安宁河—则木河断裂带作为青藏地块与华南地块的边界断裂,自新生代以来发生了强烈的构造运动,在晚第四纪反复经历多次断裂活动和强震活动。地震危险性趋势研究和古地震研究结果均表明安宁河断裂带冕宁—西昌段存在一个较大尺度的凹凸体,区域应力场显示该段呈高应力背景下的闭锁状态,是未来川滇地块发生大地震的潜在危险段之一(易桂喜等,2004; 冉勇康等,2008; 闻学泽等,2008)。

以GPS为代表的空间大地测量技术在地壳形变监测领域应用十分广泛,它能够为科研人员提供高精度、大尺度、多维的地壳形变监测数据。就一般意义而言,断层附近震间期地壳形变,能够反映震间期断层面滑动分布特征。进一步将震间期断层滑动分布和断层长期滑动速率进行比较,就可以得到断层面闭锁特征,利用闭锁特征可以圈定断层面凹凸体位置,为强震地点预测提供依据。借助GPS、InSAR等大地形变资料,不少学者对安宁河—则木河断裂断层长期滑动速率,断层面滑动分布及断层闭锁程度进行了深入研究(申重阳等,2002; Shen et al,2005; 方颖等,2005; 张希等,2005,2007,2009,2013; 赵静等,2015,2018; Jiang et al,2015),但受限于研究资料和研究方法,不同学者研究结果存在显著差异。如赵静等(2015)研究结果显示安宁河—则木河断裂整段闭锁程度均较高,而Jiang等(2015)研究显示则木河断裂除了北端和安宁河断裂交汇的西昌附近,以及南端和小江断裂交汇的巧家附近之外,闭锁程度均不高。

目前,在研究震间期断层面运动时,大多采用基于弹性回跳理论的负位错模型,其基本原理是,将震间期观测位移场描述为块体旋转、块体内部形变与断层运动的集合。这就需要对研究区进行块体划分,而分块方式则依赖于研究区的地质背景,具有很大的不确定性,许多地块内部依然存在很多次级断裂。因此,在描述块体运动和内部形变时,依然存在很多不确定性。本文将断层附近震间期地表形变场表述为断层浅部孕震层运动引起的相对近场形变,和深部断层蠕滑层引起的相对远场变形之和。利用二维均匀弹性半空间位错模型剖面分析法,确定目标断层的长期滑动速率、闭锁深度(孕震层深度)作为先验约束,然后考虑断层浅部孕震层和深部蠕滑层进行几何模型设置,再采用基于约束条件下最小二乘原理及最速下降法(Steepest Descent Method,简称SDM)(Wang et al,2013)进行震间期断层面滑动分布的反演,避免了块体划分对研究结果的影响。在资料方面,安宁河—则木河断裂作为中国地震局强震危险性主要跟踪地区之一,多年来积累了丰富的GPS观测数据,这些GPS观测资料获得的川滇地区长期地壳水平运动速度场,亦为本文研究提供了支持。因此,本文将利用Reinoza等(2015)提出的研究方法,以川滇地区长期地壳水平运动速度场作为约束,对安宁河—则木河断裂震间期的断层面滑动分布进行反演,并结合已有地震地质研究成果,评价未来可能发生强震的具体位置。

GPS观测提供了高精度、大范围的地壳运动定量数据,这些数据所形成的地壳运动速度场是进行断层运动研究的重要基础。借助中国地壳运动观测网络I期和II期观测结果,利用国内外多种数据处理软件(GAMIT/GLOBK,BERNESE,PANDA,GIPS)可以得到中国大陆地壳水平运动速度场。在这些速度场成果中,Wang等(2017)、Zheng等(2017),Pan和Shen(2017)分别采用BERNESE软件、PANDA软件和GIPSY软件进行了数据处理,其处理过程中采用的IGS提供的卫星轨道精密星历、潮汐模型(固体潮、极潮、海潮)、大气折射模型(电离层折射改正、气象模型及映射函数)、天线相位中心等参数基本相同,后期参考框架的实现也基本一致。在单日解计算方面,Zheng等(2017)采用精密单点定位技术,Wang等(2017),Pan和Shen(2017)采用双差定位技术得到的结果差异不大。为了获得反映构造形变的长期地壳水平运动速度场,在数据处理过程中不仅需要扣除仪器、人为因素等对站点观测时间序列的影响,还需要扣除在观测时间段内,显著地震同震及震后形变的影响。通过比较,我们认为Zheng等(2017)研究得到的速度场更加符合本文研究需要,它不仅更好地考虑了非构造因素对速度场的影响,对于站点仪器、人为因素的影响,也在处理过程中通过记录手簿查对加以改正; 还考虑了在资料观测时间段内的所有显著地震,主要包括2004年苏门答腊M_W9.1地震,2011年日本M_W9.0地震以及研究区内所有M_W≥5.9地震。Zheng等(2017)还借助最小二乘原理对站点时间序列用线性函数来估计长期速度,并将速度场统一到欧亚框架之下(图1),为我们的计算提供了便利。

