基于GNSS的青藏高原东北缘地壳运动场及强震趋势研究

利用“中国大陆构造环境监测网络”GNSS数据研究1998—2018年青藏高原东北缘排除同震影响等干扰后的速度场、主应变率场、最大剪切应变率场、面应变场等的变化,活动断裂滑动速率变化、跨活动断裂基线变化等。将研究区域内的二级块体再分区,获得各次级块体内部的应变率变化;获取研究区域地壳运动场的趋势性、动态特征。研究结果显示,阿尔金断裂带中东段、祁连块体和柴达木块体交界、巴颜喀拉块体与羌塘块体交界、祁连块体南边界中段、海原—六盘山断裂带和西秦岭北缘断裂带西段的逆冲运动,祁连块体北边界西段、庄浪河断裂的左旋走滑运动,祁连块体北边界东段、西秦岭北缘断裂带东段的左旋逆走滑运动,都属于造成一定程度地壳变形的持续性局部应变增强活动。阿尔金断裂带东段、东昆仑断裂带中西段、祁连块体北边界、庄浪河断裂北段、海原断裂南段、六盘山断裂北段、西秦岭北缘断裂带东段可能存在闭锁,未来十年可能发生M_S6.0以上地震。     

青藏高原东北缘主要断裂闭锁特征和滑动亏损研究

利用1999—2015年GPS水平速度场, 基于块体-位错模型, 反演了青藏高原东北缘4条主要断裂(海原断裂, 六盘山断裂, 陇县—宝鸡断裂, 西秦岭北缘断裂)的闭锁程度和滑动亏损速率的空间分布, 并分析了各断裂的地震危险性。 结果显示, 六盘山断裂南段、 陇县-宝鸡断裂北段、 西秦岭北缘断裂东段闭锁程度最强, 闭锁深度达到24 km左右; 西秦岭北缘断裂东段滑动亏损速率最大, 平均值达到3 mm/a; 六盘山断裂南段、 陇县—宝鸡断裂北段滑动亏损速率平均值达到1.9 mm/a, 稍弱于西秦岭北缘断裂东段; 海原断裂闭锁程度和滑动亏损速率相对较小, 闭锁程度和滑动亏损都仅分布在浅部。 我们认为现阶段海原断裂的地震危险性相对较小, 六盘山断裂南段、 陇县—宝鸡北段、 西秦岭北缘断裂东段地震危险性高于这些断裂的其他段落。 这些结果对于青藏高原东北缘地震危险性判定和地震灾害评估具有参考意义。     

基于GPS数据的海原-六盘山断裂带滑动速率亏损时空分布

利用青藏高原东北缘及周缘地区1999—2007年和2009—2014年2个时段的GPS水平运动速度场做约束,反演获取了海原-六盘山断裂带的闭锁程度和滑动速率亏损的时空分布演化。结果表明,海原断裂带以左旋走滑亏损为主,六盘山断裂北段以逆冲倾滑速率亏损为主,南段则以正向倾滑为主。其中,毛毛山断裂和老虎断裂西段在2个时段的闭锁深度都达到25km,最大左旋滑动亏损为6mm/a。老虎山东段和海原断裂(狭义)闭锁程度低,主要处于蠕滑状态。六盘山断裂2个时段的闭锁深度可达35km,最大逆冲滑动速率亏损为2mm/a。汶川地震后,六盘山断裂上逆冲滑动速率亏损高值区由中段迁移至北段且范围减小,南段则变成正倾滑速率亏损。毛毛山、老虎山西段和六盘山断裂的地震危险性要明显高于海原-六盘山断裂带其他断层段。     

基于GPS观测的六盘山断裂震间闭锁特征研究

综合利用1999—2013年中国大陆构造环境监测网络GPS速度场与跨六盘山断裂布设的10个GPS连续站观测剖面, 基于块体-位错模型, 研究了六盘山断裂震间闭锁性质与滑动亏损的空间分布。 结果显示, 六盘山断裂震间闭锁具有明显的分段特征, 其中断裂南段的闭锁程度最强, 滑动亏损速率的平均值最大, 地震危险性最高; 断裂北段闭锁程度弱于南段, 但断层浅部的滑动亏损速率平均值最大, 应变积累速度快, 也具有一定的发震能力; 中段闭锁程度最弱, 滑动亏损速率最小, 发震可能性小于南段和北段。     

