丽江—小金河断裂带是川滇菱形块体内部的一条NE向活动构造带,断裂全长360 km,它将川滇菱形块体斜切为川西北和滇中2个次级块体,是龙门山—锦屏山—玉龙雪山中新生代推覆构造带西南段基础上形成的一条活动断裂带(邓起东等,2002; 向宏发等,2002),对川滇菱形块体区域地壳运动的作用至关重要,从全新世至今一直具有较强的活动性(徐锡伟等,2003; 季灵运等,2015)。据资料记载,丽江—小金河断裂带发生过多次6级以上地震,最大地震为1976年盐源—宁蒗M6.7地震(李乐等,2008)。近年来,已有大量学者通过形变观测手段对该断裂带的活动情况进行了分析研究,基本证实该断裂目前仍处于活动状态,如Shen等(2005)利用GPS 资料分析认为丽江—小金河断裂带左旋走滑速率为3 mm/a; 王阎昭等(2008)以GPS 观测为约束,利用最小二乘方法反演得到丽江—小金河断裂的分段活动结果:北东段左旋走滑速率为(0.8±1.5)mm/a,拉张速率为(2.4±1.7)mm/a; 中段以左旋走滑为主,速率为(5.4±1.2)mm/a; 南西段以挤压为主,速率为(2.3±1.8)mm/a。另外,水准和GPS 观测垂直分量均表明现今丽江—小金河断裂带两侧地壳垂向运动存在较大差异(王庆良等,2008; Liang et al,2013)。综上所述,丽江—小金河断裂带现今仍在活动,且发生在其南段的1976 年盐源—宁蒗M6.7、6.4震群破裂区和1996年丽江M7.0地震破裂区之间存在50 km左右的破裂空区。综合构造规模、断层活动性与地震活动强度等方面,认为丽江—小金河断裂带区域地质背景复杂、构造活动强烈。

地震的孕育和发生与断层活动密切相关,断层强震危险性和紧迫性是地震中长期预测中的基础科学问题,而大地形变测量在捕捉地震前兆异常、预测地震危险性方面起着非常重要的作用。目前,通过借助已有形变资料,如GPS、大面积水准等大地测量形变资料反演震间断层闭锁程度和滑动位移亏损情况已成为研究现今断层运动与孕震能力的一个重要手段。王阎昭等(2008)以川滇地区GPS速度场为约束,依据研究区已知断裂分布情况建立连接断层元模型,用最小二乘法反演了该地区主要活动断层的现今错动速率; 张希等(2014)利用2009—2011年全国GPS水平运动速度场资料,借助负位错反演研究了新疆、青藏块体东北缘、川滇、华北地区主要活动断裂能量积累闭锁段、闭锁深度、分区分段差异性及其与强震孕育-发生的可能关系; 赵静等(2015)利用1999—2007期和2009—2013期中国大陆GPS速度场数据,采用DEFNODE负位错反演程序估算了川滇菱形块体东边界——鲜水河—安宁河—则木河—小江断裂带在汶川地震前后的断层闭锁程度和滑动亏损空间分布动态变化特征; 申重阳和王琪(2002)利用川滇地区1991—1999年的高精度GPS观测处理结果,采用稳健-贝叶斯最小二乘算法与多断裂位错模型,分析研究了川滇菱形块体主要边界运动的定量模型。综上,本文将基于2009—2015年中国大陆GPS速度形变场资料,采用DEFNODE反演程序计算丽江—小金河断裂带的断层闭锁程度和滑动亏损速率,分析该断裂不同段落的活动性。

自McCaffrey(2002)提出DEFNODE负位错反演程序以来,该程序已被很多学者应用和研究。假定震间期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弹性变形积累总和,当块体内部不存在整体均匀应变时,其理论公式如下:

V_i(X)=∑^B_b=1H(X∈Δ_b)[_RΩ_b×X]·i-

∑Fk=1∑Nkn=1∑2j=1φnkGij(X,Xnk)[hΩf×Xnk]·j(1)

式中:第一部分为块体整体运动速度; 第二部分为块体边界断裂闭锁而产生的同震亏损滑动速率,各参数的定义参见相关文献(McCaffrey,2002; 赵静等,2015)。

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(2)表示,其中各参数含义参考相关文献(McCaffrey,2002; 赵静等,2015):

χ²_n=[∑ⁿ_i=1(r_i/fσ_i)²]〖JB<1*/〗dof(2)

为得到使X_n²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,并且对每个块体内部是否存在整体均匀应变进行检验; 检验完成后,通过不断改变f值大小进行逐步择优,以寻求最满意的f值,保证X_n²最大程度接近于1,此时模型能够最佳地解释观测数据。

