基于GNSS的青藏高原东北缘地壳运动场及强震趋势研究

张 楠,许文俊,王 静,谢 辉,李蒙亚,马 瑞

(宁夏地震局,宁夏 银川 750001)

0 引言

青藏高原东北缘各处主压应力的方向与该处受力边缘的走向接近垂直。来自印度板块的北东向推挤作用、鄂尔多斯块体的向西阻挡作用、阿拉善块体的滑移作用和塔里木盆地的阻挡作用,分别从四周对青藏高原东北缘提供区域动(阻)力。研究认为[1],该区域中的祁连断裂和毛毛山—老虎山断裂耦合程度较高,具有较高的中—长期强震危险性;海原断裂的耦合程度较低;六盘山断裂长期处于强闭锁状态。汶川地震发震构造的剧烈右旋逆冲运动导致西秦岭北缘断裂带挤压增强,引起闭锁。祁连山—海原断裂带最大剪应变率较高。东昆仑构造带东段和西秦岭构造带之间,包括东昆仑断裂带东段、塔藏断裂、迭部—白龙江断裂、临潭—宕昌断裂等,均显示出较高的最大剪应变率分布。近期青藏高原东北缘速度场研究结果显示[2],祁连山北缘断裂带、六盘山断裂的左旋走滑运动增强,逆冲运动减弱;海原断裂左旋走滑运动增强,逆冲运动减弱;西秦岭北缘断裂带西段的逆冲运动较弱,且持续左旋走滑;西秦岭北缘断裂带东段的闭锁增强,持续左旋走滑。祁连山北缘断裂带、六盘山—海原断裂带等的走滑运动,符合大构造背景下的局部应变增强条件。

本文基于前期青藏高原东北缘速度场、应变率场研究成果,将参与解算的数据延长至2018年12月,探讨该区域内部二级块体、主要活动断裂的应变累积情况和强震趋势。

1 青藏高原东北缘速度场

GNSS(Global Navigation Satellite System,全球卫星定位系统)为获取精细复杂的地壳形变信息、研究地质构造变形过程中的陆地变迁、获取推动环境和灾害演变的力量来源等提供了必要条件[3]。“边监测、边研究、边预报”“分层次、重过程”“立足形变动态特征、注重地震构造背景、增强物理力学基础、提升跟踪判断能力”等思路都是针对大地形变监测提出的[4]。CMTEMN(China Tectonic Environment Monitoring Network,中国大陆构造环境监测网络,简称“陆态网络”)是目前我国将GNSS技术应用于地学领域的最大规模的科学工程[5]。

为减少地震影响,本文速度场已去除MS6以上地震的同震位移影响[6],获得的1998—2018年速度场结果与该区域长期构造应力背景[7]基本一致。图1显示,2015—2018年,阿尔金断裂带中东部、阿拉善块体西南缘维持较低的运动速率,银川盆地持续拉张,阿拉善块体与鄂尔多斯块体间的地壳物质加速溢出。

2 青藏高原东北缘活动断裂滑动速率

本文解算了若干观测时段内青藏高原东北缘活动断裂两侧的GNSS站点速率的垂直向、水平向投影值,获得了近期活动断裂的滑动速率。图2中的方框是参与活动断裂速度投影的GNSS站点范围。图3～图11是用误差表示的活动断裂两侧GNSS站点的速度投影值,x表示站点距离断层的垂直距离,y表示速度投影值,绿线表示断裂所在位置。本文取速度向N/E为正,向S/W为负。红、紫、蓝、绿四色误差棒分别代表1998—2007年期、2009—2013年期、2013—2015年期、2015—2018年期内的站点速度投影值,误差棒长度代表速率大小。

图1 青藏高原东北缘速度场(欧亚基准)Fig.1 Velocity field in the northeastern margin of Qinghai-Tibet Plateau (Eurasian reference)

图2 参与断层两侧速度投影的GNSS站点分布(2015—2018年速度场作为背景)Fig.2 Distribution of GNSS sites involved in velocity projection on both sides of active faults (using velocity field 2015—2018 as background)

