芦山“4·20”7.0级地震同震位移场考证及地表变形模式初探

魏文薪 江在森* 邹镇宇 杨永林 张 龙 武艳强

1)中国地震局地震预测研究所，地震预测重点实验室，北京 100036

2)中国地震局地质研究所，北京 100029

3)四川省地震局测绘工程院，雅安 625000

0 引言

四川省芦山“4·20”7.0级强烈地震发生后，多位研究者针对震源机制、破裂过程、地表破裂分布等开展了深入研究，取得了丰富成果(王卫民等，2013;刘杰等，2013;曾祥方等，2013;张勇等，2013;徐锡伟等，2013a，b;赵翠萍等，2013)。徐锡伟等(2013)通过地质调查认为此次地震为一次典型的盲逆断层地震，破裂没有大规模出露地表;USGS震源机制结果表明此次地震为逆冲型地震(http:∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/)，几乎没有走滑分量;我们根据GPS连续观测给出的同震位移场结果(武艳强等，2013)认为，在较大范围内发震断层表现为逆冲错动，但在靠近发震断层上盘约70km范围内逆冲位移显著偏小，不符合断层错动的位移衰减特征，可能是因破裂未达地表使得逆冲位移被抑制。在发震断层西北侧(上盘)靠近发震断层约50km范围表现出典型的断层左旋剪应变释放特征。因此，GPS同震位移结果表明这次地震虽以逆冲为主，但兼有左旋应变释放(图1)。同震地表变形与震源机制不完全一致的现象引起了一些专家的注意，有专家质疑SCTQ和LS05两个测站的观测墩在地震时发生了S向为主的倾斜而导致了上述地表位移中的左旋现象。因此，在研究导致二者不一致现象的物理机制之前，首先需要对GPS同震位移结果特别是位于上盘的左旋应变释放现象的可靠性进行分析。

图1 GPS测定的四川芦山“4·20”7.0级地震水平位移场(据武艳强等，2013改绘)Fig.1 Horizontal displacement field of the“4·20”M7.0 Lushan，Sichuan，earthquake measured by GPS(Adapted from WU Yan-qiang et al.，2013).

针对上述问题，我们专门赴四川芦山、天全、大邑一带对布设在龙门山断裂带南段发震断层附近的LS05等6个临时GPS连续站进行了墩标倾斜的测定，委托四川省地震局测绘工程院对SCTQ基准站墩面水准点进行高差复测，并对同震过程地表错动和房屋破坏等情况进行了调查。结果表明，芦山地震GPS同震位移场中的少量左旋应变释放特征是真实的。在此基础上，结合震前地壳变形特征，给出了可能的同震变形模式的初步结果。

1 测点稳定性分析

1.1 临时GPS连续站墩标倾斜测量结果

根据四川省地震局测绘工程院的建点情况说明，临时GPS连续站的墩标建设过程中只做了观测墩天线归心装置的置平，而并未进行墩面测平。因此，要获得观测墩相对建墩时的倾斜量，直接对天线归心装置进行测量是合理的。为了保证对此次倾斜测量的精度，专门购置了标称精度为0.01°的英国产LEVELD二维电子水平仪(由于天线归心装置圆形表面较小，利用此仪器测量倾斜的精度可能达不到它的标称精度)。利用该仪器对LS01(蒲江)、LS02(大邑)、LS04(洪雅)、LS05(芦山)、LS06(灵关)、LS10(姑咱)等观测墩归心装置进行了倾斜观测。测量结果如表1所示。

表1 测点倾斜测量结果Table1 Results of pier tilt measurement of observation sites

根据表1的结果，结合GPS同震位移场特征，可以得到如下认识:

