JGR-Solid Earth:基于大地测量数据的海原断裂浅层蠕滑研究

已有的研究表明断裂的震间形变主要表现为两种模式,即断裂的震间闭锁(Locked or coupled)和浅层蠕滑(Aseismic creeping or shallow creeping; Bürgmann et al., 2000; Harris, 2017)。当前,高时空分辨率的大地测量数据能够捕获与断层浅部凹凸体积累和释放能量相对应的地表形变,从而能够识别断层的闭锁或蠕滑段落、刻画其时间演化过程,为强震孕育过程、断层的地震周期等方面的研究提供基础数据。

海原断裂系是青藏高原东北缘一条主要的边界断裂,其构造活动调节着青藏高原的东向挤出;该断裂因发生了1920年M~8.3海原大地震(Deng et al., 1986)及存在浅层蠕滑现象(Cavalié et al., 2008)而备受关注。然而,前人在利用InSAR数据开展老虎山浅层蠕滑特征研究时,往往忽略InSAR LOS中的垂直形变,如何考虑或剔除垂直形变开展断裂蠕滑的研究?海原断裂是否表现为多段蠕滑?海原断裂现今的形变与1920年M 8.3海原大地震的关系?



图1 海原断裂构造背景图。虚线矩形表示InSAR数据覆盖范围。

 


针对海原断裂研究中仍然存在的问题,中国地震局地质研究所李彦川博士、单新建研究员和宋小刚研究员,与法国尼斯大学海岸地质实验室的Jean-Mathieu Nocquet研究员合作,处理了沿海原断裂加密的GPS数据(1999-2017)和2003-2010年的Envisat SAR数据,对海原断裂的震间闭锁及蠕滑状态开展了系统研究,得到的研究结果表明:

(1)GPS、InSAR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InSAR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InSAR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InSAR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;蠕滑段沿断裂长~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~1-3 mm/a,沿断裂长~43 km);

(3)数据分析表明跨老虎山断裂存在垂直形变,造成了前人对该段蠕滑速率的高估(~5 mm/a);通过升降轨InSAR数据的共同约束,我们重新厘定老虎山断裂东段的浅层蠕滑速率为2.5 ± 0.4 mm/a;

(4)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;

(5)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Mw 5.9-6.3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。同时,这种非均匀的应变积累意味着断层耦合状态可能在两次大地震之间发生显著的变化。

图2 跨海原断裂GPS、InSAR形变速率场




图3 沿海原断裂浅层蠕滑分布及断层闭锁/蠕滑分布图。(b)图表示沿断裂的地表蠕滑速率;

(c)图表示历史地震地表位错分布;(d)图表示断层闭锁/蠕滑分布。


该研究成果于李彦川博士研究生期间在法国尼斯大学访学期间完成;同时,依托地质所与尼斯大学博士研究生联合培养协议,李彦川于2020年7月通过线上网络方式完成博士论文答辩,获得了法国尼斯大学“行星和宇宙科学”博士学位,导师为Jean-Mathieu Nocquet研究员和单新建研究员。

以上研究成果发表于国际著名地学期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth上(Li, Y., Nocquet, J.-M., Shan, X., & Song, X. (2021). Geodetic observations of shallow creep on the LaohushanHaiyuan fault, Northeastern Tibet. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 126, e2020JB021576.