芦山MS70地震与NorthridgeMW67地震地表变形场对比研究
杜吉亮 武艳强 邹镇宇
摘要：
2013年四川芦山“4·20”MS70地震和1994年美国Northridge MW67地震的近场同震位移均表现出破裂未达地表的特征，利用1999～2007年GPS资料对比分析了2次地震的震前变形特征与同震位移的关联性。结果显示，芦山震源区存在较为显著的挤压应变积累（挤压应变率方位角约为284°），沿芦山地震破裂节面剪切变形不明显；芦山地震的同震位移场表现为逆冲兼少量左旋特征，反映了整个孕震周期的应变积累特性，可能表明震前10余年的观测并不能代表整个孕震周期特征。Northridge地震前，地表变形表现为右旋-挤压特征，同震以逆冲破裂为主，近场表现出类似“圆屋顶形”的东西两侧水平运动和垂直向上运动，GPS观测到的震前变形与同震释放的变形存在一定程度的不一致性。相同震中距测点结果表明：Northridge地震的同震地表位移幅度明显大于芦山地震，前者震前挤压应变积累速度显著大于1999～2007年芦山地震震源区的应变积累背景。
关键词：芦山地震；Northridge地震；震前变形背景；GPS同震位移
中图分类号：P315725文献标识码：A文章编号：1000-0666（2016）03-0404-06
0引言
2013年4月20日发生的芦山MS70地震位于龙门山断裂带南段，该地震造成的地表位移以逆冲错动为主、靠近发震断层约50 km的上盘一侧表现出类似左旋应变释放特征，推测认为同震位移的特殊分布模式是由于破裂未达地表所致（武艳强等，2013）。数字地震学反演和野外地质考察结果均表明，芦山地震的同震破裂没有大规模出露地表（張勇等，2013；徐锡伟等，2013）。赵静等（2013）采用DEFNODE负位错反演程序，估算了芦山地震前龙门山断裂带的闭锁程度，结果表明汶川地震的发生加速了芦山地震的孕育过程。杜方等（2013）分析了芦山地震的基本参数、余震分布、序列衰减等特征，认为芦山地震与汶川地震是两次独立的地震事件。吕坚等（2013）利用小震分布和区域应力场拟合了可能存在的发震断层面参数，综合分析了芦山地震序列的震源深度、震源机制、震源破裂面特征，探讨了可能的发震构造。陈运泰等（2013）指出，芦山地震后，龙门山断裂带南段仍存在发生MW72～73地震的危险性。祝意青等（2013）根据流动重力资料预测了芦山地震的震中位置，证实区域重力场观测对强震震中位置的判定具有独到的优势。
与芦山地震类似，1994年1月17日发生在美国加利福尼亚州的Northridge MW67地震的同震地表位移分布也比较特殊，震源区近场表现出东西双向挤出和垂直向上运动，外围表现出逆冲位错为主，同样表现出破裂未达地表特性（Scientists of the US and the Sourthern California Earthquake Centre，1994； Yeats，Huftile，1995； Hudnut et al，1996）。Hudnut等（1996）用多种模型对该地震的GPS数据进行处理来分析变形特征，且对比了大地测量方法和地震学方法的异同。多位学者（Scientists of the US and the Sourthern California Earthquake Centre，1994；Yeats，Huftile，1995； Donnellan et al，1993）分析了Northridge地震震源附近断层和地质构造的演化特征以及其与Northridge地震之间的关系。Scientists of the US and the Sourthern California Earthquake Centre（1994）认为该地震的发震断层为隐伏断裂，且该隐伏断裂在发震后才被识别。两次地震的近场同震位移均表现出与外围不一致的特征，且震级相当又同属逆冲型地震（http：//wwwglobalcmtorg）。因此，利用震源区及附近的GPS资料，针对震前和同震变形场的对比分析对认识地震孕育与破裂方式具有现实意义。
本文首先对比分析了芦山地震和Northridge地震前的变形背景，识别出了龙门山断裂南段在震间期的应变积累空间差异特征，并在此基础上对比分析了两次地震的震前变形特征与同震位移的关联性，并讨论了同震位移量值上的差异。
