青藏高原东缘扶边河断裂周边地壳密度及垂向构造应力特征

张国庆 祝意青 梁伟锋

(中国地震局第二监测中心，西安 710054)

0 引言

青藏高原自印度板块与欧亚板块50～60Ma前碰撞形成以来经过长期的地质构造运动，形成了地球上面积最广、海拔最高的高原，并持续向内陆扩张(Becketal.，1995；Roydenetal.，2008；Leaseetal.，2012)。青藏高原的EW向扩张运动受到四川盆地的阻挡，形成了龙门山逆冲断裂带。青藏高原的持续E向扩张，使得龙门山断裂带的构造活动异常活跃。龙门山断裂带是中国大陆地震发生率最高的地区，自1900年以来发生了大量6级以上强震(图1)。目前该地区的主要强震均集中在龙门山断裂的几条NE向主要断裂附近。龙门山断裂带西侧，即松潘块体内部存在剧烈的构造运动，但该区地震相对较少，其中松潘块体内部距离龙门断裂带附近的扶边河断裂是1989年小金M6.6地震后发现的一条隐伏断裂，该断裂的走向为NNW，长约40km(何玉林等，1997)。扶边河断裂的延伸方向存在地震空区，何玉林等(1997)认为扶边河断裂西南地区位于小金弧形构造带的弧顶区域，与该弧形构造带相邻的校场弧形构造带和金汤弧形构造带于1930—1991年发生了若干6级以上强震，其判断扶边河断裂西南及小金弧形构造带的弧顶区域具有发生强震的危险性。

图1 扶边河断裂及周边地质构造背景和重力、GPS观测剖面Fig.1 Tectonic background and gravity and GPS measuring profiles around the Fubianhe Fault.

地震是岩石圈内部构造应力长期积累，岩体突然发生断裂错动并进行应力释放的过程。研究地球内部的应力状态对深入了解地震孕育和发生机理具有重要意义。随着现代大地测量技术的发展，深入研究地壳区域的应力场已成为可能。高尚华等(2016)和佘雅文等(2017)提出了一种利用实测重力和GPS数据研究垂向构造应力的新方法。一些学者利用该方法研究了不同地区的地壳均衡特征，所得结果对深入了解区域地壳的隆升机制起到了重要的促进作用(Fuetal.，2017；Sheetal.，2020；Zhaoetal.，2021)。此外，垂向构造应力的分布和地震发生的位置及深度具有一定关系：高尚华等(2016)发现，2008年汶川MS8.0 地震和2013年芦山MS7.0 地质均发生在垂向构造应力变化的高梯度带上；佘雅文等(2017)统计了垂向构造应力与地震深度的关系，认为垂向构造应力为正(方向向上)时易发生浅源地震，而垂向构造应力为负(方向向下)的区域易发生深源地震。

地震的孕育和发生必然引起震源区和外围地区一定范围内的地球物理场发生变化，尤其是地球重力场的变化。流动重力观测方便快捷，能快速获取伴随活动断层物质迁移和构造变形引起的重力效应(祝意青等，2018)。重力监测是地震前兆观测的一种重要手段，中国大陆流动重力数据已探测到诸多强震震前的区域重力变化(Zhuetal.，2018；祝意青等，2020)。祝意青等(2020)认为大地震易发生在与构造块体边界有关联的重力变化正、负异常过渡区的高梯度带上、重力变化零值线及重力变化四象限的中心附近，并在2008年汶川MS8.0 地震和2013年芦山MS7.0 地震中得到验证。

为了分析龙门山西部、扶边河断裂及周边地区地壳的垂向应力分布及区域稳定性，我们在马尔康—小金地区布设了2条重力和GPS观测剖面(图1)，反演了该地区的地壳密度结构及垂向构造应力分布特征，并分析了该地区的变形机制。最后，结合区域构造特征、历史发震情况及2018—2021年3a尺度的区域重力场变化特征，分析了该地区的地震危险性。

