2. 中国地震局地震预测研究所, 北京 100036;
3. 中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室, 北京 100036
2. Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China;
3. State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
一条活断层(段)在一次大地震发生之前、发生时以及发生后的不同阶段,具有不同力学性质的滑动行为.一般用震前滑动(pre-seismic slip)、同震滑动(coseismic slip)、震后滑动(post-seismic slip)以及震间滑动(inter-seismic slip)来区分4个阶段的断层滑动行为.研究震后滑动,不仅可分析活断层(段)在一次大地震之后的应力与摩擦特性随时间变化的过程,而且能获知断层上应力应变重新积累与分布的时-空信息[1~4].这使得震后滑动研究在国际地震活断层行为的研究中占有重要的地位.已有一些研究反映在一些板块边界上由大地震后持续不断的震后滑动所释放的能量甚至与主震的相当[1, 2, 5].研究断层的震后滑动需要以跨越地震断层带(或地表破裂带)的、较长时期的形变测量资料为基础,也可根据时间相依的反演方法模拟地震断层震后滑动行为的时间演化[5~7].
我国川西高原的NW向鲜水河断裂带是一条左旋走滑型强活动断裂带,其最北西的炉霍段曾于1973年2月6日发生M7.6大地震,并产生了长约90 km的地震断层或地表破裂带[8, 9].这次大地震发生后,四川省地震局先后布设了跨越该地震断层的近场地壳形变观测系统.其中,在炉霍县的虾拉沱场地布设有跨断层短基线、短水准、蠕变仪以及永久性的人工构筑物等,并已分别获得30多年和20多年的观测资料.此外,1990年代后期至2007年的“中国地壳运动观测网络”工程项目已在鲜水河断裂带两侧地区布设了许多区域GPS流动观测站,并已有多期观测数据和解算的平均站速度资料.因此,鲜水河断裂带炉霍段是深入研究我国地震断层的震后滑动行为与形变特征的最理想场所.
本研究拟利用虾拉沱场地数十年的跨断层形变观测资料以及1999年以来的区域GPS站速度场,综合分析鲜水河断裂带炉霍段自1973年大地震以来的震后滑动/形变行为及其时、空变化特征.
2 形变观测系统与资料1973年2月6日四川炉霍M7.6地震发生在NW向鲜水河断裂带的最北西段(炉霍段)上(图 1索引图).该断裂段的结构较单一,显示出以左旋走滑为主的全新世活动方式[8~11].本文的分析将使用在炉霍县虾拉沱场地跨越1973年地震断层的短基线、短水准、蠕变仪以及“炉霍地震纪念碑亭”的数十年观测资料,同时使用该地震断层两侧的区域GPS站速度场资料.为此,本节介绍相应的跨断层形变观测系统以及观测资料的情况.
1973年2月炉霍M7.6地震后不久,曾在炉霍县虾拉沱村附近布设A、B、C三点构成跨越炉霍地震断层的临时短水准观测场地,如图 1所示.1976年对该临时短水准观测场地进行改建,重新埋设A′、B′、C′三点,构成正式的跨断层短基线与短水准的联合观测系统,开始正式施测.其中,A′点位于主断层南西盘,B′和C′点位于北东盘.A′B′测线跨断层长216 m,与断层走向斜交35°角;另一跨断层的A′C′测线长144 m,与断层走向垂直.1976年至今,四川省地震局虾拉沱地震形变观测台每月对A′B′和A′C′两条边的长度进行三次短基线测量(每月10、20和30日进行),另外,每天均对A′、B′、C′三点实施水准测量.本文使用了虾拉沱场地1976~2009年的短水准与短基线观测资料.
2.2 虾拉沱场地的蠕变仪1989年,在虾拉沱短基线与短水准场地西北侧约800 m处建成跨断层的蠕变仪观测系统,并开始连续观测至今(图 1).该系统是在全长190 m的“V”字型地下巷道中安装了3跨斜交断层和2跨垂直断层、精度为0.5×10-6的铟瓦丝断层水平位移测量仪,简称DSJ蠕变仪,每一跨的跨距为15~25 m;其中,1-2跨和6-7跨分别垂直跨越和斜跨了1973年地震断层的主破裂面,5-6跨跨越了1973年的分支破裂面,而2-3跨和4-5跨则位于断层南西盘的同一侧.本研究使用了该蠕变仪1989~2008年期间的观测资料.
