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青藏高原东缘构造活动整体加速与2013~2014年强震成组活跃关联分析

张希 唐红涛 李瑞莎 贾鹏

张希, 唐红涛, 李瑞莎, 贾鹏. 青藏高原东缘构造活动整体加速与2013~2014年强震成组活跃关联分析[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2017, 42(7): 975-981. doi: 10.13203/j.whugis20150058
引用本文: 张希, 唐红涛, 李瑞莎, 贾鹏. 青藏高原东缘构造活动整体加速与2013~2014年强震成组活跃关联分析[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2017, 42(7): 975-981. doi: 10.13203/j.whugis20150058
ZHANG Xi, TANG Hongtao, LI Ruisha, JIA Peng. Analysis on the Relationship Between Overall Acceleration of Tectonic Activities and Group Strong Earthquakes During 2013~2014 at the Eastern Margin of Qinghai-Tibet Plateau[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(7): 975-981. doi: 10.13203/j.whugis20150058
Citation: ZHANG Xi, TANG Hongtao, LI Ruisha, JIA Peng. Analysis on the Relationship Between Overall Acceleration of Tectonic Activities and Group Strong Earthquakes During 2013~2014 at the Eastern Margin of Qinghai-Tibet Plateau[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(7): 975-981. doi: 10.13203/j.whugis20150058

青藏高原东缘构造活动整体加速与2013~2014年强震成组活跃关联分析

doi: 10.13203/j.whugis20150058
基金项目: 

陕西省自然科学基础研究计划 2014JM2-4039

详细信息
    作者简介:

    张希, 研究员, 从事地壳形变与地球动力学研究。zhgx_ivy@sina.com

  • 中图分类号: P223

Analysis on the Relationship Between Overall Acceleration of Tectonic Activities and Group Strong Earthquakes During 2013~2014 at the Eastern Margin of Qinghai-Tibet Plateau

Funds: 

The Shaanxi Natural Science Foundation Research Project 2014JM2-4039

More Information
    Author Bio:

    ZHANG Xi, researcher, specializes in crustal deformation and geodynamics. E-mail:zhgx_ivy@sina.com

图(5) / 表(1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-03-06
  • 刊出日期:  2017-07-05

青藏高原东缘构造活动整体加速与2013~2014年强震成组活跃关联分析

doi: 10.13203/j.whugis20150058
    基金项目:

    陕西省自然科学基础研究计划 2014JM2-4039

    作者简介:

    张希, 研究员, 从事地壳形变与地球动力学研究。zhgx_ivy@sina.com

  • 中图分类号: P223

摘要: 利用截止2014年底全国主要构造区跨断层流动形变资料,通过断层形变异常时空演变分析、特征强度指标计算,参考GPS速度场结果,寻找与2013~2014年青藏高原东缘芦山、岷县漳县、鲁甸、景谷Ms6.5~7.0级强震成组活跃可能有关的大区域构造活动变化背景及短期前兆异常。结果表明,2013~2014年强震成组活跃很可能与2010年以来青藏高原东缘构造活动整体性加速有关;位于测区内的芦山Ms7.0级和岷县漳县Ms6.6级地震,短期前兆异常显著;而位于测区外围的鲁甸Ms6.5级和景谷Ms6.6级地震,短期前兆异常相对偏弱。

English Abstract

张希, 唐红涛, 李瑞莎, 贾鹏. 青藏高原东缘构造活动整体加速与2013~2014年强震成组活跃关联分析[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2017, 42(7): 975-981. doi: 10.13203/j.whugis20150058
引用本文: 张希, 唐红涛, 李瑞莎, 贾鹏. 青藏高原东缘构造活动整体加速与2013~2014年强震成组活跃关联分析[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2017, 42(7): 975-981. doi: 10.13203/j.whugis20150058
ZHANG Xi, TANG Hongtao, LI Ruisha, JIA Peng. Analysis on the Relationship Between Overall Acceleration of Tectonic Activities and Group Strong Earthquakes During 2013~2014 at the Eastern Margin of Qinghai-Tibet Plateau[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(7): 975-981. doi: 10.13203/j.whugis20150058
Citation: ZHANG Xi, TANG Hongtao, LI Ruisha, JIA Peng. Analysis on the Relationship Between Overall Acceleration of Tectonic Activities and Group Strong Earthquakes During 2013~2014 at the Eastern Margin of Qinghai-Tibet Plateau[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(7): 975-981. doi: 10.13203/j.whugis20150058
  • 青藏高原东缘由北至南分布有海原-六盘山断裂、西秦岭构造、龙门山断裂、鲜水河-安宁河-则木河-小江断裂、曲江断裂、红河断裂、程海断裂、剑川断裂等(图 1(a)),跨断层流动水准或基线场地密集,测线一般数十至数百米;北段2或4个月、中南段1或2个月观测一期。其观测值时序变化及各场地形成的网络,能在一定程度上反映构造活动正逆断、左右旋时空动态变化[1, 2]

