美国南加州莫哈韦沙漠地区震间震后形变研究

刘绍卓

(中国地震局地质研究所， 北京100029)



美国南加州莫哈韦沙漠地区震间震后形变研究

刘绍卓

(中国地震局地质研究所， 北京100029)

1992年6月28日和1999年10月16日， 位于美国南加州莫哈韦(Mojave)沙漠的加州东部形变剪切带(Eastern California Shear Zone， ECSZ)莫哈韦段先后发生2次7级以上走滑型地震， 即MW7.3兰德斯(Landers)地震和MW7.1 赫克托矿(Hector Mine)地震。 兰德斯地震和赫克托矿地震是地震学研究的经典震例， 相关研究案例极大地推动了地震学研究的发展。

以全球定位系统(Global Positioning System， GPS)为代表的空间对地观测精确地捕捉到这2次莫哈韦地震的同震和震后形变场。 众多先前研究利用大地测量观测作为约束， 研究与这2次地震相关的区域背景形变场、 同震形变和震后形变， 并得到一系列重要成果。 但是， 自GPS用于南加州地区地壳形变场研究20多年来， 我们仍不清楚已发布的GPS速度场在莫哈韦地区是否准确地描述了区域背景形变场。 这是因为莫哈韦地区绝大部分GPS观测是在1992年兰德斯地震震后获得， 且在GPS数据处理过程中难以有效分离存在某种程度耦合的震间形变信号和震后形变信号。 基于这些震后GPS观测得到的背景形变场可能是相当不准确的， 相应的震后形变场特征也可能是不准确的。 当前仅有少数工作真正意识到这一问题的重要性。 因此， 我们十分有必要验证莫哈韦地区的GPS速度场是否是合理的背景速度场， 如果不合理， 还必须尝试得到更合理准确的区域GPS速度场。 只有在此基础之上， 我们才可得到更合理的震后形变模拟数据约束。

本文系统收集整理兰德斯地震震前覆盖加州东部形变剪切带莫哈韦段的历史三角网和三边网观测。 通过比较震前历史形变观测和震后GPS速度场对应的形变场， 本文发现南加州地震中心(Southern California Earthquake Center， SCEC) Crustal Motion Map Version 4 (CMM4) GPS速度场在兰德斯地震和赫克托矿地震近场区域确实是不准确的， 因为GPS速度场中含有系统性的偏差， 且这种偏差特征极有可能与震后形变相关。

根据莫哈韦区域CMM4 GPS速度场的聚类分析并结合莫哈韦区域构造特点， 本文设计一系列断层-块体模型。 在现有数据资源条件下， 使用三角网的应变率和三边网的边长观测以及远场CMM4 GPS速度场来约束断层-块体模型， 通过最优模型的模型正演地表形变场近似代表背景形变场。 模拟结果证实， CMM4 GPS速度场在近场存在着2～3 mm/a、 右旋剪切为特征的系统性偏差。 结合兰德斯地震和赫克托矿地震震源机制和GPS速度场的解算策略， 本文认为， 这种右旋剪切特征的偏差源于震后长期弛豫形变对GPS速度解算的干扰。 这种偏差也存在于其他不同研究组发布的系列GPS速度场中。 与前人的众多研究相比， 本文得到迄今为止最准确的莫哈韦地区， 尤其是兰德斯地震和赫克托矿地震近场区域GPS背景速度场。 此外， 本文发现加州东部形变剪切带莫哈韦段的累积右旋滑动速率为13.2～14.4 mm/a， 至少2倍于地质研究得到的晚更新世以来形变带错动速率(≤6.2±1.9 mm/a)。

利用震后大地测量观测资料可研究区域性岩石圈流变学结构和断裂带内的力学性质， 这对于我们理解区域构造演化历史有重要科学意义。 部分研究怀疑近场GPS台站的运动速率在兰德斯地震和赫克托矿地震震后5～6年之后可能已恢复至震前的速率。 但是， 基于本文获得的背景速度场， 震后GPS位移时间序列表明， 近场台站在震后10年仍有显著的震后运动。 此外， 本文得到的中远场震后形变并不如部分研究使用观测所表现得那么显著。 初步的震后形变模拟工作发现， 单独的断层面上的余滑或者分布式粘弹性松弛无法解释观测数据， 余滑和粘弹性松弛均是必要的物理过程。 初步模拟结果表明， 区域的流变学结构可能和已有研究的结论并不一致， 下地壳和上地幔的粘性系数分别为～3×1019Pa·s和～4×1019Pa·s， 即“焦糖布丁模型”(Crème Brléé model)可能在该区域不成立。

关键词加州东部形变剪切带莫哈韦段； 背景形变场； 兰德斯地震和赫克托矿地震； 震后形变； 流变学结构； GPS； 三角/三边网观测

(作者电子信箱， 刘绍卓： Liu-shao_zhuo@163.com)

中图分类号：P315.72+5；

文献标识码：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.07.011

中国地震局地质研究所2015届博士论文摘要(Ⅲ)