GPS资料揭示的汶川 8 .0级地震前地壳动态演化特征＊

张晓亮 张 希 王双绪 蒋锋云 朱良玉

(中国地震局第二监测中心,西安 710054)

GPS资料揭示的汶川 8 .0级地震前地壳动态演化特征＊

张晓亮 张 希 王双绪 蒋锋云 朱良玉

(中国地震局第二监测中心,西安 710054)

利用中国大陆 1999年以来 3个时段的 GPS速度场,研究了汶川 8.0地震前的地壳动态演化特征。研究结果显示：1)汶川地震发生在区域地壳挤压运动明显受阻的区域,孕震区附近存在一较大的障碍体,震中附近断层多年来处于强闭锁状态;2)随着地震发生日期的临近,震中西侧压性区表现出明显的向东逐步扩张态势,局部地区主压应变方向出现向北偏转,右旋剪切作用明显增强;3)汶川地震同震变形及 6级以上余震分布表现出的区段性与断裂带及附近分段性运动变形特征密切相关。

汶川 8.0级地震;GPS速度场;地壳运动变形;断层;动态演化

1 引言

汶川 8.0级地震形成的地表破裂带长达 200多千米[1],余震分布带约长 330 km[2],其 InSAR同震形变场观测显示同震形变垂直位移及右旋走滑位移极其显著[3],反映汶川地震前孕震区积累了大量的弹性应变能。如果地震是可以预报的,那么如此巨大地震能量的长期积累,理论上应当从地壳运动变形中看到其长期孕震背景。鉴于此。本文将利用我国大陆 1999、2001、2004、2007年 4期 GPS观测资料对汶川 8.0级地震孕震区较大范围地壳运动变化特征进行研究。

2 资料处理简介

自我国大陆 GPS网络工程建成以来,分别在1999、2001、2004和 2007年进行了复测,2001年以来,一些地区还进行了不同程度的 GPS点位加密观测。

针对多期 GPS观测资料,联合区域 IGS站(BAHR、ANKR、GLSV、TIXI、MAC1、TR01、GUAM、TOW2、BAKO、DGAR、MAL I、NTUS、MAG0、MATE、POTS),利用 Gamit软件处理对其进行载波相位处理,获得单日松弛解 (卫星星历采用精密星历);然后利用 Globk软件综合本期观测的所有合并后的单日松弛解,以 ITRF2005为参考框架,分别获得各期坐标综合解,在此基础,获得了 1999—2001、2001—2004、2004—2007年 3个时段的速度场,扣除相对欧亚板块的欧拉旋转,得到 3个时段相对欧亚板块的运动速度场(图 1)。

图1 2004—2007年中国大陆 GPS速度场(基于欧亚板块)Fig.1 GPS velocity field of China mainland from 2004 to 2007(relative to the stable Eurasia)

3 汶川地震的水平运动变形特征

从图 1可以看出,汶川地震孕震区附近地壳水平运动主要以近东西向运动为主。因此,以震中为中心,选取东西向剖面 (剖面宽约 500 km,长约1 000 km),提取平行剖面及垂直剖面方向地壳运动的时空变化曲线,并对其结果进行多阶多项式曲线拟合(图 2)。从图 2可以看出,地震前两期资料揭示的地壳形变特征比较一致。从剖面东西向运动速度看(图 2中黑曲线),在龙门山断裂带西侧约 400千米的剖面区域,地壳水平挤压速率接近线性变化,从 20 mm/a左右逐渐衰减到 7 mm/a左右,反映出显著的挤压运动及高应变能吸收特征;在龙门山断裂带附近至东侧较大范围,剖面东西向运动速度相对稳定(剖面速度变化曲线明显转平,基本保持在 5～7 mm/a范围),揭示挤压运动在龙门山断裂带附近遇到了强烈阻挡。汶川地震就发生在挤压运动明显,然后东西向剖面速度变化曲线转平,地壳表现出明显的挤压运动受阻特征的区域。揭示本次地震在印度板块 NE向主驱动力的作用下,该区近东西向的挤压运动受到华南地块的强烈阻挡,使应变能在龙门山构造带附近长期积累,最终导致断层失稳,发生汶川地震。

图2 GPS剖面水平变化量、多项式拟合曲线与地形剖面Fig.2 Horizontal variation of GPS section polynomial fitting curve and terrain section

4 汶川地震区水平变形场动态演化特征

4.1 汶川地震孕震区水平运动场基本特征

图3是汶川地震前 2004—2007年区域地壳水平运动速度场,从图 3可以看出,粗圈西侧区域地壳运动速率明显大于圈内,且圈内水平运动速率一致性较好,变化量值相近,断层对形变的吸收作用不明显,表现出一定的闭锁特征。为了能更好地确认该区是不是存在闭锁障碍体。我们基于 2004—2007年 GPS资料绘制了 GPS速度场东西向等值线图(图4)。从图 4可以看出,震中附近其北部和南部区域东西向运动速度明显强于孕震区附近,揭示该区地壳运动的确存在明显的障碍体。