    图  1  全国主要构造区断层形变显著异常动态分布

    Figure 1.  Dynamic Distribution of Obvious Fault Deformation Anomalies at Main Tectonic Regions in China

    2008年青藏高原东缘发生汶川Ms8.0大地震[3, 4],之后至2013年初近5 a里,除测区外2010年玉树Ms7.1级地震(距最近的跨断层场地约377 km),跨断层形变测区内Ms6.5以上地震平静。2013-04-20~2014-10-07短短1年半里青藏高原东缘全段,从中段到北段、再至南段,测区及其边缘附近连续发生2013-04-20四川芦山Ms7.0和7月22日甘肃岷县漳县Ms6.6、2014-08-03川滇交界东部鲁甸Ms6.5和10-07云南景谷Ms6.6四次Ms6.5~Ms7.0强震。车兆宏等[5]认为一个地震带的成组强震活动具有统一的构造动力背景和相互关联的整体性孕震过程,跨断层场地可能观测到群体性异常。青藏高原东缘属大地块边界,其构造动力来自青藏高原壳幔物质东流和相对稳定的鄂尔多斯、华南地块阻挡,断裂间存在直接或间接构造关联[4, 6-8]。学者们比较关心2013~2014年强震成组活跃是否与地块边界构造活动“场”的变化有关。以往对跨断层形变资料的研究多以一、两次地震,震区及周边相关构造区为研究对象,分析观测曲线[1, 2, 9]或提炼指标[10-11]来寻找震前中-短期前兆异常;部分文献研究范围稍大[10-13]

    跨断层形变观测曲线形态与异常特征各异,具有不同的意义。在排除环境、人为等干扰因素的情况下,有的曲线大部分时段呈稳定趋势性上升或下降变化,某些时段上升或下降速度加快,可称为趋势加速异常;有的则出现上升转下降或下降转上升的阶段性趋势方向的改变,称为趋势转折异常;有的出现突跳之后又回返,形成尖点或凹凸形突跳异常;有的在某些时段波动跳变显著增强或减弱。持续较长时间的趋势加速、变幅加剧(波动跳变加剧但总体趋势方向未变)或趋势转折可在一定程度上反映断层活动加速或者正逆断等活动特性的阶段性改变;尖点或凹凸形突跳异常可能反映断层活动稳定性变差;若以往呈长期趋势性上升或下降变化,某些时段趋势方向转为近水平方向或变幅大大低于正常水平,不排除断层活动相对闭锁可能[1-2, 9-13]。由于各场地独立观测、环境各异,即使能排除非构造因素干扰,单个场地异常出现仍具随机性;若构造区多处场地异常特性相似、时间接近,则相对可靠[2, 5, 9-13];若大的地块边界较多场地出现持续时间较久、变幅显著、时间基本同步、特性相似的群体性异常变化,就可能反映出大区域构造活动整体性或者说“场”的变化。

    本文针对2013~2014年Ms6.5~Ms7强震四连发的成组活跃状况,从较大尺度范围构造活动时空演变的角度分析研究。选择全国主要构造区即青藏高原北-东缘及华北,资料积累15 a以上、截至2014年底,观测质量较好的160多处、水准与基线综合场地跨断层测段的观测数据,首次给出近十几年每年的显著异常时空动态分布。这里的显著异常首先排除了环境、人为等干扰因素,定义为相对长期或之前多年变化方向、特性、大概范围,持续至少半年的趋势加速或变幅加剧、趋势转折、尖点或凸凹形突跳、趋势转平或大幅减弱;结合特征强度指标、GPS观测反映的块体与断层活动信息,寻找与这组强震活动可能有关的块体边界大区域构造活动整体变化背景及短期前兆异常。

