(1.中国地震局第二监测中心,陕西 西安 710054; 2.国家遥感中心地质灾害研究部,北京 100036; 3.防灾科技学院 地球科学学院,河北 三河 065201)
(1.The Second Monitoring and Application Center,China Earthquake Administration,Xi'an 710054,Shaanxi,China;2.Department of Geological Hazards,National Remote Sensing Center of China,Beijing 100036,China;3.School of Earth Sciences,Institute of Disaster Prevention,Sanhe 065201,Hebei,China)
the Bayan Har block; strong-earthquake sequence; block activity; homogeneous elastic model; strong-earthquake activity
DOI: 10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0041
地震的孕育和发生与断层活动密切相关。基于GPS、水准、InSAR等大地测量观测资料研究断层的运动特征与孕震能力,是分析区域地震危险性的手段之一(季灵运等,2017; 李宁等,2018; 刘艳慧等,2022; 张晨等,2022; 康帅等,2020,2021; Zhao et al,2023)。活动块体理论认为块体边界断层变形相对较大,地震活动相对较强(Nur et al,2013; 徐锡伟等,2003)。在断裂系统强震的序次-时间关系的研究方面,Mogi(1977)在研究1918—1973年发生于千岛—日本海沟板块俯冲带的大地震活动时发现,地震事件的时间间隔随着事件序次的增加呈现逐渐缩短的趋势,且这种缩短的时间间隔呈现指数函数的形式。张国民和傅征祥(1985)在研究公元1400年以来中国大陆华北地区M≥7.0历史强震活动时也发现了上述现象。从强震的累积频次-时间关系曲线发现,在同一个地震活动期内,M≥7.0强震的发生在时间轴上呈“前疏后密”的状态,且强震发生的累积频次随着时间增长呈现指数函数形式的变化。闻学泽等(2011)分析了巴颜喀拉块体东边界断裂系统自18世纪以来M≥7.0地震与北边界断裂系统自19世纪中晚期以来发生的M≥6.9地震之间的关联性,探讨了两个边界断裂系统大地震应变释放的时间进程以及大地震的序次-时间关系,并依此预测下一次大震的发生时间,结果表明,北边界断裂系统发生下一次M≥7.0地震的可能时间为2010—2021年,东边界断裂系统发生下一次M≥7.0地震的可能时间为2031—2035年。 2021年玛多MS7.4地震的发生再一次表明了强震的累积频次-时间指数函数关系的有效性。本文基于1991—2016年中国大陆的GPS水平速度场数据分析巴颜喀拉块体边界运动与已发生的M≥7.0地震活动的相互关系,并从时、空两个尺度分析块体各边界断裂系统未来M≥7.0地震的发震时间与地点。
青藏高原是中国大陆6个一级活动块体之一,亦是我国大陆最新构造活动与地震活动最强烈的地区之一(张培震等,2003; 邓起东等,2002)。作为一级活动块体,青藏高原自南向北又可被进一步划分为拉萨、羌塘、巴颜喀拉、柴达木、祁连和川滇6个二级块体(张培震等,2003; 李平恩等,2019),其中巴颜喀拉块体位于青藏高原主体地区的北部,是青藏高原地壳运动方向转变的枢纽地区之一。块体北边界的东昆仑断裂带(北边界断裂系统)以左旋走滑运动为主,南边界自东向西分布的鲜水河断裂、甘孜—玉树断裂和玛尔盖茶卡断裂(南边界断裂系统)均以左旋走滑运动为主,东边界的龙门山断裂带(东边界断裂系统)以逆冲挤压作用为主,西边界的阿尔金断裂带西南段(西边界断裂系统)则主要表现为走滑拉张性质(邓起东等,2010,2014)。该块体以北的青藏高原东北缘地区普遍存在着强烈的挤压隆升作用,块体以南地区则主要表现为东向挤出,这种地壳形变方式使得巴颜喀拉块体周缘断裂带活动尤为强烈(闻学泽等,2011; 程佳,徐锡伟,2018)。
