2. 地壳运动监测工程研究中心, 北京 100045
2. National Earthquake Infrastructure Service, Beijing 100045, China
据中国地震台网中心测定,北京时间2017年8月8日21时19分46秒,四川省阿坝州九寨沟县发生7.0级地震,震中位于东经103.82°,北纬33.20°,震源深度约为20 km.
此次地震发生在青藏高原东缘,地处松潘—甘孜地块(张培震等,2003)东北角,该地区的水平运动强度和方式受青藏高原北向挤压、东向逃逸和绕东构造结旋转作用的控制(王双绪等,2013),东向逃逸又受到华南地块阻挡,对上地壳挤压引起地面隆升,地震的空间分布与震源机制受到相应动力作用的控制(张培震等,2003;邓起东等,2003;朱介寿等,2017).地震发生后,众多研究学者对此次地震进行了快速分析:震源机制结果显示此次地震为左旋走滑型地震;震源破裂研究结果显示断层平面破裂最大位移约0.5 m,相应的矩震级为MW6.5(中国地震台网中心,2017;http://www.cea-igp.ac.cn/tpxw/275881.html);地质调查结果显示此次地震震中位于岷江断裂、塔藏断裂和虎牙断裂附近,这3条断裂均为全新世断裂,其中岷江断裂为南北向西倾逆断裂(徐锡伟等,2017;中国地震台网中心,2017),塔藏断裂为北西向左旋走滑断裂(Kirby et al., 2007;付俊东等,2012;Ren et al., 2013;胡朝忠等,2017),虎牙断裂为北西向逆冲兼左旋走滑断裂(唐荣昌等, 1981, 1991;周军容等,2006;徐锡伟等,2017).
1960年以来,在此次地震震中350 km范围内共发生了数十次6级以上地震,其中包含了发生在在龙门山断裂带上且带来严重灾害的2008年5月12日的汶川8.0级地震,其距离此次地震的震中约250 km,已有研究结果显示汶川地震及其余震对此次地震所在区域产生了显著的地表形变影响(张勇等,2008;王敏,2009;Shen et al., 2009;Feng et al., 2010;Wang et al., 2011).另外,在此次地震震中东南约50 km处曾发生过5次较强的历史地震,分别为1960年11月9日四川松潘漳腊6.7级地震、1973年8月11日四川松潘黄龙北6.5级地震、1976年8月16—23日四川松潘平武间7.2、6.7和7.2级地震.全球地震矩张量结果(http://www.globalcmt.org)显示1976年的3次地震的性质为逆冲兼左旋走滑型,这一结果显示了该地区构造应力的复杂性.
为了厘清此次地震在近场引起的同震位移大小及在破裂层面上精细滑动分布,本文首先收集了震中区附近350 km范围内的GNSS连续站观测数据,之后利用GAMIT/GLOBK软件处理观测数据得到同震位移,然后基于同震位移反演此次地震断层面内的滑动分布,最后基于反演结果探讨了此次地震对近场地区的影响.
1 GNSS观测数据的收集与处理 1.1 GNSS观测数据收集2017年8月8日九寨沟地震发生后,地壳运动监测工程研究中心立即响应,对震中附近350 km范围内的中国大陆构造环境网络(甘卫军等,2007)GNSS连续站观测数据进行收集.共收集到25个台站的观测数据,时间跨度为震前15天及震后4天,震中150 km范围内共3个站点,其中最近的台站为松潘站(SCSP),约65 km,另外两个站点为武都站(GSWD)和玛多站(QHMD).此外,还收集了相同时间跨度150 km范围内的5个北斗地基增强系统连续站观测数据,其中离震中最近的台站为九寨沟站(SCJZ)约43 km,该站点为侧墙标,在地震时刻该站受到强烈的地表运动影响,导致地震当天数据缺失,其余4个站点平武(SCPW)、舟曲(GSZQ)、文县(GSWX)和北斗武都(BDWD)均为房顶标,完整地记录到了此次地震震动的过程.
我们将收集到的观测数据重新整理为采样间隔为30 s的标准Rinex2.11格式的观测数据,以便后续的数据处理与共享,并为防震减灾和震后分析提供基础数据保障.图 1给出了收集到数据的站点分布情况.
基于上述的观测数据,本文的数据处理过程的主要思想是:先利用GAMIT处理原始观测数据得到单日松弛解,然后选取不受此次地震影响的稳定自洽的台站作为参考站,将单日松弛解固定到区域参考框架下,得到位移时间序列,最后对位移时间序列的分段拟合,得到每个站点的同震位移.
