汶川MS8.0地震前后龙门山断裂周边地壳形变特征及地震危险性分析

陈为涛

（中国地震局地质研究所，北京100029）

汶川MS8.0地震前后龙门山断裂周边地壳形变特征及地震危险性分析

陈为涛

（中国地震局地质研究所，北京100029）

2008年5月12日发生在青藏高原东缘龙门山断裂带的汶川MS8.0大地震，使中国大陆遭受了自1976年唐山MS7.8地震以来最大的人员伤亡和财产损失。统计结果显示，死亡或失踪人数近9万，直接经济损失达9 000亿人民币。根据震后的重新定位，此次地震的震中位于103.352°N，30.961°E，震源深度约为16 km。震源机制以逆冲为主，兼具右旋走滑。地震形成长达约240 km的地表主破裂，地面最大垂直错距和右旋水平错距分别为5.0 m和4.8 m，整个地表破裂的平均错距达2～3 m。

龙门山断裂带地处青藏高原与四川盆地的交界部位，属松潘—甘孜地块和华南地块的边界断裂，总体走向NE，倾向NW，长期运动性质呈挤压逆冲兼右旋，主体部分由后山断裂带（汶川—茂县断裂）、中央断裂带（映秀—北川断裂）和前山断裂带（灌县—江油断裂）和多个推覆构造体组成。

龙门山两侧巨大的海拔高差和陡峭的地形地貌清晰地展示了强烈的新构造运动。但地质研究结果表明，自第四纪以来，龙门山断裂带仅有2～3 mm／a的平均运动速率，现今的GPS地壳形变观测亦显示出类似于长期平均速率的弱构造运动和低应变积累，这使我们轻视了龙门山断裂在整个川滇地震构造区的地震危险性。而汶川地震的发生，为我们展示了一种超越传统认识的罕见地震类型：在板内强构造活动区域内，一条历史强震稀少、应变积累缓慢、运动速率低下的弱活动逆冲推覆构造所产生的巨大地震。因此，对龙门山断裂及其周边区域的地球动力学环境、构造运动学模式和汶川地震前后的三维地壳形变特征和演化过程进行精细的大地测量观测研究，对我们深入认识汶川地震的孕震机理和分析评定龙门山断裂及周边的未来地震危险性具有重要的科学意义。

自20世纪90年代以来，以GPS为代表的空间对地观测技术的广泛应用，为我们高精度、高效率、低成本和全天候地获取各种规模尺度的地壳运动和构造形变及其动态演化过程提供了革命性的观测手段。而龙门山断裂及其周边区域因地处我国地震活动最为强烈的南北地震带的中段，成为中国大陆最早开展GPS观测研究、最密布设GPS观测网络和最多获取GPS观测资料的区域之一，并有相对丰富的传统水准测量和三角测量观测资料。因此，为我们定量研究该区域的震前地壳形变特征和构造运动速率、震时同震地表形变和深部破裂位错、震后驰豫地壳形变演化和岩石圈流变结构，以及未来的区域地震危险性分析等相关科学问题提供了至关重要的约束资料。围绕这些科学问题，本论文开展了以下5个方面的研究工作。

1 龙门山周边GPS等大地测量观测资料的收集整理与数据处理

对龙门山断裂及周边区域自20世纪90年代初以来多家研究机构和不同科研项目所观测的GPS资料和部分水准资料进行了系统的收集整理，并对影响GPS地壳形变观测精度的各类主要误差及相应的消除或减弱措施进行了归纳总结。

选用美国航空航天局（NASA）喷气推进实验室（JPL）的高精度GPS数据前处理软件GIPSY和后处理软件QOCA，并采纳其先进的“精密单点定位”技术、载波相位整周模糊度解的Ambizap算法及单日解的整体联合平差，对龙门山断裂近断层两侧15个连续GPS观测站震后3年多的数据进行了严密处理，获得了高精度的站点坐标变化时间序列，为定量研究汶川地震后，龙门山断裂的精细运动变化和非线性驰豫形变提供了至关重要的资料。

