强烈地震大多是地壳块体边界带应变能积累到一定程度,导致断层发生错动,能量急剧释放的结果。因此,研究主要块体边界上应变积累的时空变化特点对该区域地震活动形势的把握至关重要。对于块体边界带运动的研究,一般采用对实测GPS水平运动速度场进行剖面分析获得(Shen et al,2005; 赵静等,2011),或者利用位错理论反演获得(申重阳等,2002; 张希等,2011)。用剖面分析方法能够比较实际客观的反映块体边界的真实运动,但其存在两个局限:(1)一般认为,弹性变形是地壳变形的主要方式。用剖面分析获得的块体边界运动可能包含了太过丰富的形变信息,而干扰了弹性变形信息的提取。(2)由于实际GPS观测点位的分布不均匀,对体边界带空间运动特征的把握不是很精细、准确,无法获得块体边界带空间上连续变化的运动。用位错方法具有明确的物理意义,但反演参数过多,未知假设对结果影响较大,且一般通过分段反演获得边界运动,不具有空间上的连续性。

因此,我们有必要对实际观测速度场进行滤波,获得其弹性变形分量。利用分离得到弹性变形场来进一步计算块体边界的倾滑运动,从而获得具有块体变形意义的边界运动特征。笔者引入李延兴等(2001)的均匀弹性块体变形模型,借助实际观测速度场,通过对每个块体运动参数和应变参数的反演来模拟块体的均匀弹性变形场,利用此变形场进一步计算块体边界的相对运动特征。通过对不同时段GPS资料的计算结果,分析块体内部应变状态的变化和块体边界运动特征的改变与强震孕育之间的关系,从而进一步探讨区域未来强震活动形势。

川滇区域构造复杂,强震活动频繁,是我国地震研究的天然试验场(徐锡伟等,2005),也是中国地震局强震危险性重点监测区域之一。该区域积累有多期GPS观测资料,许多学者利用GPS资料对该区域块体边界运动进行了研究(Shen et al,2005; 赵静等,2011; 申重阳等,2002; 王阎昭等,2008; 张希等,2011),但这些研究成果由于其所使用的模型方法的差异,存在不一致性。本文主要基于平面均匀弹性块体模型,对该区域地壳块体应变状态及其边界运动随时间变化特征进行研究。

李延兴(2001)提出了均匀弹性块体应变模型,该模型将块体看成是均匀的弹性块体,GPS观测获得的地壳水平运动速度场,既包含其刚性运动,又包含其内部发生的弹性变形,公式如下:

[V_e

V_n]=[-Rsinφcosλ -Rsinφsinλ Rcosφ

Rsinλ -Rcosλ 0][ω_x

ω_y

ω_z]

+[ε_e ε_en

ε_ne ε_n][(λ-λ₀)Rcosφ

(φ-φ₀)R].(1)

式中,V_e、V_n为块体上GPS测点实际观测南北向和东西向的速度; λ、φ为观测点经纬度; λ₀、φ₀为块体中心经纬度; ω_x、ω_y和ω_z为块体刚性欧拉旋转矢量; ε_e、ε_n和ε_en为块体东西向、南北向主应变率和剪应变率。

徐锡伟等(2005),吕江宁等(2003)利用形变资料及地质资料对川滇地区块体划分进行了研究,一般认为川滇地区可以做如下块体划分(图1):以鲜水河断裂—安宁河断裂—则木河断裂—

图1 川滇地区块体划分
Fig.1 Block division in Sichuan-Yunnan area

一般认为,较长时间段地壳水平运动速度场更能反映一个区域背景构造运动特征,为此首先使用郑文俊等(2009)给出的中国大陆1999～2007年地壳平均年运动速度(图2a)来进行块体应变参数和运动参数的估计,然后利用估计参数反算块体均匀速度场,并进一步计算块体边界的滑动和拉张速率,获得该区域一个相对较长时间段的块体应变状态及边界运动信息。使用该资料拟合的每个块体的残差中误差大都在1.6 mm/a内,和GPS速度中误差基本相当,拟合效果较好。每个块体残差中误差计算公式如下:

block_ew=((∑ⁿ_i=1(x^obs_i-x^value_i))/(n-1))^1/2,(i=1,2,……,n).(2)

