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断裂区带变形分析方法及应用

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第32卷第3期 西北地震学报 VoI.32 No.3 2010年9月 N0RTHWESTERN SEISMOLOGICAL JOURNAL Sept.,2010 断裂区带变形分析方法及应用 杨 博,周 伟,陈阜超,韩月萍 (中国地震局第一监测中心,天津300180) 摘要:应用GPS观测技术专门研究活动断裂区带的地壳形变及其服务于地震预测的数据处理方 法目前还不够完善与充分。本文针对这一问题并结合实际的需求,从场的角度提出了适合于断裂 区带活动特征分析的数据处理方法,并以川滇菱形块体东边界带为例,依据1999—2004年的GPS 资料对其进行了简要分析。结果表明:①经过这种处理与描述可使人们从多角度更清楚全面地了 解断裂及两侧的相对活动,及在空间上的演化特征;②走滑运动等值线显示川滇菱形块体东边界两 侧相对活动量最大达15 mm/a,分布宽度约400 km,然而活动量的2/3只分布在断层两侧近100 km的范围内,清晰而定量地显现了高剪切应变的积累与存在的空间;③走滑运动梯度显示川滇形 块体东边界带南段变形大于北段;④张压性运动结果显示断裂两侧没有明显的差异变化。 关键词:GPS:数据处理方法;梯度变化;活动断裂区带;JII滇块体东边界带 中图分类号:P227 文献标识码:A 文章编号:1000—0844(2010)03~0215—05 Analysis Method of the Crustal Deformation Oil Fault Zone and Its Application YANG Bo,ZHOU Wei,CHEN Fu—chao,HAN Yue—ping (First Crustal Monitoring and Application Center,CEA,Tianjin 300180,China) Abstract:The research on crustal deformation especially in active fault zone using GPS technique and the related data processing method for ea ̄hquake prediction are now not perfect and enough.Aimed at this problem and for actual work requirement,the data processing method for the chara—eteristic analysis of crustal deformation in fault zone is suggested from field view in the paper.Based on the GPS data from Sichuan—Yunnan region in 1 999—2004,the crustal movement characters in eastern boundary fault zone of Sichuan—Yunnan block are analyzed by using this method.The results show as follows:(1)The rela— tive movement and spatial variation in both sides of the fault zone can be shown clearly in different view angles by this data processing method.(2)The deformation width on both sides of the fault zone is about 400 km with the maximum movement value of 15 mm/a.However,2/3 of the movement distribute in a belt area about 100 km width along the faults.This clearly shows the distribution of slip movement and shearing strain accumulation from the motion isogram.