大凉山次级块体周边断层的闭锁特征

利用1999—2007期和2009—2013期中国大陆GPS速度场数据,采用DEFNODE负位错反演程序估算了大凉山次级块体周边断层——大凉山断裂、马边-盐津断裂、会泽-彝良断裂在汶川地震前后的断层闭锁程度和滑动亏损空间分布动态变化特征,并结合地震空区和b值空间分布等结果分析了这几条断裂带的强震危险性。结果表明,汶川地震对这3条断裂带的影响可能较弱,它们在地震前后闭锁程度基本一致,两期结果均显示大凉山断裂南段、马边-盐津断裂、会泽-彝良断裂(西南端除外)基本为完全闭锁;汶川地震前后3条断裂带的滑动亏损速率均较小,大凉山断裂以左旋滑动亏损为主,马边-盐津断裂具有很弱的左旋和挤压滑动亏损分量并在震后均稍有增强,会泽-彝良断裂以挤压滑动亏损为主、兼有右旋滑动亏损,汶川地震后其右旋分量消失。结合其他方法的研究结果,认为目前这3条断裂带仍具有较大地震发生的危险性。     

青藏高原东北缘活动断裂剪切模量及应力状态数值模拟

作为控制断层两盘相对运动的重要因素,断裂带介质力学性能与断层面上的滑动速率及应力状态、区域地壳运动速度场等密切相关.受印度板块北东向推挤以及阿拉善地块和鄂尔多斯地块的阻挡作用,青藏高原东北缘构造变形复杂.本文在综合区域动力学环境、活动断裂空间展布以及下地壳黏滞性结构的基础上构建了青藏高原东北缘三维有限元动力学模型;以GPS速度场为约束模拟研究了断层剪切力学性能对区域地壳运动速度场图像的控制作用,进而在最优模型基础上分析了当前青藏高原东北缘不同断裂的应力状态.结果显示：阿尔金断裂东段和广义海原断裂对区域地壳运动速度场控制作用强烈,但二者剪切力学性能相反,阿尔金断裂东段断层剪切模量与周边地壳介质相当,而广义海原断裂断层剪切模量可低至周边地壳介质剪切模量的1/10000;六盘山断裂和西秦岭北缘断裂对区域地壳运动速度场的控制作用较弱,模拟结果显示二者均具有较强的剪切力学性能.基于最佳模型的应力状态分析指出：阿尔金断裂东段,广义海原断裂西段的木里—江仓断裂、中段的金强河—毛毛山—老虎山断裂、东段的六盘山断裂,以及西秦岭北缘断裂中西段当前应力率水平较高,且与前人给出的青藏高原东北缘高闭锁区域吻合.动力学上的高应力率与运动学上的强闭锁良好吻合,预示着这些断裂是地震危险分析值得关注的区域.     

青藏高原北部地区构造变形特征及与强震关系

通过对1993～1999、1999～2001年青藏高原北部地区GPS水平运动资料的非震负位错模型反演和形变应变场时空演化分析,结合地质构造和有资料积累以来的强震活动,研究块体及边界带的构造变形特征,以及与强震孕育的关系．结果表明：(1)5级以上,特别是6级左右及6级以上地震多发生在区域应变场剪切应变率或面膨胀率高值区、边缘或其附近,尤其是与区域主干断裂构造运动一致的剪切应变率高值区;形变差异显著的块体边界附近;沿块体边界断裂带的高应变积累的闭锁区段及其附近．(2)1999～2001年较1993～1999年大范围的水平运动速率明显减弱,但应变率的减弱幅度不大,可能揭示昆仑山口西8．1大震孕育对北东向的构造应力传递起了某种“阻隔和调制作用”及太平洋板块的西进作用加强．(3)目前应变场分布高值区、块体间差异运动显著的边界带及高应变积累闭锁段有阿尼玛卿断裂中东段与鄂拉山断裂交汇区、祁连山构造带中东段及与海原断裂西段交汇区、日月山一拉脊山断裂与西秦岭北缘断裂交汇区、庄浪河断裂与西秦岭北缘断裂交汇区、六盘山断裂附近．     

