地球物理学报  2019, Vol. 62 Issue (4): 1323-1335   PDF    
综合利用多种地壳形变观测资料计算鲜水河断裂带现今滑动速率
李铁明1, 祝意青2, 杨永林3, 徐云马2, 安艳芬1, 张瀛3, 冯胜涛4, 槐岩珂5, 杨九元5     
1. 中国地震局地质研究所, 北京 100029;
2. 中国地震局第二监测中心, 西安 710054;
3. 四川省地震局测绘工程院, 四川雅安 625000;
4. 中国地震局第一监测中心, 天津 300180;
5. 长安大学地质工程与测绘学院, 西安 710054
摘要:本文首先沿走向将鲜水河断裂带划分为炉霍、道孚、乾宁、康定和磨西五个断裂段,利用沿断裂带布设的跨断层短基线、短水准场地测量资料计算了近场的断层活动参数,利用覆盖断裂带相对较大区域的重力、GPS观测资料计算了重力场动态变化、GPS速度场.基于重力场动态变化和GPS速度场采用蚁群算法和粒子群算法(具有全局优化的优势)分别反演计算了五个断裂段断层活动参数,将结果中的走滑分量作为五个断裂段的现今走滑速率.通过对以上三类现今走滑速率及五个断裂段的地质平均滑动速率进行融合与对比分析,将重力资料反演计算结果作为断裂带整体走滑速率,与跨断层短基线、短水准测量计算的断层滑动速率结果进行对比分析,初步判定了各跨断层短基线、短水准场地所跨断裂的性质,最终给出了五个断裂段的现今整体左旋走滑速率和部分分支断裂左旋走滑速率,结果为:①炉霍段为9.13 mm·a-1,虾拉沱区域西支断裂为2.46 mm·a-1,东支断裂为5.84 mm·a-1.②道孚段为8.57 mm·a-1,东南段沟普区域西支断裂为1.78 mm·a-1,东支断裂为6.79 mm·a-1.③乾宁段为7.67 mm·a-1.④康定段为6.14 mm·a-1.⑤磨西段为4.41 mm·a-1.本文还定性讨论了断裂带两侧重力、GPS测点覆盖范围内活动地块的三维弹塑性变形和古地震、历史地震造成的永久位错.
关键词: 鲜水河断裂带      地壳形变测量      分段      反演计算      滑动速率     
The current slip rate of the Xianshuihe fault zone calculated using multiple observational data of crustal deformation
LI TieMing1, ZHU YiQing2, YANG YongLin3, XU YunMa2, AN YanFen1, ZHANG Ying3, FENG ShengTao4, HUAI YanKe5, YANG JiuYuan5     
1. Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China;
2. Second Crust Monitoring and Application Center, China Earthquake Administration, Xi'an 710054, China;
3. Survey Engineering Institute, Sichuan Earthquake Administration, Ya'an Sichuan 625000, China;
4. First Crust Monitoring and Application Center, China Earthquake Administration, Tianjin 300180, China;
5. College of Geology Engineering and Geomatics, Chang'an University, Xi'an 710054, China
Abstract: The Xianshuihe fault zone is divided into five segments along its strike.Fault activity parameters are estimated by using crossing fault measuring data of short baselines and short leveling at sites along the fault zone.Regional dynamic gravity and GPS velocity fields are calculated by using gravity and GPS observational data of a large area covering the whole fault zone.We use the ant colony algorithm and particle swarm optimization (PSO) based on resulting data above to invert the fault activity parameters of the five fault segments, and the strike-slip component of each segment is taken as the current fault slip rate. Then we analyze the differences between the three types of the current slip rate as well as geological average slip rates of the five segments, taking the strike-slip rate inverted from gravity data as the slip rate of the whole fault zone. Comparing the whole near-field fault rate with the result of short baselines and short leveling, we determine the features of fault segments measured by short baselines and short leveling, and provide the current overall strike-slip rate of the five segments and several branch faults.The resulting slip rates are as follows:① 9.13 mm·a-1 on the Luhuo segment; 2.46 mm·a-1 on the west branch fault and 5.84 mm·a-1 on the east branch fault in the Xialatuo area. ② 8.57 mm·a-1 on the Daofu segment; on its southeast section, the west branch in the Goupu is 1.78 mm·a-1, and the east branch is 6.79 mm·a-1.③ 7.67 mm·a-1 on the Qianning segment.④ 6.14 mm·a-1 on the Kangding segment.And ⑤ 4.41 mm·a-1 on the Moxi segment.Moreover, we also discuss qualitatively the 3D elastic-plastic deformation model of active blocks on both sides of the fault zone covered by gravity and GPS data and permanent displacements caused by paleo-and historical earthquakes.
Keywords: Xianshuihe fault zone    Crust deformation measurement    Segmentation    Inversion calculation    Slip rate    
0 引言

活动断裂的滑动速率是晚第四纪构造变形的定量描述,是制约和研究现今大陆动力过程的重要基础数据.断层平均滑动速率是衡量断层活动强度的一个重要指标,特别是断层滑动速率与强震重复间隔联系起来后,它就成了定量描述断层活动强度,定量化研究地震活动的一个不可缺少的参量(李玶,1993),是探索地震复发周期、分析断层运动学特征的重要参数之一.

