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利用GPS和水准测量资料反演2001年昆仑山口西81级地震

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利用 GPS 水准测量 资料 反演 2001 昆仑山 81 地震
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第26卷第3期2004年9月地震地质6.004】)2)3)415)6)利用级地震的同震滑动分布万永革1’2’ 王敏1’3’ 沈正康1'4’ 陈张祖胜5’ 王庆良6’ 甘卫军1’中国地震局地质研究所,地震动力学国家重点实验室,北京 100029未中国地震局防灾技术高等专科学校,河北三河燕郊06520京100036D。‘ni”A 90095—1567,形变监测中心,天津300180中国地震局第二地形变监测中心,西安710054摘要 通过分析2001年昆仑山口西肘,8 1地震前后的002年的水准测量资料,获得用这些同震位移数据,以震后详细野外地质调查破裂数据为约束,反演了破裂断层面上的同震滑动分布。结果表明,破裂下界深度为14 2—210%置信区间).最佳破裂深度17然存太阳湖段和主破裂带西端的中间区域未观测到地表破裂,但反演的结果表明此区域存在2—3表以东端似乎在地表破裂迹线以东30~2 0演的垂直位移表明断层在东经93。以西部分大体表现为南盘上升,而东经93。以东部分表现为北盘上升。由大地测量和地表破裂调查得到的地震矩释放为6 l×10…N n·,与地震波资料的反演结果基本一致。关键词 昆仑山口西地震地震破裂分布形变数据反演中图分类号: 文献标识码:A 文章编号:0253—4967(2004)03—0393一120 引言2001年11月14日发生在昆仑山口西的8.1级地震是自1950年8月15日西藏墨脱地震以后,半个世纪以来发生在中国大陆震级最大的地震。据有关地震台网测定,仪器震中位于布喀达板峰北(36.2。N,90.9。E),村。=8.1(中国地震台网),或布喀达板峰西(36.01。N,90 49。E),肘。=7 9(或库赛湖附近(35 54。N,92.75。E),M。=7.8(HaⅣ均史上该地震破裂带的西部发生了1973年(M。7.3)和1997年(肘、7 9)的玛尼地震,东部发生了1937年花石峡(肘。7.5)和1963年都兰(M。7.o)地震(图1)。这些地震发生的机制与前人认识的形变机制具有较好的一致性(沈正康等,2003a)。[收稿日期]2004—05—15收稿,2004一06—24改回。【基金项目] 国家自然科学基金重点项目(40334042)和科技部社会公益研究专项(2002同资助。中国地震局地质研究所论著20048003l。万方数据394 地震地质 26卷东昆仑断裂带与阿尔金断裂带和海原断裂带均在研究青藏高原受到印度板块的挤压造成的青藏高原物质东向滑移的变形中具有重要作用。因此,深刻认识昆仑山口西地震的破裂情况对于研究青藏高原动力学和断层动力学均具有十分重要的科学意义。地震发生后,中国地震局旋即派出地质、地震与大地测量等多学科考察队进行现场监测与考察,获得了诸多宝贵资料(中同地震局嗡测预报司,2002)。这些结果为认识此次大震的构造类型提供了直接和间接证据,也为研究地震发生的构造条件、孕育和破裂过程奠定j,基础。图1青藏高原北部的地质构造01年昆仑山口婀地震的表面破裂;海滩球表示沿该断层系统的近70年来M。≥7 力生等(2004)运用全球地震波长周期数字资料反演了该地震的时空破裂过程,假定断层破裂深度为40到的断层最大滑动量为2 2m,平均滑动量仅l 2m。而“003)运用全球远震波形资料,得出断层的破裂度约30大滑动量5 8m、平均错动左旋走滑1.8些研究成果对认识该地震的破裂参数和地震发生机制具有重要的意义,但与地表破裂的实测滑动量(最大达7杰等,2003)差别较大。