在GAMIT处理原始观测数据过程中,使用了IGS精密轨道产品,并采用轨道松弛模式计算基线解.相关的参数和模型设置为:对卫星轨道根参数给予10-8(约20 cm)约束;对相位观测值中的模糊度采用伪距约束(LC_AUTCLN)来分辨宽巷(WL)和窄巷(NL)模糊度;顾及多路径效应的影响,采取的卫星截止高度角为13°;对于大气延迟,先用GPT模型计算每个台站的天顶干延迟分量,同时对所有测站每2个小时估计一个天顶湿分量,然后用GMF函数将大气延迟映射到卫星高度角方向,并对每个测站估计2个大气水平梯度参数;假定剩余数据残差分布依赖于卫星高度角,采用的模型为σ=a2+b2/(sin2(elev)),其中σ为误差,a、b为待定参数,elev为卫星高度角;对于固体潮汐、海洋潮汐和极潮,利用IERS03协议模型进行扣除;对于天线相位中心变化,利用IGS绝对天线相位中心模型进行改正.
GAMIT处理得到单日松弛解后,为将其固定到区域参考框架中,怎样确保观测时间段内参考框架的一致性,主要问题在于如何选取稳定的参考台站.本文主要做法如下:
① 基于震后快速GNSS观测到的地表运动结果(地壳运动监测工程研究中心,2017),选取震中150 km范围以外的站点作为初始参考站点.
② 利用平移与旋转的6参数HELMERT方法固定参考框架.
③ 统计计算时间段内所有共同的参考站点,以此作为②中的初始参考站点,再次重新固定参考框架.
④ 循环②③数次,直至共同参考站不再变化,最终得到稳定参考框架下的时间序列结果.
本文最终利用11个台站将松弛解固定到区域参考框架下,得到了每个台站的位移时间序列.之后利用线性分段函数模型,采用最小二乘估计方法,计算得到同震位移及其误差.
2 GNSS获取的地表同震位移场九寨沟地震的同震水平位移场如图 2所示,数值结果如表 1所示.3个站点记录到了明显的同震位移,距离震中43 km最近的SCJZ在东西向的位移为-9.8±1.5 mm,在南北向的位移为3.3±0.7 mm;距离震中65 km的SCSP在东西向的位移为-1.8±0.7 mm,在南北向的位移为-7.7±0.6 mm;距离震中77 km的GSZQ在东西向的位移为0.4±1.2 mm,在南北向的位移为3.6±0.8 mm.此次地震为走滑型地震(中国地震台网中心,2017),从SCJZ、SCSP、GSZQ这3个站的同震位移特征可以进一步推断此次地震为左旋走滑地震,这与印度板块推挤欧亚板块造成青藏高原东向逃逸在该地区形成的构造应力背景相一致(姚琪等,2012;王双绪等,2013).
另外,距离震中84 km的GSWX在东西向的位移为-2.6±1.1 mm,在南北向的位移为0.9±0.8 mm,其监测到的同震位移虽然与误差相当,但其在图 2中的走向与地震左旋走滑性质较为一致,我们可以认为该站记录到的位移准确的反映了该地区的同震位移特征.距离震中的96 km和104 km的GSWD和BDWD记录到的同震位移略有差别,东西向差为1.7 mm,南北向差为0.4 mm,但这一差别在误差范围之内,这两个站点在一定的程度上也能反映地震左旋走滑特征.距离震中110 km的SCPW与138 km的GSMX观测的同震位移已完全淹没在GNSS观测误差中.
通过对震中150 km范围内的GNSS观测到的同震位移分析,我们认为此次地震在近场引起的同震位移能够被震中距100 km范围以内的GNSS明显监测到.尽管100~150 km范围内的GNSS监测到的同震位移较弱且误差相对较大,但是为了增加反演过程中的观测量和远场观测数据的约束,本文在后续的反演工作中选取了150 km范围内的同震位移作为初始观测数据.
3 同震破裂模型反演地震发生之后,各个机构对此次地震的震源机制做了快速研究,本文收集了3家机构的研究结果,如表 2所示.
结合地质构造背景与余震序列分布,本文最终选取断层模型的走向为326°,倾角为60°,断层面长度与宽度分别为80 km和40 km.我们首先对断层进行2 km×2 km的格网离散化,之后采用基于约束条件下最小二乘原理及最速下降法的反演方法(Wang et al., 2009; 刘琦等,2016)反演.在反演的过程中,格林函数利用弹性半无限空间均匀介质模型(Okada, 1985)来计算,以断层面上应力降分布的平滑性为约束,同时对滑动角施加±20°滑动范围约束.
反演中最重要的是如何确定平滑因子,平滑因子对反演结果的影响较大.本文利用搜索法,通过对拟合残差和滑动位移的光滑度之间相对平衡性,最终确定的平滑因子为0.09,如图 3所示.
选定平滑因子后,反演得到同震滑动分布.图 4给出了断层面内同震滑动分布在地表的投影,块体颜色表示滑动量值.反演得到的滑动量主要集中在7 km的深度,最大滑动量值为0.4 m.平均滑动角为-15°,平均滑动角与表 2中CENC所给出的震源机制解在断层节面Ⅰ上的滑动角非常一致.基于断层面同震滑动分布计算出此次地震的矩震级为MW6.4,这与地震波反演给出的结果相当(中国地震台网中心,2017).
