利用形變觀測資料評估福建主要構造斷裂孕震風險

占 惠 梁全強 李光明 林淑冰 楊 婕 陳新澤 林志彬

1 福建省海洋地震觀測中心,廈門市盛光路669號,361021

根據彈性回跳理論分析斷層內部的應變積累、閉鎖程度和滑動虧損分布,是研究地震的重要手段。根據現代大地測量資料反演斷層深淺部的閉鎖程度和滑動虧損分布特征是判斷斷裂帶未來地震危險性的重要手段[1]。基于Okada模型[2]的Defnode負位錯反演程序[3-4],可利用GPS、水準、地質數據等結果,采用網格搜索和模擬退火方法求出塊體旋轉運動的歐拉極、塊體邊界斷層的閉鎖程度和滑動虧損速率。

福建地處歐亞板塊、菲律賓海板塊與太平洋板塊交界處,是我國沿海地震活動相對活躍的地區。本文利用GPS基準站、流動站及跨斷層水準場地觀測數據對長樂-詔安斷裂帶、政和-海豐斷裂帶和邵武-河源斷裂帶等3條大型NE向斷裂帶[5-9]進行研究,利用Defnode負位錯反演程序計算斷裂帶的閉鎖運動狀態、斷層面不同深度的形變分布及斷裂兩側地質構造塊體內部的彈性應變積累,以評估該地區構造地震的危險性。

1 Defnode反演方法

Defnode負位錯反演程序假定塊體內部點的運動為塊體旋轉與塊體邊界由于斷層閉鎖產生的滑動虧損引起的地表彈性變形之和,具體公式為:

(1)

式中,X為GPS測站的位置,Vi(X)為測站X的速度,RΩb為塊體b相對于參考框架的歐拉極,Φnk為斷層k上節點n的閉鎖程度,其余各參數定義見文獻[1-2]。

2 反演過程

塊體劃分的整體原則參考已有的地質、地球物理及大地測量資料(圖1),將研究區以3條NE向斷裂帶為界自東向西劃分為閩東南地塊、閩東地塊、閩西地塊和閩西北地塊4個部分。本文使用的2009～2020年福建省56個GPS基準站、18個GPS流動站水平速度場數據見表1,13個跨斷層水準測點資料見表2。

表1 2009～2020年各站在ITRF2008坐標參考框架下的水平速率

表2 跨斷層場地年平均變化速率與受力狀態

圖1 福建GPS測站和水準場地分布Fig.1 Distribution of GPS stations and leveling sites in Fujian

反演過程中,沿長樂-詔安斷裂帶走向方向每條等深線上有4個節點,節點之間的距離為100～130 km;深度方向依次在0.1 km、5 km、10 km、25 km、45 km處垂直等深線方向有5排節點。斷層傾角設置為65°,斷裂總長度為360 km,斷層面總寬度為50 km。沿政和-海豐斷裂帶走向方向每條等深線上有4個節點,節點之間的距離為110～140 km;深度方向依次在0.1 km、5 km、10 km、25 km、45 km處垂直等深線方向有5排節點。斷層傾角設置為70°,斷裂總長度為400 km,斷層面總寬度為48 km。沿邵武-河源斷裂帶走向方向每條等深線上有3個節點,節點之間的距離為120～130 km;深度方向依次在0.1 km、5 km、10 km、18 km處垂直等深線方向有4排節點。斷層傾角設置為55°,斷裂總長度為250 km,斷層面總寬度為22 km。設置0.1 km深度處斷層節點Φ值為1,從地表沿垂直等深線向下Φ值單調遞減,整條斷裂深度最大處Φ值為0(完全蠕滑),反演中確定地表以下Φ值的最優值。利用Defnode負位錯反演程序計算得到每個節點處斷層閉鎖程度,再通過雙線性插值方法計算相鄰節點之間沿走向方向長15 km、沿深度方向寬5 km的斷層網格的閉鎖程度,最終得到整個斷層的閉鎖程度。