这些差别与模型对某些参数,例如断层破裂深度的约束不够有关。学军等(2002)通过分析199l 20叭年及震后的4期得了该地震的同震和震后形变运动图像。假定该地震断层破裂滑动均匀,破裂长度为350们反演得到该地震的破裂宽度为12 4均左旋走滑错动4.73m。不足的是他们仅反演了断层平均滑动量,而没有给出滑动量的空间分布。相对乔学军等(2002)的结果,本研究将分析更多的结合野外地质调查得到的地表破裂资料以及1979年和2002年的水准测量资料①,反演地震破裂范围和沿断层迹线的滑动分布。①建华,朱桂芝,等,2004.东昆仑断裂带及昆仑山口西地震垂直形变研究(手稿)。万方数据3期 玎永革等:利用(;级地震的同震滑动分布 395研究选取地震破裂带约350震前和震后观测资料统一进行分析。数据处理采用993)。由于资料获取年代不同(表1),采用了2种不同的数据处理策略:1)由于1992—1993年间全球在改进卫星轨道的情况下获得地表位移,本研究将全球1)对1996年以后的数据,选取中国及周边地区跟踪站同区域流动站一起进行后利用/出的全球种方法最终都得到移和卫星轨道参数的单日松弛解及其方差一协方差矩阵。本研究统一不同年代观测结果的参考框架提供了必要保证。表l l fo。PS 皇 震前观测 速率值 点名琴警等… “ 年份 来源998 实测 00l 实测 00l 实测998 实测 001 实测 999 内插998 内插 001 实测 999 内插993 内插 00l 实测 001 实测993 内插 001 实测 001 实测1996 内插 00l 实测 001 实测995 内插 997 内插 001 实测992 内插 997 内插 001 实测A 1998 实测 996 内插 1996 内插995 内插 1034 2001 实测 1996 内插997 实测 999 内插001 实测 999 内插t }丧1;001年问完成的。地震前后的坐标变化包括r 们采用震前观测的位移时间序列或通过邻域速度场内插得到插方法采用沈正康等,2003b),由此消除了长期地壳运动的影响。中台站速度和同震位移同为模型参量,对34个结果如图2中的蓝色箭头所示。们没能获得其原始观测资料,处理中采用这3个定3个996年间的地壳运动均等同于点此得到了相当于1996年观测的测站位置。顾及3个点的同震位移的不确定性人为地增大到图2可以看出:1)8.1级地震形变影响在88。~97。E,32。~39。问包震地质 26卷图2(a)95%置信椭圆的(a) co—Ps 5%箭头表示模拟结果;桔红色表示反演所用到的破裂模型表面迹线,菱形点为断层分段冉甑;绿色线表示水准测量线图2(b) 1979—2002年水准测量资料和模拟结果(b) g 979 002 g 近坐标横轴的蓝线表示相对于前一个测量点的实测结果,红线表示相应的模拟结果.黄线表示累积观测高程变化,绿线表示累积模拟高程变化万方数据3期 万永革等:利用级地震的同震滑动分布 397括的地震破裂有东北方向的河西断裂系、西北方向的阿尔金断裂系和东南方向的金沙江断裂系。由于缺少观测资料,青藏公路以西的近场形变状态不详;2)青藏高原内部及其边缘地带都是形变发生的剧烈区域,监测点速率的内插精度会有约0~2mm/这种误差对于同震位移估计的影响和震前资料的采集时间密切相关,震前资料采集时间越久远其影响越大。昆仑山口西_】.1级地震科学考察项目的震后一等水准复测工作于加02年3—5月进行,由中国地震局第一地形变监测中心、第二地形变监测中心联合承担。水准路线北起格尔木,南到五道梁,全长308跨柴达木盆地南缘、东昆仑断裂带和巴颜喀拉地块三大构造单元,并在昆仑山口北侧青藏公路2 894测水准测线共有水准点60余个,所用仪器为测成果每公里偶然中误差±0.45们选取距2001年昆仑山口西地震断层较近的26个点的水准测量资料(图1),观测资料沿测线距离的分布如图2(b)所示。