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  大地测量与地球动力学  2021, Vol. 41 Issue (7): 732-738,746  DOI: 10.14075/j.jgg.2021.07.013

引用本文  

庄文泉, 李君, 郝明, 等. 利用加密GNSS数据和震源机制解分析川滇块体南部现今地壳活动特性[J]. 大地测量与地球动力学, 2021, 41(7): 732-738,746.
ZHUANG Wenquan, LI Jun, HAO Ming, et al. Characteristics of Present-Day 3D Crustal Movement of Sichuan-Yunnan Region[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2021, 41(7): 732-738,746.

项目来源

中国地震局震情跟踪定向工作任务(2020010209);国家重点研发计划(2018YFC1503403);中国地震局地震科技星火计划(XH20082Y)。

Foundation support

The Earthquake Tracking Task of CEA, No.2020010209; National Key Research and Development Program of China, No.2018YFC1503403; The Spark Program of Earthquake Technology of CEA, No.XH20082Y.

第一作者简介

庄文泉,工程师,主要从事地壳形变监测与动力学机理研究,E-mail:15109216173@163.com

About the first author

ZHUANG Wenquan, engineer, majors in crustal deformation monitoring and dynamic mechanism, E-mail: 15109216173@163.com.

文章历史

收稿日期:2020-09-02
利用加密GNSS数据和震源机制解分析川滇块体南部现今地壳活动特性
庄文泉1     李君1     郝明1     崔笃信1     
1. 中国地震局第二监测中心,西安市西影路316号,710054
摘要:利用多源项目获得的补充加密GNSS观测资料计算研究区高空间分辨率的GNSS水平运动速度场和应变率场,采用地震波形资料,通过CAP方法求解震源机制解,在此基础上使用阻尼区域应力反演方法分析川滇地块区域构造应力场的空间分布特征。结合主要断裂的活动特性,综合分析川滇地区的地壳形变特征。结果表明:1)块体浅部的最大主压应力与地表的最大主压应变率由SSE向转变为近SN向,呈现出较好的一致性,GNSS观测至少可反映20 km以内的地壳形变;2)川滇块体南部的东向滑移和顺时针旋转,可能受青藏高原推挤、华南块体阻挡及印度板块与欧亚板块之间北向运动速率自西向东递减而形成的右旋剪切拖拽作用的顺时针力偶的综合影响;3)川滇块体在综合力偶作用下SE向挤出和顺时针旋转的同时,受到走滑逆冲断裂带的吸收转换,使得青藏高原物质SE向挤出有限。
关键词GNSS速度场应变率场震源机制解构造应力场

川滇块体位于中国大陆南北地震带南段,作为青藏高原大型物质向东南方向挤出的前缘,其构造活动复杂、变形强烈,且由于块体物质的侧向挤出,形成多条纵横交错的断裂带。“地壳运动观测网络”和“中国大陆构造环境监测网络”等国家科技基础设施项目的实施,可为区域地壳运动形变特征研究提供更多GNSS等基础资料,对认识震间断层的运动特征以及断裂之间的发震危险性具有重要意义。前人已利用GNSS大地测量资料对川滇地区形变空间分布特征和断层运动特征进行大量研究[1-10],但这些研究所用的GNSS观测资料相对比较稀疏,甚至在部分断层两侧100 km范围内无GNSS观测数据,这对于断层纵横交错的川滇块体南部而言存在一定局限性。因此本文在已有资料的基础上,利用多源项目获得的补充加密复测资料(图 1),采用高精度GNSS数据处理技术获取川滇块体南部高精度、高分辨率的GNSS地壳水平运动速度场,计算研究区应变场,对区域主要活动断裂的活动性进行定量分析,同时通过CAP方法求解震源机制解,反演区域构造应力场的空间分布特征。通过研究主要活动断裂的性质和区域构造应力场的空间分布特征,分析研究区的地震动力学特征,为地震危险性评估和动力学研究提供基础资料。

图 1 川滇块体南部GNSS站点和地震台站分布 Fig. 1 Distribution of GNSS sites and seismic stations in the southern Sichuan-Yunnan block
1 数据与方法 1.1 GNSS数据

本文收集的GNSS观测资料包括:1)“地壳运动观测网络”、“中国大陆构造环境监测网络”项目2014~2019年的GNSS观测数据;2)中国地震局地质研究所在红河断裂两侧建立的18个GNSS站2015、2016和2019年的观测数据;3)中国地震局第二监测中心在安宁河-则木河-小江断裂带80个国家GNSS大地控制网B级点收集的2019年观测数据,同时收集2014年首期观测资料。