3 反演結果

通過逐步擇優,得到最終模型。圖2給出GPS速度殘差分布。可以看出,參與反演的74個GPS測站中,除了6個測站的速度殘差值稍大,其他測站的速度殘差值基本處在誤差范圍內,表明模型擬合較好。反演得到3條NE向斷裂的滑動速率和閉鎖程度見圖3、4。可以看出,從北向南,長樂-詔安斷裂帶的滑動速率逐漸減小,政和-海豐斷裂帶的滑動速率先減小后增大,邵武-河源斷裂帶的滑動速率逐漸增大。閩東南地塊相對于閩東地塊呈右旋運動,閩東地塊相對于閩西地塊呈左旋運動,閩西地塊相對于閩西北地塊呈右旋運動。

圖2 GPS速度殘差Fig.2 Velocity residuals of GPS

圖3 3條NE向斷裂帶滑動速率Fig.3 Slip rate of the three NE faults

圖4 3條NE向斷裂帶閉鎖程度Fig.4 Locking degree of the three NE faults

長樂-詔安斷裂帶南段5 km深度處閉鎖比例約為0.99,閉鎖程度最高,5～25 km深度處閉鎖比例約為0.94,25～30 km深度處閉鎖比例約為0.76;斷裂帶北段5 km深度處閉鎖比例約為0.96,閉鎖程度較高,5～25 km深度處閉鎖比例約為0.92,25～30 km深度處閉鎖比例約為0.74,較南段同一深度閉鎖程度稍低;斷裂帶中段5 km深度處閉鎖比例約為0.60,5～30 km深度處閉鎖比例約為0.15。30～45 km深度處整條斷裂帶由閉鎖逐步轉變為完全蠕滑。

政和-海豐斷裂帶南段15 km深度處閉鎖比例約為0.99,閉鎖程度最高,15～25 km深度處閉鎖比例約為0.97,25～30 km深度處閉鎖比例約為0.76;斷裂帶中段5 km深度處閉鎖比例約為0.99,閉鎖程度最高,5～25 km深度處閉鎖比例約為0.94,25～30 km深度處閉鎖比例約為0.76;斷裂帶北段5 km深度處閉鎖比例約為0.99,閉鎖程度最高,5～10 km深度處閉鎖比例約為0.76,10～30 km深度處閉鎖比例約為0.20,較南段和中段閉鎖程度低。30～45 km深度處整條斷裂帶由閉鎖逐步轉變為完全蠕滑。

邵武-河源斷裂帶南段5 km深度處閉鎖比例約為0.96,閉鎖程度較高,5～10 km深度處閉鎖比例約為0.93;斷裂帶中段和北段10 km深度處閉鎖比例約為0.99,閉鎖程度最高。10～18 km深度處整條斷裂帶逐步由閉鎖轉變為蠕滑。

斷層滑動虧損速率為閉鎖程度與2個塊體間斷層相對運動矢量的乘積。圖5給出3條NE向斷裂帶滑動虧損速率分布。結果顯示,長樂-詔安斷裂帶南段以正斷為主,中段和北段以逆沖為主,兼右旋分量;政和-海豐斷裂帶南段以逆沖為主,中段和北段以正斷為主,兼少許左旋分量;邵武-河源斷裂帶以逆沖為主,兼右旋分量。

圖5 3條NE向斷裂帶滑動虧損速率分布Fig.5 Slip deficit rate of the three NE direction faults

長樂-詔安斷裂帶中段平行和垂直斷層方向的滑動虧損速率比南段和北段小,南段地表至25 km深度處垂直斷層方向的拉張滑動虧損速率約為0.35 mm/a(平行斷層方向的變化范圍為0.15～0.55 mm/a,南端最大,往北東逐漸減小),25～40 km深度處拉張滑動虧損速率約為0.2 mm/a;北段地表至25 km深度處垂直斷層方向的擠壓滑動虧損速率約為1.0 mm/a,25～40 km深度處擠壓滑動虧損速率約為0.5 mm/a。斷裂帶南段和北段地表至40 km深度處平行斷層方向的右旋滑動虧損速率約為0.4 mm/a;中段地表至5 km深度處平行斷層方向的右旋滑動虧損速率約為0.4 mm/a,5～40 km深度處右旋滑動虧損速率約為0.2 mm/a。40～45 km深度處整條斷裂帶逐步轉變為完全蠕滑。

