2016年4月14日,日本九州岛熊本县发生了M_W6.2地震,震源深度约11 km,4月16日熊本县再次发生M_W7.1地震,震源深度12 km。日本气象厅已确定4月16日所发生的地震为主震,而在4月14日发生的地震则为“前震”。这是继2011年3月11日东日本9.0级大地震后在日本境内发生的又一次7级以上地震。地震发生后,日本多个研究机构的学者迅速对此次地震的震源机制、地表破裂方式和地表变形等进行了分析研究(Shirahama et al,2016; Yagi et al,2016; Ozawa et al,2016; Asano,Iwata,2016; Kubo et al,2016; Fujiwara et al,2016; Toda et al,2016),确定了此次熊本地震的发震断层为日本南部九州地区的日奈久断层带和布田川断层带,断层走向分别为205°和235°,日奈久断层带以右旋走滑为主,而布田川断层带为右旋走滑兼少量正断成分。此次地震造成了布田川断层带东段和日奈久断层带北段近34 km的地表破裂,最大右旋错动位于破裂带的中间地带,量值达220 cm,大部分地表破裂是主震造成的(Shirahama et al,2016)。由于阿苏山火山群岩浆的作用,地表破裂北东向传播至阿苏山火山群处终止(Lin et al,2016)。熊本地震的发震断层是俯冲带近场的次级断裂,且震中距阿苏山火山群仅数十千米,这种独特的构造孕育背景下的孕震形变场特征的分析对认识此次地震孕育发生过程具有重要的意义。日本GEO-NET网以密集分布的连续GPS站而著称,仅九州岛地区就分布近百个GPS连续站,平均站间距约18 km,对熊本地震的震源区实现了全覆盖,为研究此次熊本地震孕育相关的地壳应变积累过程提供了重要的基础资料。

日本九州岛在菲律宾海板块4.5 cm/a的北西向俯冲作用和欧亚板块的阻挡下表现出逆时针旋转的整体运动(Ikeda et al,2009)。2011年日本宫城9.0地震的发生造成欧亚板块和太平洋板块间长约400 km闭锁段解锁,影响范围达上千千米,持续时间达数年之久(Baek et al,2012; Shestakov et al,2012; 王丽凤等,2013; Shao et al,2016),因此本文在分析此次熊本地震前的地壳变形避开了日本地震的震后余滑响应阶段和粘弹性松弛效应的早期阶段,所采用的GPS观测数据时间段为2012年10月至2016年3月。

美国内华达州大地测量实验室的Blewitt等(2009)利用GIPSY软件对全球连续GPS资料进行了处理,获取了全球连续GPS站的坐标时序结果(http://geodesy.unr.edu/gps_timeseries/)。本文基于其处理的ITRF08全球参考框架下GPS坐标时间序列资料计算了九州岛及周边地区2012年10月至2016年3月的扣除九州岛整体刚性运动的区域无旋转速度场,并基于最小二乘配置球面应变计算方法获取了九州岛地区的主应变率场,并结合震源区近场多站组合的应变参数时序动态特征,分析了熊本M_W7.1地震前的区域地壳变形特征。基于扣除块体整体刚性运动的速度场结果,针对两条发震断层(布田川断层带和日奈久断层带)进行GPS速度剖面分析,探讨此次地震前两条发震断层的运动和变形特征。

ITRF框架下GPS点的位移所描述的是GPS点在全球框架下的运动,包含站点所在块体的刚性旋转运动,块体内部变形和断层变形等信息,孕震区和断层近场这种小尺度的区域变形信息往往被框架和块体的整体运动所覆盖,因此如要识别孕震区和断层近场应变积累特征,需要获取区域无旋转的速度场,以削弱全球框架和块体整体运动的影响。考虑到2011年日本M_W9.0级地震的震后效应和GPS时间序列资料完整性,本文计算了2012年10月至2016年3月九州岛地区位于ITRF08框架下的平均速度场,并基于块体整体刚性旋转模型(李延兴等,2003)计算了日本九州岛的块体旋转参数。结果显示九州岛块体旋转欧拉极位于(47.9°W,30.4°N),旋转角速度为1.15 deg/Ma,基于该欧拉矢量获取了九州岛区域无旋转基准的速度场(图1),在计算过程中对GPS时间序列中的奇异值和台阶进行了处理。

图1区域无旋转速度场结果显示,以熊本地震的发震断层为界,两侧地块表现出明显的差异运动,九州中部地块(CKY)内的站点一致向NE方向运动,越靠近熊本地震发震断层,运动速率值越小,表现出一定的应变积累特征。发震断层东侧的南海弧前块体(NFY)内的站点主要以北西向运动为主,靠近断裂带的站点转向南西向运动,且运动速率有所减小,说明块体内部存在一定的挤压应变积累; 九州南部块体(SKY)向南东方向运动,前缘站点的速率快于靠近块体边界的站点,NFY地块和SKY地块整体表现出逆时针旋转运动。CKY地块与NFY地块存在明显的差异运动,表现出显著的相对右旋走滑运动,与此次地震的水平同震响应特征相符。

