2. 中国地震台网中心, 北京 100045;
3. 中国地震局第一监测中心, 天津 300180;
4. 中国地震局地震预测研究所, 北京 100036;
5. 四川省地震局, 四川 成都 610041
2. China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China;
3. First Crust Monitoring and Application Center, China Earthquake Administration, Tianjin 300180, China;
4. Institute of Earthquake Forecasting, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China;
5. Sichuan Earthquake Administration, Chengdu 610041, China
断层愈合是指震间期断层恢复强度的过程，在大地震中破裂的断层将在下一次大地震前愈合并重新闭锁[1-2]，为弹性能量积累创造条件。愈合速率主要与压力、温度、矿物、裂隙闭合、沉淀作用、生物生长等有关[3-7]，是控制地震周期的关键机制[8-9]。因此，研究震后断层愈合过程对深入理解地震机理、地震断裂理论[10]、地震周期全过程[11]和预测未来地震风险[2]等具有重要意义。汶川地震后龙门山断层中北段基本完全破裂，而西南段并没有发生破裂，中段震源周边断层面的愈合过程和西南段断层的闭锁演化特征，为认识大陆高角度逆冲型强震后断层愈合机制和弹性应变能积累提供了一次很好的研究机会。GPS技术是监测现今地壳运动的一种强有力的工具[12]，能够监测到断裂带及周边区域在强震孕育、发生和调整过程中出现的地壳动态变形。汶川地震前龙门山断裂带周边尤其是其北西侧GPS观测站点相对较少，汶川地震后中国地震局地震预测研究所在龙门山断裂带西南段周边布设了10个GPS连续观测站、在鲜水河-安宁河断裂带周边布设了4个GPS连续观测站。这些站点与中国大陆构造环境监测网络、四川省地震局布设的GPS连续站(图 1)为我们利用大地测量资料持续监测和研究龙门山断层中南段在汶川震后的闭锁动态特征与愈合过程提供了强有力的支撑。
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| 图 1 龙门山断层中南段周边GPS连续站场地分布 Fig. 1 Distribution of continuous GPS stations around the middle-southern segment of the Longmenshan fault |
一些研究学者通过深钻断裂带渗透率结果[7]、地震波速度结果[13]、b值结果[14]等推断汶川地震后龙门山断层正在快速愈合，同时摩擦试验结果[15-16]也表明汶川地震后龙门山断层存在快速愈合的可能。由于深钻断裂带渗透率结果，对于汶川地震二百多千米长的破裂带而言只是一个点，不一定能代表整个破裂带的渗透率情况；地震波速度结果和b值结果只能推断断层的愈合情况，并不是直接表征断层愈合的结果，可能断层还没有愈合，但是地震波速度或b值已经恢复了；摩擦试验结果无法给出断层实际愈合时间的概念，只能得到不同断层愈合的相对快慢；而GPS结果为最直接的能够反映断层运动特征的地表观测结果，是更加直观和客观的结果，而且GPS时间序列能够对断层的运动和愈合过程进行连续跟踪，并给出断层愈合时间。目前在龙门山地区尚较少有学者利用GPS时间序列通过反演方法研究断层面闭锁程度和愈合过程动态演化特征，本文在收集了龙门山地区丰富的GPS连续站资料，并能够对龙门山断层中南段进行有效约束的情况下，试图利用GPS连续站2010.30-2013.30这3年时间序列的解算结果，分不同时间尺度，采用TDEFNODE负位错程序[17]反演汶川地震后龙门山断层中南段闭锁程度和滑动亏损速率的动态变化，并将结果与其他手段研究结果进行对比，归纳分析中段断层不同位置愈合过程的时空演化特征、滑动速率的空间差异等，讨论西南段断层的地震危险背景。
1 TDEFNODE方法原理文献[17]给出了TDEFNODE负位错软件的相关说明。该程序能够利用GPS日值时间序列，实现对断层运动和闭锁状态的连续跟踪，并在一些海洋俯冲带地区同时考虑断层闭锁和慢地震的影响进行反演计算[18-21]；还能够利用同震数据进行断层面同震滑动分布研究、利用震后数据进行震后变形特征分析等[22]。
