中西天山現(xiàn)今地殼形變特征及地震危險性分析

周德敏

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

中西天山現(xiàn)今地殼形變特征及地震危險性分析

周德敏

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

自新生代以來，由于受印度板塊對歐亞板塊強烈碰撞和持續(xù)擠壓的遠(yuǎn)程效應(yīng)影響，天山造山帶重新活動并再次隆升，成為歐亞大陸內(nèi)部規(guī)模最大的再生造山帶。GPS觀測結(jié)果顯示，跨天山（74°E～76°E）的現(xiàn)今地殼縮短速率約為20mm／a，幾乎占印度板塊與歐亞板塊匯聚縮短總量的一半。據(jù)美國國家地震監(jiān)測臺網(wǎng)系統(tǒng)（ANSS）及新疆地震目錄統(tǒng)計，自1889年以來，中西天山地區(qū)（70°E～81°E）已發(fā)生MS6.0以上地震約百次。其中，MS7.0～7.9地震6次，MS8.0以上特大地震3次。類比2008年汶川MS8.0地震所處青藏高原東緣強擠壓、緩變形的地殼運動和區(qū)域構(gòu)造背景，推測作為內(nèi)陸典型的擠壓構(gòu)造活動帶和地震多發(fā)帶的中西天山地區(qū)在未來仍具有值得關(guān)注的大震潛勢。

自20世紀(jì)90年代以來，以GPS為代表的空間對地觀測技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為我們以高精度、高效率、低成本和全天候方式獲取各種規(guī)模尺度的地殼運動、構(gòu)造形變及其動態(tài)演化過程提供了革命性的觀測手段。到目前為止，國內(nèi)外的許多研究機構(gòu)已在中西天山地區(qū)開展了大量的GPS觀測，并獲得了高密度、高精度的地殼運動GPS速度場。此外，前人通過深地震寬角反射／折射剖面、流動地震臺陣、深地震發(fā)射剖面及重磁聯(lián)合反演等方法獲得了中西天山地區(qū)巖石圈介質(zhì)的分層結(jié)構(gòu)。這些基礎(chǔ)資料的積累為深入研究中西天山地區(qū)的現(xiàn)今地殼形變特征，探討地殼形變、構(gòu)造活動與地震潛勢三者之間的相互關(guān)系，更加深刻地認(rèn)知中西天山地區(qū)的運動學(xué)和動力學(xué)機制，特別是對柯坪—阿克蘇地區(qū)的中-強地震危險性評估創(chuàng)造了重要條件。本論文具體開展了以下幾方面的研究：

1 中西天山地區(qū)多源GPS資料的收集、處理與融合

中西天山地區(qū)的GPS地殼形變觀測始于20世紀(jì)90年代。其中，在中國境內(nèi)的天山地區(qū)，由于“九五”國家重大科學(xué)工程“中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)”、“九五”國家重點科技攻關(guān)計劃“伽師強震群及帕米爾東北側(cè)現(xiàn)代構(gòu)造運動和地形變的GPS監(jiān)測研究”和“十一五”“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”等項目的支持，先后布設(shè)了88個GPS站點，并進(jìn)行了多期觀測；在境外中西天山地區(qū)，自1992年開始，由美國國家科學(xué)基金會資助，美國麻省理工學(xué)院（MIT）等數(shù)所大學(xué)與俄羅斯、吉爾吉斯斯坦、哈薩克斯坦等國家合作，先后布設(shè)了324個GPS站點，并開展了多期觀測。

由于無法獲得境外天山324個GPS站點和境內(nèi)南天山GPS監(jiān)測網(wǎng)54個GPS站點完整的GPS原始觀測資料，我們僅收集了兩者分別在ITRF2005參考框架和穩(wěn)定歐亞參考框架下的速度場。對于中國境內(nèi)“中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)”和“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”的34個GPS站點的原始觀測資料，選用美國航空航天局（NASA）噴氣推進(jìn)實驗室（JPL）的高精度GPS數(shù)據(jù)前處理軟件GIPSY和后處理軟件QOCA，采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理策略和嚴(yán)密的數(shù)據(jù)處理方法，獲得這些站點的最新觀測速度場。最后，對于境內(nèi)外天山地區(qū)的兩部分GPS速度場，以部分公共站點為“橋梁”，通過球面歐拉旋轉(zhuǎn)變換，合理地融合在一起，獲得了中西天山地區(qū)統(tǒng)一參考框架下高精度、高密度的GPS速度場數(shù)據(jù)，為本區(qū)域現(xiàn)今地殼運動的定量研究和地殼形變的構(gòu)造運動學(xué)建模提供了至關(guān)重要的約束資料。