以往关于鲜水河断裂活动性研究所得出的断层滑动速率结果较多,但差别亦较大.如,含有历史强震位错的地质地貌结果为15 mm·a-1(Allen et al., 1991李天祒等,1997闻学泽, 2000),包括断裂两侧一定范围内地块变形的GPS结果为7~9 mm·a-1(王敏等,2008王阎昭等,2008)、30 mm·a-1(申重阳等,2002).跨单一断层的短基线、短水准及蠕变测量得出的断层近场滑动速率结果为2~3 mm·a-1(吕弋培等,1997李铁明等,2003杨永林和苏琴,2007),跨断层测量由于仅仅是断层近场的小尺度(几十米至几百米)观测,得到的是近场断裂带滑动速率.基于以上数据所做的研究工作,如,断裂带的分段研究、各段运动量值的差异性、应变能的积累与释放及其与地震分布的关系、区域地震危险性分析研究、区域及断裂带地球动力学过程和地震孕育发展变化的关系等研究存在着多解性和不确定性,制约了区域地震危险性定量化研究及相关地学领域研究的深化和提高.

近年来随着地学研究的快速发展和观测手段的不断丰富,人们认识到由于地学信息普遍存在模糊性、多解性和不确定性,传统的单一技术方法无法全面真实地揭示活动断层在地壳空间的发育特征,越来越重视多源地学信息的综合分析.因此,本文以鲜水河断裂带的跨断层形变、区域重力观测资料与GPS观测资料相结合作为研究依据,充分利用多种地壳形变资料,对所关注的鲜水河断裂带现今滑动速率问题进行多角度、多层次的研究,揭示不同信息之间的相关性,克服依靠单一数据资料解释引起的片面性(刘光鼎,1989),从不同角度来研究鲜水河断裂带现今滑动速率.同时,开展断层形变、区域重力与GPS的联合应用与解释,分析研究鲜水河断裂带地区地壳形变场及其与区域构造环境和强震活动的关系,这对该地区地学基础研究和潜在地震危险性分析具有重要意义.

1 研究方法及资料概述

地壳形变测量旨在测定地壳表面点位之间相对位置或重力场的变化,以获取地壳形变的几何和物理信息,其观测量为位移、应变和重力的相对变化值.地壳形变是构造运动在地表的反映,地震是地壳、上地幔物质在构造力作用下长期变形的结果(张培震,2008).

为监测鲜水河断裂带地区地壳运动变化,四川省地震局开展了大量的地形变测量工作(图 1),1972年起在鲜水河断裂带上陆续布设了跨断层场地形变测量(吕弋培等,1997),观测资料的处理采用实测数据直接给出断层两盘的相对水平和垂直运动情况(李铁明等,2003),该方法为近场观测、跨距短,一般在几十米至几百米之间,在小变形的情况下,可近似认为断层两盘均为刚体,并可假设地表测量值在一定程度上反映了断层运动的相对变化(刘冠中等,2013).另外,小波分析和主成分分析方法(方颖等,2015)也明确指出鲜水河断裂西北段跨断层资料中最主要因素是断层的长期构造运动.

图 1 鲜水河断裂带及地壳形变观测点位分布 Figure 1 Sketch showing the Xianshuihe fault zone and measurement sites for crustal deformation

研究区高精度重力测量始于1987年,后期又相继布设了中国大陆构造环境观测网络、喜马拉雅项目高精度重力监测网,随着测点的逐渐增加,2010年测网的覆盖范围和网型得到完善,具备了检测构造活动的能力(Zhu et al., 2015).本文反演计算首先将断裂带按单一断层处理,利用模型反演计算单一断层的活动参数,而根据重力变化与断层运动的相关性分析(刘宁等,2009杨九元等,2017),所得反演计算结果实际应是区域内多断层活动的叠加,对于本研究区而言就是包括了主、分支断裂的整体活动量值,而沿一条地表断裂布设方式的跨断层场地测量结果应是这种断裂整体活动量值的一部分.

本文收集的GPS资料包括覆盖研究区的中国地壳运动观测网络、中国大陆构造环境观测网络观测资料、国家重点基础研究发展计划(973计划)项目、四川GPS观测网络、汶川和芦山地震后应急观测的部分观测资料.采用GAMIT/GLOBK软件(Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Science, Massachusetts Institute of Technology, Scripps Institution of Oceanography University of California at San Diego,2012)对鲜水河断裂带GPS观测数据进行处理,计算得到研究区相对于华南板块的现今地壳运动速度场.

以往的研究表明鲜水河断裂在几何结构、活动习性、地震大小及其复发历史等方面均表现出时空不均匀.前人根据鲜水河断裂几何结构与活动习性、地球物理场、地震破裂的时空分布和复发行为、地壳形变测量等资料,给出了鲜水河断裂带上断层分段结果(闻学泽,2000).参考以上研究,本文主要依据区域构造图(邓起东等,2007)和大比例尺地质填图结果(李天祒等,1997),根据断裂带的几何形态特征、次级断裂彼此间内部结构的复杂程度和地震活动特征差异将断裂带分为五段:炉霍、道孚、乾宁、康定(包括雅拉河、色拉哈—康定、折多塘断裂)和磨西段,各断裂段情况及所取断层几何参数如表 1所示.

