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。     

中国大陆地壳运动观测研究进展

本文利用国家重大科技基础设施“中国大陆构造环境监测网络”1972个站两期GNSS观测资料绘制2009—2011年中国大陆地壳运动图。 该图反映了2011东日本大地震同震形变对我国东部地壳运动及变形状态的巨大影响, 也反映2008汶川地震和2001昆仑山口西地震震后变形对青藏高原构造应力场的调整过程, 较为完整地展示印度板块挤压下青藏高原的变形状态。     

基于地壳运动与变形对汶川大地震的初步研究

利用中国地壳运动观测网络GPS资料,并结合断层形变及区域水准等观测资料,从不同时空尺度的地壳运动与变形角度对汶川大地震进行了初步研究。主要内容包括发生汶川大地震的龙门山断裂带的应变积累与构造动力背景分析,震前地壳运动、应变场和构造变形的动态过程分析,以及问题讨论与认识。主要研究结果如下：     

汶川地震前兆观测总结研究及观测技术创新基于地壳运动与变形对汶川大地震的初步研究

利用中国地壳运动观测网络GPS资料,并结合断层形变及区域水准等观测资料,从不同时空尺度的地壳运动与变形角度对汶川大地震进行了初步研究.主要内容包括发生汶川大地震的龙门山断裂带的应变积累与构造动力背景分析,震前地壳运动、应变场和构造变形的动态过程分析,以及问题讨论与认识.主要研究结果如下.     

龙门山断裂带南北活动差异及复杂构造建模——基于地表破裂带和中小震精定位

位于青藏高原东缘的龙门山断裂带一直以来是研究青藏高原隆升、四川盆地含油气构造演化、南北地震带地震危险性分析的重点地区,对新构造运动、油气勘探、地震研究均有重要意义。自从汶川地震在龙门山断裂带上发生以来,各研究领域的专家利用已有的资料,基于各自对龙门山断裂带构造的认识,对该地震的发震构造问题开展了广泛的讨论,提出了多种发震构造模式,但大部分仅提出了一个或是几个二维的发震构造剖面,部分三维发震构造模型也仅是不考虑断层相互切割关系的简单化的有限元模型,且部分模型仅仅是提出了起始破裂处的发震模型。鉴于汶川地震长达240km的地表破裂带,仅建立局部地区的构造模型是远远不够的,而汶川地震地表破裂带和中小震精定位结果、震源机制解均表明龙门山断裂带的构造存在较大的南北活动的差异。因此,研究地震发生和传播机制需要建立整个龙门山断裂带的复杂三维构造模型。     

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.     

汶川地震和芦山地震的孕震机理及震前中长期地震危险性研究

运用非连续变形分析法与三维有限元法相结合的方法,以GPS资料作为位移速率和震源机制的约束条件,通过数值模拟研究了青藏高原及其东侧邻区构造地块的运动、变形、相互作用及其与近30年来发生于该区的大地震之间的关系。研究中引入了以应力与摩擦强度的比值定义的断层“失稳危险度”,通过数值模拟计算得到了研究区地壳块体边界断层的失稳危险度分布。结果表明,失稳危险度高的地段与近期该区发生的M_S≥7.0地震所在的位置基本一致,其中龙门山断裂带上包括汶川和芦山大地震的发震断层均为失稳危险度最高值地区。计算得到的应变率强度分布图显示,青藏高原东部边缘整条地带均为应变率强度的陡变带,特别是以龙门山断裂带上的陡变最为明显,其西侧应变率强度为东侧的近4倍,而且,这个带位于宽度相同、走向与龙门山断裂带走向相一致的高应变能密度带中,表明这两次大地震前,作为其发震断层的龙门山断裂带已积累了相当高的应变能,失稳危险度高,处于力学上的不稳定状态。模拟计算得到在上地壳层中,2001年昆仑山口西M_S8.1地震引起汶川、芦山地震发震断层的库仑破裂应力增加约0.016 MPa,相当于龙门山断裂带约两年的应力积累,也就是说,使汶川、芦山地震发震断层的失稳破裂提前了约两年。 此外,关于2008年汶川M_S8.0地震的模拟计算表明,汶川地震的发生也使包括芦山地震发震断层的龙门山断裂带西南段和东昆仑断裂带东南端的库仑破裂应力增大,应变能积累增强,这说明汶川M_S8.0地震的发生对已处于失稳危险度较高状态的2013年芦山地震和2017年九寨沟地震发震断层的提前失稳破裂起到了促进作用。      