1.2 GNSS数据处理方法

由于使用多个项目的多期观测数据,为避免因约束条件及处理方法不同而产生的差异,采用统一的数据处理方案对所有数据进行重新处理,具体方案如下:1)利用GAMIT对收集的GNSS观测资料进行基线解算,获得GNSS测站坐标、卫星轨道等参数及方差-协方差矩阵的单日基线松弛解,为避免因模型和框架差异引起的计算结果差异,采用相同的模型和方法对全球选定的约70个均匀分布的IGS站和基准站数据进行处理,获取单日基线松弛解。2)利用HTOGLB将单日松弛解文件转换为GLOBK认可的单日基线松弛解,通过GLRED计算时间序列,检查单天坐标的重复性。3)利用GLOBK将基准站和观测站多天的单日基线松弛解文件进行多时段综合,进而从多年数据中估算ITRF2014框架下2014~2019年的GNSS速度场。4)利用Altamimi等[11]提供的欧亚板块的欧拉旋转矢量,将GNSS水平运动速度场归算到欧亚参考框架下(图 2)。

图 2 川滇地区GNSS速度场(2014~2019) Fig. 2 GNSS velocity field in Sichuan-Yunnan region
1.3 地震数据

本文研究区范围为22°~30°N、98°~106°E,从中国地震台网中心下载2009-01-01~2020-03-18 M>3.5地震目录。图 1中粉色三角形为研究使用的台站,台站分布合理,可很好地包含发生在研究区内的大部分地震事件。

1.4 震源机制解反演

采用CAP方法求解研究区地震的震源机制解,该方法具有较高稳定性,目前已被广泛使用。在进行波形反演时,选取震源区350 km范围内信噪比高、覆盖均匀的台站记录的波形数据,具体参数设置参考文献[12]。图 3为2020-01-23云南红河地震的CAP反演震源机制解示例,左边为震源机制解沙滩球及节面参数、数据残差、12个台站的波形拟合,右边为不同深度的数据残差。本文收集GCMT网站公布的研究区1976-01~2018-05的震源机制解,加上本文反演得到的结果,共有437个震源机制解数据。按照Zoback[13]的分类标准对震源机制进行分类,结果如图 4所示,其中绿色震源球代表正断层或正断兼走滑型地震(NF/NS),蓝色震源球代表纯走滑型地震(SS),红色震源球代表逆冲或逆冲兼走滑型地震(TF/TS),黑色震源球代表不能划分到上述类型中的其他类型地震(OTHER)。统计结果表明,走滑型地震有245个,占56.06%;正断层或正断兼走滑型地震有55个,占12.62%;逆冲或逆冲兼走滑型地震有88个,占20.18%;49个无法确定类型,占11.16%。从图 4可以看出,川滇地区的地震活动以走滑类型为主,且大多数地震发生在块体边界带上。

图 3 2020-01-23云南红河地震CAP反演震源机制解 Fig. 3 The focal mechanism solution of Honghe earthquake in 2020-01-23 determined by CAP method

图 4 川滇块体震源机制解分布 Fig. 4 Distribution of the focal mechanism solution in Sichuan-Yunnan block
2 主要断裂活动特性

分析川滇块体南部主要活动断裂的运动变形特征,沿垂直于各断层的方向作剖面。由于川滇块体南部次级断裂交错复杂,在GNSS剖面选择时需顾及次级断裂的影响,GNSS剖面内的测站尽量不跨越其他活动断裂。考虑历史大地震破裂的空间分段性[5],以加密观测获取的GNSS速度场作为基础,将小江断裂分为4段,红河断裂分为3段,元谋断裂分为2段,南华-楚雄-曲江断裂分为2段,丽江-小金河断裂分为1段,GNSS剖面如图 2红色虚线框所示。将GNSS速度矢量投影到垂直和平行断层的2个方向,根据剖面内断层两侧的站点速率估算断层的走滑和张压速率。图 5为利用GNSS速度剖面分析获取各活动断裂的现今分段活动特性。

图 5 川滇块体主要断裂GNSS速度剖面 Fig. 5 GNSS velocity profiles across major active faults in Sichuan-Yunnan block
2.1 小江断裂