表 1 鲜水河断裂带分段 Table 1 Segmentation of the Xianshuihe fault zone

川西高原20 km深度以下的中下地壳显示出明显的低速异常,对应于地壳花岗岩塑性流变层,不利于地震能量的积累(张培震,2008).Liu等(2014)通过P波接收函数和背景噪声的联合反演得到了3D青藏高原东部0~100 km的速度成像,发现应力的集中一般在上地壳(20 km以内).地震精定位的结果也表明,该区域90%的小震事件发生在0~15 km的上地壳内(朱艾斓等,2005),鉴于我们反演计算的主要是与地震活动有关的易于积累应变能的脆性层的相对运动,因此本反演模型取断层深度为20 km.2万年以来鲜水河断裂活动以左旋走滑为主(李天祒等,1997邓起东等,2007),根据断裂带的几何形态特征各断裂段的运动较为符合矩形位错模型,因此本研究采用分段矩形位错模型(Okada, 1985, 1992)反演计算各段落断层活动参数.

在上述基础上,本文重点以1982—2015年跨断层形变测量资料、2010—2014年区域重力场变化和2004—2015年区域GPS水平运动速度场资料为基础,综合分析研究鲜水河断裂带现今滑动速率特征.

2 鲜水河断裂三维滑动速率 2.1 跨断层场地测量获得的近场断层滑动速率

选取甘孜—康定间跨断层测量场地共8个:侏倭、格篓、墟虚、虾拉沱、沟普、龙灯坝、老乾宁、折多塘.蠕变测量共5个场地:虾拉沱、恰叫、沟普、龙灯坝、老乾宁(图 1),为兼顾资料时间长度和连续性,选取了1982—2015年的观测资料,最长时间跨度34年.所获取的地壳形变观测资料,主要包含断层的现今运动状态和由各种环境因子引起的非构造性的形变的周期成分,因此,首先尽可能剔除各种非构造性形变的周期成分突出构造形变趋势.为了更好地描述断裂带的活动规律,较为客观地反映断层的活动状况,通过统一标准参数分析断层的活动特征,采用提取断层活动参数的方法对资料进行处理分析,计算各跨断层场地的近场断层滑动速率(杨永林和苏琴,2007)计算结果见表 2.

表 2 五个断裂段四类断层走滑速率及三项差值 Table 2 Four types of strike-slip rates and three differences of the five fault segments
2.2 重力观测资料获得的现今滑动速率

本文计算选取的重力测量资料区域在100°E—103°E、29°N—32°N的一个矩形范围内.因各期资料不同,且2010年以前测点较少分布不均匀未能形成整网,同时为排除汶川、康定地震的影响,我们利用2010—2014年重力动态变化资料反演计算断层活动参数.采用经典平差方法(Zhu et al., 2010),获得2010—2014年时段的重力动态变化图像(图 2),误差±10×10-8m·s-2.由图 2可以看出,重力变化总体表现为自西向东由负向正的趋势性变化,并沿鲜水河断裂带附近出现重力变化高梯度带.作图时,我们采用最小二乘配置对重力观测数据进行了拟合推估和滤波,进一步消除粗差和浅表因素的影响,突出显示构造因素的重力效应(祝意青等,2013).

图 2 鲜水河断裂区重力动态变化(单位:10-8m·s-2) Figure 2 Gravity changes around the Xianshuihe fault zone (contour unit:10-8m·s-2)

考虑到鲜水河断裂带地质构造复杂,且断层产状在不同地点、不同深度存在差异,本文利用断层微分思想(闻学泽,2000)将断裂带分为炉霍、道孚、乾宁、康定、磨西五段,为尽可能减小模型误差,参考有关文献(申重阳等,2002王阎昭等,2008)对该断裂带断层几何参数的长度取近似值,对断层深度取相同值(表 1).根据位错理论模型(Okubo,1992),由矩形断层位错在自由地表某点(X1,X2,0)处引起的重力变化的解析表达式和蚁群算法分别计算了上述断裂带五个断层段三分量活动参数U1、U2、U3,相关反演计算公式见参考文献(刘宁等,2009),取走滑参量U1为断裂段走滑速率列于表 2.

2.3 GPS观测资料获得的2004—2015年的滑动速率

选取覆盖本项目研究区的中国大陆构造环境观测网络观测资料、973项目、四川GPS观测网络及汶川和芦山地震后应急观测的部分观测资料,资料的时间跨度为2004—2015年.很显然,2008年汶川8.0级地震和2013年芦山7.0级地震(同震和震后形变)会对研究区域的地表形变场产生或大或小的影响(王敏,2009Jiang et al., 2014).因此,在数据处理中我们对同震位移进行了参数估计以尽可能地消除同震位移对区域地壳运动速度场的影响.最终,获得了59站点表征的相对华南板块的地壳运动速度场(图 3),采用相对华南板块的GPS速度场数据进行反演计算是为了更好地突出区域性断裂带活动成分.在GPS数据分析处理中,我们只消除了汶川地震和芦山地震导致的观测点同震位移而忽略了震后形变的影响.震后形变主要源于地震造成的区域介质的黏弹性松弛和断层面的震后余滑,而就我们采用的观测点而言,介质的黏弹性松弛则是主要的震后形变源.介质的黏弹性松弛可以理解为震前积累的弹性能的继续释放过程,因此,震后观测到的地表运动实际上是长期构造运动上又叠加了一个同向的运动,而叠加的运动量的大小取决于观测点距发震源或断层的距离,更取决于区域的流变学结构,在区域流变学结构难以精确获知的现今,震间形变和震后形变难以区分,特别是对流动的GPS观测资料.因此,本文获得的GPS速度场是2004—2015年地壳运动的平均速度场,并不是单纯的长期构造运动速度场(王敏,私人通讯).

