基于GNSS的红河断裂中段现今变形特征

黄 勇 孟国杰 吴伟伟 程 旭

1 中国地震局地震预测研究所,北京市复兴路63号,100036 2 中国地震局地震研究所,武汉市洪山侧路40号,430071

印度板块和欧亚板块的陆陆碰撞与俯冲使得青藏高原大规模隆升,南北向地壳缩短,致使青藏高原内部及周缘发育了一系列活动断裂带[1]。红河断裂带位于青藏高原东南缘,是华南地块和印支地块的重要边界,在区域构造演化中起到至关重要的作用[2]。红河断裂带西北始于洱源,向东南延伸经弥渡、元阳进入越南,长度约1 000 km。新生代早期以左旋走滑运动为主,新生代中期由左旋走滑运动向右旋走滑运动转换,晚第四纪以来以右旋走滑运动为主。根据红河断裂带几何结构和地震活动特征,将红河断裂带分成北段(洱源-弥渡)、中段(弥渡-元阳)、南段(元阳-南海)3段。红河断裂带北段地震活动频繁,历史上曾发生多次6级以上强震,其中7级以上强震2次,分别为1652年弥渡M7地震和1925年大理M7地震;红河断裂带中段、南段地震活动较弱,尚未有6级以上强震记录[3]。

许多学者利用GNSS观测资料对红河断裂的现今活动性开展深入研究,但由于采用的GNSS资料和模型不同,不同学者获得的红河断裂带中段(弥渡-元阳)现今滑动速率结果存在显著差异[4-11]:Shen等[4]采用剖面法得到的红河断裂带中段右旋走滑速率为1±2 mm/a;王阎昭等[5]基于连接断层元模型反演得到的结果为0.3 ±1.3 mm/a;李煜航等[7]采用线性球面块体模型反演获得的右旋走滑速率为4.8±1.6 mm/a。随着数值模拟技术的不断发展,有限元模拟方法逐渐成为地壳形变研究的重要手段。与传统方法相比,有限元模拟方法可以更加细致地考虑区域介质的横向和纵向不均匀性,从而得到更为精确的活动断裂现今运动特征。

基于此,本文对中国地震局地震预测研究所在红河断裂带中段布设的GNSS连续站观测数据进行统一处理,并结合文献[12]中的GNSS速度场结果,获得红河断裂带中段及邻区更为完整的现今地壳运动速度场图像。根据川滇地区活动断裂分布建立研究区三维有限元模型,以红河断裂带中段及邻区GNSS速度场为约束,采用有限元方法研究红河断裂带中段不同段落的现今活动特性和变形特征,为区域地震危险性分析提供基础资料。

1 GNSS资料与处理

图1为研究区域概况。由于红河断裂带中段GNSS站点稀疏,为研究红河断裂带中段不同段落的现今活动特征,本文收集了中国地震局地震预测研究所2018年在红河断裂带中段加密布设的19个GNSS连续站观测资料。

GNSS数据处理使用Bernese 5.2 软件,采用IGS精密星历和地球自转参数进行数据处理,采用绝对天线相位中心模型改正天线相位中心偏差,采用全球海潮模型FES2004改正海潮引起的测站地壳形变。一阶电离层延迟采用无电离层线性组合改正,高阶电离层延迟基于全球电离层模型改正,对流层天顶延迟采用GMF模型。获得每个GNSS测站的单日解后,利用Bernese 5.2软件的平差模块对所有单日解进行整网平差,获得ITRF2008框架下的测站坐标和速率。此外,本文结合文献[12]中的GNSS速度场数据,利用七参数相似变换将上述GNSS速度场融合到统一参考框架下,获得红河断裂带中段及邻区更为完整的现今地壳运动速度场图像。最后利用文献[12]中的欧拉矢量,将测站在ITRF2008框架下的速度场转换到欧亚框架下(图2)。