1900年以来,青藏高原经历了3个M≥7.0地震活动丛集系列,当前正在经历昆仑—汶川地震序列(1995年至今)(邓起东等,2010,2014),其主体活动区就是巴颜喀拉块体,因此,该地震序列活动与巴颜喀拉块体密切相关(闻学泽等,2011)。自20世纪90年代中期起,巴颜喀拉块体一直是我国大陆强震发生的主体地区,先后发生了1997年11月8日玛尼MS7.5地震、2001年11月14日昆仑山口MS8.1地震、2008年3月21日于田MS7.3地震、2008年5月12日汶川MS8.0地震、2010年4月14日玉树MS7.1地震、2013年4月20日芦山MS7.0地震、2014年2月12日于田MS7.3地震、2017年8月8日九寨沟MS7.0地震以及2021年5月22日玛多MS7.4地震(图1)。图1中震源机制解来自美国哈佛大学GCMT(1995—2021年),1900—2011年的地震参考闻学泽等(2011)的研究; 蓝色箭头表示GPS水平运动速度场(1991—2016年)(Wang,Shen,2020)。
图1 巴颜喀拉块体区域构造背景与M≥7.0强震活动分布图
Fig.1 Tectonic settings and strong earthquakes(M≥7.0)around the Bayan Har block
Mogi(1977)曾采用多弹簧滑块系统的破坏过程来解释大地震发生的物理机制:假定一个系统的强度由所有并联弹簧的强度构成,并用某一个弹簧的破坏对应一次地震的发生。地震发生后,破坏的弹簧丧失了支撑构造力的作用,其原本该承受的构造力将由其他弹簧来承受。随着系统中破坏的弹簧越来越多,系统的强度则会越来越弱,弹簧破坏的时间间隔也会随之呈指数逐渐缩短,这表示相应的地震事件的时间间隔也会以指数函数的形式逐渐缩短。
1900年至今,巴颜喀拉块体边界相继发生了近20次M≥7.0地震(表1),其再次发生M≥7.0地震的可能时间对于研究区域强震活动状态至关重要。本文运用多弹簧滑块系统理论,参考闻学泽等(2011)的研究成果,分别对1900年以来巴颜喀拉块体北、东、南各边界断裂系统的M≥7.0地震进行了统计(表1),并计算了玛多7.4级地震后这3个边界断裂系统未来发生M≥7.0地震的可能时间(西边界断裂系统仅发生2次地震,无法进行拟合计算)。图2为1900年以来北、东、南三个边界断裂系统大地震应变释放的时间进程关联性曲线图和大地震序列的序次-时间关系图。
表1 1900年以来巴颜喀拉块体北、东、南边界断裂系统的M≥7.0地震基本信息
Tab.1 Major earthquake events(M≥7.0)on the northern,eastern and southern boundary of the Bayan Har block since 1900
从图2拟合结果看,无论将2021年玛多MS7.4地震视为巴颜喀拉块体内部的地震(赵韬等,2021)还是块体边界的地震(潘家伟等,2021),拟合的各边界下一次大震发生的时间都比较接近,即北边界地震发生在2060年前后,东边界地震发生在2023—2025年,南边界地震发生在2028年左右。
本文基于1991—2016年中国大陆GPS水平速度场数据(Wang,Shen,2020),采用均匀弹性
图2 巴颜喀拉块体北、东、南边界断裂系统大地震的序次-时间关系及拟合曲线
Fig.2 Relationships between the order and the time of major earthquake sequences on the northern,eastern and southern boundary of the Bayan Har block