2.3 虾拉沱场地的跨断层永久构筑物1984年8月,在虾拉沱短基线与短水准场地A′B′测线的西侧,建成一跨越1973年地震断层的永久性构筑物-“炉霍地震纪念碑亭”(图 1、参见图 3).该碑亭是两侧对称、各自独立的钢筋混泥土构筑体,分别坐落于1973年地震主断层面的南西和北东盘;两部分基座之间0.2 m宽的分离带正好是1973年地震主断层面通过处.该分离带内装有滚珠,以利于记录碑亭两部分之间的震后滑动.该碑亭两个基座的大小为3.67 m×2.55 m,地面部分高8.76 m,顶端的造型仿张衡地动仪(参见图 3).
1990年代后期至2007年的“中国地壳运动观测网络”工程项目在鲜水河断裂带及其邻区布设了许多区域GPS流动观测站,并已获得多期观测资料.本文使用跨越该断裂带炉霍段的GPS平均速度场资料(图 2中蓝色虚线框范围)来分析震后位移与变形随离开主断层距离的变化与分布特征.GPS平均站速度是由中国地震局地质研究所王敏研究员解算得到的,是基于1997、2001、2004和2007年的4期GPS观测结果、将ITRF2000(International Terrestrial Reference Frame 2000)框架下的整体运动转换为稳定的欧亚板块参考框架下测站的相对平均运动速度[12~14].
1984年8月建成的、虾拉沱场地跨越1973年M7.6地震主断层的永久性构筑物-“炉霍地震纪念碑亭”(图 3a、b)已逐渐记录了以下震后滑动现象:1986年夏,在该碑亭两分体结构之间的水泥地板开始出现羽列排列的、与主断层走向呈锐角斜交的细裂缝;由于观测期间沿该断层没有发生中等以上地震,因此认为这些裂缝是沿1973年地震断层发生震后蠕滑的结果[9].此后,这里的裂缝不断加大、贯通,左旋蠕滑的累积位移量越来越大.在2007年10月31日(该碑亭建成23年零2个月),我们见到并测量出该碑亭两侧的分体式构筑物已沿主断层面发生了累积约40 mm的左旋蠕滑位移(图 3c),反映这里在跨越1973年地震断层面两侧各2~3 m宽的范围内,在1984~2007年间的震后左旋蠕滑平均速率约为1.7 mm/a.
3.2 蠕变仪记录的震后滑动自1989年以来,虾拉沱场地的DSJ蠕变仪已观测了20余年.在该场地附近,1973年地震断层先分成两条分支、然后合二为一(但不排除在蠕变仪跨距之外还有别的分支地震断层).蠕变仪的斜交边由三跨组成,与1973年地震断层走向呈30°角相交(图 1);其中,跨断层的6-7跨与5-6跨的边长表现出随时间缓慢增长,增长量为ΔD6-7和ΔD5-6,而未跨断层的4-5跨的边长基本无变化(图 4a).蠕变仪的正交边由两跨组成,与地震断层的走向正交(图 1);其中,跨断层的1-2跨的边长有极缓慢的增长,增长量为ΔD1-2,而未跨断层的2-3跨的边长随时间无显著变化(图 4a).观测期间沿1973年地震断层并没有发生中等以上地震,反映由蠕变仪观测到的是该断层以左旋蠕滑为主、兼有轻微横向拉张的震后蠕动作用.
根据公式(1)
(1) |
我们由蠕变仪斜交边各跨的长度变化量ΔD4-5、ΔD5-6、ΔD6-7之和,以及斜交边与断层走向的交角α1(=30°),换算出沿断层走向的蠕滑量ΔL,结果绘于图 4b.从图 4b可见,虾拉沱场地的蠕变仪在横跨1973年地震断层带宽约40 m的范围内观测到显著的断层震后左旋蠕滑作用,累积蠕滑量16.13 mm,平均蠕滑速率为0.82 mm/a.另外,这里的积累蠕滑量随时间呈对数函数型衰减,采用对数函数拟合得到拟合方程为:ΔL=a+blnt,a=-12146.35,b=1599.15,相关系数γ=0.997,并由拟合方程估得1990~1994年期间的蠕滑平均速率为0.93 mm/a,1995~1999年期间下降为0.89 mm/a,2000~2004年期间再下降为0.72 mm/a,而2005~2009年期间继续下降为0.68 mm/a(表 1).
