印度板块、太平洋板块、菲律宾板块与欧亚板块的相互作用及欧亚板块内部的地球动力作用,造就了中国大陆不同类型的活动构造,控制着中国大陆强震的空间展布格局(Molnar,Tapponnier,1975)。青藏高原现今构造地貌特征是50～60 Ma以来印度板块和欧亚板块碰撞的结果(Tapponnier et al,2001),其中最显著的特征之一就是巨大的晚第四纪活动断裂十分发育,它们的运动变形特征在调节欧亚板块与印度板块汇聚和青藏高原隆升过程中起着十分重要的作用。东昆仑断裂带即为青藏高原中北部一条大型左旋走滑断裂带,以左旋走滑运动为主,总体走向270°～290°,全长约2 000 km(青海省地震局,1999)。

断层活动速率特别是晚第四纪以来的滑动速率是断层最新运动的表现,也是分析区域变形特征的重要参数。前人对于东昆仑断裂带中西段(约98°E以西)运动变形特征的认识基本是一致的,断裂带西段具有较为均一的10～12 mm/a的左旋滑动速率(青海省地震局,1999; 任金卫等,1993; Van der Woerd et al,2000),而断裂带东段的滑动速率相对西段变低,由托索湖段附近的6～7 mm/a(Harkins et al,2010; Kirby et al,2007)下降至玛曲附近的2～5 mm/a(Harkins et al,2010; Kirby et al,2007; 何文贵等,2006; 李陈侠等,2011)。东昆仑断裂带东段(玛沁—玛曲)滑动速率相对于中西段较低的原因是断裂的滑动速率分解到了南北两侧的分支断裂带上(李陈侠等,2009)。对东昆仑断裂带在玛沁—玛曲段以东的运动变形特征有3种主要观点:①东昆仑断裂带过玛曲向东延伸,终止于若尔盖盆地附近(Kirby et al,2007); ②东昆仑断裂带过了玛曲向东延伸,与塔藏断裂、龙日坝断裂、岷江断裂、虎牙断裂交会(徐锡伟等,2008; Ren et al,2013; 张军龙等,2014; 李陈侠等,2016),转换为岷山和龙门山近EW向的地壳缩短(Chen et al,1994); ③东昆仑断裂带部分左旋走滑变形越过西秦岭构造区继续向NE向扩展,并且可能影响了整个华北地区的构造格局(Zhang et al,1995),其中成县—太白断裂、文县断裂和康县—略阳断裂是东昆仑断裂带晚新生代向NE向扩展的主要通道。

东昆仑断裂带东部第四纪和现今构造变形主要受NW向的东昆仑断裂带东段、白龙江、临潭—宕昌等断裂带,NE走向的龙门山、礼县—罗家堡、成县—太白、龙日坝等断裂带和近SW走向的岷江、虎牙断裂3组构造所控制。不同走向的活动断裂、不同性质的晚新生代构造和不同断裂的位移速率分布为研究走滑断裂尾端活动特征及其在大陆内部构造变形中所起的作用提供了理想的研究对象。本文通过总结基于多源资料获取的东昆仑断裂带东部地区主要断裂滑动速率,同时利用中国地壳运动观测网络所获得的观测资料,获得了区域主要断裂的GPS观测水平走滑和垂向缩短速率,通过对比地质滑动速率与GPS速率,研究其所反映的断层活动特征及构造关系,旨在为东昆仑断裂带所在的巴颜喀拉块体东北端的变形模式提供定量依据。

本文基于多年观测的GPS数据和区域精密水准数据分析东昆仑断裂东部地区(图1)地壳变形特征、主要断裂的运动特征以及各断裂间的相互作用。所用GPS速度场(图2)来源于Wang和Shen(2020)基于中国地壳运动观测网获取的相对于欧亚参考框架下的1999—2016年中国大陆地壳运动速度场结果,共计343个GPS测站,包括连续站点55个、流动站点288个,具体处理流程参考Wang和Shen(2020)的研究。[FL)][KH-1][KH*2/3D][XC陈长云1.TIF; %95%95][KH*4][HT7.5SS]注:断裂资料来源于邓起东等(2002)和徐锡伟等(2008); 震源机制解资料来自Harward CMT(https://www.globalcmt.org/CMTsearch.html); 块体边界依据张培震等(2003); 历史地震来源于国家地震局震害防御司(1995)和中国地震局震害防御司(1999).

