基于空间大地测量的断裂耦合特征及机制研究

来源 :中国地震局地质研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:qiaobianhongyaogqw
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印度板块与欧亚板块在过去~55 Ma以来的持续碰撞造就了以“世界屋脊”著称的青藏高原,其平均海拔高达~4500 m、面积超过600×1000 km2,板块碰撞引发的断裂构造活动及地壳形变从喜马拉雅构造带向北延伸超过2000 km直至中亚地区。印度板块以36-40 mm/a的速率向北俯冲欧亚板块,其俯冲量约有一半在青藏高原分解,以此引起了高原地壳的缩短与增厚、褶皱的发育和活跃的断裂构造活动;高原的地壳形变引发了活动断裂带上迥异的弹性能量积累与释放,具体表现为类型不同的断裂活动和地震周期。基于星载大地测量技术(Space Geodesy),如GPS(Global Positioning System)和In SAR(Synthetic Aperture Radar Interferometry),开展青藏高原的断裂形变和地震周期的研究起始于上世纪末;当前,高时-空分辨率的大地测量数据为研究与地震周期相关的地表形变提供了丰富的数据和足够的分辨率。本文以青藏高原的三条边界断裂——阿尔金断裂、海原断裂和鲜水河-安宁河-则木河-小江断裂系(鲜水河-小江断裂系)——为研究对象,采用GPS(1999-2018)和In SAR(2003-2016)、利用二维断裂位错模型和三维“back slip”弹性块体模型来反演断裂的滑动速率和震间闭锁状态(闭锁与蠕滑)、评估断裂的地震危险性、探索断裂的地震周期、并以此来约束青藏高原地壳形变的运动学模式。主要研究内容、结果和取得认识如下:1、利用GPS(1999-2017)和In SAR(2003-2011)数据对阿尔金断裂的震间形变开展了研究,结果表明:(1)通过分析水平向GPS和In SAR视线向数据,我们发现在青藏高原北缘、阿尔金断裂西段(86°E)附近存在至少3个明显的局部垂直形变区域;从In SAR观测值中掩模掉该局部垂直形变数据后,水平向GPS与In SAR是自洽的;该结果强调了在处理、解释In SAR数据时考虑垂直形变的重要性;(2)在改正由块体本身旋转导致的形变剖面速率系统贡献后,GPS和In SAR联合反演结果厘定的阿尔金断裂西段(86°E)滑动速率为8.1±0.4 mm/a、闭锁深度为15.1±3.4 km,该结果表明前人对阿尔金断裂滑动速率高估量值高达到36%;此外,该结果表明阿尔金断裂应变积累的速率比预想的要低;(3)GPS和In SAR联合反演的结果并不支持跨阿尔金断裂的大地测量形变场存在不对称的现象,排除了在数据拟合时引入刚度参数或将断裂深部位错进行平移的必要性;此外,对跨断裂In SAR数据剖面分析的结果并不支持阿尔金断裂西段存在明显的浅层蠕滑现象;(4)GPS和In SAR联合解释的结果表明青藏高原北部的地壳形变是断裂走滑、局部地壳剪切-缩短、隆升和沉降共同组成的;该结果同时表明地壳的垂直形变并不直接受控于断裂的活动;(5)基于三维“back slip”弹性块体模型发现阿尔金断裂滑动速率沿走向向东递减(12.8±0.4 mm/a-0.1±0.2 mm/a)、断裂闭锁呈不均匀的分布(5-20 km);此外,反演结果凸显了苏拉木-阿克陶段、阿克陶-平顶山段和平顶山-阿克塞段具有较高的地震危险性(Mw 7.6-7.8);(6)青藏高原上地壳形变的主要模式并不是侧向挤出,其形变是一种杂交模式(hybrid kinematic mode),即同时包含块体运动和连续形变的模式。2、以加密观测的GPS数据(1999-2017)和In SAR数据(2003-2010)为约束对海原断裂的震间闭锁及蠕滑状态开展了研究,结果表明:(1)GPS、In SAR和水准数据之间的对比强调了或是长波长的系统残差存在于In SAR观测值中,或是水准数据存在系统性的误差;作为最优选择,我们通过对高斯滤波的方法将水平向GPS与In SAR相融合,获得了青藏高原东北缘高分辨率的地壳形变场;(2)GPS和In SAR数据表明海原断裂系存在三个浅层蠕滑段并且由四个闭锁的凹凸体所分割,包括前人发现的老虎山断裂蠕滑(~103.6°E–103.9°E;蠕滑速率为~2-5 mm/a,沿断裂长~30 km),新发现的海原断裂西段蠕滑(~104.2°E–104.3°E;蠕滑速率为~3-5 mm/a,沿断裂长~10 km)和海原断裂东段蠕滑(~105.3°E–105.7°E;蠕滑速率为~2-4 mm/a,沿断裂长~43 km);(3)沿海原断裂西段和东段的蠕滑段,1920年海原M~8地震分别产生了~3 m和~3-10 m的地表位错,意味着其蠕滑或者是此次地震后长期的震后余滑,或者是长期存在;前者表明海原断裂目前正处于不均匀的重新闭锁过程,后者则表明大地震能够破裂、穿越蠕滑段落;(4)通过计算海原断裂系的四个凹凸体震间地震矩积累,得到老虎山断裂能够产生一次Mw 6.8-6.9的地震,海原断裂现今积累的地震矩能够产生一次Mw5.9-6.3的地震,其破裂的情景取决于凹凸体的单独破裂或者联级破裂。3、采用多时段GPS数据(1999-2018)和跨鲜水河断裂的In SAR数据(2014-2016)对鲜水河-小江断裂系的震间闭锁与蠕滑、地震周期开展了研究,取得的主要结论如下:(1)利用1999-2014的GPS形变场,获得鲜水河-小江断裂的现今滑动速率为7-11 mm/a;在该断裂系的北段(32°N-30°N),鲜水河断裂在深部主要处于蠕滑的状态,浅部处于闭锁状态,而安宁河断裂、则木河断裂和小江断裂表现为强闭锁;(2)鲜水河断裂1973 M 7.6和1981 M 6.9地震的震后余滑持续时间较长(可能长达40年),其南侧的1893地震也对该持久的震后余滑有所贡献;地表蠕滑速率随时间的衰减证实了该观点,也意味着鲜水河断裂现今的闭锁状态标志着一个新的地震周期的开始;(3)沿八美-康定段,本论文的结果新发现了一段长约30 km浅层蠕滑段落(30.2°N-30.4°N);该蠕滑段的蠕滑速率在2008-2014年间加速,这可能与2008年Mw 7.9汶川地震在该区域产生的库伦应力加载有关;(4)沿鲜水河-小江断裂的地震矩定量计算结果表明,安宁河断裂、则木河断裂和小江断裂现今的地震矩积累量分别等效于一次Mw 7.5、Mw 7.2和Mw 7.4地震。总结而言,本文采用丰富的GPS和In SAR数据,对阿尔金断裂、海原断裂和鲜水河-小江断裂系的震间形变进行了详细的研究,不仅厘定了断裂的滑动速率,也揭示了断裂及周边地壳的高分辨率形变特征、定量评估了断裂的地震危险性;此外,本文还首次揭示了沿海原断裂、鲜水河断裂的新的震间蠕滑现象,厘定了其蠕滑时空分布;结果还对上述断裂的地震周期提供了全新的认识。
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