图 3 华南基准区域GPS速度场 Figure 3 GPS horizontal velocity field in South China

采用位错理论模型(Okada, 1985, 1992)给出的矩形断层走滑、倾滑、张裂在地表面产生的位移公式,利用带惯性权重的粒子群算法反演计算了上述断裂带五个断层段三分量活动参数U1、U2、U3,取走滑参量U1为断裂段走滑速率列于表 2,相关反演计算公式见参考文献(刘杰等,2010王宏宇等,2015).

2.4 三种形变手段获得的滑动速率对比

鲜水河断裂带是地下震源断层的直接延伸或其分支断层到达地表的产物(黄圣睦,1982),鲜水河断裂带平面几何结构为多重羽列型断裂,是由各走滑分支而构成的一条走滑断裂带系统(李天祒等,1997),沿带开挖的多个地震探槽也揭示了不同部位的多断层性,特别是在部分测量场地处开挖的地震探槽更清晰的展示了这种特征.古地震和历史强震沿断裂带分布,断裂带与构造背景线和地震地裂缝三者往往集中分布、相距较近难以严格区分和判定(邓天岗等,1989).断裂带各段大部分地区由于森林覆盖、谷深坡陡,难以布设形变测量场地,而跨断层场地测量跨距一般在百米左右,因此,目前只能跨过上述的某一条断面,早期建站时在缺乏全面深入的地质调查资料和研究成果的情况下,某些测量场地有可能只跨过了次级断裂或地震地裂缝.本文在参考后期完成的(1:5万)地质填图资料(李天祒等,1997)及其他进一步的地质构造研究成果(李坪,1993邓天岗等,1989闻学泽等,1989徐锡伟等,2003)的基础上,通过将跨断层场地测量与重力资料反演的断裂带走滑速率结果进行对比分析(表 2),初步推测各跨断层场地所跨断裂性质.

利用重力、GPS资料反演计算断层活动参数,是在使得目标函数为最小的准则下,通过多次迭代最终收敛到一个最优解(槐岩珂等,2017).考虑到重力反演结果实际是主、分支断裂的整体活动量值,我们将重力反演计算结果作为实际的断裂带整体走滑速率,将重点放在Δ1(重力-跨断层)数值的对比分析.

2.4.1 炉霍段各测量场地

断裂带北西段,呈较好的线性展布.该段设有4个跨断层形变测量场地和1个蠕变测量场地,其中侏倭场地观测断层左旋走滑速率为0.98 mm·a-1;格篓场地为0.65 mm·a-1,量值相对较小,而该段重力反演结果为9.13 mm·a-1Δ1较大,为8.15 mm·a-1、8.48 mm·a-1.那么,基于上述测量资料给出的滑动速率显著差异的事实,再结合上述两测量场地较近处开挖的探槽资料揭示了区域多断层特征,我们推测侏倭、格篓两跨断层场地跨过了一条分支断裂,而非主断裂.墟虚场地为0.12 mm·a-1,滑动速率极其微弱,Δ1为9.01 mm·a-1.墟虚场地附近一地震探槽揭露出大小地震断层共19条,其中,主干地震断层为3条,1973年炉霍7.6级地震再次活动产生了巨大的地震裂缝(李天祒等,1997),基于如此复杂的地质地貌现象,考虑该段强震活动背景,从地震与断层活动一致性的角度分析,我们推测导致墟虚场地左旋走滑速率如此微弱的原因是该测量场地可能跨过了某条次生地震地裂缝,而非主断裂.虾拉沱场地为2.46 mm·a-1,左旋走滑速率较大,地质填图结果(李天祒等,1997)表明断裂带在该处分为东西两条(图 4),基于该地质构造条件和跨断层场地位置分析,我们认为虾拉沱跨断层场地可能跨过了西支断裂.虾拉沱蠕变测量场地观测断层左旋走滑速率为0.85 mm·a-1Δ1为8.28 mm·a-1,据此推测该场地可能观测的是该区域一条分支断裂的活动.

图 4 鲜水河断裂带几何形态结构及断裂带现今左旋走滑速率 李天祒等(1997)图,蓝色数字为走滑速率值(单位:mm·a-1). Figure 4 Geometry and morphology of the Xianshuihe fault zone and its current strike-slip rates After Li et al. (1997). Blue numbers are strike-slip rates (unit: mm·a-1).
2.4.2 道孚段各测量场地

该段设有1个跨断层形变测量场地和2个蠕变测量场地,沟普场地观测断层左旋走滑速率为1.78 mm·a-1,该段重力反演结果为8.57 mm·a-1Δ1为6.79 mm·a-1.该场地区域与虾拉沱场地区域地质构造条件类似,主断裂带显示为较明确的东西两支(图 4),观测场地处开挖的探槽资料揭示了1981年道孚6.9级地震主断面.基于地质填图结果(李天袑,1997)和Δ1,我们推测沟普测量场地跨过了活动性较弱的西支断裂.断裂带两侧4个GPS测站21个月的连续观测资料表明(王敏等,2008),道孚段的两分支断层:西支断层的转换带始终处在“休眠”状态,而东支断层的转换带则表现为滑移和静止交替的不稳定状态,这也间接证实了西支断裂观测活动量相对较小的事实.沟普蠕变场地观测断层左旋走滑速率为0.89 mm·a-1,场地建设时开挖的探槽资料表明测线跨过了主断裂,根据现有资料还难以判断滑动量如此弱小的原因.恰叫蠕变场地左旋走滑速率为0.05 mm·a-1,在该测站附近横跨断裂及1923年7.3级地震地裂缝开挖的古地震探槽资料显示地震地裂缝与主断裂面平行产状一致,但主断裂并未到达地表(腐殖层),我们分析认为在早期无探槽资料的情况下,恰叫蠕变测站可能只跨过了1923年7.3级地震地裂缝,而随着地震离逝时间的增长,其活动性逐渐趋弱.

