四川是我国地质灾害多发地区, 境内有多条大型断裂带, 呈“Y”型展布, 地质构造纵横交错, 结构复杂, 地震活动剧烈。2008年5月12日汶川8.0级地震发生, 造成巨大的人员伤亡与财产损失; 2019年6月17日四川省长宁县6.0级地震发生后, 重庆、云南、贵州多地有感。多次破坏性地震的发生, 揭示了四川地区地壳构造活动的剧烈特征, 有必要对过去20年, 包括汶川地震前10年的构造运动进行梳理, 总结地壳应变场的演化规律。本文基于1999—2001年、2001—2004年、2004—2007年、2009—2011年、2011—2013年、2013—2015年及2015—2017年7期GPS水平运动速度场数据, 解算四川“Y”型构造区各周期网格速度场、地壳应变率场计算结果, 研究并给出该区近20年尺度的地壳应变场动态演化过程。

四川省区内分布龙门山断裂带、鲜水河断裂带及安宁河断裂带3条较大断裂有, 整体呈“Y”型展布。该“Y”型断裂交汇于特提斯—喜马拉雅构造域东缘泛华夏大陆古生代—中生代羌塘—三江构造区(北特提斯构造域)之松潘—甘孜褶皱系与扬子准地台的衔接部位(丁开华等, 2013; Huang et al, 2014; Zhao et al, 2015)。四川“Y”型构造区及1970年以来该区地震震中位置分布见图 1, 可见大多数地震分布在龙门山断裂带, 且2008年汶川8.0级大地震即发生于此, 而龙门山断裂带东侧为坚硬的扬子板块, 该板块内部常年稳定(Wessel, 2009; Shen et al, 2009; Wang et al, 2011)。

图 1(Fig.1)

图 1 四川“Y”型构造区及震中分布 Fig.1 The"Y" type tectonic area and epicenter distribution in Sichuan Province

“中国大陆构造环境监测网络”由260个连续站与2 000个流动站组成, 每2年进行1期GPS观测。由于四川省观测站分布密集, 每期流动站观测不少于4个时段, 每个时段24 h, 数据采样间隔30 s(董运洪等, 2012; 曾波等, 2012)。对四川重点构造区进行地壳运动分析, 所用GPS速度场数据均相对于欧亚板块, 误差椭圆为95%的置信度。选取四川地区1999—2017年共7期GPS水平运动速度场数据(图 2), 剔除个别非构造作用影响数据(非构造作用导致GPS站点运动方向及观测误差与周围观测站差异较大), 分析该区近20年尺度的地壳应变场动态演化过程。

图 2(Fig.2)

图 2 四川GPS水平运动速度场 Fig.2 GPS horizontal velocity field

利用1999—2017年GPS水平运动速度场数据, 分别给出1999—2001年、2001—2004年、2004—2007年、2009—2011年、2011—2013年、2013—2015年及2015—2017年7期GPS站点运动速度矢量图, 见图 2, 可见自1999年起, 近20年间, 四川“Y”型构造区水平运动具有一定动态演化规律。2008年汶川地震前的3期GPS速度场相对稳定, 从各站点运动速率与方向看, 整体“Y”型构造区地壳运动变化不大, 但汶川地震后的2009—2011年周期, 发生明显变化, 其中龙门山断裂带变化最显著, 较震前的3个周期速率增大, 由4.0—5.0 mm/a增至7.0—9.0 mm/a。在运动方向上, 汶川以南保持SE向不变, 汶川以北, 则为SEE向, 且在汶川地震后4个周期的GPS运动速度场中, 能够发现龙门山断裂带运动方向由震前SE向略转为SEE向, 其他地区运动方向基本保持不变。

1999—2017年7期GPS格网水平运动速度场见图 3, 显著体现了四川“Y”型构造区近20年水平运动的动态演化特征, 特别是在2008年汶川地震后, 其中2009—2011年周期“Y”型构造区以东地区运动速率明显增大, 而2011—2013年周期急剧减小, 2013—2015年、2015—2017年周期则逐渐恢复至震前活动水平。

图 3(Fig.3)