TDEFNODE为考虑中上地壳运动与变形的负位错反演程序，程序假定块体边界下部的塑性区可以自由滑动，其上部的弹性区因断层存在闭锁作用(部分闭锁或完全闭锁)而限制了相对运动并导致应力应变积累。因此地表点的运动为块体旋转、块体内部永久应变和块体边界由于断层闭锁而引起的弹性变形之和，利用GPS时间序列，在对年周期、半年周期、突跳等信号进行拟合的同时，通过非线性反演方法，求得块体旋转角速度、块体内部永久应变、块体边界断层闭锁程度和滑动亏损速率等。反演计算时，将断层几何形状作为断层参数输入值，通过分布在断层面上的节点表示断层的三维结构，节点先沿等深线分布，每条等深线包含相同数量的节点，再垂直于等深线分布。利用程序可计算得到每个节点处断层闭锁程度，进而通过双线性插值方法计算相邻节点之间断层小网格区域的闭锁程度，断层闭锁程度与该处断层长期滑动速率的乘积即为滑动亏损速率[23]。
负位错反演模型理论表达式为
(1)
式中，X为GPS测站的位置；Vi(X)为测站X的速度；B为块体数目；Δb为b块体模型区域的子集(如果点X在块体b范围内H=1，否则H=0)；i为i方向速度单位矢量(x/y/z)；RΩb为块体b相对于参考框架的欧拉极；
当通过模拟退火、网格搜索等技术，使得
(2)
式中，ri为残差；f为权比因子(用于对不同类型观测数据进行定权，并考虑未包括在数据不确定性估计中的额外不确定性)；σi为标准差；dof为自由度(观测值数量-自由参数数量)[23]。Pk为其他惩罚因子，主要用于将参数保持在指定范围和将平滑因子应用于滑动分布[25]。
2 数据与模型 2.1 GPS点位分布与断层模型本研究所用数据包括中国大陆构造环境监测网络的连续站、中国地震局地震预测研究所和四川省地震局布设的连续站(图 1)。由于研究区域内的GPS流动观测站在2010.30-2013.30时间段，仅有2011年一期观测，流动观测结果与3年尺度连续观测结果时间上不能够重合，且流动观测为两年一期，无法与年尺度的连续观测结果时间上重合，因此本次反演仅用了连续观测结果。本文研究重点为龙门山断层中南段，因为鲜水河断裂带与龙门山断裂带在青藏高原东缘交叉，青藏高原的运动变形扩展到该区域时，这两条断裂带之间的运动与变形存在着较强的相互影响，因此本研究在建立块体和断层系统模型时同时考虑了上述两条断裂带，并考虑到活动块体内部相对稳定、运动与变形相对一致的特点[26]，以及周边主干断层分布，将研究区域以龙门山断层和鲜水河断层为边界划分为3个块体，其中块体1为龙门山块体的部分区域、块体2为四川盆地的部分区域、块体3为川西北块体的部分区域；块体1和块体2之间为龙门山断层模型，块体1和块体3之间为鲜水河断层模型(图 1)。
芦山地震后，文献[27]根据科学考察结果分析认为芦山地震的发震断层为地壳中正在形成的新生盲逆断层，文献[28]对芦山震中周边的GPS连续观测站进行了野外现场考察，文献[29]利用布设在龙门山断层西南段周边较丰富的GPS连续站和流动站资料，对芦山地震破裂断层面的展布和同震滑动分布作了详细分析。本文根据地震精定位结果显示的芦山地震发震断层结构[27]和芦山地震同震破裂模型的研究结果[29]，将龙门山断层中南段模型设置如下：断层走向设置为208°、断层倾角设置为43°，断层总长度为325 km、断层面总宽度为36 km。
一般断层浅部闭锁程度和滑动亏损速率变化相对较为缓和，深部变化相对陡一些，特别是在震源深度附近，因此在0~12 km深度设置等深线的深度为6 km，而在12~24 km深度设置等深线的深度为4 km，主要目的是在有限的节点设置情况下，尽量展现断层闭锁程度和滑动亏损速率的变化梯度。另外，将24.6 km深度设置为蠕滑深度，该深度以下断层是蠕滑状态。综上所述，总共沿断层走向设置7条等深线，深度依次为0.1、6、12、16、20、24和24.6 km。沿着断层走向方向，每条等深线上设置11个节点，由于芦山震中区域布设了相对较多的GPS连续站，为了使反演结果显示汶川震中至芦山震中闭锁程度的过渡变化，因此节点设置较密。
2.2 GPS时间序列解算解算GPS时间序列时，首先使用GAMIT/GLOBK软件[30-31]将GPS连续站观测数据与309个全球均匀分布的IGS站数据一并解算。解算单日松弛解时，天线相位中心模型采用IGS提供的绝对PCVs模型[32]，海潮模型使用FES2004[33]，对流层映射函数选用GMF[34]，考虑到龙门山地区属于内陆地区，海潮的非潮汐对该区域影响相对较小，同时大气的非潮汐在小范围空间内比较一致，因此在GPS数据处理中，暂时没有考虑海潮和大气非潮汐改正；然后使用QOCA软件[35]联合所有的单天解进行整体平差，在309个IGS站中选取80个全球范围内均匀分布的测站作为框架点，通过这些框架点求解相对于全球参考框架ITRF2008[36]的相似变换参数，从而获得各测站在ITRF2008下的坐标时间序列[37]。在GAMIT软件处理时，将所有测站分为多个子网，每个子网测站数不超过100个，且每个子网间有5~10个公共点。为了保证数据处理的自洽性，在整体平差时没有采用IGS提供的全球范围h文件，同时为了能在全球范围内选出足够多的框架点，因此本文用GAMIT软件处理中国境内的数据时，每天下载309个IGS站数据一起平差处理。
