2011, Vol. 54
已有研究表明，大震孕育发生与现今块体和其边界带活动有密切的关系，7级及其以上大地震，绝大多数发生在Ⅰ、Ⅱ 级块体的边界带上[1， 2].因此，在研究地震孕育发生规律时，应十分注意块体和边界带的活动性.地壳的现今形变是地壳现代构造活动的直接表现，发生在地壳中的构造地震也是地壳急剧变化的活动形式，它们之间有着内在的联系.所以研究地形变与地震孕育发生的关系时，要注意从地壳块体的形变入手，研究其造成的边界带活动性和应变应力状态，探讨地震孕育过程中地形变机理[3].
2010年4月14日玉树MS7.1级地震发生在青藏亚板块的次级构造单元可可西里-巴颜喀拉块体和羌唐块体的分界带(可可西里-玉树断裂带)的东段(图 1).可可西里-巴颜喀拉块体和羌唐块体与玉树MS7.1 级地震孕育相关的主要块体，可可西里-玉树断裂带是发震构造[4， 5]，它们的活动与玉树MS7.1级地震的孕育形成有直接关系，研究它们的现今形变场和应变应力场变化，对于揭示MS7.1级地震的形成有重要意义，对地震预测有借鉴意义.
|
图 1 研究区构造略图 Fig. 1 Sketch of structure at thestudied area |
2010年4 月14 日玉树MS7.1 级地震发生之前，网络工程布设在青藏亚板块上的GPS站点分别于1999年、2001 年、2004 年、2007 年和2009 年进行了施测，为研究青藏亚板块运动及其次级构造单元可可西里-巴颜喀拉块体和羌唐块体的现今活动提供了条件，为探讨玉树地震孕育的形变特征奠定了基础.在本文中，主要是基于1999~2007 年和2007~2009年的GPS 站点速率、和据此计算的应变率，分析青藏亚板块及次级的可可西里-巴颜喀拉块体和羌唐块体的运动和应变应力状态、及其块体活动差别造成的边界带的活动和应变积累，研究玉树地震前的变化特征.
2 资料处理GPS站点观测资料处理使用GAMIT/GLOBK软件(10.32 版)，采用IGS 精密星历，计算得到 ITRF2005框架下的站速度.青藏块体上GPS 站速度(以2007~2009年的站点速度为例)的东西向分量平均为42.72mm/a, 南北向分量平均为-5.75mm/a, 与 GPS站点站速度相对应的东西向分量的平均误差为0.86mm/a, 南北向分量的平均误差为0.69mm/a, 实际误差估计可能略大一些，但是也远小于站点速度.
为了便于研究区域地壳运动场的变化特征，将在ITRF2005框架下的站速度转换为相对于中国大陆框架为参考基准的站速度.转换方法步骤为:①用公式(1)根据中国大陆上的GPS 站点速度(ITRF2005)求解中国大陆区域的整体旋转参数(ωx、ωy、ωz).②用得到的3个旋转参数计算各个站点的整体旋转量；③从TRF2005框架下的站速度中减去各站点的旋转量，得到相对于中国大陆区域整体为参考基准的运动速度场.经过上述方法转换得到青藏亚板块(以中国大陆为基准)的运动场(图 2)，在此基础上探讨青藏块体，以及次一级的可可西里-巴颜喀拉块体和羌唐块体的运动特征.
|
(1[6]) |
公式中符号含义说明见文献[6].公式(1)是描述板块及块体整体旋转与线性应变的弹性运动方程.公式(1)中的ωx、ωy、ωz是块体旋转参数，A0、B0、C0、ξ1、ξ2、ξ3、ζ1、ζ2、ζ3 是块体的应变参数.方程右边第一项代表了块体的整体旋转运动，第二至第四项代表了块体内部的连续变形，块体运动是由整体旋转和内部变形构成的复合运动.
根据可可西里-巴颜喀拉块体和羌唐块体上的 GPS站点速度用公式(1)求解整体应变参数，计算应变率场，并计算二者之间的分界带可可西里-玉树断裂带的运动和应变率，研究玉树MS7.1级地震孕育的变形特征.
