汶川地震前后区域地壳形变场及孕震特征研究

利用中国地壳运动观测网络GPS区域网1999、2001、2004、2007年观测资料及中国大陆构造环境监测网络区域网2009、2011年观测资料,解算了南北地震带相对华南地块的GPS速度场,并用最小二乘配置方法解算了南北地震带南、北部地区应变率场的多期次结果,通过分析汶川地震前、后地壳运动速度场和应变率场的动态变化,进一步研究了汶川地震前区域地壳形变和应变积累背景与孕震异常的形变场主要特征及其形成机制.     

南北地震带近期地壳水平运动变化分析

对2009、2011及2013年3期陆态网络流动GPS观测资料进行了处理,获得了2009~2011及2011~2013年两个时间段南北地震带地壳水平运动速度图像。参考1999~2007年网络工程流动GPS速度场结果,分析了南北地震带近期地壳水平运动场与应变场变化特征,认为近期地壳运动变化受汶川地震震后影响较大。2013年芦山7.0级地震和岷县漳县6.6级地震是2008年汶川8.0级地震震后应力场调整触发的结果。     

汶川M8.0地震前后山西地震带水平形变场变化特征研究

通过分析汶川M8.0地震前后山西地震带GPS速度场以及由此计算得到的现今构造应变率场,结果显示：（1）汶川M8.0地震后,山西地震带各区域的运动方向均不同程度向西偏转,太原盆地及其以北的区域由1999—2007年的SW或SSW向转为SWW向,且运动速率由平均约2 mm/a增加到约4 mm/a,太原盆地以南的区域由之前的SSE向转为SW向。（2）汶川M8.0地震后,山西地震带的应变率场显著增强,大同盆地、太原盆地北段和临汾盆地西南段形成了三个压性应变集中区,2010年在这三个区域内分别发生了大同M4.5、阳曲M4.6和河津M4.8地震,可能由于这种压性应变积累的区域应力场环境有利于山西地震带中强地震的孕育和发生。（3）2009—11年,受日本M9.0地震的影响,山西地震带向西运动的速率有所减弱,应变率场张性变化明显,太原盆地及其以北区域平均速率下降为约2~3 mm/a,太原盆地以南的区域由SW向转为整体向南运动的格局,有恢复到1999—2007年背景运动状态的迹象。     

汶川M8.0地震前后山西地震带水平形变场变化特征研究

通过分析汶川M8.0地震前后山西地震带GPS速度场以及由此计算得到的现今构造应变率场,结果显示：（1）汶川M8.0地震后,山西地震带各区域的运动方向均不同程度向西偏转,太原盆地及其以北的区域由1999—2007年的SW或SSW向转为SWW向,且运动速率由平均约2 mm/a增加到约4 mm/a,太原盆地以南的区域由之前的SSE向转为SW向。（2）汶川M8.0地震后,山西地震带的应变率场显著增强,大同盆地、太原盆地北段和临汾盆地西南段形成了三个压性应变集中区,2010年在这三个区域内分别发生了大同M4.5、阳曲M4.6和河津M4.8地震,可能由于这种压性应变积累的区域应力场环境有利于山西地震带中强地震的孕育和发生。（3）2009—11年,受日本M9.0地震的影响,山西地震带向西运动的速率有所减弱,应变率场张性变化明显,太原盆地及其以北区域平均速率下降为约2~3 mm/a,太原盆地以南的区域由SW向转为整体向南运动的格局,有恢复到1999—2007年背景运动状态的迹象。     

近年来南北地震带北段地壳运动特征

南北地震带北段构造活动强烈,强震频发。近年来地震活动有增强的趋势,震防形势严峻。利用GPS速度场、跨断层速度剖面以及基准站基线时间序列数据,分析了近年来南北地震带北段地壳运动的动态特征。结果表明,祁连山断裂具有较高的应变积累;六盘山断裂存在闭锁,静宁、平凉、陇西以及定西地区闭锁程度较深;2004—2009年六盘山断裂闭锁程度加深。2009—2013年与1999—2004年、2004—2009年相比,南北地震带北段地壳运动减弱,且呈现出一些特征:1)祁连山断裂—海原断裂—六盘山断裂附近减弱较显著;2)祁连山-海原断裂以北区域较以南区域减弱显著,造成了2009—2013年祁连山断裂挤压逆冲变形增强以及祁连山断裂和海原断裂带左旋剪切变形减弱;3)六盘山断裂西侧50km以西区域较以东区域减弱显著,导致六盘山断裂2009—2013年闭锁范围扩大到断裂带附近100km以内,而此前六盘山断裂的闭锁范围在断裂带附近50km内。GPS基线时间序列分析还显示银川地堑正在持续拉张,且西部拉张强度强于东部。     