图1 扣除九州岛整体刚性旋转的GPS速度场(图中块体的划分参考Nishimura 等,2006,2015)
Fig.1 Residual velocity in Kyushu after removing the whole rotating component(The blocks' boundary refers Nishimura et al,2006,2015)

本文所给出的基于站点时序资料获取的速度场,能够较直观地反映熊本地震前九州岛地区与断层-块体构造关联的地壳运动特征,识别出发震断层较为清晰的右旋剪切的地壳相对运动背景。为进一步识别震源区及周边地区的应变空间分布情况,本文基于最小二乘配置球面应变计算方法(Wu et al,2011),进一步计算了九州岛地区的应变率场空间分布特征。第一剪应变定量表征N45°W和N45°E走向的剪切变形(江在森等,2003),Liu 等(2015)依据该参数研究了芦山地震前NE向的龙门山南段的应变积累状态。熊本地震两条发震断层走向近NE向,第一剪应变参数可有效地反映该地区的剪切变形特征,而面应变参数可以反映某个地区的面膨胀和面收缩情况。因此,本文据图1中速度场资料计算了九州岛地区的GPS速度场经验协方差的高斯模型参数K为0.008 507(江在森,刘经南,2010),基于该参数解算了该区应变率场,获取的主应变率、第一剪应变率和面应变率场结果(图2)。

图2 九州岛地区GPS主应变率分布
Fig.2 The main strain rate field from GPS in Kyushu island area.

图2给出了九州岛地区的第一剪应变率和面应变率分布结果,其中第一剪应变率正值表征北东向左旋剪切变形,负值表征北东向右旋剪切变形。图2结果显示,九州岛地区主压应变率方向自北向南由NW向逐渐转为SW向,在熊本M_W7.1震源区周边为近EW向的主压应变率占主导,主张应变率方向近南北向,且震源区北东侧区域为主压应变率高值区; SKY地块内北西向的主张应变率占主导,与NFY和CKY的主应变状态差异显著。图2a结果显示,第一剪应变率负高值区沿NFY和CKY地块边界带的北东段分布,量值达-20×10^-8/a,由第一剪应变的物理意义可知该区为显著的右旋剪切变形,而此次熊本地震发生在第一剪应变率负高值区的边缘地带。图2b面应变率结果显示,发震断层西北侧为面收缩低值区,范围与第一剪应变负高值区一致,九州岛地区只有SKY块体表现出面膨胀特征。

在数据精度较高的情况下,三角形应变计算方法可以有效研究局部区域应变分配特征(Shen et al,1996)。本文基于GPS站点坐标时序进一步计算了震源区附近多个多边形的应变参数,并利用小波方法对时序资料进行了趋势拟合,考虑到此次熊本地震为北东向断层右旋走滑型地震,图3仅给出了震源区附近几个多边形的第一剪应变时间序列结果。

图3结果显示,震源区北侧4个多边形的第一剪应变呈负值变化趋势,说明该区域表现为NE方向的右旋剪切变形,时序资料显示自2014年开始右旋剪切变形有明显增强趋势,且第一剪应变累积量由北向南逐渐递减。震源区北侧多边形 J700_J465_J701_G070第一剪应变累积量达-80×10^-8,自2014年3月第一剪应变线性趋势显著加快,年均速率由-13.3×10^-8/a增加到-20×10^-8/a; 紧邻震源区的多边形J465_J701_G169也表现出类似的加快变形趋势,第一剪应变率由-6×10^-8/a增加到-18×10^-8/a; 包含震中的三角形J465_G071_G169 自2013年起呈快速的线性变化趋势,第一剪应变累积量仅为-20×10^-8,自2013年以来的应变率约为-11.6×10^-8/a,明显比北侧区域偏小。震源区南侧区域第一剪应变累积速率明显下降, 且J093_J702_G073已呈现转平趋势。 这与图2a右旋应变率高值区分布在震中东北侧具有一致性,且右旋剪切应变随着地震的临近有逐渐增强的趋势,且随着地震的临近有逐渐增强的趋势。王丽凤等(2013)的研究显示日本宫城9.0级地震的震后余滑影响在1.5 a左右结束,震后1 a粘弹性松弛的效应在九州岛地区仅为2～5 mm,震后10～50 a的粘弹性松弛影响的大小为2 mm。熊本地震震源区附近的三角形第一剪应变自2014年开始明显加速,至发震前的累积第一剪应变量达到-40 nano,因此认为GPS反映的第一剪应变加速过程与日本宫城9.0级地震的影响无关,可能是熊本地震的震前预滑行为。

图3 GPS点位分布和多边形位置图(a)及其对应多边形多点组合(b)～(h)的第一剪应变时序结果
Fig.3 Distribution of GPS stations and strain polygons(a)and the time series of the first shear strain of each polygon(b)～(h)