2.4.3 乾宁段各测量场地

该段设有2个跨断层形变测量场地和2个蠕变测量场地,各场地观测左旋走滑速率为:龙灯坝0.12 mm·a-1、老乾宁0.07 mm·a-1、龙灯坝蠕变0.53 mm·a-1,老乾宁蠕变0.23 mm·a-1.而该段重力反演结果为7.67 mm·a-1Δ1较大.在龙灯坝测量场地开挖的探槽资料和在老乾宁形变测量场地开挖的垂直和斜交于断层的两个地震探槽资料表明测线均跨过了主断裂.该段地质构造比较复杂,断层分叉现象、多断裂地貌普遍存在,且长短不一、差距较大,加之,两场地逐渐靠近东南部的康定段(三条近于平行的断裂)区域;另外,分析滑动速率值亦可见龙灯坝大于老乾宁,越靠近东南端量值越小.综上各因素分析,我们认为龙灯坝、老乾宁两测量场地和蠕变测量测线均跨过了主断裂,而该两场地处断裂带活动微弱,其原因应是断裂尾端效应和多断层组合运动或断层存在局部凹凸体的影响.

2.4.4 康定段(三条断裂区)测量场地

该段由雅拉河、色拉—哈康定和折多塘三条近于平行断层构成了宽达25~30 km的断裂带,所夹持的大炮山和折多山两个断块,均属于第四纪隆起的山地.受观测环境的制约,该段只在三条断裂之一的折多塘断裂东南段设有单一短基线形变测量场地,观测左旋走滑速率为0.51 mm·a-1,该段重力反演结果为6.14 mm·a-1,为上述三条断裂的总体滑动量值.折多塘断裂老断面以宽数米至数十米的挤压破碎带为其特征,断面很难见到,几乎全为晚更新世以来的坡积和冰碛物所覆盖,沿断裂6~9 km的间距开挖了4个探槽,其中位于断裂西南端折多塘村附近的探槽比较靠近测量场地,也最接近1955年7.5级地震震中(李天祒等,1997).与其他3个探槽相比,只有该探槽显示了多断层性质,1955年7.5级地震使该探槽揭示的三条断裂再次活动并切穿地表,形成地震地裂缝,鉴于该区域坡状地貌特征,地表被坡积和冰碛物所覆盖,我们推测折多塘测量场地跨过了某条次级断裂或地表地震裂缝,而非主断裂.

以上结论只是根据区域地质地貌资料和部分地震探槽资料揭示的区域多断层特征,将各段落上现今大地测量结果相结合,进行综合分析对比而得到的一个初步分析推论,结果可能存在着不确定性,还需要今后更多的地震地质研究和现今地形变观测资料加以完善和验证.

3 分析与讨论 3.1 五个断裂段的滑动速率 3.1.1 炉霍段

断裂现代地貌的表现形态比较单一,呈剪切直线状,在航、卫片上其线性影像均十分清楚,切断新老地质体和现代山川河流,最大错距可达1700 m,在断裂东南端发育虾拉沱拉分盆地.炉霍断裂晚更新世以来一直作左旋走滑运动,年平均滑动速率为13±5 mm(李天祒等,1997).本文跨断层场地、重力、GPS资料的计算结果均表明炉霍断裂段现今运动方式为左旋,整体走滑速率为9.13 mm·a-1.3个跨断层场地和1个蠕变测量场地观测左旋走滑速率均小于1 mm·a-1,上文分析已指出侏倭、格篓跨断层场地及虾拉沱蠕变测量场地观测值应是炉霍断裂段分支断裂的活动,那么从整体活动量值中减去分支断裂的活动,三项差值的均值即为该段主断裂的现今走滑速率,而墟虚跨断层场地观测的是地震地裂缝的活动.位于该段东南部的虾拉沱跨断层场地的左旋走滑速率为2.46 mm·a-1,根据区域活动构造展布和实地考察测量场地位置分析,实测值应为该区域两条主干断裂中的西支断裂的活动量值,那么整体滑动速率减去分支断裂值即为该区域东西两条主断裂滑动速率,再从中扣除西支断裂的活动即为东支断裂的滑动速率.

根据以上分析最终得到炉霍断裂段现今整体滑动速率为9.13 mm·a-1,分支断裂的滑动速率为0.83 mm·a-1,主断裂为8.30 mm·a-1,虾拉沱区域西支断裂为2.46 mm·a-1,东支断裂为5.84 mm·a-1(图 4).

