红河断裂带是一条斜贯云南地区的超壳断裂带,走向北西转北北西,略向西南突出,呈弧形。它北起洱源附近,向南经沅江、红河县,过河口进入越南境内(虢顺民等,1996; 江娃利,1997),在云南省境内长达600 km。从几何结构和活动性上看,红河断裂带由北、中、南3段组成(张建国等,2001),是一条巨大的断裂带。与郯庐断裂带一样,红河断裂带因为其特殊的地质意义而成为地震地质学者认识板块相互运动、深部过程乃至大陆动力学的重要窗口(郝天珧等,2005)。张建国等(2009)、韩键等(1990)、虢顺民等(1984,1996)已对红河断裂带的地质构造特征、地壳活动性、应力活动特征等进行了大量的考察研究。但对于我国境内整条红河断裂带的研究相对较少,特别是利用大地形变测量进行整体研究的更少。笔者使用大地形变测量方法,利用红河断裂带附近两年多的GNSS基准站间基线时间序列数据对红河断裂带云南境内分段运动状态进行分析,来获取该断裂带近期的活动特征,以期为未来云南地区的地震活动性的分析研究提供参考。

近二三十年出现的GPS空间对地观测系统,为大范围研究地壳水平运动提供了强有力的工具。近十多年来,国内学者利用GPS观测资料研究中国大陆和主要活动断裂带的活动方式做出许多开创性的工作,取得了与地质模型基本一致的GPS地壳运动结果(王阎昭等,2008; 王庆良等,2002; 王恩宁等,2008; 申重阳等,2002)。于20世纪末建成的国家重大科学工程“中国地壳运动观测网络”(简称网络工程),在云南境内布设具有较高密度的GPS区域点,且进行了6期联测。利用这些观测资料,王阎昭等(2008)得出红河断裂带活动性不强的结论。张清志等(1998)获得在欧亚参考框架下的速度矢量图,其结果表明,在欧亚框架下,各测站的东向分量平均速度为3.726 mm/a,北向分量平均速度为-9.013 mm/a; 由北向南,各测站的北向分量速率值逐渐减小,由西向东,各测站的东向分量速率值逐渐减小; 测区内呈现明显的右旋拉张走滑运动,即云南红河地区地壳水平运动的特征以及断裂活动性质与构造地质相当一致。申重阳等(2002)则采用稳健贝叶斯最小二乘算法与多断裂位错模型,分析研究了云南地区主要断层运动的定量模型,结果也显示了红河断裂带活动以北段为最强烈,中段次之,南段最小。因观测条件所限,之前对红河断裂带的研究仅限于使用几期GPS流动观测的数据,且只侧重于红河断裂的中、北段。笔者利用GNSS基准站之间基线的时间序列,结合前人的分析结果,使用大地测量方法进一步对红河断裂云南境内部分在这一时期内的运动特征进行更细致的分析。

随着我国GPS观测技术的不断发展应用,国家重大基础设施建设项目“中国大陆构造环境监测网络”(简称陆态网络)从2007年开始建设,于2010年建成并投入试运行,至今已积累近两年的连续观测资料。全国共有“陆态网络”GNSS基准站260个,云南境内有27个,且沿主要构造分布,其中有10个基准站位于红河断裂带附近(图1),这些基准站大部分为基岩点,点位稳定性较好,观测条件也很好,观测数据的质量较高。

图1 红河断裂带附近GNSS基准站分布图
Fig.1 Layout of GNSS reference stations nearby the Honghe Fault Belt

笔者利用“陆态网络”2010年初至2012年4月的GNSS观测资料,采用GAMIT/GLOBK软件完成数据处理。数据处理的基本流程是利用GAMIT软件获得“陆态网络”云南境内27个基准站及中国大陆周围15个IGS测站的区域单日松弛解。GAMIT计算中加入中国大陆及周边地区的15个IGS站(BAN2、IRKT、KIT3、USUD、KUNM、BJFS、TSKB、TWTF、LHAZ、KHAJ、IISC、PIMO、URUM、SELE、WUHN)在相应时间段内的数据一并进行处理。计算中IGS站X、Y、Z坐标约束精度取0.05 m、0.05 m、0.05 m,“陆态网络”基准站经反复迭代计算求得精确的近似坐标后,X、Y、Z统一给定1.0 m、1.0 m、1.0 m的坐标约束,卫星轨道约束取10^-8。完成GAMIT的计算之后,利用GLOBK软件将SOPAC(Scripps Orbital and Permanent Array Center)给出的全球单日松弛解和计算所得的“陆态网络”区域单日松弛解进行联合平差计算,为消除IGS站强约束对区域基准站点位移可能带来的扭曲变形问题,笔者采用拟自由网无基准松弛约束方案,即对IGS站和区域基准站坐标和速度速率采用较为宽松的约束,其中,IGS站南北、东西坐标分量约束取值约0.050 m,垂直分量约束取值约0.100 m,IGS位移约束取值约为0.100 m。

地球椭球面上两点之间的距离可以分为直线距离和弧长距离(闫伟等,2007)。由于本文主要研究GNSS基准站间基线长度和方向的变化情况,所以采用赤道投影的计算方法来计算基线长度,即:

l=((x²₂-x²₁)+(y²₂-y²₁))^1/2.(1)

式中,l代表基线长度;(x₁,y₁)、(x₂,y₂)分别代表两点的地心坐标。

同理,采用基线水平投影的方向来表示基线方向:

a=arctan((y₂-y₁)/(x₂-x₁)).(2)

式中,a代表基线方向。

通过对红河断裂带附近的GNSS基准站间基线长度和方向变化特征的分析,我们可以初步得出结论:

(1)红河断裂带北段的基线主要表现为缩短,表明该段具有一定的走滑特性,这可能是由于青藏高原东缘向东南方向的挤出受到了红河断裂带的阻挡,基线缩短量被吸收了一部分。

(2)红河断裂带中段的基线总体表现为缩短,表明该段具有一定的压性。在2011年3月24日缅甸7.2级地震震前短时间内基线出现了不稳定的变化,缩短变化达十几毫米; 地震后该基线长度和方向均出现了较大的变化,表现为震后的调整过程,至6月份左右基本又恢复到了震前水平。这也说明,红河断裂带的中段对附近北东东向断裂的活动性影响比较敏感。

(3)红河断裂带南段不同位置的变化显得比较复杂,其两端均表现为压性,而在与小江断裂带交汇处,却表现为张性,这可能是由小江断裂的活动性所引起。红河断裂带南段总体为压性,从2012年以来出现了一定程度的反向变化,是否也表示红河断裂带的南段活动性开始增强,这需要对以后的资料进行跟踪分析,以印证这种变化的持续性和查找引起这种变化的原因。

总之,青藏高原东缘向东南方向的挤出受到了红河断裂带的阻挡,并被其吸收了一部分; 红河断裂带各段的GNSS基准站间基线长度和方向均出现了不同程度的变化,在一定时间段内还出现了反向和加急的趋势,这充分说明红河断裂带的边界断裂作用仍然存在,但其作用在逐渐减弱。