川滇菱形块体东边界断层闭锁程度与滑动亏损动态特征研究

利用1999—2007期和2009—2013期中国大陆GPS速度场数据,采用DEFNODE负位错反演程序估算了川滇菱形块体东边界——鲜水河—安宁河—则木河—小江断裂带在汶川地震前后的断层闭锁程度和滑动亏损空间分布动态变化特征,讨论了汶川地震对该断裂系统的影响范围和程度,并结合b值空间分布和地震破裂时-空结果分析了断裂系统的强震危险段.结果表明,汶川地震前鲜水河断裂最南端为完全闭锁(闭锁深度25km),中南段地表以下10~15km深度为强闭锁状态,中北段基本处于蠕滑状态;安宁河断裂最南端闭锁很弱,其余位置闭锁深度为10~15km;则木河断裂除最南端闭锁较弱以外,其余位置基本为完全闭锁;小江断裂在巧家以南、东川以南、宜良附近、华宁以北等四处位置闭锁较弱,其余位置为强闭锁.10年尺度的GPS速度场反演所得断层闭锁程度所指示的强震危险段,主要为鲜水河断裂道孚—八美段、安宁河断裂中段、则木河断裂中北段、小江断裂北段东川附近、小江断裂南段华宁—建水段,该结果与地质尺度的断层地震空区和30年尺度的b值空间分布所指示的危险段落具有一致性.汶川地震后断裂带远、近场速度分布和块体运动状态发生变化,这种区域地壳运动调整使得负位错模型反演得到的断裂带闭锁情况发生一定变化.汶川地震前后川滇菱形块体东边界平行断层滑动亏损速率均为左旋走滑亏损,且在安宁河断裂北端、则木河断裂中北段滑动亏损速率最大;除鲜水河断裂中南段与最南端和小江断裂东川附近以外,其余断裂震后滑动亏损速率均有所增加.垂直断层滑动亏损速率既有拉张亏损也有挤压亏损,且鲜水河断裂最南端由震前挤压转变为震后拉张,其余断裂除了安宁河断裂和小江断裂中段与最北端存在挤压滑动亏损速率外均为拉张速率.     

天山地震带主要活动断层现今的滑动速率及其地震矩亏损

文中收集了1999—2015年天山地震带及其周边地区的GNSS数据,计算得到了速度场结果,并利用弹性块体模型计算了研究区域内各块体的闭锁深度和主要断层的滑动速率。研究结果表明:南天山断裂带西段的迈丹断裂的缩短速率处于高值状态,达(-6.3±1.9) mm/a,高于南天山东段;北天山断裂带西段的缩短速率同样高于东段。利用主要断裂带的滑动速率计算出各地震带的地震矩积累变化及1900年以来的地震矩释放变化量,以分析地震矩亏损分布,结果显示北天山山前断裂、迈丹断裂、额尔齐斯断裂带北段和喀什河断裂西段存在较大的地震矩亏损,具有孕育7级以上地震的潜能,而北轮台断裂、柯坪断裂带中段则呈现地震矩盈余状态,在未来的一段时间内不具备发生强震的可能。     

