用GPS分析天山現(xiàn)今地殼變形與應(yīng)變率場*

王 偉 楊少敏 譚 凱 趙 斌 黃 勇張彩紅 王迪晉

1)中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢 430071

2)中國地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地，武漢 430071

用GPS分析天山現(xiàn)今地殼變形與應(yīng)變率場*

王 偉1，2)楊少敏1，2)譚 凱1，2)趙 斌1，2)黃 勇1，2)張彩紅1，2)王迪晉1，2)

1)中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢 430071

2)中國地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地，武漢 430071

基于中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)1999～2013年和中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)2009～2013年的GPS區(qū)域網(wǎng)觀測資料，并結(jié)合境外天山、帕米爾等地區(qū)公開發(fā)布的速度場結(jié)果，獲取整個天山及鄰區(qū)較為完整的地殼運動圖像以及應(yīng)變率場分布特征。初步結(jié)果表明:1)天山地區(qū)現(xiàn)今應(yīng)變率場分布的整體特征與該地區(qū)長期的地質(zhì)構(gòu)造背景具有一定的繼承關(guān)系，天山以近南北向擠壓縮短變形為主要特征，主壓應(yīng)變率由其西段(77°E附近)的約45×10－9/a，逐漸降至東段(86°E附近)的約10×10－9/a;2)天山西南部的帕米爾高原北緣逆沖斷裂帶及其北側(cè)的阿萊山脈附近為面壓縮區(qū)，主壓應(yīng)變率約為(50～60)×10－9/a，面膨脹率約為(40～50)×10－9/a，與已有GPS剖面觀測到的該區(qū)域(10～15)mm/a的地殼縮短速率十分一致;3)與塔里木盆地相鄰的帕米爾高原東部地區(qū)(38°N附近)，其現(xiàn)今地殼活動、應(yīng)變率場分布與該地區(qū)目前處于拉張的地震、地質(zhì)構(gòu)造背景有很好的一致性，主應(yīng)變率和面膨脹率顯示存在一定程度的拉張變形，拉張應(yīng)變率約為(10～20)×10－9/a，方向為近東西向;4)最大剪應(yīng)變率結(jié)果顯示天山地區(qū)存在一定程度的剪切變形，最大剪應(yīng)變率高值區(qū)對應(yīng)于西南天山的帕米爾北緣逆沖斷裂帶附近，幅度最大值約為40×10－9/a;5)另一最大剪應(yīng)變率高值區(qū)位于天山西部(78°E附近)，幅度約為30×10－9/a。

天山;GPS;地殼運動;速度場;應(yīng)變率場

受印度、歐亞板塊碰撞的遠程效應(yīng)以及塔里木盆地持續(xù)擠壓楔入作用的影響，天山山體隆升并發(fā)生強烈的變形和近南北向地殼縮短［1－2］。天山山體內(nèi)部以及山盆交接地帶發(fā)育眾多活動斷裂和褶皺帶，構(gòu)造活動強烈、地震頻繁，是控制天山構(gòu)造變形特征的重要單元［3］。精確測定天山地區(qū)的現(xiàn)今地殼運動、應(yīng)變場分布，對于認識大陸內(nèi)部造山帶的變形機理并進行地震危險性評估具有十分重要的意義［4－7］。在利用GPS資料研究天山的現(xiàn)今地殼運動和變形方面，研究人員開展了大量工作［4－6］。但早期的GPS觀測站點稀少、分布不均且密度有限，不能完整、清晰地反映整個天山地區(qū)的現(xiàn)今地殼運動與應(yīng)變場分布特征。

“中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)”(簡稱網(wǎng)絡(luò)工程)于1999年在境內(nèi)天山地區(qū)布設(shè)了大量的流動GPS站點，迄今已進行了7次區(qū)域網(wǎng)聯(lián)測;“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”(簡稱陸態(tài)網(wǎng)絡(luò))2009年以來也進行了3次區(qū)域網(wǎng)GPS聯(lián)測，在境內(nèi)天山及其南北兩側(cè)的塔里木、準噶爾地塊的GPS測站密度均有大幅提高。此外，多項國際合作計劃在境外天山地區(qū)也開展了長期的GPS觀測，公開發(fā)布了境外天山的地殼運動速度場結(jié)果［7－8］。本文對網(wǎng)絡(luò)工程和陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)在天山地區(qū)1999～2013年的GPS觀測資料進行統(tǒng)一處理，并結(jié)合境外天山、帕米爾等地區(qū)最新發(fā)表的GPS速度場結(jié)果，獲取了整個天山及鄰區(qū)更為完整的現(xiàn)今地殼運動圖像;結(jié)合該地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造背景，研究了天山的構(gòu)造變形和應(yīng)變率場分布特征。