(3)The deformation on southern part is more than that on northern part of Eastern boundary zone of Sichuan——Yunnan Block showed by the gradient varia-- tion map of slip movement.(4)In perpendicular direction to the fault there is not clearly different de— ofrmation betweeT1 two sides 0f the zone Key words:GPS;Data processing method;Gradient variation;Active fault zone;Eastern boundary zone of Sichuan—-Yunnan block 0 引言 GPS技术的成熟与应用普及使地壳运动与地球 收稿日期:2009-04—23 基金项目:“十一五”国家科技支撑课题(2006BAC03~01—01) 作者简介:杨博(1985一),男(汉族),实习生,主要从事GPS应用技术研究 216 西北地震学报 可 动力学的研究生机勃勃。在我国自1998年国家重 大科学工程中国地壳运动观测网络建成与运行以 来,产生了大量的观测数据,相应的应用研究、方法 研究结果不断涌现。主要有时间序列方面的研 究¨ ,形变场方面的研究l3 J、形变场与地震关系 方面的研究 J、负位错反演与地震预测方面的研 利用GPS数据处理软件所给出的运动等结果 往往是ITRF参考框架下的结果,这样的结果在分 析全球各板块之间的差异运动时是很恰当的,但在 站 的 分析局部区域内部的差异运动时则不能一目了然, 所以在分析中国大陆地壳运动时又出现了以欧亚板 差 _==. 方 块为参考基准的数据处理方法、以中国大陆整体无 1●●●J jE 建 立 第32卷 误 究 、数值模拟方面的研究 等。然而,针对以断 裂区带为对象的研究从空间的角度来观察则不多 见。尽管一些学者开展了对断裂带的活动习性的分 段研究¨ 及跨断层形变剖面研究L1¨等,但随着认 识的深入与实际的需求显示出不够完善,主要是因 旋转为参考的基准以及区域整体无旋转基准等数据 处理方法 ” ,使人们分析起来显得清晰、直观、方 一 = : 便,突现了彼此之间的差异变化。本文以这些工作 . .一 为基础,但没有按照文献[12]、[13]所给出的数据 A 处理流程进行处理,而是直接利用观测运动求解研 为在空间上的变化信息或没有得到全面而又充分地 体现,或不够一目了然,或简化的成分较重。本文针 对断裂区带活动的特点和GPS数据资源,试图在前 人工作的基础上争取进一步完善形变信息表述模式 及实现方法。 究区的整体运动并剔除就可满足分析的要求。这样 可使比较复杂的数据处理变得相对简单些。 首先要求解研究区的整体运动并剔除,由此来 获得研究区的相对差异运动。根据欧拉模型 1 数据处理与实现方法 一sin( )sin(A) 一( 。 COS(A) [:二]=r[一si ; (A) 一 A)c。 三i]一[ :] c2 为了简明起见,对所有测站的误差方程用矩阵 表示: V=AX+L (3) 析的一个基础。由于我们的研究对象是断裂带(断 层)的活动习性及其在空间上的演化,而断裂带的 走向是任意方向的,故需要进行投影或转换计算。 在此基础上依据最小二乘法即可组成法方程 NX+W=0 (4) 根据断裂带两侧块体主要表现为走滑活动、正断层 活动或逆断层活动,可通过旋转将直角坐标某一轴 平行于断裂带的走向,另一轴垂直于断裂带的走向, 对其求解可获得研究区的欧拉矢量 X=一N W (5) 再利用式(1)即可解算任一测站的 、 ,进而可获 得相应的差异运动: 'lf/e e 对Ye 、Yn 实施计算。首先,结合图1及坐标旋转公 式获得平行及垂直于断裂带的运动分量: .v 断裂带走向 r ]=[ve —-—L ] (6) / 一式中 、 为研究区内任一点(A, )的欧拉东向运 动与北向运动; 、V 为相应的东向观测运动与北向 观测运动; 、 为相应的东向差异运动与北向差异 v 运动;r为地球平均半径。 通过式(6)我们可获得研究区相对差异运动, 以此作为先验速率重新计算以获取差异运动结果 ( )及相应的误差(m 、m 和P),并在此基础上 图1 坐标系及坐标变换示意图 Fig.1 Coordinates system and its transfol ̄nation 绘制相应的图件。然而这一结果与图件仅是我们分 m ∞ = 第3期 十一 杨博等:断裂区带变形分析方法及应用 217 、> C 』‘  _ e , 2 , m S O (、,7) , 3。等值线的绘制可以用surfer软件等,在此不再赘 述。