2017, Vol. 37
2. 中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室，北京市华严里甲1号，100029;
3. 东华理工大学测绘工程学院，南昌市广兰大道418号，330013
2016-01-21青海海北州门源县境内发生MS6.4地震，震中位置37.68°N、101.62°E，震源深度10 km。根据中国地震局地球物理研究所“中国地震科学台阵探测——南北地震带北段”项目组的地震矩张量结果，此次地震为逆冲兼走滑型。值得关注的是，几乎在同样的区域，曾于1986年发生了一次同等规模的MS6.4地震[1]，USGS CMT的结果与本次地震的震源机制非常相似(图 1)。鉴于这两次MS6.4强震的重复发生颇具“特征地震”之意味，本文基于高精度GPS观测结果，分析探讨2016年门源MS6.4地震之前区域地壳形变的变化特征，以期为该区域未来的强震危险性判定探索依据。
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图 1 2016年青海门源MS6.4地震构造背景及周边GPS观测站分布 Fig. 1 Active faults and GPS stations around 2016 Menyuan MS6.4 earthquake 黄色圆点为连续GPS观测站, 绿色三角形为流动GPS观测站, 灰色三角形区域由3个连续GPS观测站连接而成, 较好地涵盖了发震区域 |
在本次地震所处的青藏高原东北缘区域，布设有较为密集的GPS观测网[2-3]，并累积了震前6 ~16 a的高精度地壳形变观测资料。本文选取震中区域周围200 km范围内的10个连续GPS观测站和74个不定期复测的流动GPS观测站资料(图 1)。
本文采用JPL的GIPSY/OASIS(version 6.0)[4]软件和PPP模式进行每日数据的严密处理，获得了单日松弛约束解。然后，采用JPL的联合平差软件QOCA[5]，对所有站点的单日松弛约束解严密平差，获得各站点的坐标变化时间序列[6-8]。
2 震前GPS地壳运动速度场图 2为相对于稳定欧亚参考框架的区域GPS速度场。可以看出，在本次发震构造相关的祁连-海原断裂系两侧，明显地呈现出“南大北小”的特征：地壳运动速率从南部45站的平均9.5 mm/a，衰减到北侧39站的4.0 mm/a，两侧平均速率差达到5.5 mm/a，即区域内NEE向挤压速率在经过祁连-海原断裂系之后发生了明显减弱。
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图 2 2016年青海门源6.4级地震周边区域的GPS水平速度场 Fig. 2 Horizontal GPS velocities around the epicenter of the 2016 MS6.4 earthquake |
为了更好地基于GPS速度场判定祁连-海原断裂系主要断裂，特别是冷龙岭断裂的左旋扭错与挤压逆冲运动速率，本文参考Yuan等[9]的区域活动构造结果，建立主要活动断裂的简约模型(图 3)，各断裂的闭锁深度、倾角、倾向等几何参数见表 1。以GPS速度场为约束，采用半无限弹性空间的断裂位错理论[10]，反演各主要断裂的运动速率(表 1)。结果表明，与本次地震关系最密切的冷龙岭断裂区段，其震间左旋扭错和挤压逆冲的速率分别达到4.6±0.8 mm/a和5.9±0.8 mm/a，反映出这一断裂区段显著的应变能积累速率。
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图 3 2016年青海门源6.4级地震周边区域主要断裂的几何模型及基于断裂位错模型拟合的GPS速度场 Fig. 3 Geometric model of the major active faults and the GPS velocities around the seismogenic area of the 2016 Menyuan MS6.4 earthquake 绿色粗线条表示参与模型构建的主要活动断裂, 灰色细线条表示未予考虑的次要活动断裂, 蓝色矢量箭头表示观测所得GPS站速度, 红色矢量箭头表示模型拟合所得GPS站速度 |
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表 1 2016年青海门源地震周边主要断裂模型参数及反演所得现今运动速率 Tab. 1 Model parameters and inverted motion rates of the major active faults around 2016 Menyuan MS6.4 earthquake |
为了利用非均匀离散分布的GPS速度矢量计算出空间上连续变化的应变率场，采用二维“高张力样条”(τ=0.95)内插算法[11-12]对速度场进行规则的0.1°×0.1°网格化内插，进而计算出每个0.2°×0.2°网格区域的平均应变率张量。图 4是本次地震相关区域的震前地壳应变率场。可以看出，与本次地震相关的祁连-海原断裂系沿线具有显著的应变积累速率。发震区域的平均拉张和挤压主应变率分别为21.5 nanostrain/a(方向NW-SE，拉张)和-46.6 nanostrain/a (方向NE-SW，挤压)，主应变的拉张与挤压方向与逆冲兼左旋的震源机制相一致。因此，震前GPS观测获取的断裂区域主应变张量可用于判定未来强震的震源机制类型。