图1 研究区活动构造背景及地震活动图
Fig.1 Active structures and seismicity in the study area

中国大陆近20年的GPS连续观测,使得基于空间大地测量技术获得高精度垂直形变场成为现实(Liang et al,2013),但是由于目前GPS测量仍以流动观测为主,获取的观测结果仍然以高精度水平运动为主(Zhang et al,2004; Shen et al,2005; Gan et al,2007,2021; 葛伟鹏等,2013),大尺度范围内的垂向运动分量精度相对较低,重复高水准测量依然是获取大尺度、高精度地壳垂直运动的主要方法。精密水准测量的垂向观测精度非常高,但是数据处理过程中存在维持参考基准难度较大和误差传递与积累过快的问题。GPS连续站获得的高精度垂向运动结果可以作为水准数据处理的约束。通过融合GPS连续观测获取的高精度垂向运动,一方面可以有效解决单一水准观测资料存在的速率参考基准缺失问题,另一方面可大大改善速率误差传递及积累过快的问题(黄立人等,2012)。

本文使用的水准资料为1980、1990和2010年代的3期复测数据,为了确定水准平差的起算基准、抑制水准误差随测网尺度增大而快速增大的现象,数据处理过程中以与区内水准网进行联测的GPS连续站高精度垂向运动作为约束。将GPS资料的坐标时间序列解算作为垂向运动信息提取的基础,为了保持多期数据解算结果的自洽性,采用统一策略对全球IGS站和中国大陆GPS数据进行联合解算,数据处理采用GAMIT/GLOBK软件,获取了ITRF2014框架下的测站坐标时间序列,基准转换估计平移量、旋转量和尺度因子等7个参数,以减小未模型化非潮汐大气压荷载造成的基准扭曲。解算过程中为了保持多期观测数据解算结果的自洽性,选用了全球均匀分布的77个IGS站作为框架点,对测站坐标水平向误差超过5 mm或垂向误差超过20 mm的结果进行剔除。最后以ITRF2014框架下的GPS垂直运动结果为约束,采用赫尔默特平差方法(Wu et al,2021)获得相对于ITRF2014框架的垂直速度场结果(图2)。[FL)][KH-1][KH*2/3D][XC陈长云2.TIF; %97%97][KH*4][HT7.5]注:蓝色箭头为相对于欧亚板块的GPS水平速度场(Wang,Shen,2020); 绿色和红色箭头为水准垂直速度场(1980—2010年),其中红色代表上升、绿色代表下降; 图中序号①～⑥表示东昆仑断裂带不同段:①阿拉克湖段; ②托索湖段; ③下大武段; ④玛沁一玛曲段; ⑤若尔盖段; ⑥塔藏段; ⑦岷江断裂

图2 东昆仑断裂带东部及邻区现今水平地壳运动特征和水准垂直速度场
Fig.2 Characteristics of present-day horizontal crustal motion and leveling vertical rate in the eastern part of the East Kunlun Fault and its adjacent regions

GPS水平速度场的空间差异性主要反映在运动强度的差异性和运动方式的差异性上(王双绪等,2013),1999—2016年东昆仑断裂带东部及其邻区水平运动速度场(图2)显示,其运动强度的差异性主要表现在:①高原内部GPS速率明显大于周缘GPS速率; ②块体边界带两侧的GPS速率呈现明显的阶跃变化,如巴颜喀拉块体和华南块体的交汇区域。其运动方式的差异性主要体现在GPS速度场运动方向自西向东由北东、北东东逐渐转向近东西方向,再转向南东的顺时针旋转。

