瀘定MS6.8地震震前變形特征及鮮水河斷裂南東段地震活動性

申 星 梁洪寶 宋成科

1 中國地震局第一監測中心,天津市耐火路7號,300180

據中國地震臺網正式測定,2022-09-05 12:52四川瀘定(29.59°N,102.08°E)發生6.8級地震,震源深度16 km,此后發生多次4～5級余震。經專家學者現場考察及地震序列的精定位,確定此次地震發震斷裂為鮮水河斷裂帶南端磨西段。該段處于鮮水河斷裂與龍門山斷裂的交會部位,構造背景復雜,1700年以來發生過9次7級以上大地震[1],與其北部的甘孜-玉樹斷裂、南部的安寧河斷裂、大涼山斷裂、小江斷裂共同構成了川滇活動塊體的北東邊界[2-4]。研究表明,鮮水河斷裂整體走向呈NNW-SSE,是一條滑動速率6～10 mm/a的晚第四紀活動左旋走滑斷裂[5-6]。地震發生的南東段磨西段平均水平走滑速率約9.3 mm/a,其北側是多分支結構的乾寧-康定段,南側是與安寧河斷裂、大涼山斷裂重接的田灣-石棉段,西側是強烈隆升的貢嘎山,其區域的隆升速率達6.1 mm/a,與周邊斷裂活動、區域構造變形密切相關[7](圖1)。鮮水河斷裂帶受青藏高原隆升和高原上地殼物質向東蠕散的影響,在青藏高原東部地區形成一系列弧形走滑斷層系,全新世以來表現出強烈的左旋水平剪切運動特征[8]。

紅色粗線表示主要塊體邊界;F1～F5分別表示鮮水河斷裂的爐霍段、道孚段、乾寧段、康定段和磨西段,F6表示汶川-茂汶斷裂圖1 鮮水河斷裂帶地震構造環境與主要歷史地震分布Fig.1 Seismic tectonic environment and major historical earthquakes of the Xianshuihe fault zone

2008年汶川8.0級特大地震發生后,巴顏喀拉塊體邊界鮮水河斷裂帶南端庫侖應力加載效應顯著增強[9-10],其周緣斷裂陸續發生2010年玉樹7.1級地震、2013年漳縣-岷縣6.6級地震、2013年蘆山7.0級地震、2014年康定6.3級地震和本次地震(圖1)。鮮水河斷裂北段庫侖應力卸載與南段加載效應顯著是系列地震的主要成因。方穎等[11]利用30 a的跨斷層形變觀測資料分析得出鮮水河西北段運動規律,認為從爐霍段、道孚段到乾寧段斷層閉鎖程度逐年增加;李鐵明等[12]綜合跨斷層短基線、短水準、區域重力和區域GPS觀測資料,分析得出鮮水河斷裂現今整體左旋走滑速率和部分分支斷裂左旋走滑速率,給出磨西段走滑速率為4.41 mm/a;孫凱等[13]進一步結合InSAR和GPS觀測資料研究鮮水河斷裂帶爐霍-道孚段的震間運動特征,給出斷層左旋蠕滑速率在1.0～4.41 mm/a等。以上研究主要集中在運動速率較大的鮮水河斷裂的西北段,而對南段的研究較少。隨著瀘定6.8級地震的發生,鮮水河斷裂南段的地震活動性也逐漸引起廣泛關注,認識該區域斷裂帶塊體構造地震活動性對地震孕育發生和地震趨勢的快速判定具有重要意義。

本文在前人研究的基礎上,首先對鮮水河斷裂帶南東段歷史地震活動性及地震孕育發生的構造背景進行分析,針對該分支斷裂近10 a的中小地震群的展布特征,精細描述瀘定6.8級地震發震斷層的形態變化;然后收集震中附近區域陸態網絡流動和連續測站的GNSS觀測數據,通過處理2009～2015年和2015～2022年2期觀測資料,給出震源區及周邊地區的速度場、應變率場;最后分析瀘定6.8級地震震前地殼運動變形特征,為該區域未來的地震危險性判定提供依據。

1 歷史地震活動

鮮水河斷裂帶構造運動活躍,其北西段和南東段的活動速率有所差異,表現出北西向運動強烈,至南東向逐漸減緩的過程,全新世以來以左旋走滑為主,兼具一定的逆沖運動特征。在構造上,鮮水河斷裂帶位于一級構造單元松潘-甘孜地槽褶皺系內部,斷裂帶北東側為巴顏喀拉塊體,西南側為川滇塊體,為兩個二級構造單元的分界線,呈現出不一樣的塊體特征[14-15]。瀘定6.8級地震正發生于該分界線上,是青藏高東部典型的走滑型地震事件,距離鮮水河斷裂帶磨西段約7 km。1900年以來,震中附近50 km范圍內發生過2次6.0級以上地震,最大震級為本次地震;震中附近100 km范圍內發生過4次6.0 級以上地震,最大震級為本次地震;震中200 km范圍內發生過19次6.0級以上地震,最大震級為1955-04-14康定7.5級地震;震中300 km范圍內發生過3次7.0 級以上震級,最大地震為2008-05-12汶川8.0級地震,距當前地震約200 km。在時間上,距離此次地震最近的是2022-06-01雅安市蘆山6.1級地震,距離當前地震約125 km。