式中block_ew为块体东西向残差中误差,x^obs_i代表块体上某点东西向的观测值,x^value_i代表块体上对应点东向的拟合值,n为块体内部GPS点的个数。块体南北向的残差中误差计算公式依此类推。

为了获得当前该区域的变形特征,我们搜集整理了中国地壳运动陆态网产出的2009及2011两期GPS观测资料,并用GAMIT-GLOBK软件进行了平差计算。获得了该区域2009～2011年最新速度场(图2b)。利用此资料依据上述原理进行了同样计算。这一时段GPS资料由于受到汶川地震震后、玉树地震同震的影响,块体内部的运动速度一致性不是很好,初次拟合残差较大。为此,我们将每次拟合残差大于3 mm/a的点删除,重新计算,经过3次循环获得了拟合残差在2 mm/a以内的点,即图2b中黑色箭头所示速度。红色箭头为删除的点,从图上可以看出删除的点基本上对块体的变形特征不会产生显著影响,其删除比例不足5%。因此,我们的计算能够反映该时段块体内部弹性变形特征,获得的块体边界运动也具有可靠性。

比较两个时段速度场可以发现,汶川地震震后龙门山断裂西侧,巴彦喀拉东部块体内部地壳缩短消失,龙门山断层闭锁已经解体。由于受玉树地震同震、汶川地震震后影响,巴彦喀拉块体向东运动增强,使得鲜水河断裂左旋运动明显减弱。此外,我们无法得到更多的信息,为此下面我们依据上述原理进行块体内部弹性变形和边界错动量的计算。

图2 1999～2007年(a)、2009～2011年(b)GPS速度场
Fig.2 GPS velocity fields from 1999 to 2007(a),and from 2009 to 2011(b)

为了突出块体内部的弹性变形,笔者利用反演得到的块体的运动参数和应变参数,计算各个块体均匀分布的运动场,并扣除以块体为基准的其刚性运动成分,从而得到以块体自身为基准的弹性变形场(图3),这一速度场更好的显示了块体内部的弹性变形。1999～2007年巴颜喀拉地块内部差异运动显著,主要以东西向挤压运动为主,反映了汶川地震孕震变形。川滇北部块体表现为以理塘—德巫断裂为界,呈左旋拉张的形态。川滇南部块体表现为近东西向的拉张为主。2009～2011年相比上一时间段,其变化主要表现在:由于汶川地震的发生,巴颜喀拉地块内部弹性变形显著减弱。川滇北部块体内的理塘—德巫断裂左旋趋势有所减弱,而张性运动增强。川滇南部块体由之前明显的近东西向拉张转变为以块体内部安宁河断裂中南段为界的左旋运动特征。

图4为根据两期资料计算得到的块体边界垂直于断裂走向的倾滑运动分量及每个块体的应变特征。从图4a可以看出,计算较好的反映了该区域的构造特征:在印度板块的推挤作用下,川滇地区的主压应变围绕喜马拉雅东构造结呈顺时针方向运动,这和该区域地壳沿东南方向挤出的构造背景是一致的,青藏高原物质的向东挤出与阿萨姆角NEE方向的持续楔入造成川滇地区东移,在东部相对稳定的四川盆地和华南块体的阻挡下,整个川滇地区沿鲜水河—小江断裂带由向东转为向南运动(张希等,2007; 方颖等,2006)。巴彦喀拉块体东部近东西向的压应变明显,表明该块体内部存在显著的应变积累特征。川滇块体南部主应变表现为以近东西向的拉张为主,面应变也显示该块体以张性为主。这种变形方式的机理需要我们进一步从动力学方面去认识。2009～2011年资料解算结果和1999～2007年相比,川滇块体北部、巴彦喀拉地块近东西向的主压应变明显减弱,川滇南部块体近东西向张应变方向转为北东向,且量值明显减弱,可能是玉树地震同震及震后、汶川地震震后地壳应力松弛调整影响所致。但两期资料均显示,滇东北块体呈现高应变积累状态。

块体边界相对运动的计算,根据边界两侧利用上述方法反演得到的块体运动参数和应变参数,反算获得边界点分属两个块体的运动速度,并对速度进行垂直于边界和平行于边界的投影,对投影结果进行直接相减,即可得到块体边界走滑和倾滑运动分量。

