基于GNSS观测的泸定 MS6.8 地震震前变形演化特征研究

苑争一 赵静 牛安福

中国地震台网中心，北京 100045

0 引言

据中国地震台网中心测定，2022年9月5日12时52分四川甘孜州泸定县发生MS6.8 地震，震中位于102.08°E、29.59°N，震源深度16km。此次地震位于鲜水河断裂带南东段磨西断裂附近，震源机制解显示为一次走滑型破裂，与发震断裂的左旋走滑运动性质一致。鲜水河断裂带位于青藏高原东南缘，作为巴颜喀拉块体南部边界断裂带的东段、川滇菱形块体的东北边界，在调节印度和欧亚板块的碰撞与挤压作用中扮演着极其重要的角色(孙凯等，2021)，其动力作用和构造变形强烈，是中国大陆内部地震活动性最强的大型左旋走滑断裂带之一(潘佳伟等，2020；Molnar et al，1984；Allen et al，1991)。历史及仪器记录地震的统计结果显示，自1700年以来，鲜水河断裂带先后经历了1700—1816年和1893年至今2个大震活跃期，第一个活跃期造成了整个断裂带的破裂(Wen et al，2008；徐晶等，2013)；目前仍处在第二个活跃期，仅造成了西北段大部分和东南段小部分断层段的破裂，其中西北段先后发生了6次MS6.7 以上地震，泸定MS6.8 地震前东南段仅发生了1955年折多塘MS7.5 地震，并造成了30～35km的断层破裂，多处段落未发生MS6.7 以上地震(Papadimitriou et al，2004；赵静等，2015)。对鲜水河断裂带形变特征、地震危险性评估等方面的研究结果表明，该断裂整体呈左旋挤压运动，由于断层几何特征的差异，使得不同段的活动强度和力学性质有所差异，构造变形具有局部化特征(赵静等，2018；张文婷等，2020；白明坤等，2022)。地震是地壳运动引起的局部应力-应变高密度聚集、积累、释放和调整的一系列过程，地壳形变是地震活动在地表的直接响应(金阳等，2021)，因此结合GNSS观测资料，研究青藏高原东南缘主要活动块体及鲜水河断裂带构造变形的时空演化特征，有助于深化对泸定地震孕育机理及其动力学成因的认识，进而推动开展具有可操作性的地震预测实践。

1 鲜水河断裂带GNSS跨断层基线时序分析

GNSS单点时间序列易受参考框架、电离层、对流层等影响，而这些影响在一定程度上是相关的，因此需要找出一些有物理意义的、受共有误差影响较小的参数来描述地壳变形信息。GNSS基线通常以2个站点间的大地线表示，相对于单点的时间序列，不受参考框架的影响(Dong et al，2002；占伟等，2011；刘晓霞等，2015)。因其能够表示两站点间地壳的收缩或扩张，常通过分析正交或斜交于断层的基线时间序列，量化研究断裂带的张压和走滑运动特征(Ma et al，2022；郭良迁等，2009；Wu et al，2018)。从基线的时序曲线上来看，斜率为正表示距离增加，反之表示距离减小。

图1 鲜水河断裂带跨断层GNSS基线

2021年玛多MS7.4 地震后，巴颜喀拉块体内部的甘孜—小金、炉霍—小金基线时间序列加速压缩(图1(b))，表明巴颜喀拉块体北部边界断裂带受同震破裂影响，解耦后加速向南、东向运动。受其影响，鲜水河断裂南段—龙门山断裂西南段所围限的三岔口一带的地壳应变积累速率加快，可能与2022年以来的芦山MS6.1、马尔康MS6.0、泸定MS6.8 地震有关；而位于川滇菱形块体的理塘—甘孜、甘孜—九龙、炉霍—九龙基线时间序列拉张应变减缓，应变积累速率有所减缓，表明该区域的地震危险性相对减弱。另外，九龙—天全—越西构成的多边形时间序列以及理塘—天全—越西所围限的多边形应变时序显示，泸定地震震中附近区域自2018年后出现挤压和剪切应变速率减缓的趋势变化，表明震中区域存在一定的变形亏损，且应变积累程度较高(图2)。

