利用GPS數據分析四川“Y”型構造區地殼運動狀態

姚文舉 唐紅濤

1）中國濟寧 272100 山東省魯南地質工程勘察院（山東省地質礦產勘查開發局第二地質大隊）

2）中國西安 710054 中國地震局第二監測中心

0 引言

四川是我國地質災害多發地區，境內有多條大型斷裂帶，呈“Y”型展布，地質構造縱橫交錯，結構復雜，地震活動劇烈。2008 年5 月12 日汶川8.0 級地震發生，造成巨大的人員傷亡與財產損失；2019 年6 月17 日四川省長寧縣6.0 級地震發生后，重慶、云南、貴州多地有感。多次破壞性地震的發生，揭示了四川地區地殼構造活動的劇烈特征，有必要對過去20 年，包括汶川地震前10 年的構造運動進行梳理，總結地殼應變場的演化規律。本文基于1999—2001 年、2001—2004 年、2004—2007 年、2009—2011 年、2011—2013 年、2013—2015 年及2015—2017 年7 期GPS 水平運動速度場數據，解算四川“Y”型構造區各周期網格速度場、地殼應變率場計算結果，研究并給出該區近20 年尺度的地殼應變場動態演化過程。

1 地質構造與數據

四川省區內分布龍門山斷裂帶、鮮水河斷裂帶及安寧河斷裂帶3 條較大斷裂有，整體呈“Y”型展布。該“Y”型斷裂交匯于特提斯—喜馬拉雅構造域東緣泛華夏大陸古生代—中生代羌塘—三江構造區（北特提斯構造域）之松潘—甘孜褶皺系與揚子準地臺的銜接部位（丁開華等，2013；Huang et al，2014；Zhao et al，2015）。四川“Y”型構造區及1970 年以來該區地震震中位置分布見圖1，可見大多數地震分布在龍門山斷裂帶，且2008 年汶川8.0 級大地震即發生于此，而龍門山斷裂帶東側為堅硬的揚子板塊，該板塊內部常年穩定（Wessel，2009；Shen et al，2009；Wang et al，2011）。

圖1 四川“Y”型構造區及震中分布Fig.1 The“Y”type tectonic area and epicenter distribution in Sichuan Province

“中國大陸構造環境監測網絡”由260個連續站與2 000 個流動站組成，每2 年進行1 期GPS 觀測。由于四川省觀測站分布密集，每期流動站觀測不少于4 個時段，每個時段24 h，數據采樣間隔30 s（董運洪等，2012；曾波等，2012）。對四川重點構造區進行地殼運動分析，所用GPS速度場數據均相對于歐亞板塊，誤差橢圓為95%的置信度。選取四川地區1999—2017 年共7 期GPS 水平運動速度場數據（圖2），剔除個別非構造作用影響數據（非構造作用導致GPS 站點運動方向及觀測誤差與周圍觀測站差異較大），分析該區近20 年尺度的地殼應變場動態演化過程。

2 GPS 運動速度場

2.1 水平運動速度場

利用1999—2017 年GPS 水平運動速度場數據，分別給出1999—2001 年、2001—2004 年、2004—2007 年、2009—2011 年、2011—2013 年、2013—2015 年及2015—2017 年7 期GPS 站點運動速度矢量圖，見圖2，可見自1999 年起，近20 年間，四川“Y”型構造區水平運動具有一定動態演化規律。2008 年汶川地震前的3 期GPS 速度場相對穩定，從各站點運動速率與方向看，整體“Y”型構造區地殼運動變化不大，但汶川地震后的2009—2011 年周期，發生明顯變化，其中龍門山斷裂帶變化最顯著，較震前的3 個周期速率增大，由4.0—5.0 mm/a 增至7.0—9.0 mm/a。在運動方向上，汶川以南保持SE 向不變，汶川以北，則為SEE 向，且在汶川地震后4 個周期的GPS 運動速度場中，能夠發現龍門山斷裂帶運動方向由震前SE 向略轉為SEE 向，其他地區運動方向基本保持不變。

圖2 四川GPS 水平運動速度場Fig.2 GPS horizontal velocity field

2.2 格網運動速度場

1999—2017 年7 期GPS 格網水平運動速度場見圖3，顯著體現了四川“Y”型構造區近20 年水平運動的動態演化特征，特別是在2008 年汶川地震后，其中2009—2011 年周期“Y”型構造區以東地區運動速率明顯增大，而2011—2013 年周期急劇減小，2013—2015 年、2015—2017 年周期則逐漸恢復至震前活動水平。

圖3 四川GPS 網格水平運動速度場Fig.3 Sichuan GPS grid horizontal velocity field

3 地殼應變率場動態演化特征

基于GPS 水平運動速度場數據，探討近20 年四川“Y”型構造區地殼運動變化特征，受參考框架不同影響，最終結果并不具有唯一性，但基于GNSS 速度場解算的地殼應變張量與參考框架的選取無關（張榮斗等，2008），且能清晰刻畫四川主要斷裂帶地殼形變與應力張量之間的相互轉換過程。因此，借助最小二乘配置（曹里等，2016），通過應變率與位移速度間的偏導關系，計算四川地區1999—2017 年7 期水平運動應變率場。