图3 2004—2007年汶川地震区地壳水平运动速度场Fig.3 GPS velocity field of crustal horizontalmovement in Wenchuan earthquake region from 2004 to 2007

图4 2004—2007年四川及邻区 GPS速度场东西向等值线图Fig.4 Isoline distribution in east-west direction of GPS velocity field in Sichuan and its adjacent areas from 2004 to 2007

4.2 汶川孕震区及附近区域水平变形场动态演化特征

图5 研究区视主应变率场Fig.5 Distribution of apparent principal strain rate field in the studied area

根据 GPS资料,利用最小二乘配置[5]求取得到的 1999—2001、2001—2004、2004—2007年 3期视主应变率场及视面膨胀率等值线分布图如 5与图 6所示。从视主应变率场动态演化特征看 (图 5)：1999—2001年,震中西侧区域近东西向压应变明显,孕震区存在明显的主应变变化较小区;2001—2004年震中西侧区域主压应变增强,孕震区附近西南区域出现一定程度向北偏转,反映一定程度孕震区右旋剪切增强特性,孕震区一带存在明显的主应变变化较小区,此外龙门山构造带北段 6级以上余震分布较集中区域也表现主应变变化较小特征; 2004—2007年孕震区正西侧区域主压应变出现明显北转,呈现右旋剪切运动明显增强特征,主应变变化较小区分布维持 2001—2004年的分布特征。从视面膨胀率等值线分布动态演化特征看 (图 6)：1999—2001年孕震区西侧存在明显的压缩区,龙门山构造带北段西侧亦存在明显的压缩区;2001—2004年孕震区西侧压缩区相对向东南扩张,龙门山构造带北段西侧压缩区持续存在;2004—2007年孕震区西侧压缩强烈区相对扩大且表现为向北扩张趋势,龙门山构造带北段西侧压缩区依然持续。汶川地震及其余震均分布在显著压缩区的边缘。

从 GPS资料揭示的区域水平变形场动态变化特征可以看出：汶川地震前孕震区西侧一直存在较强的应变能积累,且随着地震发生时间的临近,其主压应变出现局部区域偏转;面膨胀揭示的动态演化特征显示出孕震区西侧显著压性区随时间变化呈逐渐扩张态势;汶川地震与其 6级以上余震,都分布在明显压缩区的边缘。

图6 研究区视面膨胀率等值线分布Fig.6 Isoline distribution of apparent surface expansion rate in the studied area

4.3 龙门山构造带分段差异运动的计算

图7 龙门山断裂带分段图Fig.7 Segmentation of the Longmenshan fault

汶川地震发生后,在震中附近及发震断层北段形成了 6级以上余震的相对集中段,针对余震分布特征,我们将龙门山构造带分为 4段研究其 1999年以来的分段运动差异及演化特征。选取断层两侧100 km范围为研究区域,这样将断裂带附近区域分为 8个小区域 (图 7)。由于 GPS资料的密度问题,近似地将每个小区看作相对独立的刚体,求取各区段沿断层及垂直断层各期资料所揭示的运动变化特征(表 1)。从表可以看出：1)AB段 1999年以来右旋挤压错动明显(速率一直保持在 2 mm以上);BC段多年来表现为压性闭锁(其右旋运动1999年以来一直保持在 1 mm以内);CD段 2001年以来右旋挤压运动明显增强,且随着时间的推移,表现一定增强态势;DE段多年来表现为运动强闭锁状态。2)断层的整体右旋挤压特征一致性较好,但量值不大。3)汶川地震发生在强闭锁段 BC段的西端,其 6级以上余震分布特征与闭锁段分布相对应。4)汶川地震 GPS同震形变场[6]显示CD段同震位移相当显著,从GPS计算的断裂分段结果可以看出该段自2001年以来呈现明显的右旋走滑特征 (2 mm以上),断层处于相对活跃状态,所以该段附近的同震位移相当显著。

表1 龙门山断裂带分段运动特征(单位:mm/a)Tab.1 Segmentation motion features of Longmenshan fault(un it:mm/a)

5 结论

1)汶川地震是印度板块NE向主驱动力长期作用下遇到华南地块的强烈阻挡,在龙门山构造带一带形成了明显的挤压运动受阻区,使应变能长期在该区附近持续积累,最终导致震中附近较大闭锁障碍体突然破裂错动的结果。