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图 4 地壳应变率场 Fig. 4 Crustal strain rate field |
以图 4的区域应变率为基础，采用简化的Kostrov公式[13]计算出区域地震矩累积率，可获得区域内每0.2°×0.2°范围(约20 km×20 km)的地震矩累积率(图 5)。可以看出，本次地震发震区域的地震矩累积率达17.4×1015 N·m/a，明显高于祁连-海原断裂系之外的周边其他区域。
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图 5 地震矩累积率 Fig. 5 Seismic moment accumulation rate |
为了分析判定发震区域在本次地震前是否存在地壳形变的细微异常变化，将震区周围3个连续GPS观测站GSML(甘肃民乐)、QHME(青海门源)和GSGL(甘肃古浪)组成一个三角形(图 1)，计算三角形区域主应变面膨胀、最大剪切应变等参数随时间的变化(图 6)。结果显示，自2010年以来，发震区域的面膨胀随时间呈“非线性”不断变小特征，反映出该地区一直处于应变的压缩积累状态，特别在震前2~3个月面膨胀与最大剪切应变均有一个明显的反向突变(图 6)。这些地壳形变的异常变化，或许反映了震源区的应变积累在接近临界破裂状态时的非线性调整。
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图 6 GSML、QHME和GSGL 3个连续GPS观测站所构成三角形区域的面膨胀和最大剪切应变随时间的变化 Fig. 6 Surficial dilatation and maximum shear strain time series of the triangle region which is formed by 3 continuous GPS stations(GSML, QHME and GSGL) 2016 Menyuan MS6.4 earthquake |
门源地震之前基于3个连续GPS观测站(GSGL、GSML、QHME)坐标变化计算的发震区域面膨胀的非线性或异常变化，究竟是孕震过程相关的地壳形变现象，还是某种非构造干扰因素的反映？为回答这一疑问，对这3站的坐标变化时间序列进行分析。图 7是3个站分别通过最小二乘线性拟合去除三分量线性项的坐标变化时间序列。可以看出，在2010~2012年期间，3个站的时间序列均有较大的离散度，特别是E方向分量，原因是连续GPS观测站在刚开始试运行之初，设备的固件设置普遍存在着一些系统性的问题，后来发现并及时地解决了这类问题。因此得到的GPS时间序列，尽管有一些明显的周期性波动，但3个站的总体一致性较好。近年的研究表明，这种较为一致的总体波动性主要反映了某些系统性的非构造因素的影响，但对于相距较近(如200 km以内)的GPS观测站，非构造的影响因素具有很强的共模性或时-空相关性[14]。因此，基于这些近距离、小范围站点的坐标变化时间序列所计算的基线序列、面膨胀序列和应变序列等，基本不受非构造干扰因素的影响。据此可以推测，计算到的发震区域在震前的面膨胀、最大剪切应变的非线性或异常突变等现象，在很大程度上反映了较为可靠的震前构造应力-应变变化特征。那么，这些基于实际观测资料计算得到的构造现象，又反映了怎样的物理机制呢？岩石在单向受压条件下的经典应力-应变关系曲线[15]表明，当岩石变形超过线性的弹性阶段而进入“微破裂”发生阶段时，应力-应变将逐渐变为曲线关系，岩石体积压缩速率变缓，横向应变趋势出现反转变化。当进一步进入非稳定破裂阶段后，岩石将在某些薄弱部位首先破坏，应力重新分布后，又将引起次薄弱部位的破坏，直至岩石完全破坏，岩石由压缩变为膨胀。本文得到的面膨胀“非线性”变化、震前2~3个月的面膨胀和最大剪切应变的反向突变等现象，均与上述的岩石物理试验结果相吻合。
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图 7 3个连续GPS观测站(GSGL、GSML、QHME)扣除线性变化项后的时间序列s Fig. 7 Position time series of 3 continuous GPS stations (GSGL, GSML, QHME) after removing the linear terms |
江在森等[16]通过分析中国大陆6级以上历史强震，指出强震分布区通常位于地壳水平运动大小和方向出现显著变化的区域，也就是剪切应变的高值区或其边缘地区。本文的结果显示，此次门源6.4级地震的发震位置也处于地壳应变大小显著变化的区域，符合前人所总结的特征。应变的突然变化似乎是比较重要的地震短临前兆，这些短临信息可表现为2~3个月运动态势减弱或反向，或是面膨胀(率)的减弱或反向，可能反映了一些构造现象的共性特征。
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2. State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, CEA, Al Huayanli, Beijing 100029, China;
3. Faculty of Geomatics, East China University of Technology, 418 Guanglan Road, Nanchang 344013, China