利用GPS数据研究南北地震带北段近期地壳水平形变特征

采用中国地震局"陆态网络"GPS基准站和流动站观测数据,利用MIT的开源软件GAMIT/GLOBK解算南北地震带北段(33°~42°N,97°~110°E),特别是六盘山地区、祁连地块、银川地堑1999年以来在欧亚框架下、以鄂尔多斯块体作为参考的GPS速度场。计算南北地震带北段5条断裂两侧50~350km范围内各站垂直/平行于断裂走向的速度投影,以及14个基准站18条基线2010年以来的长度时间序列,试图进一步估计关心区域的应力积累情况,探索断层闭锁段。结合地震活动性,认为南北地震带北段未来50年有发生M8地震的可能性;该段1900年以来的第4个M6、M7地震活跃期可能已经拉开序幕,未来2年有发生M7以上地震的可能性;祁连断裂带、海原断裂、西秦岭北缘地震带具备发生M6和M7地震的优先条件,尤其是海原断裂。     

福建地区速度场特征

利用2005-2009年福建GPS基准站资料.解算了各测站20期的季速度场,结合近年福建及其周边大地震,分析了福建地区速度场变化特征.结果表明,2007年南海地震发生时段,福建各测站的速度场发生明显变化,反映了福建地区速度场受菲律宾板块运动的影响.     

基于GPS资料研究云南地区地壳形变动态特征

基于1999—2007年和2011—2013年2期云南地区的GPS速度场资料,结合最小二乘配置方法给出了2个时段应变参数和GPS速度剖面结果,综合分析了汶川8.0级地震前后云南地区地壳变形动态演化特征。GPS速度场动态演化结果表明:整体上GPS速度场方向从川滇块体南部的南向逐渐转为滇南块体的南东向,块体边界断裂带附近存在明显的相对运动特征。相比于1999—2007年,点位更加密集的2011—2013年GPS速度场结果还反映了断裂带分段变形特征;在滇南块体及周边地区,南东向的运动有显著的增加。应变参数动态演化结果表明:整体上呈现"中部拉张、两端挤压"的特点;区域变形(剪切、拉张或挤压)的分布特征与区域主要断裂带的背景运动及变形特征密切相关;相比于1999—2007年,2011—2013年的拉张变形区有所扩大,并且有向东和向南扩展的趋势;川滇块体东边界(小江断裂带)整体的挤压变形已经不再显著,主要集中在小江断裂带北段靠北的区域。跨断裂带GPS速度剖面结果显示:小江断裂带左旋滑动速率从北向南逐渐减小(由10 mm/a减至5mm/a),北段变形宽度较宽;红河断裂带右旋滑动速率约为4 mm/a,变形宽度较宽;动态结果表明,汶川地震对2条断裂带变形模式影响较小。     

南北地震带中南段地壳水平运动负位错反演与汶川等地震背景

利用南北地震带中南段1999-2001年、2001-2004年、2004-2007年GPS水平运动速度场资料,借助非震负位错反演,研究了该区主要活动断裂应变积累状态及其时空演化特征;分析了2001年11月14日昆仑山口西MS8.1、2004年12月26日苏门达腊MS8.7(Mw9.0)巨大地震可能的震后影响,以及与2008年5月12日汶川MS8.0、8月30日攀枝花-会理MS6.1等地震孕育有关的应变积累背景。     

汶川8.0级地震前区域地壳运动与应变场动态特征

利用中国地壳运动观测网络GPS资料, 通过获取水平相对运动、 水平应变场分布变化等, 研究了汶川8.0级地震前的区域水平运动与应变率场变化, 以及大尺度地壳运动动态特征等。 研究结果表明, 发生汶川8.0级地震的龙门山断裂带, 由于受到其西侧巴颜喀拉地块向东运动的构造动力作用, 处于缓慢的应变积累状态。 在汶川地震前龙门山断裂带相对华南地块的差异运动小于GPS观测误差。 川滇地区应变场图像显示2004-2007年面应变率负值最高区出现在汶川8.0级地震震中区及其附近, 可能反应了局部挤压增强。 GPS基准站资料反映的大尺度北东向地壳缩短的相对运动增强, 也形成了促进龙门山断裂带发生大破裂的区域构造动力增强的背景条件。     

