2017-08-08九寨沟7.0级地震发生在青藏高原巴颜喀拉地块北界东端的塔藏断裂与岷江断裂、虎牙断裂交汇部位, 发震断层为虎牙断裂北段, 具左旋走滑性质^[1-2]。2016~2017-07距震中约345~419 km的鲜水河断裂虚墟、格篓坝子、龙灯坝、老乾宁、折多塘等跨断层流动短基线场地均观测到拉张加速异常变化。李杰等^[3]曾统计我国大陆近40 a中强以上地震震前跨断层形变异常范围, 结果显示, 7级地震震前异常场地距震中基本在450 km以内。徐东卓等^[4]总结震前九寨沟地区及其附近跨断层短测线观测数据认为, 地块东南界鲜水河断裂的异常变化、东界龙门山断裂的震前加速变化、东北界附近甘东南地区的异常变化及东部区域的震前地壳隆升特性, 均揭示巴颜喀拉地块整体呈SE向加速运动, 九寨沟地震发生与此有关。尽管如此, 仍有专家认为, 鲜水河断裂距九寨沟震区较远, 距震中更近的龙门山断裂异常反而偏少偏弱, 鲜水河断裂拉张加速异常未必与九寨沟地震有关。鲜水河断裂、龙门山断裂及西秦岭构造区跨断层短测线观测反映的是近场断裂活动或远场应力加载导致的形变, 徐东卓等^[4]仅结合一个时段的垂向区域水准观测反映巴颜喀拉地块及其边界的运动状态, 分析不够全面, 若把震区周边数百km范围内时间上对应的跨断层形变异常均看作震前背景或前兆信号^{[3, 5]}, 更具统计或经验意义。

本文针对鲜水河断裂跨断层基线观测数据在九寨沟7.0级地震震前发现的拉张加速异常变化, 结合区域GPS与跨断层短水准、短基线等多种地形变资料, 从巴颜喀拉地块及其边界断裂活动关联性的角度进行分析。首先从跨断层短测线观测资料中提取反映鲜水河断裂、龙门山断裂、甘东南西秦岭构造断裂活动趋势及其动态变化的灰色关联度指标曲线, 分析九寨沟震前巴颜喀拉地块东南界、东界及东北界附近断裂活动的共性特征, 进而根据1999~2007年、2009~2015年及2015~2017年九寨沟地震前3个时段的大区域GPS速度场结果, 计算巴颜喀拉地块东南界鲜水河断裂、东界龙门山断裂及东北界塔藏断裂的剖面变化, 探讨鲜水河断裂跨断层短基线异常与九寨沟地震的关系。

1 跨断层短测线观测反映的断裂活动动态变化 1.1 资料介绍

巴颜喀拉地块的东南界、东界的中-南段、东北界的北侧均布设有跨断层流动短测线场地(图 1), 测线长度数百m至1 km左右。2008年汶川8级地震前跨鲜水河断裂的场地每2个月观测一期, 跨龙门山断裂的场地每4个月观测一期, 汶川震后均加密为每月观测；西秦岭构造区(由西秦岭北缘、临潭-宕昌、礼县-罗家堡、成县盆地北缘、康县北等多条断裂构成)每2或4个月观测一期。地质资料显示, 鲜水河断裂以左旋变化为主。本文利用其中观测质量和资料连续性较好、环境或人为等干扰较少的数据, 即侏倭、虚墟、沟普、龙灯坝、老乾宁、折多塘场地基线变化数据, 及侏倭、虚墟、龙灯坝、老乾宁、折多塘、道孚、榆林、安顺场水准变化数据；龙门山断裂地质资料显示逆断兼右旋性质, 却只有水准观测, 各场地经过了环境破坏(耿达场地等)、2008年汶川大震影响、场地新建或改造, 资料连续性明显受影响, 只能截取汶川震后至场地改造前(2009~2017年)七盘沟、灌县、双河、宝兴4处场地的观测数据；巴颜喀拉地块东北界本身无跨断层场地, 相邻的西秦岭构造区有十几处流动短水准场地, 断裂发育与活动的主要动力因素即为巴颜喀拉地块的近SE向滑移以及对西秦岭构造区所在甘青地块的近NE向推挤^[6], 故西秦岭构造区断裂活动以左旋逆断为主, 若较多水准场地出现逆断加速变化, 则一定程度上揭示这种近NE向推挤作用增强的态势。

