GNSS約束的紅河斷裂帶現(xiàn)今三維閉鎖耦合程度及時(shí)空演變特征研究

薛 晨 徐克科 劉新奇 張墨思

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

紅河斷裂帶是青藏高原西南緣一條橫跨云南西部、東南部及越南北部,最后向東南延伸至南海的大型走滑斷裂帶,在中國(guó)境內(nèi)長(zhǎng)約600 km。新構(gòu)造時(shí)期以來,該斷裂帶經(jīng)歷了從早期的大型左旋走滑運(yùn)動(dòng)到現(xiàn)在的右旋走滑運(yùn)動(dòng),并作為滇中塊體與滇西南塊體的分界線,也是青藏高原東南部一條顯著的地質(zhì)地貌分界線[1]。紅河斷裂帶在構(gòu)造活動(dòng)上表現(xiàn)出顯著的時(shí)空差異,具有分段性。其北段活動(dòng)性最強(qiáng),歷史上大震頻發(fā),該段曾發(fā)生6級(jí)以上地震9次,其中7級(jí)以上地震2次。而中段鮮有地震發(fā)生,南段發(fā)生的地震均為小震,震級(jí)不超過MS5.0[2]。對(duì)于紅河斷裂帶地震活動(dòng)的差異性,許多學(xué)者針對(duì)該斷裂帶中、南段展開討論[3-5],一般認(rèn)為中、南段地震風(fēng)險(xiǎn)較低,但南段新發(fā)現(xiàn)曾有大震活動(dòng)的地質(zhì)證據(jù)[6],揭示了該段孕育長(zhǎng)周期大震的可能性。

研究活動(dòng)斷裂帶的應(yīng)變積累集中區(qū)是判斷該斷裂地震危險(xiǎn)性的有效途徑之一[7],而通過分析斷層的閉鎖程度與滑動(dòng)速率虧損則可進(jìn)一步研究應(yīng)變積累狀態(tài)[8]。使用GNSS、InSAR等觀測(cè)數(shù)據(jù)來反演震間斷層閉鎖程度和滑動(dòng)虧損已經(jīng)成為研究斷層運(yùn)動(dòng)與評(píng)估地震風(fēng)險(xiǎn)的重要方法。已有許多學(xué)者[9-11]使用該方法計(jì)算紅河斷裂帶的閉鎖程度,但得到的閉鎖特征并不一致,且缺乏滑動(dòng)虧損速率的空間分布。Zhang等[12]研究發(fā)現(xiàn),內(nèi)部應(yīng)變對(duì)于青藏高原東部地表形變的影響不可忽略,基于此條件有待對(duì)紅河斷裂帶的閉鎖程度作進(jìn)一步研究。

為分析紅河斷裂帶的地質(zhì)活動(dòng)特征和不同段落的活動(dòng)差異,本文利用1999～2007年、1999～2017年2期GNSS速度場(chǎng)數(shù)據(jù),使用負(fù)位錯(cuò)模型并施加內(nèi)部應(yīng)變條件計(jì)算紅河斷裂帶的斷層閉鎖程度與滑動(dòng)虧損速率,通過分析反演結(jié)果的長(zhǎng)期演變趨勢(shì)來評(píng)估該地區(qū)地震的中長(zhǎng)期風(fēng)險(xiǎn)性。

1 GNSS數(shù)據(jù)處理

本次研究使用的GNSS數(shù)據(jù)來源于中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)和中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。通過GAMIT軟件對(duì)GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理獲得測(cè)站和衛(wèi)星軌道的單日區(qū)域松弛解,將該單日解與SOPAC的IGS站點(diǎn)松弛解合并,利用GLOBK通過七參數(shù)法轉(zhuǎn)換至ITRF2014參考框架下并形成速度場(chǎng),再轉(zhuǎn)換為相對(duì)穩(wěn)定的歐亞框架[13]。