GPS时间序列数据的时间跨度为2010.30-2013.30，具体时间段为芦山地震前3整年时间，选择这个时间段主要因为很多GPS测站在2010年以后才开始有观测数据，因此为了有更多的测站资料参与计算，对反演模型提供更好的约束，并考虑到汶川震后影响的减弱，本文的数据没有从2008年开始。此外，由于四川省地震局布设的部分连续站在2010年没有数据，因此部分测站没有参与反演计算(所有参与反演计算的点见表 1)。
| 点名 | 块体 | 经度/(°) | 纬度/(°) | 时间起点 | 时间终点 | E速率/(mm/a) | N速率/(mm/a) | U速率/(mm/a) | E旋转/(mm/a) | N旋转/(mm/a) | E应变/(mm/a) | N应变/(mm/a) | E弹性/(mm/a) | N弹性/(mm/a) | U弹性/(mm/a) |
| LS02 | 块体1 | 103.27 | 30.67 | 2010.30 | 2013.30 | 5.46 | -4.68 | 1.77 | 11.80 | -9.57 | -1.77 | 1.87 | -4.57 | 3.01 | 1.77 |
| LS03 | 块体1 | 102.69 | 30.98 | 2010.30 | 2013.28 | 9.61 | -3.59 | 0.29 | 11.96 | -9.33 | -0.05 | 4.39 | -2.30 | 1.36 | 0.29 |
| LS05 | 块体1 | 102.92 | 30.16 | 2010.30 | 2013.30 | 4.25 | -4.96 | 3.00 | 11.66 | -9.43 | -0.34 | -1.69 | -7.07 | 6.16 | 3.00 |
| LS06 | 块体1 | 102.82 | 30.30 | 2010.30 | 2013.29 | 4.81 | -5.10 | 4.29 | 11.72 | -9.38 | -0.07 | -0.60 | -6.84 | 4.89 | 4.29 |
| LS07 | 块体1 | 102.72 | 30.45 | 2010.30 | 2013.29 | 6.13 | -5.21 | 2.24 | 11.77 | -9.34 | 0.17 | 0.51 | -5.81 | 3.63 | 2.24 |
| LS08 | 块体1 | 102.74 | 30.71 | 2010.30 | 2013.29 | 7.98 | -4.66 | 0.97 | 11.86 | -9.36 | -0.07 | 2.42 | -3.81 | 2.28 | 0.97 |
| LS09 | 块体1 | 101.87 | 30.95 | 2010.30 | 2013.29 | 13.22 | -3.99 | -0.28 | 12.02 | -9.00 | 2.65 | 4.60 | -1.44 | 0.41 | -0.28 |
| LS10 | 块体1 | 102.15 | 30.07 | 2010.30 | 2013.30 | 6.59 | -9.38 | -1.14 | 11.69 | -9.12 | 2.24 | -1.99 | -7.33 | 1.73 | -1.14 |
| SCTQ | 块体1 | 102.77 | 30.07 | 2010.52 | 2013.30 | 4.54 | -5.71 | 4.30 | 11.64 | -9.36 | 0.23 | -2.25 | -7.33 | 5.91 | 4.30 |
| SCXJ | 块体1 | 102.37 | 31.00 | 2010.34 | 2013.30 | 11.14 | -3.61 | -0.02 | 11.99 | -9.21 | 0.97 | 4.72 | -1.82 | 0.87 | -0.02 |
| SCMX | 块体1 | 103.85 | 31.67 | 2010.74 | 2013.30 | 7.53 | -0.90 | 0.30 | 12.09 | -9.79 | -4.24 | 8.87 | -0.32 | 0.02 | 0.30 |
| LS01 | 块体2 | 103.39 | 30.11 | 2010.30 | 2013.30 | 1.57 | -1.68 | 0.36 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1.57 | -1.68 | 0.36 |
| LS04 | 块体2 | 103.29 | 29.84 | 2010.30 | 2013.29 | 1.51 | -1.82 | 0.25 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1.51 | -1.82 | 0.25 |
| CHDU | 块体2 | 104.06 | 30.64 | 2010.30 | 2013.30 | 0.51 | -0.47 | 0.14 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.51 | -0.47 | 0.14 |