3 运动场1999~2007年运动场(图 2a)显示出，青藏亚板块西部(84°E 以西)向北和北北西运动，中部(84°E~90°E)向北北东运动，东部(90°以东)围绕阿萨姆角呈现顺时针旋转，运动方向由东北-东-东南-南-西南，逐渐发生偏转，旋转区域北部影响到西宁-兰州一带，东南部影响到云南地区，其运动态势与中国大陆运动场图(即参考文献[7]的图 2)中的同一区域的态势一致[7].青藏亚板块的东北部祁连山-六盘山构造带向北北西-北西运动.青藏亚板块的运动速度南部大，平均为22.42mm/a, 最大为27.4mm/a, 北部小，平均为4.2 mm/a, 最小为1.64 mm/a, 相差悬殊.可可西里-巴颜喀拉块体正处于旋转区域的强烈变换地带，也是运动速度大小差异变化显著的地带.该块体两侧的边界带成为近几十年地震活动的主要地带，北边界带东昆仑断裂带及其附近发生了于田7.3级地震(2008-03-21)、昆仑山口西8.1级地震(2001-11-14)、共和7 级地震(1990-04-26)，南边界带及附近地区发生了喀喇昆仑山7.1级地震(1996-11-19)、玛尼7.5 级地震(1997-11-08)、玉树7.1级地震(2010-04-14)，东边界带上发生了汶川8级地震(2008-05-12).地壳现代强烈的差异运动地带和大地震的强活动相一致.
|
图 2 青藏亚板块1999~2007年(a)和2007~2009年(b)运动场 Fig. 2 Movement fieldof theQinghai-Tibetsubplate in 1999~2007(a) and in 2007~2009(b) |
2007~2009 年青藏亚板块运动场的总体趋势与1999~2007年时间段的运动态势大体一致，站点运动速度有所增大，运动方向有一定的偏转.青藏亚板块的西部仍然向北及北西运动，中部地区和东部的北区则向北东东-东-南东东运动(图 2b)，较前期向东明显偏转.南区则向南-南西偏转.围绕阿萨姆角后一时间段的旋转有加快趋势.青藏亚板块东北部祁连山-六盘山地区前后两期运动也有一定的差异.这一偏转变化可能主要受汶川地震的影响，地震使地壳发生强烈的运动.
图 3是可可西里-巴颜喀拉块体和羌唐块体前后两期速度拟合结果的增量，由后期速度减去前期速度得到.它显示出在龙门山断裂带附近发生了强烈的东南向运动，可可西里-巴颜喀拉块体在玉树以东地段后期运动速度比前期显著增大，尤其是龙门山断裂带地区，增量十分显著.而远离震区的可可西里-巴颜喀拉块体中西部的运动增量相对较小.羌唐块体的运动增量也相对较小.说明汶川地震主要释放了在可可西里-巴颜喀拉块体东部的能量.
|
图 3 运动场增量(2007~2009年/1999~2007年) Fig. 3 Movement field increment (2007~2009/1999~2007) |
从运动场方向的有序性看，大致在90°E 以东地区可可西里-巴颜喀拉块体向东和东南运动，在100°E 速度明显增大.玉树一带运动方向与其他地区不同，显示有一定的扰动.羌唐块体在93°E 以东地区运动方向开始显著改变，在99°E 地区与汶川震区的运动方向逐渐一致.这一变化情况说明汶川8.0级地震的显著影响区域很大，达千公里以上，它是以汶川地震为代表的孕震能量积累区.汶川地震释放了孕震区东部积累的主要能量，而西部玉树及以西地区的能量继续积累.
4 玉树地区应变场1999~2007年可可西里-巴颜喀拉块体的水平主应变率显示，其西部张应变率大于压应变率，张应变主轴为北西向，压应变主轴为北东向；块体东部压应变率大于张应变率，压应变主轴呈近东西向，张应变主轴为近南北向(图 4a).在均质应变椭球体中，主应变轴与主应力轴方向位置一致、应变和应力大小成比例[8].因此由主应变率反映出，可可西里-巴颜喀拉块体西部北西向张应力作用相对较强，东部近东西向压应力作用较强.玉树地区是其东部近东西向压应力作用为主的作用地区与其西部以北西向拉张应力作用为主的地区的过度地带.
|
图 4 1999~2007年(a)和2007~2009年(b)主应变率 Fig. 4 Principal strain rates in 1999~2007(a) and 2007~2009(b) |
羌塘块体的主张应变率大于主压应变率，西部张应变主轴(T轴)为北西西向，东部的张应变主轴(T轴)为近南北向.主应变率反映出，羌塘块体西部以北西西向张应力作用为主，东部以南北向张应力作用为主.玉树南部地区是二者变化的过度地区.