    • 图 1为近十几年每年的相对显著异常时空动态分布图(限于篇幅,图 1只展示2009~2012年动态变化;图中的大加速、转折标注表示新异常开始,随后小标注反映持续性;大尖点表示显著尖点突跳、小尖点则程度稍弱;大圆圈表示强闭锁、小圆圈则闭锁程度稍弱)。2010年相对2009年,全国主要构造区加速或变幅加剧异常增多,但分布并不均匀。青藏高原北缘祁连山断裂仅出现1处、华北地区加速或变幅加剧异常也未占其异常总数的半数以上,只有青藏高原东缘及其附近相对集中和明显。结合图 2显示的异常个数时序变化来看,2010年青藏高原东缘有18处加速或变幅加剧异常,分别是2009年6处、2001~2009年最高9处和年均4.6处该类异常的3倍、2倍和3.9倍,比2010年其他3类异常的总数11处还多;其中16处加速或变幅加剧异常玉树Ms7.1震后出现(图 1(b))。

      图  2  青藏高原东缘断层形变各类异常年频次时序变化

      Figure 2.  Time-variation of Number of Fault Deformation Anomalies for Every Year at the Eastern Margin of Qinghai-Tibet Plateau

      青藏高原东缘是大地块边界,受印度板块碰撞推挤欧亚板块为主,兼太平洋、菲律宾、缅甸等板块一定程度俯冲阻挡的大的外部动力环境影响;更为直接的构造动力来自青藏高原壳幔物质东流和相对稳定的鄂尔多斯、华南地块阻挡,断裂间存在直接或间接构造关联[4, 6-8]。2010年断层形变加速变化集中增多的状况是客观存在的观测事实,可能反映大区域构造活动整体性加速为主的变化。

      随后的2011~2014年,图 1图 2显示加速或变幅加剧异常仍维持13~20处(平均15.8处)的高值,其他类型异常却没有这样突出的增多特征。图 2中转折异常仅在昆仑山口西Ms8.1震后1 a、汶川震前2 a和发震当年超过加速类异常个数,前者显示Ms8.1震后构造活动调整变化,后者在一定程度上反映了汶川Ms8.0震前震区周边大范围区域转折为主的群体性异常[11];尖点或凹凸形异常在Ms7.0、Ms6.6地震连发的2013年明显增多,其观测曲线主要显示震前短期突跳与震后回返恢复特性;转平类异常2008年起虽有所增多,但年均5处,仅占场地总数的8%。故2010~2014年青藏块体东缘加速或变幅加剧异常集中、持续、增多,较其他类型异常明显占优势。

      图 3为青藏块体东缘2010~2012年呈显著趋势加速或变幅剧增的部分观测曲线,异常变幅之大或持续之久,远超以往正常变化范围。综合异常数量、幅度与持续时间,青藏块体东缘自2010年起,之后数年大体维持的构造活动加速为主的变化比较突出。该区之外,图 1显示华北地区2011~2012年出现转折变化增多且超过异常半数的新情况,青藏块体北-东缘2012年转折异常虽增多但远达不到优势分布特性,2011-03-11日本Ms9.0巨震对华北地区构造活动可能有减缓、调整为主的影响;却没有改变青藏块体东缘近几年加速为主的构造活动总体态势。

      图  3  青藏高原东缘2010~2012年出现显著趋势加速或变幅剧增的部分观测曲线

      Figure 3.  Partial Observation Curves with Obvious Accelerating During 2010-2012 at the Eastern Margin of Qinghai-Tibet Plateau

    • 鉴于跨断层场地分散、活动水平各异,图 1~图 3没有反映出青藏高原东缘所有场地(异常、非异常场地)观测所得构造活动整体性定量变化。本文提炼特征强度指标[13],既突出观测曲线变化的趋势性(曲线向上表示与长期趋势背景一致的变化,向下为反向变化),又兼顾资料的稳定性。