块体模型计算了巴颜喀拉块体各边界断裂系统的活动特征,并以此作为后续分析块体不同时期运动速率的背景参考,采用均匀弹性块体运动模型计算了1999—2007、2009—2013、2013—2015、2015—2017、2017—2020年5个时期巴颜喀拉块体边界运动性质,分析边界活动性质的时空演化特征,结合1995年以来发生在各边界断裂系统的M≥7.0地震的震源机制解综合分析块体未来的地震活动趋势。
本文使用的1991—2016年的中国大陆GPS速度场资料来源于Wang和Shen(2020)的研究结果; 1999—2007、2009—2013、2013—2015、2015—2017、2017—2020年5个不同时期的GPS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”项目在巴颜喀拉块体观测得到的GPS连续站和流动站数据,流动站点观测了多期数据,本文选取了这5个时段进行研究,其中1999—2020年其他不同期次的观测结果也参与了相应时间段的解算。每期观测时采用30 s采样间隔,连续观测4 d,每天24 h; 采用双差模式进行数据采集,并由GAMIT/GLOBK软件进行数据处理。数据处理时首先通过GAMIT软件获取GPS观测台站的位置参数及其方差-协方差矩阵的单日松弛解,并消除大气潮汐、海洋潮汐、对流层、电离层等因素的影响,单日解中包含了测站坐标、卫星轨道、极移、对流层天顶延迟等参数的初值及方差-协方差矩阵; 后续计算时用GLOBK软件将全球ITRF站和区域站的所有单日松弛解进行组合,从而进一步估算出基于ITRF2008参考框架的各区域站的速率与误差。
前人已经在块体运动方面做了大量的研究工作,并逐渐形成了3种块体模型:刚性块体模型、弹性块体模型和均匀弹性块体模型。刚性块体模型认为变形主要集中在块体的边界带上,块体内部不存在变形或变形小到可以忽略不计; 弹性块体模型认为块体内部存在变形,且块体边界断裂存在应变积累; 均匀弹性块体模型则是介于前两者之间的一种模型。本文采用的即是均匀弹性块体模型,该模型既考虑了块体的整体旋转,也考虑了块体内部变形,且认为块体内部变形是均匀的(李延兴等,2001),即认为观测点的运动速度由块体的刚性旋转和内部均匀形变二者引起的速度共同组成。具体理论公式如下:
式中:第一部分为刚性块体的旋转运动模型; 第二部分为块体的弹塑性应变模型; λ、φ分别表示观测点经度和纬度; Ve、Vn分别表示东向速度和北向速度; ωx、ωy、ωz表示块体的欧拉矢量; λ0、φ0、 r分别表示研究块体的几何中心经度、几何中心纬度和平均曲率半径; εe、εen、εne、εn均为常数,分别代表区域内的应变率张量,常数表示假定块体内部的应变为均匀的。式(1)中,除了3个欧拉矢量为未知数外,3个应变参数也是未知数,因此至少需要3个GPS站点的数据才可以进行解算,而进行精度评定则至少需要4个GPS站点的数据。
对于实际观测得到的GPS速度场,虽然块体内部整体上呈现出较好的连续性和一致性,但实际上会出现个别测站速度与周围测站速度在大小或方向上差异较大的情况,需要剔除这类异常测站点。为此,本文利用二倍中误差原则进行筛选:首先采用块体内部所有测站速度计算模型参数,基于模型参数反算每个测站的理论速度值,再计算实际观测值和理论速度值之差(残差)的中误差,对于残差大于二倍残差中误差的站点进行剔除,用剩余的测站速度计算模型参数,如此反复,直到所有测站残差都满足二倍中误差原则。同时为防止计算模型参数失真,剔除过程中遵循“剔除的只是个别站点,且空间分布具有偶然性”的原则。采用上述方法,本文对1999—2007、2009—2013、2013—2015、2015—2017和2017—2020年5个时间段的速度场结果进行了筛选,用筛选后的结果作为计算数据,利用筛选后的GPS数据通过式(1)计算得到10个块体的应变参数和欧拉极,再通过得到的参数计算块体上任何一