2007~2009 年研究区的两个块体基本上都是张性应变为主，主张应变率大于主压应变率，表明张应力作用占主导地位.北部可可西里-巴颜喀拉块体上中西部张应变主轴(T)呈北西向，向东部逐渐变为近南北-北北东向，压应变主轴(P)自西而东由北东向变为近东西向.南部羌唐块体的张应变主轴(T)在中西部为北西西向，东端部为近南北向，压应变主轴(P)中西部为北北东向，东南端部为近东西向.它们反映出两个块体的应力主轴均存在一定的差异.就总体而言，可可西里-巴颜喀拉块体的应力作用大于羌唐块体的(图 4b).
5 断层运动和应变由于可可西里-巴颜喀拉块体和羌唐块体的差异变化和相互作用而使边界断裂带可以发生相对运动和积累应力.1999~2007年二者的分界带可可西里-玉树断裂带北盘相对南盘的运动图像显示，位移速度矢量和断裂带走向斜交，西段位移速度矢量指向断裂，东段背离断裂，整条断裂带为左旋走滑，西段兼有压性，东段兼有张性，玉树一带为走滑运动(图 5a).可可西里-玉树断裂带的运动状态与新构造活动基本一致，属于继承性运动.
|
图 5 1999~2007年(a)和2007~2009年(b)可可西里一玉树断裂带的运动 Fig. 5 Movementof theHohXil-Yushu faultzone in 1999~2007(a)and 2007~2009(b) |
2007~2009年可可西里-玉树断裂带北盘相对南盘的运动速率表明，位移速度矢量指向断层，西段为挤压兼有少量左旋走滑，中段挤压，东段为挤压兼有少量右旋走滑，东端部为左旋走滑(图 5b).玉树地段是该断裂带西部挤压，东部向走滑转化的地段.该时间段的活动状态与长期的左旋走滑活动明显不一致，活动性质截然不同，是一种非继承性活动.
1999~2007年由可可西里-巴颜喀拉块体和羌唐块体的运动差异造成其分界带可可西里-玉树断裂带的主应变率显示，西段和东端的应变率相对较大，玉树附近地段的应变率较小.主压应变轴(P轴)的方向从西往东由NE26°逐渐变为近东西向(图 6a).断裂带的应变反映出，主压应力轴方向总体上与断裂带走向明显斜交，两块体的相互作用产生的应力使边界带呈现左旋，边界带西段为压扭，东段为张扭.玉树附近地段断层应变率相对其他部分较小.
|
图 6 1999~2007年(a)和2007~2009年(b)可可西里一玉树断裂带主应变率 Fig. 6 Principal strainratesofHohXil-Yushu faultzone in 1999~2007(a)and 2007~2009 |
2007~2009年在可可西里-巴颜喀拉块体和羌唐块体的相互作用下，其间的块体分界线可可西里-玉树断裂带则主要呈现压性活动.根据两个块体运动参数计算，断裂带上的压应变主轴(P)与断裂带走向交角接近90°，而且压应变率比较显著，西部的最大压应变率接近90×10-9/a以上(图 6b)，说明该断裂带在2007~2009年受压应力作用强烈，尤其是断裂带的中西段.在玉树7.1级震区以东，应变率明显减小，并且主应变轴(P)与断裂带斜交，表明在两块体相互作用下，该段断裂受压应力作用较小，拉张作用力增大，而且应力作用使其产生走滑运动为主.可可西里-玉树断裂带的中西段呈现压性，断面摩擦力增大，利于闭锁，形成应力积累.玉树以东地段的张性不利于应力积累.玉树附近地带是压性作用向走滑转折的地带，是差异活动突出的地带，在两侧应力差别大时，处于不稳定状态，容易突然滑动发生地震.东段的张性活动，可能与汶川地震有关，可能是龙门山断裂带强烈右旋运动的结果，使得该断裂带东段应力呈现松弛.
