川滇地區現今三維地殼運動特征

田 曉 占 偉 鄭洪艷 尹海權

1 中國地震局第一監測中心，天津市耐火路7號，300180

川滇地區位于青藏高原東南緣，包括多個活動塊體和一系列不同規模、產狀各異、活動速率不同的斷裂，地質構造復雜，是我國地震活動最強烈的地區之一[1-2]。部分學者分別利用GPS資料和精密水準資料對川滇地區的水平運動特征[3-5]和垂直運動特征[6-9]進行研究，此外王雙緒等[10]利用1999～2011年GPS觀測資料和1970～2011年水準資料研究了青藏高原東緣三維地殼運動的時空分布特征。但這些研究多數是基于單一的GPS資料或水準資料分析川滇地區的水平運動或垂直運動特征，綜合分析相對較少，且研究資料均是多年以前的觀測資料。因此，本文利用1999～2018年GPS觀測資料和1974～2014年2期精密水準資料研究川滇地區現今三維地殼運動特征。

1 數據和處理方法

1.1 GPS資料

本文選用的1999～2018年GPS觀測數據來源于中國地殼運動觀測網絡。首先利用GAMIT/GLOBK軟件對GPS觀測數據進行處理，獲取測站坐標及衛星軌道的單日松弛解，然后利用QOCA 軟件進行整體平差，選取分布于全球的多個IGS測站作為框架點，通過平差計算得到ITRF2008框架下1999～2007年、2009～2013年和2015～2018年3個時段的速度場，其中1999～2007年速度場由1999、2001、2004、2007年4期觀測資料計算得到；2009～2013年速度場由2009、2011、2013年3期觀測資料計算得到；2015～2018年速度場由2015、2017、2018年3期觀測資料計算得到。在計算過程中去除2013年蘆山7.0級地震的同震位移。

根據計算得到的ITRF2008框架下的中國大陸速度場結果，利用塊體旋轉得到基于中國大陸整體區域無旋轉基準下的速度[11]，即利用全國速度場計算歐拉運動矢量，然后減去該整體運動量。

1.2 水準資料

采用川滇地區1974～2014年2期精密水準資料進行分析，所有水準資料均采用一等水準觀測，第1期主要在1974～1984年完成，第2期在2013～2014年完成，共32條水準路線，約11 000 km，統計公共點780個，水準路線見圖1，各條測線的觀測時間見表1。

表1 水準路線觀測時間

圖1 水準路線和水準剖面分布以及GPS約束點位置及速率Fig.1 The distribution of leveling lines and leveling profiles and the position and rate of GPS constraint points

(1)

(2)

將川滇地區6個GPS連續站的垂直運動速率作為約束(圖1)，水準點之間的高差作為觀測值，采用附有約束的動態平差法計算得到各水準點的運動速率及誤差。在選擇約束點時，重點考慮GPS測站觀測時間長、數據連續且穩定、線性特征較好、在水準網中分布均勻等要求。本文選擇的6個GPS連續站均為中國地殼運動觀測網絡基準站，垂直運動速率誤差均小于0.1 mm/a，采用上述方法獲得的水準點垂直運動速率是相對于ITRF2008框架，水準點速率誤差平均為0.86 mm/a，最大為1.85 mm/a，最小為0.03 mm/a。約束平差的優點是為水準點提供速率基準，可減弱誤差積累的影響，使平差后速率精度更加均勻[13]。為盡量減小汶川地震的同震影響，本文未采用位于龍門山斷裂以北的近場水準數據，同時由于本文中蘆山地震附近的水準路線基本均在地震發生前觀測完成，因此無需考慮蘆山地震的同震影響。

2 結 果

2.1 川滇地區水平運動特征

利用1999～2018年GPS觀測數據獲取川滇地區1999～2007年、2009～2013年和2015～2018年3個時段的速度場(圖2)，利用球面最小二乘配置解算GPS應變場的方法[14-15]獲取3個時段的主應變率、東西向應變率和最大剪應變率(圖3)。