图1 研究区GPS站点及水平速度(相对欧亚板块)
Fig.1 GPS sites and horizontal velocity in the study area(relative to Eurasian block)

笔者首先根据实际观测资料对断层附近形变场进行二维均匀弹性半空间位错模型剖面分析,以获取断层孕震层深度(闭锁深度)和蠕滑层滑动速率(滑动速率)。Savage和Burford(2012)给出了走滑断层震间形变曲线位移公式; Fruend和Barnett(1976)通过“刃型”位错给出倾滑断层震间形变数学表达式; 邹镇宇等(2015)对上述公式进行了改进,获得了考虑断层地表位置的一般倾角断层的震间期数学表达式。考虑到安宁河—则木河断裂晚第四纪以来主要以左旋运动为主,倾滑分量相对较小,以GPS水平位移平行断裂方向分量作为约束,借助带倾角的走滑断层二维均匀弹性半空间位错模型数学表达式(邹镇宇等,2015),在断层倾角确定的情况下,反演断层闭锁深度和滑动速率。参数估计采用网格搜索算法,在滑动速率和闭锁深度构成的二维模型空间内,计算其加权残差平方和并使其最小,目标函数为:

∑[(v₀-v_c)/σ]²/n(1)

式中:v₀为实测速率; v_c为拟合速率; σ是其中误差; n为观测值数目。

由于GPS实际观测站点比较稀疏,对安宁河—则木河断裂无法做到分段剖面分析,只能根据速度场分布,划分了2个剖面(图1 中AA'和BB'),其中AA'主要通过安宁河断裂西昌至石棉段,BB'主要通过则木河断裂普格至西昌段。

根据已有的断裂几何产状的研究(闻学泽,2000; 杨卓欣等,2011),给定安宁河断裂断层倾向E,倾角80°; 则木河断裂断层倾向NE,倾角60°。剖面长度为断层两侧各80 km左右,资料选取的时候应尽可能避开构造较为复杂的过渡带和转换区。反演结果显示(图2,3),在给定的搜索范围内,2个剖面参数估计均具有较好的收敛性。安宁河断裂深部蠕滑层左旋走滑速率为9.4 mm/a,断层闭锁深度为21 km。则木河断裂深部蠕滑层左旋走滑速率7.3 mm/a,断层闭锁深度为12 km,和相关利用形变资料研究结果接近。这表明安宁河断裂西昌至冕宁段未来强震危险性更高。需要说明的是,除了主干断裂安宁河—则木河断裂之外,附近其他次级断裂对震间形变场也会产生影响。但从反演的拟合曲线(图2a、图3a)来看,形变差异主要来自安宁河—则木河断裂,周围其他次级断裂贡献较小。因此,不会对分析结果产生大的影响。

图2 跨安宁河断裂AA'剖面拟合曲线(a),在闭锁深度和滑动速率构成的二维空间内利用网格搜索方法获得的拟合残差等值线图(黑点为搜索最佳参数)(b)
Fig.2 The fitting line of the profile AA' crossing the Anninghe fault(a),contour map of misfit obtained by grid-search method between locking depth and slip rate(red dot means the bestparameters selected)(b)

图3 跨则木河断裂BB'剖面拟合曲线(a),在闭锁深度和滑动速率构成的二维空间内利用网格搜索方法获得的拟合残差等值线图(黑点为搜索最佳参数)(b)
Fig.3 The fitting line of the profile BB' crossing the Zemuhe fault(a),contour map of misfit obtained by grid-search method between locking depth and slip rate(red dot means the best parameters selected)(b)

本文采用Reinoza等(2015)的研究方法,以最小二乘配置方法拟合得到的GPS地壳水平运动速度场作为约束,借助基于约束条件下最小二乘原理及最速下降法(SDM)模型,反演了安宁河—则木河断裂震间期断层面深浅部运动特征。研究结果表明,计算得到的断层面滑动亏损与地震地质研究得到的断层面凹凸体分布具有较好的对应,安宁河断裂西昌至冕宁以北之间强震危险性程度更高,则木河断裂强震危险性较低。需要解释的是:(1)本文研究结果与地震地质研究结果吻合,与以往利用GPS、InSAR得到的研究结果存在一定差异,可能是由于来源资料的使用和处理上的不一致;(2)文中利用经过最小二乘配置拟合后的速度场做为约束,虽然突出了断层整体运动特征,但也可能过滤掉了与断层局部运动有关的形变信息,甚至可能放大了周围其他次级断裂对速度场的影响。但我们根据前人的经验(Savage,Burford,1973),将计算范围控制在断层两侧40 km以内,以尽可能减小这种影响;(3)安宁河—则木河断裂的深浅部几何构造非常复杂,仅用1个断面去反演太过近似,可能与实际出入较大,这可能也是速度场拟合残差有些大的原因,我们将在未来的模型中继续予以完善。

感谢德国波茨坦地学研究中心汪荣江老师提供的SDM程序包,感谢中国地震局地球物理研究所房立华研究员提供小震重新定位目录。