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川滇地区近期地壳变形动态特征研究

朱爽 杨国华 刘辛中 党学会

朱爽, 杨国华, 刘辛中, 党学会. 川滇地区近期地壳变形动态特征研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(12): 1765-1772. doi: 10.13203/j.whugis20150416
引用本文: 朱爽, 杨国华, 刘辛中, 党学会. 川滇地区近期地壳变形动态特征研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(12): 1765-1772. doi: 10.13203/j.whugis20150416
ZHU Shuang, YANG Guohua, LIU Xinzhong, DANG Xuehui. The Deformation Characteristics of Sichuan-Yunnan Region in Recent Period[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(12): 1765-1772. doi: 10.13203/j.whugis20150416
Citation: ZHU Shuang, YANG Guohua, LIU Xinzhong, DANG Xuehui. The Deformation Characteristics of Sichuan-Yunnan Region in Recent Period[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(12): 1765-1772. doi: 10.13203/j.whugis20150416

川滇地区近期地壳变形动态特征研究

doi: 10.13203/j.whugis20150416
基金项目: 

地震行业专项 201508010

科技部科技基础性工作专项 2015FY210400

地震科技星火计划 XH15061Y

详细信息
    作者简介:

    朱爽, 硕士, 主要从事GNSS数据分析及地球动力学研究。44ksks@163.com

  • 中图分类号: P228.42;P223

The Deformation Characteristics of Sichuan-Yunnan Region in Recent Period

Funds: 

Earthquake Industry Research Projects 201508010

Special Science and Technology Foundation of the Ministry of Science and Technology 2015FY210400

Science for Earthquake Resilience XH15061Y

More Information
    Author Bio:

    ZHU Shuang, master, specializes in GNSS data analysis and geodynamics research.E-mail: 44ksks@163.com

图(5) / 表(1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-03-02
  • 刊出日期:  2017-12-05

川滇地区近期地壳变形动态特征研究

doi: 10.13203/j.whugis20150416
    基金项目:

    地震行业专项 201508010

    科技部科技基础性工作专项 2015FY210400

    地震科技星火计划 XH15061Y

    作者简介:

    朱爽, 硕士, 主要从事GNSS数据分析及地球动力学研究。44ksks@163.com

  • 中图分类号: P228.42;P223

摘要: 基于1999年以来的GPS观测数据,重点分析了川滇地区近期的变形特征,计算给出了该区域主要断裂带的滑动速率,并结合GPS剖面初步识别了断裂带所处的孕震阶段。结果表明,红河断裂带始终处于弱形变区域,值得进一步关注;汶川地震后,由于研究区域应力场的调整和应变的重新分配,使得安宁河断裂带的活动变化较小,逐步趋缓,走滑分量存在明显趋缓现象,并且安宁河断裂带的闭锁深度在一定程度上有所增加;小江断裂带的走滑分量存在明显趋缓现象,显示存在强闭锁现象,小江断裂带平行于断层方向GPS速度剖面显示断裂带两侧变形平缓且变形范围较大;昭通、莲峰断裂的挤压和剪切变形积累均存在弱化现象,可能预示该区域挤压应变积累背景较高。

English Abstract

朱爽, 杨国华, 刘辛中, 党学会. 川滇地区近期地壳变形动态特征研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(12): 1765-1772. doi: 10.13203/j.whugis20150416
引用本文: 朱爽, 杨国华, 刘辛中, 党学会. 川滇地区近期地壳变形动态特征研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(12): 1765-1772. doi: 10.13203/j.whugis20150416
ZHU Shuang, YANG Guohua, LIU Xinzhong, DANG Xuehui. The Deformation Characteristics of Sichuan-Yunnan Region in Recent Period[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(12): 1765-1772. doi: 10.13203/j.whugis20150416
Citation: ZHU Shuang, YANG Guohua, LIU Xinzhong, DANG Xuehui. The Deformation Characteristics of Sichuan-Yunnan Region in Recent Period[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(12): 1765-1772. doi: 10.13203/j.whugis20150416
  • 以GPS为代表的空间观测技术的发展为地壳变形研究提供了高精度、大尺度和统一参考框架的地表位移数据,为研究地球动力学问题提供了数据支撑。由于GPS速度场可以清晰展现地壳变形空间分布特征,因而被广泛应用于地学研究中[1, 2]。川滇地区地处青藏高原东缘,一直是地学研究的热点区域。乔学军等将川滇地区分为9个次级活动块体,计算了各个活动块体的欧拉旋转矢量和主要活动断裂的运动速度,并分析了该地区的应变场特征[3]。丁开华等分别利用刚体运动模型、块体运动和形变模型反演了川滇地区内各活动块体的现今地壳运动和变形参数,并进一步对上述两种模型进行了辨识[4]。魏文薪等利用块体刚体旋转模型、块体整体旋转与均匀应变模型及块体整体旋转与线性应变模型求得各断裂带的平均滑动速率,并给出了川滇地区断裂带的近场滑动速率[5]。赵静等采用DEFNODE负位错反演程序估算了大凉山次级块体周边断层在汶川地震前后的断层闭锁程度和滑动亏损空间分布动态变化特征[6]。方颖等利用最小二乘配置、主成分分析、非线性回归等方法分析了川滇地区的地壳变形特征[7]。上述研究大多从单个方面分析川滇地区的形变特征,以及部分断裂带的单期滑动速率,本文在总结前人研究成果的基础上,通过两期GPS形变场分析、两期断裂带滑动速率分析、两期GPS剖面分析等3个方面,综合多种变形结果对川滇地区的地壳变形特征开展针对性研究。