2 中西天山地區(qū)現(xiàn)今地殼形變特征定量分析

基于中西天山地區(qū)高精度、高密度的GPS速度場，定量分析了該區(qū)域現(xiàn)今地殼運動和構(gòu)造變形特征，主要認(rèn)識包括：

（1）相對于穩(wěn)定的歐亞板塊，跨中西天山地區(qū)的北東向水平地殼運動速度從南天山的約20mm／a向北依次梯度變小至天山北側(cè)的哈薩克地區(qū)約2mm／a，反映了中西天山在印度板塊北東向俯沖、推擠作用下的強烈縮短隆升。

（2）通過選取天山造山帶整體固定框架，去除了天山造山帶及其周圍GPS站點的“剛性旋轉(zhuǎn)”成分后，最大程度地突出了天山造山帶內(nèi)部不同區(qū)域的水平差異運動，結(jié)果顯示：①中西天山存在明顯的擠出式“流滑”運動。其中，西側(cè)順著塔拉斯—費爾干納斷裂帶流出，而東側(cè)則沿北克明斷裂向東運動。②柯坪推覆體除南北向6～8mm／a的擠壓縮短外，整體相對于天山造山帶有明顯的東向“流滑”運動，推測邁丹斷裂有1～3mm／a的左旋錯動；對于喀什凹陷與柯坪推覆體結(jié)合地區(qū)，南北向的擠壓縮短量僅1～2mm／a。③塔拉斯—費爾干納斷裂現(xiàn)今活動性有明顯的分段特征，西北段有2～3mm／a的右旋滑動速率，中段沒有明顯的活動，東南段除3mm／a的右旋滑動外，還有一定的拉張分量。④克明斷裂（Chon-Kemin fault）、契里克斷裂（Chilik fault）均有明顯的左旋錯動，滑動速率在2～3mm／a。

（3）基于GPS速度場，計算、分析了中西天山地區(qū)的地殼應(yīng)變率、剪切應(yīng)變率，結(jié)果表明：①整個天山造山帶受到強烈擠壓，帕米爾高原與天山交接區(qū)域的最大應(yīng)變率值達(dá)到了221.2nanostrain／a?？缕和聘搀w的三岔口、喀什凹陷北側(cè)等局部區(qū)域存在一定的拉張。②以皮羌斷裂—伊塞克湖西為界，天山造山帶東部的應(yīng)變率值大于西部，在西部吉爾吉斯境內(nèi)納倫盆地等4個擠壓盆地為低值區(qū)，應(yīng)變率值＜20nanostrain／a；在造山帶內(nèi)部的那拉提斷裂附近，存在應(yīng)變率低值區(qū)“條帶”。③天山造山帶北側(cè)的盆山交接地帶應(yīng)變率值較小，除阿拉木圖斷裂東段末端與伊犁盆地交接地區(qū)應(yīng)變率值較大（＞40nanostrain／a）外，吉爾吉斯山脈北緣等其他地區(qū)的應(yīng)變率值＜20nanostrain／a；而在造山帶南側(cè)盆山交接地帶，除喀什凹陷東段及柯坪推覆體，柯坪地區(qū)的應(yīng)變率值＜20nanostrain／a外，其余地區(qū)的應(yīng)變率值均＞40nanostrain／a。

（4）基于GPS應(yīng)變率場，計算得到與地震危險性直接相關(guān)的地震矩累積率。通過最大剪切應(yīng)變率、地震矩累積率與地震分布的疊加分析發(fā)現(xiàn)，剪切應(yīng)變率、地震矩累積率較大的地區(qū)，往往對應(yīng)著地震活動相對頻繁的區(qū)域；但在有些區(qū)域，盡管地殼形變比較強烈，但地震活動并不頻繁，如納倫盆地西部、柯坪推覆體三岔口東側(cè)，這表明地殼形變的強弱與地震活動的頻度之間存在較為復(fù)雜的關(guān)系。

3 中西天山地區(qū)地殼形變特征的構(gòu)造運動學(xué)模型解釋

以中西天山地區(qū)396個GPS站點的水平速度場和部分可靠程度較高的活動斷裂的長期平均運動速率為約束，采用半無限彈性空間斷裂位錯模型，構(gòu)建了中西天山地區(qū)地殼形變與斷裂活動的構(gòu)造運動學(xué)模型，反演獲得了各主要活動斷裂段閉鎖層之下的長期運動速率。在此構(gòu)造運動學(xué)模型的基礎(chǔ)上，基于正演的連續(xù)計算，獲取了整個區(qū)域連續(xù)分布的模型預(yù)測三維地殼運動場，并計算獲得了模型預(yù)測的連續(xù)應(yīng)變率場，取得了以下的主要認(rèn)識：