图2 泸定震中附近的多边形应变时间序列

2 基于球面小波的多尺度应变特征分析

根据GNSS速度场求解应变场的方法大致可分为物理和数学两大类，物理方法主要基于位错理论或块体运动学模型，以速度场作为约束进行应变参数反演(张希等，2005；赵静等，2013；江在森等，2020)；数学方法则根据位移-速度微分关系，由速度场直接求解应变参数，常用的方法有球面最小二乘配置(江在森等，2010)、球面小波(Tape et al，2009)、Gussian加权内插法(Shen et al，2015)等。不同于板块边缘变形，受多个板块碰撞、俯冲、挤压共同作用下的中国大陆内部，孕震和动力学环境更为复杂，构造变形具有多尺度空间特征(徐克科等，2016)；另外，相关研究表明，板内与地震有关的形变和应变积累通常集中在断裂带附近几千米至几十米较窄的范围内(杜方等，2010)。球面小波方法因其空间和频率局部化的多分辨分析能力，应用该方法解算应变场，能凸显GNSS观测站非均匀分布的特征，获取不同空间尺度的地壳运动与变形信息(苏小宁等，2016)，有利于分析不同空间尺度下发生的地壳形变特征，在数据分布密度较高时获得小尺度局部形变的细部特征(金阳等，2021)。

如图3(a)中绿色箭头所示，本研究采用的ITRF2005参考框架下的GNSS速度场(2017—2020年)显示出研究区趋势性旋转运动显著。为获取不同块体及断层间的差异性地壳运动特征，通常采用具有3个参数的全局欧拉矢量法(牛之俊等，2002)模拟地壳运动趋势项，移除后以残余速度场作为球面小波方法求解应变参数的输入数据(高涵等，2018)。由于华南块体的内部变形较小，本研究假设其为刚性块体拟合欧拉参数，扣除整体旋转后得到相对于华南块体的速度场(图3(a)中红色箭头所示)，从中可以看出，沿川滇菱形块体东边界的左旋走滑运动显著，巴颜喀拉东南边界的龙门山断裂带运动受阻，呈现出挤压兼右旋走滑的运动特征。

图3 GNSS速度场确定的球面小波最大分解尺度

根据数据集合中GNSS观测站点的空间分布特征，利用空间扫描方法获得了研究区域最大分解尺度qmax的空间分布(图3(b))，结果显示研究区整体的最大分解尺度在5阶以上，对应的观测站点间距小于220.4km；只有个别区域能够达到测站间距为13.8km的9阶分解；测站间距为27.5km的8阶分解集中分布在川滇菱形块体东边界及三岔口区域，泸定MS6.8 地震震中附近的分解尺度为7阶。据此确定研究区的最大分解尺度qmax取为6～8，由研究区内站点的空间分布范围求得2L=727km，结合空间支撑与最小分解尺度的对应关系可以确定qmin=3(Tape et al，2009)。

分解尺度q取3～6时可以得到研究区的整体变形特征，面膨胀率的正值代表拉张，负值代表挤压，计算结果(图4(a))显示，挤压区集中分布于巴颜喀拉块体东南边缘的龙门山断裂带附近，与区域内逆冲型地震(图中用红色沙滩球表示)的空间分布具有较高的一致性；拉张区集中分布于川滇菱形块体内部及羌塘块体东边界，与区域内正断型地震(图中用绿色沙滩球表示)的空间分布具有较高的一致性。最大剪应变率的计算结果(图4(b))显示，高值区集中分布于块体边界断裂附近，尤其是川滇菱形块体东边界和龙门山断裂带中段至西南段，与区域内走滑型地震(图中用蓝色沙滩球表示)的空间分布具有较高的一致性；龙门山断裂带兼具挤压和剪切应变，构造变形强烈且复杂，中强地震活动性较强。利用球面小波方法得到的大尺度应变特征，与历史地震的震源机制解反映的区域构造应力场具有较高的一致性，表明了该方法用于求解地壳应变参数的可行性。