汶川地震和蘆山地震對(duì)川滇地區(qū)整體運(yùn)動(dòng)都產(chǎn)生了影響[14]。為保證所獲取GNSS數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和探明2次大震對(duì)紅河斷裂帶長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的影響,本研究選擇1999～2007年和觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)的1999～2017年數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。從圖1可以看出,在印度板塊的推擠作用下,川滇地區(qū)整體呈現(xiàn)順時(shí)針方向運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)方向在滇中塊體中發(fā)生分化,途經(jīng)滇西、滇南塊體繼續(xù)以順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),而到華南塊體則以東南方向運(yùn)動(dòng)為主。1999～2017年速度場(chǎng)仍具有該運(yùn)動(dòng)特征,但受到汶川地震和蘆山地震的影響[14],川滇地區(qū)西南部運(yùn)動(dòng)速度增加,旋轉(zhuǎn)角速度增大,作為塊體邊界的紅河斷裂帶也會(huì)受到影響。

為研究紅河斷裂帶活動(dòng)狀態(tài)演變特征,通過TDEFNODE程序構(gòu)建斷層模型。首先對(duì)GNSS站點(diǎn)進(jìn)行篩選,篩選原則為:1)剔除未建模斷層(小金河斷裂帶、小江斷裂帶、南汀河斷裂帶)附近1倍閉鎖深度的GPS站點(diǎn);2)刪除原始數(shù)據(jù)中誤差大于2 mm/a的站點(diǎn),刪除重復(fù)存在的站點(diǎn);3)刪除模型速度場(chǎng)中殘差大于3倍中誤差的測(cè)站,并不斷重復(fù)直至所有測(cè)站符合要求;4)盡量使塊體內(nèi)站點(diǎn)分布均勻,刪除明顯過于集中的站點(diǎn);5)剔除未落入建模塊體內(nèi)的站點(diǎn)。研究中參與實(shí)際建模計(jì)算的1999～2007年的GNSS站點(diǎn)為107個(gè),1999～2017年為109個(gè)。

2 實(shí)驗(yàn)方法及原理

本次反演實(shí)驗(yàn)采用TDEFNODE負(fù)位錯(cuò)反演程序,該程序在國(guó)際上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[15]。該程序可利用GNSS數(shù)據(jù)、InSAR數(shù)據(jù)及地震滑移矢量等數(shù)據(jù)為約束條件,通過模擬退火和網(wǎng)格搜索法計(jì)算斷層閉鎖系數(shù)、塊體內(nèi)部均勻應(yīng)變率、塊體旋轉(zhuǎn)歐拉極等信息。斷層閉鎖程度φ可表示為:

(1)

式中,Vc為短期蠕滑速率,V為長(zhǎng)期滑動(dòng)速率。當(dāng)φ=1時(shí),代表斷層未發(fā)生滑動(dòng),處于完全閉鎖狀態(tài);當(dāng)φ=0時(shí),代表斷層處于完全蠕滑狀態(tài)。在實(shí)際中,φ一般處于0～1之間。滑動(dòng)虧損即為φV,代表因斷層閉鎖而損失的斷層滑動(dòng)速率,可用來衡量斷層能量積蓄的快慢。

TDEFNODE程序假定塊體內(nèi)部的點(diǎn)受到塊體旋轉(zhuǎn)、內(nèi)部應(yīng)變以及斷層閉鎖帶來的滑動(dòng)虧損的影響,表達(dá)式分為兩部分[16-17]:

(2)

當(dāng)塊體內(nèi)部不存在整體性內(nèi)部應(yīng)變時(shí),式(2)表示塊體內(nèi)部點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。式中,Vi為水平運(yùn)動(dòng)速率,X為GPS測(cè)站位置,B為塊體數(shù)量,Δb代表塊體b所處范圍(當(dāng)測(cè)站X在塊體b內(nèi)部時(shí)H為1,反之為0),i為速度場(chǎng)分量,RΩb為塊體b在參考框架R下的歐拉運(yùn)動(dòng)矢量,hΩf為斷層上盤f相對(duì)于斷層下盤h的歐拉運(yùn)動(dòng)矢量,F為第F條斷裂帶,Nk為斷裂帶k上節(jié)點(diǎn)總數(shù),Xnk為斷裂帶k上第n個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置,φnk為斷裂帶k上第n個(gè)節(jié)點(diǎn)所處位置的閉鎖程度,Gij(X,Xnk)為該節(jié)點(diǎn)在j方向?qū)y(cè)站X在i方向產(chǎn)生的格林函數(shù)。