由圖2可知，川滇地區3個時段的水平運動速度場方向基本一致，個別地區的速度場方向和量值存在差異，表明川滇地區地殼水平運動整體以繼承性運動為主。除華南塊體相對穩定外，其他地區的運動速率基本為5～20 mm/a，且青藏高原內部的運動速率明顯高于邊界地區，反映出青藏高原的強烈活動與周邊相對穩定地塊的活動差異，且活動塊體邊界地區的差異運動最強烈[2]。受青藏塊體北東向推擠和青藏高原隆升引起的重力勢能影響，川滇地區圍繞喜馬拉雅東構造結作順時針轉動[4-5]。由圖2(a)可知，汶川地震后，龍門山斷裂帶西側的東向運動速率明顯增大，擠壓變形較震前明顯增強(圖3(b))，表明汶川地震已經釋放長期擠壓閉鎖積累的應變能，現處于震后的調整松弛狀態[10]。最新一期速度場(圖2(b))顯示，龍門山斷裂帶西側的水平運動速率有所減小，擠壓變形明顯減弱(圖3(c))，反映出震后調整已經減弱。另外，滇西南地區旋轉明顯變弱，可能與周邊區域構造應力調整有關。

圖2 川滇地區水平運動速度場Fig.2 The horizontal velocity field in Sichuan-Yunnan region

由圖3(a)～3(c)可知，川滇北部地區表現為東西向擠壓運動，而滇西北和滇西南表現為東西向拉張運動。汶川地震后，鮮水河斷裂帶北西段張性運動增強，左旋運動減弱，而安寧河斷裂帶北段東西向擠壓運動增強，這些運動有利于區域構造應力的積累。最新一期速度場(圖3(c))顯示，鮮水河斷裂帶北西段東西向擠壓運動增強，而安寧河斷裂帶北段東西向擠壓運動減弱。由圖3(d)～3(f)可知，川滇菱形塊體東邊界為川滇地區剪切變形最大的區域，汶川地震后，龍門山斷裂帶剪切變形明顯增大。最新一期結果(圖3(f))顯示，龍門山斷裂帶剪切變形明顯減小。

2.2 川滇地區垂直運動特征

利用川滇地區1974～2014年精密水準資料，基于GPS垂直運動速率約束的線性動態平差模型獲取川滇地區近40 a的垂直運動速度場(圖4(a))，并采用多面函數和移動法綜合模型[16]進行格網化插值，繪制速率等值線圖(圖4(b))。

圖4 川滇地區垂直運動速度場Fig.4 The vertical velocity field in Sichuan-Yunnan region

由圖4可知，川滇地區總體呈現差異性隆升運動，且川滇西北部的上升運動明顯大于東南部。龍門山斷裂帶以北、龍日壩以南的高原地區處于快速隆升階段，速率為3～4 mm/a，略大于郝明[7]及杜方等[17]的研究結果；龍門山斷裂帶南部四川盆地的運動速率為-1～1 mm/a，相對穩定，反映出龍門山斷裂帶兩側垂直差異運動十分顯著。川西高原的隆升速率基本為1～3 mm/a，與王敏[18]基于GPS資料計算的結果基本一致，其中昌都-馬尼干戈-爐霍一帶的上升速率為1.5～2.5 mm/a，芒康附近地區的上升速率為1.0～1.5 mm/a，中甸北部地區的上升速率為2～3 mm/a。鮮水河斷裂帶與龍門山斷裂帶交匯地區的隆升速率為1.6～2.3 mm/a，與蘇廣利等[9]的結論相差較大，造成兩者差異的原因可能與使用的水準資料的時間跨度不同有關。理塘-新都橋-爐霍-阿壩一帶的上升速率基本為0.5～1.0 mm/a，邦達東部及鮮水河斷裂帶東南段的上升速率小于0.5 mm/a，相對穩定。