2 汶川地震前龙门山断裂及其周边的三维地壳形变特征

以汶川地震前龙门山断裂带及周边324个GPS站点的水平速度场、414个水准观测站的垂直速度场和部分可靠程度较高的活动断裂的长期平均运动速率为约束，采用半无限弹性体断裂位错模型，构建了龙门山地区活动断裂与地壳形变的运动学模型；在综合反演确定了研究区域各主要断裂现今运动速率等模型参数的基础上，基于最佳断裂位错模型的正演内插，获取了整个区域连续分布的三维地壳运动场和应变率场，得到了以下的主要认识。

（1）在汶川地震发生之前的间震期，龙门山断裂带的水平应变率明显低于其周边的鲜水河—小江断裂带以及东昆仑断裂带。龙门山断裂带的应变能积累主要分布在龙门山断裂带两侧共约150 km的宽度范围内，每100 km×100 km面积范围的地震矩累积率大约为6.935× 1016N·m／a。考虑到此次汶川地震约240 km的破裂长度和约8.03×1020N·m的地震矩能量释放，我们可根据地震矩累积率估算出汶川地震的平均复发间隔约为3 200年。

（2）我们的区域断裂位错模型推测龙门山地区相对四川盆地第四纪以来约有1.8±0.2 mm／a的平均垂向隆升速率。考虑到该地区的剥蚀速率以及基底海拔高度，我们得出该地区相对四川盆地有着不高于4 000±500 m的总隆升量，比现今2 500～3 500 m的平均高差约高出1 000 m。这似乎表明地壳缩短和断裂运动所导致的垂向隆升是龙门山地区隆起的主要因素，而无需深部软流物质的堆积拱隆。

（3）基于GPS水平形变资料和水准测量垂直形变资料的共同约束，我们的区域断裂位错模型推测龙门山断裂以南的贡嘎山地区第四纪以来具有高达2.9±0.2 mm／a的垂向隆升速率。如果假设仅由断裂的逆冲位错产生这样的隆升速率，则龙门山断裂南部玉农希断裂和丽江—小金河断裂需要有约3.5 mm／a和约2.9 mm／a的逆冲速率。而实际的地质研究结果表明，这两条断裂仅有约1 mm／a和约0.65 mm／a的长期平均逆冲速率。因此，推测贡嘎山地区的快速隆升，很可能存在深部软流物质的堆积拱隆。

3 基于分层岩石圈粘弹性介质的汶川地震同震破裂位错模型研究

在前人基于弹性半无限空间位错模型和大地测量同震观测资料约束所反演得到的同震破裂模型的基础上，采用更加接近真实情况的分层岩石圈粘弹性介质模型，对汶川地震的同震破裂分布进行了进一步研究，得到如下认识。

（1）本文得到的破裂模型，在18 km以下的滑脱面并没有发生明显滑动的情况下，约降低了约8%的加权残差平方和，更优地拟合了GPS观测到的同震形变场。因此，汶川地震的实际同震破裂面，可能是形态更简单的、深度在18 km以上的铲型面，断裂西南段18 km之下或许并不存在额外的破裂面。

（2）汶川地震的同震位错高值区分布于15 km以上的浅部区域，大致在虹口段、清平段、北川段和南坝段下部0～10 km处，震源深度以下没有明显的高值滑动，震源附近的位错并不突出，最大滑动值位于地表的虹口一带，达到14.68 m。

4 汶川地震震后地壳形变的非线性变化特征和岩石圈粘弹性模型解释

基于龙门山断裂周边15个连续GPS观测站自2008年汶川地震以来的观测资料，首先定量获取各站点三维坐标变化的时间序列，然后通过站点间的两两组合基线的方式获取基线端点相对运动变化，在此基础上，通过拟合由分层岩石圈粘弹性模型所计算的理论基线时间序列，反演确定区域岩石圈流变结构参数，得到如下认识。