水准测量资料误差不仅考虑偶然中误差,而且考虑了由于观测仪器变化带来的常误差和地壳长期形变造成的模型误差,按下式确定:a=∽+2(吼驴+寿]2其中,盯为两观测站点问的垂直位移总误差,矿。为常误差,盯。=O 45(单位为测量两点之间的距离。o.为常数,此三参量有关的项为地壳长期形变造成的模型误差;考虑到断层所在位置同时也是观测段内的地形最高区,垂向构造运动最为剧烈,故选用这一数学表达式。在反演中尝试得到口。=3,=25mm,c=25期野外地质考察表明,该地震发生在昆仑山南坡近乎垂直的断层上,地表破裂总长达420锡伟等,2002;陈杰等,2003;党光明等,2003)。库赛湖以北最大错距达左旋6m,东段破裂错断青藏公路段达4m,调查得到的沿断层左旋地表滑动分布见图3(徐锡伟等,2002;陈杰等,2003)。为了对地震破裂分布进行反演,必须对地震破裂分段进行研究。通过野外地质考察及卫星影像解译,根据地表破裂带几何结构的不均匀性(如阶区、走向弯曲和间断),地表破裂带宽度的突然变化以及地表同震位移沿走向的起伏变化,将420段长15~30了反演未见地表破裂的滑动分布,在上述断层分段的基础上,分别向东西各扩展一段。为了求得每段地表水平同震位移的最佳估计值,将该段实测位移数据按大小排列,然后按等差数列给予权重,得到该段上的平均值。垂直位移直接取平均数得到位移量。结合断层位移的先验数据,反演断层下边界的确定及断层滑动量反演2.1反演方法假定地震断层沿走向分为Ⅳ个子断层,各子断层破裂深度相同,且每个子断层内从地表至破裂深度具有均一同震滑移。子断层沿走向和倾向的错动量分别为x.,y。x。=x{’+x;,y。=y?+y.,其中z?和y?为地质调查得到的地表破裂分量,x.和y。为反演所求的全深度范围内断层错动相对于地表观测破裂的变化量。肘个e,,观测点产生东向位移的格林函数为n。积6。产生的北向位移的格林函数分别为c。和个水准数据测量得万方数据398 地震地质 26卷图3地质调查得到的地表滑动位移和断层分段模型 by nd f s。盘上升为正);粗实线为断层分段平均精移结果到的垂直位移差为q,第g。。则可用下列矩阵表示它们的关系:。ll 12021 621 822 622l dⅣl 。N2 dⅣ2正. g^l 92t 五2 9226IⅣ02Ⅳ 62ⅣlⅣC2ⅣcMⅣ*Ⅳd1Ⅳd2ⅣdⅣⅣ2Ⅳfn gn jn xH g“y”XⅣ'1&2&辄占”£(2)万方数据3期 万永革等:利用级地震的同震滑动分布 399其中,&∥一,&。,新∥.-,新。为各个,,劫z,…,却服从正态分布。上式可简写为GJ=d’一占d 6O,(3)其中,)左边的第1个矩阵,x。为观测的地表破裂位移,d’为观测数据矩阵,剐为观测数据误差矩阵,c。为观测数据的协方差矩阵。令d=d’一式变为Gx=d+6d (4)假设解的变化6肛=D+6j 60,C,) (5)其中,c,为模型先验约束,即地表观测滑移量误差的协方差矩阵。利用最大似然解估计公式可得(979;e£o£.,1985;e£1994):i=?1“61C:1d 为在地表地质调查数据约束下反演照定义,解的分辨率可表示为屁=(c:1)一G’C:1G (7)本研究采用置的对角线元素之和作为定量判断子断层破裂量与邻近子断层错动量平滑程度的指标。该值越大,解的平滑程度越小,对解的分辨也越清楚。2.2反演步骤和结果按照前述反演方法,采用992)的解析表达式计算每一个均匀滑动断层段所产生的地表位移,通过2个迭代过程可以获得最终解。第1迭代过程求取滑移先验约束精度的最优估计。由于模型关于断层滑移在全深度范围内一致的假定会带来误差,而这一模型误差量难以给出先验量度,需要通过模型迭代来进行估计。假定所有断层段水平滑移先验值的精度都相等,垂向滑移精度等于水平精度的%,且断层破裂底界深度为15层破裂底界深度的选取参考了001)根据大地电磁研究青藏高原内昆仑山下地壳介质高导层的上界深度(给出。利用不同精度约束水平滑移的先验值,将反演结果分辨率(演后残差绘成1条折中(线如图4(a)所示。