1震前区域变形特征分析
11芦山地震前
中国地壳运动观测网络区域站于1999年开始大规模观测，至2007年共进行了4期观测。图1a给出了1999～2007年龙门山断裂带附近GPS速度场分布，数据解算采用GAMIT/GLBOK软件（Herring et al，2010a， b）和QOCA软件（Dong et al，1998）。首先利用GAMIT软件解算得到测站坐标和卫星轨道等参数的单日松弛解，然后利用QOCA软件选定分布于全球的85个框架点，解算得到ITRF2005框架下的速度结果，最后进行基准变换得到图1结果，具体数据处理细节可参见文献（牛之俊等，2005；梁洪宝等，2014，2015；占伟等，2016；陈长云，2016）。1999～2007年GPS结果显示龙门山断裂带北东段处于全线闭锁状态，表现为断裂带邻近区域观测不到显著的地壳变形，而远离断裂带的巴颜喀拉地块内部地壳运动相对明显，上述结果与前人关于汶川地震前龙门山断裂带应变积累速度的研究结果一致（张培震等，2008；江在森等，2009；李延兴等，2009）。
考虑到最小二乘配置方法在边缘效应、孤立奇异测点影响、误差分布、点位稀疏度影响等方面均表现出的优势（Wu et al，2011），基于该方法，图1b给出了研究区主应变率和面应变率分布。结果表明汶川地震震源区南西侧断裂的应变积累速度明显大于北东侧，断裂带中北段挤压兼右旋剪切变形特征明显，中南段以挤压应变积累为主，沿芦山地震破裂节面基本识别不到剪切变形。龙门山断裂带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的特征，表明龙门山断裂带在震前较长时期已经积累了较高的应变能，致使有GPS观测以来无法观测到断裂带显著变形。
12Northridge地震前
Northridge地震震源区处于太平洋板块与北美板块交汇地区，震源位于圣安德列斯（San Andreas）断层附近的弯曲挤压区内，该区存在多组断层但没有一条为变形的主控断层，Northridge地震前该区发生过多次逆冲型地震（Scientists of the US and the Sourthern California Earthquake Centre，1994）。为了凸显Northridge地震孕震区的变形特征，利用Hudnut等（1996）提供的震前GPS数据扣除了研究区域的整体欧拉运动，图2a给出了该速度场分布，图中断层数据来源于Hudnut等（1996）和网站（http：//earthquakeusgsgov/hazards/qfaults/）。图2a的GPS速度场结果表明沿Northridge地震发震断层存在大规模的挤压和右旋剪切运动。利用图2a的GPS速度数据，图2b给出了最小二乘配置球面方法计算得到的该区的应变率场分布（武艳强等，2009；Wu et al，2011）。应变率结果表明研究区域以近南北向挤压、近东西向拉张变形为主，其中Northridge震源区以西及以南地区以近南北向挤压为主，震源区东北部存在显著的剪切变形。考虑到Northridge发震断层为NWW向，可知震前该断裂带存在右旋剪切-挤压应变积累背景，量级为10×10-8/a。另外，利用图2a全部数据作为输入，采用块体变形模型（李延兴等，2001）计算得到了该区应变率具体量值为：主张应变率为（104±10）×10-8/a、主压应变率为（-125±09）×10-8/a，主张应变率方向为（805±17）°，反映了该区的总体应变积累背景。本文所得到的Northridge地震震源区地壳变形特征与Dunnellon等（2011）的描述一致。
对比两次地震震前变形特征可知，Northridge地震前的应变积累速度显著大于汶川地震前芦山地震震源区的长期应变积累速度。
2同震变形差异特征分析
芦山地震和Northridge地震的震源机制结果均显示为逆冲型破裂（http：//wwwglobalcmtorg），多项研究结果表明破裂均未大规模出露地表（张勇等，2013；徐锡伟等，2013；Scientists of the US，1994；Yeats，Huftile，1995； Hudnut et al，1996），且地表位移分布较为特殊（武艳强等，2013；Hudnut et al，1996），图3给出了这两次地震的同震水平位移场分布。
