基于GPS监测的芦山地震周围地区同震位移与运动速度

2016-11-14 02:38:31唐文清张清志潘忠习刘宇平
沉积与特提斯地质 2016年2期
关键词:龙门山芦山测站

唐文清,张清志,潘忠习,刘宇平,杨 成

(中国地质调查局成都地质调查中心,四川 成都 610081)



基于GPS监测的芦山地震周围地区同震位移与运动速度

唐文清,张清志,潘忠习,刘宇平,杨成

(中国地质调查局成都地质调查中心,四川成都610081)

通过对2013年“4.20”四川芦山地震前后GPS观测数据的处理,得到地震周围地区GPS测站同震位移及速度矢量场。 GPS测站同震位移大小为 5.09~51.05mm,平均为14.18mm;GPS测站运动速度为2.64~52.37mm/a,平均为18.89mm/a。利用断裂两侧GPS测站速度矢量差得到了龙门山断裂带南段次级断裂的运动速度,龙门山断裂带南段的后山断裂、中央断裂、前山断裂运动速度大小分别为49.66±3.90mm/a、79.58±3.33mm/a、50.94±3.91/a;中央断裂以右旋挤压为主,而后山断裂、前山断裂表现为左旋拉张的特性。综合分析表明,芦山地震是发生在龙门山断裂带南段东南侧的逆冲型地震,发震构造为前山断裂与新津断裂之间的小断层。芦山地震对周围地区的影响不大,主要集中在龙门山断裂带南段及震中附近区域。

芦山地震;GPS监测;龙门山断裂带;同震位移;运动速度

引言

2013年4月20日,四川芦山发生了Ms 7.0级地震,地震造成巨大的人员伤亡和财产破坏。芦山地震震中位于龙门山断裂带南段东南侧,地震发生与龙门山断裂带活动关系密切。龙门山断裂带是由系列压性、压扭性断裂及褶皱组成的逆冲断裂带[1]。南起泸定,沿四川盆地西缘呈北东-南西向延伸,倾向北西,南与北西向的鲜水河断裂及大凉山断裂相聚,北与东西向西秦岭断裂成斜角相交(图1)。龙门山断裂带由3条主边界断裂组成,由西向东,分别称为龙门山后山断裂、龙门山中央断裂、龙门山前山断裂。龙门山断裂带作为青藏高原和四川盆地的分界断裂,体现了青藏高原对华南地块挤压的构造特征和四川盆地作为前陆盆地的演化过程,其历史悠久且具有多期活动,是我国南北地震带的组成部分,控制着区域现代地形、地貌和地震活动[2-4]。

芦山地震发生后,许多专家[5-13]对地震构造背景、震源机制、破裂过程、地表变形等进行了大量分析和研究,获得许多研究成果。尽管如此,地震运动形变的定量研究相对较少,仍需要进一步探讨。

GPS监测能提供高精度、大范围和实时的地壳运动定量数据,使得短时间内获取现代地壳运动形变成为可能,成为研究地壳现今运动形变的重要手段[14-17]。近些年来,芦山地震区所在的青藏高原东缘及邻区相继发生了一系列地震(如四川盐源地震、云南鲁甸地震、四川康定地震、四川峨边地震等)。因此,对青藏高原东缘现今地壳活动进行研究很有必要。本文利用芦山地震前(2012年4~6月)青藏高原东缘部分GPS测站及芦山地震后(2013年4~5月)24个应急观测测站的原始数据,采用 GAMIT/GLOBK软件进行处理,得到芦山地震震中周围地区同震位移场,以及2012~2013年欧亚参考框架的运动速度矢量场,分析芦山地震周围地区地壳运动形变,为龙门山断裂带现今活动、区域地震地质乃至青藏高原东缘地球运动学和动力学的定量研究提供有益借鉴。

图1研究区构造简图及GPS测站同震位移

图中简写代号为GPS测站名,具体地址如下:SHY.石棉县石灰窑;FSC.石棉县翻身村;SWS.康定市上瓦斯;ZDT.康定市折多塘;DABA.丹巴县;BMD.康定市八美镇;SKX.康定市色卡乡;XDQ.康定市新都桥镇;DFB.道孚县北;DFN.道孚县南;YJW.金川县;XJX.小金县;BXB.宝兴县陇东镇;BXN.宝兴县灵观镇;TQX.天全县;HYX.洪雅县;SLZ.雅安市上里镇;MJZ.松潘县岷江村;MXB.茂县;DJY.都江堰市龙池镇;SWP.汶川县;ZGL.理县;SJS.红原县刷经寺;CDHL.成都市黄龙溪镇