点在相应时间段的速度值,基于此计算了每一个块体边界上均匀分布的各点的速度。需要说明的是,因为巴颜喀拉块体各边界均为2个块体的公共边界,所以计算时需要分别计算属于每个块体时的边界速度值,再进行求差,最终得到2个块体公共边界上的相对速度,即本文需要的边界速度结果。
根据活动块体的基本概念及其划分原则,结合前人大量研究成果(邓起东等,2010,2014; 李煜航等,2015; Loveless,Meade,2011),本文将巴颜喀拉块体及其邻区块体划分为10个计算块体:巴颜喀拉块体(B1、B2)、华南块体(B3)、雅江次级块体(B4)、羌塘块体(B5、B6)、西昆仑块体(B7)、柴达木块体(B8)、共和南山块体(B9)、西秦岭块体(B10)。考虑到块体的南、北边界断裂系统以左旋走滑运动为主,东边界断裂系统以逆冲挤压作用为主,西边界断裂系统则表现为走滑拉张性质,在进行块体边界运动分析时,对南、北边界主要分析其平行断层的走滑的运动性质,对东、西边界则主要分析其垂直断层运动性质。通过反演计算得到1991—2016年巴颜喀拉块体各边界断裂系统运动结果如图3所示,图3a中,速率为负表示左旋运动,速率为正表示右旋运动; 图3b中,速率为负表示拉张运动,速率为正表示挤压运动。
从图3中可以看出,北边界断裂系统以左旋走滑运动为主,速率从西段至东段依次约为(7.6±1.2)、(6.9±0.6)、(5.9±0.5)mm/a。南边界断裂系统也以左旋走滑为主,从东段至西段速率依次减小,鲜水河断裂的左旋走滑速率达(10.5± 1.3)mm/a; 甘孜—玉树断裂的左旋走滑速率约为(5.2±0.9)mm/a; 往西至玛尔盖茶卡断裂也表现为左旋走滑运动,速率约为(2.0±0.4)mm/a,甘孜玉树断裂到鲜水河断裂速率是逐渐增大的,这与Zhang等(2022)根据InSAR和GPS得到的结果及Qiao等(2022)利用InSAR得到的结果基本一致。东边界龙门山断裂带显示以挤压运动为主,南段速率为(2.5±0.5)mm/a,北段速率约为(1.9±0.5)mm/a,同时还兼有右旋走滑运动; 龙日坝断裂总体以右旋走滑运动为主,北段速率约为(5.1±0.7)mm/a,南段约为(2.0±0.7)mm/a,这与徐锡伟等(2008)得到的右旋滑动速率为(5.4±2.0)mm/a的结果基本一致,另外还兼有一定程度的挤压运动。西边界主要以拉张运动为主,速率为(3.6±1.0)mm/a,兼有左旋走滑运动,北段尤为显著。另外,巴颜喀拉块体邻区各块体的主应变率(图3a)结果显示,柴达木块体内部以NNE向的主压应变为主; 羌塘块体西部藏西次级块体主要表现为近EW向的主张应变和近SN向的主压应变,藏东次级块体以NNW向的主张应变为主; 雅江次级块体以NE向的主张应变为主; 西昆仑块体表现为NE向主压应变和NW向的主张应变; 龙门山断裂和龙日坝断裂之间的次级块体以NWW向的主压应变为主。
图3 1991—2016年巴颜喀拉块体主应变率及边界断裂平行(a)与垂直(b)断层运动速率
Fig.3 Principal strain and the parallel(a)and vertical(b)movement rates of the boundary faults of the Bayan Har block from 1991 to 2016
本文收集了1995年以来块体各边界断裂系统发生的M≥7.0地震的震源机制解,其与各自发震断裂的活动性质对比见表1。从表1可知,北边界断裂系统发生的2001年昆仑山口西MS8.1地震震源机制解、南边界断裂系统发生的1997年玛尼MS7.5、2010年玉树MS7.1地震震源机制解都与断裂的左旋走滑性质一致。东边界断裂系统整体