使用1999～2007年资料计算获得的块体边界垂直断层方向的倾滑运动显示:金沙江断裂、

鲜水河断裂南段—安宁河断裂—则木河—小江断裂北段、红河断裂表现为压性运动,但量值不大,基本在2 mm/a以内。比较两期资料计算结果可以看出,鲜水河断裂南段受到汶川地震及玉树地震的影响,由之前的压性转变为张性。龙门山断裂可以明显看出地震发生后,断层闭锁解体,表现出上盘相对于下盘的逆向错动。金沙江断裂压性显著增强,丽江—小金河断裂南段由之

图3 1999～2007年(a)、2009～2011年(b)川滇地区块体内部变形
Fig.4 Internal deformation of the block in Sichuan-Yunnan area from 1999 to 2007(a),and from 2009 to 2011(b)

图4 1999～2007年(a)、2009-2011年(b)块体边界倾滑分量和块体主应变率
Fig.4 The dip-slip component of boundary between the adjacent blocks and the main strain rate in blocks from 1999 to 2007(a),and from 2009 to 2011(b)

前的轻微压性转变为张性。则木河断裂—小江断裂北段由之前的压性转为张性,而位于则木河断裂和安宁河断裂交汇处的西昌跨断层短水准场地,自2009年以来出现跨断裂两侧垂直形变差异异常增大。

图5是两期资料计算得到的平行于块体边界的相对走滑运动。从较长时间段可以看出:整个区域块体边界走滑运动特征和地质上的描述基本一致,川滇菱形地块的东边界鲜水河—安宁河—则木河断裂—小江断裂表现为明显的左旋走滑,其走滑量值为5～10 mm/a,为地质构造上获得的全新世以来滑动速率的三分之二(徐锡伟等,2005),和利用剖面分析(赵静等,2011; 吕江宁等,2003; 沈正康等,2003)、利用位错模型反演得到的结果基本一致(张希等,2007,2011)。川滇块体北部和南部的边界,丽江—小金河断裂基本上也是以左旋走滑为主,其量值为2 mm/a左右。金沙江断裂基本以右旋走滑为主,但走滑量不大,为1～2 mm/a。红河断裂基本表现为右旋走滑,量值为1mm/a左右。整个区域从地表块体边界走滑运动来看,川滇菱形块体的东边界是构造活动最为强烈的区域,这和该区M_S7.0以上地震活动的空间分布较为一致。2009～2011年最新观测资料计算结果显示,整个区域块体边界走滑运动特征和前一时间段基本一致。差别主要体现在:(1)相比前一个时间段,该时间段川滇菱形块体的东边界左旋走滑速率明显减弱,特别是安宁河断裂和则木河断裂的交汇部位其走滑速基本上可以忽略;(2)金沙江断裂北段由之前的轻微右旋转为明显的左旋,红河断裂整体右旋增强。这些差异与该区域发生的几次中强地震紧密相关,特别是汶川地震和玉树地震。对该区域的变形特征,需要我们进一步结合孕震机理从运动学原理和动力学机制上去解释。此外,两期资料均显示,在川滇菱形块体东边界的安宁河—则木河断裂处,断层左旋滑动速率明显要低于东边界上其他位置,这可能揭示了该区域处于相对走滑受阻区域,有益于能量的积累。同时,两期资料计算结果均显示,其东侧的滇东北块体呈现高应变积累状态。因此该区域具备发生中强地震的形变背景。

图5 1999～2007年(a)、2009-2011年(b)块体边界走滑分量
Fig.8 The strike-slip component of boundary between the adjacent blocks from 1999 to 2007(a),and from 2009 to 2011(b)

本文主要将均匀弹性块体模型进一步发展,用于计算相邻块体边界运动。该方法和基于位错模型的断层运动的反演、模拟相比较,仅仅考虑地壳的平面弹性块体运动,并没有涉及三维断层参数的反演,具有一定的局限性,但实际观测的GPS速度场仅仅是地表的运动,用该方法具有反演参数较少、操作简单易行、能够获得连续变形的边界运动状况的优点。本文用此方法对川滇地区块体边界运动进行计算,和其他专家对该区域用剖面方法计算断层运动结果大体一致,说明这种方法具有一定的可行性。另外用于计算块体弹性变形的模型有很多种,每种方法都有各自的优缺点,如何选择最优的模型来进行弹性变形场的计算,也是需要进一步探索的问题。