水平运动速度场空间分布的不一致性是地壳形变的直接反映,而应变场是地壳形变的主要参数,是描述区域形变的重要指标,该指标不受参考框架的影响,并且能从不同分辨率反映区域变形特征(孟国杰等,2009)。利用GPS资料进行应变分析,可以监测研究区应变场随着时间和空间的变化过程(任金卫,2002)。本文利用1999—2016年的GPS速度场(Wang,Shen,2020),采用最小二乘配置获得东昆仑断裂带东部及其邻区的主应变率场(图3)。图3显示东昆仑断裂带东部主要受NEE向的主压应变或NNW向的主张应变控制。其中,GPS主应变场显示沿东昆仑断裂带自西向东,尽管各断裂段所受主压应变的方向基本一致,均为NEE向,但是主压应变的量值变化较为明显,北西段断裂所受主压应变明显大于南东段,并且以NEE向主压应变为主,而南东段断裂NEE向挤压明显减弱,NNW向拉张作用增强。最大剪切应变率的结果表明(图3),1999—2016年研究区的剪切变形的高值区主要位于阿拉克湖段、托索湖段交汇区域,以及巴颜喀拉块体的龙日坝断裂中段区域。

1980—2010年东昆仑东部地区较大时空尺度垂直形变速度场(图2)显示总体上呈现差异性的隆升运动,隆升相对较快的区域包括龙门山地区、西秦岭—六盘山地区。高原内部的隆升速率较边缘地区低,部分区域表现为沉降运动。

图3 1999—2016年东昆仑断裂带东部及其邻区主应变率和最大剪切应变率
Fig.3 Distribution of principal strain rate and maximum shear strain in the eastern part of the East Kunlun Fault and its adjacent regions from 1999 to 2016

2008年汶川地震以来,在巴颜喀拉块体中东部发生了一系列中强地震,包括2010年玉树7.1级地震、2013年芦山7.0级地震和岷县—漳县6.6级地震、2017年九寨沟7.0级地震和2021年玛多7.4级地震。其中岷县—漳县6.6级地震、九寨沟7.0级地震和玛多7.4级地震发生在巴颜喀拉块体的东北边界及其附近地区(图3)。图3显示玛多地震位于最大剪切应变率局部高值区边缘; 岷县—漳县地震位于最大剪切应变率局部高、低值过度区域; 九寨沟地震位于最大剪切应变高值区内部。从三维运动特征来看(图2),玛多地震位于隆升和沉降过渡区域,其北侧和东侧区域为隆升运动,西侧和南侧为沉降运动; 九寨沟地震和岷县—漳县地震所处区域均为隆升运动。

剖面投影方法是一种简单有效的研究构造形变场的方法,通过投影得到的GPS站点速度分量剖面能够直观反映由于断层发生走滑(挤压或拉张)运动造成的站点速率随着站点与断层之间距离的变化情况。为了分析东昆仑断裂带东部各分段运动变形特征、更加清晰地获取断裂带两侧GPS站点速度所表现出的空间特征,笔者对不同断裂段进行GPS剖面分析,GPS剖面范围及GPS站点分布情况见图2。对断裂带两侧站点速度分别沿剖面方向投影和沿垂直于剖面方向投影,由剖面两侧站点速度平均值之差估算断层的滑动或张/压速率,并且利用误差传播定律计算速率误差。

图4 横跨东昆仑断裂带东段的平行于断裂的GPS速度剖面
Fig.4 GPS velocity profiles that reflect the strike-slip rate of the East Kunlun Fault

图4为横跨东昆仑断裂带东段的平行于断裂的GPS速度剖面,灰色方框内的点为参与水平速率估算选用的GPS站点。其中左旋走滑速率在阿拉克湖段为(10±1.1)mm/a,托索湖段为(6.0±0.6)mm/a,下大武段为(6.5±0.8)mm/a,玛沁—玛曲段为(4.7±0.9)mm/a,若尔盖段为(3.1±0.8)mm/a,塔藏段为(2.4±0.8)mm/a。东昆仑断裂带自阿拉克湖段向东至塔藏段全长约650 km,左旋走滑速率由(10±1.1)mm/a降至(2.4±0.8)mm/a,速率自西向东每100 km下降梯度约为1.2 mm/a。