當(dāng)存在整體性內(nèi)部應(yīng)變時(shí),式(3)表示因塊體內(nèi)部應(yīng)變而產(chǎn)生的速度增量:

(3)

(4)

3 斷層模型

3.1 模型分辨率測(cè)試

根據(jù)歷史地震活動(dòng)特征和活躍斷裂帶分布,將川滇區(qū)域劃分為4個(gè)塊體[19-20],以小金河斷裂帶為界劃分滇西北塊體與滇中塊體,以小江斷裂帶為界劃分滇中塊體與華南塊體,滇西、滇南塊體由滇西南塊體以南汀河斷裂帶為界[21]進(jìn)行劃分。其中參與構(gòu)成斷層模型的有滇中、滇西、滇南塊體,斷層模型以滇西、滇南塊體邊界劃分為南、北兩段。

反演程序通過多個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成斷層的幾何信息,在反演前需要確定斷層節(jié)點(diǎn)的三維分布。而GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量的優(yōu)劣會(huì)直接影響反演結(jié)果,為檢驗(yàn)GNSS數(shù)據(jù)對(duì)于斷層模型的約束力度以及TDEFNODE程序自身結(jié)果的可靠性,采用棋盤式模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)模型分辨率進(jìn)行測(cè)試。假設(shè)斷層模型可劃分成閉鎖值為0～1的方格且交錯(cuò)分布,再加上已有的GNSS測(cè)站位置信息,通過模型正演來獲得GNSS速度場(chǎng)數(shù)據(jù)。利用正演結(jié)果反演得到閉鎖系數(shù),對(duì)比正演和反演閉鎖系數(shù)擬合的優(yōu)劣情況來判斷區(qū)域內(nèi)GNSS數(shù)據(jù)所能支持的模型分辨率以及反演程序是否穩(wěn)定可靠。

首先將假定斷層劃分為40 km×7 km樣式的棋盤格式,斷層節(jié)點(diǎn)的閉鎖值沿走向交替變更。為保證模擬實(shí)驗(yàn)的可靠性,假設(shè)斷層模型位置與長(zhǎng)度同紅河斷裂帶相近,速度場(chǎng)的空間分布選擇2期GNSS數(shù)據(jù)中測(cè)站分布相對(duì)稀疏的1999～2007年數(shù)據(jù)的測(cè)站位置。圖2(a)為假定斷層及其閉鎖分布,圖2(b)為反演結(jié)果。可以看出,斷層模型整體穩(wěn)定性較好,仍保持著40 km×7 km的空間分辨率,分辨能力較優(yōu)。斷層北段在深度15～25 km出現(xiàn)失真現(xiàn)象,原因?yàn)樵撎幍嵛鲏K體內(nèi)部的GPS測(cè)站數(shù)量最少而導(dǎo)致約束效果較差。然后保持其他假定條件不變,提升斷層模型的分辨率至20 km×7 km進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。圖2(c)為以20 km為節(jié)點(diǎn)間距的新假定斷層模型及閉鎖分布,圖2(d)為進(jìn)行相同操作步驟后得到的反演結(jié)果。可以看出,本次結(jié)果較差,已失去分辨能力,尤其在斷層北段和走向轉(zhuǎn)折處嚴(yán)重失真。與40 km空間分辨率的實(shí)驗(yàn)對(duì)比,結(jié)果相差很大,在整個(gè)斷層模型均出現(xiàn)不同程度的誤差。棋盤式模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本次使用的GNSS數(shù)據(jù)足以構(gòu)建出穩(wěn)定的40 km×7 km空間分辨率的斷層模型,但反演更高空間分辨率的斷層模型(如20 km)缺乏足夠的約束力,結(jié)果可靠性較差。