本文在GPS数据处理时,数据资料主要来自《中国地壳运动观测网络》和《中国构造环境监测网络》项目在研究地区观测的GPS连续站和流动站数据,流动站点共进行了2009、2011、2013、2015年4期观测,每期观测时采用30 s采样间隔,连续观测4 d,每天24 h。数据采集使用双差模式,处理由GAMIT/GLOBK软件完成。首先由GAMIT获得GPS台站位置参数及其方差-协方差矩阵的单日松弛解。数据处理中考虑并消除了电离层、对流层、海洋潮汐、大气潮汐对台站的影响。单日解中包括测站坐标、极移、卫星轨道和对流层天顶延迟等参数的初值及方差-协方差矩阵。然后用GLOBK将区域站和全球ITRF站的所有单日松弛解组合在一起,估算出区域站在ITRF2008参考框架下的速率及误差。反演前,对方向、大小明显偏离区域运动背景的GPS测站进行剔除,其中流动GPS测站水平方向平均误差小于1 mm/a,连续运行的GPS测站水平向平均误差小于0.5 mm/a。

研究区域以丽江—小金河断裂带为中心,包含川西北块体、滇中块体、华南块体(图1),图中震源机制信息来自GCMT提供的1976—2017年的地震信息; GPS速度场约束方面,2009—2015年有188个GPS测点参与反演。反演过程中,沿丽江—小金河断裂带走向共有7条等深线,深度依次为0.1、5、10、15、20、25、30 km。断层结构设置如下:丽江—小金河断裂每条等深线上有22个节点,断层倾角为70°(刘耀辉,2016)。通过多次反演计算,GPS水平速度场数据误差权重因子f=2.4,χⁿ₂=1.013 7,得到丽江—小金河断裂带周边区域GPS速度场及其模拟结果(图2)和断裂带闭锁程度的空间变化分布结果(图3)。

图1 川滇地区地质构造和震中空间分布图
Fig.1 Tectonic setting and seismicity distribution map in the Sichuan-Yunnan region

从图2可知,2009—2015年GPS水平观测值与模型值的剖面拟合结果较好,而图3a显示:丽江—小金河断裂带南段基本处于强闭锁状态,闭锁比例达0.99,闭锁深度约为25 km,而其南段的最南端闭锁程度有所降低,闭锁比例基本在0.77; 丽江—小金河断裂中段北部闭锁程度较弱,闭锁深度在6～19 km,其往南至中段的中北部,0～5 km深度的闭锁比例为0.52,6～30 km逐渐过渡为蠕滑状态,中段其它位置闭锁较强; 小金河断裂北段的南端闭锁深度在4～15 km,其它位置30 km深度以内基本无强闭锁状态。北段相对于中南段同一深度的闭锁程度要弱很多,在5 km左右深度处断裂基本由闭锁状态转化为蠕滑状态特征。

断层的闭锁程度在一定程度上反映了断层应变积累的情况,断层闭锁程度越强,越容易产生应变积累,反之亦然。而断层滑动亏损速率用来表示断层应变积累的速度大小,其大小用断层长期滑动速率与表示断层闭锁程度的系数乘积得到。图3b为计算出的丽江—小金河断裂带滑动亏损速率,结果显示,断层滑动亏损速率与断层闭锁

图2 丽江—小金河断裂带周边区域GPS速度场及其模拟结果
Fig.2 The observation and simulation results of GPS velocity field around the Lijiang-Xiaojinhe fault zone and its surrounding areas

图3 2009—2015年丽江—小金河断裂带断层闭锁分布(a)以及断层滑动亏损分布(b)
Fig.3 Distribution of locking degree(a)and sliding loss(b)of the Lijiang-Xiaojinhe fault zone during 2009 and 2015

为研究丽江—小金河断裂带的小震活动性,笔者收集了中国地震局地球物理研究所房立华研究员提供的小震精定位目录,并选取了1970—2012年分布在丽江—小金河断裂两侧20 km内M≥1.0震源深度大于1 km的地震来分析。同时为了进一步了解该断裂带上小震分布的空间特征,我们同样将其分为北段、中段、南段,具体范围见图4中黑色虚线框。

首先,从丽江—小金河断裂带的小震分布平面图(图4)可知,小震分布与断裂具有较好的一致性,但在每一段的活动性是不同的,在北段冕宁县—石棉县小震分布最为密集,中南段宁蒗彝族自治县—木里藏族自治县次之,其它段落小震分布均较少。

其次绘制所选地震的震源深度剖面图(图5)。由图5可知,在该断裂北段、中段和南段的小震活动性并不均匀,但小震的震源深度都基本在35 km范围内。具体来说,在丽江—小金河断裂带北段的北部,小震活动最为密集,震源深度主要分布在10～27 km; 位于断裂中段南部的木里藏族自治县以南小震分布也稍多,震源深度主要分布在5～27 km; 位于断裂带南段北部的宁蒗彝族自治县以北的小震活动也相对密集,震源深度主要分布在5～32 km范围内,而在丽江—宁蒗段的强震空区段也存在明显的小震活动空区。