青藏高原西北部区域地壳形变、构造地貌与孕震构造模型研究——以2008年与2014年新疆于田7.3级地震为例

为了清晰认识发生于青藏高原西北部2008年与2014年的两次于田MS7.3地震发震构造环境与构造地貌特征,本文利用DEM(数字高程模型)数据分析"喀喇昆仑—西昆仑—康西瓦地区"的地形地貌特征,结合区域活动断裂研究资料、相对于塔里木盆地的两期GPS速度场资料和区域运动学特征等讨论两次MS7.3地震所处的青藏高原西北部区域构造环境和地壳运动学特征,分析喀喇昆仑断裂、阿尔金断裂康西瓦段、龙木错-邦达错断裂及贡嘎错断裂所围限的西昆仑地块的地质构造背景、阿尔金断裂西南端发震断裂活动性及孕震环境等发震构造基本条件;进而利用"地形剖面"方法及断裂分布特征分析震源区的地形地貌特征,给出晚第四纪以来的地貌形态与发震构造的关系,从区域构造地貌学和GPS地壳运动学的角度探讨中上地壳变形特征及孕震过程;最后讨论区域孕震构造、克尔牙张性裂谷演化过程和地球动力学背景等。通过地形剖面及区域地貌综合分析新疆于田2008年MS7.3拉张型发震构造和2014年MS7.3走滑拉张型地震的发震构造特点的区别,认为2014年发生的地震可能与2008年MS7.3地震同震库伦应力变化、触发过程及震后变形过程密切相关,并且青藏高原西北部地区存在明显的东西向拉张性构造单元,可能与青藏高原10~15 Ma以来的地壳减薄过程有关。     

龙门山断裂带浅层精细结构的地震环境噪声成像研究

正2008年5月12日,四川龙门山断裂带发生MW7.9地震,造成巨大伤亡与损失。震后地表地质考察、余震序列精确重定位等方面显示,汶川地震是迄今为止在高角度逆冲断裂上发生的一次逆冲兼右旋走滑型破裂。汶川地震发生于青藏高原东缘与扬子块体交界的龙门山断裂带上,并具有特殊的发震构造,对龙门山断裂带深部精细速度结构和孕震构造环境的详细     

汶川8.0级地震前区域地壳运动与变形动态过程

利用GPS等观测资料研究了2008年汶川8.0级地震前的区域地壳运动与构造变形、应变积累,以及大区域地壳运动微动态变化过程,结合同震位移场分布等分析、讨论了汶川地震前近10年区域地壳变形的表象所反映的大震孕震最后阶段的物理过程.结果表明,发生汶川8.0级地震的龙门山断裂带1999～2004年相对稳定的华南地块无明显的相对运动,2004～2007年有一定程度的相对运动显示,以右旋活动为主,年速率为1.6mm/a.龙门山断裂带西北侧的巴颜喀拉地块东部为右旋剪切为主兼有推挤的大尺度缓慢变形状态,右旋扭动变形率为2.1±0.2(10^-8/a),地壳总体缩短变形率为-0.7±0.1(10^-8/a).由GPS基准站资料计算的基线时间序列显示,2005年以来大尺度北东向地壳缩短的相对运动明显增强,青藏块体相对华南地块的北东向运动明显增强.对汶川大地震前应变积累的特殊性等问题进行了初步讨论,分析认为,汶川大地震的发生是四川盆地西缘的龙门山断裂带受到其西侧巴颜喀拉地块推挤导致大尺度、长时期、缓慢的地壳应变积累的结果.在发震前不仅龙门山断裂带为显著闭锁状态,且孕震区域可能存在地壳弹性变形趋于极限后难以发生变形的相持阶段,大尺度地壳运动与动力环境的动态变化对汶川大地震的发生有促进影响.     