| JYAN | 块体2 | 104.54 | 30.39 | 2010.30 | 2013.30 | 0.29 | -0.27 | 0.04 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.29 | -0.27 | 0.04 |
| LESH | 块体2 | 103.76 | 29.56 | 2010.30 | 2013.30 | 0.73 | -0.79 | -0.04 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.73 | -0.79 | -0.04 |
| MYAN | 块体2 | 104.73 | 31.44 | 2010.30 | 2013.30 | -0.01 | -0.10 | 0.10 | 0 | 0 | 0 | 0 | -0.01 | -0.10 | 0.10 |
| PIXI | 块体2 | 103.76 | 30.91 | 2010.30 | 2013.30 | 0.86 | -0.74 | 0.36 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.86 | -0.74 | 0.36 |
| QLAI | 块体2 | 103.31 | 30.35 | 2010.30 | 2013.29 | 1.91 | -2.03 | 0.82 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1.91 | -2.03 | 0.82 |
| RENS | 块体2 | 104.10 | 30.20 | 2010.30 | 2013.30 | 0.54 | -0.52 | 0.06 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.54 | -0.52 | 0.06 |
| ROXI | 块体2 | 104.43 | 29.46 | 2010.30 | 2013.30 | 0.38 | -0.37 | -0.05 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.38 | -0.37 | -0.05 |
| YAAN | 块体2 | 103.01 | 29.98 | 2010.30 | 2013.30 | 2.80 | -3.55 | 1.24 | 0 | 0 | 0 | 0 | 2.80 | -3.55 | 1.24 |
| ZHJI | 块体2 | 104.55 | 31.01 | 2010.30 | 2013.29 | 0.13 | -0.17 | 0.10 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.13 | -0.17 | 0.10 |
| SCMB | 块体2 | 103.53 | 28.84 | 2010.52 | 2013.30 | 0.61 | -0.71 | -0.13 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.61 | -0.71 | -0.13 |
| LS21 | 块体3 | 101.01 | 30.11 | 2010.54 | 2013.30 | 8.15 | -11.33 | -0.04 | 6.74 | -13.57 | 0.85 | 1.52 | 0.56 | 0.72 | -0.04 |
| LS22 | 块体3 | 101.56 | 29.85 | 2010.73 | 2013.30 | 6.76 | -10.90 | -0.26 | 6.60 | -13.73 | -0.77 | 1.21 | 0.93 | 1.62 | -0.26 |
| LS23 | 块体3 | 102.05 | 29.07 | 2010.76 | 2013.09 | 5.25 | -12.77 | -0.10 | 6.32 | -13.88 | -2.57 | -0.35 | 1.50 | 1.46 | -0.10 |
| SCDF | 块体3 | 101.12 | 30.98 | 2011.06 | 2013.30 | 7.44 | -9.22 | -0.25 | 6.97 | -13.60 | 1.13 | 3.63 | -0.65 | 0.74 | -0.25 |
| SCJL | 块体3 | 101.50 | 29.01 | 2010.56 | 2013.30 | 5.64 | -14.03 | 0.17 | 6.37 | -13.71 | -1.16 | -0.81 | 0.43 | 0.49 | 0.17 |