图4 球面小波方法解算的应变特征参数与历史地震震源机制(1) 震源机制解数据源自https：//www.globalcmt.org/CMTsearch.html(q取3～6)

分解尺度q取3～7和3～8时求得的应变参数具有较高的空间一致性，相对于q取3～6求得的应变特征参数，增加分解尺度后的应变场具有更高空间分辨率，能够反映出小区域范围的局部应变积累特征。以q取3～8求得的应变参数分析泸定地震周边的变形特征，如图5(a)所示，地震周边断层的主应变表现为NNE向拉张和NWW向挤压，震中处于面挤压和膨胀的过渡区；鲜水河断裂带不同段落的面膨胀率呈现出分段特征，龙门山断裂带则具有较高的一致性，统一表现为较强的挤压应变特征；如图5(b)所示，震中位于最大剪应变高值区的边缘，其北段的剪切变形较强，块体边界断裂剪切运动的局部弱化，表明了震中附近断层运动受阻，存在断层闭锁和应变积累增强的可能，与“走滑型地震多发生在最大剪应变高值区边缘与大型走滑断裂带的交会地带”的认识(武艳强等，2020)基本一致。

图5 球面小波方法解算的应变特征参数(q取3～8)

不同空间影响范围的地壳形变信息会在相应尺度的应变场中得以体现，小尺度应变场具有检测局部地壳形变信息的优势(徐克科等，2016)。为此，单独提取了分解尺度为7阶的NE向应变率(近垂直于鲜水河断裂带的应变分量)和最大剪应变率的空间分布。该尺度对应的空间范围约55km，与震源过程反演得到的泸定地震51km左右的同震破裂滑动范围大致相当(王卫民等，2022)。NE向的应变结果(图6(a))显示，近年来，泸定地震震中附近垂直于断层方向的拉张变形显著；最大剪应变的计算结果(图6(b))显示，震中处于剪切应变高值区的边缘附近，强剪切运动背景下的局部弱化现象依然存在，表明该尺度下震中附近仍表现为一定的闭锁特征。

图6 球面小波方法解算的应变特征参数(q=7)

3 结论

本文详细分析了2022年泸定MS6.8 地震前震中附近区域及其毗连的巴颜喀拉东南缘、川滇菱形块体东北缘的构造变形及其演化特征，取得以下初步认识：

(1)2021年玛多MS7.4 地震后，巴颜喀拉块体内部的甘孜—小金、炉霍—小金基线时间序列加速压缩，表明巴颜喀拉北部边界断裂带受玛多地震同震破裂影响，解耦后加速侧向运动；导致鲜水河断裂南段—龙门山断裂西南段所围限的三岔口一带的应变能积累速度加快，地震危险性增加，可能对该区域2022年以来发生的3次强震，包括芦山MS6.1、马尔康MS6.0、泸定MS6.8 地震，起到了一定的触发作用。

(2)小尺度应变参数反映出的局部细节变形特征显示，泸定MS6.8 地震处于大型走滑断裂带剪切应变高值区边缘的弱化带，表明震中附近断层存在运动受阻和应变能加速积累的现象，而垂直于断层的应变呈现出张性变化，表明断层正应力有减小的趋势，二者共同作用下的断层容易发生破裂，类似的断层段具有较高的地震危险性，为今后利用GNSS应变参数判断强震地点提供了一些参考依据。

(3)GNSS同震形变的空间分布结果显示，震中南侧的安宁河至则木河区域，同震响应较震中北侧弱(中国地震局地震预测研究所，2022)，结合震前断层闭锁反演结果显示的该区域断层处于强闭锁状态(赵静等，2015)，综合分析认为安宁河—则木河断裂带具有较高的地震危险背景。