对比图3a、3b结果可以发现，二者既有相同点，又存在显著差异。首先，远离震源区均表现为逆冲应变释放特征，与震源机制一致。从芦山地震震中位置到茂县—汶川断裂之间表现出典型的左旋应变释放特征，而从Northridge震中位置到San Gabrief断层间则表现出双侧挤出应变释放特征，且延伸的范围较大。其次，相同震中距测点的同震位移结果表明，芦山地震的同震位移量值明显小于Northridge地震。最后，垂向位移存在显著差异，芦山地震的同震仅有个别测点表现出显著垂直位移特征，如超过10 mm的测点仅包括LS05和LS06。对比而言，Northridge地震引起的垂向位移更加明显，如超过+100 mm的测点包括SAFE、SAFR、PICO、RESE、NEWH、NORT、CHAT、CHRN，主要分布于震源区北侧。
基于1999～2007年和2009～2011年GPS资料研究表明，汶川地震后龙门山断裂带南段的挤压应变积累速率显著增加，汶川地震在一定程度上加速了芦山地震的孕育发生（武艳强等，2013；刘晓霞等，2015）。同时，2008年汶川地震后到芦山地震前震源区附近表现出快速挤压兼左旋剪切地表变形特征，芦山地震同震过程表明地表应变释放过程为挤压兼少量左旋剪切错动，从二者的地表变形方式角度是自洽的。Northridge地震前的变形背景为右旋-挤压特征，地震破裂以逆冲破裂为主，近场表现出类似“圆屋顶形”的东西两侧水平运动和垂直向上运动（Hudnut et al，1996），从GPS观测资料本身二者存在差异，但NWW向同震挤出幅度大于SEE向的特征在一定程度上反映了震前该区的右旋剪切变形背景。
3讨论与认识
强震孕育发生与区域地壳变形特征密切相关，一般而言，震前的变形模式与同震应变释放具有对称性，但对于破裂未达地表的盲断层发震又有其复杂性。
首先，芦山地震和Northridge地震震前各具特点，Northridge地震前应变积累速率显著大于芦山地震前龙门山南段的应变积累速率。2次地震的同震变形也表现出显著差异，芦山地震表现出挤压兼少量左旋应变释放特征，其中逆冲应变释放与震前挤压应变积累特征具有对称性；Northridge地震表现出挤压兼东西双向挤出和垂直向上的“圆屋顶形”应变释放特征，与震前右旋-挤压应变积累存在差异，但NWW向同震挤出幅度大于SEE向的特征在一定程度上反映了震前该区的右旋剪切变形背景。
其次，Northridge同震与震前变形特征存在差异的原因有如下可能：由于该地震为隐伏断裂发震，破裂未达地表导致了地表位移分布的顶端效应；震源区存在多条断层，震前地表变形场为这些断层的共同作用结果，而同震位移主要反映了发震断层的破裂特征。另外，相同震中距测点结果表明Northridge地震的同震變形幅度明显大于芦山地震。
最后，由于芦山地震的发震断层并不是龙门山3条主干断裂（徐锡伟等，2013），同震位移结果显示该地震并未造成3条主干断层的解锁，因此此次芦山地震不足以释放掉主干断裂的应变积累。
感谢两位匿名审稿专家提出的建设性意见；本文部分数据来源于GPS数据中心和四川省地震局；龙门山断裂带南段的GPS临时连续测网的运转得益于四川省地震局测绘工程院的大力支持，在此一并表示感谢。
参考文献：
陈长云.2016.张家口—渤海断裂带分段运动变形特征分析[J].地震，36（1）：1-11.
陈运泰，杨智娴，张勇等.2013.从汶川地震到芦山地震[J].中国科学：地球科学，43（6）：1064-1072.
杜方，龍锋，阮祥等.2013.四川芦山7.0级地震及其与汶川8.0级地震的关系[J].地球物理学报，56（5）：1772-1783.
江在森，方颖，武艳强等.2009.汶川8.0级地震前区域地壳运动与变形动态过程[J].地球物理学报，52（2）：505-518.
梁洪宝，刘志广，黄立人等.2015.非构造形变对中国大陆GNSS基准站垂向周期运动的影响[J].大地测量与地球动力学，35（4）：589-593.
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刘晓霞，武艳强，江在森等.2015.GPS观测揭示的芦山MS7.0地震前龙门山断裂带南段变形演化特征[J].中国科学：地球科学，45（8）：1198-1207.