1.2 灰色关联度综合指标计算分析

跨断层灰色关联度指标是反映断裂活动总体趋势及其动态变化的指标, 利用跨断层水准和基线观测数据, 通过提取各场地走滑、水平张压、垂向三分量的变化, 借助归一化计算(扣除各场地的本底活动水平)和灰色关联度加权(突出各场地反映的断裂活动的共性特征)合成实现。张希等^{[5, 7]}曾利用鲜水河断裂和西秦岭构造区截至2013年的数据分析过芦山7.0级及岷县漳县6.6级地震的震前异常变化, 本文在其研究基础上, 将西秦岭构造区数据补充至2018-07, 鲜水河断裂补充至2018-08, 并增加龙门山断裂2009~2017年观测数据, 得到灰色关联度指标时序曲线(图 2~4)。需要说明的是, 中国地震局“2017年全国跨断层场地优化改造”项目对西秦岭构造区跨断层场地实地调查发现, 个别场地图上盘、下盘标反, 本文在计算中予以修正；还有个别场地实际未跨断裂, 则不参与计算。分析图 2~4可知：

1) 鲜水河断裂跨断层流动观测(图 2)显示其呈较稳定的左旋变化, 与地质资料一致, 仅在芦山地震前后出现长达数年的先右旋转折、再恢复左旋的变化过程。从水平张压变化来看, 2001年昆仑山口西8.1级地震前张压特性并不突出, 距断裂不到200 km处在1989年理塘、巴塘、小金6级多地震连发后出现过一段时间的趋势转折, 在距震中约400 km的丽江7.0级地震震前数月略微加速；昆仑山口西8.1级地震后拉张特性明显, 汶川地震前的2003~2006年、芦山地震前的2010~2011年及九寨沟地震前的2016~2017-07拉张加速, 汶川及九寨沟地震前拉张加速尤其明显, 其中, 2013年初显著压性转折与芦山地震有关^{[7, 8]}, 九寨沟地震后不久转为压性下降, 2018-08已恢复至2009~2015年的拉张趋势线延伸线附近。灰色关联度垂向指标总体偏弱, 2015年以来振荡幅度增大, 正断略微加速, 与拉张加速特征一致。

2) 总体上看, 龙门山断裂跨断层观测(图 3)结果呈缓慢下降趋势, 逆断性质与地质资料一致, 芦山地震前的2010~2012年出现过趋势转折, 可能反映逆断减缓特性, 之后恢复, 2016年底出现过短暂的逆断加速突跳, 之后也恢复。

3) 西秦岭构造区(图 4)以逆断下降为主, 也与地质资料一致。周边300 km范围内的永登、景泰和岷县漳县、汶川地震前均出现以逆断加速为主的突跳异常变化；2015年初和2017年初在西秦岭北缘断裂、2015年底在西秦岭构造区南部(有跨断层场地分布的临潭-宕昌、礼县-罗家堡、成县盆地北缘断裂、康县北等断裂)均出现过逆断加速变化。

综上所述, 跨断层流动短测线观测显示, 巴颜喀拉地块东北界附近在2015年与2017年初、东南界在2016~2017年7月、东界在2016年均出现与长期趋势方向一致的拉张加速、逆断加速等变化；相比于地块东部东边界, 其南、北边界附近的跨断层异常场地所占比例明显较大, 灰色关联度指标异常持续时间也明显较长。