    川滇地区作为我国强震密集带和地震断层交织带[8],地震强度大、频度高。这些大地震的发生,对川滇菱形块体的运动产生深远影响,块体边界及内部多条断裂带的活动特征也将有所调整,值得进一步关注。本文利用1999年以来的GPS观测数据,经过统一处理并扣除研究区域典型强震影响,获取了稳定、可靠的GPS时间序列及速度场结果。在此基础上,对川滇地区近期的变形特征进行了速度场分析和应变率分析, 并利用块体模型分析了安宁河、则木河、大凉山、莲峰、昭通鲁甸、小江、丽江小金河、程海、红河断裂带的滑动速率,也分析了典型断裂带的GPS剖面,获取了川滇地区地壳变形的动态运动特征,进一步解释汶川、芦山等地震后川滇菱形块体的运动情况。

    • 首先,利用GAMIT/GLOBK软件进行解算,得到测站坐标及卫星轨道的单日松弛解[9]。然后,利用QOCA软件对上述多个单日松弛解进行整体平差,选取分布于全球的47个GPS测站作为框架点,经过平差计算得到ITRF2005框架下的速度场。其中,1999~2007年速度场结果用到了1999、2001、2004、2007年等4期陆态网观测资料(每期约有1 000测站,每个测站每期观测4 d以上);2009~2013年速度场结果用到了2009、2011、2013年观测资料。在解算过程中, 为了减小2013年4月20日芦山7.0级地震的影响,先利用GPS连续观测数据计算得到了该地震引起的同震位移,在求解速度场时扣除了上述同震影响。

    • 根据求解得到的ITRF2005下的中国大陆速度场结果,利用块体旋转得到了基于中国大陆整体区域无旋转基准下的速度场。图 1给出了研究区域的两期速度场结果,其中,黑色为1999~2007年结果,红色为2009~2013年结果。图 1中4个矩形为文中分析所用的4个剖面分布图。从图 1中可以看出,两期的速度场整体方向一致,受到印藏碰撞引起的北北东向推挤和高原隆升引起的重力势能作用, 造成青藏高原物质东向挤出,遇到来自稳定华南块体的阻挡后,使得川滇地区围绕喜马拉雅东构造作顺时针转动[10],北部以东南向为主,南部由东南向逐渐转为南向,研究区域西南部出现部分测站以西南向运动为主;两期的速率变化有序,在数值大小上略有不同,相比1999~2007速度场结果,新一期的速度场在东北区域的东向运动有所增强,该结果与蒋锋云等的研究结果具有一致性[11]

      图  1  川滇地区速度场结果

      Figure 1.  Velocity Field in Sichuan-Yunnan Region

      由于川滇地区GPS测点分布较密,相对于中国大陆的整体结果,局部区域的应变率分布具有更高的分辨率[12, 13]。本文利用最小二乘配置球面应变率计算方法计算研究区域的应变率场[14]图 2给出了川滇地区东西向GPS应变率场演化结果,图 2(a)2(b)中等值线及颜色填充为东西向应变率结果, 箭头矢量为主应变率结果;图 2(c)2(d)中等值线及颜色填充为最大剪应变率结果, 箭头矢量为主应变率结果。结果显示川滇交界东部的安宁河-则木河-小江断裂带北段的东西向挤压变形明显增强,分别表明汶川地震后川滇菱形地块北部偏东地区的东向运动有所增强,有利于该区构造应力积累。另外,主应变率结果显示红河断裂带中段处于弱变形区。

      图  2  GPS应变率场结果

      Figure 2.  GPS Strain Rate Tiled

      考虑到川滇地区的断层以剪切运动为主,图 2给出了最大剪应变率结果。结果显示,川滇地区的剪切变形存在弱化现象,表现为2009~2013年相对于1999~2007年最大剪应变高值区分布宽度有所减小。上述应变率结果表明汶川、玉树地震后川滇块体北部东向运动有所加强,导致剪切变形减缓。