1 GPS觀測資料與數(shù)據(jù)處理

本文使用的GPS數(shù)據(jù)主要覆蓋天山及其鄰近地區(qū)，包括網(wǎng)絡(luò)工程1999～2013年所觀測的7期區(qū)域站資料以及陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)新建區(qū)域站2009～2013年觀測的3期資料，各期區(qū)域網(wǎng)觀測每站至少觀測4 d。GPS數(shù)據(jù)處理采用BERNESE軟件的雙差處理模式，在處理時采用了絕對天線相位中心改正、FES2004海潮模型、IGS精密星歷和地球自轉(zhuǎn)參數(shù)等模型，作為參考框架的站點主要集中在歐亞板塊的西伯利亞、中亞、印度板塊以及中國大陸內(nèi)部的30余個IGS測站［9］。單日解算時，各期觀測的單日解驗后單位權(quán)中誤差小于2 mm，坐標重復(fù)率平均值在水平方向優(yōu)于2 mm。獲取每個測站的單日自由網(wǎng)解后，再利用BERNESE軟件的平差模塊，對全部單日解進行整網(wǎng)平差，獲得測站相對于IGS08框架下的坐標和速率結(jié)果。估計測站速率采用線性運動模型，以單日解為觀測值，采用最小二乘平差方式。在獲取IGS08下的速度場后，通過最新空間大地測量資料得到的板塊運動模型，將測站在全球框架下的速度轉(zhuǎn)換到相對于穩(wěn)定歐亞板塊的速度場。

此外，自1994年起多個國際合作計劃在哈薩克斯坦、塔吉克斯坦以及帕米爾等地區(qū)也開展了多期流動GPS觀測，并公布了境外天山不同區(qū)域的速度場結(jié)果［7－8］。為獲取整個天山及周邊地區(qū)更為完整的地殼運動圖像，采用7參數(shù)相似變換方法，利用公共站將文獻［7－8］的境外天山速度場結(jié)果轉(zhuǎn)換到網(wǎng)絡(luò)工程和陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)速度場結(jié)果所處參考框架之下。

圖1為研究區(qū)GPS站點的分布圖，其中紅色三角形為網(wǎng)絡(luò)工程GPS區(qū)域站;黑色三角形為陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)2008年以后新建的GPS區(qū)域站;藍色方形為文獻［7］公布的GPS站點，主要分布于境外天山的吉爾吉斯斯坦、哈薩克斯坦等地區(qū);綠色星型為文獻［8］的GPS站點，主要位于境外西南天山和帕米爾地區(qū)。圖2和圖3分別為網(wǎng)絡(luò)工程和陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)部分GPS區(qū)域站北方向和東方向的測站位置時間序列。由于站點較多，這里僅選取部分有代表性的站點。為了清晰顯示，去掉各測站的線性運動趨勢項。

2 天山及鄰區(qū)現(xiàn)今地殼運動速度場與應(yīng)變率場分析

圖1 天山地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景與GPS站點分布Fig.1 Geologic setting and distributions of GPS sites

圖2 網(wǎng)絡(luò)工程GPS區(qū)域站去線性趨勢項后的位置時間序列Fig.2 Position time seriesof CMONOC regional GPS stations detrended

為反映天山現(xiàn)今地殼運動狀態(tài)，將網(wǎng)絡(luò)工程、陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)以及境外研究機構(gòu)最新發(fā)布的GPS速度場融合到統(tǒng)一的參考框架之下，獲取了天山地區(qū)更為完整的地殼運動圖像(圖4)。地質(zhì)研究表明，由于塔里木盆地順時針旋轉(zhuǎn)以及對天山持續(xù)擠壓楔入作用的影響，整個天山南北向的匯聚速率由西向東逐漸減?。?］，先前的GPS觀測也顯示近南北向的擠壓縮短至今仍發(fā)生在整個天山地區(qū)［5－7］。盡管本文的GPS觀測歷史更久、站點更密，圖4反映的天山地區(qū)以擠壓縮短為主的基本特征與以往GPS［5－7］和地質(zhì)學(xué)［10－11］研究結(jié)果十分接近，例如本文的 GPS結(jié)果顯示天山西段(76°～80°E)的地殼縮短速率約為20 mm/a，而東段(85°～90°E)僅為(5 ～10)mm/a。

圖3 陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)新建GPS區(qū)域站去線性趨勢項后的位置時間序列Fig.3 Position time series of newly-built regional GPS stations detrended