2008年汶川大地震对周围断层的影响

2008年5月12日的汶川地震明显地改变了区域地震的应力场．理解这种应力场的改变对周围断层构造加载进程和区域地震危险性的改变非常重要．本文以汶川地震的破裂为驱动源,计算了该地震造成周围断层上的静态库仑破裂应力变化．结果表明,汶川大地震的发生使得龙门山断裂北部和最南端、鲜水河断裂最南端、东昆仑断裂、陇县——宝鸡断裂、鄂拉山断裂、白玉断裂、日月山断裂南端、马边——盐津断裂南部、班公错——嘉黎断裂西部、则木河断裂的库仑破裂应力增加,量值达0.00001——0.06MPa．库仑破裂应力增加尤为显著的断裂量值分别为:龙门山断裂的地震断层南端最大增加0.01MPa、北端0.03MPa,秦岭南缘断裂的西南部最大增加0.03MPa,东昆仑断裂的东南部为0.007MPa,地震破裂断层西南部的鲜水河断裂为0.005MPa,西秦岭北缘断裂的天水——宝鸡段为0.004MPa,陇县——宝鸡断裂为0.0003MPa．该地震还使得龙日坝断裂、怒江断裂、西秦岭北缘断裂西部、秦岭北缘断裂、庄浪河断裂、日月山断裂北部、海原断裂、岷江断裂、玉树——玛曲断裂、金沙江断裂的库仑破裂应力减少;减少尤为显著的断裂为龙门山断裂的断层破裂段、岷江断裂和鲜水河断裂的炉霍段,其库仑破裂应力减少分别达0.04——0.7MPa,0.001——0.1MPa和0.008——0.01MPa．本次地震在小金河、安宁河和大凉山断裂面上产生的库仑应力变化很小,对断层地震活动没有显著影响．      

九寨沟M_S7.0地震对巴颜喀拉块体东北缘活动断裂影响的有限元模拟

在详细调研地震地质资料的基础上,构建了巴颜喀拉地块东北缘三维有限元模型。以九寨沟M_S7.0地震同震位错为荷载,模拟计算了九寨沟地震的发生对巴颜喀拉块体东北缘主要活动断裂加卸载效应的影响。模拟结果显示,九寨沟地震的发生对龙日坝断裂、虎牙断裂、青川-平武断裂西段、迭部-白龙江断裂西段和东段、临潭-宕昌断裂东段,以及处于甘青川交界危险区内的东昆仑断裂东段、塔藏断裂西段,处于六盘山南-西秦岭东危险区的西秦岭北缘断裂东段表现为库仑应力加载;对岷江断裂、塔藏断裂东段库仑应力卸载效应显著。     

青藏块体东北缘近期GPS水平运动特征与汶川大震影响

利用青藏块体东北缘2004～2007年、2007～2009年GPS水平运动观测资料,分析地壳运动与活动断裂带构造变形演化特征以及汶川大震对活动断裂的影响。研究表明:祁连山—海原断裂带近期仍呈现与其构造活动背景一致的左旋挤压特性,观测结果未显示汶川大震对断裂有明显影响。而汶川大震对西秦岭构造区中东部、六盘山断裂中南段、秦岭北麓与渭河断裂的西段的影响相对显著,其中对西秦岭构造区中东部的大范围区域应变积累可能呈以增强为主的影响,其它断裂段近期可能呈以调整为主的状态特征。     

青藏块体东北缘断层形变综合指标异常与岷县漳县6.6级等强震关系

采用截至2013年底青藏块体东北缘的跨断层短水准流动观测资料,基于灰色关联度计算,提炼了祁连山—海原—六盘山、西秦岭主要构造断裂及分段的正逆断垂向活动综合指标,对强震尤其是2013年甘肃岷县漳县6.6级震前中短期异常,及与周边大震孕育—发生或影响的可能关系进行了研究。结果表明:(1)6级左右地震前相关构造及其附近中短期异常明显;综合指标对与周边8级特大地震孕育—发生可能存在一定关联、大尺度区域构造应力场的变化也有一定程度反映。(2)2013年甘肃岷县漳县6.6级震前西秦岭构造北—西部至六盘山断裂综合指标异常显著且集中,发震的西秦岭构造短期变化幅度较大。     