2 地震分布及斷層活動性

2013年以來,鮮水河斷裂帶南東段共發生3.0級以上地震40余次,小震活躍,尤其是在瀘定地震發生后,72 h內接連發生16次3.0級及以上余震,其中最大的為距瀘定約80 km的石棉MS4.5地震。通過中小震群的分布(圖2)可以看出,震群主要沿鮮水河斷裂分布,走向近NNW-SSE向;在震中北側、南側以及西側分別形成3個震群帶(圖中虛線框),除震中西側的震群沿垂直于斷層方向展布外,其他震群基本平行于斷層方向。震群密集處主要集中在斷裂帶西側,這與鮮水河南東段的深部介質條件密切相關,該斷裂兩側上地殼物質存在顯著的橫向介質差異。磨西段屬于鮮水河斷裂南東段的低速區,位于龍門山斷裂南端及安寧河斷裂冕寧以北段交會部位的“三岔口”地區,隨著青藏高原東緣向南東方向不斷移動,加上強烈隆升的貢嘎山塊體不斷擠壓控制了該低速區的西向展布范圍。斷塊邊界斷裂差異性運動,受到四川盆地西緣邊界剛性塊體的阻擋,鮮水河斷裂在該段向南偏轉,由左旋水平剪切運動在轉折部位轉化為擠壓運動而導致深部介質內部產生強烈的應力積累,所積累的應力突破一定的界限導致瀘定地震的發生。

圖2 瀘定地震周邊中小震群展布Fig.2 Distribution of small and medium seismic clusters around the Luding earthquake

為進一步精細描述發震斷層的形態變化,了解發震斷層的震源閉鎖深度,在瀘定地震震中的西側、南側和北側劃出3個小震群帶,進行震源深度分析(圖3)。依據震群分布特征對距離震中西側25 km范圍內的震源深度進行分析(圖3(b))。可以看出,震源深度主要集中在10～15 km范圍內,且分布相對比較集中;震中南側距震中距約為50～100 km范圍,震級在3.5級以下時分布比較集中,震級介于3.5～4.5之間的地震震源深度比較分散(圖3(c)),在10～20 km左右;除震中西側和南側震群外,在斷層靠近北側康定段有稀疏的震群分布(圖3(a)),震源深度在4～12 km范圍內,隨著震中距的增加,震源深度逐漸減小。分析認為,震群展布特征與上地殼物質特性有關,四川盆地西緣的瀘定-雅安地區其上地殼物質比較堅硬,而松潘-甘孜塊體的地殼物質比較軟弱,鮮水河斷裂帶南東段特有的視密度和視磁化異常也反映了康定地區東、西兩側的基底性質存在明顯差異[5],該地區的地震活動趨勢和地震危險性值得進一步關注。

圖3 瀘定地震周邊震群震源深度分布Fig.3 Source depth distribution of the earthquakes around the Luding earthquake

3 瀘定地震GNSS速度結構特征

3.1 GNSS水平速度場分析

地震發生后,中國地震局迅速啟動地震應急響應機制,對震中及周邊地區開展GNSS應急觀測。本文挑選了川滇地區2009～2015年和2015～2022年2期GNSS觀測數據,數據來源為中國地殼運動觀測網絡、中國大陸構造環境監測網絡、中國大陸綜合地球物理場觀測的部分資料,數據處理采用GMAIT/GLOBK 10.70軟件,最終獲得ITRF2014框架下川滇地區鮮水河斷裂帶南東段約60個站點的GNSS水平速度場(圖4)。在數據處理中,為了削弱或者盡可能消除2013年蘆山7.0級地震和2014年康定6.3級地震同震位移對速度場的影響,在進行GLOBK融合解算時,對2次地震產生顯著影響的站點施加等速度約束,即約束地震前后的GNSS速度保持一致,該處理方法可以有效去除同震及震后3 a的影響[16]。結果顯示,2期數據均表現出鮮水河斷裂帶南東段震中附近有左旋走滑運動趨勢,走滑速率約為10 mm/a,而鮮水河斷裂北部甘孜-爐霍段2009～2015年相對于2015～2022年水平運動速度變化明顯,速率方向由NE向轉向近NNE向,數值也有所增加,最大變化量達15 mm/a,形成一個速率高值區。但這個高值區與瀘定地震距離較遠,相關性較弱,對瀘定地震產生的機理進行解釋還需要積累更長時間的觀測資料。