政和-海豐斷裂帶南段地表至40 km深度處垂直斷層方向的擠壓滑動虧損速率約為0.55 mm/a(平行斷層方向變化范圍為0.4～0.7 mm/a,南端最大,往北東逐漸減小);中段地表至40 km深度處垂直斷層方向的拉張滑動虧損速率約為0.25 mm/a(平行斷層方向變化范圍為0.1～0.4 mm/a,北端最大,往南西逐漸減小);北段地表至15 km深度處垂直斷層方向的拉張滑動虧損速率約為1.05 mm/a(平行斷層方向變化范圍為0.7～1.4 mm/a,北端最大,往南西逐漸減小),15～40 km深度處拉張滑動虧損速率約為0.3 mm/a。斷裂帶地表至5 km深度處平行斷層方向的左旋滑動虧損速率約為0.2 mm/a,5～40 km深度處左旋滑動虧損速率約為0.1 mm/a。40～45 km深度處整條斷裂帶逐步轉變為完全蠕滑。

邵武-河源斷裂帶南段垂直斷層方向的擠壓滑動虧損速率比北段大,平行斷層方向的右旋滑動虧損速率比北段略小;南段地表至10 km深度處垂直斷層方向的擠壓滑動虧損速率約為1.0 mm/a(平行斷層方向變化范圍為0.8～1.2 mm/a,南端最大,往北東逐漸減小);北段地表至10 km深度處垂直斷層方向的擠壓滑動虧損速率約為0.1 mm/a。斷裂帶地表至10 km深度處平行斷層方向的右旋滑動虧損速率約為0.55 mm/a。10～18 km深度處整條斷裂帶逐步轉變為完全蠕滑。

采用最小二乘配置方法[10-11]計算2009～2020年福建地區GPS觀測的主應變率和EW向應變率分布,結果見圖6。可以看出,福建地區3條NE向主斷裂附近的變形具有明顯的分區特征,長樂-詔安斷裂帶東側的應變積累速率明顯大于西側,主要表現為壓應變較大且往北東逐漸增大的趨勢,整條斷裂帶表現為右旋剪切變形特征;政和-海豐斷裂帶和邵武-河源斷裂帶整體表現為拉應變較大,其中,長樂-詔安斷裂帶南段的擠壓變形幅度小于中北段,南段東側變形幅度表現為靠近斷裂帶逐漸減小的特征,表明其在一段時間內已積累了較高的應變能,更利于發生破裂滑動。由EW向應變率可知,受歐亞板塊、菲律賓海板塊和太平洋板塊相互碰撞的影響,長樂-詔安斷裂帶南段北西側屬于EW向拉張變形區,南東側則呈現擠壓變形,表明斷裂帶南段作為EW向變形的分界帶,具備擠壓應變積累背景,且閉鎖程度較高、地震危險性較大,值得重點關注。

圖6 2009～2020年福建地區應變率分布Fig.6 Distribution of strain rate in Fujian area from 2009 to 2020

4 結 語

本文利用2009～2020年福建地區GPS基準站、流動站和跨斷層水準場地觀測資料,使用Defnode負位錯模型,反演研究區3條NE向斷裂帶的滑動速率、閉鎖程度和滑動虧損分布。結果表明,長樂-詔安斷裂帶從北到南滑動速率逐漸減小,政和-海豐斷裂帶從北到南滑動速率先減小后增大,邵武-河源斷裂帶從北到南滑動速率逐漸增大。其中,長樂-詔安斷裂帶南段5 km深度處閉鎖程度較高(閉鎖比例0.99),政和-海豐斷裂帶南段15 km深度處閉鎖程度較高(閉鎖比例0.99)。長樂-詔安斷裂帶南段以正斷為主,中段和北段以逆沖為主,兼右旋分量;政和-海豐斷裂帶南段以逆沖為主,中段和北段以正斷為主,兼少量左旋分量;邵武-河源斷裂帶以逆沖為主,兼右旋分量。最小二乘配置應變率結果顯示,長樂-詔安斷裂帶壓應變較大,南段擠壓變形幅度小于中北段,且南段東側的變形幅度靠近斷裂帶呈逐漸減小的特征,表明長樂-詔安斷裂帶南段作為EW向變形的分界帶,具備長期擠壓應變積累背景,這一特征與反演結果一致,值得重點關注。