2015—2018年青藏高原东北缘活动断裂两侧的GNSS站点速度投影结果显示,阿尔金断裂中东段两侧,距断裂较近处的站点垂直速率分别是2.3 mm/a和3.2 mm/a,平行速率分别是6.6 mm/a和4.7 mm/a(图3)。祁连块体北边界西段两侧,距断裂较近处的站点垂直速率分别是2.7 mm/a和3.2 mm/a,平行速率分别是8.2 mm/a和5.1 mm/a(图4)。祁连块体北边界东段两侧,距断裂较近处的站点垂直速率分别是8.2 mm/a和6.2 mm/a,平行速率分别是8.1 mm/a和6.5 mm/a(图5)。庄浪河断裂两侧,距断裂较近处的站点垂直速率分别是9.0 mm/a和8.6 mm/a,平行速率分别是3.3 mm/a和7.7 mm/a(图6)。海原断裂两侧,距断裂较近处的站点垂直速率分别是1.4 mm/a和2.0 mm/a,平行速率分别是8.6 mm/a和8.3 mm/a(图7)。六盘山断裂两侧,距断裂较近处的站点垂直速率分别是3.7 mm/a和5.5 mm/a,平行速率分别是6.7 mm/a和7.8 mm/a(图8)。西秦岭北缘断裂带西段两侧,距断裂较近处的站点垂直速率分别是5.2 mm/a和5.9 mm/a,平行速率分别是10.1 mm/a和7.0 mm/a(图9)。西秦岭北缘断裂带中段两侧,距断裂较近处的站点垂直速率分别是2.7 mm/a和3.1 mm/a,平行速率分别是8.0 mm/a和6.5 mm/a(图10)。西秦岭北缘断裂带东段两侧,距断裂较近处的站点垂直速率分别是0.3 mm/a和0.6 mm/a,平行速率分别是8.5 mm/a和8.2 mm/a(图11)。

图3 阿尔金断裂中东段1998—2007、2009—2013、2013—2015、2015—2018期GNSS速度投影Fig.3 Projection of vertical and horizontal velocity of GNSS in the eastern segment of the Altun fault (1998—2007,2009—2013,2013—2015,and 2015—2018)

图4 祁连块体北边界西段1998-2007、2009-2013、2013-2015、2015-2018期GNSS速度投影Fig.4 Projection of vertical and horizontal velocity of GNSS in the western section of the northern boundary of Qilian block (1998—2007,2009—2013,2013—2015,and 2015—2018)

图5 祁连块体北边界东段1998-2007、2009-2013、2013-2015、2015-2018期GNSS速度投影Fig.5 Projection of vertical and horizontal velocity of GNSS in the eastern section of the northern boundary of Qilian block (1998—2007,2009—2013,2013—2015,and 2015—2018)

图6 庄浪河断裂1998-2007、2009-2013、2013-2015、2015-2018期GNSS速度投影Fig.6 Projection of vertical and horizontal velocities of GNSS in the Zhuanglanghe fault (1998—2007,2009—2013,2013—2015,and 2015—2018)

图7 海原断裂1998-2007、2009-2013、2013-2015、2015-2018期GNSS速度投影Fig.7 Projection of vertical and horizontal velocities of GNSS in the Haiyuan fault (1998—2007,2009—2013,2013—2015,and 2015—2018)

图8 六盘山断裂1998-2007、2009-2013、2013-2015、2015-2018期GNSS速度投影Fig.8 Projection of vertical and horizontal velocity of GNSS in Liupan Mountain fault (1998—2007,2009—2013,2013—2015,and 2015—2018)

图9 西秦岭北缘断裂西段1998-2007、2009-2013、2013-2015、2015-2018期GNSS速度投影Fig.9 Projection of vertical and horizontal velocity of GNSS in the western segment of the northern margin fault of Western Qinling Mountains (1998—2007,2009—2013,2013—2015,and 2015—2018)

图10 西秦岭北缘断裂中段1998-2007、2009-2013、2013-2015、2015-2018期GNSS速度投影Fig.10 Projection of vertical and horizontal velocity of GNSS in the middle segment of the northern margin fault of Western Qinling Mountains (1998—2007,2009—2013,2013—2015,and 2015—2018)

图11 西秦岭北缘断裂东段1998—2007、2009—2013、2013—2015、2015—2018期GNSS速度投影Fig.11 Projection of vertical and horizontal velocity of GNSS in the eastern segment of the northern margin fault of Western Qinling Mountains (1998—2007,2009—2013,2013—2015,and 2015—2018)