安寧河斷裂北部西昌附近地區的隆升速率為0.5～1.5 mm/a，滇西北地區的隆升速率為1～2 mm/a，昆明-新排一帶的隆升速率為0.5～1.0 mm/a，新排北部地區的隆升速率為1～2 mm/a。滇西南潞江鎮-大勐峨一帶的隆升速率為1～2 mm/a，滇西南思茅-江西村一帶表現為沉降，速率為-3～-2 mm/a。

2.3 斷裂運動特征分析

本文在垂直運動速度場分析基礎上，對跨主要活動斷裂的水準剖面(圖5)進行分析，各剖面位置見圖1。

圖5(a)為馬尼干戈-爐霍剖面，走向SE，跨越鮮水河斷裂帶北段。由圖可知，斷裂西側的隆升速率為1.7～2.2 mm/a，斷裂東側的隆升速率基本為0.3～0.7 mm/a，反映該斷裂段存在1.5±0.4 mm/a的正斷層垂直滑動。

圖5(b)為龍日壩-成都-綿陽剖面，走向SE，跨越龍門山斷裂帶北段。由圖可知，斷裂西側的隆升速率為3～4 mm/a，斷裂東側的隆升速率為0.5～1.0 mm/a，反映該斷裂段存在3±0.5 mm/a的逆斷層垂直滑動，表明龍門山斷裂帶兩側具有顯著的差異性隆升運動。

圖5(c)為邦達-芒康-理塘剖面，走向EW，跨越瀾滄江斷裂和金沙江斷裂。由圖可知，瀾滄江斷裂西側的隆升速率基本為0.1～0.8 mm/a，瀾滄江斷裂東側與金沙江斷裂之間地區的隆升速率為1.0～1.8 mm/a，而金沙江斷裂東側的隆升速率為0.6～1.2 mm/a，表明瀾滄江斷裂和金沙江斷裂分別存在1.0±0.8 mm/a和0.7±0.5 mm/a的逆斷層垂直滑動，與2條斷裂的地質背景一致，反映出青藏塊體的東向擠壓變形。

圖5 垂直運動速率剖面Fig.5 Profiles of vertical velocity

圖5(d)為新都橋-雅安剖面，走向EW，跨越鮮水河斷裂帶和龍門山斷裂帶南段。由圖可知，鮮水河斷裂帶西側的隆升速率為0.2～0.6 mm/a，鮮水河斷裂帶東側與龍門山斷裂帶之間地區的隆升速率為1.6～2.3 mm/a，而龍門山斷裂帶東側的隆升速率為0.6～1.0 mm/a，表明鮮水河斷裂帶和龍門山斷裂帶南段分別存在1.6±0.5 mm/a和1.2±0.5 mm/a的逆斷層垂直滑動。結合圖5(a)、5(b)可知，2條斷裂均具有明顯的分段差異性運動特征。

圖5(e)為西昌-會理-南華剖面，走向SW，跨越元謀-綠汁江斷裂和安寧河斷裂。由圖可知，元謀-綠汁江斷裂西側的隆升速率為0.6～0.9 mm/a，斷裂東側及安寧河斷裂兩側的隆升速率為0.9～1.5 mm/a，表明元謀-綠汁江斷裂存在0.6±0.3 mm/a的垂直滑動，而安寧河斷裂在該段垂向差異運動不明顯。

圖5(f)為南華-昆明剖面，走向EW，跨越安寧河斷裂最南段。由圖可知，斷裂西側的隆升速率為1.2～1.5 mm/a，斷裂東側的隆升速率為0.3～0.8 mm/a，表明該斷裂段存在0.8±0.4 mm/a的逆斷層垂直滑動。結合圖5(e)可知，安寧河斷裂具有明顯的分段差異性運動特征。

圖5(g)為昆明-新排剖面，走向NE，跨越小江斷裂。由圖可知，斷裂西側的隆升速率為0.3～0.5 mm/a，斷裂東側的隆升速率為0.7～1.0 mm/a，表明小江斷裂存在0.5±0.2 mm/a的逆斷層垂直滑動。