3.1 最大剪應變率場

四川“Y”型構造區GPS 水平運動速度場最大剪應變率場見圖4。

圖4 最大剪應變率Fig.4 The maximum shear strain rate diagram

如圖4 所示，1999—2001 年期與2001—2004 年期最大剪應變率場變化一致，反映了最大剪應變率高值區位于鮮水河斷裂與安寧河斷裂，主要分布在甘孜至瀘定一帶及西昌附近，變化率均約10.0×10-8/a，而龍門山斷裂帶應變率場變化率則為2.0×10-8/a；至2004—2007 年周期，鮮水河斷裂以甘孜、瀘定為中心集中出現2 個獨立高值區，變化率分別達16.0×10-8/a 與15.0×10-8/a，較早期數據增大50%，“Y”型構造區南部高值區仍分布于安寧河斷裂以東，變化率約12.0×10-8/a，龍門山斷裂帶變化不大，但在汶川地震之后，由2009—2011 年周期可見高值區集中出現在龍門山山前斷裂，汶川以東，最大剪應變率由震前的2.0×10-8/a 增大到22.0×10-8/a，且自龍門山山前斷裂向西到汶川一帶，形成由高到低、平行于龍門山斷裂帶走向的高密度梯度帶，表明了在2008 年汶川地震之后的2年里，由映秀（震中）沿龍門山斷裂帶NE 走向，在殼體內部向斷裂兩側發生顯著應力推擠的構造運動。此外，廣元西側最大剪應變率約17.0×10-8/a，而汶川地震前鮮水河斷裂與安寧河斷裂所在西昌高值區，開始有了明顯的回落；2011—2013 年周期，龍門山斷裂帶延續著2009—2011 年周期構造運動態勢，汶川以東變化率約21.0×10-8/a，北川附近達16.0×10-8/a，且鮮水河斷裂整體應變率較上周期有所增大；2013—2015 年周期高值區又發生明顯轉移，由龍門山斷裂帶轉移至鮮水河斷裂南端，變化率約23.0×10-8/a，中心位于瀘定以西，且龍門山斷裂帶應變率回落至15.0×10-8/a，以汶川為中心，向NE 及SE 兩個方向遞減，而安寧河斷裂構造區應變率變化不大；2015—2017 年周期繼續維持上周期高值區分布特點。此外，在近20 年四川“Y”型構造區整體應變率場動態演化過程中，揚子板塊內部始終變化微弱，相對穩定。

3.2 主應變率場

主應變率場反映了地殼在某些關鍵點位的張、壓特征。1999 年以來，四川“Y”型構造區7 期GPS 運動速度場主應變率結果見圖5。由圖5 可見，與上述最大剪應變率一致的是，在2008 年汶川地震前10 年內，四川“Y”型構造區3 大斷裂構造帶主應變率演化特征并不顯著（圖5）。值得注意的是，自鮮水河斷裂向東至龍門山斷裂帶，EW 方向上壓應變呈遞減趨勢變化，如西部甘孜、爐霍附近壓應變率約5.0×10-8/a，東至汶川，降至約1.0×10-8/a，且1999—2001 年、2001—2004 年、2004—2007 年3 個周期的變化規律一致。然而，當2008 年汶川地震發生以后，即由圖5 可見，龍門山斷裂帶應變率發生SEE 向壓性顯著增強現象，平均主壓應變率由震前3 個周期的-1.2×10-8/a，增至震后的-13.0×10-8/a，且在2009—2017 年近10 年的4 個周期中始終持續增強變化。同時，由圖2、圖3 所示GPS（網格）水平運動速度場亦可發現，汶川地震后龍門山斷裂帶運動速率明顯增大。由此表明，汶川地震前來自青藏塊體內部的物質流在東向遷移過程中，受到東部堅硬的揚子板塊阻擋，以致地殼構造在鮮水河斷裂至龍門山斷裂帶之間出現壓應變率遞減現象，而汶川地震的發生則釋放了地殼內部多年以來SEE 向壓應力的能量累積，在震后10 年中始終受到來自西部地區地殼擠壓驅動力的作用，使得該地區壓應力能量釋放為震后構造運動速率與壓應變率增強創造了條件。鮮水河斷裂西段以NS 向主拉應變形式存在，變化率約5.0×10-8/a，安寧河斷裂表現為NNW 向主壓應變，變化率約6.0×10-8/a。然而，汶川地震以后，“Y”型構造區主應變率發生顯著改變，在龍門山斷裂帶，以SE 或SEE 向主壓應變為主，其量值變化范圍為5.0×10-8/a—12.0×10-8/a，主要是震后地殼應力場調整的結果，而鮮水河斷裂則由震前NS 向主拉應變，轉為震后EW 向主壓應變特征。此外，在“Y”型構造區的南端，即安寧河斷裂兩側，主應變率同樣發生較大改變，東側震前SE 向主壓應變率為6.0×10-8/a，減小至震后2.0×10-8/a，西側則為增大變化，由震前1.0×10-8/a，平均增至震后7.0×10-8/a；在2015—2017 年周期中，安寧河斷裂兩側恢復至1999—2007 年周期應力場活動水平，東側主壓應變率增大，西側整體水平減弱。