圖4 天山及鄰區(qū)相對于穩(wěn)定歐亞板塊的GPS速度場(其中境外天山速度場資料來自文獻［7－8］)Fig.4 Velocity field in Tianshan mountain and its neighboring area relative to the stable Eurasia plate

利用本文得到的GPS速度場結(jié)果并采用文獻［12］介紹的最小二乘配置方法計算天山及其鄰近地區(qū)的應(yīng)變率場，如圖5～7所示，分別為主應(yīng)變率、面膨脹率以及最大剪應(yīng)變率分布。由圖5～7得到的天山地區(qū)現(xiàn)今應(yīng)變率的整體圖像與長期的地質(zhì)構(gòu)造背景具有一定的繼承關(guān)系，天山山體內(nèi)部以近南北向擠壓縮短變形為主要特征，天山西段(77°E)壓縮應(yīng)變率最大約為45×10－9/a，中段(82°E)壓縮應(yīng)變率最大約為30×10－9/a，而東段(86°E)壓縮應(yīng)變率逐漸降為10×10－9/a。此外，塔里木和準噶爾盆地以及哈薩克地臺作為地質(zhì)上較為穩(wěn)定的塊體，主應(yīng)變率的量級基本小于5×10－9/a。

圖5 天山及鄰區(qū)的主應(yīng)變率分布Fig.5 Principal strain rate in Tianshan mountain and its neighboring area

圖6 天山及鄰區(qū)的面膨脹率分布Fig.6 Surface dilatation strain rate in Tianshan mountain and its neighboring area

圖7 天山及鄰區(qū)的最大剪應(yīng)變率分布Fig.7 Maximum shear strain rate in Tianshan mountain and its neighboring area

位于天山西南部的帕米爾高原北緣逆沖斷裂帶及其北側(cè)的阿萊山脈附近的主壓應(yīng)變率約為(50～60)×10－9/a，面膨脹率約為(40～50)×10－9/a，且呈面收縮狀態(tài)，這一結(jié)果與GPS剖面觀測到的該區(qū)域200 km范圍內(nèi)(10～15)mm/a的地殼縮短速率十分一致［7－8］，反映了帕米爾北緣逆沖斷裂帶附近的現(xiàn)今地殼快速縮短。已有的地質(zhì)構(gòu)造研究表明，帕米爾高原的東部邊緣構(gòu)造情況極其復(fù)雜，存在一定程度的活動地塹以及可能的右旋走滑活動斷裂，而近期地震的震源機制多為正斷層性質(zhì)［7－8］。GPS得到的主應(yīng)變率(圖5)和面膨脹率(圖6)結(jié)果顯示，與塔里木盆地相鄰的帕米爾高原東部地區(qū)(38°N附近)存在一定程度的拉張變形，拉張應(yīng)變率量級約為(10～20)×10－9/a，方向大致為近東西向，并無顯著的剪切應(yīng)變和擠壓匯聚變形(圖5～7)。本文GPS結(jié)果表明，該地區(qū)的現(xiàn)今地殼活動、應(yīng)變率場與該地區(qū)目前整體處于拉張的地震、地質(zhì)構(gòu)造背景有很好的一致性。

陳小斌［13］利用網(wǎng)絡(luò)工程約1 000個GPS站點速度資料計算了中國大陸的應(yīng)變率場，其結(jié)果表明天山造山帶西緣為一最大剪應(yīng)變率高值區(qū)，量值最大超過30×10－9/a。已有的跨天山GPS速度剖面顯示，塔里木盆地相對于天山的擠壓匯聚方向并非完全與天山山前斷層走向正交，因而天山內(nèi)部特別是西部天山地區(qū)存在低于4 mm/a的左旋走滑變形［7］;此外，帕米爾高原相對于其北部費爾干納盆地和西南天山也存在一定程度的右旋剪切活動［8］。與以往研究相似，本文基于更多GPS站點的觀測資料表明(圖7)，天山地區(qū)存在一定程度的剪切變形，最大剪應(yīng)變率高值區(qū)對應(yīng)于天山西南的帕米爾北緣逆沖斷裂帶附近，幅度約為40×10－9/a;另一最大剪應(yīng)變率高值區(qū)位于天山西部(78°E)，幅度約為30×10－9/a。

位于境外天山地區(qū)的塔拉斯-費爾干納斷裂全新世以來的長期滑動速率約為10 mm/a，而GPS速度剖面顯示其10 a尺度的震間滑動速率僅為(1～4)mm/a［5］，該斷裂周邊近期發(fā)生的一系列中等級地震的震源機制主要表現(xiàn)為逆沖類型［14］。本文的最大剪應(yīng)變率結(jié)果表明，塔拉斯-費爾干納斷裂目前仍處于閉鎖狀態(tài)，相對于其周邊構(gòu)造而言并無顯著的剪切變形，因而該地區(qū)已有中等級地震活動主要受其周邊地區(qū)特別是帕米爾高原向北的推擠作用控制［8，14］。