圖5(h)為潞江鎮-大勐峨剖面，走向SE，跨越南汀河斷裂。由圖可知，南汀河西支斷裂西側的隆升速率為1.8～2.0 mm/a，西支斷裂東側至南汀河東支斷裂之間地區的隆升速率為1.1～1.6 mm/a，南汀河東支斷裂東側的隆升速率為0.2～0.6 mm/a，表明南汀河斷裂2條分支斷裂分別存在0.5±0.3 mm/a和1.0±0.5 mm/a的逆斷層垂直滑動。

圖5(i)為大勐峨-江西村剖面，走向SE，跨越孟連-瀾滄斷裂和打洛-景洪斷裂。由圖可知，孟連-瀾滄斷裂西側的隆升速率約0.5 mm/a，斷裂東側至打洛-景洪斷裂之間的地區表現為沉降特征，速率為-0.6～-0.2 mm/a，打洛-景洪斷裂東側的沉降速率約為-1.2 mm/a，表明孟連-瀾滄斷裂和打洛-景洪斷裂分別存在0.9±0.2 mm/a和0.8±0.2 mm/a的逆斷層垂直滑動。

圖5(j)為江西村-開遠剖面，走向NE，跨越紅河斷裂南段。由圖可知，紅河斷裂西側的沉降速率約為-0.6 mm/a，斷裂東側的沉降速率約為-1.0 mm/a，表明紅河斷裂在該段存在約0.4 mm/a的正斷層垂直滑動。

3 討 論

利用2015～2018年GPS水平及垂直運動速度場結果繪制川滇地區三維運動速度場(圖6)，其中等值線為垂直運動速率。

圖6 川滇地區三維運動速度場Fig.6 The 3D velocity field in Sichuan-Yunnan region

由圖6可知，川滇地區水平運動速度場相對于長時間尺度的垂直運動背景場而言，水平擠壓強烈的地區垂直隆升運動也顯著，水平拉張的地區在垂直方向上表現為沉降，兩者具有較好的一致性。川西高原的隆升運動可能是由青藏高原東向擠壓造成的塑性流動受到四川盆地剛性阻擋，產生堆積并形成較大的向上流體壓力作用于彈性地殼底部所造成[6,18-19]。滇西南地區的下沉運動可能與該地區下地殼塑性流體向SE、SW方向運動有關[6]。川滇菱形塊體內部水平形變和垂直形變變化較緩，表明塊體主要以整體滑動為主。近期龍門山斷裂帶西側高原的水平運動減緩，擠壓變形減弱，逐漸恢復至汶川地震之前的狀態，可能預示該地區逐漸進入新一輪的能量積累時期，需要持續關注。

4 結 語

本文利用1999～2018年GPS觀測資料和1974～2014年精密水準資料研究川滇地區現今三維地殼運動特征，得到以下結論：

1)水平運動以繼承性運動為主，近年滇西南地區旋轉明顯減弱；汶川地震導致龍門山斷裂帶西側以及川滇菱形塊體東邊界構造應力重新調整，近年震后調整明顯減弱，正在向震前狀態恢復。

2)垂直運動總體表現為差異性隆升運動，且川滇西北部的上升運動速率明顯大于東南部，龍門山斷裂帶北部高原地區的隆升速率為3～4 mm/a，川西高原的隆升速率為1～3 mm/a，滇西北地區的隆升速率為1～2 mm/a，滇西南思茅-江西村一帶的沉降速率為2～3 mm/a，川滇其他地區的運動速率基本為-1～1 mm/a。

3)主要活動斷裂兩側均存在一定的垂直差異性運動，鮮水河斷裂帶和龍門山斷裂帶差異性運動明顯，并且具有分段性。

4)川滇地區水平運動和垂直運動在地質構造上具有較好的一致性，近期龍門山斷裂帶西側高原的水平運動減緩，擠壓變形減弱，可能預示該地區逐漸進入新一輪的能量積累時期，需要持續關注。