(1)除LS06和LS10两测点外，其余4个测点的墩标倾斜角度均 ＞0.4°。如果 LS01、LS02、LS04三个测站在震前处于水平状态，则表1中这3点＞0.4°的倾斜量引起的位移结果将显著大于图1给出的3点同震位移量值。因此，从量值上3点的倾斜量不能与同震位移结果进行关联。上述4个测点均为四川省雅安测绘工程院一个工作小组所建，采用的置平装置为同一个圆水准气泡。同时3个基岩点(LS01、LS02和LS04)的倾斜互差不超过0.05°、观测期间数据稳定、同震结果可解释，可以推断该倾斜量很可能为建站时对归心装置置平过程中产生的倾斜系统误差。同时，LS06和LS10观测墩为另一小组采用不同的圆水准气泡置平，按照基准站对天线归心装置倾斜不超过8'的技术要求，这2个测点墩标均无明显倾斜，从另一角度辅证了上述推论。而LS05测点墩标倾斜量为0.821°显著大于同一小组所建的另外3个测点，表明相对建站时LS05的墩标的确发生了倾斜。

(2)由于LS01等4个测点墩标均为一个小组建造，是采用同一圆水准气泡对天线归心装置作置平的，上述倾斜系统误差应该对这4个测点均产生影响，下面以3个基岩点倾斜量的平均值0.426°作为建站时初始倾斜对LS05站进行分析。设建站之初LS05站天线归心装置存在0.426°的倾斜，倾斜方向未知，图2给出了不同初始倾斜方向对测量结果的影响示意图。建站时LS05的倾斜为O点(归心装置垂直的位置)至半径为0.426°的圆周上任一点的P的矢量OP(即OP为原始倾斜量)。LS05测得的倾斜(OM)为0.821°，而实际在建站之后发生的倾斜应当是圆周上的任意一点P至M的矢量PM。倾斜角度的最大值为1.247°(QM)，倾斜角度的最小值为0.395°(AM)。根据倾斜角度计算对水平位移的影响如下:最小北向倾斜量为24.2mm，最大北向倾斜量为95.6mm;最小西向倾斜量为－1.9mm，最大西向倾斜量为69.4mm。因此，如果假设该倾斜是由同震引起的，LS05站南向位移量不但不会减小反而会增大24.2～95.6mm，该结果不会改变同震的左旋应变释放特征。同时，因LS05仍然没有变成向NW运动，可确定LS05点应在上盘。

(3)此次倾斜测量中的另一土层点为LS06，其倾斜量仅为0.068°，满足基准站天线归心装置倾斜不＞8'的要求。同时LS06点也在余震区，其垂直位移量仅次于LS05，主震后3小时由于余震导致天线信号电缆线损坏而中断记录，足见该点周边的震动也十分强烈。该测点没有明显倾斜的结果似乎又显示观测墩的倾斜与土层点及受震晃动强烈等不一定有必然联系。

图2 LS05号点观测墩倾斜可能方向示意图Fig.2 Schematic diagram of possible pier tilt direction of the observation site LS05.

1.2 SCTQ基准站墩面水准测量结果分析

根据SCTQ基准站建站资料，可知在此墩面的4个方位各埋设一个水准标志，编号分别为GPS1、GPS2、GPS3和GPS4，其对应的方向分别为W，N，E，S(图3，4)。芦山地震前于2010年7月进行过一次水准测量，2013年7月24日委托四川省地震局测绘工程院又进行了水准点高差测量。2次测量均按一等水准规程进行，各项限差均符合规范要求。2次测量的高差结果如表2所示。

图3 SCTQ基准站水准标志示意图Fig.3 Schematic diagram of benchmarks in reference station SCTQ.

图4 SCTQ基准站水准标志编号及方位示意图Fig.4 Schematic diagram of numbers and directions of benchmarks in reference station SCTQ.

表2结果表明，2010年建站时N－S高差为－1.51mm，W－E高差为+0.68mm，即北点比南点高1.51mm，东点比西点高0.68mm;与2010年观测结果相比，2013年观测结果在N－S向和W－E向高差值几乎未发生变化(互差最大值为0.02mm)。因此，SCTQ基准站观测非常稳定，未发生倾斜。

上述观测墩标倾斜测量结果表明，LS06点和SCTQ基准站没有发生倾斜，其南向运动可靠;LS05点相对建站时存在一定倾斜量，尚不能排除同震倾斜的可能性，但对于该点即使其倾斜是由于同震造成的，也不会减小其南向运动分量。因此，根据墩标倾斜测量和水准测量结果可以确定，LS05、LS06和SCTQ表现出的GPS同震位移场中的左旋应变释放特征是可信的。