6 讨论及结论(1) 青藏亚板块1999~2007 年变化显示青藏亚板块受南北向挤压缩短，同时具有向东-南东-南西的挤出运动，围绕阿萨姆角呈顺时针旋转.位于中部的可可西里-巴颜喀拉块体处于差异运动显著地带，被向南东挤出，前锋受华南亚板块阻挡于龙门山构造带.由于可可西里-巴颜喀拉块体和羌唐块体所处的位置不同，南侧的羌唐块体向东南运动受阻挡作用相对较弱，两个块体在运动中出现差异，使可可西里-玉树断裂带以左旋走滑占主导，西段为压扭活动，东段为张扭活动(图 4b).
2007~2009 年的运动场含有汶川8 级地震的变化.汶川地震使龙门山及其邻近地区的应力释放，然而在玉树及以西的应力并未明显减弱.汶川地震时可可西里-巴颜喀拉块体东段向东南大幅度运动，出现让位性变化，在玉树一带应力出现明显差异，形成应力变化的转折点.汶川地震对羌唐块体的影响相对较弱.两个块体的相对运动致使可可西里-玉树断裂带的活动发生了变化，挤压作用增强，应变积累加快(图 6a).
在青藏亚板块的整体推动下，可可西里-巴颜喀拉块体成为强大的应力积累区，因而在其边界带及邻近地区一段时期以来发生了多次大震(如:昆仑山口西MS8.1，2001-11-14；汶川MS8.0，2008-05-12；玉树MS7.1，2009-04-14；等等).
(2) 1999~2007年的形变应变场是汶川MS8.0级地震前的形变应变场，该阶段可可西里-玉树断裂带主要为左旋走滑，与新构造活动性质基本一致，属于继承性运动.它也与(2004~2007)~ (2001~2004)年运动场中青藏亚板块在东部形成的顺时针旋转体(即参考文献[7]的图 4)的活动有一定关系[7].2007~2009年可可西里-玉树断裂带呈现挤压为主的活动性，利于应力加速积累，此时剪切运动相对较弱，和新构造活动性质不同.
(3) 2007~2009年的形变应变场是汶川MS8.0级地震时期的变化，也是玉树MS7.1级地震前的变化，该时间段可可西里-玉树断裂带中西段呈现挤压为主的活动性，而东段呈现右旋压扭.这一变化可以视为由于汶川地震发生，造成巴颜喀拉块体随着震时龙门山断裂带向南东逆冲出现了较大幅度的运动[9]，使得可可西里-玉树断裂带东段相对出现右旋活动，中西段由于这一运动减弱了断裂带的左旋走滑，同时加上羌唐块体向北运动的作用，断裂带出现以挤压为主的活动，快速积累能量，为玉树地震的形成和发生创造了条件.汶川地震的发生，加速了玉树地震的形成，对玉树地震起了一定的触发作用.玉树MS7.1级地震的震源机制解表明，地震断层走向119°，倾向SW，倾角83°，左旋走滑[10]，对于2007~2009年的形变而言，符合弹性回跳理论.玉树地震使发震断层可可西里-玉树断裂带释放了积累的能量，并将恢复其正常的左旋运动.
(4) 块体运动模型公式(1)是描述块体整体活动状态的，能够反映块体的刚性-弹性形变应变性质，其计算结果不仅能够反映平面较大尺度的应变应力状态，也带来了块体发育的相当深度的整体信息.在1999~2007年和2007~2009 年两个时间段的块体形变应变图(图 4b，5a)上，可可西里-玉树断裂带作为块体分界带的受力状态和位错特征被显示出来.
不同的运动场图像反映的构造活动含义不同，它们在研究构造活动和地震预测中的意义和作用不同，不能一概而论[8， 11].由GPS 站点直接得到的运动场，或者相邻近的GPS 站点得到的应变应力场，反映了局部地区的变化和相对较浅的地壳应变应力状态.选用块体上的GPS站点用块体运动模型处理的结果，反映了较大尺度的块体整体活动状态，同时也带来了大地震的孕育信息.因此在提取大地震形变应变信息时，应当注意从块体活动的大尺度变化上去把握.