利用反演得到的滑动分布计算GNSS测站的同震模型位移,并与观测值相比较,如图 5所示.从图中可以看出,观测值与模拟值在大小与方向之间都非常一致,两者之间的最大误差在2 mm以内.该模型能够很好的解释近场GNSS观测到的同震位移场.
基于反演得到的同震滑动分布模型,本文利用球位错理论(Sun et al., 2009;王阅兵等,2012)模拟计算了距震中200 km范围内0.3°×0.3°离散点上的同震水平位移和主应变特征,结果如图 6所示.
从图 6a中可以清楚看到,九寨沟地震能够引起的同震位移最大范围为150 km,其在震中附近的模拟值达到了70 mm;在塔藏断裂和岷江断裂附近的同震位移为10 mm;在虎牙断裂带上的同震位移在1 mm以内;在龙门山断裂带的绵阳至青川段的数值迅速衰减到1 mm以内.图 6b给出了震中区域范围内的主应变值,有明显走滑地震四象分布限特征,在红色虚线圈范围外的主应变值迅速衰减到10-8以内.我们还注意到震中区附近的断裂带在不同段受到的主应变有不同的特征,例如震中北侧的塔藏断裂从东向西、西侧的岷江断裂从南向北受到的同震主应变均由主张向主压逐步转变,这一变化是增强还是缓解区域断裂的应力构造特征,值得后续跟踪研究.
5 结论与讨论本文利用GAMIT/GLOBK软件计算了震中350 km范围内的连续GNSS观测数据,在处理过程中选取了区域参考框架,主要是为了消除共模误差和周期性等因素的影响(黄立人,2006;杨国华等,2007),提高位移时间序列结果的重复性精度,从而获取更高精度的同震位移.
同震位移结果显示:3个站点记录到了明显的同震位移,距离震中43 km的九寨沟台站(SCJZ)在东西向的位移为-9.8±1.5 mm,在南北向的位移为3.3±0.7 mm;距离震中65 km的松潘站(SCSP)在东西向的位移为-1.8±0.7 mm,在南北向的位移为-7.7±0.6 mm;距离震中77 km的舟曲站(GSZQ)在东西向的位移为0.4±1.2 mm,在南北向的位移为3.6±0.8 mm.该结果直观体现此次地震为一次左旋走滑型事件,GNSS连续测站观测到的水平向同震位移不超过150 km范围,对东侧的龙门山断裂带影响非常小,对北侧塔藏断裂和岷江断裂出引起的同震位移达到厘米级.
同震破裂模型反演结果显示:断层面上滑动量主要集中在7 km深度,最大量值约为0.4m,平均滑动角为-15°,利用滑动分布计算的相应矩震级为MW6.4,与地震波反演结果相当.反演中断层面的确定主要参考了震源机制结果、余震分布特征和区域地质构造环境,表 2中给出的USGS震源机制解相对偏离较大,这可能与国内地震波资料缺少有关,因此在反演中给定断层面的走向和倾角更接近于国内机构给出的震源机制结果.从反演得到的平均滑动角与表 2中CENC所给出的震源机制解在断层节面Ⅰ上的滑动角非常一致来看,CENC给出的结果与GNSS反演结果更加吻合.
图 4给出同震滑动分布结果与震后2级以上余震分布的相对位置,两者之间似乎存在一种互补,即在滑动量大的区域余震很少,余震主要发生在断层面破裂集中区的下部偏两侧,这可能暗示此次地震完全释放了破裂极值区累积的能量.另外,从余震目录中还可以发现,此次地震的余震并没有包含5级以上地震,4级地震也非常少,因此我们推测在主震区发生破裂完全的情况下,此次地震的发生可能会增加附近断层发震的风险性.
基于同震破裂模型正演结果显示:九寨沟地震能够引起的同震位移最大范围为150 km,其在震中附近的达到了70 mm;在塔藏断裂和岷江断裂附近的同震位移为10 mm;在虎牙断裂带上的同震位移在1 mm以内;在龙门山断裂带的绵阳至青川段的数值迅速衰减到1 mm以内;震中区域范围内的主应变有明显走滑地震四象分布限特征,在震中向外150 km的范围内主应变值迅速衰减到10-8以下.同震主应变特征显示出在震中区北侧的塔藏断裂和西侧的岷江断裂产生了分段相反变化,可能会导致断层受到一定程度的应力加载,增加断层面发震的风险性,值得关注.同震主应变在虎牙断裂带上主要呈现挤压状态,结合图 1所示的该断裂带附近的1976年三次6级以上3个挤压逆冲兼左旋走滑型地震,推测九寨沟7.0级地震将会增强虎牙断裂的挤压构造应力特征,会进一步加强应力的积累.
致谢两位评审老师对本研究提出了宝贵建议,汪荣江老师为本研究提供了SDM反演程序,付广裕老师为本研究提供了球体位错程序,在此一并致谢.
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DOI:10.6038/cjg20170602 |
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