3 結(jié)論

統(tǒng)一處理網(wǎng)絡(luò)工程、陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)1999～2013年的區(qū)域網(wǎng)GPS觀測資料，并將境外最新發(fā)布的GPS速度場結(jié)果融合到統(tǒng)一的參考框架之下，獲取天山地區(qū)較為完整的現(xiàn)今地殼運動圖像，以此計算整個天山地區(qū)的現(xiàn)今應(yīng)變率場。初步的結(jié)果表明:

1)天山地區(qū)的現(xiàn)今應(yīng)變率場分布與該地區(qū)長期的地質(zhì)構(gòu)造背景具有一定的繼承關(guān)系。天山地區(qū)以近南北向擠壓縮短變形為主要特征，主壓應(yīng)變率由其西段(77°E附近)的約45×10－9/a，逐漸降至東段(86°E 附近)的約10 ×10－9/a。

2)與塔里木盆地相鄰的帕米爾高原東北部地區(qū)(38°N附近)，主應(yīng)變率和面膨脹率顯示存在一定程度的拉張變形，其中拉張應(yīng)變率約為(10～20)×10－9/a，方向大致為近東西向。位于天山西南部的帕米爾高原北緣逆沖斷裂帶及其北側(cè)的阿萊山脈附近的主壓應(yīng)變率最高約為(50～60)×10－9/a，面膨脹率大小約為(40～50)×10－9/a，且呈面收縮狀態(tài)。這一結(jié)果與已往GPS剖面觀測到的該區(qū)域200 km范圍內(nèi)(10～15)mm/a的地殼縮短速率比較一致。

3)最大剪應(yīng)變率結(jié)果表明，天山地區(qū)存在一定程度的剪切變形，最大剪應(yīng)變率高值區(qū)對應(yīng)于天山西南的帕米爾北緣逆沖斷裂帶附近，幅度最大約為40×10－9/a。另一最大剪應(yīng)變率高值區(qū)位于天山的西部(78°E)，其幅度約為30 ×10－9/a。

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PRESENT-DAY CRUSTAL DEFORMATION AND STRAIN RATE FIELD OF TIANSHAN MOUNTAIN ANALYZED WITH GPS DATA

Wang Wei1，2)，Yang Shaomin1，2)，Tan Kai1，2)，Zhao Bin1，2)，Huang Yong1，2)，Zhang Caihong1，2)and Wang Dijin
1)Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071
2)Wuhan Base of Institute of Crustal Dynamics，CEA，Wuhan430071

Using GPS data of Crustal Movement Observation Network of China observed from 1999－2013 and data of Continental Tectonic Environment Monitoring Network of China from 2009 －2013，combined with other published GPS velocity field were analyzed and a more complete horizontal velocity field covering the Tianshan mountain and its vicinity was obtained.Preliminary results Indicare that present-day strain rate field is consistent with the long-term tectonic settings in the Tianshan mountain and its vicinity.The deformation of Tianshan mountain is mainly characterized by nearly north-south crustal shortening，and the principal compressive strain rate is about 45 ×10－9/a in the western part(～77°E)，and about 10 ×10－9/a in the eastern part(～86°E).The northern Pamir thrusting fault zones and its northern Trans-Alay Range are in a compression，state，with a principal compressive strain rate of about(50 －60)×10－9/a and with dilation rate of about(40－50)×10－9/a，consistent with previous studies of 10－15mm/a crustal shortening rates observed from GPS velocity profiles in this region.In the eastern part of Pamir(～38°N)，which is adjacent to the Tarim Basin，principal strain rate and dilation rate demonstrate that there is certain extension with a rate of about(10 －20)×10－9/a.Direction of the extension is nearly westeast，which is consistent with the extensional strain state observed from previous geologic and seismic studies in this region.The other maximum shear strain rate，40 ×10－9/a，appears in the northern Pamir thrusting fault zones，and another high value，30 ×10－9/a，appears in the western Tianshan mountain(～78°E).

Tianshan mountain;GPS;crustal movement;velocity field;strain rate field

P227.1

A

1671-5942(2014)03-0075-06

2013-12-08

中國地震局地震研究所所長基金項目(201326119;200916006);國家自然科學(xué)基金項目(41074016;41274027;41304067)。

王偉，男，1980年生，博士，助理研究員，從事空間大地測量與現(xiàn)今地殼運動方面的研究。E－mail:wangweigps@126.com。