Fig.1Tectonic map, and observatories and coseismic displacement around the Lushan focal area, western Sichuan

1 GPS观测数据处理

1.1同震位移数据处理

同震位移数据处理采用GAMIT/GLOBK软件包的GAMIT软件进行。在数据处理过程中,采用了SOPAC中心的GPS精密卫星星历和全球站数据,并将中国地区的SHAO、BJFS、WUHN、URUM、KUMN、LHAZ几个IGS站数据加入到区域网站分析处理中,进行自由网平差,得到松弛解,经过相似变换得到地震前2012年和地震后2013年的ITRF2000坐标值,利用2013年坐标值与2012年坐标值之差,分别得到ITRF2000框架下测站东向、北向同震位移矢量分量。东向及北向位移矢量分量和,便得到GPS测站的整体同震位移大小及方向。

1.2运动速度矢量场数据处理

运动速度矢量场的数据处理采用GAMIT/GLOBK软件完成。首先,用GAMIT进行单日解算,得到测站坐标、位置轨道和地球定向参数等的松弛解;然后,用GLOBK进行多时段综合解算,以获得GPS网平差结果,并计算重复度及评估数据质量;最后,选定欧亚框架作为计算参考框架,得出参考框架下的测站运动速度。芦山地震震区位于青藏高原东缘,在计算时采用欧亚框架作为参考框架,于是得到芦山地震前后(2012~2013年)震区周围的欧亚参考框架GPS测站运动速度矢量场。

1.3断裂活动反演计算

断裂活动为断裂两侧地块的相对运动,断裂活动速度矢量实际为断裂两盘地块速度矢量差。在实际工作中,通常将断裂两侧地块内GPS测站代表地块,两侧地块GPS测站速度矢量东、北方向的速度矢量差,即为断裂的活动速度矢量分量。最后,根据速度矢量分量和求出断裂的运动速度和方向。在计算时,根据活动性强度,通常将活动性较弱的一侧地块作为参考(假设其静止不动),即:

VE=VE1-VE2

VN=VN1-VN2

V=VE+VN

其中,V 为断裂的运动速度矢量;VE、VN为东、北方向的速度矢量分量差,VE1、VE2、VN1、VN2分别为断裂两侧地块东、北方向的速度矢量分量。

2 计算结果及分析

2.1震区周围测站的同震位移

通过对原始数据处理,得到芦山地震周围GPS测站的东向和北向同震位移分量、整体位移量及位移方向(图1、表1)。震区GPS测站同震位移东向分量为-45.31~25.37mm,平均3.91mm,极值测站分别为BXN(宝兴县灵观镇)和BXB(宝兴县陇东镇)测站;同震位移北向分量为-25.76~9.38mm,平均-7.05mm,极值测站分别是BXB(宝兴县陇东镇)和HYX(洪雅县)测站;震区GPS测站震区GPS测站同震位移大小为 5.09~51.05mm,平均14.18mm,极值测站分别为TQX(天全县)和BXN(宝兴县灵观镇)测站;同震位移方向为74.0°~302°,平均151.1°,极值测站分别是MXB(宝兴县陇东镇)和HYX(洪雅县)测站。

表1研究区GPS测站同震位移

Table 1Measurements of the coseismic displacement from individual GPS observatories

测站同震位移量(mm)东向位移分量北向位移分量整体位移量位移方向(°)MJZ4.76-5.987.64141.5SJS3.89-9.8410.58158.4MXB12.93.7013.4274.0YJW5.67-3.786.81123.7ZGL13.83-3.3414.23103.5DFB8.36-4.899.69120.3DFN14.52-12.9019.42131.6DABA7.98-1.248.0898.8XJX-15.38-5.1016.20251.7SWP15.01-8.9417.47120.7DJY12.5-17.7221.69144.8SKX6.74-12.3614.08151.4BMD8.270.628.2985.8BXB25.37-25.7636.16135.4BXN-45.31-23.5151.05242.6SLZ-4.6-2.845.41238.3HYX-14.919.3817.62302.1CDHL8.5-7.4911.33131.4XDQ12.20-10.3015.97130.1ZDT2.48-7.197.61161.0SWS6.34-4.187.59123.4TQX4.83-1.615.09108.4SHY-2.80-9.389.79196.6FSC2.63-4.535.24149.8

