位于南北地震带北段的陇西块体是被青藏高原及海原—六盘山断裂带围限的菱形块体,周围分布着海原—祁连山断裂带、六盘山断裂带、庄浪河断裂带和西秦岭北缘断裂带等(田勤俭等,2002),其中海原—祁连山断裂带以强烈的左旋走滑为特征,兼具由南向北的逆冲分量; 六盘山断裂带位于海原—祁连山断裂带的东端,以挤压逆冲运动为主,其北段兼具左旋走滑运动; 西秦岭北缘断裂带为一条大型左旋走滑断裂(袁道阳等,2004); 庄浪河断裂带以挤压运动为主,右旋走滑运动并不明显(侯康明等,1999; 袁道阳等,2002)。综合考虑地震发生时间和中长期预测的时间尺度,南北地震带北段可能发生M_S≥7地震的6个破裂空区中有4个位于陇西块体内部及周边(M7专项工作组,2012); 根据近400多年M_S≥6.5地震的应变能累积释放速率估计,南北地震带北段目前的应变能积累相当于一次8级地震所需能量,因此存在发生M_S≥7大地震的危险背景(M7专项工作组,2012); 陇西块体周边历史上曾发生过包括1920年海原8.5级地震在内的多次7级以上强震,但自1955年以来,其周边地区仅发生了1990年青海共和7.0级地震,强震背景突出; 汶川地震后,陇西块体及周边区域应变积累增强,其中2013年岷县漳县M_S6.6地震发生在陇西块体南部临潭―宕昌断裂附近,2016年门源M_S6.4地震发生在陇西块体西北部冷龙岭断裂附近。因此汶川地震后陇西块体周边断层的闭锁程度、运动特征、强震危险段落的判定等成为亟待解决的科学问题,有必要对其进行研究。

地壳内部断层闭锁深度、不同位置的闭锁程度和滑动亏损分布会对地壳表面尤其是断层附近区域的变形产生很大影响,它们是影响发震断裂带应变积累的重要因素,因此能在很大程度上反映断裂带的地震危险性(赵静等,2015)。鉴于此,本文利用1999～2007年、2009～2013年两期中国大陆GPS水平速度场数据,研究了汶川地震前后陇西块体周边断层的闭锁程度和滑动亏损空间分布等动态变化特征,并将震前和震后结果进行对比分析,从不同时空尺度讨论了汶川地震对该区域断层的可能影响; 最后结合地震空区分布、b值剖面、GPS站速度剖面及高应变能积累断层等结果综合分析判定了陇西块体周边断层的地震危险段。

本文反演采用DEFNODE程序(McCaffrey,2002,2007),该程序假定块体内部点的运动为块体旋转、块体内部整体均匀应变及块体边界由于断层闭锁产生的滑动亏损而引起的地表弹性变形之和。若块体内部不存在整体均匀应变,理论表达式如下:

V_i(X)=Σ^B_b=1H(X∈Δ_b)[_RΩ_b×X]·i

-ΣFk=1ΣNkn=1Σ2j=1φnkGij(X,Xnk)[hΩf×Xnk]·j.(1)

式中各参数的定义参考McCaffrey(2002)和赵静等(2012)文献。

若块体内部存在整体均匀应变,应变率的计算采用Savage等(2001)给出的式(2)。此时模型原理为式(1)加式(2),其中式(2)表示块体内部均匀应变引起的速度量值大小。

[(V_λ)/(V_θ)]=[(Rsinθ₀Δλ)/0(RΔθ)/(Rsinθ₀Δλ)0/(RΔθ)][ε^·_λ

ε^·_λθ

ε^·_θ].(2)

式中各参数的定义参考赵静等(2013b)文献。

利用GPS水平速度场数据反演块体旋转、块体内部均匀应变和断层闭锁程度等参数的过程中,参数拟合的不符值可由式(3)表征,其中各参数的定义参考McCaffrey(2002)和赵静等(2012,2013a)文献。

χ²_n=[Σⁿ_i=1(r_i/fσ_i)²]/dof.(3)