自1980年代中期以来,已有研究者先后报道了虾拉沱场地跨断层短基线(图 1)观测到的、呈对数函数衰减的震后断层蠕动现象[7,9,15],原因是这里与1973年地震断层走向呈35°交角的斜交短基线A′B′随时间不断增长,且增长的速率缓慢下降.我们基于1976~2009年的观测资料,利用三角关系(2)式:
(2) |
由短基线斜交边A′B′的长度变化量ΔDA′-B′以及该斜交边与断层的交角α2(=35°)换算出沿断层走向的左旋蠕滑量ΔLBase,结果绘于图 5a.其表明在1976~2009年期间,在横跨1973年地震断层带、宽约144m的范围内观测到十分显著的震后左旋蠕滑作用,累积左旋蠕滑量为127.91 mm,平均蠕滑速率为3.88 mm/a.考虑到这里的震后蠕滑速率随时间呈现对数函数型减慢,我们采用对数函数拟合,获得拟合方程为:ΔLBase=c+dlnt,c=-37193.21,d=4904.40,相关系数γ=0.990,并由拟合方程分别估计出1976~1978年期间的蠕滑速率为10.27 mm/a,1979~1983年期间为5.30 mm/a,1984~1989年期间为3.58 mm/a,1990~1994年期间为3.05 mm/a,1995~1999年期间为2.54 mm/a,2000~2004年期间为2.42 mm/a,2005~2009年期间为2.27 mm/a(图 5a,表 1).这些显示这里断层的蠕滑速率在1973年地震后的头5年较高,然后随时间逐渐缓慢减小.另外,与地震断层走向正交的基线边A′C′的长度随时间也有很缓慢的增长,且增长速率逐渐下降(图 5a);反映这里的震后蠕动除了以左旋走滑为主外,还兼有轻微的横向拉张作用.
这里的短水准还观测到跨断层的A′B′和A′C′两测线均显示1973年地震断层的震后蠕动还伴有垂直分量,高差累计变化最大幅度为18.21 mm,断层的北东盘相对上升;而且,垂直蠕动速率也出现对数函数型减缓的趋势:从1976~1978年期间的约1.78 mm/a衰减到2005~2009年期间的约0.26 mm/a(图 5b).另外,位于断层北东盘、平行于断层的短水准B′C′测线的C′点相对B′点发生了缓慢的微量下降,反映此处断层在震后蠕滑的同时,北东盘还伴有朝南东方向的倾斜运动.
本节表明虾拉沱场地的短基线和短水准均观测到1973年地震断层的明显震后蠕动,在1976~2009年约33年中,左旋蠕滑和垂直蠕滑的累积量分别为127.91 mm和18.21 mm,两者之比约为7:1,蠕滑速率随时间呈现对数函数型减缓,以左旋走滑为主的蠕动还伴有微量的、横向的水平拉张作用以及顺断层走向的倾斜作用.
4 GPS观测的断层两侧地块运动为了了解1973年地震断层两侧、由近到远的地块运动特征,我们根据由1999~2007年期间GPS区域流动观测资料得到的GPS平均速度场(图 2),绘制跨越1973年地震断层区域的(图 2蓝色虚线框范围)、平行于该断层的GPS站速度分量剖面(图 6).
图 6反映1973年地震断层两侧地块之间存在明显的水平运动速度差.其中,在断层两侧各自离开≥40 km的远场,北东侧巴颜喀喇地块和南西侧川滇地块的、平行断层的水平运动速度分别为9 mm/a和19 mm/a(相对于欧亚大陆的稳定地区).因此,在远场的背景上,川滇地块的水平运动速度大约比巴颜喀喇地块快10 mm/a(与其他研究相关的研究结果[14, 16]比较一致).这也是鲜水河断裂带左旋走滑运动的原因.然而,在1973年地震断层两侧各<30 km的中-近场距离上,明显存在距离断层由远而近、平行于断层的水平运动速度差由大逐渐变小的趋势(图 6).我们已根据野外调查判定出靠近断层的3个GPS测站位置与断层的关系,其中,H056和H062两个测站位于断层的南西盘,而H054测站位于断层的北东盘.这样,参考走滑断层的形变模式[17],可由图 6的拟合线估计断层两盘在远-近场不同距离的水平运动速度差分别为:跨距≥80 km(单侧≥40 km)时约10 mm/a,60 km(单侧30 km)时约9.6 mm/a,40 km(单侧20 km)时约8.7 mm/a,20 km(单侧10 km)时约6.5 mm/a,10 km(单侧5 km)时约4.3 mm/a(表 2).再进一步靠近主断层时,可由虾拉沱场地在大体同时期(1999年以来)观测到的40~144 m跨距的左旋蠕动速率仅0.66~2.52 mm/a(表 2).