| SCXC | 块体3 | 99.80 | 28.94 | 2010.57 | 2013.30 | 9.95 | -15.00 | 0.06 | 6.54 | -13.20 | 3.30 | -1.93 | 0.11 | 0.13 | 0.06 |
| 注：E/N速率=E/N旋转+E/N应变+E/N弹性，其中E/N旋转为块体刚性运动产生的旋转速率，E/N应变为块体内部永久应变产生的永久应变速率，E/N弹性为断层闭锁产生的弹性应变速率。 | |||||||||||||||
3 研究结果 3.1 最优模型选择
本文利用TDEFNODE负位错反演程序设定模型时，假定断层从地表往下闭锁逐渐减弱、深部蠕滑。由于四川盆地内部变形微弱、整体稳定，因此认为块体2只存在整体旋转运动和由于断层闭锁而产生的弹性应变，内部不存在永久应变。由于龙门山块体和川西北块体内部变形明显，因此认为块体1和块体3存在整体旋转运动、内部永久应变、由于断层闭锁而产生的弹性应变。模型试算过程中，可以调整f值、参数初始值(包括块体运动参数、块体均匀应变参数、断层各个节点的闭锁程度参数)及反演策略(时间序列突跳和年周期及半年周期的扣除、时间序列速率求解方案)等，使反演效果逐渐变优。经过多次试算，得到了2010.30-2013.30期间GPS时间序列最优模型拟合结果，其中GPS时间序列权比因子f取为1.2，拟合所得
图 2和表 1展示了利用3年GPS时间序列反演得到的30个站点的总速率、块体刚性运动产生的旋转速率、块体内部永久应变产生的永久应变速率和断层闭锁产生的弹性应变速率，因为模型设置时，将块体2设置为参考块体且无内部变形，因此块体2的旋转速率和永久应变速率均为0(表 1)。反演得到的由于断层闭锁引起的弹性应变速率结果(图 2，表 1)显示，相对于块体2和块体3，块体1内GPS点的弹性应变速率较大，特别是靠近龙门山断层西南段的GPS点的弹性应变速率更大，其中以LS05、SCTQ、LS06点的弹性应变速率最大(图 2(b))；块体2内最靠近断层的YAAN点和QLAI点的弹性应变速率较大，其他点的弹性应变速率较小。以上结果表明，断层闭锁对地表断层附近点的影响最明显，随着与断层垂直距离的增大，断层闭锁造成的影响程度逐渐降低；同时，龙门山断层西南段闭锁对北西侧的龙门山块体造成的影响明显高于对南东侧的四川盆地造成的影响，表明目前积累的弹性应变能主要集中在北西侧的龙门山块体内，这与汶川地震前龙门山断层中北段的变形特征[38-39]和汶川地震同震能量释放特征[40-41]相似。
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| 图 2 2010.30-2013.30期间GPS运动速率反演结果(相对于块体2) Fig. 2 The inversion results of GPS velocity fields from 2010.30 to 2013.30 (related to block 2) |
通过将模型反演所得各点的GPS总速率值与由时间序列直接拟合得到的速率值进行对比，即对比模型拟合速率残差，能够在一定程度上检验反演结果拟合的好坏，图 3(a)结果显示速率模型值与时间序列拟合值相符性较好，表明模型拟合效果较好。同时GPS站点3个方向的时间序列观测值与模型反演值能够显示各个站点的具体拟合情况，图 3(b)-图 3(d)给出了LS05站点(距离龙门山断层很近且弹性应变速率很大，具体位置见图 2(b))的拟合结果，图 3(b)为东西(EW)向观测值与反演值、图 3(c)为南北(NS)向观测值与反演值、图 3(d)为U向观测值与反演值，结果显示整体拟合效果较好，表明反演结果可靠。
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| 图 3 2010.30-2013.30期间GPS速率与LS05点时间序列拟合结果 Fig. 3 The fitting results of GPS velocity field and time series of LS05 from 2010.30 to 2013.30 |
3.2 断层闭锁程度与滑动亏损速率反演结果
图 4为最优模型反演所得2010.30-2013.30期间龙门山断层中南段的闭锁程度和滑动亏损速率结果。图 4(a)、图 4(c)结果显示，汶川震中周边在经历了汶川地震破裂解锁后，正在逐渐恢复闭锁，震中处闭锁程度约为0.5；芦山震中周边尤其是西南方向断层处于完全闭锁状态，表明汶川地震对该区域断层的闭锁没有产生显著影响。图 4(b)、图 4(d)结果显示，龙门山断层中南段的滑动亏损速率基本从断层面南西(SW)端至北东(NE)端逐渐减小，西南端周边滑动亏损速率最大值约为21 mm/a，至东北端滑动亏损速率逐渐过渡为蠕滑，其中芦山震中处滑动亏损速率约为16 mm/a，汶川震中处滑动亏损速率约为6 mm/a。龙门山断层中南段较大的滑动亏损速率与文献[42-43]所给出的汶川震后断层两侧近场区域的相对运动速率基本一致，主要反映了汶川震后的影响作用。