为得到使χ²_n达到最小的一组最佳参数值,本反演程序使用网格搜索和模拟退火算法求解,并通过不断改变f值大小进行逐步择优,寻求最满意的f值,进而保证χ²_n≈1,此时模型能够最佳地解释观测数据。

根据相关研究成果(葛伟鹏等,2013; 虢顺民等,2000; Loveless, Meade,2011),研究区域以海原—祁连山断裂带、六盘山断裂带、庄浪河断裂带和西秦岭北缘断裂带为中心,包含陇西块体、鄂尔多斯块体、西秦岭块体、西宁块体、阿拉善块体、祁连山块体,其中祁连山块体是一部分,并未包含整个地块(图1,红色粗线代表建立模型时包

图1 陇西块体周边区域两期GPS速度场结果与主要断层
Fig.1 The two periods of GPS velocity field and main faults around the Longxi Block and its adjacent area

含但最终结果并未给出的断层)。

GPS速度场约束方面,1999～2007年有180个GPS测点参与反演; 2009～2013年有218个GPS测点参与反演。反演过程中,沿各条断裂带走向共有6条等深线,深度依次为0.1、5、10、15、20和25 km。

断层结构设置时,以李强等(2014)、万永革等(2009)和张希等(2003,2005,2007,2008)的研究成果为主要参考,其中张希等(2003,2005,2007,2008)对本文研究区域进行了长期的跟踪研究,因此其断层模型对本文中断层结构设置具有较高的参考意义; 同时还参考构造地质研究成果(王永成,刘百箎,2001; 向宏发等,1998)、深地震测深剖面结果(李英康等,2014; 王海燕等,2012)、地壳电性结构研究结果(金胜等,2012)和MapSIS软件中有关断层结构信息。综合分析上述研究结果,断层结构设置如下:六盘山断裂每条等深线上有4个节点,断层倾角为45°; 毛毛山—老虎山—海原断裂每条等深线上有10个节点,断层倾角为50°; 西秦岭北缘断裂每条等深线上有12个节点,断层倾角为60°; 庄浪河断裂每条等深线上有6个节点,断层倾角为60°; 河西走廊北侧断裂与武威—天祝断裂每条等深线上有13个节点,断层倾角为40°; 托莱山—冷龙岭—金强河断裂每条等深线上有5个节点,断层倾角为50°。具体不同学者所得到的断层倾角见表1。

表1 断层倾角
Tab.1 Dip angle of the fault

本文将断层闭锁程度(Phi)与滑动亏损分布设置为深度z的函数,表达式如下(McCaffrey,2007; Wang et al,2003):

Phi(z)=1.0,(z≤Z₁),(4)

Phi(z)=(exp(-z'/γ)-exp(-1/γ))/(1-exp(-1/γ)),(5)

其中,z'=(z-Z₁)/(Z₂-Z₁)(Z₁<z<Z₂)

Phi(z)=0.0,(z≥Z₂).(6)

其中,γ为控制Phi变化图形的参数,Z₁为断层完全闭锁的深度,Z₂为断层蠕滑的深度。在转换区域(Effective Transition),如果γ非常小,Phi的快速下降发生在Z₁附近,越靠近底部下降速率越慢; 如果γ较大,Phi基本从1线性降低到0(Wang et al,2003),图2给出了3种不同γ值Phi的变化情况。

图2 3种不同γ值情况下转换区域闭锁程度
随深度分布(据Wang 等(2003)改绘)
Fig.2 Phi distribution in the transition zone varied with depth under the condition of three different values of the shape factor γ(modified based on Wang et al(2003))

由于陇西块体、西秦岭块体、西宁块体、阿拉善块体和祁连山块体相对较小,因此本文假定其内部变形主要由断层闭锁引起,而其内部整体均匀应变忽略不计; 虽然鄂尔多斯块体较大,但其整体刚性较好,因此其内部整体均匀应变也可忽略不计,所以此次反演仅采用公式(1),以χ²_n为标准寻求最佳模型。反演过程中,首先将与周围其它测点运动趋势明显不同的点删除,然后通过多次试算,得到了最优模型,其中1999～2007年最优模型中GPS速度场误差权重因子f取为1.00,此时χ²_n≈0.888(观测值个数为360,自由度为292); 2009～2013年最优模型中GPS速度场误差权重因子f取为1.77,此时χ²_n≈0.996(观测值个数为436,自由度为368)。为了更好地说明模型择优和拟合效果,图3给出了最优模型的拟合残差分布,结果显示两期GPS速度场的所有测点速度残差值都较小,基本处在误差范围之内,这表明模型拟合较好。