图5为横跨东昆仑断裂带东段的垂直于断裂的GPS速度剖面。垂直于断层的GPS速度分量表明东昆仑断裂带阿拉克湖段、托索湖段和下大武段表现出挤压运动特征,其他段张压特征不明显,其中阿拉克湖段挤压缩短速率为(0.7±0.5)mm/a、托索湖段挤压缩短速率为(1.3±0.4)mm/a,下大武段左旋走滑速率为(0.7±0.5)mm/a。东昆仑断裂带北侧为柴达木块体,南侧为巴颜喀拉块体。柴达木块体西段挤压特征明显,过青海南山北缘断裂向东挤压特征基本消失; 而巴颜喀拉块体内部表现出明显的张性特征,且自西向东张性特征明显增强,主要表现在达日断裂和阿坝断裂的运动特征上,拉张速率为2～3 mm/a。跨断层剖面所反映的块体内部存在明显的拉张作用与GPS应变率场分布特征是一致的。

图5 横跨东昆仑断裂带东段的垂直于断裂的GPS速度剖面
Fig.5 GPS velocity profiles of vertical faults normal to the eastern segments of the East Kunlun Fault

图6为横跨岷江断裂的GPS速度剖面。剖面显示近南北向岷江断裂以逆冲挤压运动为主,右旋滑动速率仅约为0.36 mm/a,龙日坝断裂的右旋走滑速率约为3.1 mm/a。在岷江断裂两侧各300 km的剖面内,整体挤压速率约为6.9 mm/a,其中龙日坝断裂挤压速率约为3.8 mm/a,岷江断裂挤压速率约为1.4 mm/a。虎牙断裂及其右侧约90 km处的青川断裂的挤压速率分别为1.0 mm/a和0.7 mm/a,同样存在挤压变形由龙日坝断裂自西向东至龙门山断裂带逐渐减弱的特征。

图6 横跨岷江断裂的GPS速度剖面
Fig.6 GPS velocity profiles across the Minjiang Fault

本文基于1999—2016年GPS数据和1980—2010年区域精密水准数据,获取了研究区内主要断裂滑动速率,在与基于地质资料获取的滑动速率对比的基础上,分析了东昆仑断裂带东部及其邻区的构造变形特征,得到以下结论:

(1)东昆仑断裂带自西向东的走滑速率衰减是非常明显的,走滑速率从西大滩—东大滩和阿拉克湖段的约10 mm/a,向东到塔藏段衰减到约2 mm/a; 东昆仑断裂带阿拉克湖段的相关研究较少,本文基于GPS数据计算出该段的滑动速率约为(10±1.1)mm/a。东昆仑断裂并不是一条纯走滑断裂,阿拉克湖段、托索湖段、下大武段和塔藏段均表现出一定的弱挤压特征。跨岷江断裂剖面显示近南北向的岷江断裂以逆冲挤压运动为主,同样存在挤压变形自西向东由龙日坝断裂至龙门山断裂逐渐减弱的特征。在岷江断裂两侧各300 km的剖面内,整体挤压速率约6.9 mm/a,其中龙日坝断裂挤压速率约3.8 mm/a,占比超过50%。

(2)区域最大主应变方向为E-NEE向,整体上主压应变率大于主张应变率,且量值明显表现出区域上的差异性; 最大剪切应变高值区位于阿拉克湖段与托索湖段交汇区域,以及龙日坝断裂中段区域,与跨断层剖面给出的逆冲运动强烈的断裂段结果一致。

(3)基于水准资料获取的垂直形变场显示区域整体处于隆升阶段,但东昆仑断裂带东部及邻区抬升速率小于其北侧的西秦岭北缘断裂带和岷江断裂以南的区域。

(4)从滑动速率衰减特征来看,东昆仑断裂带滑动速率自西向东到塔藏段已经衰减至约2 mm/a,结合区域变形特征分析,认为岷山地区的隆起变形主要是巴颜喀拉块体自西向东的运动受华南块体的阻挡所致,而非东昆仑断裂带向东延展引起的构造转换。东昆仑断裂带过玛沁—玛曲段后的若尔盖段的滑动速率略小于玛沁—玛曲段,分析认为甘东南地区主要断裂滑动速率并不是由东昆仑断裂带转换而来,而是由于区内其承担了东昆仑断裂带向北和东推挤和扩展到西秦岭北缘断裂带的过渡作用,青藏高原向北东扩展过程中两大断裂体系的相互作用是区内主要断裂运动变形的动力来源。

论文绘图使用了GMT软件(Wessel et al,2013); 审稿专家对本文提出了宝贵的意见,在此一并表示感谢。