圖2 棋盤式模擬實(shí)驗(yàn)Fig.2 Checkerboard simulation experiment

3.2 模型設(shè)置

圖4 內(nèi)部應(yīng)變對(duì)模型精度的影響Fig.4 Effect of internal strain on model accuracy

3.3 最優(yōu)模型

圖5為模型速度場(chǎng)殘差,可以看出,1999～2007年擬合效果較好,除個(gè)別點(diǎn)殘差偏大外各個(gè)站點(diǎn)殘差較為平穩(wěn);1999～2017年模型結(jié)果穩(wěn)定性相對(duì)較差,在塊體邊緣與塊體交界處擬合效果較差,殘差較大的站點(diǎn)主要分布于紅河斷裂帶南、北兩段,與所處區(qū)域活動(dòng)復(fù)雜有關(guān)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6為紅河斷裂帶在1999～2007年和1999～2017年2個(gè)時(shí)段斷層面上閉鎖數(shù)值φ在空間域和時(shí)間域分布變化情況。由圖可知,1999～2007年期間,紅河斷裂帶北段閉鎖程度沿?cái)鄬酉蚰喜粩嘣龃?閉鎖深度從5 km向南不斷增加至20 km,閉鎖深度達(dá)到斷層模型底部。紅河斷裂帶中段與北段相接區(qū)域閉鎖程度稍高,但沿?cái)鄬酉蚰现饾u降低。斷層中段整體閉鎖程度較低,5 km深度以上為完全閉鎖,10 km深度以上閉鎖數(shù)值大于0.7,閉鎖程度在10 km深度以下快速降低,在20 km深度以下進(jìn)入蠕滑狀態(tài)。紅河斷裂帶南段閉鎖趨勢(shì)與中段類似,大部分區(qū)域?yàn)檩p度閉鎖,但與小江斷裂帶相接區(qū)域的閉鎖程度增高,該區(qū)域內(nèi)一小段斷裂帶在10 km深度以上閉鎖數(shù)值φ大于0.8,閉鎖深度增加至20 km。1999～2017年期間,紅河斷裂帶北段閉鎖趨勢(shì)保持不變,并且高度閉鎖的狀態(tài)向南擴(kuò)散。紅河斷裂帶中段閉鎖程度發(fā)生較大變化,鄰近北段的區(qū)域已經(jīng)轉(zhuǎn)化為高度閉鎖狀態(tài),閉鎖深度增至20 km,閉鎖數(shù)值大于0.8。紅河斷裂帶南段整體仍處于輕度閉鎖狀態(tài),但局部區(qū)域的閉鎖程度開始增高,靠近小江斷裂帶的斷層開始轉(zhuǎn)化為高度閉鎖狀態(tài)。

圖6 紅河斷裂帶斷層閉鎖與滑動(dòng)虧損速率Fig.6 Locking degree and slip deficit velocity of Red river fault zone

斷層閉鎖程度可衡量斷層面上應(yīng)變積累的能力,閉鎖程度越高,越易于應(yīng)變積累。而斷層滑動(dòng)虧損是通過計(jì)算斷層面上各處由閉鎖而損失的滑動(dòng)速率來衡量應(yīng)變積累的快慢。由圖6可知,1999～2007年期間,紅河斷裂帶的滑動(dòng)虧損速率在空間分布上也表現(xiàn)出明顯的分段性,滑動(dòng)虧損主要集中在斷裂帶活躍的南、北兩段,而中段基本無滑動(dòng)虧損。紅河斷裂帶北段滑動(dòng)虧損速率為2.5～5 mm/a,集中在滇西塊體和滇南塊體交界處。紅河斷裂帶中段滑動(dòng)虧損積累較低,因?yàn)樵摱伍]鎖程度較低并且在10 km深度以下基本處于蠕滑狀態(tài),滑動(dòng)虧損僅為0.4～1.8 mm/a。紅河斷裂帶南段整體滑動(dòng)虧損積累與中段相似,處于較低狀態(tài),滑動(dòng)虧損為1.5～2 mm/a,僅最南端區(qū)域的滑動(dòng)虧損稍高。1999～2017年期間,紅河斷裂帶整體的滑動(dòng)虧損速率有所上升,在保持分段性的同時(shí),斷層中段的滑動(dòng)虧損速率也逐漸上升。紅河斷裂帶北段滑動(dòng)虧損增幅最大,達(dá)到4～8.5 mm/a。紅河斷裂帶中段的滑動(dòng)虧損速率在空間分布上,從南、北兩端開始向中間擴(kuò)散,滑動(dòng)虧損速率逐漸上升為2～2.8 mm/a,僅位于該段中間的一小部分?jǐn)鄬游词苡绊憽＜t河斷裂帶南段的滑動(dòng)虧損在區(qū)域與數(shù)值上均有所變化,從該段向北開始有更多區(qū)域進(jìn)入虧損狀態(tài),滑動(dòng)虧損速率上升為2.9～4.2 mm/a。