表2 SCTQ基准站水准点高差测量结果Table2 Vertical survey results of benchmarks in reference station SCTQ

2 野外地表调查结果

根据前文对LS05等测点的分析，可以得出同震位移中左旋应变释放并不能归结为观测墩倾斜的影响。考虑到4个观测墩标的倾斜量超过允许值，虽然可以推断其中有3个观测墩标归心装置的倾斜很可能来源于建站时的系统误差，但LS05的倾斜量是否发生在同震时刻仍然是难以判断的。另一方面，在文献(武艳强等，2013)中给出GPS同震位移结果时分析认为，根据该区域背景构造应力场主压应力方向为大致垂直断裂带的方向，由于芦山地震破裂未达到地表，最大应力方向的位移在靠近发震断层的小范围可能在很大程度上被抑制，而平行断裂方向的背景应力水平较之要小得多，因此该方向的位移不会受到抑制而相对容易发生，因而导致小范围左旋位移占优势。这就初步解释了地表位移可以与由深部错动确定的震源机制解不完全一致的可能原因。如果上述分析成立，在LS05点附近同震地表破坏情况也应当有与断层左旋应变释放特征相匹配的现象。带着这些疑问，此次野外地表调查主要是针对该点周边区域，包括龙门乡古城村、五星村、王家村、骆伙火炬村及芦山县城，并在有特征现象的点位利用手持GPS测量概略经纬度，共计42个点(图5)。下面将考察点分为3组进行简要介绍。

图5 LS05_GPS连续站周边野外考察点位图Fig.5 Spotted map of field investigation sites around GPS continuous observation site LS05.

照1 芦山县县城E03点Photo 1 Site E03 at Lushan county seat.

照2 龙门乡五星村D13点oto 2 Site D13 at Wuxing Village，Longmen Township.

照3 龙门乡五星村D15点Photo 3 Site D15 at Wuxing Village，Longmen Township.

照4 龙门乡王家村B05点Photo 4 Site B05 at Wuxing Village，Longmen Township.

照5 骆伙火炬村C04点Photo 5 Site C04 at Huoju Village，Luohuo.

图6 建筑物地表变形特征示意图Fig.6 Sketch of deformation characteristics of surface buildings.

2.1 第1组考察点

第1组考察点中E03点为LS05号点附近的电线杆，它有明显的NE向倾倒的趋势;D13点为五星村的村用水塔，这个现象就更加明显，整体向NE向倾倒;D15点为龙门乡五星村的住户，房子木质房梁有明显的NE向运动。上述现象表明，地震时在地表产生了SW向的加速运动，使得地表建筑物有向NE向倾倒的趋势(图6)，该结果与LS05测点表现出来的SW向运动特征具有一致性。

2.2 第2组考察点

第2组考察点中B05点的水泥路面错动表现为沿NE向右旋剪切特征，该点所在路线距LS05的垂直距离约为3km，右旋错动量值约为2.5cm;C04点的水泥路面也表现与B05相似的右旋剪切变形;C07点的水泥路面为NE向，调查结果显示路面沿NW向有错动裂缝，表现为左旋特征，量值约为3.0cm。由于发震断层在地震过程发生左旋错动的同震位移衰减引起NS向拉张变形，并考虑到图1的同震位移沿发震断层存在左旋应变释放特征，可知位于上盘一侧沿NE向则表现为右旋剪切变形，而与之垂直方向的变形则表现为左旋剪切变形(图7)。

图7 地表变形特征示意图Fig.7 Schematic diagram of surface deformation characteristics.

照6 骆伙火炬村C07点Photo 6 Site C07 at Huoju Village，Luohuo.

照7 骆伙火炬村C00点Photo 7 Site C00 at Huoju Village，Luohuo.

照8 骆伙火炬村C03点Photo 8 Site C08 at Huoju Village，Luohuo.