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| 图 4 2010.30-2013.30期间龙门山断层中南段断层闭锁程度与滑动亏损速率 Fig. 4 The fault locking and slip deficit rate in the middle-southern segment of the Longmenshan fault from 2010.30 to 2013.30 |
图 5为垂直龙门山断层模型的两条剖面拟合结果(剖面位置见图 2)，其中剖面长约285 km，剖面1跨龙门山断层中段，宽100 km；剖面2跨龙门山断层西南段，宽120 km。图中红色线为垂直断层运动的模型拟合结果，斜率为负表示挤压，反之为拉张；蓝色线为平行断层运动的模型拟合结果，斜率为负表示右旋，反之为左旋。图 5(a)结果表明，龙门山断层中段垂直断层挤压滑动速率在断层处有约6.4 mm/a的阶跃，断层两侧存在明显的运动差异，表明目前该处断层仍处于蠕滑状态，这与图 4汶川震中NE侧断层闭锁很弱的结果是一致的；平行断层右旋走滑速率在断层处并没有明显的阶跃，表明龙门山断层中段目前的蠕滑运动以垂直断层的挤压运动为主，而右旋走滑运动较弱，但在块体1内部165 km范围内有约8.8 mm/a的右旋扭动量，平均右旋扭动变形率为5.3×10-8/a(即：0.053 mm/km/a)，明显高于汶川震前的(2.1~2.6)×10-8/a[41, 44]，表明块体1内部的右旋扭动变形很明显。图 5(b)结果表明，龙门山断层西南段垂直断层挤压滑动速率在断层处有约1.4 mm/a的小阶跃，而且在块体1内部165 km范围内有约9.2 mm/a的挤压变形，平均挤压变形率为5.6×10-8/a，明显高于汶川震前的(0.7~1.3)×10-8/a[41, 44]，也明显高于中段的约3.0 mm/a，在块体2内部120 km范围内有约3.6 mm/a的挤压变形，明显高于中段的约0.9 mm/a；垂直断层模型拟合速度结果基本符合反正切函数[45]的分布特征，这些结果表明龙门山断层西南段闭锁很强，积累挤压弹性应变能的速率更快。龙门山断层西南段平行断层走滑速率在断层处也没有明显的阶跃，近断层处表现出左旋走滑运动特征，这与芦山地震同震破裂特征一致[29, 46]，远场块体之间表现出右旋运动特征；在块体1内部165 km范围内有约5.6 mm/a的右旋扭动量，低于中段的约8.8 mm/a右旋扭动量。龙门山断层中段和西南段近断层处不同走滑运动特征，表明块体1内部变形在靠近龙门山断层处表现出扇形分布特征，在龙门山断层两个端点处作挤出运动。
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| 图 5 2010.30-2013.30期间横跨龙门山断层中段和西南段的速度拟合结果(相对于块体2) Fig. 5 The velocity fitting results across the middle segment and the southwestern segment of the Longmenshan fault from 2010.30 to 2013.30 (related to Block 2) |
图 6为利用年尺度GPS时间序列反演得到的龙门山断层中南段最优模型闭锁程度。2010.30-2011.30结果(图 6(a))显示汶川地震后，破裂解锁的震中周边虽然正在逐渐恢复闭锁，但闭锁依然较弱，闭锁程度约为0.1；芦山震中周边尤其西南方向断层处于完全闭锁状态。2011.30-2012.30结果(图 6(b))显示汶川震中附近的闭锁程度在逐渐增强，闭锁程度约为0.4，闭锁范围也在逐渐扩大；芦山震中周边的闭锁程度没有发生太大变化。2012.30-2013.30结果(图 6(c))显示汶川震中附近的闭锁程度在进一步增强，闭锁程度约为0.6，闭锁范围也在进一步往东北方向扩大；芦山震中和汶川震中之间断层面的闭锁程度也在进一步增强。从3年时间演化结果来看，汶川震中周边的闭锁程度在逐年增强，闭锁范围也逐年往东北方向扩展，表明汶川震中周边的断层面正在快速愈合，并且愈合的范围正在增大；芦山震中西南方向断层闭锁程度没有发生明显改变，其与汶川震中之间断层面的断层闭锁程度也在逐年增强，表明这一区域的断层面也在快速愈合。
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| 图 6 龙门山断层中南段年尺度断层闭锁程度反演结果 Fig. 6 The inversion results of fault locking of annual scale in the middle-southern segment of the Longmenshan fault |