由此曲线可见,较紧的模型约束虽然模型稳定性较好(分辨率较低),但演后残差较大;较低的模型约束虽然具有较小的演后残差和较高的模型分辨率,但解的稳定性较差。综合考虑这条折中曲线,模型约束2迭代过程求取断层破裂深度的最优估计。根据第1步得到的模型约束O.8m,对不同的破裂深度,求取利用大地测量数据反演断层滑移的演后残差,得到的深度随演后残差的分布如图4(b)所示。可见最优破裂深度为17.00%的置信区间为14.2~21.用前面得到的最优破裂深度17到断层面上各个断层段的破裂滑动分布(图5)。虽然在太阳湖段和主破裂带西端的中间区域未观测到地表破裂,但反演结果表明此区域存在2~3太阳湖段以西地区我们的模型增加了1个断层段用来考察可能有的延续破裂,但反演结果得到的左旋滑动量基本为零。在主破裂东端增加的断层段上发现有1.5~2明该地区虽然没有观测到地表破裂,断层带一定深度范围内可能存在隐伏滑移。反演的垂直位移表明东经93。以西的断层大体表现为南盘上升,在东经93。以东则表现为北盘上升。由此得到的地震矩为6.1×10”N m,其70%的置信区间万方数据地震地质 26卷删麒妲裂断层底界深度/a)反演结果的分率和反演残差的折中曲线;(b)反演残差随断层底界深度分布曲线 (8)b)d。置信区间为5.9~6.4×1020N m。另外由图5还可以看出,由于采用了水准测量资料,在其测线附近(东经94。左右)反演模型的标准差明显减小,特别是在垂直位移方向上,这是对这些断层段数据约束较大的缘故。图5同震滑移模型 Co—实线表示反演结果,灰色区域表示宴线表示零基准线盘上升为正)万方数据3期 万永革等:利用级地震的同震滑动分布 401利用反演得到的测量点的位移与以看到采用反演模型得到的部个别点拟合稍差,可能在地表破裂段以东断层面上还有同震或震后滑移未包括在本反演模型内。反演模型得到的垂直位移与水准资料表现的形变趋势大体一致,为北盘上升、南盘下降的断层运动。但是细部的差异比较大,可能与22别是南盘水准测量第2个点(图2(b)显示约108值明显偏高,若去除该点,模型预期结果与水准测量数据的符合程度会有相当改善。3结论与讨论我们根据昆仑山口西8.1级地震的同震求得断层破裂面下界约为170%的置信区间为14.2~2与中国数字地震台网中心(定的震源深度15002)反演得到的14与该地震余震沿断层剖面的分布深度①大体一致。我们的反演结果表明,虽然在太阳湖段和主破裂带西端的中间区域未观测到地表破裂,但此区域很可能存在2~3地震前后的003,私人通讯),支持本反演结果。本研究得到的西端南盘上升、东端北盘上升的情况,也与徐锡伟等(2002)和陈杰等(2003)野外地质调查得到的综合结果及“003)得到的反演结果一致。本反演得到的地震矩为6.1×10”N m,与哈佛矩心张量的地震矩5.9×1020N 与003)及许力生等(2004)分别通过地震波反演破裂过程得到的6.5×1020N ×10“N 要指出的是本反演采用的此得到的地震矩略微大于由地震波资料反演得到的哈佛地震矩结果是合理的。本研究假定每个断层段在破裂深度范围内具有均匀的滑动量,实际地震破裂可能随深度而变化。今后的工作需要对断层破裂模型作进一步的细化,包括考虑破裂随深度的变化。模型反演中若能加人更多的数据,包括该地震同震准测量资料以及地震波形数据进行综合反演(e£1994;2002),相信会得到更符合实际的破裂模型。参 考 文 献陈杰,陈宇坤,丁国瑜,等2003 2001年昆仑山口西8 1级地震地表破裂带[J]第四纪研究,23(6):629—639u。uo—以2003 f 001 1 ].3(6):629—639(jn 光明,王赞军、2002.青海昆仑山口西^f;8.1级地震地表破裂带特征与主要震害:对青藏高原区域稳定性评价的制约[J]地质通报,21(2):105~120①中国地震局昆仑山口西8.1级地震综合科学考察队,2003,昆仑山口西8.1级地震综合科学考察工作成果报告(成果部分)。万方数据402 地震地质 26卷g.a“1002 f e;8by l on 1] of 1(2):105一120(1n 学军,王琪,杜瑞林,等2002昆仑山口西肼。