Study on Dynamic Characteristics of Crustal Deformation in the Yunnan Area Using GPS

Based on the GPS velocity field data of 1999-2007 and 2011-2013,we used the least squares configuration method and GPS velocity profile results to synthetically analyze the dynamic evolution characteristics of crustal deformation in the Yunnan area before and after the Wenchuan earthquake. The dynamic evolution of GPS velocity field shows that the direction is gradually changed from the south in the southern part of the Sichuan-Yunnan block to the south-west in the southern Yunnan block and there is a clear relative motion characteristic near the block boundary fault zone. Compared with the GPS velocity of 1999-2007, the results of 2011-2013 also reflect segmental deformation characteristics of the block boundary fault zone. Southeast movement shows a significant increase, which may be related to crustal deformation adjustment after the Wenchuan earthquake. The dynamic evolution of strain parameters shows a pattern of "extension in the middle and compression at both ends" in the whole area and the distribution of deformation (shear, extension or compression) is closely related to the background motion and deformation characteristics of the main fault zone. Compared with the results of the period of 1999-2007, the extensional deformation zone of 2011-2013 is expanded eastward and southward. The compressional deformation of the eastern boundary (the Xiaojiang fault zone) of the Sichuan-Yunnan block is no longer significant, which is mainly concentrated in the northern section of the Xiaojiang fault zone and may be related to the post-seismic deformation adjustment of the Wenchuan earthquake. The GPS velocity profile results show that the left-lateral slip velocity of the Xiaojiang fault zone reduced gradually from north to south (10mm/a-5mm/a), and the width of the northern section is wider. The right-lateral slip rate of the Honghe fault zone is about 4mm/a, and the deformation width is wider. The dynamic results show that the Wenchuan earthquake has little effect on the deformation modes of these two fault zones.     

汶川地震前后川滇及其邻区GPS水平运动演化特征

利用川滇及其邻区2004-2007年、2007-2009年GPS水平运动观测资料,对汶川地震前、震时与震后地壳运动及主要活动断裂带构造变形演化特征、汶川地震可能的同震与震后影响进行了分析.结果表明:2007-2009年汶川震区呈现出显著的右旋逆冲同震变形;大震在一定程度上对甘川交界及其北侧的西秦岭构造区、安宁河—则木河断裂的构造运动有所促进;对鲜水河断裂构造运动总体反映调整影响但对其南段可能有促进作用.     

Recent movement changes of main fault zones in the Sichuan-Yunnan region and their relevance to seismic activity

The Wenchuan earthquake occurred near the "triple junction" linking the Bayan Har block, the South China block, and the Sichuan-Yunnan rhombic block, and its influences on the surrounding blocks and the main fault zones in the Sichuan-Yunnan region, i.e., the block boundary zone, cannot be ignored. In this paper, changes of movement and stress of the fault zones before and after a strong earthquake were simulated based on the GPS repetition survey results recently obtained during 1999–2007, 2009–2011, and 2011–2013 with a two-dimensional finite-element contact model and the "block- loading" method. The results show that, before the Wenchuan earthquake, the movement of the Longmenshan fault zone was very slow and its compressive stress accumulated rapidly; after the Wenchuan earthquake, movements toward the E-SSE direction of the Bayan Har, southwestern Yunnan, and rhombic blocks were enhanced, and the dextral and horizontal compressive speeds and annual accumulative compressive stress of the Longmenshan fault zone increased markedly by factors of 4.5, 2.1, and 2.5, respectively. The southern Xianshuihe, Anninghe, Zemuhe, Daliangshan, and Lijiang-Xiaojinhe fault zones accumulated compressive stress rapidly, forming enhanced compressive stress zones along a NE strike crossing the central part of the Sichuan-Yunnan region. The tensional movement of the Xianshuihe fault zone was enhanced and the slip movement in the central part of the zone was reversed in a short time. The changes are tightly related to the medium-intensity earthquakes that occurred during the same period in this region, revealing that the spatial migration of seismic activity is related to changes of movement of the blocks.     