显示逆冲为主兼具右旋的性质,发生在龙门山断裂带的2008年汶川MS8.0、2013年芦山MS7.0地震震源机制解也与断裂的运动性质一致; 而在东边界断裂系统北端靠近东昆仑断裂带东端处,则存在有旋转走滑运动特征,此处发育有呈弧形的塔藏—岷山—虎牙断层组成的左旋走滑断裂带,2017年九寨沟MS7.0地震的发震构造为九寨沟—虎牙断裂,该断裂为一条斜切岷山隆起的左旋走滑断裂(张岳桥等,2018)。巴颜喀拉块体西北端边界由阿尔金断裂西南段构成,显示走滑拉张性质,发生在西边界断裂系统的2008年于田MS7.3地震与2014年于田MS7.3地震震中相距约110 km,且两次于田地震的发震构造不同,这表明巴颜喀拉块体西边界的阿尔金断裂带西段不同段落的运动学特征有明显差异,在西边界北端靠近北边界断裂带西端的段落走滑性质更为显著,但两次地震都显示出一定的正断性质,这与巴颜喀拉块体西边界断裂带具有一定拉张性质的特征是一致的。
本文进一步通过不同时段GPS水平速度场(图4)计算了巴颜喀拉块体边界的阶段性运动与大震活动的关系(图5)。
1999—2007年东昆仑断裂带以左旋走滑性质为主,速率约为4.9～5.3 mm/a,较1991—2016年的背景速率明显减弱,期间发生了2001年昆仑山口西MS8.1地震,速率值偏小可能与昆仑山口西地震前断层存在一定程度的闭锁有关。甘孜—玉树—鲜水河断裂以左旋走滑为主,其中鲜水河断裂带速率约为7.0 mm/a,较背景结果显著减弱,表明川滇菱形块体整体向南东方向运动速率减弱,巴颜喀拉块体向S—SE方向运动受阻; 再往西
图4 研究区5个研究时段的GPS水平速度场
Fig.4 GPS horizontal velocity field in 5 research periods
至玛尔盖茶卡断裂左旋走滑速率递减,速率约为2.3 mm/a。龙门山断裂带显示以挤压为主,南段速率约为2.0 mm/a,挤压速率略低于背景水平,2008年汶川MS8.0地震便是在这种情况下发生的。龙日坝断裂右旋走滑运动速率较背景值偏小,另外还兼有一定程度的挤压运动(图5a)。
2009—2013年巴颜喀拉块体向东运动速率也有所增强,川滇菱形块体向SE方向运动速率较上期增强,具体表现为:东昆仑断裂带的左旋走滑速率为6.2～7.1 mm/a,较前期明显增强。鲜水河断裂带左旋走滑速率约为7.9 mm/a。甘孜—玉树断裂左旋走滑速率低于上期且与背景值相当,约为5.3 mm/a,在此背景下发生了2010年玉树MS7.0地震。龙门山断裂带南段的挤压速率与上期
图5 1999—2007年(a)、2009—2013年(b)、2013—2015年(c)、2015—2017年(d)、2017—2020年(e)块体边界平行和垂直于断层的运动速率
Fig.5 The movement rates parallel to and vertical to the faults on the boundary of the Bayan Har block in five periods:1999-2007(a),2009-2013(b),2013-2015(c),2015-2017(d)and 2017-2020(e)
基本相当,但仍低于背景水平,可能表明断层在此阶段存在一定程度的闭锁,此背景下发生了2013年芦山MS7.0地震。龙日坝断裂带右旋走滑速率仍小于背景速率,但较上期增大,这可能与巴颜喀拉块体整体运动速率有所增强有关。西边界在该时段拉张速率也高于背景值,此外还兼具一定的左旋走滑特征(图5b)。
2013—2015年巴颜喀拉块体运动速率较前期显著减弱,表现为:东昆仑断裂左旋走滑明显减弱,速率为3.9～5.5 mm/a。鲜水河断裂左旋性质增强,较前期速率增长10.9 mm/a。龙门山断裂带南段挤压速率有所增强,速率约为2.5 mm/a。龙日坝断裂带南段右旋走滑速率较前期减小。西边界拉张速率较2009—2013年也有所减弱,在此背景下发生了2014年于田MS7.3地震(图5c)。