2)区域 GPS观测资料揭示,龙门山断裂带存在明显的闭锁障碍体,汶川地震的震中恰位于闭锁障碍体的边缘。其障碍体范围相对较大,跨越了龙门山断裂两侧一定区域。

3)汶川地震孕震区及附近地壳水平变形场动态演化特征显示：孕震区发震断层西侧一带应变能多年来积累明显,且随着地震紧迫性的增强表现出局部区域主压应变向北偏转,右旋剪切增强,显著压性区逐步扩张的特点,可能揭示一定程度地震中、短期前兆信息。

4)汶川地震同震变形及 6级以上余震分布表现出的区段性与断裂带及附近分段运动变形特征密切相关。

1 江在森,等.汶川 8.0级地震前区域地壳运动与变形动态过程[J].地球物理学报,2009,52(2)：505-518.(Jiang Zaisen,et al.The dynamic process of regional crustal movement and deformation before WenchuanMs8.0 earthquake [J].Chinese Journal of Geophysics,2009,52(2)：505-518)

2 张培震,等.2008年汶川 8.0级地震发震断裂的滑动速率、复发周期和构造成因 [J].地球物理学报,2008,51 (4)：1 066-1 073.(Zhang Peizhen,et al.Slip rates and recurrence intervalsof theLongmenshan active fault zone and tectonic implications for the mechanism of the May 12 Wenchuan earthquake,2008,Sichuan,China[J].Chinese Journal of Geophysics,2008,51(4)：1 066-1 073)

3 黄媛,等.汶川 8.0级大地震及其余震序列重定位研究[J].中国科学 (D辑),2008,38(10)：1 242-1 249. (Huang Yuan,et al.The repositioning research of Wenchuan 8.0 earthquake and after shock sequence[J].Science in China(SeriesD),2008,38(10)：1 242-1 249)

4 单新建,等.汶川 8.0级地震 InSAR同震形变场[J].地球物理学报,2009,52(2)：496-504.(Shan Xijian,et al.Coseismic surface deformation caused by theWenchuanMs8.0 earthquake from InSAR data analysis[J].Chinese Journalof Geophysics,2009,52(2)：496-504)

5 张希,江在森.对华北地区 GPS监测区近期地壳应变连续分布的估计 [J].地震学刊,1999,75(2)：57-62. (Zhang Xi and Jiang Zaisen.Estimation of resent crustal strain continuous distribution in GPS monitoring area of the North China area[J].Journal of Seismology,1999,75(2)：57-62)

6 王敏.基于 GPS同震位移场约束反演 2008年 5.12汶川大地震破裂空间分布 [J].地球物理学报,2009,52 (10)：2 519-2 526.(Wang Min.Coseis mic displacement distribution of the 2008 Wenchuan great earthquake constrained by using GPS coseis mic displacement field[J].Chinese Journal Geophysics,2009,52(10)：2 519-2 526)

7 杜方,等.2008年汶川 8.0级地震前横跨龙门山断裂带的震间形变 [J].地球物理学报,2009,52(11)：2 729-2 738.(Du Fang,et al.Interseis mic deformation across the Longmenshan fault zone before the 2008M8.0 Wenchuan earthquake[J].Chinese Journal of Geophysics,2009,52 (11)：2 729-2 738)

CHARACTERISTICS OF CRUSTAL DYNAM IC EVOLUT ION REVEALED BY GPS OBSERVAT ION BEFOREW ENCHUAN 8.0 EARTHQUAKE

Zhang Xiaoliang,Zhang Xi,Wang Shuangxu,Jiang Fengyun and Zhu Liangyu
(Second CrustM onitoring and Application Center,CEA,X i’an 710054)

By using the GPS velocity fields of China mainland in three time periods since 1999,the characteristics of crustal dynamic evolution before WenchuanMs8.0 earthquake was studied.From the results following knowledges can be drawn.1)TheWenchuan earthquake had taken place in the zone where crustal squeezed movementswere blocked obviously.There was a large obstacle existed in the seis mogenic zone,and the fault nearby the epicenterwas in strong blocking state formany years.2)W ith theWenchuan earthquake approaching,the compressive zone in the west to epicenter gradually expanded to east obviously.In some local areas,the direction of principal compressive strain deflected northward,and right lateral shear slip enhanced obviously.3)The sectional features of coseismic deformation inWhenchuan earthquake and 6.0 or more aftershock distribution were closely related to the sectionalmovement deformation of the fault and its vicinal zone.

Wenchuan 8.0 earthquake;GPS velocity field;crustalmovement and defor mation;fault;dynamic evolution

1671-5942(2011)04-0001-05

2011-03-09

地震科学联合基金(C08045);中国地震局甘东南-甘青川交界地区强震危险性跟踪分析课题(2009010103)

张晓亮,男,1973年生,硕士,高级工程师,主要从事数值模拟、地壳形变和地震预报等方面的研究.E-mail：zxlwml@163.com

P315.72+6

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