小江断裂北段巧家-东川之间存在约11 mm/a的左旋走滑运动,同时存在1.6 mm/a的拉张运动。以嵩明为中心的小江断裂中段的左旋走滑速率为11.9 mm/a,同时存在1.0 mm/a的拉张运动;以宜良为中心的小江断裂中南段的左旋走滑速率为10.5 mm/a,同时存在1.0 mm/a的拉张运动;以建水为中心的小江断裂南段的左旋走滑速率为7.5 mm/a,同时存在2.5 mm/a的拉张运动。本文结果与闻学泽等[5]得到的小江断裂北段10 mm/a、中段8~9 mm/a、中南段8 mm/a的走滑速率结果一致,但小江断裂南段的滑动速率结果存在差异,闻学则等[5]得到的滑动速率为4 mm/a。李长军等[8]认为小江断裂的滑动速率为9 mm/a,从北段到南段滑动速率逐渐减小[14],而闻学则等[5]得到的小江断裂中南段和南段的滑动速率差值较大,可能是由GNSS站点稀疏所导致。本文得到的小江断裂南段7.5 mm/a的左旋走滑速率与采用地质方法得到的7.02±0.20 mm/a的结果一致[15],与小江断裂向西南延伸跨过红河断裂还存在7.0 mm/a的左旋走滑运动相对应[16],小江断裂的拉张速率与李长军等[8]的计算结果一致。小江断裂的震源机制解以走滑型为主,与GNSS计算得到的断层性质一致。利用GNSS剖面法获取的小江断裂北段、中段和中南段现今断裂的滑动速率小于地震地质结果[17],且断裂的变形主要集中在断裂两侧40 km范围内,变化特征对应地震周期的晚期,处于应变累积过程。

2.2 元谋断裂

元谋断裂在几何分布上与小江断裂近乎平行,其震源机制解显示为走滑性质断层。作为滇中块体内部的分界断裂,元谋断裂将滇中块体分割成2个次级断块,次级断块的顺时针旋转运动及断层逆冲断裂活动对块体挤出具有吸收和转换作用,致使青藏块体的挤出幅度存在由西向东逐渐减弱的趋势[18]。本文计算结果表明,元谋断裂北段和南段的左旋走滑速率为0.1 mm/a,缩短速率为0.5 mm/a,现今走滑速率小于地质学方法得出的1.0~2.0 mm/a[19],表明该断裂可能处于强闭锁的孕震状态。

2.3 丽江-小金河断裂

横切川滇菱形块体的丽江-小金河断裂将该块体分割为川西北和滇中2个子块体,GNSS速率剖面表明,该断裂左旋走滑速率和挤压速率分别为0.9 mm/a和-1.3 mm/a,与李煜航等[4]和丁开华等[6]的研究结果一致。丽江-小金河断裂的横向挤压对川西北子块体的东向和东南向挤出过程具有一定的吸收和转换作用[18]。丽江-小金河断裂上的走滑性质的震源机制解主要集中在断裂中段,与GNSS揭示的断层活动性质一致。

2.4 南华-楚雄-建水断裂

南华-楚雄-建水断裂与红河断裂共同构成川滇块体的西南边界。GNSS速率剖面结果表明,南华-楚雄段和曲江-建水段的右旋走滑速率分别为-3.5 mm/a和-3.3 mm/a,小于李长军等[8] -4.4±0.8 mm/a和-5.3±0.5 mm/a的计算结果,与常祖峰等[20]和韩新民等[21]采用地质方法计算的结果及王阎昭等[7]采用连接元模型反演得到的结果一致。震源机制解显示,南华-楚雄-建水断裂为走滑性质,与GNSS计算的断层右旋走滑性质相符,断裂的现今构造活动性高于红河断裂,与其高频率的地震活动性一致。

2.5 红河断裂

红河断裂作为川滇菱形块体的西南边界,在构造运动和演化过程中具有重要作用。本文计算得到红河断裂北段、中段、南段的右旋走滑速率分别为-2.5 mm/a、-0.5 mm/a、-1.2 mm/a,垂直于断层方向北段、中段、南段的运动速率分别为-0.8 mm/a、-0.3 mm/a、1.6 mm/a。从滑动速率来看,红河断裂的走滑速率与断裂两端多、中间少的走滑型震源机制解的分布特征相对应。本文获得的平行于断层方向的右旋走滑速率结果与李长军等[8]和徐文等[10]的研究结果基本一致,北段、中段垂直于断层方向的挤压速率和南段的拉张速率与徐文等[10]的计算结果一致。GNSS速度场显示,跨过红河断裂后运动状态并未出现显著变化,且由GNSS速度剖面得出的断层活动相对较弱。同时,震源机制解分布在北端弥渡-大理-丽江一线,而在弥渡苴力以南至越南红河三角洲入海口长800 km段落上,震源机制解分布相对离散,呈现出少震、弱震的特点[22]。因此,本文认为红河断裂晚第四纪以来活动性已大大减弱[23-24]