2.3 第3组考察点

从第3组考察点可以看出，基本都反映了逆冲型地震的地表变形特征。骆伙村的C00和C03点均反映了地震过程中产生的NE向的次级裂缝，其次，在火炬村测量了8个点，即C00～C07点，并且这种NE向裂缝一直从C00点延伸至C07点，大概600m。据当地老乡称，这种NE向裂缝行迹在地震后还向两边延伸;B07点和B04点即为明显的地壳挤压缩短变形。综上所述，在两盘对冲的过程中而破裂未到达地表的情况下，在地表就会形成一系列的NE向的张性裂缝，并且在局部又产生地壳挤压缩短变形。

照9 龙门乡王家村B07点Photo 9 Site B07 at Wuxing Village，Longmen Township.

照10 龙门乡王家村B04点Photo 10 Site B04 at Wuxing Village，Longmen Township.

3 讨论和初步结论

(1)LS01、LS02、LS04、LS05、LS06和LS10测点倾斜测量结果表明，前3个和后2个测点的倾斜量表现出明显的分群特征，根据同震位移和实地调查结果，前3个测点的倾斜与同震位移结果不能关联，考虑到建站时采用了同一个圆气泡置平装置，认为初始置平过程产生了倾斜系统误差的可能性较大。由于LS05测站(土层点)与上述3个测点采用了同样的建站置平装置，但其倾斜量值明显偏大(沿330.617°方向倾斜约0.821°)，即使假定相对建站时观测墩标发生的倾斜就发生在同震过程，最终影响均不改变该点同震南向位移为主的特征。而同在余震区的LS06测点(土层点)的倾斜量十分有限，可以忽略不计，似乎表明观测墩的倾斜与土层点及受震晃动强烈等不一定有必然联系。这就是说LS05站观测墩标的倾斜也可能是建站初期发生的。水准测量结果表明SCTQ基准站十分稳定，未发生倾斜。

(2)汶川地震的同震位移显示，跨芦山发震断层垂直断裂带速率显示明显的挤压连续变形特征，平行断裂带速率表现了左旋连续变形的特征;汶川地震后到芦山地震前这一时段，跨芦山发震断层垂直断裂带速率仍然显示为明显挤压的变形特征，但是较汶川地震前呈现增强态势，平行断裂带的速率仍然表现为左旋连续变形的特征。随后芦山地震的发生，同震位移结果表现为西北盘靠近断层50km的范围内左旋应变释放特征(图8)是不难理解的。

(3)地表调查结果表明，地壳挤压缩短变形特征较为明显;LS05测点附近的电线杆、五星村的水塔等存在NE向倾倒趋势，表明震时地面存在SW向加速运动。有路面存在NE向展布的右旋裂缝及NW向展布的左旋裂缝，表明同震位移沿发震断层存在左旋应变释放特征，而位于上盘一侧沿NE向则表现为右旋剪切特征。同时，由于发震断层在地震过程发生左旋错动的同震位移衰减(武艳强等，2013)引起SN向拉张变形也会造成NW向发生左旋剪切裂缝与NE向右旋剪切裂缝。因此，野外地质考察结果与GPS同震位移结果是一致的，即此次地震以逆冲为主，且上盘一侧存在左旋应变释放特征。

图8 汶川地震同震和芦山地震前变形特征示意图(汶川地震同震数据引自Wang et al.，2011)Fig.8 Schematic diagram of coseismic deformation characteristics of Wenchuan earthquake and the deformation before Lushan earthquake(Coseismic data of Wenchuan earthquake are from Wang et al.，2010).

(4)我们从此次地震是否引起了观测墩标倾斜的讨论中也汲取了一些教训。首先，在建站过程中要充分考虑周边的地质特征，并严格按照标准进行建站，对于一些临时站的设置也应尽量从严;其次，临时的GPS连续站也应设立4个水准标志，以动态跟踪观测墩位倾斜(我们已委托四川省地震局测绘工程院完成了每个点位补增4个水准标志的工作);最后，在观测条件允许的情况下，应尽量减少土层点，若必须选土层点，应特别注意基坑开挖深度。

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