1 重力和GPS观测及数据处理

GPS观测使用Leica GX1230双频GPS接收机和配套的Leica1202天线，为保证垂向观测精度，每个测点的观测时间不少于40min，采样间隔为30s，采用西班牙加泰罗尼理工大学提供的gLAB精密单点定位(ppp)软件对观测数据进行数据解算处理，该软件的核心算法是利用双频观测的无电离层线性组合(L3)，通过最小二乘法和卡尔曼滤波估算测点的点位坐标。在进行数据解算时对对流层干延迟部分采用已有的模型进行改正，将湿延迟部分当作未知参数求解；解算还加入了固体潮改正、相位缠绕改正、相对论改正和卫星钟漂移改正等。按照以上方法进行处理后，此次GPS观测数据的垂向最高精度为1.1cm，最低精度为16.0cm，平均高程精度为5.6cm，保证了亚分米级的高程精度。

利用处理后的重力和GPS数据计算马尔康及周边地区的重力异常。首先，以WGS-84椭球面为参考面对重力数据进行归算，并进行相应的气压和大气改正，获取了2条观测剖面测点的自由空气异常，具体的计算公式为(Heiskanenetal.，1967)

(1)

(2)

δgA2=0.87e-0.116[(H/1000)1.047]

(3)

(4)

(5)

其中，gi为地面重力观测值(i=1，2，…，N，N为观测总点数)，δgA1为自由空气改正，H为测点高程，δgA2为大气改正，γ为观测点对应观的正常椭球重力，γe为WGS-84参考椭球赤道处的正常重力，γp为对应两极处的正常重力，φ为地理纬度，e为WGS-84参考椭球的扁率。

图2 实测重力异常与EGM2008模型结果的对比Fig.2 Comparison between the measured gravity anomalies and EGM2008 model.

图3 马尔康—小金地区2条剖面的重力异常与密度结构Fig.3 Gravity anomalies and crustal density structure along the AA′ and BB′ profiles.

2 扶边河断裂周边的地壳密度及垂向构造应力

基于上文计算的重力布格异常数据和GPS观测结果，本文反演并计算了2条剖面的地壳密度结构和垂向构造应力。首先采用上文经处理获取的沿观测剖面的布格重力异常，以二维多边形棱柱体模型为正演模型(Talwanietal.，1959)，采用非线性最小二乘方法(Marquardt，1963)反演2条观测剖面所在区域的地壳密度结构。初始模型参考Zhang等(2014)和杨光亮等(2015)利用分别穿过马尔康和小金的大尺度重力剖面反演获取的密度结构，最终获取的马尔康—小金地区的地壳密度结构特征如图3 所示。结果显示，研究区的莫霍面深度约为60km，马尔康周边地区的莫霍面较平缓，小金周边地区自西向东莫霍面逐渐抬升。Wang等(2017)利用接收函数叠加(H-k)方法反演了青藏东北缘及周边地区的莫霍面深度；Zhao等(2017)利用深地震反射和重力数据反演了南北地震带的地壳密度结构，两者在马尔康—小金地区获得的莫霍面深度为57～61km，与本文结果一致。

本文利用实测布格重力和GPS数据计算了2条观测剖面的垂向构造应力。利用GPS观测高程结合Ariy均衡模型计算了剖面均衡面深度，然后结合前文反演获得的莫霍面深度，采用高尚华等(2016)和Fu等(2021)的方法计算了剖面垂向构造应力。均衡面及垂向构造应力的计算公式为(Fuetal.，2021)

(6)

(7)

其中，H1为Ariy均衡面深度；H为地形高度；ρt为归算面以上的密度；Δρ为壳幔密度差异(地幔物质密度减去地壳物质密度)，本文取330kg/m3；H0为均衡地壳的厚度，在此取40km；Fv为地壳垂向构造应力；H2为莫霍面深度。需要指出的是，H、H1和H2均取向上为正。

