2013年4月20日芦山M_S7.0地震是继2008年汶川地震后发生在龙门山断裂带的又一破坏性地震,中国地震台网测定震中位置为(30.3°N,103.0°E),震源深度为13 km,震源机制解的结果显示芦山地震为一次纯逆冲型地震(曾祥方等,2013)。芦山M_S7.0地震发生在龙门山断裂带的南段,地貌上为中高山区,第四纪盆地与地层不发育,顺地层发育一系列近平行的NE向断裂带。龙门山断裂带各条断裂南段自西向东分别为耿达—陇东断裂、盐井—五龙断裂、大川—双石断裂和大邑断裂。根据地形地貌资料和活动断层探测结果可知,耿达—陇东断裂和大邑断裂至今尚未发现明确的断错晚更新世—全新世剖面; 盐井—五龙断裂直接断错晚第四纪地层剖面只有五龙附近1个; 大川—双石断裂断错了晚更新世—全新世地层,一次事件的位错仅为0.3 m,且断面并不十分清晰,说明发生过的古地震事件震级应该不会太高(陈立春等,2013)。沿龙门山断裂带南段,历史上记载有1327年天全M_S≥6地震、1941年泸定—天全一带M_S6.0和1970年大邑M_S6.2地震共3次M_S≥6.0地震。在此地震构造背景下,研究人员利用不同的资料对芦山地震与汶川地震的关系进行了讨论(应丹琳等,2013; 王卫民等,2013),并且进一步探讨了龙门山断裂带尤其是其南段以及周边区域的危险性(单斌等,2013; 朱荣欢等,2013)。

水准测量作为认识地震破裂过程、了解地震前应力应变积累过程、揭示地震孕育过程的重要手段而受到广泛关注。芦山地震后,中国地震局迅速组织了“芦山M_S7.0地震科学考察”,中国地震局第一监测中心于2013年5月在四川西南部开展了部分一等水准测量工作。本文利用2010年8月和2013年5月水准测量资料,同时结合龙门山断裂带南段地震的活动性资料,分析了芦山M_S7.0地震前的应变积累情况,为认识芦山地震的孕震机理提供了参考。

2013年5月测量为一等水准测量,每千米偶然中误差约为±0.40 mm,测网位于龙门山断裂带最南端,部分处于龙门山断裂带与鲜水河断裂的交汇部位,主要包括3条测线,寨石线:甘谷地基(29.8°N,102.2°E)—石棉SCSM(29.2°N,102.3°E); 新雅线:甘谷地基(29.8°N,102.2°E)—雅安2033(30.1°N,103.1°E); 雅西线:雅安2033(30.1°N,103.1°E)—石棉SCSM(29.2°N,102.3°E),总长约425.7 km,该水准线路与2010年中国地震局第一监测中心在四川地区开展的一等水准测量部分测点重合,施测的具体范围见图1。

图1 龙门山断裂带南段地震地质情况及测线分布
Fig.1 The seismic geology condition and the survey line distribution in the southern segment of Longmenshan Faults

图2 芦山MS7.0地震前后宝兴跨断层水准变化
Fig.2 The changes of cross fault water leveling at Baoxing Station before and after Lushan MS7.0 earthquake

图3 测区垂直形变速率分布图
Fig.3 The distribution diagram of vertical deformation rate in survey zone

水河断裂带,为隆升区域,垂直形变速率约为1～5 mm/a(图4c)。C区(石棉—汉源)为沉降区域,垂直形变速率为0～-3 mm/a(图4e)。D区(汉源—荥经)为隆升区域,垂直形变速率不均匀,最大可达40 mm/a(图4g)。E区(雅安)为沉降区域,垂直形变速率约为-4～-6 mm/a(图4i)。测区内不同区域垂直形变速率不同可能

图4 垂直形变速率及地形剖面图
(a),(b)泸定—天全(A区)剖面;(c),(d)泸定—石棉(B区)剖面;(e),(f)石棉—汉源
(C区)剖面;(g),(h)汉源—荥经(D区)剖面;(i),(j)雅安地区(E区)剖面
Fig.4 Profile maps of vertical deformation rate and topographic (a)and(b)are profiles of Luding-Tianquan(A area);(c)and(d)are profiles of Luding-Shimian(B area);(e)and(f)are profiles of Shimian-Hanyuan(C area);(g)and(h)are profiles of Hanyuan-Yingjing(D area);(i)and(j)are profiles of Ya'an area(E area)