2015—2017年巴颜喀拉块体向SE方向运动速率较2013—2015年明显增强,主要体现在:东昆仑断裂左旋走滑显著增强,速率为6.0～9.7 mm/a。鲜水河断裂左旋走滑性质明显减弱,约为7.5 mm/a。 龙门山断裂带南段挤压速率较上期减弱,龙日坝断裂带的走滑运动速率与上期相当,依然小于背景速率。该时期东边界北端与北边界交界处发生了2017年九寨沟MS7.0地震,与边界的运动性质一致。西边界的拉张速率显著增强,约为5.9 mm/a(图5d)。
2017—2020年巴颜喀拉块体向南东方向运动速率较2015—2017年略微减弱,表现在东昆仑断裂左旋走滑较上期减弱,速率大致为4.5～7.2 mm/a。
甘孜—玉树断裂左旋走滑速率高于前期和背景水平。龙门山断裂带挤压速率为1.6～2.2 mm/a,这表明东边界由挤压性质导致的应变积累状态依然很强,值得关注。西边界拉张运动低于上期,但高于背景值的状态依然持续(图5e)。
本文通过进一步梳理巴颜喀拉块体边界运动状态与大震活动的关系,绘制了各个时段块体边界断层运动速率的增强和减弱性质特征(图6)。从图6可以看出,2010年玉树MS7.0地震是在甘孜—玉树断裂出现一定的“左旋走滑速率增强”背景下发生的,甘孜—玉树断裂带在玉树地震发生前(1999—2007、2009—2013年)左旋走滑性质明显增强,在地震后(2013—2015、2015—2017年)左旋走滑性质逐渐减弱,当前(2017—2020年)左旋性质又一次显著增强; 2008年汶川MS8.0、2013年芦山MS7.0均是在东边界龙门山断裂带“挤压性质减弱”的背景下发生的; 2014年于田MS7.3地震是在西边界断裂“拉张性质增强—减弱”转折背景下发生的; 2001年昆仑山口西MS8.1地震是在东昆仑断裂带具备一定的“左旋走滑性质减弱”性质的背景下发生的。
在地震预测中进行大震发生后回溯总结时,通常认为地震前出现异于背景的变化即出现异常时,这种异常有可能是地震的前兆异常。本文计算得到的2001年昆仑山口西MS8.1地震和2010年玉树MS7.1地震前的断裂运动速率变化异常情况
图6 巴颜喀拉块体边界断层运动速率增强和减弱性质时空演化图
Fig.6 Temporal and spatial evolution of the increase and decrease of the movement rates of the boundary faults of the Bayan Har block
不同,存在两种情况:①2001年昆仑山口西MS8.1地震是在东昆仑断裂活动减弱的时候发生,通常认为如果断裂的运动速率一直很高,当运动速率降低时,断层闭锁并且正在积累能量,存在发震的可能; ②2010年玉树MS7.0地震是在甘孜—玉树断裂活动增强的时候发生,如果断层的运动速率一直较低,当速率增大时,可能也有利于断层释放能量,导致地震发生。从力学角度讲,地震是断层的快速错动,有两个主要条件:一是断层协同化程度较高,一旦应力条件达到,能够迅速连接造成较长断层段的快速错动; 二是断层上一些部位积累了足够高的应变,能够克服局部高强部位的错动阻力。地震的力学过程存在稳态、亚稳态、亚失稳态、失稳态4种状态(马瑾,郭彦双,2014; 马瑾,2016),而2010年玉树MS7.0地震前甘孜—玉树断裂活动增强可能与地震力学过程中的亚失稳阶段相对应。亚失稳是断层失稳前应力由以积累为主转变为以释放为主的最后阶段,断层进入亚失稳阶段,已经处于以释放为主的变形阶段,表现在断层运动速率上,就显示为速率增大的现象。对于一些复发周期很长的断层来说,亚失稳阶段可以超过1 a。在亚失稳阶段初期,应变释放区扩大和增多,应变积累区范围收缩和迁移,应变水平提高; 在亚失稳后期应变释放区加速扩展,相互连接,逐步贯通整个断层段。断层带应变释放区的加速扩展是进入必震阶段的标志。断层上应变释放区的扩展和连接体现了断层活动的协同化程度,指示了失稳的必然性和时间上的临近。而断层的粘滑过程中实际存在两次失稳,前者与弱部位的释放有关,后者与强部位的快速释放有关,表现为强震。前者的加速扩展促进了后者的发生(马瑾等,2012,2014)。