通过对丽江—小金河断裂带不同段落的小震分布情况的研究可知,该断裂北段、中段和南段的小震活动性并不一致,但小震的分布受断层很好地控制,丽江—宁蒗段的小震活动明显较弱,可能意味着断层主要处于应力积累的状态; 宁蒗—盐源段的小震活动稍强,与1976 年盐源—宁蒗M6.7、6.4震群可能有关; 石棉段现今小震活动性最强,断层应力释放最为集中。

图4 1970—2012年丽江—小金河断裂带的小震分布平面图
Fig.4 The distribution map of minor earthquakes around the Lijiang-Xiaojinhe fault zone during 1970 and 2012

图5 1970—2012年丽江—小金河断裂带的小震分布剖面图
Fig.5 The profile distribution map of minor earthquakes around the Lijiang-Xiaojinhe fault zone during 1970 and 2012

目前利用DEFNODE负位错反演方法研究断层闭锁程度已在国外广泛应用,而利用该方法对丽江—小金河断裂带断层的闭锁程度的相关研究程度还相对较低,近几十年来,丽江—小金河断裂仍在活动,且发生在其南段的1976 年盐源—宁蒗M6.7、6.4震群破裂区和1996年丽江M7.0地震破裂区之间存在明显的破裂空区(图5),本文基于2009—2015年中国大陆GPS速度形变场资料,采用DEFNODE反演程序计算分析了丽江—小金河断裂带的运动特征和不同段落的活动性,得到以下结论:

(1)地震实际上是在区域构造应力作用下,应变在活动断裂带上不断积累并达到极限状态后而突发失稳破裂的结果(Scholz,1998; 张培震等,2013)。而断层闭锁程度越强,越容易产生应变积累,当能量积累到一定程度,则需要通过蠕滑运动或地震进行释放。若断层闭锁程度很高,而且没有蠕滑运动,那么断层的滑动亏损速率也就越大,断层发生中强以上地震的可能性也相应增大。通过对比丽江—小金河断裂带的地震分布图(图4,5)与闭锁程度结果(图3),发现二者存在一定程度的相关性。①在丽江—小金河断裂南段,断层闭锁程度整体较高,闭锁深度达到25 km,而该段的小震活动除了在北部宁蒗—盐源段稍密集外,其余段落小震活动均较少,而宁蒗—盐源段的小震活动密集则主要由1976年盐源—宁蒗M6.7、6.4震群的余震影响所致,所以其南段整体呈现明显的能量集中状态,而能量释放却很少,断层的闭锁程度也很高; ②丽江—小金河断裂中段南部的闭锁深度达25 km,小震活动相对较集中,这同样是因为1976 年盐源—宁蒗M6.7、6.4震群的余震影响,中段的中北部闭锁深度在5 km左右,且闭锁强度较南部要弱,而小震活动在中北部也有相对集中的态势,说明中北部在一定程度上通过小震活动来释放能量; ③在丽江—小金河断裂北段南端闭锁深度在4～15 km,其它位置30 km深度以内基本无强闭锁状态,而小震活动在南端小范围内也存在一定程度的集中,但是活动较弱,而中北部的小震活动则非常强烈。自1976年以来,该段并未发生M_S≥6.0地震,可见丽江—小金河断裂北段中北部大范围剧烈的小震活动基本缓解了该段的能量积累,这与该段断层的闭锁程度结果也是一致的。

(2)根据历史地震记载及有关学者的研究,丽江—小金河断裂中段至南段全新世以来均发生过古地震,其中中段至少发生过3次,南段至少发生过2次(李安等,2016; 任俊杰等,2015)。1970年以来,发生在丽江—小金河断裂的M_S≥6.0地震基本都发生在其中段南部—南段,可见丽江—小金河断裂的南段相对于北段应变积累更快,这与南段比北段滑动亏损速率大的结果也是相一致的。

(3)2009—2015年GPS水平观测值与模型值的剖面拟合结果较好,反演计算结果也揭示了丽江—小金河断裂的南段—中段南部(丽江—宁蒗)的强震破裂空区段闭锁程度很高,断层的滑动亏损速率也相对较大,认为该段落具有发生较大地震的潜在危险性,而中段中北部—北段闭锁程度要弱得多,尤其北段闭锁程度很弱,除了南部有部分闭锁,其余地方无强闭锁状态,且在5 km左右深度处断裂基本由闭锁状态转化为蠕滑状态特征,断层的滑动亏损速率也相应很小,该段发生较大地震的可能性较小。