3.1.2 道孚段

主断面为直线状,由32条长1~16 km的次级断层左旋右阶羽列组合而成,在断裂东南端发育道孚拉分盆地.第四纪以来断裂的新活动,切断所有的上覆地层并使各种大小地貌单元或地质体发生左旋错动,最大水平错距1549 m,年平均滑动速率为10±2 mm·a-1(李天祒等,1997).本文跨断层场地、重力、GPS资料计算结果为该断裂段现今仍为左旋滑动,整体走滑速率为8.57 mm·a-1,本段内跨断层场地较少,根据现有观测资料难以计算分支断裂的活动.地质填图结果表明沟普测量场地区域断裂分为明确的东西两个分支(李天祒等,1997),跨断层测线跨过西支断裂,观测断层左旋走滑速率为1.78 mm·a-1,量值较小,与王敏等(2008)利用连续GPS观测数据反演计算给出西支断层的转换带始终处在“休眠”状态的结果相吻合.那么从整体滑动速率扣除西支断裂的滑动即为东支断裂的滑动速率.

最终得出该断裂段整体左旋走滑速率为8.57 mm·a-1.东南段沟普场地区域两主断裂整体活动量:西支断裂左旋走滑速率为1.78 mm·a-1,东支断裂的左旋走滑速率为6.79 mm·a-1(图 4).

3.1.3 乾宁段

整个断面几乎全为更新世以来的冲洪积、坡积和冰碛层所覆盖,很难直接见到老的断面,更新世以来沿着老断面的新活动,切错断裂带上所有的第四系地层和各种大小地貌单元,断裂发生左旋反扭错移,其最大水平错距可达474 m.断裂新活动的主断面由13条长2~8 km脆性剪切断层呈左旋右阶羽列组合而成,在断裂东南端发育乾宁拉分盆地.该段年平均滑动速率为10±2 mm(李天祒等,1997).本文跨断层场地、重力、GPS资料计算结果为该断裂段现今仍为左旋滑动,整体走滑速率为7.67 mm·a-1.各跨断层场地沿测线均进行了地震探槽开挖,资料显示测线均跨过了主断裂,跨断层测量场地观测左旋走滑速率在0.5 mm·a-1左右,量值较小,认为是断裂带在局部左旋滑动较弱的实际状况,与区域地质构造条件有关.最终得出乾宁断裂段整体左旋走滑速率为7.67 mm·a-1(图 4),受跨断层场地数量制约不能计算得出分支断裂活动.

3.1.4 康定段

本断裂段包括雅拉河、色拉哈—康定、折多塘三条近于平行的断裂,整体走向与整个构造带走向近一致.①雅拉河断裂:展布于雅拉河陡峻深谷的沟壁上,植被茂盛,大部分为丛林所覆盖,断裂形迹不甚清楚.断裂中部形迹较为清晰,也是本断裂波状起伏的弧形转弯部位,由4条1~3.5 km长呈左旋右阶羽列状次级断层所组成,断裂活动与鲜水河断裂带其他次级断裂一样,仍然具有左旋走滑运动的特点,最大错距为20 m,年平均滑动速率为3±1 mm(李天祒等,1997).②色拉哈—康定断裂:是鲜水河断裂带东南段一条主干断裂,由22条0.5~8 km的更次一级断层呈右阶羽列组合而成,以其延续不断的断裂陡坎和直线状槽谷地貌最为突出,槽谷中串珠状的大大小小断塞塘的分布更为明显.沿断裂还有水平错断横跨断裂的大小水沟、小山脊、坡积脊等小的地貌体,以左旋走滑运动为其特征,最大错距为445 m,年平均滑动速率为8±2 mm(李天祒等,1997).③折多塘断裂:是色拉哈—康定断裂西南侧一条规模比较小的断裂,由15条1~10 km长的次一级断裂呈右阶羽列组合而成,断裂发育于坡积和冰碛物中,只有在断裂的中部,见到一些零星的上三叠统砂板岩.沿断裂还清晰地保留着1955年7.5级地震的地表破裂带,更能直观地反映出断裂新活动强烈.断面平直以扭性为主,左旋水平错断冰碛堤、冰碛垄岗、石河、倒石堆等地貌体,最大错距可达50 m,年平均滑动速率为5±1 mm(李天祒等, 1997).因测站位置和密度的关系,本文反演计算结果只能给出这三条断裂总的整体左旋走滑速率.本文跨断层场地、重力、GPS资料计算结果为该断裂段现今整体左旋走滑运动,跨断层测量场地折多塘观测左旋走滑速率为0.51 mm·a-1,量值较小,与所跨断裂性质有关不能代表折多塘断裂的现今运动量值.最终得出康定断裂段整体左旋走滑速率为6.14 mm·a-1(图 4),受跨断层场地数量制约不能计算得出分支断裂活动.

对康定段的详细研究,以往只能给出地震地质学研究结果,其近代活动的运动学特征目前还不清楚,但该区域现代强震活动比较频繁,60年内就相继发生了1955年7.5级和2014年6.3级强震,因此,对断裂带现今活动特征的认识与研究显得十分重要.我们的方法给出了本段现今总体活动量值,不足之处在于根据目前的资料还难以区分和给出单条断裂的活动状况,这也是我们下一步工作的重点.从强震分布及整条鲜水河断裂带左旋走滑连续性角度考虑结合现今该段落断裂带活动速率,我们认为色拉哈—康定断裂应是该段落主控断裂,本文计算得出的断裂滑动速率应与其活动量值相当.