3 应力应变场计算

采用Shen等[25]提出的应变率计算方法,从GNSS速度场中获取应变率场,该方法根据相邻数据到插值点的距离和空间覆盖率,为其指定最优权重,通过最小二乘反演方法估计应变率场参数。选取网格距离为0.5°×0.5°,计算研究区主应变率、面应变率和最大剪应变率。整体而言,川滇块体南部的主压应变率主要集中在川滇块体东部,并沿着块体东部边界由北向南发生顺时针旋转,由SSE向逐渐转为SN向(图 6(b))。

图 6 应力场与应变率场 Fig. 6 The stress field and strain rate field

将研究区划分成1°×1°格网,采用MSATSI软件,利用阻尼区域应力张量反演技术,以应力张量在断层面上的剪应力方向与断层滑动矢量方向是否一致作为约束条件,通过计算一组不同阻尼系数值下的模型长度与数据残差的拟合曲线,选取最佳阻尼系数,此时模型长度与数据残差同时达到最小。阻尼系数的引入可修正相邻区域应力张量变化突兀的情况,使由反演得到的区域应力张量之间的变化更为合理,确保数据本身对相邻区域间应力模式的变化起到关键作用[12]。最后对每个格网的应力张量进行反演,得到研究区1°×1°格网大小的应力张量空间分布图(图 6(a)),其中红色表示正断层类型,绿色表示走滑类型,蓝色表示逆冲类型,其方向表示最大水平主压应力。由图 6(a)可知,最大水平主压应力的应力状态和方向变化与李君等[12]和王晓山等[26]得到的结果一致,反演得到的应力状态与图 4中震源机制解的类型较为一致,进一步说明结果的可靠性。川滇块体受青藏高原东向扩展的影响向SE方向运动,并控制该区域的应力场,该地区的最大主压应力呈现规律性变化特征[26],应力状态为走滑类型。主压应力与小江断裂走向之间的夹角基本保持不变[12]

4 结语

由川滇块体南部GNSS面应变率结果可知,小江断裂附近发生微弱的拉张应变,由北向南逐渐增大,在小江断裂和元谋断裂之间存在微弱挤压区域。面应变率压缩区主要出现在红河断裂中段附近,呈条带状分布,沿红河断裂向两端减小。红河断裂由中段的挤压运动向南段的拉张运动进行扩散,这与使用GNSS剖面法获取的红河断裂南段的拉张运动和中段的挤压运动结果基本一致。川滇块体南部面应变率具有不均匀性特征,可能是川滇块体在向南运动时承载块体运动的各个断层的运动速率存在差异所造成,同时面应变累积的不均匀性可能导致地震的孕育和发生。

由GNSS最大剪应变率结果可知,川滇块体南部的主要活动断裂以剪切变形为主,伴随局部的挤压/拉张运动。小江断裂附近为剪应变率高值区,该断裂以剪切运动为主,断裂走滑运动明显,这与小江断裂8~12 mm/a的走滑运动一致。剪应变率以小江断裂为中心向两侧出现逐渐减小的梯度变化,在小江断裂中南段最大剪应变率达到最大值,表明该区域断层活动强烈。红河断裂附近的最大剪应变率相对较低,应变难以快速累积,尤其是在红河断裂北段和南华-楚雄-建水北段附近最大剪应变率出现低值区。元谋断裂北段附近和红河断裂北段与中段附近出现高低值转换区域,而汶川MS8.0地震、玉树MS7.1地震、芦山MS7.0地震和岷县-漳县MS6.6地震均发生在剪应变高低值转换区域[27],因此需重点关注小江断裂南段和曲江-建水段最大剪应变高值和高低值转换的区域。