2 GPS剖面变化反映的地块活动 2.1 GPS剖面计算分析

图 1中的3条蓝色线段表示鲜水河断裂、有跨断层场地分布的龙门山断裂中-南段及塔藏断裂, 利用1999~2007年、2009~2015年、2015~2017年GPS水平运动速度资料, 取断裂段单侧200 km、两侧共400 km范围内的GPS站点, 沿平行和垂直断裂段的投影速率分量减去断裂上盘距断裂最远站点(断裂单侧200 km范围内)的投影速率, 并根据断裂段的垂向距离排序, 得到跨断裂GPS剖面相对位移变化, 结果见图 5~7。图中, 距离负值为上盘测点, 平行断裂走向的分量, 曲线向下为左旋、向上为右旋；垂直断裂走向的分量, 曲线向下为挤压、向上为拉张。另外, 针对剖面变化曲线计算回归直线的斜率值, 用以反映断裂活动的强弱程度, 结果见表 1, 其中, 负值为左旋、挤压, 正值为右旋、拉张。分析图 5~7和表 1可知：

1) 鲜水河断裂1999~2007年呈显著左旋兼弱拉张变化；2009~2015年左旋速率明显减缓, 约降至1999~2007年速率的1/3, 而拉张明显加快, 约增速1.6倍；2015~2017年左旋速率再减, 降至2009~2015年速率的1/2以下, 拉张增速0.5倍。2009~2015年相对1999~2007年变化剧烈, 后2个时段拉张持续增速, 与跨断层短测线(图 2)测量结果一致；2009~2015年左旋速率减缓, 与图 2灰色关联度指标曲线一致, 但2015~2017年左旋速率继续减缓, 与图 2芦山地震后就开始加速的特性不同。2009~2015年GPS剖面显示, 断裂左旋显著减速, 揭示巴颜喀拉地块东部相对其南侧的川滇菱形地块SE向运动速度加快。

2) 龙门山断裂1999~2007年呈右旋、挤压状态；2009~2015年变化速率明显加快, 右旋、挤压分量分别增速2.1倍和4.3倍, 受芦山地震影响, 断裂附近右旋、挤压加速更剧；2015~2017年断裂附近右旋、挤压速率减缓, 而稍远离断裂处的右旋、挤压速率与上一时段基本持平。

3) 塔藏断裂1999~2007年呈左旋、挤压状态；2009~2015年左旋速率明显加快, 增速1.9倍, 挤压分量变化不大。结合图 5和图 6中鲜水河断裂左旋减缓、拉张加速及龙门山断裂右旋挤压增速的情况可知, 2009~2015年巴颜喀拉地块东部SE向运动速率显著加快；2015~2017年相对2009~2015年塔藏断裂挤压分量继续增速。

综上所述, 巴颜喀拉地块东部在汶川地震后的2009~2015年相对1999~2007年运动速率平均增加2.5倍, 显示其整体呈显著的SE向加速运动状态；2015~2017年在总体维持上一时间段运动水平的基础上, 南、北界继续增速0.5~0.8倍, 也就是说, 巴颜喀拉地块东部在2008年汶川地震后出现显著的SE向加速运动。2007~2009年, 该区域水平运动速率更大, 主要反映汶川地震的同震位移和震后效应等, 但据文献[9]分析, 汶川地震的震后效应衰减很快, 在2009~2015年时段内不占主导因素, 2015~2017年影响更会大幅减弱, 而图 5和图 7显示, 2015~2017年却在维持2009~2015年水平运动速率基础上继续增速。GPS资料显示, 2011~2016年相对1999~2007年巴颜喀拉东部地壳形变明显增强^[10], 杨博等^[11]虽将2009~2015年分成2009~2011年、2011~2013年、2013~2015年3个时段, 但2009~2011年、2013~2015年相对1999~2007年主应变率增强, 这与本文跨断裂GPS剖面计算结果一致, 说明2009~2017年巴颜喀拉地块东部始终处于偏高速运动和高应力应变状态, 可能是汶川地震的震后调节等作用所致, 有利于后续芦山地震及九寨沟地震的发生。