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牛之俊，王敏，孙汉荣等.2005.中国大陆现今地壳运动速度场的最新观测结果[J].科学通报，50（8）：839-840.
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武艳强，江在森，王敏等.2013.GPS监测的芦山7.0级地震前应变积累及同震位移场初步结果[J].科学通报，58（20）：1910-1916.
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赵静，武艳强，江在森等.2013.芦山地震前龙门山断裂带闭锁程度与变形动态特征研究[J].地震学报，35（5）：681-691.
张勇，许力生，陈运泰.2013.芦山4·20地震破裂过程及其致灾特征初步分析[J].地球物理学报，56（4）：1408-1411.
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占伟，李斐，朱爽等.2016.应用GPS连续观测修正流动观测垂向速率的分析与试验[J].武汉大学学报（信息科学版），41（3）：1-5，doi：10.13203/j.whugis20130095.
祝意青，闻学泽，孙和平等.2013.2013年四川芦山Ms7.0地震前的重力变化[J].地球物理学报，56（6）：1887-1894.
摘要：
2013年四川芦山“4·20”MS70地震和1994年美国Northridge MW67地震的近场同震位移均表现出破裂未达地表的特征，利用1999～2007年GPS资料对比分析了2次地震的震前变形特征与同震位移的关联性。结果显示，芦山震源区存在较为显著的挤压应变积累（挤压应变率方位角约为284°），沿芦山地震破裂节面剪切变形不明显；芦山地震的同震位移场表现为逆冲兼少量左旋特征，反映了整个孕震周期的应变积累特性，可能表明震前10余年的观测并不能代表整个孕震周期特征。Northridge地震前，地表变形表现为右旋-挤压特征，同震以逆冲破裂为主，近场表现出类似“圆屋顶形”的东西两侧水平运动和垂直向上运动，GPS观测到的震前变形与同震释放的变形存在一定程度的不一致性。相同震中距测点结果表明：Northridge地震的同震地表位移幅度明显大于芦山地震，前者震前挤压应变积累速度显著大于1999～2007年芦山地震震源区的应变积累背景。
关键词：芦山地震；Northridge地震；震前变形背景；GPS同震位移
中图分类号：P315725文献标识码：A文章编号：1000-0666（2016）03-0404-06
0引言
2013年4月20日发生的芦山MS70地震位于龙门山断裂带南段，该地震造成的地表位移以逆冲错动为主、靠近发震断层约50 km的上盘一侧表现出类似左旋应变释放特征，推测认为同震位移的特殊分布模式是由于破裂未达地表所致（武艳强等，2013）。数字地震学反演和野外地质考察结果均表明，芦山地震的同震破裂没有大规模出露地表（張勇等，2013；徐锡伟等，2013）。赵静等（2013）采用DEFNODE负位错反演程序，估算了芦山地震前龙门山断裂带的闭锁程度，结果表明汶川地震的发生加速了芦山地震的孕育过程。杜方等（2013）分析了芦山地震的基本参数、余震分布、序列衰减等特征，认为芦山地震与汶川地震是两次独立的地震事件。吕坚等（2013）利用小震分布和区域应力场拟合了可能存在的发震断层面参数，综合分析了芦山地震序列的震源深度、震源机制、震源破裂面特征，探讨了可能的发震构造。陈运泰等（2013）指出，芦山地震后，龙门山断裂带南段仍存在发生MW72～73地震的危险性。祝意青等（2013）根据流动重力资料预测了芦山地震的震中位置，证实区域重力场观测对强震震中位置的判定具有独到的优势。