图 7为利用年尺度GPS时间序列反演得到的龙门山断层中南段最优模型滑动亏损速率。2010.30-2011.30结果(图 7(a))显示龙门山断层中南段的滑动亏损速率基本从西南端至东北端逐渐减小，西南端最大滑动亏损速率约为22 mm/a，东北端滑动亏损速率逐渐过渡为蠕滑，其中芦山震中处滑动亏损速率约为16 mm/a，汶川震中处滑动亏损速率约为3 mm/a。2011.30-2012.30结果(图 7(b))显示汶川震中周边的滑动亏损速率在逐渐增强，震中处亏损速率约为6 mm/a；芦山震中西南方向的滑动亏损速率有所减小，最大值约为20 mm/a。2012.30-2013.30结果(图 7(c))显示汶川震中周边的滑动亏损速率在进一步增强，亏损速率约为9 mm/a；芦山震中西南方向的滑动亏损速率也在进一步减小，最大值约为18 mm/a。从3年时间演化结果来看，随着断层逐渐愈合，汶川震中附近尤其西南方向断层的滑动亏损速率在逐年增大，但这并不意味着滑动亏损速率会随着闭锁增强而一直增加下去，因为随着震后影响的减弱，巴颜喀拉块体相对于华南块体的运动速率会快速衰减[42]，在一段时间以后，二者的相对运动速率会恢复至震间期水平，那时龙门山断层即使恢复了完全闭锁，其滑动亏损速率也不会太大，而是恢复至震间期滑动亏损速率的量值大小。
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| 图 7 龙门山断层中南段年尺度断层滑动亏损速率反演结果 Fig. 7 The inversion results of slip deficit rate of annual scale in the middle-southern segment of the Longmenshan fault |
图 8为LS05点年尺度时间序列原始观测值与最优模型给出的反演值，结果表明年尺度时间序列的拟合效果也较好。
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| 图 8 LS05点年尺度时间序列观测值与模型反演值 Fig. 8 Observations and inversion values of annual scale time series of the LS05 point |
4 结论与讨论 4.1 结论
考虑到断层闭锁程度和愈合过程在时间和空间上均可能发生变化，本文利用汶川震后、芦山震前3年时间GPS时间序列分不同时间尺度，研究了龙门山断层中南段的闭锁程度、滑动亏损速率的动态演化特征，这有利于更清楚地认识震后断层愈合动态过程。
(1) 龙门山断层不同段震后愈合过程有显著差异。龙门山断裂带汶川地震破裂带震后愈合过程在不同段呈现不同特征，震中附近破裂断层震后开始快速愈合；而震中东北方向的大部分破裂断层在本文研究时段内尚未愈合，仍处于蠕滑状态，剖面结果显示近断层处存在约6.4 mm/a的挤压蠕滑速率，估计演化到愈合还需要至少数年以上的时间。
(2) 龙门山断层不同段震后活动特征有显著差异。垂直龙门山断层模型的两条剖面拟合结果表明，龙门山断层中段在汶川地震后仍处于蠕滑状态，断层两侧存在明显的挤压运动差异，且在块体1内部右旋扭动变形明显。龙门山断层西南段在块体1内部挤压变形明显，且在块体2内部也产生了较强的挤压变形；垂直断层模型拟合速度结果基本符合反正切函数的分布特征，表明龙门山断层西南段闭锁很强，积累挤压弹性应变能的速率更快。龙门山断层西南段在近断层处和块体之间表现出不同的走滑运动特征，表明龙门山块体内部变形在靠近龙门山断层处表现出扇形分布特征，在龙门山断层西南端点附近作挤出运动。
(3) 龙门山断层西南段仍处于强闭锁状态。在汶川地震时未发生破裂的龙门山断层西南段整体仍保持强闭锁状态[47]，虽然该段已经发生了芦山地震，但是由于芦山地震发生在正在形成的新生盲逆断层[27]，并没有破裂到地表，因此芦山地震对西南段断层的能量释放是局部的、有限的[48]，芦山地震的发生也并未导致西南段明显解锁。同时，完全闭锁区域的滑动亏损速率在2010.30-2013.30期间由高值逐渐减小，可能表明龙门山断层中段已经愈合的区域分担了部分巴颜喀拉块体对四川盆地的挤压作用[49]。龙门山断层西南段在整体处于强闭锁状态，并且挤压弹性应变快速积累的情况下，发生大震的背景有所增强。
4.2 讨论(1) 本文研究结果与其他手段研究结果的异同。大震后断裂带渗透率的变化能够反映裂隙的发育和愈合情况[4, 50]。文献[7]利用汶川地震后科学钻探一号孔获得的深部钻孔水位的潮汐响应跟踪龙门山破裂带的渗透率，结果显示2010年1月至2011年7月之间渗透率快速下降，这种现象反映了震后断层闭合或者连通性降低，推断震后断层存在快速愈合过程。但是深钻反映的只是局部区域的信息，不一定能代表整个龙门山破裂带的渗透率情况。