      图 4即为青藏高原东缘断层形变特征强度指标曲线(1990年以后资料连续性好, 只标注Ms6.5以上相关震例),图中有2条水平虚线,上面的是正的特征强度均值的1.3倍,下面的是负的特征强度均值的1.3倍,即视超过均值的30%为异常(蓝色标注与趋势背景一致的加速异常、红色标注反向即转折性异常)。分析认为:① 1995~1996年青藏高原东缘强震活跃,接连发生武定Ms6.5和丽江Ms7.0等强震,震前的1993~1995年趋势加速异常显著且持续,震后恢复低值状态;2000年发生姚安Ms6.5地震,震级与频次都弱于1995~1996年,震前特征强度仅稍微增强;2001年测区以西约千公里处昆仑山口西Ms8.1震前特征强度也不高,只在震后出现反向转折, 反映震后构造活动调整,之后恢复。总体上1996~2005年的10 a间特征强度总体偏弱,2006年开始增强,至2008年初出现超出临界线的先趋势加速、后反向转折, 汶川震前再转为趋势加速的异常变化过程,震后趋势加速异常维持一段时间后消失;2010年玉树Ms7.1震后至2012年再次出现与1993~1995年相似的显著、持续性趋势加速异常,异常幅度明显大于汶川Ms8.0大震前后,是1996年至今近20 a来最突出的异常;2013年Ms7.0、Ms6.6强震连发后特征强度虽减弱,但2014年仍出现趋势加速新变化,异常并未结束。

      图  4  青藏高原东缘断层形变特征强度时序变化

      Figure 4.  Time-variation Curve of Features Intensity of Fault Deformation at the Eastern Margin of Qinghai-Tibet Plateau

    • 大规模GPS连续站2011年后才积累数据,以往站点少,佐证意义不足;GPS区域网(观测周期1~3 a、站间距最短数公里)与跨断层流动场地(观测周期数月、测线大多数百米)时空尺度差异较大,由海原、六盘山、西秦岭北缘、临潭-宕昌、鲜水河、安宁河、则木河、小江、曲江、红河、程海等断裂两侧各扩展100 km计算所得GPS差异运动速度值(具体数值略)显示正逆断或左右旋特性在大部分断裂上与跨断层短测线观测结果一致;相对1999~2007年长期相对稳定背景场,2009~2011年或2011~2013年断裂活动特性维持而总错动量增大的占大多数;蒋锋云等[14]采用郑文俊等的GPS速度场处理结果[15],认为2009~2013年相对1999~2007年青藏块体东缘由北至南相对欧亚板块近NEE-E-ES向水平运动加速,多数构造区张压差异与剪切应变率增强, 与以往背景特性一致。

    • 上述分析表明大约2010年以来青藏高原东缘构造活动总体加速。若推测其可能成因,首先考虑印度板块推挤是否增强。本文利用GPS速度场资料计算了印度板块推挤边界拉萨-羌塘地块[7]2009~2011年东向与北向平均运动速率,分别为14.0 mm/a、13.4 mm/a,1999~2007年东向与北向速率分别为13.9 mm/a、12.2 mm/a,2009~2011年北向速率略微加快,增幅不大;而同样受印度板块推挤影响的青藏高原北缘祁连山-海原构造区跨断层场地也没有观测到大规模的断层活动加速现象。其次,对于是否源自青藏高原壳幔物质东流加速,表 1给出GPS速度场资料计算所得青藏高原东缘各地块各时段的东向、北向运动分量,显示2009~2013年相对1999~2007年各地块东向运动都明显加速,中-南段2009~2011年即开始,北段加速程度不高,2011年以后才大幅加速,时间稍迟;蒋锋云等[14]采用郑文俊等的速度场处理结果[15]绘制相对欧亚板块速度矢量,却显示2009~2011年青藏块体东缘由北至南NEE-E-ES向运动都加速,考虑到不同人处理GPS资料存在差异,至少反映近几年青藏高原物质东流可能出现一个加速过程,与跨断层流动形变观测结果基本相符。2010年玉树地震应在此物质东流加速导致的构造活动增强过程中发生;鉴于该左旋错动地震所在玉树断裂与川滇菱形地块北界的鲜水河断裂相连,玉树地震发生同时也对川滇菱形地块东南向运动产生后续的促进影响[16, 17](GPS资料显示川滇菱形地块明显东南向加速运动[14, 17];2010~2011年鲜水河断裂包括图 5(a)所示的虚墟(B-A)等数处场地基线观测也显示左旋加速)。这也可以解释青藏高原东缘大范围区域出现显著断层形变增强为主的异常,南段异常数量、变化幅度比北段明显的观测事实。

      表 1  青藏高原东缘各时段块体GPS运动速率/(mm·a-1)