5 討 論

汶川地震后,川滇地區(qū)整體的東向運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)增大[22],滇中塊體最為典型,該塊體受華南塊體阻擋后,川滇-華南塊體邊界帶相對(duì)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾〗瓟嗔褞媳毕蚧瑒?dòng)。同時(shí)滇中塊體與滇西北塊體右滑速率的旋轉(zhuǎn)角速度增大[23],使得滇西南邊界帶西部的拉張速率上升。滇中塊體同華南塊體、滇西塊體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的變化是引起兩期速度場(chǎng)在川滇地區(qū)西南部差異的主要原因。

在兩期斷層模型反演結(jié)果中,紅河斷裂帶的三維閉鎖與滑動(dòng)虧損均具有明顯的分段性,主要表現(xiàn)為紅河斷裂帶中段的閉鎖程度與滑動(dòng)虧損明顯低于南、北兩段。分段性也是紅河斷裂帶在構(gòu)造活動(dòng)上的顯著特點(diǎn),斷層北段靠近滇西、滇南塊體交界處且聚集維西-巍山斷裂帶和永勝-賓川斷裂帶,地理環(huán)境復(fù)雜,閉鎖程度較高;斷層南段與個(gè)舊、小江斷裂帶相接時(shí),閉鎖程度開始增高,閉鎖深度從5 km增至20 km;而斷層中段僅處于淺層閉鎖狀態(tài)。

根據(jù)兩期結(jié)果對(duì)比可知,斷裂帶運(yùn)動(dòng)特征整體上按已有趨勢(shì)繼續(xù)變化加強(qiáng)。滇中塊體同滇西塊體、滇南塊體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率[24]的上升會(huì)直接影響到作為塊體邊界的紅河斷裂帶,該斷裂帶南、北段閉鎖程度繼續(xù)加深,滑動(dòng)虧損速率上升,高度閉鎖狀態(tài)也發(fā)生在作為塊體邊界的小金河斷裂帶和小江斷裂帶[5,8],兩者同紅河斷裂帶南北段相接,均受到川滇地區(qū)西南部塊體運(yùn)動(dòng)的影響。目前,紅河斷裂帶的高度閉鎖狀態(tài)在空間上呈現(xiàn)出逐漸向中段擴(kuò)散的趨勢(shì),表明斷層北段地震風(fēng)險(xiǎn)增大,較為穩(wěn)定的南段也存在孕育地震的風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié) 語

本文使用1999～2007年和1999～2017年GNSS速度場(chǎng)數(shù)據(jù),得到包含內(nèi)部應(yīng)變影響的最優(yōu)模型結(jié)果,分析紅河斷裂帶的閉鎖程度和滑動(dòng)虧損速率的空間分布與時(shí)空演變特征。主要結(jié)論如下:

1)兩期GNSS速度場(chǎng)數(shù)據(jù)表明,川滇區(qū)域整體仍以順時(shí)針方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)速率從西北到東南逐漸降低,青藏高原內(nèi)部運(yùn)動(dòng)速率較高,東南方向的華南塊體運(yùn)動(dòng)速率較低,而滇中塊體繼續(xù)保持向西南方向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),活動(dòng)更為劇烈。

2)1999～2007年期間,紅河斷裂帶南、北段處于高度閉鎖的狀態(tài)。在1999～2017年期間,已出現(xiàn)高度閉鎖狀態(tài)通過小金河斷裂帶、小江斷裂帶開始向斷層中段擴(kuò)散的趨勢(shì),斷層中段目前仍十分穩(wěn)定,但今后應(yīng)該持續(xù)觀察。