characteristics of recent crustal movement in the north section of north-south seismic belt

Tectonic activity is intense and destructive earthquakes occur frequently in the northern section of the North-South Seismic Belt(NSSB). After the May 12, 2008 Wenchuan earthquake, the North-South Seismic Belt enters a new period of high seismicity. On July 22, 2013, the Minxian-Zhangxian earthquake occurred, which broke the 10-years seismic quiescence of magnitude 6 of the area, indicating an increasing trend of strong earthquakes in the region. Earthquake is the product of crustal movement. Understanding the dynamics of the process of crustal movement may provide basis for earthquake prediction. GPS measurement can provide high-precision, large-scale, quasi-real-time quantitative crustal movement data, that allows us to explore the evolution of crustal movement and its relationship with earthquake, thus providing the basis for determining the seismic situation. Since 2009, the density of mobile GPS measurement stations has significantly improved in the Chinese mainland, and moreover, the Wenchuan earthquake has brought about adjustment of the regional crustal deformation regime. So the introduction of the latest repeat GPS data is important for understanding the features of crustal movement in the northern section of the North-South Seismic Belt. In this paper, we obtained the GPS velocity field, fault profile and baseline time series and analyzed the dynamics of recent crustal movement in the northern section of the North-South Seismic Belt using the 1999a-2014a GPS data of mobile and continuous GPS measurement stations. The results show that: the Qilianshan Fault has a high strain accumulation background. There are locked portions on the Liupanshan Fault, especially in the region of Jingning, Pingling, Dingxi, Longxi. In 2004-2009a, the degree of locking of the Liupanshan Fault got higher. In 2009—2013a, crustal movement on the northern section of the North-South Seismic Belt weakened compared with 1999-2004, 2004-2009, and showed some features as follows: ① The velocity field weakened more markedly near the Qilian-Haiyuan-Liupanshan faults; ②The velocity decreased more significantly in the region north of Qilianshan-Haiyuan Fault than that of the south, resulting in enhanced thrust deformation on the Qilianshan Fault in 2009-2013a and the decreased sinistral shear deformation on the Qilianshan Fault and Haiyuan Fault; ③the velocity field decreased more remarkably at 50km west of Liupanshan Fault, compared to the east region, which led to the locked range on the Liupanshan Fault extending to the range of 100km near the fault zone during 2009-2013 from the previous locked range of 50km near the fault. The GPS baseline time series analysis also reveals a number of structural features in the region: Yinchuan Graben is continuing extending, and the extension in the west is stronger than that in the east. On the southern end of Yinchuan Graben, the deformation is very small.     

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.     

利用GPS数据分析四川“Y”型构造区地壳运动状态

四川地区地质构造复杂,地壳活动剧烈,为了深入揭示该区“Y”型构造区地壳1999年以来近20年的动态演化规律,基于1999—2017年7期GPS数据,解算各周期网格速度场、应变率场,研究地壳应变场演化过程。结果表明：①2008年以前的3期GPS速度场相对稳定,汶川地震后,速度场变化最大的龙门山断裂带由4.0—5.0 mm/a增至8.0—10.0 mm/a;②汶川震后,“Y”型构造区最大剪应变高值区出现在汶川以东,由2.0×10^-8/a增到22.0×10^-8/a;龙门山断裂带以SE或SEE向主压应变为主,变化速率约5.0×10^-8/a—12.0×10^-8/a,鲜水河断裂由震前NS向主拉应变转为震后EW向主压应变,安宁河断裂东侧由震前SE向主压应变6.0×10^-8/a减至震后的2.0×10^-8/a;面膨胀结果显示,由震前低密度梯度带瞬间变为平行于龙门山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汶川地震发生压应力释放后,该区SEE向压性特征又逐渐增强,且持续至2017年,释放了龙门山断裂带地壳内部SEE向压应力多年累积能量,但汶川地震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。     