青藏高原东北缘主要断裂带的库仑应力演化及其强震危险性

自1920年海原发生M8.5地震以来,青藏高原东北缘接连发生了1927年古浪M8.0地震、1932年昌马M7.6地震等一系列大地震,使其进入了强震活动的丛集期。为了探究青藏高原东北缘这一系列地震间的相互作用及区域地震危险性,建立青藏高原东北缘的三维Maxwell黏弹性有限元模型,模拟了区域自1920年以来17次M6.7以上地震的同震及震后库仑应力演化。结果显示：研究区自1920年海原M8.5大地震之后,后续的16次地震中,有13次地震发生在库仑应力变化为正的区域,说明了地震间的相互作用可能是导致区域地震丛集的主要原因之一。系列地震发生后,阿尔金断裂、柴达木盆地断裂西段、东昆仑断裂中段、鄂拉山断裂北段、共和盆地断裂南段、日月山断裂南段、庄浪河断裂、礼县—罗家堡断裂、成县盆地断裂西段、文县断裂西段、龙首山断裂南段、六盘山断裂东段、西秦岭北缘断裂东段、海原断裂西段和祁连断裂东段位于库仑应力变化为正的区域,且大部分断裂或断裂段的累积库仑应力变化超过了0.01 MPa,它们未来的地震危险性较高。     

甘肃夏河断裂新活动的发现

2019年10月28日甘肃夏河M_S5.7地震发生于临潭—宕昌断裂与西秦岭北缘断裂之间,震中周边断裂的发育情况不明,断裂研究程度低,且无明确的地表断裂与该地震相关。本文通过遥感解译和野外调查,完善了震中周边断裂即临潭—宕昌断裂、夏河断裂东段和达麦—合作断裂的几何展布图像和新活动特征,结合小震精定位和震源机制,综合分析并构建了夏河地震的发震构造模型。研究结果显示:夏河地震的周边断裂包括两条已知、但研究程度不高的西秦岭北缘断裂和临潭—宕昌断裂,以及仅标绘在地质图上、活动未知的夏河断裂和达麦—合作断裂;首次发现了夏河断裂东段的新活动,活动性质兼具左旋走滑和向北逆冲,前人基于小震定位判定的发震断层（走向312°,倾向42°,倾角48°）可能是夏河断裂东段派生的一条隐伏分支,该分支在平面上与夏河断裂东段呈小角度斜交（夹角22°）,在深部归并到夏河断裂,滑动方向（滑动角48°）与夏河断裂东段的活动性质（兼具逆冲和左旋）一致。夏河断裂东段在构造上可能归属于临潭—宕昌断裂西段,是西秦岭北缘断裂正花状构造的组成部分,2019年夏河M_S5.7地震代表临潭—宕昌断裂西段的构造活动。      

全国主要构造区GPS水平运动负位错反演与应变积累特性

利用2009～2011年全国GPS水平运动速度场资料,借助负位错反演,寻找新疆、青藏块体东北缘、川滇、华北地区主要活动断裂能量积累闭锁段,研究其积累速率、闭锁深度、分区分段差异性,及与强震孕育—发生的可能关系。结果表明:(1)新疆天山地区应变积累速率最强,平均闭锁深度也最深,约20.9km。其次为川滇地区,平均深度约16.3km。青藏块体东北缘存在一定程度应变积累,平均深度约15.7km。华北地区应变积累最弱,平均深度约16.0km;(2)南天山西段、川滇交界东部、红河断裂中段至滇西、祁连山断裂带西段、西秦岭北缘断裂甘青交界段、晋冀蒙交界区近期能量积累相对显著。     

西秦岭北缘断裂带西端的活动性及其对西宁至成都铁路方案的影响

西秦岭北缘断裂带是青藏高原东北缘一条强烈活动的Ⅱ级块体边界断裂,曾发生过多次6.5级以上大震。规划中的西宁至成都铁路设计线路拟从甘家盆地一带穿行,西秦岭北缘断裂带西段的活动性及其端部终止位置,直接关系到铁路安全。基于甘家盆地一带的第四纪地质地貌与断裂活动性调查结果 ,对西秦岭北缘断裂带的西端活动性及其对铁路方案的影响进行了分析和讨论。结果显示:西秦岭北缘断裂带西段发散为两条主要活动断层,均有全新世地表弱活动迹象;断裂西端终止于甘家盆地东缘一带,铁路设计方案在甘家盆地一带未直接穿经西秦岭北缘断裂带,未来遭遇突发位错的可能性不大,但需要考虑该断裂可能产生的地震动影响。     