由GPS观测站数据可以看出,芦山地震周围地区同震位移量总体不大,位移方向以SE方向为主。同震位移量和方向异常测站主要位于龙门山断裂带南段的震中周围小范围区域,极值测站也大多分布于此。特别是横穿龙门山断裂带南段次级断裂的横向剖面上,GPS测站同震位移变化最明显,其大小及方向都发生了显著变化。沿该剖面,同震位移除位于前、后山断裂与中央断裂间的BXB测站与区域南东向大体一致外,其它GPS测站同震位移方向都出现了异常。后山断裂北西侧的XJX测站、前山断裂两侧的BXN测站和SLZ测站同震位移为南西方向,而新津断裂西南侧的HYX测站同震位移与区域测站总体方向相反,为北西向。靠近震中的前山断裂西北侧BXN测站同震位移达51.05mm,为观测区最大值,而东南侧的SLZ测站同震位移仅为5.41mm,接近观测区最小值;离震中稍远的龙门山断裂带南段中央断裂西北侧的BXB测站同震位移36.16mm,为观测区第二大值;离震中更远的XJX测站和HYX测站同震位移分别为16.20 mm、17.62mm,移动量大小中等,相近观测区平均值。总体来看,芦山地震对地壳移动的影响主要集中于龙门山断裂带南段及两侧垂向范围内,震中附近西侧同震位移量大于东侧同震位移量。前山断裂东南侧SLZ同震位移较小及HYX测站的反向移动,可能与地震应力释放后的弹性回调有关。

图2研究区欧亚参考框架GPS测站速度矢量场(2012~2013年)

Fig.2Velocity vector fields of individual GPS observatories within the Eurasia reference framework (2012-2013)

2.2震区周围GPS测站速度矢量场

通过GAMIT/GLOBK数据处理,得到了芦山地震周围地区2012~2013年欧亚参考框架的测站速度矢量场(图2、表2)。测站速度场相对精度为10-8~10-9,绝对精度为mm/a级,能满足地壳运动形变研究的需要。

芦山地震周围GPS测站速率范围2.64~52.37mm/a,平均18.89mm/a,极值测站为SLZ(雅安市上里镇)和BXB测站。其中,测站东向速率范围-45.54~34.01mm/a,平均速率10.51mm/a,极值测站为BXN和BXB;北向速率范围-28.21~10.67mm/a,平均速率-7.66mm/a,极值测站为BXB和HYX;GPS测站的位移速度方向范围为85.5°~314°,平均为137.6°,极值测站是BMD(康定市八美镇)和HYX测站。

表2 研究区欧亚参考框架2012~2013年GPS测站位移速度

以上结果可以看出,震区周围GPS测站速度变化特征与同震位移具有相似性,运动速度大小和方向变化较大的GPS测站主要位于的芦山地震震中周围及穿过震中的龙门山断裂带南段横切剖面上,其它地区的GPS测站运动速度大小和方向变化不明显。以龙门山断裂带前山断裂为界,西侧测站运动速率明显大于东侧测站。中央断裂两侧的BXB和BXN测站运动速率特别大,分别达44.19mm/a、52.37mm/a,较观测区平均值大2~3倍;而东侧SLZ测站运动速率仅为2.64mm/a,比观测区平均值小16mm/a左右。最大运动速率BXN测站和最小运动速率SLZ测站分别位于震中两侧。不仅如此,沿横切剖面测站运动速度方向各异,由西向东,XJX、BXB、BXN、SLZ、HYX测站分别为SW向、SE向、SW向、SSW向、NW向。

2.3龙门山断裂带南段次级断裂活动性

表3龙门山断裂带南段各次级断裂的运动速率及性质

Table 3Displacement velocities and properties of individual secondary faults in the southern part of the Longmenshan fault zone