针对断层的GPS速度剖面分析可直观地反映断层两侧块体的差异运动和断层的应变积累状态,本文基于扣除整体刚性旋转运动的速度场,分别计算了跨布田川断层带和日奈久断层带的GPS速度剖面。剖面位置见图1中红色线框。平行断层方向的速度剖面结果(图4a、c)显示,2条断层均为右旋走滑运动,布田川断层带西北侧距断层150 km处的站点北东向运动速率约为8.5 mm/a,随着距断层越近,滑动速率逐渐衰减至-2 mm/a; 同样平行日奈久断层的速度分量由远处的9.5 mm/a衰减至断层近场的-2 mm/a,从断层西北侧CKY块体内的站点滑动速率随距离衰减的趋势可以看出,越远离断层,站点速率变化越平缓,说明CKY块体内部右旋剪切变形积累显著,第一剪应变率结果也显示震源区西北侧为右旋剪切应变的高值区,说明此次熊本地震前的右旋剪切应变积累主要发生在上盘区域,且布田川断层带和日奈久断层带可能处于闭锁状态。2条断层东南侧NFY块体内的站点运动主要表现出块体的整体运动,应变积累特征不显著。垂直断层的速度剖面结果(图4b,d)显示断层西北侧存在一定的挤压应变积累现象,而东南侧块体内的站点应变积累特性不显著,由图1也可以看出,断层东南侧块体整体主要呈逆时针旋转,布田川断层带和日奈久断层带为旋转差异运动的边界带,因此主要表现出剪切变形的特征。

图4 跨布田川断层和日奈久断层的GPS速度剖面
Fig.4 GPS profiles across the Futagawa fault zone and the Hinagu fault zone

由平行日奈久断层的速度分量(图4c)可以看出断层近场表现出明显的错动,这种断层处的明显错动与浅层蠕滑深部闭锁的走滑断层的剖面变形模式(Lyons et al,2002; Smith-Konter et al,2011)类似,且从震后1天的余震分布来看,日奈久断层处的余震主要分布在5 km以下的深度范围(Kubo et al,2016; Yagi et al,2016),这可能预示着日奈久断层在浅层岩石圈内为蠕滑运动,但深部地壳存在一定的闭锁。

本文通过对熊本地震前的GPS资料的处理和分析,得到以下几点认识:

(1)扣除九州地区整体运动的GPS速度场分布和剖面分析表明,熊本地震断层东南侧块体呈显著的逆时针刚体旋转运动,而断层西北侧呈现右旋剪切变形特征,显示断层上盘为主要的右旋剪切应变积累区。布田川断层和日奈久断层的右旋滑动速率相当,近场均存在1～2 mm/a的滑动,略高于Ikeda等(2009)给出的0.8 mm/a的滑动速率。

(2)基于最小二乘配置球面应变计算方法获取的主压应变率方向为NWW向,与该区主要的构造动力来源于菲律宾板块俯冲作用一致。熊本地震发生在第一剪应变负高值区的边缘,并且该区域处于面收缩低值区,与江在森等(2006)的研究得出的强震通常分布在地壳差异运动显著区,尤其是与区域主干断裂的构造活动背景相一致的剪应变率高值区边缘的认识相符,此次熊本地震正好发生在右旋剪切应变率高值区的边缘。

(3)发震断层附近区域GPS站点组成图形单元的第一剪应变时序结果显示自2014年左右开始右旋剪切应变显著增强,不同图形单元剪应变增强的显著程度自北向南逐渐衰减,与应变率场给出的第一剪应变率负值极值区分布在震中西北侧具有一致性,这可能说明应变率高值区在熊本地震前区域构造应力场增强过程也相对容易发生地壳变形。

(4)值得关注的是平行断层的GPS速度剖面结果显示,虽然断层西侧的右旋走滑速率是随着距离靠近断层逐渐衰减,但到达断层处表现出明显的阶跃,也就是日奈久断层两侧块体在断层近场存在1～2 mm/a明显的错动。Ozawa等(2016)对InSAR形变的研究指出与此次地震相关的断层段可能存在不同程度的浅层蠕滑。

(5)熊本地震的地表破裂显示在布田川断层段是右旋剪切兼正断的应变释放(Shirahama et al,2016),但从垂直断层的GPS速度剖面结果(图4b)来看,断层上盘表现为地壳缩短的变形特征,断层下盘近场25 km范围内的站点表现出弱拉张变形,但不显著。Shinji等(2016)在分析地表破裂滑动分配问题时考虑了布田川断层东侧2 km处的Idenokuchi断层的影响,分析认为布田川断层为纯右旋走滑断层,Idenokuchi断层为正断活动断层,受GPS站点密度的影响,GPS形变场无法区分两条断层的差异运动。

本文在研究和撰写过程中得到了邵志刚研究员的指导和建议,本文所用的GPS资料为Blewitt教授解算结果,数据下载地址由顾国华研究员提供。在此向提供指导建议和数据的学者表示诚挚的感谢。