2004年苏门答腊地震粘滞性松弛效应对华南地区地壳水平活动的影响

2004年苏门答腊地震后, 不同学者根据不同观测数据(地震波、 GPS), 得到了此次地震的断层滑动模型。 反演过程中使用半无限空间模型时, 无法利用远场观测数据进行约束, 势必影响远场形变的解释。 基于Hoechner等使用的断层几何模型和GPS同震位移数据, 本研究利用球体位错理论反演方法反演了2004年苏门答腊地震断层滑动模型, 得到的矩震级为9.24, 最大滑移量为30.4 m, 由于考虑了曲率的效应, 该模型在远场同震位移的计算结果与GPS数据吻合较好。 然后, 选取了2001—2004年和2004—2007年两期的GPS水平位移速度场, 研究2004年苏门答腊地震对华南地区地壳水平活动的影响, 从两期的GPS水平位移速度场差异可以看出地震后华南块体有向西南方向的运动趋势, 华南块体受到此次地震明显的震后影响。 最后, 基于反演得到的断层模型, 利用Tanaka等提出的粘弹性球体位错理论对华南块体两期GPS水平位移速度场差异进行模拟, 得到华南块体内部粘滞性系数为2×10¹⁹ Pa·s, 当考虑地幔粘滞性松弛效应后, 两期的速度场差异的均方根值由3.2 mm减少为1.9 mm。 可见在研究2004年前后中国大陆GPS水平位移速度场时, 若继续以华南块体为基准, 需考虑此次地震的地幔粘滞性松弛效应。     

THREE-DIMENSIONAL DEFORMATION CHARACTERISTICS OF THE XIANSHUIHE FAULT ZONE

In order to analyze 3-dimensional movement and deformation characteristics and seismic risk of the Xianshuihe fault zone, we inverted for dynamic fault locking and slip deficit rate of the fault using the GPS horizontal velocity field of 1999-2007 and 2013-2017 in Sichuan-Yunnan region, and calculated annual vertical change rate to analyze the vertical deformation characteristics of the fault using the cross-fault leveling data during 1980-2017 locating on the Xianshuihe fault. The GPS inversion results indicate that in 1999-2007, the southeastern segment of the fault is tightly locked, the middle segment is less locked, and the northwestern segment is basically in creeping state. In 2013-2017, the southeastern segment of the fault is obviously weekly locked, in which only a patch between Daofu-Bamei is locked, and the northwestern segment is still mostly in creeping state, in which only a patch at southeastern Luhuo is slightly locked from surface to 10km depth. The cross-fault leveling data show that annual vertical change rate of the Zhuwo, Gelou, Xuxu and Goupu sites on the northwestern segment is larger, which means vertical movement is relatively active, and annual vertical change rate of the Longdengba, Laoqianning, and Zheduotang sites on the southeastern segment is small, which means the fault is locked, and the vertical movement changes little before and after the Wenchuan earthquake. Combining with the 3-dimensional movement and deformation, seismic activity and Coulomb stress on the Xianshuihe Fault, we consider the seismic risk of the southeastern segment is larger, and the Wenchuan earthquake reduced the far-field sinistral movement and the fault slip deficit rate, which may reduce the stress and strain accumulation rate and relieve the seismic risk of the southeastern segment.     

芦山地震前龙门山断裂带闭锁程度 与变形动态特征研究

利用1999-2007和2009-2011年中国大陆GPS水平速度场数据, 采用DEFNODE(反演计算弹性岩石圈块体旋转、 应变和块体边界断层闭锁或同震滑动的Fortran程序)负位错反演程序估算了芦山地震前龙门山断裂带的三维闭锁程度, 并结合剖面结果分析了断层深浅部变形特征. GPS反演结果表明, 1999-2007年, 龙门山断裂中北段(闭锁比例为0.99)处于强闭锁(本文将闭锁比例大于0.97的称为强闭锁)状态; 龙门山断裂南段地表以下深度16 km内为强闭锁, 深度16-21 km处闭锁比例降低为0.62, 深度21-24 km处整条断裂逐渐转变为蠕滑状态. 2009-2011年, 即汶川地震后, 龙门山断裂中北段处于震后蠕滑状态; 龙门山断裂南段深度16-21 km处闭锁比例降低为0.45, 其它位置闭锁程度保持不变. GPS剖面结果显示, 2009-2011年, 即汶川地震后, 龙门山断裂中北段为逆冲兼右旋走滑运动; 而南段断层不能自由滑动、 变形宽度较大. 综合分析认为, 汶川地震时, 龙门山断裂南段并没有发生破裂, 一直处于较强的闭锁状态, 汶川地震的发生又加速了芦山地震的孕育进程; 由于龙门山断裂带南段的闭锁深度较中北段浅, 因此芦山地震较汶川地震强度低、 震级小、 破裂范围窄.