分别将各时段内分布在断裂两侧投影范围(图2)内GNSS站点的垂直向、平行向速度投影值取均值,将断裂两侧的速度均值之差,也就是断裂两侧的垂直向、平行向相对速度绝对值作为该断裂的倾滑速率和走滑速率估值(表1)。结果显示,2015—2018年,阿尔金断裂带中东段逆冲倾滑运动减弱;祁连块体北边界西段左旋走滑运动增强,东段逆走滑运动活跃;西秦岭北缘断裂带中段左旋走滑运动减弱,东段可能存在应力闭锁;海原断裂、六盘山断裂可能存在应力闭锁;庄浪河断裂左旋走滑运动增强。

表1 青藏高原东北缘主要活动断裂1998—2007、2009—2013、2013—2015、2015—2018期倾向、 走向滑动速率估值(单位:mm/a)Table 1 Estimation of slip rates in vertical and parallel direction of main active faults on the northeast margin of Qinghai-Tibet Plateau during 1998—2007,2009—2013,2013—2015,and 2015—2018 (Unit:mm/a)

3 青藏高原东北缘应变率场

应变率反映的应变累积与地震活动性和区域应力集中有关[8]。本文采用赋权差值算法模型[9],在研究区内建立0.5°等间距网格,选取网格点周围搜索半径100 km内4个以上GNSS测站的速度计算该点的应变率,不满足4个及以上测站条件的网格点不计算,得到青藏高原东北缘1998—2007、2009—2013、2013—2015、2015—2018期应变率等值线图(图12～15)。主张应变率低值区和第一剪应变率低值区基本重合,包括阿拉善块体西北部、鄂尔多斯块体南北两端以及华南块体。面应变率高值区包括阿拉善块体东部、鄂尔多斯块体中南部、巴彦喀拉块体东部、羌塘块体东部,以及华南块体东南部。

图12 青藏高原东北缘1998—2007、2009—2013、2013—2015、2015—2018期主张应变率等值线Fig.12 The principal tensile strain rate contours in the northeastern margin of the Qinghai-Tibet Plateau during 1998—2007,2009—2013,2013—2015,and 2015—2018

主应变率场(图12、图13)显示,2015—2018年,羌塘块体东部、巴颜喀拉块体中东部、祁连块体中部、阿拉善块体北部、陇中盆地构造区中北部处于张应变状态。祁连块体北、南边界和柴达木块体南边界西段处于压应变状态。祁连块体北边界、柴达木块体南边界西段、祁连块体南边界中段、阿尔金断裂带中东段的主压应变率分别是-2.6×10-8/a、-2.3×10-8/a、-1.6×10-8/a、0.4×10-8/a。西秦岭北缘断裂带西段的主张、主压应变率分别是0.9×10-8/a、-1.5×10-8/a。六盘山断裂走向上的主压应变率在(0.8～1.6)×10-8/a之间递增。庄浪河断裂的主张、主压应变率分别是0.9×10-8/a、-1.4×10-8/a。其中,阿尔金断裂带东段[(-1.5～-1.2)×10-8/a]、海原断裂东段[(-1.2～-1.5)×10-8/a]、祁连块体北边界中东段[(-2.6～-2.1)×10-8/a]、东昆仑断裂带西段[(-2.5～-2.1)×10-8/a]、庄浪河断裂北段[(-1.8～-1.5)×10-8/a]的走向均平行于小间距主压应变率等值线,这些区域可能存在应力闭锁。

图13 青藏高原东北缘1998—2007、2009—2013、2013—2015、2015—2018期主压应变率等值线图Fig.13 The principal compressive strain rate contours in the northeastern margin of the Qinghai-Tibet Plateau during 1998—2007,2009—2013,2013—2015,and 2015—2018

剪应变率场(图14)显示,祁连块体和阿拉善块体交界处、柴达木块体南部、巴颜喀拉块体中东部、羌塘块体东部位于第一剪应变率高值区[(1.6～2.5)×10-8/a]。阿尔金断裂带中东段的第一剪应变率是0.7×10-8/a。祁连块体北边界、庄浪河断裂的第一剪应变率分别介于(1.6～1.8)×10-8/a、(1.2～1.4)×10-8/a间。其中,西秦岭北缘断裂带东段[(0.3～1.2)×10-8/a]、海原断裂东段[(0.9～1.3)×10-8/a]、六盘山断裂北段[(0.3～1.2)×10-8/a]、东昆仑断裂带中段和西段[(1.5～2.1)×10-8/a]、祁连块体北边界西段和东段[(1.5～1.8)×10-8/a]、贺兰山东麓断裂南段[(0.6～1.2)×10-8/a]的走向均垂直于第一剪应变率的小间距等值线,这些区域可能存在应力闭锁。