与芦山地震类似，1994年1月17日发生在美国加利福尼亚州的Northridge MW67地震的同震地表位移分布也比较特殊，震源区近场表现出东西双向挤出和垂直向上运动，外围表现出逆冲位错为主，同样表现出破裂未达地表特性（Scientists of the US and the Sourthern California Earthquake Centre，1994； Yeats，Huftile，1995； Hudnut et al，1996）。Hudnut等（1996）用多种模型对该地震的GPS数据进行处理来分析变形特征，且对比了大地测量方法和地震学方法的异同。多位学者（Scientists of the US and the Sourthern California Earthquake Centre，1994；Yeats，Huftile，1995； Donnellan et al，1993）分析了Northridge地震震源附近断层和地质构造的演化特征以及其与Northridge地震之间的关系。Scientists of the US and the Sourthern California Earthquake Centre（1994）认为该地震的发震断层为隐伏断裂，且该隐伏断裂在发震后才被识别。两次地震的近场同震位移均表现出与外围不一致的特征，且震级相当又同属逆冲型地震（http：//wwwglobalcmtorg）。因此，利用震源区及附近的GPS资料，针对震前和同震变形场的对比分析对认识地震孕育与破裂方式具有现实意义。
本文首先对比分析了芦山地震和Northridge地震前的变形背景，识别出了龙门山断裂南段在震间期的应变积累空间差异特征，并在此基础上对比分析了两次地震的震前变形特征与同震位移的关联性，并讨论了同震位移量值上的差异。
1震前区域变形特征分析
11芦山地震前
中国地壳运动观测网络区域站于1999年开始大规模观测，至2007年共进行了4期观测。图1a给出了1999～2007年龙门山断裂带附近GPS速度场分布，数据解算采用GAMIT/GLBOK软件（Herring et al，2010a， b）和QOCA软件（Dong et al，1998）。首先利用GAMIT软件解算得到测站坐标和卫星轨道等参数的单日松弛解，然后利用QOCA软件选定分布于全球的85个框架点，解算得到ITRF2005框架下的速度结果，最后进行基准变换得到图1结果，具体数据处理细节可参见文献（牛之俊等，2005；梁洪宝等，2014，2015；占伟等，2016；陈长云，2016）。1999～2007年GPS结果显示龙门山断裂带北东段处于全线闭锁状态，表现为断裂带邻近区域观测不到显著的地壳变形，而远离断裂带的巴颜喀拉地块内部地壳运动相对明显，上述结果与前人关于汶川地震前龙门山断裂带应变积累速度的研究结果一致（张培震等，2008；江在森等，2009；李延兴等，2009）。
考虑到最小二乘配置方法在边缘效应、孤立奇异测点影响、误差分布、点位稀疏度影响等方面均表现出的优势（Wu et al，2011），基于该方法，图1b给出了研究区主应变率和面应变率分布。结果表明汶川地震震源区南西侧断裂的应变积累速度明显大于北东侧，断裂带中北段挤压兼右旋剪切变形特征明显，中南段以挤压应变积累为主，沿芦山地震破裂节面基本识别不到剪切变形。龙门山断裂带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的特征，表明龙门山断裂带在震前较长时期已经积累了较高的应变能，致使有GPS观测以来无法观测到断裂带显著变形。
12Northridge地震前
Northridge地震震源区处于太平洋板块与北美板块交汇地区，震源位于圣安德列斯（San Andreas）断层附近的弯曲挤压区内，该区存在多组断层但没有一条为变形的主控断层，Northridge地震前该区发生过多次逆冲型地震（Scientists of the US and the Sourthern California Earthquake Centre，1994）。为了凸显Northridge地震孕震区的变形特征，利用Hudnut等（1996）提供的震前GPS数据扣除了研究区域的整体欧拉运动，图2a给出了该速度场分布，图中断层数据来源于Hudnut等（1996）和网站（http：//earthquakeusgsgov/hazards/qfaults/）。图2a的GPS速度场结果表明沿Northridge地震发震断层存在大规模的挤压和右旋剪切运动。利用图2a的GPS速度数据，图2b给出了最小二乘配置球面方法计算得到的该区的应变率场分布（武艳强等，2009；Wu et al，2011）。应变率结果表明研究区域以近南北向挤压、近东西向拉张变形为主，其中Northridge震源区以西及以南地区以近南北向挤压为主，震源区东北部存在显著的剪切变形。考虑到Northridge发震断层为NWW向，可知震前该断裂带存在右旋剪切-挤压应变积累背景，量级为10×10-8/a。另外，利用图2a全部数据作为输入，采用块体变形模型（李延兴等，2001）计算得到了该区应变率具体量值为：主张应变率为（104±10）×10-8/a、主压应变率为（-125±09）×10-8/a，主张应变率方向为（805±17）°，反映了该区的总体应变积累背景。本文所得到的Northridge地震震源区地壳变形特征与Dunnellon等（2011）的描述一致。