（1）龙门山断裂北段在震后表现出非常明显的、具有指数衰减特征的右旋走滑驰豫错动变形。在震后3年间右旋走滑平均速率约15 mm／a；而在逆冲挤压方向上基本呈线性变化，逆冲挤压量级不大，缩短速率约4 mm／a；在垂向上的相对变化不明显，仅反映出上盘点相对下盘点有略微的逆冲升高。龙门山断裂带中段，震后弛豫错动具有明显的指数衰减特征，断裂活动以逆冲挤压为主，兼具右旋走滑，震后3年平均逆冲缩短速率约27 mm／a，右旋走滑速率约7 mm／a，上盘相对下盘呈持续线性快速上升，震后3年内平均上升速率20 mm／a。在龙门山断裂南段，震后的右旋走滑和逆冲缩短均表现出指数衰减特征，两者运动量级相当，其中平均右旋走滑速率约8 mm／a，逆冲缩短速率约10 mm／a；在垂向上，震后断裂上盘相对下盘存在线性持续升高，相对隆升速率约4 mm／a。总的而言，震后形变主要发生在龙门山断裂带中段，整体形变与同震形变具有一致性，从南段的挤压逆冲到北段的右旋走滑。

（2）通过对龙门山断裂带两侧不同基线的端点震后相对运动研究，反映出龙门山地区整体的逆时针旋转特征；不同的是，上盘的逆时针旋转非线性特征更加明显，这反映出青藏高原与四川盆地两者在地壳介质上存在明显不同。此外，位于青藏高原的上盘不同区段逆时针运动也显著不同，从南段的南东向运动逐渐过渡到北段的北西向运动；垂向上的运动变化也存在差异，中段相比南北段存在显著的隆升运动。在四川盆地的下盘，不同区段间水平向和垂直向变化并不明显，基本未出现形变或有轻微形变，这反映了四川盆地地壳结构的整体稳定性。

（3）在连续GPS基线变化的时间序列中合理去除长期断裂运动成分、同震位错成分和震后滑移成分后，通过对分层岩石圈介质模型粘弹性驰豫形变特性的最佳拟合，反演获得龙门山地区下地壳上地幔的平均粘滞性系数为1×1019Pa·s。

5 龙门山周边几个强震重点监视区库仑破裂应力变化和地震危险性分析

针对龙门山断裂周边前人基于多学科研究资料所圈定的4个未来强震重点监视区：西秦岭断裂带监视区，六盘山断裂带监视区，海原断裂带监视区和东昆仑断裂带监视区，我们基于粘弹性静态应力触发模型，研究它们在汶川地震后的应力加／卸载状况以及未来强震危险性程度。考虑到下地壳上地幔粘弹性松弛效应作用的长期性，在实际研究过程中，我们不仅考虑汶川地震的作用，还考虑了1920—2010年期间发生在本区域及其周边的其他大于7级的历史强震影响，计算出这些地震在各重点监视区最可能发震断层面上所导致的粘弹性静态库仑破裂应力变化，加上GPS得到的长期构造背景加载下的应力积累量，定量分析了每个重点监视区近百年来的库仑破裂应力变化，并在此基础上初步分析各重点监视区的未来发震危险性程度，具体认识如下：

（1）西秦岭断裂带监视区和六盘山断裂带监视区均处于长期构造背景场和历史地震影响共同加载应力的状况，而海原断裂带监视区和东昆仑断裂带监视区，如果不考虑长期构造背景的应力加载，则处于地震影响的卸载状况。

（2）考虑到这4个重点监视区的大震平均复发周期及上次大震事件的离逝时间，我们认为，西秦岭断裂带监视区的未来强震危险性程度最高，海原断裂带次之，然后才是东昆仑断裂带和六盘山断裂带。

汶川地震；龙门山断裂带；GPS观测；地壳形变；地震危险性分析

（作者电子信箱，陈为涛：weitaochen＠foxmail.com）

P315.72＋5；

A；

10.3969／j.issn.0235－4975.2013.11.005