      Table 1.  GPS Movement Velocity of Blocks for Different Period at the Eastern Margin of Qinghai-Tibetan Plateau/(mm·a-1)

      块体 时段 东向速率 北向速率 合成速率
      川滇菱形地块 1999~2007
      2009~2011
      2011~2013
      6.6
      9.3
      9.2
      -11.7
      -10.9
      -10.4
      13.4
      14.4
      13.9
      巴颜喀拉地块东部 1999~2007
      2009~2011
      2011~2013
      11.3
      16.6
      15.2
      -3.4
      -3.3
      -1.5
      11.8
      16.9
      15.3
      甘南地块 1999~2007
      2009~2011
      2011~2013
      7.7
      7.9
      10.0
      -1.3
      -0.9
      -0.7
      7.8
      8.0
      10.1
      兰州地块 1999~2007
      2009~2011
      2011~2013
      7.9
      8.1
      9.8
      -1.6
      -0.8
      -0.2
      8.0
      8.2
      9.8
      注:东、北向运动为正值,西、南向运动为负值;甘南地块指图 1中甘肃南部的西秦岭北缘断裂以南至甘川交界的东昆仑构造延伸带,兰州地块为甘肃及与宁、陕交界的海原-六盘山断裂以南至西秦岭北缘断裂间的区域。

      图  5  芦山等成组地震前短期异常观测曲线

      Figure 5.  Observation Curve of Short-term Anomalies Before Group Earthquakes Containing the Lushan Earthquake

    • 据以往研究,大震或强震成组活跃前1~2 a甚至更长时间可能观测到大范围、显著、开始时间接近、特性相似的断层形变群体性异常,如1995~1996年青藏高原东缘的北段永登Ms5.8、南段武定Ms6.5和丽江Ms7.0地震连发,之前3年跨断层形变就开始增强(图 4);而图 4显示2010~2012年趋势加速异常幅度之大、持续之久并不弱于武定和丽江等地震前,是近20年来最突出的。车兆宏等[5]认为强震成组活动的孕育过程具有相互关联的整体性;张培震等[7]认为活动地块边界带构造变形的非连续性有利于应力的高度积累而孕育强震,同属高级别地块内的次级地块活动还具有一定的统一协调性;江在森等[18]认为大地震孕育涉及更大的时间和空间范围。

      综上所述,2010年以来青藏高原东缘跨断层群体异常可能反映高原物质东流的构造活动增强过程,2013~2014年强震成组活跃与此有关(应力应变积累加速,达到或接近临界值的孕震断层发震)。

    • 强震发生前跨断层形变不仅可能观测到持续较久的背景性异常,震前数月内还可能出现新的加速、突跳或转折等短期前兆,尤其震区附近,反映应力应变状态变化、断层预滑或其扰动影响[19]。2013年两次强震发生在测区内部,短期前兆明显(图 2显示当年尖点异常较多)。与龙门山断裂相邻的鲜水河断裂2013年1~3月异常剧增,侏倭、沟普、虚墟、龙灯坝、老乾宁等5处场地出现显著、持续压性变化,震后拉张回返形成尖点[9, 10](图 5(a)等,震中距100多至200多公里),对04-20芦山Ms7.0级地震有群体性短期前兆反映;07-22岷县漳县Ms6.6震前数月,西秦岭构造区加速异常进一步增多(图略),距震中数十公里的四店、毛羽沟场地震前数天观测到显著突跳性前兆(图 3(c)图 5(b))。2014年鲁甸、景谷两次强震都发生在测区外围,短期前兆相对偏弱,仅反映扰动影响,如距鲁甸最近(约54 km)的新汤家坪场地在该次地震前后出现逆断加速-转折异常(图 5(c),资料积累时间虽短,但经四川省地震局现场核实,未发现非构造因素干扰,异常可靠);景谷震前距其较近、约200 km的石屏(图 5(d))等场地出现新的加速突跳。

      尽管2013~2014年青藏高原东缘已发生4次Ms6.5~Ms7强震,但图 2显示2014年加速异常仍有20处, 转折异常较少;2010~2012年出现的趋势加速或变幅加剧异常中的大多数仍维持(图 3图 4图 5(d)),青藏块体东缘或其附近仍存在有利于大震发生或强震活跃的异常背景。

参考文献 (19)

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