图 3 四川GPS网格水平运动速度场 Fig.3 Sichuan GPS grid horizontal velocity field

基于GPS水平运动速度场数据, 探讨近20年四川“Y”型构造区地壳运动变化特征, 受参考框架不同影响, 最终结果并不具有唯一性, 但基于GNSS速度场解算的地壳应变张量与参考框架的选取无关(张荣斗等, 2008), 且能清晰刻画四川主要断裂带地壳形变与应力张量之间的相互转换过程。因此, 借助最小二乘配置(曹里等, 2016), 通过应变率与位移速度间的偏导关系, 计算四川地区1999—2017年7期水平运动应变率场。

四川“Y”型构造区GPS水平运动速度场最大剪应变率场见图 4。

图 4(Fig.4)

图 4 最大剪应变率 Fig.4 The maximum shear strain rate diagram

如图 4所示, 1999—2001年期与2001—2004年期最大剪应变率场变化一致, 反映了最大剪应变率高值区位于鲜水河断裂与安宁河断裂, 主要分布在甘孜至泸定一带及西昌附近, 变化率均约10.0×10-⁸ /a, 而龙门山断裂带应变率场变化率则为2.0×10-⁸ /a; 至2004—2007年周期, 鲜水河断裂以甘孜、泸定为中心集中出现2个独立高值区, 变化率分别达16.0×10-⁸ /a与15.0×10-⁸ /a, 较早期数据增大50%, “Y”型构造区南部高值区仍分布于安宁河断裂以东, 变化率约12.0×10-⁸/a, 龙门山断裂带变化不大, 但在汶川地震之后, 由2009—2011年周期可见高值区集中出现在龙门山山前断裂, 汶川以东, 最大剪应变率由震前的2.0×10-⁸/a增大到22.0×10-⁸/a, 且自龙门山山前断裂向西到汶川一带, 形成由高到低、平行于龙门山断裂带走向的高密度梯度带, 表明了在2008年汶川地震之后的2年里, 由映秀(震中)沿龙门山断裂带NE走向, 在壳体内部向断裂两侧发生显著应力推挤的构造运动。此外, 广元西侧最大剪应变率约17.0×10-⁸/a, 而汶川地震前鲜水河断裂与安宁河断裂所在西昌高值区, 开始有了明显的回落; 2011—2013年周期, 龙门山断裂带延续着2009—2011年周期构造运动态势, 汶川以东变化率约21.0×10-⁸/a, 北川附近达16.0×10-⁸/a, 且鲜水河断裂整体应变率较上周期有所增大; 2013—2015年周期高值区又发生明显转移, 由龙门山断裂带转移至鲜水河断裂南端, 变化率约23.0×10-⁸/a, 中心位于泸定以西, 且龙门山断裂带应变率回落至15.0×10-⁸ /a, 以汶川为中心, 向NE及SE两个方向递减, 而安宁河断裂构造区应变率变化不大; 2015—2017年周期继续维持上周期高值区分布特点。此外, 在近20年四川“Y”型构造区整体应变率场动态演化过程中, 扬子板块内部始终变化微弱, 相对稳定。