汶川8.0级地震前GPS与跨断层资料反映的运动与变形演化特征

为了研究与总结2008年5月12日汶川8.0级地震前GPS与跨断层资料反映的龙门山断裂带及其周边地区的运动、构造变形、应变积累演化过程,以及汶川地震临震阶段可能的物理机制,本文综合1999~2007期GPS速度场、1999~2008年大尺度GPS基线时间序列、1985~2008年跨断层短水准等资料进行了相关分析与讨论。结果表明:(1)GPS速度剖面结果显示,宽达500km的川西高原在震前有明显的连续变形,而四川盆地一侧和跨龙门山断裂带基本没有变形趋势,表明震前川西高原在持续不断地为已经处于闭锁状态的龙门山断裂带提供能量积累。(2)GPS应变率结果显示,震前龙门山断裂带中北段的NW侧EW向挤压变形明显,变形幅度从远离断裂带较大到靠近断裂带逐渐减小,而断裂带变形微弱;龙门山断裂带西南段周边形成了显著的EW向挤压应变集中区,应变积累速率明显大于中北段。(3)断层闭锁程度反演结果显示,除了汶川地震的震源位置闭锁相对较弱,且西南段有大概20km宽度断层在12~22.5km深度为蠕滑状态以外,震前整条龙门山断裂基本处于强闭锁状态。(4)大尺度GPS基线结果显示,跨南北地震带区域的NE向基线从2005年开始普遍出现压缩转折,反映NE向地壳缩短的相对运动增强。(5)跨断层短水准场地结果显示,震前年均垂直变化速率和形变累积率很低,表明断层近场垂向活动很弱、闭锁较强。通过以上分析认为,在相对小尺度的地壳变形中,震前龙门山断裂带深浅部均处于强闭锁状态,断裂带水平与垂直变形都很微弱,这可能经历了一个缓慢的过程,而且越是临近地震的发生,微弱变形的范围可能越大;在相对大尺度的地壳变形中,震前龙门山断裂带西侧的巴颜喀拉块体东部地区经历了地壳缓慢且持续的缩短挤压变形,为龙门山断裂带应变积累持续提供了动力支持。     

2014年2月12日于田7.3级地震对青藏东北缘地震活动的影响分析

首先, 利用“中国地壳运动观测网络”和“中国构造环境观测网络”截至2013年的GPS区域站观测资料, 结合地质构造, 简要分析了2014年2月12日新疆于田7.3级地震前大区域地壳水平运动变形背景; 接着, 对青藏块体东北缘地区GPS和精密水准两种不同类型资料反映的地壳运动变形与应变积累状态进行了对比分析研究; 最后, 结合地震活动动力环境, 研究和探讨了于田7.3级地震的发生对青藏块体东北缘地震活动的可能影响。 我们认为, 此次于田7.3级地震发生在近年来中国西部边邻强构造活动环境和内陆地壳强烈差异运动显著的背景下, 同时也是青藏块体及其边缘构造应力场较强的时段; 于田7.3级地震左旋走滑错动和应力传递, 可能会加速青藏块体东北缘具有高应变积累的构造断裂部位(尤其是祁连山构造带、 西秦岭以南的甘青川交界)破裂释放。     