龙门山断裂带西南段闭锁与变形特征

为研究龙门山断裂带西南段断层闭锁程度与变形状态,并分析该区域地震危险性,利用1999—2007、2009—2011、2011—2013和2013—2015年共4期GPS速度场,采用DEFNODE负位错反演程序估算了该断裂的闭锁程度和滑动亏损空间动态分布,并结合1990—2017年跨断层水准资料分析了断层的三维运动变形特征。结果表明:(1)龙门山断裂带西南段在汶川地震前后一直处于较强的闭锁状态,且汶川地震使西南段应变积累速度加快,加速了芦山地震的孕育进程;芦山地震后西南段闭锁程度并没有明显减弱,芦山地震对西南段的应变能释放是局部的和有限的。(2)龙门山断裂带4期垂直断层滑动亏损速率均为挤压亏损速率,汶川地震后西南段亏损速率明显增大,而后2期西南段亏损速率逐渐减小,目前依然明显高于汶川地震前量值。(3)汶川地震前跨断层水准结果显示龙门山断裂带西南段处于完全闭锁状态,汶川地震后多个场地的年均垂直变化速率明显增大,并随时间呈逐渐衰减状态,目前已经恢复至汶川地震前正常变化速率,因此西南段仍然处于闭锁状态。综合GPS反演结果和跨断层水准结果分析认为,目前龙门山断裂带西南段在大部分段落处于强闭锁状态下依然有发生大地震的可能性。     

2013年甘肃岷县漳县M_s6.6地震前地壳形变特征研究

基于2013年岷县漳县M6.6地震震源区及其邻区1999年以来的GPS观测资料,通过应变率动态特征分析、多期次GPS剖面分析和基线变形速率的分析讨论了地震的震前变形特征.GPS速度场和块体应变率表明,汶川地震的发生导致了柴达木地块运动与变形状态发生明显调整,但由于西秦岭北缘等深大断裂的存在,岷-秦地块对其响应不明显;GPS连续应变率显示,在汶川地震引起的区域地壳变形调整过程中岷县漳县地震震源区附近的应变积累速率有减缓的迹象;GPS剖面显示,平行于岷县漳县主破裂带的运动分量对汶川地震响应显著,汶川震后表现为剪切变形速率的增强,而垂直于主破裂带的运动分量则对汶川地震响应不明显;震中周边GPS基线变形速率表明,基线伸缩变化率总体呈现NW向拉张、NE向压缩状态,且拉张量明显小于压缩量.上述地壳变形动态特征表明西秦岭北缘断裂及其附近地区的应变积累水平和断层闭锁程度可能处于较高水平,在岷县漳县地震前该区表现出局部“硬化”迹象.     

汶川地震前龙门山断裂带闭锁程度和滑动亏损分布研究

利用1999—2007期GPS水平速度场数据,采用Defnode负位错反演程序估算了龙门山断裂在汶川地震前的闭锁程度和滑动亏损分布,结合龙门山断裂带附近地表水平应变率场结果,综合分析了震前地壳变形特征.反演结果表明,震前龙门山断裂中北段处于完全闭锁状态,闭锁深度达到21 km(闭锁比例0.99)左右,垂直断层方向的挤压滑动亏损速率约为2.2 mm/a,平行断层方向的右旋滑动亏损速率约为4.6 mm/a.龙门山断裂南段只有地表以下12 km闭锁程度较高(闭锁比例0.99),垂直断层方向滑动亏损速率约为1.4 mm/a,平行断层方向滑动亏损速率约为4.6 mm/a;在12~16 km处闭锁比例约为0.83,垂直断层方向滑动亏损速率约为1.2 mm/a,平行断层方向滑动亏损速率约为3.8 mm/a;在16~21 km处闭锁比例约为0.75,垂直断层方向滑动亏损速率约为1.1 mm/a,平行断层方向滑动亏损速率约为3.5 mm/a.在21~24 km处整条断裂均逐步转变为蠕滑.上述反演结果与区域应变计算获得的龙门山断裂带中北段整体应变积累速率较低、南段应变积累速率较高相一致,均表明中北段闭锁程度高、南段闭锁程度稍低,该特征可以较好地解释汶川地震时从震中向北东向单向破裂现象.