3.1.5 磨西段

磨西断裂为鲜水河断裂带东南段的主干断裂,形态单一,仅局部存在一些分叉现象,断裂斜切过磨西台地形成倾向NE的断层陡坎.磨西断裂尚未开展地质填图工作,无详细的地震地质研究资料,无跨断层场地测量资料.在色拉哈—康定断裂和磨西断裂间左阶斜列部位的雅家埂发生1786年7.8级地震,根据震级和强震复发周期的关系,推测其年平均滑动速率为12±2 mm(李天祒等,1997),与后期经实地考察得出的滑动速率9.9±0.6 mm·a-1(周荣军等,2001)及(9.1±2 mm·a-1)(陈桂华等,2008)相当,以往的研究未能给出现今滑动速率结果.本文重力、GPS资料计算结果为该断裂段现今整体左旋走滑,速率为4.41 mm·a-1(图 4).

本研究给出的断裂带五个段落的分段结果表明鲜水河断裂带现今运动具有明显的分段差异性且不同段落滑动速率大小不同,呈现出了相对较高解析度的断裂带活动图像,相比于前人利用区域大地测量资料研究给出的整条鲜水河断裂带现今滑动速率的平均值,在某些断裂段存在较大的差异.我们认为应是在川滇地块整体顺时针旋转运动的背景下,内部次级地块运动与变形局部差异性的真实反映,也是沿断裂带强震频发的主要原因.

3.2 结果分析与讨论

根据上述结果,下文对Δ2(GPS-重力)、Δ3(地质-重力)两项差值进行定性分析论述.

3.2.1 五个断裂段落的Δ2

Δ2主要为沿断裂带两侧地块的三维弹塑性变形量值,根据本文计算,炉霍断裂段的Δ2为-1.17 mm量值较小,可见断裂线性较好、形态较单一的炉霍段断裂带两侧地块的现今变形较微弱,说明在GPS测点覆盖区域内无明显的现今地块三维弹塑性变形,因此,该区域现今地壳运动主要是由炉霍断裂段的左旋滑动体现的.后面四个断裂段的Δ2分别为:8.29 mm·a-1、10.56 mm·a-1、4.20 mm·a-1和6.10 mm·a-1,是GPS观测点位所覆盖的断裂带两侧一定宽度内复杂的地质构造环境和现今地块三维弹塑性变形的反映.道孚、乾宁两断裂段Δ2量值较大,表明断裂两侧地块的运动与弹塑性变形是显著的.分析认为,该区段位于川滇菱形地块的北部中段,是其现今顺时针旋转运动的主体区域.康定、磨西断裂段Δ2存在一个由小变大的过程,康定断裂段区域为三条断裂所夹持的断块与断裂共同组成一个宽近25余公里的断裂带,其总体的运动与变形是该区域现今地壳运动的主要成分,因此Δ2主要应是康定段三条断裂所夹持的活动地块的弹塑性变形量值.磨西断裂段是一条地表线性程度较好的单一断裂段,处在贡嘎山主要高速隆起区影响范围内(王庆良等,2008),分析认为Δ2的主要成分应是贡嘎山现今快速隆升造成的区域整体地壳垂直形变.

以往针对本研究区的其他不同方法给出的相关地壳形变研究成果,也反映了类似的现象和相同的运动特征,与本文给出的五个断裂段的Δ2量值也存在一定的对应性.如20世纪70年代以来,川西地区垂直形变场强度经历了一个“平稳→增强→调整”的时间进程,在地壳运动的长趋势中,包含了加速、反向和停顿等情况.80年代后期以来,断裂带之道孚—乾宁一带形成高梯度形变带(张四新等,1998),相对于四川盆地西南部宜宾地区,整个川西地区现今仍处在差异性的快速隆升阶段(王庆良等,2008).王双绪等(2013)利用青藏高原东缘地区1970—2011年的国家水准网(一、二等水准路线)和地震水准监测网精密观测资料,计算给出的川西地区区域垂直形变场结果也明确显示:在甘孜—玉树断裂与鲜水河断裂交汇地带隆起速率最大达到4.1 mm·a-1,而自交汇地带开始向东南垂直形变减弱为2 mm·a-1左右,继续向东南到道孚、乾宁地区又变为逐步上升区,量值由2 mm·a-1上升为5 mm·a-1,至磨西断裂区域由贡嘎山地区的5.7 mm·a-1隆升向南减弱为2 mm·a-1左右,显示了川西地区现今垂直形变场形变剧烈局部化的特点.从定性角度分析,本文给出的断裂带两侧地块的三维弹塑性变形Δ2与区域垂直形变场演化存在一定的对应性.

桂焜长和顾国华(1992)利用1961—1986年沿断裂带侏倭到康定大区水平测距资料,讨论了鲜水河断裂带25年时间尺度的地表水平形变,结果表明道孚以南水平形变的明显特征是NS向张性运动,而炉霍地震区以北的水平形变与断裂带的其他部分有明显的区别,存在明显的NE向右旋位移,表明可能的NE向构造确有右旋错动存在的结论.

从我们基于2004—2015年平均速度场反演获得的断层滑动速率看,道孚和乾宁两段分别为16.86 mm·a-1和18.23 mm·a-1,高于重力反演的结果,也明显高于人们对该两段落滑动速率的普遍认识范围,这表明该两段落区域处于汶川地震震后形变的影响范围内, GPS获得的区域地壳形变场包含了汶川地震和/或芦山地震造成的区域弛豫形变信息而非单纯是由鲜水河断裂带滑动位错造成的,因此16.86 mm·a-1和18.23 mm·a-1是对鲜水河断裂带滑动速率的高估.与道孚和乾宁两段不同,炉霍、康定和磨西三段,GPS资料获得的滑动速率结果与重力结果可比,表明这些区域或段落受地震震后形变的影响不大,与汶川地震对地壳形变场影响范围的研究基本一致(王敏,私人通讯).