圖4 GNSS水平速度場Fig.4 GNSS horizontal velocity field

3.2 GNSS應變率場分析

應變率場受參考框架影響較小,能反映不同測點之間的相對運動情況,并且在一定程度上與地震危險性存在聯系[17]。基于水平速度場,采用最小二乘球面配置方法[16]計算震源區及周邊區域應變率場。此方法穩定性好、抗差性較強,在計算過程中通過獲得GNSS觀測速度信號的協方差函數,構建速度場連續分布函數模型,最終給出待定點的應變率[16]。GNSS數據的協方差參數結果見圖5,擬合函數為F(d)=Ae-k2d2,其中,F(d)為協方差值,A、k為待定參數,d為測點間的距離。圖5中的C(d)為GNSS測站間的協方差值,可以看出,GNSS速度場協方差值與函數具有較高的擬合度。

圖5 協方差函數擬合結果Fig.5 Covariance function fitting results

圖6和圖7給出震源區及周邊區域最大剪應變率和面應變率分布結果。圖6顯示,鮮水河斷裂帶南東段表現出較強的剪切變形特征,最大剪切應變區域呈現出條帶形狀分布,一邊是川滇塊體的東邊界,一邊是地塊穩定的華南塊體,瀘定地震發生在兩個剪切應變高值區的中間部位。2015～2022年的最大剪應變在爐霍段、道孚段發生動態調整,最大剪切應變積累速率從5.5×10-8/a下降到3.2×10-8/a。南東段磨西段存在剪切應變積累,受汶川等強震的影響,具有較高的閉鎖程度,長期以來一直處于高值區,未來具有較高的強震危險性。

圖7 2期面應變率結果Fig.7 Surface strain rate results for two periods

圖7為鮮水河斷裂南東段面應變場,從面應變的擠壓和拉張范圍來看,川滇菱形塊體是以拉張為主的方式積累應變能,而華南塊體四川盆地則是擠壓占主導作用,說明青藏高原向北運動受到穩定的鄂爾多斯及華南塊體的阻擋,同時受到龍門山斷裂帶逆沖運動的影響,四川盆地的擠壓作用體現得更為明顯。從2009～2015年的面應變率結果可以看出,在近垂直于鮮水河斷裂的NE向上存在2個以拉張為主的高值區,其中北側的高值區可能與汶川8.0級地震后龍門山斷裂帶卸載作用以及巴顏喀拉塊體整體EES向滑動有關,汶川特大地震發生后青藏高原和華南塊體之間的相對運動產生的地震能量的釋放和震后能量調整在地殼形變上有所反映,這與前人研究結果較為一致[18]。2015～2022年的面應變結果反映出龍門山斷裂帶的拉張高值區有所減弱,且合并為一個高值區并有向WS向運動的趨勢。汶川地震龍門山斷裂帶南段應變能不斷釋放,間接地沖擊鮮水河斷裂帶的南東段,推測這也是2008年后鮮水河斷裂帶上小震群頻發的主要原因。鮮水河斷裂帶南東段NE側的剛性塊體面壓縮量值較大,瀘定地震所處的地區仍然處于高值區的邊緣。

上述結果表明,鮮水河斷裂帶南東段現今仍具有較高的斷層運動學特征,認為是在川滇地塊整體順時針旋轉運動的背景下,內部次級地塊運動與變形局部差異性的真實反映[19-20],也是該斷裂帶強震頻發的主要原因。

4 結 語

本文針對鮮水河斷裂帶南東段的歷史地震活動性和中小震群展布特征進行分析,利用GNSS觀測數據給出2022年瀘定6.8級地震震源區及周邊區域的速度場、應變率場,識別了此次地震震前的變形特征,得出如下結論:

1)鮮水河斷裂表現出北西向運動強烈,至南東向逐漸減緩。南東段受強烈隆升的貢嘎山塊體的不斷擠壓和四川盆地西緣邊界剛性塊體的阻擋,左旋水平剪切運動在轉折部位轉化為擠壓運動,產生強烈的應力積累,是誘發瀘定地震的重要原因。

2)GNSS速度場和應變率場結果表明,鮮水河斷裂帶南東段存在最大剪切應變積累,在磨西和石棉段具有較高的斷層閉鎖程度。面應變結果反映出川滇菱形塊體以拉張為主的方式積累應變能,該斷裂持續處于應變積累高值區的邊緣,斷裂處小震頻發,表明鮮水河斷裂帶南東段現今仍具有較高的斷層運動學特征,其地震活動趨勢和地震危險性背景值需進一步關注和研究。

致謝：感謝占偉研究員對論文的建議。