对比两次地震震前变形特征可知，Northridge地震前的应变积累速度显著大于汶川地震前芦山地震震源区的长期应变积累速度。
2同震变形差异特征分析
芦山地震和Northridge地震的震源机制结果均显示为逆冲型破裂（http：//wwwglobalcmtorg），多项研究结果表明破裂均未大规模出露地表（张勇等，2013；徐锡伟等，2013；Scientists of the US，1994；Yeats，Huftile，1995； Hudnut et al，1996），且地表位移分布较为特殊（武艳强等，2013；Hudnut et al，1996），图3给出了这两次地震的同震水平位移场分布。
对比图3a、3b结果可以发现，二者既有相同点，又存在显著差异。首先，远离震源区均表现为逆冲应变释放特征，与震源机制一致。从芦山地震震中位置到茂县—汶川断裂之间表现出典型的左旋应变释放特征，而从Northridge震中位置到San Gabrief断层间则表现出双侧挤出应变释放特征，且延伸的范围较大。其次，相同震中距测点的同震位移结果表明，芦山地震的同震位移量值明显小于Northridge地震。最后，垂向位移存在显著差异，芦山地震的同震仅有个别测点表现出显著垂直位移特征，如超过10 mm的测点仅包括LS05和LS06。对比而言，Northridge地震引起的垂向位移更加明显，如超过+100 mm的测点包括SAFE、SAFR、PICO、RESE、NEWH、NORT、CHAT、CHRN，主要分布于震源区北侧。
基于1999～2007年和2009～2011年GPS资料研究表明，汶川地震后龙门山断裂带南段的挤压应变积累速率显著增加，汶川地震在一定程度上加速了芦山地震的孕育发生（武艳强等，2013；刘晓霞等，2015）。同时，2008年汶川地震后到芦山地震前震源区附近表现出快速挤压兼左旋剪切地表变形特征，芦山地震同震过程表明地表应变释放过程为挤压兼少量左旋剪切错动，从二者的地表变形方式角度是自洽的。Northridge地震前的变形背景为右旋-挤压特征，地震破裂以逆冲破裂为主，近场表现出类似“圆屋顶形”的东西两侧水平运动和垂直向上运动（Hudnut et al，1996），从GPS观测资料本身二者存在差异，但NWW向同震挤出幅度大于SEE向的特征在一定程度上反映了震前该区的右旋剪切变形背景。
3讨论与认识
强震孕育发生与区域地壳变形特征密切相关，一般而言，震前的变形模式与同震应变释放具有对称性，但对于破裂未达地表的盲断层发震又有其复杂性。
首先，芦山地震和Northridge地震震前各具特点，Northridge地震前应变积累速率显著大于芦山地震前龙门山南段的应变积累速率。2次地震的同震变形也表现出显著差异，芦山地震表现出挤压兼少量左旋应变释放特征，其中逆冲应变释放与震前挤压应变积累特征具有对称性；Northridge地震表现出挤压兼东西双向挤出和垂直向上的“圆屋顶形”应变释放特征，与震前右旋-挤压应变积累存在差异，但NWW向同震挤出幅度大于SEE向的特征在一定程度上反映了震前该区的右旋剪切变形背景。
其次，Northridge同震与震前变形特征存在差异的原因有如下可能：由于该地震为隐伏断裂发震，破裂未达地表导致了地表位移分布的顶端效应；震源区存在多条断层，震前地表变形场为这些断层的共同作用结果，而同震位移主要反映了发震断层的破裂特征。另外，相同震中距测点结果表明Northridge地震的同震變形幅度明显大于芦山地震。
最后，由于芦山地震的发震断层并不是龙门山3条主干断裂（徐锡伟等，2013），同震位移结果显示该地震并未造成3条主干断层的解锁，因此此次芦山地震不足以释放掉主干断裂的应变积累。
感谢两位匿名审稿专家提出的建设性意见；本文部分数据来源于GPS数据中心和四川省地震局；龙门山断裂带南段的GPS临时连续测网的运转得益于四川省地震局测绘工程院的大力支持，在此一并表示感谢。
参考文献：
陈长云.2016.张家口—渤海断裂带分段运动变形特征分析[J].地震，36（1）：1-11.
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