龙门山断裂带南段断裂采用测站西侧东侧速度差(mm/a)相对运动方向(°)断裂性质后山断裂XJXBXB49.66±3.90296.9左旋走滑兼拉张中央断裂BXBBXN79.58±3.3391.7右旋走滑兼挤压前山断裂BXNSLZ50.94±3.91242.9左旋走滑兼拉张

对欧亚参考框架测站运动速度矢量场进行反演计算,得到龙门山断裂带南段各次级断裂的运动速率及活动性质(表3)。计算结果可以看出,龙门山断裂带南段各次级断裂的位移走滑速度并不相同,后山断裂、中央断裂、前山断裂2012~2013年速度大小分别为49.66±3.90mm/a、79.58±3.33mm/a、50.94±3.91mm/a。

由此可见,受芦山地震的影响,龙门山断裂带南段后山断裂、中央断裂、前山断裂次级断裂的运动速度非常大,尤以中央断裂的运动速度为最大,中央断裂运动速度明显大于后山断裂、前山断裂运动速度。龙门山断裂带各次级断裂性质不同,中央断裂表现为右旋走滑兼有挤压特征,而后山断裂及前山断裂表现为左旋走滑兼有拉张特征。

3 讨论与结论

3.1讨论

龙门山断裂带不但是一条巨大断裂带,也是一条非常活跃的地震带,断层滑动以逆冲为主,兼具右旋走滑分量[18]。发生在断裂带西南段的芦山地震,是继汶川地震后发生在龙门山断裂带的又一次强烈地震,为逆冲型地震[19-20],是印度板块和欧亚板块碰撞挤压,在龙门山断裂带南段积累较高应力所致[21]。根据GPS观测结果,龙门山构造带南段的西侧运动速度明显大于东侧,证实了龙门山构造带现今活动为逆冲挤压。芦山地震发生后,野外地质调查未发现典型的同震地表破裂[22],地震震中位于龙门山构造带南段的前山断裂西南侧。前山断裂走向两侧余震的分布及前山断裂几何结构特征,说明前山断裂应该不是发震构造。徐锡伟[19]推测芦山地震属典型的盲逆断层型地震,发震构造为前山断裂东南侧的盲逆断层;李勇等[7]也认为芦山地震形成于龙门山前缘扩展变形带,发震断裂为大邑断裂,前缘扩展变形带滑脱面就是芦山地震的震源层。本文GPS观测结果也验证了这一点,在龙门山构造带南段横向剖面上,前山断裂东南侧SLZ测站以及新津断裂东侧HYX测站的地表同震位移及运动速度的大小方向变化异常,反映了前山断裂与新津断裂之间存在有次一级的断层,应为芦山地震的发震构造。

对于芦山地震的同震位移,许多专家进行研究并得出结果。武艳强等[23]利用龙门山断裂带及其附近的GPS观测结果,认为同震位移幅度不大,最靠近震中的GPS站位移最大,水平位移67.5mm。震中50km范围内同震形变波形清晰,最大震动幅度为70 mm,平均逆冲滑动量约0.60mm[24];杨国华等用GLONASS观测数据也得出震中周围同震形变场走滑量约50~70mm[25]。这些结果与本文的震中西侧最大同震位移量51.02mm相近,结果间的微小差异可能与GPS测站的位置有关。与其它方法得到的同震位移相比,约小于采用球正位错模型得到最大水平同震位移震中附近接近70 mm的结果[26]以及利用1nSAR技术与Radarsat雷达数据获得的芦山地震同震91mm最大滑动量[27],与使用远场体波资料反演获得最大滑动量159cm[28]及利用根据2010~2013年水准观测数据,震中同震位移场最大同震位移达到198.4mm[29]有较大差异。由此可见,芦山地震周围地区同震变形影响总体上不显著,地震对震中附近的影响相对明显[30]。