巴颜喀拉块体东部活动块体的划分、形变特征及构造意义

基于活动块体的基本概念,综合对研究区内活动断裂带空间展布、地震活动性等资料的分析将巴颜喀拉块体东部及邻区划分为巴颜喀拉块体（I）、华南块体（Ⅱ）、川滇块体（Ⅲ）和西秦岭块体（IV）等4个一级块体.利用GPS形变场、地球物理场等资料结合F检验法,将巴颜喀拉块体划分为阿坝（I₁）、马尔康（I₂）和龙门山（I₃）3个次级块体,将西秦岭块体划分为岷县（IV₁）和礼县（IV₂） 2个次级块体.利用分布在各个块体内部的GPS测站,计算各活动块体及块体边界断裂带的运动变形特征.结果表明：各活动块体的整体运动包括平移和旋转运动;东昆仑断裂带、甘孜—玉树断裂带和鲜水河断裂带的滑动速率明显高于龙门山断裂带的滑动速率;巴颜喀拉块体东部走向北西或北西西的边界断裂表现出左旋拉张的特性;走向北东的边界断裂带,除成县—太白断裂带外,均表现出右旋走滑兼挤压的活动特征.巴颜喀拉块体的东向运动存在自西向东的速度衰减,衰减主要被龙日坝断裂带和岷江断裂带分解吸收,其中龙日坝断裂带的水平右旋分解非常明显,约为~4.8±1.6 mm/a,岷江断裂带的水平分解较弱.龙门山断裂带被马尔康、龙门山和岷县等次级块体分成南、中、北三段,龙门山断裂带中段上的主压应变率要明显小于龙门山断裂带南段上的应变率,其北西侧变形幅度从远离断裂带较大到靠近断裂带逐渐减小,表明其在震前已经积累了较高的应变能,有利于发生破裂滑动.汶川地震后,地表破裂带和余震分布揭示的断裂带运动性质自南西向北东由以逆冲运动为主,逐渐转为逆冲兼走滑的特征可能与龙门山断裂带中段所受主压应力方向自南西向北东的变化有关.马尔康、龙门山和岷县3个次级块体与华南块体之间较低的相对运动速度以及龙门山断裂带低应变率、强闭锁的特征都决定了汶川地震前龙门山断裂带低滑动速率的运动特征.     

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.      

Deformation Evolution Characteristics Revealed by GPS and Cross-fault Leveling Data before the MS8.0 Wenchuan Earthquake

Based on GPS velocity during 1999-2007, GPS baseline time series on large scale during 1999-2008 and cross-fault leveling data during 1985-2008, the paper makes some analysis and discussion to study and summarize the movement, tectonic deformation and strain accumulation evolution characteristics of the Longmenshan fault and the surrounding area before the M_S8.0 Wenchuan earthquake, as well as the possible physical mechanism late in the seismic cycle of the Wenchuan earthquake. Multiple results indicate that:GPS velocity profiles show that obvious continuous deformation across the eastern Qinghai-Tibetan Plateau before the earthquake was distributed across a zone at least 500km wide, while there was little deformation in Sichuan Basin and Longmenshan fault zone, which means that the eastern Qinghai-Tibetan Plateau provides energy accumulation for locked Longmenshan fault zone continuously. GPS strain rates show that the east-west compression deformation was larger in the northwest of the mid-northern segment of the Longmenshan fault zone, and deformation amplitude decreased gradually from far field to near fault zone, and there was little deformation in fault zone. The east-west compression deformation was significant surrounding the southwestern segment of the Longmenshan fault zone, and strain accumulation rate was larger than that of mid-northern segment. Fault locking indicates nearly whole Longmenshan fault was locked before the earthquake except the source of the earthquake which was weakly locked, and a 20km width patch in southwestern segment between 12km to 22.5km depth was in creeping state. GPS baseline time series in northeast direction on large scale became compressive generally from 2005 in the North-South Seismic Belt, which reflects that relative compression deformation enhances. The cross-fault leveling data show that annual vertical change rate and deformation trend accumulation rate in the Longmenshan fault zone were little, which indicates that vertical activity near the fault was very weak and the fault was tightly locked. According to analyses of GPS and cross-fault leveling data before the Wenchuan earthquake, we consider that the Longmenshan fault is tightly locked from the surface to the deep, and the horizontal and vertical deformation are weak surrounding the fault in relatively small-scale crustal deformation. The process of weak deformation may be slow, and weak deformation area may be larger when large earthquake is coming. Continuous and slow compression deformation across eastern Qinghai-Tibetan Plateau before the earthquake provides dynamic support for strain accumulation in the Longmenshan fault zone in relative large-scale crustal deformation.     