2.2 与跨断层短测线资料的对比分析

从GPS剖面变化来看, 2015~2017年相对2009~2015年回归直线斜率差绝对值达到0.005以上的有鲜水河断裂左旋和拉张分量、塔藏断裂挤压分量。鲜水河断裂左旋减缓、拉张加快, 塔藏断裂挤压加快, 因此, 巴颜喀拉地块仍在继续增速运动, 且既有SE向滑移, 也有NE向推挤, 其中, NE向推挤作用加速更有利于地块东北界九寨沟地震的发生。

本文对图 2~4所示跨断层灰色关联度指标曲线也进行回归直线斜率计算, 结果见表 2。其中, 负值为左旋、挤压、逆断, 正值为右旋、拉张、正断, 西秦岭构造区北部和南部分别计算后再求均值, 2017年数据截止至7月, 即九寨沟地震前。分析认为, 跨断层短测线资料所得灰色关联度指标时序曲线的左右旋、张压及正逆断特性与GPS剖面变化基本一致, 2009~2015年巴颜喀拉地块也显示明显的加速运动特征(SE向滑移与NE向推挤均加速), 鲜水河断裂拉张增速约1.0倍, 垂向变化由弱逆断转为稍强正断, 西秦岭构造区则由正断转为逆断, 与GPS剖面变化总体一致。跨断层短测线观测与GPS观测相比, 尽管2015~2017年运动增速幅度较大, 但除了鲜水河断裂左旋增强和龙门山断裂逆断增强受芦山地震震后调整-恢复影响外, 鲜水河断裂显著的拉张加速与一定程度的正断加速及西秦岭构造区明显的逆断加速, 都与GPS剖面变化显示的增强趋势一致, 反映近场断裂活动或远场应力加载增强。另外, 表 2显示, 相对于2009~2015年, 2015~2017年的鲜水河断裂张压与垂向分量和西秦岭构造区垂向分量的回归直线斜率值分别增大了2.4倍、0.5倍、1.2倍, 但还是比2009~2015年的涨幅1.0~2.8倍弱, 这也与GPS剖面变化显示的2015~2017年相对2009~2015年增速偏弱的大体趋势相符, 说明跨断层短测线观测结果与大区域GPS剖面变化尽管空间尺度不同, 仍有一定的协同性。

鉴于汶川地震后巴颜喀拉地块东部出现的整体性加速运动, 作为其南、北边界的鲜水河断裂及塔藏断裂同处于这种偏高速运动和高应力应变状态下, 即使2015~2017年GPS观测显示增速并不剧烈, 鲜水河断裂和塔藏断裂附近及受巴颜喀拉地块推挤影响的西秦岭构造区仍可能出现跨断层短测线观测异常。考虑到鲜水河断裂与西秦岭构造区跨断层异常特征和异常出现时间的配套性较好, 与大区域GPS剖面变化也具协同性, 鲜水河断裂跨断层流动短基线观测获得的2016~2017-07显著拉张加速等异常变化与九寨沟地震存在一定程度的关联。

3 结语

本文通过提取鲜水河断裂、龙门山断裂及甘东南西秦岭构造区跨断层形变灰色关联度指标曲线, 分析九寨沟地震前巴颜喀拉地块东南界鲜水河断裂的断层活动异常及其与东界龙门山断裂、东北界附近西秦岭构造区断裂活动异常的共性特征, 进而根据1999~2007年、2009~2015年、2015~2017年3个时段GPS速度场数据, 计算鲜水河断裂、龙门山断裂及塔藏断裂的剖面变化速率。综合对比发现, 2009年汶川地震后巴颜喀拉地块东部呈显著的SE向加速运动, 之后数年一直维持这种偏高速特性运动, 汶川地震的发生调整了巴颜喀拉地块东部的应力状态, 有利于地块边缘跨断层短测线观测出现异常, 也有利于后续的芦山及九寨沟地震的发生。相对于2009~2015年, 2015~2017年在维持偏高速度和高应力应变状态的基础上继续增速变化, 地块南界鲜水河断裂跨断层观测结果显示的2016~2017-07拉张加速等变化与九寨沟地震有一定程度的关联, 具中期背景性预测意义。