龙门山断裂带作为由多条次级断裂组成的断裂带,其次级断裂活动大小及性质一直受到人们的关注。地震地质研究表明,龙门山断裂在晚更新世以来(万年尺度)的活动强度相对较低,整个龙门山断裂带的滑动速率不超过2~3mm/a[31]。用地质方法得出的龙门山断裂中南段滑动速度为1~2mm/a、地貌法得出的为1~5mm/a[4];而地震前不同时段GPS监测得出龙门山断裂带现今运动速率也不大,运动速率一般都小于3mm/a,断裂带活动性质主要表现为挤压走滑断裂带[32-36]。根据本文GPS监测得到的结果可以看出,此次芦山地震使得龙门山断裂带南段断裂速度大小和性质发生了明显改变。龙门山断裂带南段的后山断裂、中央断裂、前山断裂的断裂运动速度由地震前的1~3mm/a增加到了50~80mm/a,增大了数十倍,表明芦山地震对龙门山断裂带南段及其断裂运动速度大小的影响还是相当明显的。不仅如此,受芦山地震的影响,次级断裂的活动性质也表现各异。根据GPS观测得到的活动性质,龙门山断裂南段运动速度最大的中央断裂表现为右旋挤压,这与地震前龙门山断裂带的活动性质一致。同时也得到了由地震的基本参数、余震分布、序列衰减等特征反映出震源力学机制显示为逆冲性质[37]结果的证实。前山断裂及后山断裂表现出具有拉张性质的左旋扭动,与其它结果有一些区别。杨国华等[25]研究得出,震中以西的测站主要为逆冲兼左旋走滑位移,走滑量略占优势。震中以东的测站的主要为逆冲兼右旋走滑位移,逆冲量略占优势。GPS测定同震形变研究表明,芦山地震逆冲兼具左旋走滑[23-24]。芦山地震附近的龙门山断裂带南段表现出这些运动形变特征,究其原因,是其次要断裂本身固有性质,还是与芦山地震打破区域动力学、运动学平衡,导致断裂带的断裂面破裂、应力释放、阻挡暂时消失、地壳弹性回调等以及余震、断裂两侧地块差异性升降等因素有关,还有待GPS测站进一步观测和综合研究分析加以证实。

3.2结论

根据计算结果及讨论分析,获得以下主要认识:

(1)芦山地震为逆冲型地震,地震发生在龙门山断裂带南段的前山次级断裂东南侧的小断层上。

(2)芦山地震对周围地壳运动的影响不大,主要集中在龙门山断裂带南段及震中附近区域。地壳运动速度及位移大小和方向的改变主要发生在龙门山断裂带横向剖面上。

(3)龙门山断裂带南段断裂活动复杂,在芦山地震过程中,各次级断裂的活动特征表现得并非一致,有着明显差异性。

(4) 芦山震区周围GPS测站同震位移、运动速度及龙门山断裂带次级断裂活动表现出的特殊性,还需要进一步研究。

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Coseismic displacement and movement velocity around the Lushan focal area, western Sichuan

TANG Wen-qing, ZHANG Qing-zhi, PAN Zhong-xi, LIU Yu-ping, YANG Cheng

(ChengduCenter,ChinaGeologicalSurvey,Chengdu610081,Sichuan,China)

Based on discontinuous GPS data from the micro-earthquake observatories before and after the Lushan earthquake in 2013, the coseismic displacement and velocity vector fields have been obtained around the Lushan focal area, western Sichuan. The coseismic displacement values range between 5.09 and 51.05 mm, with an average of 14.18 mm, and the movement velocities vary from 2.64 to 52.37 mm /a, with an average of 18.89 mm/a. Furthermore, the movement velocities of the secondary faults in the southern part of the Longmenshan fault zone have also been obtained in the light of velocity vector differences, including 49.66±3.90 mm/a for the back range fault, 79.58±3.33 mm/a for the central fault and 50.94±3.91 mm/a for the front range fault. The central fault exhibits dextral compressional movement, whereas the back range and front range faults display sinistral extensional movement. The authors conclude that the Lushan earthquake in 2013 may be interpreted as a thrusting event on the southeastern side of the southern part of the Longmenshan fault zone. The seismogenic structures are represented by the minor faults between the front range fault and Xinjin fault. The Lushan earthquake in 2013 only had an important effect on the southern part of the Longmenshan fault zone and the areas around the Lushan focal area.

Lushan earthquake; GPS monitoring; Longmenshan fault zone; coseismic displacement; movement velocity

1009-3850(2016)02-0105-08

2015-12-31; 改回日期: 2016-03-12

唐文清,男,研究员,主要从事活动构造与空间大地测量研究

中国地调局项目(No.1212011140013,No.12120113009800,DD20160272)

P315

A

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