主应变率场反映了地壳在某些关键点位的张、压特征。1999年以来, 四川“Y”型构造区7期GPS运动速度场主应变率结果见图 5。由图 5可见, 与上述最大剪应变率一致的是, 在2008年汶川地震前10年内, 四川“Y”型构造区3大断裂构造带主应变率演化特征并不显著(图 5)。值得注意的是, 自鲜水河断裂向东至龙门山断裂带, EW方向上压应变呈递减趋势变化, 如西部甘孜、炉霍附近压应变率约5.0×10-⁸/a, 东至汶川, 降至约1.0×10-⁸/a, 且1999—2001年、2001—2004年、2004—2007年3个周期的变化规律一致。然而, 当2008年汶川地震发生以后, 即由图 5可见, 龙门山断裂带应变率发生SEE向压性显著增强现象, 平均主压应变率由震前3个周期的-1.2×10-⁸/a, 增至震后的-13.0×10-⁸/a, 且在2009—2017年近10年的4个周期中始终持续增强变化。同时, 由图 2、图 3所示GPS(网格)水平运动速度场亦可发现, 汶川地震后龙门山断裂带运动速率明显增大。由此表明, 汶川地震前来自青藏块体内部的物质流在东向迁移过程中, 受到东部坚硬的扬子板块阻挡, 以致地壳构造在鲜水河断裂至龙门山断裂带之间出现压应变率递减现象, 而汶川地震的发生则释放了地壳内部多年以来SEE向压应力的能量累积, 在震后10年中始终受到来自西部地区地壳挤压驱动力的作用, 使得该地区压应力能量释放为震后构造运动速率与压应变率增强创造了条件。鲜水河断裂西段以NS向主拉应变形式存在, 变化率约5.0×10-⁸/a, 安宁河断裂表现为NNW向主压应变, 变化率约6.0×10-⁸/a。然而, 汶川地震以后, “Y”型构造区主应变率发生显著改变, 在龙门山断裂带, 以SE或SEE向主压应变为主, 其量值变化范围为5.0×10-⁸/a—12.0×10-⁸/a, 主要是震后地壳应力场调整的结果, 而鲜水河断裂则由震前NS向主拉应变, 转为震后EW向主压应变特征。此外, 在“Y”型构造区的南端, 即安宁河断裂两侧, 主应变率同样发生较大改变, 东侧震前SE向主压应变率为6.0×10-⁸/a, 减小至震后2.0×10-⁸/a, 西侧则为增大变化, 由震前1.0×10-⁸/a, 平均增至震后7.0×10-⁸/a; 在2015—2017年周期中, 安宁河断裂两侧恢复至1999—2007年周期应力场活动水平, 东侧主压应变率增大, 西侧整体水平减弱。

图 5(Fig.5)

图 5 主应变率 Fig.5 Principal strain rate diagram

面膨胀率在地壳表面主要展现区域面压缩与面膨胀的相互作用, 基础数据仍为GPS水平运动速度场, 但其独特的表现形式, 为分析地表应变率场提供了一种更为直观的显示方法。1999年以来, 四川“Y”型构造区7期GPS运动速度场面膨胀率结果见图 6, 图中实线为面膨胀率, 虚线是面压缩率。

图 6(Fig.6)

图 6 面膨胀率 Fig.6 Surface expansion diagram

在2008年汶川8.0级地震前的3期面膨胀率场中, 等值线密度较为稀疏, 特别是1999—2001年、2001—2004年两期, 表明研究区域内部的地表膨胀—压缩变化率较小, 到汶川地震发生前, 即2004—2007年周期的等值线梯度变化明显加强, 尤其在石棉至泸定一带, 面压缩特征显著, 以及汶川以南至都江堰南部, 应变率场由正转负, 变化率约0.0×10-⁸/a — -6.0×10-⁸/a; 汶川地震之后, 四川“Y”型构造区应变率场发生显著变化, 尤其是龙门山断裂带, 变化强烈, 由震前低密度梯度带瞬间变为平行于龙门山断裂带走向、西侧膨胀—东侧压缩的等值线高密度变化区, 该区域存在2个明显正负交替的高密度过渡区, 其中第一个在南部, 以金川为中心的膨胀区向东递减过渡, 经龙门山断裂带至都江堰东侧, 量值变化约10.0×10-⁸/a— -13.0×10-⁸/a; 第2个过渡区在北段, 由青川至北川一带, 量值变化约1.0×10-⁸/a— -9.0×10-⁸/a。以上均显示了汶川地震后短期内龙门山断裂带地壳西区膨胀、东区压缩的演化特征; 2011—2013年周期基本延续了2009—2011年周期的变化规律, 仅个别区域面膨胀—面压缩有轻微调整, 如由南至北的泸定—都江堰—汶川, 转为膨胀—压缩—膨胀的变化规律, 梯度变化仍较剧烈; 而2013—2015年与2015—2017年周期变化特征与汶川地震前相似, 面膨胀率与面压缩率等值线密度大幅降低, 即汶川地震后面膨胀与面压缩速率有所降低, 可能处于地壳内部应力调整时期。

依据上述7期GPS水平运动速度场与视应变场数据, 给出四川“Y”构造区运动速率与应变场率统计结果, 见表 1, 表中列举了鲜水河断裂带、龙门山断裂带、安宁河断裂带、则木河断裂带近20年各期平均运动参数量化值。由表 1可见, 在2008年汶川地震后的2009—2011年周期, 龙门山断裂带主压应变率与面压缩率陡然增大, 之后表现为递减趋势。