（1）中西天山地區(qū)的GPS地殼運動速度場能夠用構(gòu)造運動學(xué)的斷裂位錯模型進(jìn)行較好的模擬解釋。GPS站點位移速率的擬合殘差大部分＜3mm／a，接近2～3mm／a平均觀測精度。但在中西天山南北兩側(cè)的盆山交接地帶，反演獲得的逆沖斷裂滑動速率與地質(zhì)上的結(jié)果存在差異，主要與該區(qū)域逆沖斷層基底滑脫面閉鎖段底端深入天山內(nèi)部有關(guān)。其中，天山北側(cè)的斷裂深入到伊塞克湖和蘇薩梅亞盆地一帶，而天山南側(cè)的柯坪推覆體滑脫面閉鎖段底端也并非沿著柯坪推覆體的前排斷裂——柯坪塔格逆沖斷裂的地表走向，而是深入到天山內(nèi)部與邁丹—喀拉鐵克斷裂一致。

（2）由于柯坪推覆體的各排逆沖褶皺帶均有上陡下緩的“犁式”特點，采用簡單的“斷裂位錯模型”無法對其地殼形變特征進(jìn)行有效的解釋。本文根據(jù)各排斷裂的幾何特征建立了“柯坪推覆體模型”，更好地吻合了GPS觀測結(jié)果。對于部分未能很好擬合的GPS站點，可能的原因有如下幾點：①采用的模型是對復(fù)雜斷裂構(gòu)造系統(tǒng)的一個簡化，僅僅考慮了最前面的柯坪塔格逆沖褶皺帶和依木干它烏逆沖褶皺帶兩條活動最強烈的斷裂，其他幾排逆沖褶皺帶活動性相對較弱，而柯坪推覆體由4～6排逆沖褶皺斷裂帶組成，因而會造成后排斷裂地區(qū)的GPS站點實測速度與擬合速度的偏差；②由于缺少足夠的深部地球物理資料，無法準(zhǔn)確判斷深部基底卷入逆沖斷裂的準(zhǔn)確滑脫面埋深等信息；③由于野外地質(zhì)工作的局限性，并不是所有斷裂的所有斷層都能獲取可靠的斷層參數(shù)。

（3）基于構(gòu)造運動學(xué)模型正演計算的現(xiàn)今地殼運動三維速度場，顯示現(xiàn)今中西天山地區(qū)相對于塔里木盆地的隆升速率約為（2.0±1.5）mm／a?？紤]到天山的隆升歷史及現(xiàn)今的實際隆升量，推測天山地區(qū)的擠壓隆升很可能經(jīng)歷著由弱到強的遞增演化過程，其強烈的長期平均剝蝕速率與GPS資料推算的長期平均隆升速率相當(dāng)，約1.0mm／a。

4 柯坪—阿克蘇地區(qū)的地震危險性分析

針對“中國大陸7～8級地震危險性中長期預(yù)測研究”工作專項（簡稱M7工作專項）基于Ⅱ級活動塊體邊界帶上的地震空區(qū)、GPS觀測的地殼形變高梯度帶等因素，在西南天山地區(qū)初步圈定了“柯坪—阿克蘇地震重點監(jiān)視區(qū)”?？紤]到下地殼上地幔粘彈性松弛效應(yīng)作用的長期性，采用黏彈性靜態(tài)應(yīng)力觸發(fā)模型，計算了西南天山及周邊地區(qū)過去近百年間（1898～2012年）31個中-強震對柯坪—阿克蘇地震重點監(jiān)視區(qū)主要活動斷層面上庫侖應(yīng)力的加／卸載狀況，同時加入了由GPS資料所得到的長期構(gòu)造運動加載下的應(yīng)力積累。所得結(jié)果表明：①柯坪塔格逆沖斷裂西段與阿圖什—八盤水磨逆沖構(gòu)造的交接部位、邁丹斷裂西段、喀拉鐵克斷裂西段及柯坪塔格逆沖斷裂帶三岔口段的庫侖應(yīng)力處于加載狀態(tài)，預(yù)示著這些區(qū)域的地震危險性在增加（觸發(fā)區(qū)）。②柯坪塔格逆沖褶皺帶的大山口—五間房段及附近的奧茲格爾他烏褶皺-逆沖帶、烏什北逆沖斷裂、南天山山前逆沖斷裂及柯坪塔格逆沖褶皺帶的一間房段的庫侖應(yīng)力處于卸載過程中，預(yù)示著這些區(qū)域的地震危險性在降低（抑制區(qū)）。③皮羌山等柯坪推覆體內(nèi)部多排逆沖褶皺斷裂帶、秋里塔格逆沖斷裂帶、古木別孜逆沖斷裂帶及柯坪塔格逆沖褶皺帶的柯坪岔口以北的阿依庫勒段的庫侖應(yīng)力積累量較小，預(yù)示著這些區(qū)域的地震危險性未受周邊地震的顯著影響（不確定區(qū)）。

中西天山；柯坪塔格；GPS觀測；地殼形變；地震危險性分析

（作者電子信箱，周德敏：zhou＿demin＠yahoo.com.cn）

P315.72＋5；

A；

10.3969／j.issn.0235-4975.2014.11.005