區域應力張量之間的變化更為合理，確保數據本身對相鄰區域間應力模式的變化起到關鍵作用[12]。最后對每個格網的應力張量進行反演，得到研究區1°×1°格網大小的應力張量空間分布圖(圖6(a))，其中紅色表示正斷層類型，綠色表示走滑類型，藍色表示逆沖類型，其方向表示最大水平主壓應力。由圖6(a)可知，最大水平主壓應力的應力狀態和方向變化與李君等[12]和王曉山等[26]得到的結果一致，反演得到的應力狀態與圖4中震源機制解的類型較為一致，進一步說明結果的可靠性。川滇塊體受青藏高原東向擴展的影響向SE方向運動，并控制該區域的應力場，該地區的最大主壓應力呈現規律性變化特征[26]，應力狀態為走滑類型。主壓應力與小江斷裂走向之間的夾角基本保持不變[12]。

圖6 應力場與應變率場Fig.6 The stress field and strain rate field

4 結 語

由川滇塊體南部GNSS面應變率結果可知，小江斷裂附近發生微弱的拉張應變，由北向南逐漸增大，在小江斷裂和元謀斷裂之間存在微弱擠壓區域。面應變率壓縮區主要出現在紅河斷裂中段附近，呈條帶狀分布，沿紅河斷裂向兩端減小。紅河斷裂由中段的擠壓運動向南段的拉張運動進行擴散，這與使用GNSS剖面法獲取的紅河斷裂南段的拉張運動和中段的擠壓運動結果基本一致。川滇塊體南部面應變率具有不均勻性特征，可能是川滇塊體在向南運動時承載塊體運動的各個斷層的運動速率存在差異所造成，同時面應變累積的不均勻性可能導致地震的孕育和發生。

由GNSS最大剪應變率結果可知，川滇塊體南部的主要活動斷裂以剪切變形為主，伴隨局部的擠壓/拉張運動。小江斷裂附近為剪應變率高值區，該斷裂以剪切運動為主，斷裂走滑運動明顯，這與小江斷裂8～12 mm/a的走滑運動一致。剪應變率以小江斷裂為中心向兩側出現逐漸減小的梯度變化，在小江斷裂中南段最大剪應變率達到最大值，表明該區域斷層活動強烈。紅河斷裂附近的最大剪應變率相對較低，應變難以快速累積，尤其是在紅河斷裂北段和南華-楚雄-建水北段附近最大剪應變率出現低值區。元謀斷裂北段附近和紅河斷裂北段與中段附近出現高低值轉換區域，而汶川MS8.0地震、玉樹MS7.1地震、蘆山MS7.0地震和岷縣-漳縣MS6.6地震均發生在剪應變高低值轉換區域[27]，因此需重點關注小江斷裂南段和曲江-建水段最大剪應變高值和高低值轉換的區域。

川滇塊體南部的最大主壓應力與地表的最大主壓應變率具有較好的一致性，表明板塊運動控制著塊體應力應變[28]，并且產生一系列地震活動，塊體邊界由于差異運動強烈有利于應力應變的高度積累而孕育強震。沿剖面P1和P2將反演引力場的震源機制解按深度投影(圖7)，P1和P2分別位于川滇塊體南部和紅河斷裂以南的滇西南地區，從圖中可以看出，95%以上的地震發生在地殼20 km范圍內，即得到的應力狀態可反映地殼20 km內的應力分布特征。而地表的應變率與淺部的應力場方向呈現出較好的一致性，表明GNSS觀測到的地表形變至少可反映該地區20 km以內的地殼形變。

圖7 地震活動剖面Fig.7 Seismicity profiles

實測GNSS速度場顯示，川滇塊體自西向東運動逐漸減弱，表明青藏高原物質向東擠出，受到塊體內部麗江-小金河、元謀等活動斷裂的轉換和吸收作用[18]，導致塊體的擠出幅度自西向東逐漸減弱，使得青藏高原物質SE向擠出有限。主壓應變率大小呈現不均勻的分布特征，小江斷裂帶附近主壓應變率明顯高于其他地區，同時主壓應變率的方向沿小江斷裂帶產生順時針旋轉，表明川滇塊體的SE向擠出受到華南塊體的阻擋作用，被迫向S偏轉，引起塊體順時針旋轉和SE向滑移。

從區域應力場來看，川滇地區的震源機制解和構造應力場均以走滑類型為主，表明在印度板塊NE向推擠作用下，青藏高原快速隆升和青藏高原物質向東擴張，致使川滇塊體上部地殼沿塊體邊緣和內部斷層滑動[26]，引起塊體內部次級斷裂的走滑運動，并造成各構造單元之間的差異化運動。川滇地塊相對于華南塊體的SE向滑脫，致使走滑類型的震源機制解分布在川滇塊體南部區域的邊界和內部。構造應力場可直觀反映川滇塊體南部背景應力場的作用方式，川滇塊體在向東滑移的過程中受到華南塊體的阻擋作用，迫使塊體向S偏轉，該區域表現為SE-SSE-SN向走滑類型為主的應力狀態，并且主壓應力的水平方向沿塊體邊界發生由北向南的順時針旋轉，由SSE向轉變為近SN向。而紅河斷裂以南的滇西南地區受到印度板塊北偏東向運動的影響和Sagaing斷裂東側塊體施加的擠壓作用[18]，使得該地區的最大主壓應力方向轉變為SSW向。綜合地表形變和區域應力場來看，川滇塊體南部的東向滑移和順時針旋轉，可能是受到青藏高原推擠、華南塊體阻擋以及印度板塊與歐亞板塊之間北向運動速率自西向東遞減而形成的右旋剪切拖拽作用的順時針力偶的綜合影響。

本文從構造應力場和地殼形變場的角度對川滇地區的現今活動性進行分析，但未考慮重力勢能和深部熱狀態因素，僅使用3.5級以上的震源機制解，在后續的研究中應加入中小地震震源機制解和更多新增的GNSS站點來豐富數據的多樣性，增加數據分布的均勻性。

致謝：感謝地殼運動觀測網絡項目組和李長軍博士提供數據支持，感謝野外工作人員的辛苦付出。