图3 陇西块体周边区域两期最优模型的速度残差
Fig.3 Residual of velocities of optimal models in two periods around the Longxi Block and its adjacent area

通过多次反演计算,得到2008年汶川地震前(图4a)和地震后(图4b)陇西块体周边断层闭锁程度的空间动态变化分布。综合分析两期反演结果,认为汶川地震可能对西秦岭北缘断裂有一定影响,地震后西段闭锁程度有所减弱、中东段闭锁程度有所增强,而其它断裂受汶川地震影响可能较弱,地震前后断层闭锁程度没有发生明显改变。整体来看,冷龙岭断裂、金强河断裂、庄浪河断裂、

图4 1999～2007年(a)及2009～2013年(b)陇西块体周边断层闭锁程度结果
Fig.4 Locking degree of the faults around the Longxi Block during 1999 and 2007(a) and during 2009 and 2013(b)

六盘山断裂、西秦岭北缘断裂中西段部分区域的闭锁较强,闭锁深度约为20～25 km,可能为地震危险段; 托莱山断裂只有地表浅部闭锁,且汶川地震后闭锁程度有所减弱; 毛毛山—老虎山—海原断裂基本为持续蠕滑状态。

将计算得到的1999～2007年陇西块体周边断层闭锁程度(图4a)结合大地震破裂空区判定图(M7专项工作组,2012)综合分析可知,冷龙岭—金强河断裂强闭锁区域基本对应天祝—大靖地震空区; 六盘山断裂强闭锁区域基本对应六盘山南段—西秦岭东段地震空区; 西秦岭北缘断裂中西段强闭锁区域基本对应西秦岭中西段地震空区。另外,根据重新定位的地震资料得到的b值剖面显示六盘山断裂带中段在17～25 km的深度上存在异常低b值区,反映该处的深部断层面存在较高的应力积累(M7专项工作组,2012); 六盘山断裂带中南段、西秦岭北缘断裂带西段GPS站速度剖面图像与汶川地震前横跨龙门山断裂带的地壳形变图像(杜方等,2009)极为相似,反映该段已经闭锁(M7专项工作组,2012); 海原断裂带GPS站速度剖面图像反映海原断裂带尚处于开放状态,说明该断裂带自1920年发生8.5级特大地震破裂以来,断层面还未完全重新耦合(M7专项工作组,2012); 祁连山构造带东段及其与庄浪河断裂、海原断裂的交汇区域可能具有相对高应变能积累背景(张希等,2003,2007); 六盘山断裂带在汶川地震以后变形差异不大,表现出很好的继承性,因此该断层存在较强的应变积累背景(武艳强等,2012)。本文反演所得断层闭锁程度与上述地震空区、b值剖面、GPS站速度剖面及高应变能积累断层等结果对应较好。

断层在震间期的闭锁是逐步由浅到深的缓慢过程,几年间应该不会有突出变化,而汶川地震可能使西秦岭北缘断裂带附近受到的构造应力加载有了变化,使得断裂带附近GPS测点运动速率发生变化,这就导致负位错反演得到的断层闭锁程度和闭锁深度发生了变化,所以断层闭锁程度和闭锁深度的变化不一定完全是真实情况的反映(赵静等,2015)。同时,滑动亏损速率变化的信息应该是真实的,它能够反映断层在大地震前后的一个调整运动情况。