当前东昆仑断裂东段、龙门山断裂南段运动速率均小于背景速率; 甘孜—玉树断裂最新一期运动速率增大,且远高于背景水平,结合各边界断裂带目前的运动性质时空演化特征与以往发生的M≥7.0地震综合分析,应注意这几条断裂发生大震的危险。
利用断裂的滑动速率V、闭锁深度D和长度L可估算断裂的累积能量速率M(Ahadov,Jin,2021),表示为:
M/L=μVD(2)
式中:剪切模量μ设定为30 GPa; V可通过跨断裂GPS、InSAR剖面反演得到; D既可以通过跨断裂GPS、InSAR剖面反演得到,也可以通过分析断裂现今90%的小震活动的深度获得。
有研究表明,中、强地震的最大破裂深度与99.9%小震释放能量深度一致,闭锁深度与小震深度分布的90%、95%分位数具有一定的对应关系,大震震源深度与发震构造上小震深度分布的90%、95%和99%分位数具有很好的对应关系,不同分位数表示占小震总数不同百分比的地震深度下界值(李姜一等,2020)。通常,利用地表形变数据(如GPS、InSAR等)和数值模型来反演得到断层震间应力积累的闭锁深度,利用地震数据得到孕震深度,当闭锁深度与孕震深度下界值一致时,断层在孕震层处于闭锁状态,更具有发生中强地震的危险,当孕震深度下界值与闭锁深度不相等时,如断层脆性层存在蠕滑,其差异可能反映不同应力积累情况。因此,本文根据式(2),通过对比M来分析断裂未来发生中、强地震的可能。需要说明的是,本文是利用反正切方法获得的断层闭锁深度,无法获得断层的破裂长度L,因此在分析时,无法进一步估算未来可能发生地震的震级大小。
本文利用研究断裂的2015—2020年InSAR数据(Zhu et al,2021; Zhang et al,2022)及2015—2019年小震数据,分别计算了巴颜喀拉块体边界的东昆仑断裂和风火山—甘孜—玉树—鲜水河断裂的闭锁深度和孕震深度,并进而获得了两种不同的能量累积速率(图7)。图7中蓝色立柱表示利用小震深度和大地测量获取的断层滑动速率计算得到的断裂每千米能量累积速率; 红色立柱表示利用大地测量获取的闭锁深度和断层滑动速率计算的断裂每千米能量累积速率。图7显示,东昆仑断裂东段整体地震能量累积速率较大,其中玛沁—玛曲段由闭锁深度获得的能量累积速率基本与由地震层深度获取的能量累积速率相当; 甘孜—玉树—鲜水河断裂从西向东地震能量累积速率逐渐增大,部分段落的闭锁深度能量累积速率与地震层获取的能量累积速率相当,表明存在发生较大地震的背景。
图7 基于大地测量和小震分布的东昆仑断裂和风火山—甘孜—玉树—鲜水河断裂的能量累积速率
Fig.7 Energy accumulation rate of the East Kunlun fault and the Fenghuoshan-Ganzi-Yushu-Xianshuihe fault based on the geodesy and the small earthquake distribution
2008年汶川MS8.0地震及2013年芦山MS7.0地震发生后,大量学者对龙门山断裂带进行了诸多研究,其中有不少学者认为龙门山断裂西南段的地震危险性仍值得高度重视,如陈运泰等(2013)通过分析汶川、芦山地震发震构造、地震活动性、地震矩释放“亏空”区等,认为龙门山断裂带西南段在芦山MS7.0地震后仍存在发生M7.0左右地震的危险; 徐锡伟等(2013)在芦山地震后对震区进行了科学考察并提出“仍应高度重视并跟踪龙门山断裂带西南段尚未发生历史地震破裂的空段”的观点; 武艳强等(2013)通过GPS观测结果对芦山地震同震位移场、余震分布等进行分析,认为该地震的能量释放不足以完成对龙门山断裂带南段断层的解锁; 赵静等(2021)利用2010—2013年布设于龙门山断裂中段汶川地震破裂断层的GPS时间序列进行反演,发现汶川MS8.0地震破裂断层的不同段落在震后活动性存在明显差异,其中震中NE方向的断裂段落在研究时段(2010—2013年)一直处于蠕滑状态,而西南段则处于比较强烈的愈合过程,显示强闭锁状态,这同样说明龙门山断裂西南段在一定的动力学背景下,挤压弹性应变正快速积累,更有利于发生大震。