龙门山地理位置独特,西部与青藏高原腹地连接,东部与扬子地台相邻,是构造复杂、位置及其重要的川滇造山带和前陆盆地系统。在深部构造上,龙门山位于我国西部南区(青藏)幔拗区和中部深层构造过渡带,处于贺兰山—龙门山陡变带的南段,该带西北为青藏高原厚壳厚幔区,东南部为四川盆地薄壳薄幔区(李勇等,2009),是龙门山后山断裂、龙门山主中央断裂及龙门山前山断裂的组合。而龙门山前山断裂处于最东侧,又称灌县—彭县断裂,走向219°,西南端始于天全附近,向NE延伸经芦山大川、大邑双河、灌县、彭县通济场、安县、江油、广元插入陕西汉中一带消失(刘志成等,2013)。2013年4月20日芦山7.0级地震可能发生在龙门山前山断裂以东的隐伏断裂,破裂未达地表(陈立春等,2013; 武艳强等,2013)。在此之前,自1800年以来该区曾发生过4次中强地震,最大一次是1970年发生在大邑西边的6.2级地震(邓邵辉,2013; 易桂喜等,2012)。从空间方位上看,汶川8.0级地震震中位于汶川映秀,属龙门山主中央断裂(唐新功等,2012),以压性逆冲为主,属单向破裂地震,由SW向NE迁移,地震破裂南段以逆冲为主兼具右旋走滑分量,北段以右旋走滑为主兼逆冲分量,于彭县—灌县断裂发生了同震地表破裂,地表破裂南西起于都江堰向娥,NE延伸至安县桑枣,全长约82 km(吴小平等,2008; 张希等,2010a,b; 秦向辉等,2013; 姚琪等,2012; 张贵钢等,2011; 乔宝成等,2009)。因此两次地震形成了大川—映秀与安县—广元两个未破裂空区。由于芦山地震靠近龙门山前山断裂,笔者在该断裂上选取了两个剖面,并利用1999年以来的GPS水平运动速度场结果,通过高斯投影,研究了龙门山断裂在芦山地震与汶川地震的地表破裂区与未破裂空区的剖面变形特征与应变积累的分段差异性。

GPS剖面变形可以反映断裂两侧的应变积累特性与震前位移差异的变化。张培震等(2009)与张希等(2011a,b)对汶川震前跨龙门山断裂(发震构造)GPS剖面(断裂两侧一定范围内选点构成剖面)与长水准观测剖面(一条测线基本垂直于断裂走向、穿过断裂)的变形分析,都显示断层两侧数十至一、二百千米范围内有明显的位移差异变化,越靠近断裂,位移变化量逐渐减弱,呈现一种类似“S”或反“S”形特征。通过对所研究断裂两侧一定范围内GPS站点各期水平运动矢量差异的对比,来判断断裂两侧的相对运动方式,可以判定断裂上、下两盘挤压、拉张、走滑及能量的积累与释放等基本特性。在数据的选取上,应尽量多地采用断裂两侧的GPS站点,通常情况下选取断裂两侧各100～200 km的范围,选取范围如图1所示(南段天全至映秀,北段安县至广元)。

中国地壳运动网络工程项目1999年以来对龙门山断裂及其周围进行了GPS观测,后期利用GAMIT/GLOBK解算了相对欧亚板块的水平运动速度场结果,均方根差均值均小于2.0 mm/a,如图2所示。时间上,笔者选取了1999～2001年、2001～2004年、2004～2007年及2009～2012年4个时段; 空间上,选取了龙门山前山断裂天全—映秀段向断裂两侧各扩展100 km,安县—广元段两侧各延至160 km区域(考虑到尽可能多地选取剖面两侧的GPS站点,因此安县—广元段长度较天全—映秀段略长)。本文所用方法属于线性计算,计算前剔除了个别均方根差偏大的站点,笔者认为所获得的跨断裂剖面变化曲线的拉张、挤压、走滑等趋势特征在剖面的动态演化与应变积累分析中是有意义的。

图1 选取GPS剖面分布图
Fig.1 Distribution of the selected GPS sections

图2 分时段相对欧亚板块GPS水平运动矢量图
(a)1999～2001年;(b)2001～2004年;(c)2004～2007年;(d)2009～2012年
Fig.2 GPS horizontal movement vectors relative to Eurasia Plate during several periods

本文通过利用1999～2012年的4期GPS速度场数据,对龙门山断裂的动态演化与应变积累进行了分析,可以获得如下结论:

(1)在芦山地震之前的2009～2012年数据显示,龙门山前山断裂上盘压性速率远高于下盘,也大大高于1999～2007年,它是汶川地震后的应力调整过程,且西南端压性特征显著,兼顾右旋走滑,沿东北方向两盘压性减弱,右旋走滑特性逐渐增强,此调整过程也恰好反映了巴颜喀拉地块持续对东部四川盆地的挤压背景。

(2)龙门山断裂带南段大震的孕育与发生是由断裂两盘较高的压性应变积累到一定程度的结果,且同震过程中伴随着走滑特性。但汶川地震与芦山地震的发震间隔时间之短,不排除是汶川地震之后龙门山断裂南段区域应力场高值压应力的调整对此次芦山地震起到触发作用的可能性。