| [1] | 邓起东, 张培震, 冉勇康, 等. 中国活动构造与地震活动. 地学前缘 , 2003, 10(S1): 66–73. Deng Q D, Zhang P Z, Ran Y K, et al. Active tectonics and earthquake activities in China. Earth Science Frontiers (in Chinese) , 2003, 10(S1): 66-73. |
| [2] | 马宏生, 张国民, 刘杰, 等. 中国大陆及其邻近地区强震活动与活动地块关系研究. 地学前缘 , 2003, 10(S1): 74–80. Ma H S, Zhang G M, Liu J, et al. Correlation between strong earthquake activity and active crustal-block in China mainland and its adjacent regions. Earth Science Frontiers (in Chinese) , 2003, 10(S1): 74-80. |
| [3] | 郭良迁, 张祖胜, 李延兴, 等. 昆仑山口西Ms=8.1级地震的形变应变场研究. 地球物理学报 , 2004, 47(6): 1068–1075. Guo L Q, Zhang Z S, Li Y X, et al. A study on the strain field associated with the Ms=8.1 Kunlunshan earthquake. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2004, 47(6): 1068-1075. |
| [4] | 石峰, 何宏林, 张英. 青海玉树Ms7.1级地震地表破裂带的遥感影像解译. 震灾防御技术 , 2010, 5(2): 220–226. Shi F, He H L, Zhang Y. Remote sensing interpretation of the Ms7.1 Yushu earthquake surface ruptures. Technology for Earthquake Disaster Prevention (in Chinese) , 2010, 5(2): 220-226. |
| [5] | 张桂芳, 屈春燕, 单新建, 等. 2010年青海玉树Ms7.1级地震地表破裂带和形变特征分析. 地球物理学报 , 2011, 54(1): 121–127. Zhang G F, Qu C Y, Shan X J, et al. The surface rupture and coseismic deformation characteristics of the Ms7.1 earthquake at Qinghai Yushu in 2010. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2011, 54(1): 121-127. |
| [6] | 李延兴, 张静华, 何建坤, 等. 由空间大地测量得到的太平洋板块现今构造运动与板内形变应变场. 地球物理学报 , 2007, 50(2): 437–447. Li Y X, Zhang J H, He J K, et al. Current-day tectonic motion and intraplate deformation-strain field obtained from space geodesy in the Pacific Plate. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2007, 50(2): 437-447. |
| [7] | 郭良迁, 李延兴, 胡新康, 等. 中国大陆地壳运动与汶川Ms8.0级地震孕育的关系. 地球物理学报 , 2009, 52(2): 531–537. Guo L Q, Li Y X, Hu X K, et al. Crustal motion of Chinese mainland and preparation of Ms8.0 Wenchuan earthquake in Sichuan Province. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2009, 52(2): 531-537. |
| [8] | 毕令斯M P著. 构造地质学. 张炳熹译. 北京: 地质出版社, 1973. Billings M P. Structural Geology . Zhang B X Translated. Beijing: Geological Publishing House, 1973 |
| [9] | 徐锡伟, 闻学泽, 叶建青, 等. 汶川Ms8.0地震地表破裂带及其发震构造. 地震地质 , 2008, 30(3): 597–629. Xu X W, Wen X Z, Ye J Q, et al. The Ms8. 0 Wenchuan earthquake surface ruptures and its seismogenic structure. Seismology and Geology (in Chinese) , 2008, 30(3): 597-629. |
| [10] | http://www.csi.ac.cn/manage/html/4028861611c5c2ba0111-c5c558b00001/_content/10_04/17/1271488288058.html: 陈运泰研究小组: 2010年4月14日青海玉树地震震源机制和破裂过程快报 (第四版) http://www.csi.ac.cn/manage/html/4028861611c5c2ba0111-c5c558b00001/_content/10_04/17/1271488288058.html: Chen Yuntai research team: The express of earthquake focal mechanism and rupture process of the earthquake Yushu in Qinghai Province 2010-4-14 (The fourth edition) |
| [11] | 郭良迁, 占伟, 杨国华, 等. 山西断陷带的近期位移和应变率特征. 大地测量与地球动力学 , 2010, 30(4): 36–42. Guo L Q, Zhan W, Yang G H, et al. Short-term displacement and characteristics of strain rate of Shanxi fault subsidence zone. Journal of Geodesy and Geodynamics (in Chinese) , 2010, 30(4): 36-42. |