    • 为了定量分析研究区域主要断裂带滑动速率结果,基于图 1结果进行分析[15]。具体处理流程为:①根据研究区域断裂带的分布,将断裂带两侧划分为两个块体;②依据每个块体内GPS速度结果计算块体欧拉参数;③利用这些参数计算块体边界(断层)上指定点的速度值,并求取速度差;④通过投影计算得到平行于(垂直于)断层的速度结果,得到断裂带滑动速率。利用块体内部采样点的原始值与利用参数得到的估计值相减得到所用刚体模型的误差,平均误差为±0.22 mm/a。表 1给出了利用块体模型得到的断层滑动计算结果。从量值角度,安宁河断裂的左旋走滑速率为(4.49±0.32) mm·a-1,与周荣军等[16](4.7-5.3)mm·a-1,徐锡伟等[17](6.5±0.32)mm·a-1,Shen等[18](4±2)mm·a-1和王阎昭等[10](5.1±2.5)mm·a-1结果基本一致;则木河断裂带左旋走滑速率为(3.73±1.65)mm·a-1,与王阎昭等[10](2.8±2.3)mm·a-1结果相比较大,比徐锡伟等[17](6.4±0.6)mm·a-1,Shen等[18](7±2)mm·a-1结果偏小大凉山断裂的左旋走滑速率与徐锡伟[17](3.3±0.7)mm·a-1的结果基本一致。丽江小金河主要以左旋走滑与挤压运动为主,与Shen等[18]得出的3 mm·a-1的左旋走滑速率相当,徐锡伟[17]也给出了(3.8±0.7)mm·a-1的左旋走滑速率和(0.6±0.1)mm·a-1的挤压速率。丽江小金河北段的走滑速率相比南段较小,这与王阎昭等[10]的结果相一致。红河断裂的运动相对川滇地块其他断裂来说,活动性不强,这与王阎昭等[10]的结论相一致。它的右旋走滑速率只有(0.38±0.9)mm·a-1,挤压速率稍大,为(1.92±0.85)mm·a-1,这与前人研究结果也基本一致[18]。本文将小江断裂带分为3段进行反演,从结果可以看出,从南向北左旋走滑速率逐渐增大,在中南段已达到(7±0.9)mm·a-1,这与Shen等[18]所得结果(7±2)mm·a-1相近,但与王阎昭等[10]所得结果(9.4±1.2)mm·a-1相比较小,可能是断裂范围选取的原因造成的。闻学泽等[19]的研究中表明北东向昭通莲峰断裂表现为右旋走滑兼逆冲,或者以逆冲为主要错动方式,这与本文计算结果相符合,右旋走滑速率为(3.85±0.1)mm·a-1,挤压速率为(2.58±0.1)mm·a-1图 3给出了断层两侧的运动状态(刚体模型计算结果),其中,ANF为安宁河断裂带,ZMF为则木河断裂带,DLF为大凉山断裂带,XJF为小江断裂带,LJ-XJF为丽江-小金河断裂带,HHF为红河断裂带,CHF为程海断裂带,LFF为莲峰断裂,ZLF为昭通鲁甸断裂,图 3(a)是1999~2007年结果,图 3(b)是2009~2013年结果。

      表 1  主要断裂带滑动结果/(mm·a-1)

      Table 1.  Slip Rate of Principle Faults/(mm·a-1)

      断裂带 1999~2007年(左旋为正,拉张为正) 2009~2013年(左旋为正,拉张为正)
      走滑速率 拉张/挤压速率 走滑速率 拉张/挤压速率
      安宁河断裂 4.49±0.32 -0.14±0.37 2.33±0.77 -0.41±0.85
      则木河断裂 3.73±1.65 0.74±1.44 2.33±0.58 2.33±0.61
      大凉山断裂 2.91±0.54 -2.26±0.55 3.83±0.87 -1.97±0.85
      丽江小金河断裂南段 5.96±0.8 -1.11±0.81 3.62±0.86 -1.98±0.86
      丽江小金河断裂北段 1.83±0.67 -5.90±0.63 -0.34±0.96 -3.45±0.95
      程海断裂 2.41±0.72 4.63±0.67 0.87±2.1 4.2±2.28
      红河断裂 -0.38±0.9 1.92±0.85 -0.44±1.1 2.72±1.05
      小江断裂北段 3.25±0.1 2.05±0.1 4.14±0.83 2.51±0.69
      小江断裂中段 7.16±0.76 0.72±0.67 4.99±0.87 2.84±0.75
      小江断裂南段 6.72±0.94 1.68±0.86 4.5±0.66 2.79±0.74
      昭通鲁甸断裂 -6.22±0.1 -5.89±0.1 -2.22±0.99 -4.57±0.99
      莲峰断裂 -3.85±0.1 -2.58±0.1 -2.9±0.66 -4.58±0.66

