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基于GPS资料研究汶川与芦山地震变形过程

赵静  
【摘要】:1.概述青藏高原东南缘龙门山断裂带上相继发生的2008年5月12日汶川8.0级和2013年4月20日芦山7.0级大震,使人们迫切追问这两次地震前后,龙门山断裂带各断层段构造形变特征、断层闭锁程度与滑动亏损速率经历了怎样的时空演变过程?这一科学问题的定量解答,对我们更加深刻地认识和理解青藏高原东南缘的区域构造应变环境的大震影响,龙门山断裂带的震后愈合过程、应变积累恢复、未来地震危险性,以及大陆逆冲型强震的孕震机制、地震触发、地震周期等具有至关重要的意义。本论文以高精度、高密度GPS地壳形变资料为约束,并辅以跨断层短水准观测资料,围绕上述科学问题开展了多方面的深入研究和定量分析。通过解析分析与建立多断层系统的三维反演模型,定量研究了汶川与芦山地震前后龙门山断层及周边区域的地表变形、深部闭锁程度与滑动亏损速率的时空演化特征;在此基础上动态识别了汶川地震前龙门山断层深部滑动亏损速率的快速增加、汶川地震后不同段的差异愈合过程和芦山地震对愈合过程的影响。最后根据闭锁程度动态反演结果推估龙门山断层不同段的愈合时间,提高了GPS数据在评估地震周期全过程中的有效应用。2.本论文取得的重要认识和主要进展(1)汶川地震前龙门山断层滑动亏损速率快速增加利用1999-2001年、2001-2004年和2004-2007年的3期GPS速度场资料,分析了龙门山断层的闭锁程度和滑动亏损速率的演化过程。DEFNODE负位错反演结果表明:汶川地震前,龙门山断层处于强闭锁状态,但其断层滑动亏损速率似乎在2004-2007年发生了快速增加,即断层深部滑动速率可能出现了加速。这一发现或为大震的短临预测探索提供一种重要线索。(2)芦山地震并未明显减弱龙门山断层西南段的大震危险性汶川地震促使龙门山断裂带西南段应力应变积累速率加快、断层闭锁程度增强,芦山地震并未使龙门山断裂带西南段的主干断裂发生破裂,该主干断裂上的应变能并未被显著释放,目前汶川和芦山地震之间的地震空段、芦山地震西南方向的地震空段仍处于强闭锁状态,并在持续积累应变能。因此,该断裂段未来的大震危险性仍需特别关注。(3)汶川地震后龙门山断层不同段重新闭锁与快速愈合利用2009-2011年、2011-2013年、2013-2015年、2015-2018年和2017-2020年的5期GPS速度场资料,分析了龙门山破裂断层面的重新闭锁与愈合过程,以及汶川地震对芦山地震的影响和芦山地震对愈合过程的影响。DEFNODE负位错反演结果表明,龙门山破裂断层震后愈合过程在不同段呈现不同特征和显著差异:断层中段在汶川地震后处于蠕滑状态,而在芦山地震后,汶川震中西南方向断层的闭锁程度快速增强、闭锁面积快速增大,表明其正在快速愈合,并且愈合区域快速向汶川震中方向扩展;而中段位于震中北东方向的大部分破裂断层迄今尚未愈合,仍处于蠕滑状态,估计演化到愈合还需要至少数年以上的时间;龙门山断层北东段经历了汶川震后的短期蠕滑后,在2011-2013年就快速恢复了闭锁状态,表明断层面已经愈合,目前强闭锁范围开始往中段扩展。(4)芦山地震前后龙门山断层中南段闭锁演化过程利用汶川地震后、芦山地震前的三年时间(2010.30-2013.30)和芦山地震后的一年时间(2014.0-2015.0)GPS连续站时间序列结果,对龙门山断层中南段闭锁程度和滑动亏损速率动态演化进行了具体分析,并讨论了断层中段的愈合过程。TDEFNODE负位错反演结果表明:汶川地震后震中周边破裂区域的闭锁程度快速增强,由2010年基本处于蠕滑状态,至2013年处于较强闭锁状态,闭锁范围也快速增大,由汶川震中西南方向逐渐趋近震中位置;芦山地震后,汶川震中附近的闭锁程度和闭锁范围进一步增大,表明该部分断层正在快速愈合。汶川震中北东方向的大部分破裂区域依然处于蠕滑状态,表明该部分断层还未开始愈合。芦山地震震中附近及其西南方向断层一直处于强闭锁状态,且完全闭锁区域的滑动亏损速率逐年减小,可能表明已经愈合的区域分担了巴颜喀拉块体对四川盆地的部分挤压作用。此外,GPS时间序列反演的剖面结果显示,芦山地震前龙门山断层西南段平行断层走滑运动在近断层处表现出左旋特征,而远场块体之间表现出右旋运动特征,分别与芦山地震逆冲兼左旋破裂和GPS速度剖面远场右旋结果一致。(5)龙门山构造带周边地表三维变形演化特征GPS应变率场和速度剖面结果表明:汶川地震使龙门山断层中段完全解锁,在断层两侧存在明显的逆冲和走滑阶跃,且逆冲分量大于走滑分量,巴颜喀拉块体内部由震前挤压变形转变为震后拉张变形;截至目前中段蠕滑速率虽有所减小,但仍存在震后蠕滑量,巴颜喀拉块体内部的震后拉张变形也逐渐减弱。汶川地震后龙门山断层西南段仍表现为大范围的连续变形,且东西向挤压变形在芦山地震后还有所增强,表明断层持续处于强闭锁状态;目前垂直断层的水平缩短速率和平行断层的右旋扭动量在逐渐减小,但水平缩短速率依然明显高于汶川震前。跨整个龙门山断裂带西南段的GPS基线时间序列结果显示:LS01_LS03和LS04_LS08两组基线在芦山地震后仍然快速缩短,且缩短速率较震前稍有增加,可能表明跨芦山震中周边区域的挤压增强;LS04_LS10基线在芦山地震后,延续了震前的速率逐年衰减特征,且缩短速率逐渐趋近于0,可能表明巴颜喀拉地块东向运动在龙门山断裂带西南端所受四川盆地的阻挡作用在增强。跨断层短水准场地的年均垂直变化速率结果显示:汶川地震造成上盘的七盘沟场地和下盘的灌县及双河场地的垂直变化速率都明显增大,这主要体现了同震的影响;从2010年开始,这些场地的垂直运动速率已经很小,并在后续几年维持稳定,表明汶川地震对断裂带附近垂直变形的震后影响微弱。


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