表 1(Table 1

表 1 “Y”型构造区运动速率与应变场率统计Table 1 Statistics of movement rate and strain field rate in "Y" type tectonic area 期 鲜水河断裂带 龙门山断裂带 平均运动速率 最大剪应变率 主应变率 面膨胀率 平均运动速率 最大剪应变率 主应变率 面膨胀率 1999—2001年 9.0 9.4 4.6 2.5 4.2 2.2 -1.2 -1.0 2001—2004年 8.8 11.3 4.8 2.8 4.5 2.4 -1.3 -2.3 2004—2007年 9.1 14.1 -7.6 -2.1 4.3 3.4 -3.4 -2.6 2009—2011年 7.8 5.2 6.6 3.3 8.1 15.6 -13.7 -9.7 2011—2013年 8.0 11.6 7.8 0.7 7.6 14.1 -11.6 -10.4 2013—2015年 9.2 15.2 13.3 5.5 3.2 12.5 -10.7 -5.4 2015—2017年 5.6 6.7 9.4 3.8 5.4 10.3 -9.6 -6.7 期 安宁河断裂带 则木河断裂 平均运动速率 最大剪应变率 主应变率 面膨胀率 平均运动速率 最大剪应变率 主应变率 面膨胀率 1999—2001年 7.4 10.1 -5.1 -3.5 6.8 10.4 4.8 2.6 2001—2004年 7.6 7.5 -3.4 -0.6 6.6 7.4 -3.1 -1.0 2004—2007年 7.6 5.2 -4.2 -1.4 6.5 9.3 -3.9 -1.6 2009—2011年 6.3 8.3 -8.5 -3.8 5.3 6.4 -4.4 -1.5 2011—2013年 5.8 7.0 5.1 1.6 5.2 6.8 3.4 0.6 2013—2015年 6.2 6.8 -4.6 -4.1 4.9 5.6 -4.7 -2.0 2015—2017年 8.1 8.9 -6.2 -2.3 4.5 10.9 -8.3 -4.8

表 1 “Y”型构造区运动速率与应变场率统计 Table 1 Statistics of movement rate and strain field rate in "Y" type tectonic area

基于1999—2017年7期GPS水平运动速度场数据, 解算四川“Y”型构造区各周期网格速度场、地壳应变率场, 分析并研究该区近20年尺度的地壳应变场演化过程, 初步获取以下结论。

(1) 2008年汶川地震前, 3期GPS水平运动速度场相对稳定, “Y”型构造区地壳运动变化不大, 但汶川地震后发生明显变化, 其中龙门山断裂带变化最显著, 变化率由震前4.0—5.0 mm/a增至8.0—10.0 mm/a。

(2) 1999—2007年, 四川“Y”型构造区应变场演化特征微弱, 而汶川地震后的2个周期, 最大剪应变高值区出现在汶川以东, 由震前的2.0×10-⁸/a增至22.0×10-⁸/a, 且自龙门山山前断裂向西至汶川一带, 形成由高到低、平行于龙门山断裂带走向的高密度梯度带。龙门山断裂带以SE或SEE向主压应变为主, 变化率约5.0×10-⁸/a—12.0×10-⁸/a, 鲜水河断裂带由震前的NS向主拉应变, 转为震后EW向主压应变, 安宁河断裂带东侧SE向主压应变由震前6.0×10-⁸/a, 减小至震后2.0×10-⁸/a。面膨胀结果则显示, 龙门山断裂带由震前低密度梯度带瞬间变为平行于断裂带走向的高密度变化区, 且存在以金川至都江堰、北川至青川为条带的2个正负交替过渡区。

(3) 2008年汶川地震的发生, 成为近20年龙门山断裂带运动的转折。汶川地震后龙门山断裂带SEE向压性特征显著增强, 且持续变化近10年, 表明汶川地震的发生, 释放了地壳内部多年以来SEE向压应力累积能量, 为震后运动速率与压应变率的增强创造了条件, 导致在震后10年中始终受到来自西部地区地壳挤压驱动力的作用, 但该变化对鲜水河断裂与安宁河断裂的整体运动状态则无明显触发作用。