另外,闻学泽等(2011)研究认为,19世纪中晚期至今,巴颜喀拉块体北边界断裂系统在这100多年所发生的大地震序列中呈现出逐渐加速发生的变化过程,反映了该块体在相应时间段朝E—SE方向的推进作用也在逐渐加强。该过程引起巴颜喀拉块体东边界断裂带发生了相应的应变积累和加速变形,并以另一个亦呈逐渐加速趋势的、滞后于北边界断裂系统至少数十年的大地震序列进行响应,而2008年汶川MS8.0地震、2013年芦山MS7.0地震正是该响应序列中的事件。同时,巴颜喀拉块体北边界断层的左旋走滑运动在该块体东边界转换为断层的逆冲或逆冲兼走滑运动,巴颜喀拉块体的运动对东边界断裂带具有明显的“加载”作用,而北边界和东边界大地震序列之间存在的关联性即是该“加载”作用的反映。2021年玛多MS7.4地震即是在此背景下发生的,这对块体东边界断裂带也可能具有明显的“加载”作用。
甘孜—玉树断裂带作为巴颜喀拉块体南边界的一条重要的断裂,也是巴颜喀拉块体与羌塘块体的共同边界,具有典型的左旋走滑特征。图3a中各块体的主应变率结果显示羌塘块体西部藏西次级块体基本以近EW向的主张应变和近SN向的主压应变为主,主压应变与羌塘块体所处的青藏高原受到印度板块北推的大动力作用背景有关,主张应变则反应出块体内部存在一定的东西向局部伸展作用,而已有研究表明羌塘块体西部存在地表地堑盆地(徐锡伟等,2014),这与其EW向的力学伸展作用密切相关。前人对于甘孜—玉树断裂运动的研究中,对断裂左旋走滑性质的认识比较一致(彭华等,2006; 石峰等,2013)。已有地震地质研究表明,甘孜—玉树断裂的不同段落均具备发生大地震的能力(闻学泽等,2003; 陈立春等,2010)。
图3a中各二级块体的主应变率结果显示柴达木块体内部以近NNE向的主压应变为主,与青藏高原主要承受印度板块向北推挤作用的大构造动力环境有关。Zhu等(2021)基于InSAR形变场反演了东昆仑断裂带的断层运动和断层面闭锁特征,认为玛沁段闭锁强度较高,存在大震发生的可能。
巴颜喀拉块体作为青藏高原地壳运动方式转变的重要枢纽,块体以北的青藏高原东北缘的强烈挤压隆升作用和块体以南地区的强烈东向挤出作用使得巴颜喀拉块体周缘断裂带的活动极其强烈。
本文基于巴颜喀拉块体边界大地震序列,根据强震的累积频次-时间指数函数关系,结合多弹簧滑块系统模型机制,分析认为未来十年巴颜喀拉块体东边界和南边界存在发生M≥7.0地震的可能。
基于1991—2016年中国大陆GPS水平速度场数据,采用均匀弹性块体模型计算了巴颜喀拉块体各边界断裂带的长期活动特征,并以此作为参考背景,计算了1999—2007、2009—2013、2013—2015、2015—2017、2017—2020年各边界断裂带的活动性质及时空演化特征,同时结合1995年以来发生在各边界断裂带上的M≥7.0地震震源机制解综合分析强震活动与块体运动的关系。综合分析认为,1995年以来,巴颜喀拉块体向E—SE向运动增强,发生在块体边界的一系列M≥7.0地震震源机制与块体边界的运动特征一致; 当前,东昆仑断裂东段运动速率持续减小; 甘孜—玉树断裂运动速率增大,且远高于背景水平; 龙门山断裂南段运动速率持续低于背景水平。结合块体边界断裂现今闭锁程度和累积能量释放相互关系,分析认为上述断裂可能是未来发生7级以上地震的主要地点。
本文小震数据由四川省地震局正高级工程师龙锋提供,在此表示感谢。