圖5 主應變率Fig.5 Principal strain rate diagram

3.3 面膨脹率場

面膨脹率在地殼表面主要展現區域面壓縮與面膨脹的相互作用，基礎數據仍為GPS水平運動速度場，但其獨特的表現形式，為分析地表應變率場提供了一種更為直觀的顯示方法。1999 年以來，四川“Y”型構造區7 期GPS 運動速度場面膨脹率結果見圖6，圖中實線為面膨脹率，虛線是面壓縮率。

圖6 面膨脹率Fig.6 Surface expansion diagram

在2008 年汶川8.0 級地震前的3 期面膨脹率場中，等值線密度較為稀疏，特別是1999—2001 年、2001—2004 年兩期，表明研究區域內部的地表膨脹—壓縮變化率較小，到汶川地震發生前，即2004—2007 年周期的等值線梯度變化明顯加強，尤其在石棉至瀘定一帶，面壓縮特征顯著，以及汶川以南至都江堰南部，應變率場由正轉負，變化率約0.0×10-8/a —-6.0×10-8/a；汶川地震之后，四川“Y”型構造區應變率場發生顯著變化，尤其是龍門山斷裂帶，變化強烈，由震前低密度梯度帶瞬間變為平行于龍門山斷裂帶走向、西側膨脹—東側壓縮的等值線高密度變化區，該區域存在2 個明顯正負交替的高密度過渡區，其中第一個在南部，以金川為中心的膨脹區向東遞減過渡，經龍門山斷裂帶至都江堰東側，量值變化約10.0×10-8/a—-13.0×10-8/a；第2 個過渡區在北段，由青川至北川一帶，量值變化約1.0×10-8/a—-9.0×10-8/a。以上均顯示了汶川地震后短期內龍門山斷裂帶地殼西區膨脹、東區壓縮的演化特征；2011—2013 年周期基本延續了2009—2011 年周期的變化規律，僅個別區域面膨脹—面壓縮有輕微調整，如由南至北的瀘定—都江堰—汶川，轉為膨脹—壓縮—膨脹的變化規律，梯度變化仍較劇烈；而2013—2015 年與2015—2017年周期變化特征與汶川地震前相似，面膨脹率與面壓縮率等值線密度大幅降低，即汶川地震后面膨脹與面壓縮速率有所降低，可能處于地殼內部應力調整時期。

依據上述7 期GPS 水平運動速度場與視應變場數據，給出四川“Y”構造區運動速率與應變場率統計結果，見表1，表中列舉了鮮水河斷裂帶、龍門山斷裂帶、安寧河斷裂帶、則木河斷裂帶近20 年各期平均運動參數量化值。由表1 可見，在2008 年汶川地震后的2009—2011 年周期，龍門山斷裂帶主壓應變率與面壓縮率陡然增大，之后表現為遞減趨勢。

表1 “Y”型構造區運動速率與應變場率統計Table 1 Statistics of movement rate and strain field rate in“Y”type tectonic area

4 結束語

基于1999—2017 年7 期GPS 水平運動速度場數據，解算四川“Y”型構造區各周期網格速度場、地殼應變率場，分析并研究該區近20 年尺度的地殼應變場演化過程，初步獲取以下結論。

（1）2008 年汶川地震前，3 期GPS 水平運動速度場相對穩定，“Y”型構造區地殼運動變化不大，但汶川地震后發生明顯變化，其中龍門山斷裂帶變化最顯著，變化率由震前4.0—5.0 mm/a 增至8.0—10.0 mm/a。

（2）1999—2007 年，四川“Y”型構造區應變場演化特征微弱，而汶川地震后的2 個周期，最大剪應變高值區出現在汶川以東，由震前的2.0×10-8/a 增至22.0×10-8/a，且自龍門山山前斷裂向西至汶川一帶，形成由高到低、平行于龍門山斷裂帶走向的高密度梯度帶。龍門山斷裂帶以SE 或SEE 向主壓應變為主，變化率約5.0×10-8/a—12.0×10-8/a，鮮水河斷裂帶由震前的NS 向主拉應變，轉為震后EW 向主壓應變，安寧河斷裂帶東側SE 向主壓應變由震前6.0×10-8/a，減小至震后2.0×10-8/a。面膨脹結果則顯示，龍門山斷裂帶由震前低密度梯度帶瞬間變為平行于斷裂帶走向的高密度變化區，且存在以金川至都江堰、北川至青川為條帶的2 個正負交替過渡區。

（3）2008 年汶川地震的發生，成為近20 年龍門山斷裂帶運動的轉折。汶川地震后龍門山斷裂帶SEE 向壓性特征顯著增強，且持續變化近10 年，表明汶川地震的發生，釋放了地殼內部多年以來SEE 向壓應力累積能量，為震后運動速率與壓應變率的增強創造了條件，導致在震后10 年中始終受到來自西部地區地殼擠壓驅動力的作用，但該變化對鮮水河斷裂與安寧河斷裂的整體運動狀態則無明顯觸發作用。