下一节将进一步说明:鲜水河断裂带炉霍段两侧远-近场位移/变形速率的显著差别主要发生在1979年以来,而且,这种差别是随着近场断层蠕滑速率的逐渐减小而增加的.
5 进一步分析与讨论以上已通过分析不同时间和空间跨度的大地形变测量资料,揭示出鲜水河断裂带炉霍段在1973年M7.6地震破裂后,主要表现出以下两点运动特征:(1)沿地震断层发生震后左旋蠕滑,蠕滑速率随时间呈对数函数型衰减;(2)横跨断层的远场水平左旋运动速度要远大于近场的震后蠕滑速率.本节拟从以下两方面进一步分析、讨论1973年地震断层震后运动特征的物理涵义以及产生机理,并建立相应的动力学模式.
5.1 近场断层蠕滑速率随时间衰减的涵义以虾拉沱场地跨断层短基线为代表的观测揭示:在1976~1978年期间,断层近场的震后左旋蠕滑速率高达10.27 mm/a(图 5a和表 1),这与该断层远场的平均运动速度(图 6中断层两侧的速度差约10 mm/a)、以及由地质方法确定的该断层的长期(数千-数万年)平均滑动速率(8~12 mm/a)[18]非常接近.说明在1973年M7.6地震后的最初阶段(震后的头5年),断层面几乎是完全开放、松弛的,并以与断层两侧远场的(或者沿断层长期平均的)运动速度接近的速率进行震后左旋蠕滑运动.然而,在1979~1983年期间,断层近场的震后左旋蠕滑速率逐渐减小至5.3 mm/a,年均下降约1 mm/a;然后,随时间呈对数函数型曲线逐渐缓慢减小至2009年的2.27 mm/a(图 5a),年均下降0.10~0.15 mm/a.说明经过震后最初5年较高速率滑动的调整阶段后,地震断层面已由先前的完全开放、松弛状态转为逐渐重新耦合、并朝闭锁方向发展的状态.
根据在大地震轮回不同阶段的断层形变/滑动行为理论[19~21],可用图 7中的灰色实曲线段来表示在虾拉沱场地观测到的、呈对数函数型衰减的震后蠕滑作用在整个大地震轮回中的地位.图 7说明虾拉沱场地过去在30多年观测到的是1973年地震断层在震后滑动阶段前半部分的运动.根据蠕滑速率下降的趋势(图 5a)可推测这里的断层面未来一段时期仍以2.0 mm/a或更低的速率继续震后蠕滑,直至15~25年后,断层面才完成重新“耦合”、完全闭锁,进入“震间闭锁”状态.
综合图 3、4、5和6的观测结果,可将震后位移/变形的累积量和速率与离开鲜水河断裂带炉霍段距离的关系整理如表 2.表 2和图 6共同揭示出1973年M7.6地震后经过26年,在垂直于地震断层走向的方向上,近场跨距40~144 m断层左旋蠕滑速率下降为0.66~2.52 mm/a,仅为远场平均左旋位移/变形速率约10 mm/a的7%~25%,即近场震后位移/变形速率要远小于远场的.结合图 5a和4.1节的分析,可知断层两侧远-近场位移/变形速率的显著差别主要发生在1979年以来,即随着近场断层的蠕滑速率逐渐减小而逐渐增加.此外,图 6大体反映近、远场的位移/形变速率的显著变化发生在主断层两侧各宽约30 km的范围,该范围可能是与大地震的应力应变积累-释放相关的断裂带宽度.
图 6所示的断层近、远场的左旋位移/变形样式很接近于走滑断层的弹性应变积累模式[17, 22],细微的差别是:在图 6中,断层面依然存在小量、仅及远场位移/变形量7%~25%的震后蠕滑,尚未完全闭锁.因此,基于地震轮回不同阶段断层变形特征、脆-延转换带(brittle-ductile transition zone)的作用等理论[17, 23],同时参考穿越鲜水河断裂带北西段(道孚附近)的地壳速度结构[24],本研究建立起图 8的动力学模式来初步解释如图 5a、图 6所示的震后断层位移/变形样式.