图5所示结果表明汶川地震前后陇西块体周边平行断层滑动亏损速率中,只有庄浪河断裂为右旋滑动亏损(负值),而其它断裂均为左旋滑动亏损(正值)。其中,庄浪河断裂完全闭锁部分亏损速率在震前约为2.9 mm/a,在震后约为2.8 mm/a; 托莱山断裂完全闭锁部分亏损速率在震前约为5.4 mm/a,在震后约为4.8 mm/a; 冷龙岭断裂和金强河断裂完全闭锁部分亏损速率在震前约为5.9 mm/a,在震后约为5.2 mm/a; 六盘山断裂完全闭锁部分亏损速率在震前约为2.6 mm/a,在震后约为3.2 mm/a; 西秦岭北缘断裂中西段完全闭锁部分亏损速率在震前约为0.7 mm/a,中东段完全闭锁部分亏损速率在震后约为2.0 mm/a,相对来说,该断裂是震后闭锁程度和滑动亏损速率变化最大的一条断裂。

图5 1999～2007年(a)及2009～2013年(b)陇西块体周边平行断层滑动亏损速率结果
Fig.5 Parallel fault slip deficit rate around the Longxi Block during 1999 and 2007(a)and during 2009 and 2013(b)

图6 1999～2007年(a)及2009～2013年(b)陇西块体周边垂直断层滑动亏损速率年结果
Fig.6 Vertical fault slip deficit rate around the Longxi Block during 1999 and 2007(a)and during 2009 and 2013(b)

由图6可知汶川地震前后陇西块体周边垂直断层滑动亏损速率均为挤压(负值)。其中,庄浪河断裂完全闭锁部分亏损速率在震前约为2.7 mm/a,在震后约为1.7 mm/a; 托莱山断裂完全闭锁部分亏损速率在震前约为4.1 mm/a,在震后约为3.4 mm/a; 冷龙岭断裂和金强河断裂完全闭锁部分亏损速率在震前约为3.2 mm/a,在震后约为2.7 mm/a; 六盘山断裂完全闭锁部分亏损速率在震前约为2.7 mm/a,在震后约为1.7 mm/a; 西秦岭北缘断裂中西段完全闭锁部分亏损速率在震前约为1.7 mm/a,中东段完全闭锁部分亏损速率在震后约为0.4 mm/a,相对来说,该断裂也是震后变化最大的一条断裂。

本文利用1999～2007年和2009～2013年两期中国大陆GPS水平速度场数据,使用目前在国际上应用较为广泛的DEFNODE负位错反演程序研究了汶川地震前后陇西块体周边断层的闭锁程度和滑动亏损空间分布动态变化特征,并讨论了汶川地震对该区域断层的可能影响; 最后结合地震空区分布、b值剖面、GPS站速度剖面及高应变能积累断层等多种结果综合分析判定了陇西块体周边断层的强震危险段。

(1)汶川地震可能对西秦岭北缘断裂有一定影响。地震后西秦岭北缘断裂中西段闭锁程度有所减弱、中东段闭锁程度有所增强,而其它断裂地震前后断层闭锁程度没有发生明显改变; 汶川地震前后西秦岭北缘断裂平行和垂直断层滑动亏损速率在所有研究断层中也是变化最大的。

(2)将1999～2007年陇西块体周边断层闭锁程度与地震空区综合分析可知,冷龙岭—金强河断裂强闭锁区域基本对应天祝—大靖地震空区; 六盘山断裂强闭锁区域基本对应六盘山南段—西秦岭东段地震空区; 西秦岭北缘断裂中西段强闭锁区域基本对应西秦岭中西段地震空区,这在一定程度上说明了本文反演结果的可靠性。

(3)汶川地震前后陇西块体周边平行断层滑动亏损速率中,除了庄浪河断裂为右旋滑动亏损(负值)以外,其它断裂均为左旋滑动亏损(正值); 陇西块体周边垂直断层滑动亏损速率均为挤压(负值)。

(4)冷龙岭断裂、金强河断裂、庄浪河断裂、六盘山断裂、西秦岭北缘断裂中西段部分区域的闭锁较强,闭锁深度约为20～25 km,结合地震空区分布、b值剖面、GPS站速度剖面及高应变能积累断层等结果综合分析认为上述断裂可能为地震危险段。