8 1地震的地壳变形特征[J].大地测量与地球动力学,22(4):6一l,ui—o£ 2002 c g 58 1 ]Jo㈨l 2(4):6—11(in 正康,万永革,甘卫军,等2003]地球物理学报,46(6):787—795g—ka“g,o“g—AN 口l 2003a g 18lo“g ys£] 0。06(6):787—795(in 正康,王敏,甘卫军,等2003j)地学前缘,10(特刊):93 100g·ka“g,AN 以2003b sⅡof ].0(s“93—100(in 许力生,陈运泰2004.从长周期波形资料匣演2001年]中国科学(34(3):256—264i—g,004 th。884,2001,g ]),34(3):256—264(文彬,于贵华,等2002,2001年11月14日昆仑山库赛湖地震(肼。8 1)地表破裂带的基本特征[J]地震地质,24(1):en.U 002 of )] 4(1):1一13(国地震局监测预报司2002 2001年昆仑山口西8 ]北京:地震出版社D。g 002.001脚 18of ] e“i“g(in ,,毗以2002 PS,to 999 ] 2(1):278—299Kj“g R w, 1993 ] D 1979 n。in ]07:137一157 D, 1985 A to ]0:581—59l“n A,, 2003 001肘w 7 8 ]3:2477—2492 1992 to in a ]2:1018一1040he“g,jⅡ D,Fe“g Y,e}越 1994.g 992[J).4(3):780—791.万方数据3期 万永革等:利用级地震的同震滑动分布 403 J, H 1994 of 992 ]4:668—691W ,..以0叭 of in by ]92:716—718001Y ’ he“g—1’4’ zu—)on^,∞口n^q“D^e^00029,c^o,D‘嗍c^nH^e 。o,EⅡ“0,口016叭,蕊砌3),w≠q“n^e i。n,c^g¨d,c^印口,£ⅡH^口nd spⅡce&cⅡ昭A 90095—1567.nH£on&n£er,c^on^n£‘on,0叭80,(冼)&㈣d er,c^口n^fm“10054.C^‘of 001 is Ps g 979 002. g by we of 4.2~21km(0%as ~3m iH of gh is is of is at in it ~2 0m ra”ge 0km to of in to 3。E of to 3。E of is he mo—by yi“g .1×10川N·m,by 方数据地震地质 26卷l(ev 者简介] 万永革,男,1967年出生,1996年在中国地震局兰州地震研究所获固体地球物理学硕士学位,2001年在中国地震局地球物理研究所获地震学博士学位,副研究员,主要研究方向为地震之间相互作用、大地测量资料在地球动力学中的应用等,电话:010—61596038,E—度关注,丁国瑜院士、马宗晋院士和钟大赉院士参加了研讨会,北京大学、国土资源部地质科学院、中国地质大学、中国地震局地震预测研究所等科研院所的一些学者也参加计120多人),与会者大部分为中青年学者和研究生。中国科学院地质与地球物理研究所所长丁仲礼研究员主持了会议。在研讨会上,马宗晋院士就突变事件与系统科学、丁仲礼研究员就中国新生代构造尺度气候和环境演化问题、张培震研究员就青藏高原东北缘晚新生代的扩展与隆升(晚新生代全球气候变化及相关的沉积问题)、王二七研究员就青藏高原的高原面成因问题、徐锡伟研究员就青藏高原北缘阶地形成期与气候变迁的研究、}杰研究员就西域砾石的年代问题、丁林研究员就青藏高原陆内俯冲问题作了主题发言,针对上述发言,与会者展开了热烈的讨论。北郊地球科学论坛预定每年不定期召
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