川滇块体南部的最大主压应力与地表的最大主压应变率具有较好的一致性,表明板块运动控制着块体应力应变[28],并且产生一系列地震活动,块体边界由于差异运动强烈有利于应力应变的高度积累而孕育强震。沿剖面P1和P2将反演引力场的震源机制解按深度投影(图 7),P1和P2分别位于川滇块体南部和红河断裂以南的滇西南地区,从图中可以看出,95%以上的地震发生在地壳20 km范围内,即得到的应力状态可反映地壳20 km内的应力分布特征。而地表的应变率与浅部的应力场方向呈现出较好的一致性,表明GNSS观测到的地表形变至少可反映该地区20 km以内的地壳形变。

图 7 地震活动剖面 Fig. 7 Seismicity profiles

实测GNSS速度场显示,川滇块体自西向东运动逐渐减弱,表明青藏高原物质向东挤出,受到块体内部丽江-小金河、元谋等活动断裂的转换和吸收作用[18],导致块体的挤出幅度自西向东逐渐减弱,使得青藏高原物质SE向挤出有限。主压应变率大小呈现不均匀的分布特征,小江断裂带附近主压应变率明显高于其他地区,同时主压应变率的方向沿小江断裂带产生顺时针旋转,表明川滇块体的SE向挤出受到华南块体的阻挡作用,被迫向S偏转,引起块体顺时针旋转和SE向滑移。

从区域应力场来看,川滇地区的震源机制解和构造应力场均以走滑类型为主,表明在印度板块NE向推挤作用下,青藏高原快速隆升和青藏高原物质向东扩张,致使川滇块体上部地壳沿块体边缘和内部断层滑动[26],引起块体内部次级断裂的走滑运动,并造成各构造单元之间的差异化运动。川滇地块相对于华南块体的SE向滑脱,致使走滑类型的震源机制解分布在川滇块体南部区域的边界和内部。构造应力场可直观反映川滇块体南部背景应力场的作用方式,川滇块体在向东滑移的过程中受到华南块体的阻挡作用,迫使块体向S偏转,该区域表现为SE-SSE-SN向走滑类型为主的应力状态,并且主压应力的水平方向沿块体边界发生由北向南的顺时针旋转,由SSE向转变为近SN向。而红河断裂以南的滇西南地区受到印度板块北偏东向运动的影响和Sagaing断裂东侧块体施加的挤压作用[18],使得该地区的最大主压应力方向转变为SSW向。综合地表形变和区域应力场来看,川滇块体南部的东向滑移和顺时针旋转,可能是受到青藏高原推挤、华南块体阻挡以及印度板块与欧亚板块之间北向运动速率自西向东递减而形成的右旋剪切拖拽作用的顺时针力偶的综合影响。

本文从构造应力场和地壳形变场的角度对川滇地区的现今活动性进行分析,但未考虑重力势能和深部热状态因素,仅使用3.5级以上的震源机制解,在后续的研究中应加入中小地震震源机制解和更多新增的GNSS站点来丰富数据的多样性,增加数据分布的均匀性。

致谢: 感谢地壳运动观测网络项目组和李长军博士提供数据支持,感谢野外工作人员的辛苦付出。

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Characteristics of Present-Day 3D Crustal Movement of Sichuan-Yunnan Region
ZHUANG Wenquan1     LI Jun1     HAO Ming1     CUI Duxin1     
1. The Second Monitoring and Application Center, CEA, 316 Xiying Road, Xi’an 710054,China
Abstract: Based on the dense GNSS data from the multi-source projects, we calculate the high spatial resolution GNSS horizontal velocity field and strain rate field of the study area. Using seismic waveform data, the focal mechanism solution is solved by CAP method. On this basis, the damping regional stress inversion method is used to obtain the spatial distribution characteristics of the regional tectonic stress field in Sichuan-Yunnan block. Combined with the seismic activity characteristics of major faults, the crustal deformation characteristics in Sichuan-Yunnan region are comprehensively analyzed. The results show that: 1) The maximum principal compressive stress of the shallow part of the block and the maximum principal compressive strain rate of the surface change from SSE to near SN,which present good consistency. The deformation depth inferred from GNSS data can extend to at least 20 km. 2) The cause of eastward sliding and clockwise rotation of the Sichuan-Yunnan block are the pushing/thrust effect caused by the Tibet Plateau, the obstruction effect caused by the South China block, and the right-lateral shear dragging effect caused by northward movement decreases from west to east between the Indian plate and the Eurasian plate. 3) Under the effects of the clockwise rotation and the absorption and conversion of the strike-slip thrust fault zone caused by the comprehensive couple forces, the SE extrusion of material in the Tibet Plateau is limited.
Key words: GNSS velocity field; strain rate field; focal mechanism solution; tectonic stress field