图14 青藏高原东北缘1998—2007、2009—2013、2013—2015、2015—2018期第一剪应变率等值线图Fig.14 The first shear strain rate contours in the northeastern margin of the Qinghai-Tibet Plateau during 1998—2007,2009—2013,2013—2015,and 2015—2018

图15 青藏高原东北缘1998—2007、2009—2013、2013—2015、2015—2018期面应变率等值线图Fig.15 The surface strain rate contours in the northeastern margin of the Qinghai-Tibet Plateau during 1998—2007,2009—2013,2013—2015,and 2015—2018

4 青藏高原东北缘二级块体子块体应变率

根据青藏高原东北缘二级块体的边界走向、活动断裂走向,以及二级块体内部的GNSS站点分布情况,将研究区域划分出22个次级子块体(图16中绿线所围部分),再通过2015—2018年各子块体内部GNSS站点的速度获得子块体应变率及其中误差。结果显示,陇中盆地构造区北部、贺兰山东麓以北区域的最大剪应变率是4×10-8/a,该区域的主张应变率、面应变率均为3×10-8/a;陇中盆地构造区北部、靠近海原断裂的区域,其最大剪应变率为3×10-8/a;陇中盆地构造区南部、靠近秦岭北缘的区域,其最大剪应变率为5×10-8/a;陇中盆地构造区南部、靠近巴彦喀拉块体东边界的区域,其最大剪应变率、第一剪应变率、主张应变率、面应变率分别为7×10-8/a、6×10-8/a、6×10-8/a、4×10-8/a;陇中盆地构造区西部靠近阿尔金断裂带的区域,其最大剪应变率为3×10-8/a;陇中盆地构造区西部靠近庄浪河断裂的区域,其最大剪应变率为4×10-8/a;祁连块体中部的面应变率、最大剪应变率、主压应变率、第一剪应变率分别为-3×10-8/a、4×10-8/a、-4×10-8/a、3.8×10-8/a;柴达木块体西部的面应变率、最大剪应变率、主压应变率、第一剪应变率分别为-2.7×10-8/a、2.3×10-8/a、-2.5×10-8/a、2×10-8/a。

图16 青藏高原东北缘二级块体子块体Fig.16 Sub blocks of the secondary blocks in the northea- stern margin of Qinghai-Tibet Plateau

5 青藏高原东北缘跨活动断裂基线

要获得地壳上点与点之间的微弱动态运动,提取GNSS基线长度时间序列是途径之一[10]。图17黑色连线是本文选取的基线,图18是2010 —2018年“青海德令哈—甘肃安西”和“甘肃静宁—甘肃平凉”的长度时间序列。

图17 青藏高原东北缘跨活动断裂基线分布Fig.17 Cross-fault baseline distribution of the northeastern margin of the Qinghai-Tibet Plateau

图18 跨阿尔金断裂基线“青海德令哈—甘肃安西”和跨六盘山断裂基线“甘肃静宁—甘肃平凉”长度时间序列Fig.18 Time series of the length of "Delingha,Qinghai-Anxi,Gansu" baseline across Altun fault and "Jingning,Gansu-Pingliang,Gansu" baseline across Liupanshan fault

结果显示,跨阿尔金断裂带中东段的“青海德令哈—甘肃安西”缓慢压缩;跨祁连块体北边界西段、祁连块体北边界东段、庄浪河断裂的基线持续压缩;跨海原断裂的基线中,除“甘肃定西—宁夏海原”和“甘肃陇西—宁夏海原”表现为压缩,另外三条表现为拉张;跨六盘山断裂的基线表现为压缩,其中“甘肃静宁—甘肃平凉”经历反复拉张,但总体趋势为压缩。跨西秦岭北缘断裂带西段和中段的基线表现为拉张。跨西秦岭北缘断裂带东段的基线中,除“甘肃武都—甘肃静宁”和“甘肃武都—甘肃陇西”表现为拉张,其他五条持续压缩。