      图  3  川滇地区断层滑动速率结果

      Figure 3.  Slip Rate of Faults in Sichuan-Yunnan Region

      根据表 1图 3的断层滑动速率动态结果可以看出,北东向昭通鲁甸、莲峰断裂位于川滇地块与华南地块之间的边界带上,以右旋运动为主;安宁河-则木河-小江断裂带是川滇次级块体的东边界,川滇块体内部的断裂带多以左旋运动为主。红河断裂带中段始终处于弱变形区,这与前文中的主应变率结果相对应;安宁河断裂带活动逐步趋缓,走滑分量存在明显趋缓现象;昭通鲁甸、莲峰断裂的挤压和右旋剪切变形速率均逐渐减小;小江断裂带南段走滑速率减缓。

    • 前文关于断层滑动速率的计算为模型值,为了从真实数据角度分析重点断裂带的变形分布情况,图 4给出了安宁河断裂带、昭通鲁甸断裂带、小江断裂带、红河断裂带等剖面投影结果(数据分布范围见图 1),其中,蓝色是1999~2007年结果,红色是2009~2013年结果。

      图  4  4个主要断裂带GPS剖面结果

      Figure 4.  GPS Profile Results of 4 Faults

      安宁河、小江、红河断裂带属于以走滑为主的断裂带,需关注其平行于断层方向的结果。由图 4可以看出,安宁河断裂带两侧的滑动速率相差较小,结合Meade和Hager的孕震理论,断层两侧的变形平缓且变形范围较大,安宁河断裂可能处于孕震的晚期; 小江断裂带平行于断层方向的GPS速度剖面结果显示出同样的趋势,说明该段可能处于孕震中晚期;昭通鲁甸断裂带挤压和右旋剪切变形有逐渐减缓的趋势,但变化不大。

      对于以上有明显变化的两个断裂带,本文利用反正切位错模型求解闭锁深度,结果如图 5所示,其中,蓝色为速率值,红色为拟合曲线。计算得出,安宁河断裂带在1999~2007年表现为震间应变积累阶段,2009~2013年闭锁深度值相对于1999~2007年较大。小江断裂带也显示出同样的变化,2009~2013年闭锁深度值较1999~2007年有所增加,这说明断层活动闭锁度有所提高,值得进一步关注。

      图  5  安宁河、小江断裂带剖面反正切位错模型分析

      Figure 5.  The Arctangent Dislocation Model Analyze of Anninghe Fault and Xiaojiang Fault Profiles

    • 本文采用了两种方法进行断裂带两侧运动差异的描述,分别为块体模型方法和GPS剖面方法,两者都能反映具有一定变形宽度的断层应变积累特征,用于描述块体相对运动的不一致性。其中,块体模型方法采用欧拉模型计算断裂带两侧块体的运动参数,利用求解的参数计算断层上指定点的速度差;GPS剖面方法直接将断裂两侧的速度进行平行和垂直于断层方向的投影。块体模型侧重于滑动速率的获得,GPS剖面侧重于断裂带两侧运动的差异描述。从上文结果可以看出,两种方法得到的结论相一致,具体如下。

      1) 青藏高原物质向东运移,当物质运动至川滇地区时,受到相对刚性的华南地块的阻挡,造成了川滇菱形块体东缘的鲜水河、安宁河、则木河、小江断裂的强烈活动,这些断裂带多以为左旋走滑运动为主,同时使得物质流的运动方向发生顺时针的偏转,由南东向过渡到南向。

      2) 汶川地震后,龙门山断裂带吸收了一部分应力,使得安宁河断裂带的活动变化较小,逐步趋缓,走滑分量存在明显趋缓现象,并且安宁河断裂带的闭锁深度在一定程度上有所增加,发生地震的危险性较大。

      3) 随着物质的南下,小江断裂带南段走滑速率减缓,闭锁深度增加;小江断裂带平行于断层方向GPS速度剖面显示断裂带两侧变形平缓且变形范围较大。

      4) 鲁甸地震以后,昭通、莲峰断裂带的应变释放不显著,挤压和右旋剪切变形速率均逐渐减小,可能预示该区挤压应变积累背景较高。

      5) 红河断裂带中段为最大剪应变率低值区,而红河西北段和东南段的剪切变形均较高,值得进一步关注。

参考文献 (19)

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