利用上述方法计算2条观测剖面垂向构造应力如图4 所示。从图中可以看出，马尔康—小金地区周边的地壳整体受到的垂向构造应力均向上，小金东部存在局部向下的较小的垂向构造应力，该区域位于四姑娘山地区。图中灰色圆点表示剖面两侧30km范围内1970—2021年发生的MS>3.0地震在剖面处的投影。研究区域内地壳的垂向构造应力整体向上，分析认为是由于松潘块体向E挤压并受到四川盆地的阻挡，产生了向上的垂向构造应力，且青藏高原东缘的抬升主要由挤压隆升所致。AA′剖面所在地区以扶边河断裂为界，西部区域的垂向构造应力较扶边河断裂东部区域偏小，然而扶边河断裂西部地区的地震明显多于东部地区；BB′剖面所在区域的垂向构造应力与AA′剖面类似，即地震发生较多的地区垂向构造应力较小，地震发生较少的地区垂向构造应力较大，这是由于地震的发生释放了部分地壳内部积累的应力导致。穿过马尔康的剖面AA′以扶边河断裂为界，断层两侧地震的发生和垂向构造应力出现明显差异，扶边河断裂西部的地震较多且垂向构造应力小于东部，说明扶边河断裂隔断了断层两侧的应力状态。与之类似，穿过小金的观测剖面(BB′)存在垂向构造应力变化梯度带，且梯度带两侧的垂向构造应力和地震的发生存在明显差异。因此，本文认为垂向构造应力梯度带下部可能存在扶边河断裂向SW延伸的隐伏断层，该猜想需结合其他大地测量和地球物理方法进一步确认。

图4 马尔康—小金重力剖面的垂向构造应力分布Fig.4 Isostatic additional stress patterns along the AA′ and BB′ profiles.

3 地震危险性分析

图5 2018—2021年小金及周边地区的区域重力变化特征Fig.5 Spatial characteristics of gravity changes from 2018 to 2021 in or around Xiaojin.1—5 倒转断裂、走滑断裂、引张断裂、扭转断裂、挤压断裂；6 地震的震级和发震时间；7 地震的位置和大小；8 重力观测点位；9 剖面重力观测点位

综上所述，本文比较了小金东部地区垂向构造应力、构造带特征及2018—2021年流动重力值的空间分布特征，结果表明小金东部地区存在发生中强地震的潜在危险性。

4 结论和讨论

本文利用马尔康—小金地区2条重力和GPS观测剖面的数据计算了扶边河断裂周边的重力异常，并反演了该地区的地壳密度结构及地壳受到的垂向构造应力，分析了该地区的隆升机制；同时，结合垂向构造应力、地质构造特征、历史发震情况及2018—2021年区域流动重力数据资料分析了该地区的地震危险性，得到的主要结论如下：

(2)本文利用Ariy均衡理论计算了该地区的均衡面深度，并结合上文反演的莫霍面深度计算了该地区的垂向构造应力。结果显示，该地区地壳受到的最大垂向构造应力约为20MPa，方向向上，认为是由于松潘块体向E挤压并受到四川盆地的阻挡，故产生向上的垂向构造应力，且青藏高原东缘的抬升主要由挤压隆升所致。穿过马尔康的重力剖面数据显示，扶边河断裂以东地区的地震较少，以西地区的地震较多；扶边河断裂以西地区的垂向构造应力大于东部，出现这种现象是由于地震的发生引起地壳内部的应力释放，同时受到扶边河断裂的隔断，使得断层两侧的垂向构造应力不一致。此外，穿过小金的重力剖面显示小金东部存在明显的垂向构造应力高梯度带，梯度带两侧的垂向构造应力与地震的关系与上述剖面一致。本文认为该垂向构造应力梯度带的位置可能存在隐伏断裂，需要结合其他观测手段进一步探索。