6 讨论

青藏高原东北缘及其两侧历史上发生过6次MS8.0以上地震,现代强震活跃。但从2008年5月12日汶川MS8.0地震到2018年底,青藏高原东北缘地壳活动水平较弱(MS7.0以上地震平静)。汶川地震后,该地区可能已进入新一轮强震活跃期,其地震活动性和地震时空分布规律,对地震监测、预报、预警工作提出了新的迫切要求。活动断裂滑动速率可以代表该地区断裂的长期背景性滑动速率,发生在大变形背景下的局部变形增强地区是地应力累积的变形闭锁地区,也是需要密切关注地壳运动场动态变化的地区[11]。为研究青藏高原东北缘主要活动断裂滑动速率的动态变化,本文在1998—2018年GNSS速度场基础上,获得其若干期估值。

青藏高原东北缘速度场反映了印度板块由南至北、由西至东挤压作用的衰减。1998—2018年间“陆态网络”活动断裂两侧GNSS站点的若干期速度投影和断裂滑动速率显示,祁连块体北边界运动活跃,东段的倾滑运动增强,西段倾滑运动有所收敛;西秦岭北缘断裂带东段的倾滑和走滑运动、六盘山断裂的倾滑运动接近停滞;阿尔金断裂带中东段、庄浪河断裂、海原断裂、六盘山断裂的倾滑运动减弱;以上结果和张培震等[1]、李煜航等[12]、崔笃信[13]、叶茂盛等[14]的研究结果接近。

2015—2018年期应变率场显示,西秦岭北缘断裂带地区的应变率场无显著方向变化,应变幅度减小。祁连块体东部、柴达木块体东部、陇中盆地构造区中部、海原断裂、庄浪河断裂、西秦岭北缘断裂带中西段附近的整体剪应变率有所降低,幅度约0.1×10-8/a。羌塘块体内部、巴颜喀拉块体中南部、陇中盆地构造区南部、祁连块体北部的主压应变率降低,幅度介于(0.1～0.2)×10-8/a之间。庄浪河断裂、柴达木块体东部的主压应变率增大,幅度约为0.1×10-8/a。面应变变化未发现异常。应变率场的变化在方向和数量级上和李承涛等[15]、吕志鹏等[16]、王晶晶等[17]的研究结果接近。

2010—2018年GNSS基线长度时间序列显示,2014年以来阿尔金断裂带的倾滑运动放缓;祁连块体北边界、庄浪河断裂、六盘山断裂持续逆冲倾滑;海原断裂持续左旋逆走滑;银川盆地持续拉张;西秦岭北缘断裂带西段和中段拉张,东段持续缓慢逆冲倾滑;2012年中至2013年中,“陇西—静宁”“定西—静宁”“陇西—平凉”“定西—平凉”加速压缩,可能与2013年7月22日发生在西秦岭北缘断裂带上的甘肃岷县、漳县MS6.6地震有关[10]。

综上,阿尔金断裂带中东段、祁连块体和柴达木块体交界、巴颜喀拉块体与羌塘块体交界、祁连块体南边界中部的逆冲倾滑运动,祁连块体北边界西段、庄浪河断裂的左旋走滑运动,西秦岭北缘断裂带东段、祁连块体北边界东段的左旋逆走滑运动等,都属于造成一定程度地壳变形的局部持续性应变积累活动。该结果与王双绪等[18]、邵志刚等[19]的研究成果接近。1990年共和MS7.0地震已经过去30余年,青藏高原东北缘的地震平静间隔接近1900年以来的最大间隔,未来2年发生MS7.0以上地震的可能性较高。2013年7月22日岷县、漳县MS6.6地震是1900年以来青藏高原东北缘第四组活跃期的第一个地震,可能预示一个延续17年,至少包含7次MS6.0以上,且有一次MS7.0以上地震的活跃时期。结合该测震学指标[20]和近年GNSS应变率场的动态变化,本文认为,在长期持续性的运动背景下,阿尔金断裂带东段、东昆仑断裂带中西段、祁连块体北边界、庄浪河断裂北段、海原断裂南段、六盘山断裂北段、西秦岭北缘断裂带东段可能存在闭锁,且这些区域是未来10年可能发生MS6.0以上强震的区域。