2 模型与方法

2.1 三维有限元模型

选取100.4～104°E、22.5～25.4°N的矩形区域建立研究区三维有限元模型,模型东西长370 km、南北长322 km,模型厚度为80 km(图3)。在文献[13]的基础上,将研究区划分为5个活动地块,分别为滇中地块、滇中南地块、滇西南地块、华南地块和奠边府地块,每个活动地块在垂向上分为上地壳、下地壳和岩石圈上地幔3层介质。采用四面体单元进行网格划分,按照距断层面的距离设置单元大小,断层面附近单元长度为2 km,断层面远处单元长度为10 km,三维有限元模型共有804 135个四面体单元、139 792个节点。

图3 红河断裂带中段及邻区三维有限元模型Fig.3 Three-dimensional finite element model of the central segment of the Red river fault and adjacent region

2.2 模型物性参数与边界条件

本文三维有限元模型中的介质采用各向同性的线弹性材料。在PyLith中介质的弹性性质采用密度(ρ)、横波速度(VS)和纵波速度(VP)来描述。三维有限元模型中每层厚度和密度根据全球地壳模型Crust 1.0 提供的结果,每层的横波速度和纵波速度采用中国大陆岩石圈统一速度模型USTClitho2.0提供的结果。研究区三维有限元模型的物性参数如表1所示。

表1 三维有限元模型的物性参数

Wang等[12]利用多个观测网络1999～2016年GNSS资料解算获得中国大陆及周边地区现今地壳运动水平速度场。本文利用Wang等[12]发布的GNSS速度场插值获得有限元模型边界速度值(图4)。三维有限元模型的上表面为自由表面,下表面在垂直方向固定、在水平方向自由,侧面在水平方向固定、在垂直方向自由。

2.3 模拟方法

本文采用有限元程序PyLith模拟红河断裂带中段及邻区现今地壳变形。假定模型中所有活动断裂的倾角为90°,仅允许走滑分量和拉张或挤压分量存在[5],断层闭锁深度固定为16 km[14]。以GNSS实测速度场和模拟速度场之间的加权均方根误差WRMS为目标函数,采用网格搜索算法确定断层滑动速率最优结果。加权均方根误差WRMS的计算公式为:

(1)

式中,N为GNSS测站数,dobs和dmod分别为GNSS实测速度场和模拟速度场,σ为GNSS实测速度场的误差。

3 结果与讨论

3.1 断层滑动速率

红河断裂带中段及邻区GNSS速度场模拟结果如图5所示。从GNSS模拟速度场与实测速度场结果来看,除了断层附近少数GNSS站之外,绝大多数GNSS测站模拟速度场与实测速度场在大小和方向上具有较好的一致性。从残差图像来看,大部分GNSS测站的拟合残差位于误差椭圆范围内,表明GNSS速度场模拟结果和实测结果总体吻合较好。

红河断裂作为一条穿越云南的大型走滑断裂,与金沙江断裂共同构成川滇地块的西南边界。为深入研究红河断裂带中段不同段落的现今活动性,本文参考虢顺民等[15]研究结果,将红河断裂带中段(弥渡-元阳)划分为2个段落:弥渡-元江和元江-元阳,反演结果如表2(单位mm/a)所示。由表可见,红河断裂带弥渡-元江段右旋走滑速率为1.2±0.6 mm/a,挤压速率为0.6±0.5 mm/a;红河断裂带元江-元阳段右旋走滑速率为1.8±0.7 mm/a,挤压速率为1.5±0.6 mm/a。本文与文献[2-11]中红河断裂带中段不同段落的滑动速率结果对比如表2所示:

表2 红河断裂带中段不同段落的滑动速率结果

1)从走滑分量结果来看,本文反演的弥渡-元江段走滑速率与Shi等[3]((1.1±0.4)mm/a)、Shen等[4]((1±2)mm/a)、Hao等[6]((1.6±0.6)mm/a)、李长军等[9]((1.3±1.0)mm/a)和王君毅等[11]((1.6±0.2)mm/a)的研究结果基本一致,小于Allen等[2]((2～5)mm/a)、李煜航等[7]((4.8±1.6)mm/a)、徐文等[8]((4.29±0.79)mm/a)和鲁小飞等[10]((4.2±1.6)mm/a)的研究结果,大于王阎昭等[5](0.3±1.3 mm/a)的研究结果。元江-元阳段走滑速率与Hao等[6]获得的结果((1.6±0.6)mm/a)基本一致,小于李煜航等[7]((3.7±1.8)mm/a)、徐文等[8]((3.69±0.62)mm/a)、李长军等[9]((2.5±1.1)mm/a)和鲁小飞等[10]((2.8±1.8)mm/a)的研究结果。王君毅等[11]认为,元江-元阳段以左旋走滑运动为主,走滑速率为1.3±0.2 mm/a,与本文反演结果存在差异。

2)从拉张分量结果来看,王阎昭等[5]、Hao等[6]、李煜航等[7]、李长军等[9]和鲁小飞等[10]认为弥渡-元江段表现为拉张,而本文结果显示弥渡-元江段表现为挤压,与徐文等[8]给出的挤压速率(0.73±0.73 mm/a)基本一致,低于王君毅等[11]的挤压速率(1.9±0.3 mm/a)。Hao等[6]和李长军等[9]认为元江-元阳段以拉张为主,而本文结果表明元江-元阳段以挤压逆冲为主,与地质研究结果一致[15]。本文反演的元江-元阳段挤压速率与鲁小飞等[10]给出的结果((1.1±0.7)mm/a)基本吻合,低于李煜航等[7]((4.0±1.6)mm/a)、徐文等[8]((2.41±0.75)mm/a)和王君毅等[11]((3.0±0.3)mm/a)给出的挤压速率结果。

本文结果与前人研究结果存在差异的原因主要包括2个方面:1)在数据方面,本文在前人的研究基础上,在红河断裂带中段加密布设了GNSS连续观测站,提高了该区域GNSS观测数据的空间分辨率,能够较好地约束红河断裂带中段现今活动速率;2)在模型方面,与前人采用的块体模型相比,本文构建的三维有限元模型考虑了研究区横向及纵向上物质的非均匀性,能够获得红河断裂带中段更为准确的现今运动特征。

3.2 应变率场

图6为红河断裂带中段及邻区应变率场。由图6(a)可见,红河断裂带中段及邻区总体以剪切变形为主,剪应变率高值区主要沿活动断裂展布,研究区内小江断裂剪切变形较为强烈,最大幅度约为62 × 10-9/a;而红河断裂剪切变形相对较弱,该地区的最大剪应变率场分布与区域地质构造背景具有很好的一致性。由图6(b)可见,红河断裂带中段及邻区整体表现为微弱的拉张变形,而元江-元阳段挤压变形较为显著,挤压应变率值约为10 × 10-9/a。文献[9]研究结果显示,红河断裂带元江-元阳段处于强闭锁状态,该段地震活动性较低,具有发生强烈地震的背景。因此本文认为,红河断裂带元江-元阳段地震危险性值得进一步研究。

图6 红河断裂带中段及邻区应变率分布Fig.6 Strain rate in the central segment of the Red river fault and adjacent region

4 结 语

1)红河断裂带弥渡-元江段右旋走滑速率为1.2±0.6 mm/a,挤压速率为0.6±0.5 mm/a;红河断裂带元江-元阳段右旋走滑速率为1.8±0.7 mm/a,挤压速率为1.5±0.6 mm/a。

2)应变率结果显示,红河断裂带中段及邻区以剪切变形为主,小江断裂剪切变形较为强烈,最大幅度约为62 × 10-9/a,而红河断裂剪切变形相对较弱;面应变率显示,红河断裂元江-元阳段挤压变形较为显著,挤压应变率值约为10 × 10-9/a,该段落未来地震危险性值得关注。