图 8说明在1973年地震后的早期阶段,脆性上地壳中的地震断层面处于开放、应力松弛状态,可随着地壳较深部脆-延转换带及其以下的黏-塑性(延性)运动而进行以左旋蠕滑为主的震后调整性滑动,且深、浅部断层的滑动速率相当(图 8a).因此,在1973年地震后的最初5年(1979年之前),虾拉沱场地观测到地震断层的近场左旋滑动速率为10.27 mm/a(参见表 1),与断层长期平均的左旋位移/变形速率相当.
经过震后早期阶段5年的开放性调整运动,脆性层的断层面由于随着逐渐增大的滑动/摩擦阻抗而转向重新耦合,并朝趋于闭锁的方向发展,致使在随后的30余年中(1979~2009年)近场的断层左旋蠕滑速率呈对数函数型逐渐减缓(参见图 4a、图 5a、表 1).然而,相同时段内,由于断层及其两侧地壳较深部位的黏-塑性相对运动持续进行(即脆-延转换带以下的断层面持续位移),并拖拽了上覆脆性层发生相应的弹性位移/变形.因此,自1979年以来的30余年中,鲜水河断裂带炉霍段两侧远场的左旋位移/变形速率要远大于在虾拉沱场地观测到的断层近场蠕滑速率,清楚反映1973年地震断层在经过震后最初阶段的开放性调整滑动后,断层面逐渐趋于重新耦合,并朝闭锁的方向发展,目前已有了部分应变的积累(图 8b).
依据虾拉沱场地观测的断层近场蠕滑速率的衰减趋势(图 5a),由表 1短基线2009年的年速率2.27 mm/a,和近年的年衰减速率0.10~0.15 mm/a,可推测再经历15~25年,鲜水河断裂带炉霍段将完全“闭锁”、进入积累下一次大地震应力应变的震间闭锁阶段.到那时,断层近、远场的左旋位移/变形速度差还要进一步增大(图 8c).
6 结论基于30多年的测量资料系统分析了鲜水河断裂带北西段在1973年M7.6地震后的近、远场震后滑动/变形特征及其随时间的变化,结果主要表明:
(1) 1973年地震后的最初5年,地震断层在虾拉沱场地表现为松弛与开放性质,运动以无震的左旋蠕滑为主,速率达到10.27 mm/a,同时伴有微量的拉张蠕动作用;然而,1979年以来,蠕滑速率由5.3 mm/a逐渐减小到2.27 mm/a,衰减的过程呈对数函数型,反映在此时段中,研究断裂段已由早先的开放性质逐渐重新耦合、并朝闭锁的方向发展,且有部分应变积累.
(2) 1999年以来,断裂两侧远场的相对左旋水平位移/变形速率达到10 mm/a,远大于断层近场(跨距40~144 m)的震后左旋蠕滑速率0.66~2.52 mm/a.远、近场位移/形变速率的显著变化发生在断裂两侧各宽约30 km的范围,该范围可能是与大地震的应力应变积累-释放相关的断裂带宽度.
(3) 本文建立的动力学模式(图 8)可以初步解释研究断裂段的震后位移/变形特征及其时、空变化的原因.其要点是:上地壳脆性层的断层面遇到逐渐增大的滑动/摩擦阻抗而趋于重新耦合,可能是观测到近场断层的震后蠕滑速率随时间呈对数函数型减小的重要原因;而在相同时段内,在断裂及其两侧的深部持续进行的延性相对运动、拖拽了脆性层发生相应的弹性位移/变形,则可能是研究断裂段两侧远场的左旋位移/变形速率要远大于近场的重要原因.
(4) 依据断层近场蠕滑速率的衰减趋势,再经历15~25年,鲜水河断裂带炉霍段将完全“闭锁”,即进入积累下一次大地震应力应变的震间闭锁阶段.
致谢作者感谢美国科罗拉多大学Peter Molnar教授与中国地震局地质研究所李传友博士,他们曾在2007年10~11月与本文作者一道赴鲜水河断裂带及虾拉沱场地考察,并一同讨论有关问题.
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