实验室研究表明地震波速度对应力场很敏感[51]。文献[13]将时移层析成像技术运用于龙门山地区，利用包含汶川地震和芦山地震的四期地震波走时数据进行了联合反演，获得了断裂带同震和震后速度结构演化的全过程图像，观测到了清晰的汶川同震地震波速度降低和震后快速恢复现象，因此推断破裂断层存在震后快速愈合现象。但是地震波速度结果并不能直接表征断层的愈合情况，可能在断层还没有完全愈合时，地震波速度已经恢复。
摩擦试验能够获得震后断层强度恢复和愈合的相关信息。文献[15]利用龙门山断裂带地表断层带露头上的断层泥和少量汶川科钻一号孔的断层泥作了高速滑移下的滑移-保持-滑移试验，结果显示断层在经历高速滑移之后，出现了快速的强度恢复和愈合；文献[16]利用龙门山断裂带地表暴露处的断层泥作直剪摩擦试验，发现含碳酸盐岩/黏土岩心的断层浅层愈合的速度比以前从室温试验中认识到的要快得多。但是摩擦试验结果只能得到不同断层愈合时间的相对快慢，并不能给出断层实际愈合的时间。
大地测量是最直接的能够反映断层运动特征的地表观测结果，从断层孕震角度来讲，断层两侧块体的相对运动对断层起到加载作用，若断层完全不愈合，断层是自由滑动的，断层两侧为阶跃式不连续变形，能量被释放掉了；若断层完全愈合，断层是被锁住的，断层两侧为缓慢连续变形，能量积累最快[45]。因此可以利用大地测量得到的跨断层变形回归震间断层闭锁的连续程度、恢复弹性应变的积累程度等来直接判定断层愈合状态及愈合动态过程，而上述其他手段均属于间接推断结果。本文利用GPS时间序列所得负位错反演结果显示汶川震中周边局部区域断层存在闭锁程度快速增强的现象，表明该区域断层在震后快速愈合；而震中东北方向断层依然处于震后蠕滑状态，表明该区域断层还未愈合。龙门山破裂断层不同段愈合状态和愈合过程存在显著差异，是本文一个很有意义的研究结果，这与其他技术手段根据研究结果，推断认为整个龙门山断层已经快速愈合是不同的。
(2) 龙门山断层愈合机制。文献[52]对龙门山断裂带上北川擂鼓镇赵家沟剖面的断层岩进行了碳酸盐矿物同位素的相关分析，认为震后断裂带内深部高压流体向上渗透，同时大气降水来源的流体进入断层，与断层岩相互作用并沉淀于破裂带内，导致脉体的沉淀与基质的胶结；随着沉淀及胶结作用的进行，断裂带内裂隙闭合[7]，断层逐渐愈合，强度逐渐增强。因此震后断裂带内水循环对断层愈合起到了重要作用[7]，深部流体上涌及所导致的表层大气水再循环可能是引起震后断层快速愈合的重要原因。
汶川地震的破裂过程有一定的特殊性，破裂从震中开始向东北方向单侧扩展，而且不同段落的破裂方式也存在差异，震中附近以逆冲运动为主，越往东北走滑分量越大[40]。一般大陆走滑断层的震后愈合过程可能需要较长时间，如1920年海原8.5级地震、1973年炉霍7.6级地震破裂断层目前仍在愈合过程中[53-56]，而愈合过程长短与断层几何形态[57]、运动方式、活动习性等有关，龙门山断层震中附近以高角度逆冲运动为主，可能比震中东北方向断层愈合得更快，这可能是破裂带愈合从震中逐渐向东北方向扩展的原因。初步分析认为，断层不同段构造力学性质差异、震后相对运动方式的差异可能是断层震后愈合状态呈现显著差异的主要原因。
(3) 反演模型设置。大地震引起的震后变形主要包括震后余滑、黏弹性松弛等作用[47, 58-61]。相关研究表明余滑作用主要影响震源周边区域，并在震后100天以内快速衰减、100-300天逐渐衰减，其后影响微弱[62]，而汶川地震80%的余滑在震后2年内释放[47]，因此2010.30-2013.30期间GPS时间序列受汶川震后余滑作用的影响较弱。中下地壳的震后黏弹性松弛作用衰减慢、影响时间长[63]，巴颜喀拉块体周边的中下地壳驱动弹性的中上地壳发生运动和变形[64-65]，并且中上地壳及四川盆地的地壳在汶川地震后依然处于弹性状态[66]。TDEFNODE为考虑中上地壳运动与变形的负位错块体模型软件，本文反演过程中用块体运动、块体内部弹性应变和均匀应变等来表示中上地壳地块的运动与变形，而认为24.6 km深度以下中下地壳的断层是完全蠕滑的。因此，龙门山断裂带周边具体的地质条件，可以满足软件的假定。图 3和图 8结果显示，该模型用于汶川震后数据的拟合效果较好。
(4) 论文研究工作存在的不足之处及改进思路。丰富的GPS站点分布能够为反演提供良好的约束，并提高反演结果的分辨率；在GPS站点数量不变的情况下，尽量减少未知参数的数量，也可以提高反演参数的精度。虽然本文GPS连续站较多，但相对有限，尤其是龙门山东北段周边站点较少，因此本文并未讨论整条龙门山断层；而结合InSAR结果进行联合反演，能够很大程度上提高反演结果的分辨率和反演参数的精度，并减弱边缘效应，尤其是对GPS点位分布稀疏的区域能够起到很好的补充作用，因此笔者将在后续的研究工作中，尝试利用GPS数据和InSAR数据进行联合反演。此外，本文所用GPS资料为地表观测资料，是地壳变形在地表的最直接的体现，但是仅利用这些资料做相关的反演工作，对深入认识该区域的深部动力学机制以及相关的物理机制是不够的，后续还有待进一步加深研究。
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