除此之外,考虑到信息的全面性,进一步计算绘 L nn Veesin + MCOS OL 2 P m 制相应的梯度图。根据梯度的定义 式中 和 : 分别为平行与垂直于断裂带的运动分 + 量; 为旋转角,顺时针为正。 S 2 n grad = i+ (15) 对 和 : 其进行精度评定,以考察其信息的显 著性。根据式(7)及误差传播定律,有 2 n  —2 C O S m =± ̄/sin ・m:+cos o/・m:+2cosS n  O/・sin ・m (9) 式中m 、m (及P)可从GPS前期数据处理中所给出 ) 的运动结果中获取,协方差m 虽未直接给出,但可 由下式计算得到: /'/b =m 。m ・P (10) 在实际分析工作中为了方便与直观,常常将形 变量、误差及其它与分析有关的要素(如断裂带、甚 至地形地貌等)绘制成图件,为统一坐标系,需要对 上述转换的两种运动量及其相应的误差换算到原坐 标系下。由图1可知,平行于断层的运动量其在Ve o : 坐标系下的坐标为( : 、0),垂直于断层运动量 的坐标则为(0、 : )。顾及式(7),则平行于断层运 动量在原坐标系下的分量为 IVel VeeCOS(一 f111 = sin(一 ) 其相应误差变换的计算式为 』me meeeOS(一 (12) 【m l=m sin(一 ) 同理,垂直于断裂带的运动量及其误差变换的 计算式为 IVe2 一 m n(一 f 13) 【 2=VnnCOS(一O/) Jm以 一rnn.sin(一 ’ (14) 【Lm =m:m =m  COS(~O(~ )L) 考虑到图件的美观、简洁与信息的全面,在绘图 时误差量的正负应取决于位移(运动)的矢量方向, 即误差分解量的正负随位移(运动)分解量的正负 即可。这样不仅减少了图件中的不必要因素,还可 直接地观察位移(运动)的显著性(用不同的颜色或 深浅度表示,图2、3)。通常绘图时虽然给出矢量的 比例长度,但定量观察时仍觉得不十分方便。由于 这里已经是同方向的矢量(或平行、或垂直),所以 还可在同一类图里绘上描述大小的等值线,见图2、 lgradu( )J=√( )‘+( )‘ (16) 可分别计算平行和垂直断裂带空间任一点的梯度 值。其中解析式//,( ,Y)的获取可参照文献[12]所 给出的方法,也可根据其它数值逼近理论获取。得 到梯度值后可绘制等值线图。 2川滇东边缘断裂带及周围活动简析 川滇地区是我国地震活动最为频繁和强烈的地 区之一,中国地壳运动网络在此布设了较密集的 GPS流动测站。现以1999—2004年的观测资料为 例进行分析。由于计算是以ITRF为参照的运动结 果,不利于直接分析与观察,故根据式(1—6)采用 区域无旋转方法获得研究区的相对差异运动结果, 如图2所示。 图2川滇地区1999—2004年相对于区域 无旋转基准的运动结果 Fig.2 The crustal movement on Siehuan—Yunnan region relative to no・・net--rotation reference frame in l999—2004. 由图2可知,该地区水平运动在空间上的变化 是很有序的,最大形变区带分布在川滇菱形块体的 218 西北地震学报 第32卷 东边界上,其它地域的差异活动较弱,说明东边界是 该区近代地壳构造活动最活跃部位。若观察东边界 东西两侧的相对运动,则该断裂及附近地域的差异 兼有较大的剪切变形的成分。进一步观察还可知该 地区的运动中既含有显著的变形分量,也含有刚性 分量。边界带西侧的点位运动方向恰好与青藏高原 物质进入该区的流动方向一致,向南运动在丽江处 性运动均在10 mm/a以内,活动方式为左旋,向两 侧延伸这种差异运动在扩大,最大可达15 mm/a。 它反映了该边界的活动并不纯粹具有走滑特性,还 9R。 1O0。 1n,。 1 04。F 部分向南东运动,部分继续向南,到达龙陵附近遇到 阻隔转向西。这是该区运动的基本特征。 98。 100 102 104。 (a)相对运动及其等值线 (b)变化梯度 图3 平行于断裂带的相对运动及其等值线和变化梯度 Fig.3 The relative movement to be parallel to fault,and its isogram and change gradient 为进一步了解形变变化在空间上与断层活动的 关系,利用上述有关公式给出了相关的结果,见图 3、4(梯度单位:ram/10 km・y )。 图3(a)展现了平行于川滇块体东界断裂带的 2)。仔细观察可知,这种阻挡在南端也并非均等, 表现东西两端大中间小的格局,这可能与红河断裂 带的活动有关。 从地震的孕育角度看,这种在断裂带附近南北 运动(即走滑性运动)与等值线;图3(b)为变化梯 度。