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8.0级地震构造动力成因分析

汶川8.0级地震发生在青藏活动地块区的东部边界带, 是继2001年昆仑山口西大地震之后青藏块区的又一次巨大地震。 根据龙门山推覆逆冲断裂带深浅部构造背景和壳幔结构特征, 文中构建了汶川地震的震源简化模型。 并依据震源模型的力学抽象建立了孕震过程的动力学方程组, 且在简化解释下给出了孕震过程中的应力、 应变的解析表达式。 应用模型的解析解, 并参照龙门山构造区的构造形变观测结果, 初步讨论了汶川地震的孕震过程, 给出了汶川8.0级地震的孕育过程可达3000多年的结果, 指出由于龙门山地区构造形变速率很低, 因而导致孕震过程缓慢, 大震复发期较长的基本结果。     

Heterogeneous strain regime in the eastern margin of Tibetan Plateau and its tectonic implications

The eastern margin of Tibetan Plateau is one of the most active zones of tectonic deformation and seismicity in China. To monitor strain buildup and benefit seismic risk assessment, we constructed 14 survey-mode global position system(GPS) stations throughout the northwest of Longmenshan fault. A new GPS field over 1999–2011 is derived from measurements of the newly built and pre-existing stations in this region. Sequentially,two strain rate fields, one preceding and the other following the 2008 MW7.9 Wenchuan earthquake, are obtained using the Gausian weighting approach. Strain field over1999–2007 shows distinct strain partitioning prior to the2008 MW7.9 Wenchuan earthquake, with compression spreading over around Longmenshan area. Strain field derived from the two measurements in 2009 and 2011 shows that the area around Longmenshan continues to be under striking compression, as the pattern preceding the Wenchuan earthquake, implying a causative factor of the sequent of 2013 MW6.7 Lushan earthquake. Our GPSderived dilatation shows that both the Wenchuan and Lushan earthquakes occurred within the domain of pronounced contraction. The GPS velocities demonstrate that the Longriba fault underwent slight motion with the faultnormal and-parallel rates at 1.0 ± 2.5 mm and 0.3 ± 2.2 mm/a; the Longmenshan fault displayed slow activity, with a fault-normal rate at 0.8 ± 2.5 mm/a, and a fault-parallel rate at 1.8 ± 1.7 mm/a. Longriba fault is on a par with Longmenshan fault in strain partitioning to accommodate the southeastward motion of eastern margin of the Tibetan Plateau. Integrated analysis of principal strain tensors, mean principal stress, and fast directions of mantle anisotropy shows that west of Sichuan is characterized as mechanically strong crust-mantle coupling.     

基于GPS速度场变化结果研究汶川地震前后南北地震带地壳运动动态特征

本文针对制约多期GPS速度场动态演化特征分析的关键问题,提出速度场稳定基准选取中顾及基准偏移的影响,给出了改进拟准检定(QUAD)初选指标的方法,有效解决多期速度场的基准偏移对粗差剔除的影响.并在此基础上通过对1999—2013年南北地震带地区多期GPS速度场做以华南地块为统一参考基准的处理、最小二乘配置统一协方差参数估算,获取了南北带地区多期GPS速度场的网格化结果.结果显示:(1)汶川地震影响在震后迅速衰减;震前2004—2007年及2007—2009年相对于1999—2004年南北地震带地区中北部地区存在大范围的北东向运动增强.(2)2007—2009年相对于2004—2007年的速度场差值变化图像显示,这期间汶川地震的调整影响范围较大,鲜水河左旋剪切有所减弱,龙门山南段应变积累增强.(3)川滇块体南东向的挤出滑移在2011—2013年相对2009—2011年有所增强.