与其所处位置的构造背景有关,如A区隆升速率高于B区可能是因为A区处于逆冲作用强烈的龙门山断裂带上盘,而B区则处于以走滑运动为主的鲜水河断裂带附近。E区出现地壳沉降可能是该区域处于芦山地震余震的边界地带,受到芦山地震及其余震的影响而形成沉降。从整体上看,测网所覆盖的区域以相对隆升为主,隆升向NW向展布。值得注意的是汉源—荥经区域(D区)地壳垂直形变速率表现出明显的不均匀性,垂直形变速率与地形呈现出较强的正相关性,可能反映的是该区域的继承性隆升特点(图4i、j)。下文重点分析该区域主要断裂带区域(A区和B区)的应变积累情况。

王庆良等(2008)利用1970～2006年川西及邻区多期水准观测资料获得了川西地区近30年的长期地壳垂直运动速率,其中泸定—石棉区域(B区)相对于四川盆地的现今隆起速率为5.8 mm/a,泸定—天全区域(A区)垂直形变速率为2～3 mm/a,汉源—雅安区域(D区)为1～3 mm/a。焦青(2008)利用跨龙门山断裂的流动短水准测量资料分析了汶川地震前龙门山断裂的活动性,其中距离本次测网较近的双河和蒲江测点的垂直形变速率均小于1 mm/a。综合这些研究成果可知龙门山断裂带南段的垂直形变速率不高,为1～3 mm/a,靠近鲜水河断裂带区域的垂直形变速率相对较高。根据2010年和2013年两期水准测量结果,泸定—天全区域地壳垂直形变速率较汶川地震前有明显增大,达到6～9 mm/a,甚至更高,说明汶川地震使得龙门山断裂带南段地壳垂直变形加快,应变积累更加迅速。该区域地壳垂直形变速率加快,实际反映了该区域较汶川地震前遭受更强的挤压作用,这可能是由于汶川地震的发生导致锁闭的中北段解耦,巴颜喀拉块体向东的挤压运动更多的被依然锁闭的龙门山断裂带南段所吸收,从而增加了该区域的地震危险性,在一定程度上加速了芦山M_S7.0地震的发生,该结果与GPS观测到的汶川地震后龙门山断裂带南段垂直断层的压性应变的快速积累是一致的(吕志鹏等,2014)。王成虎等(2014)利用原地应力实测资料,结合震源机制解结果分析,认为芦山地震前研究区地壳应力处于摩擦极限平衡或者压平衡状态。芦山地震前,龙门山断裂带南段较高的背景应力场和较快的应变积累速率是此次破坏性地震发生的重要地球动力学背景。泸定—石棉区域地壳垂直形变速率较汶川地震前具有明显的降低,为1～5 mm/a,低于汶川地震前的隆升速度。

根据两期水准测量的结果,2010～2013年,天全、泸定和荥经区域垂直形变积累速率较高,考虑到芦山地震的同震位移和余震未对这些区域的应变积累造成影响,这些区域仍然具有较高的地震危险性。芦山M_S7.0地震后,高原等(2013)从地震地表破裂,同震位移场和库仑应力等角度对震后该区域地震危险性进行了分析。陈运泰等(2013)通过对地震构造、地震活动性、地震矩释放“亏空”区以及余震活动规律的分析,认为芦山地震的发生并没有显著地缓解龙门山断裂带南段的地震危险性,天全—荥经—泸定—康定一带存在发生M_W7.2地震的潜在危险。

本文利用2010年和2013年两期一等水准测量资料分析了芦山M_S7.0地震前龙门山断裂带南段的应变积累,为认识该区域断层活动性和地震危险性提供了参考资料。

(1)龙门山断裂带南段地壳垂直形变速率在汶川地震后明显加快,该断层上盘的隆升速率为6～9 mm/a,表明汶川地震的发生加速了芦山地震的孕育过程; 靠近鲜水河断裂带区域垂直形变速率为1～5 mm/a,低于汶川地震前的隆升速度。

(2)由于芦山地震并没有显著释放测区内积累的应变能,在现今地壳快速隆升的背景下测区内仍然具有发生破坏性地震的危险。

两次水准测量跨度3年,因此无法对2010～2013年某一特定时段的地壳垂直形变进行监测和分析。汉源—荥经区域(泥巴山)虽然表现出继承隆升运动特点,但汶川地震加速该区域垂直形变的结果显然不足以解释该区域异常高的形变速率,因此有必要在该区域继续开展更加深入的研究工作。