3.2.2 五个断裂段落的Δ3

Δ3的主要因素是古地震和历史地震造成的断裂带永久位错量,根据李天祒等(1997)的研究,炉霍断裂上共发生地震事件19次(含1973年和1816年两次历史地震),道孚断裂上共发生地震事件11次(含1923年7.3级地震).乾宁断裂上探槽数最少,共发生地震事件8次.将色拉哈—康定断裂区域各断裂的古地震研究合为一起考虑,共开挖探槽6个,判定古地震事件8次.对折多塘断裂上4条剖面的古地震事件的统计,一共判定古地震事件7次.磨西断裂无地震探槽资料,目前已知的1次地震事件是曾发生在色拉哈—康定断裂和磨西断裂间左阶斜列部位的雅家埂附近的1786年7.8级地震,也是鲜水河断裂带迄今为止所记录的震级最大的地震.由于地震探槽数量有限,以上资料可能未真实全面的反映断裂带地震活动水平.但从现有资料来看,5个断裂段均有古地震和历史地震,反映了区域性断裂活动的背景,从地震事件与断层错动的一致性角度分析,地质时期内的断裂活动速率更多的是反映了断裂长期地震滑动的平均效应.上述5个断裂段的Δ3分别为:3.87 mm·a-1,1.43 mm·a-1,2.33 mm·a-1,9.86 mm·a-1(康定区域三条断裂之和),7.59 mm·a-1,分析该组数据可见:Δ3的量值变化与探槽揭示的古地震和历史地震记载次数存在可比性,如,前三个断裂段中,炉霍段的19次地震事件对应了最大的Δ3量值,第二、三段Δ3的量值相当但明显减小,也对应了该两个断裂段地震次数的减少.康定三条断裂段区域,Δ3量值较大的另外一个原因是将三条断裂的地质滑动速率处理为简单相加,可能人为的放大了地质数据.而磨西断裂尚未开展填图工作,目前无古地震事件的研究报道,根据现有资料分析该断裂段的Δ3包括了1786年7.8级地震造成的永久变形,也提示了该断裂段存在古地震和历史地震事件的缺失漏记现象.

研究断层形变观测资料反映出的断层活动特征,分析其与强震孕育、发生的关系是目前地震监测预报的主要手段之一.通过对以上五段Δ2、Δ3量值的总结分析,我们认为利用不同时空尺度的测量资料对其进行整体运动学计算分析,细心甄别各类因素对观测结果的贡献,才能科学合理严谨的评价断裂带现今活动水平,从而获得可靠的区域地震危险性分析结论.

4 结语

本文利用近场的跨断层短基线、短水准测量、区域重力测量和GPS测量这三类资料解算了鲜水河断裂带五个段落现今滑动速率.跨断层场地测量虽然只能观测断裂系统中某一条断层的滑动速率,但在研究断裂带总体活动方面是不可或缺的重要数据,为我们分析研究断裂带的活动提供了近场数据支持,与重力、GPS测量结果相结合,可合理展现断裂带部分区域多断层的个体活动性.跨断层小尺度运动的分段差异,更多可直观反映所跨断层浅部闭锁情况,与GPS、重力有大尺度观测约束的断裂带滑动速率对比可能反映不同断裂段应变积累程度.

通过将跨断层场地观测断层滑动速率与重力资料反演计算的断裂带整体左旋走滑速率进行对比分析,初步推断了鲜水河断裂带部分跨断层测量场地所跨断裂的性质,可为今后跨断层场地测量资料的综合利用及场地改造提供有益参考.将跨断层场地观测断层滑动速率与重力、GPS观测资料计算的断裂带现今滑动速率进行融合与对比分析,结合断裂带地质平均滑动速率,得到五个断裂段落的现今滑动速率、部分区域分支断裂的滑动速率为:①炉霍段为9.13 mm·a-1,虾拉沱区域西支断裂为2.46 mm·a-1,东支断裂为5.84 mm·a-1.②道孚段为8.57 mm·a-1,东南段沟普区域西支断裂为1.78 mm·a-1,东支断裂为6.79 mm·a-1.③乾宁段为7.67 mm·a-1.④康定段为6.14 mm·a-1.⑤磨西段为4.41 mm·a-1.

本文是利用多源数据研究断裂带现今滑动速率的一种尝试,为了正确估计地震复发周期和评价断层活动程度,本文所用的多源数据融合、综合对比分析可能是一种有效的、值得推广的方法.然而由于部分重力、GPS测站分布不均,且资料时间跨度相对较短,对反演计算断裂带整体滑动速率会带来一定误差.另外,受现今观测资料时空密度的限制,目前还不能区分和厘定全部分支断裂的活动状况,难以给出整条断裂带完整的高解析度的活动图像.鲜水河断裂带尺度大、构造变形复杂,断裂活动强烈、历史强震具有沿断裂带分布的特点,但是沿带迄今无8级以上巨大地震的原因,根据本文结果我们推论认为是主、分支断裂组合活动的结果,分支断裂的活动释放了部分应变能,造成孕震体或介质强度降低,因此不能忽略断裂带同一部位不同平行分支断裂个体活动的影响.

致谢  王敏研究员对本文的修改和完善给予了指导和建议,两位审稿专家提出了建设性意见,在此一并致谢!
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