可看出,沿鲜水河、则木河、小江断裂形成了一 向背离运动是断层具有走滑运动的体现,但由断裂 带附近区域运动等值线及梯度变化可知这并非只是 断层上的孤立运动,在断裂带及附近地域同时也有 剪切应变的存在与积累,具备地震孕发的条件。一 个正负等值线的分界带,等值线的展布方向基本上 与该带平行且形变梯度大,表明该带是东西两块体 相对运动的分界带。同时还显示该带的形变活动存 在于以断层为中心的具有一定宽度的空间上。东侧 向东形变的变化量逐渐变小(图3(b)),至昭通时 基本上完成了较快的形变变化,再向东形变量的增 加已经很缓慢了。这说明昭通东侧介质刚性特征相 般地高形变、高梯度的地域在中短期内往往是中强 地震活动的主要场所,而在高形变、高梯度的背景下 存在低形变、低梯度的地域则有可能是强震活动的 场所,所以断裂带的中北段应更值得重视。 图4(a)为垂直于川滇块体东界断裂带的相对 运动(即张压性运动)及其等值线;图4(b)是其运 对突出些,其西侧除断层走滑活动外其余属形变活 动。该带西侧的较快形变变化部分主要位于该带附 近,其它空间的形变变化相对宽缓,形变最大值位于 动变化的梯度。据此我们很难辨别垂直于断裂带的 运动与断层有什么关联性,因为不但运动的大小在 炉霍至丽江一线。尽管东西两块最大运动差达l5 mm/a,但其中近10 mrn/a的变化分布在断裂带及其 附近大约1度的空间跨距上。西侧块体向南的运动 断裂带附近大体相当,而且其梯度变化也较缓慢。 确切地说,运动大小的空间分布与断裂带的活动没 有直接关系。在研究区北部表现为“西大东小”的 变化特征,变化最大的部位在离开断裂带的西侧块 体上(图4(b)),表明该局部区域是北部挤压变形 向南变得越来越小,至其南端时已变成北向运动,这 表明物质的逃逸在南端受到了阻挡而改道向西(图 第3期 杨博等:断裂区带变形分析方法及应用 219 最大的区域(炉霍以北)。向南运动的大小与方向 也在发生变化,至龙陵及其西部地区时反向运动达 到最大。但变化最大的部位并不在此。在炉霍一丽 江一楚雄一玉溪一线存在一个较明显的北西向运动 变化梯度条带,同时也是运动性质差异变化的条带。 然而该形变条带并非是断裂构造活动带(至少目前 还未发现)。这可能是由该区不同断层共同控制造 成了这种复杂的形变形态。事实上,近几十年该条 带上已多次发生强烈地震,或许与此形变背景有某 种联系。此外,从表面上看研究区南部似乎存在着 相对拉张运动,参考图2和图3(a),看出是由于来 自北部物质的逃逸与推挤在南端受到阻挡而形成的 东西向挤出所致。 (a)相对运动及其等值线 (b)变化梯度 图4垂直于断裂带的相对运动及其等值线和变化梯度 Fig.4 The relative movement to be perpendicular to fault and its isogram and change gradient 3结语 综上所述,获得研究区相对差异运动(图2)可 带构造活动为主对川滇地区形变给出了分析,但还 较为粗浅,意在方法的应用。尽管如此仍可使我们 对断裂带构造活动及在空间上的关系有了更加清晰 的认知。可将本方法用于不同时段运动、形变等进 使我们对该区运动的概貌有较好的了解。然而在实 际工作中除了研究运动场的整体变化外,还常常要 结合断裂带(层)分析其走滑、张压活动的特征与习 性,及其相应的形变在空间上变化分布,并由此进一 步判定活动是否属于正常还是进入运动亏损或闭锁 状态,以及在此基础上确定相应的空间位置等。本 行对比演化分析上,因为当断裂带(层)活动发生变 化时,并不一定都体现在断裂带(层)的空问某部位 上,还可能体现在断裂带(层)的某时段活动上。 致谢:本项工作是在杨国华研究员指导下完成 的,并在本文的形成过程中又提出了详细的建议与 修改意见,在此谨表感谢。 文所给的方法有利于这样的分析。应该指出,在变 形机制的解释上不应离开研究区的整体运动(如图 2),否则有可能得出不客观的看法。文中虽以断裂 二_ 第3期 卜_ _[参考文献] … 减分析[J].公路,2004,(4):24-28. … 225 蔡汉成等:交通荷载作用下边坡动力响应数值分析 M Popeseu1.A suggested method for reporting landslide remedial [8] 樊秀峰,简文彬.交通荷载作用下边坡振动特性分析[J].岩土 力学,2006,27(增):1197-1201. measure[J].Bulletin of Engineering Geology and the environ- ment,2001,60(1):58-62, [9] 郑黎明.铁路边坡岩体的振动特性和机理[J],岩石力学与工 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