新疆北天山地區(qū)盆山交界主要構(gòu)造帶運動特性研究＊

董 曼魏文薪

1）中國地震臺網(wǎng)中心，北京100045

2）中國地震局地震預測研究所，北京100036

新疆北天山地區(qū)盆山交界主要構(gòu)造帶運動特性研究＊

董 曼1）魏文薪2）

1）中國地震臺網(wǎng)中心，北京100045

2）中國地震局地震預測研究所，北京100036

摘 要利用2009～2013時段的GPS速度場數(shù)據(jù)，基于塊體運動模型和GPS剖面研究了新疆北天山地區(qū)盆山交界構(gòu)造帶的運動特征。結(jié)果表明：均勻應變模型可以較好地描述天山塊體整體運動特性；剛體旋轉(zhuǎn)模型可較好地描述準噶爾塊體的整體運動特性；準噶爾南緣斷裂、博格達北緣斷裂的走滑速率小于1mm/a，擠壓縮率為3～4mm/a；博格達北緣斷裂表現(xiàn)出應變積累水平較高特征，需關(guān)注其強震危險性。

關(guān)鍵詞GPS；北天山；塊體運動模型；GPS剖面

中圖分類號：P315.2；

文獻標識碼：A；

doi：10.3969/j.issn.0235－4975.2015.08.006

收稿日期：＊2015－03－27；采用日期：2015－06－25。

基金項目：中國地震局地震預測研究所基本科研業(yè)務專項：新疆北天山地殼形變特征及地震危險性研究（2012IES0308）。

AbstractUsing GPS velocity field data of 2009～2013period，based on model of the block motion and GPS section，we studied the movement performance of the major structural belt mountain basin border in North Tianshan in Xinjiang region.Results show that the block of the uniform strain model can better describe the Tianshan block integral movement characteristics；Rigid body rotation model can better describe the overall movement characteristics of the Junggar block；Strike－slipping rate of the southern margin fault of Junggar block，the northern margin fault of Bogdais less than 1mm/a，extrusion compression rate is 3～4mm/a；the northern margin fault of Bogda remains a feature of strain accumulation in certain degree.

KeywordsGPS；the Northern Tianshan；the block motion model；GPS section

引言

中國部分的天山夾持于準噶爾和塔里木兩大盆地之間，在印度板塊向北推擠巨大動力作用下，天山地區(qū)的地殼遭受到了強烈的擠壓縮短、強烈抬升，形成了一條規(guī)模宏大的板內(nèi)再生造山帶[1]。GPS觀測的跨天山地殼縮短速率約為20mm/a，幾乎占印歐板塊匯聚總量的一半[2－4]，天山地區(qū)至今仍發(fā)生著近南北向的擠壓縮短。并且，現(xiàn)今更為密集的跨斷層GPS速度剖面資料研究表明，天山內(nèi)部的縮短變形相對較小，而南北兩側(cè)盆山交接地帶的變形占總匯聚量的80%～90%，天山南北兩側(cè)交界地帶調(diào)節(jié)的變形量大大高于山體內(nèi)部[5]。與此對應，天山地區(qū)盆山交界地帶發(fā)育有大量的活動構(gòu)造，這些斷裂帶構(gòu)造變形強烈，是調(diào)節(jié)地殼縮短擠壓變形的重要單元。另一方面，邊界帶的相對運動和變形受控于大區(qū)域塊體之間的相對運動[6]。中國大陸所有8級和80%以上的7 ～8級強震發(fā)生在活動地塊的邊界帶上[7]。對于新疆天山地區(qū)，1900年以來有明確記載的7級以上大震有10次[8]，除一次發(fā)生在塔拉斯—費爾干納斷層上，其余皆發(fā)生在天山山前盆山交界構(gòu)造帶上。因此，有必要利用已有GPS觀測資料來研究該區(qū)域塊體的整體變形特征及其在斷裂帶上的響應，為地震的中長期預測提供技術(shù)支持。

新疆北天山地區(qū)由準噶爾塊體的部分區(qū)域與天山塊體的部分區(qū)域組成，該區(qū)域發(fā)育的主要發(fā)震斷層有準噶爾南緣斷裂及推覆體前緣的三排逆沖推覆構(gòu)造系、西山斷裂、博格達北緣弧形斷裂帶等，這些斷裂均以逆沖為主。這些逆斷裂構(gòu)成了北天山盆山交界的主要構(gòu)造帶。我們還注意到，區(qū)域多數(shù)6級以上地震發(fā)生在該構(gòu)造帶上。因此，有必要研究區(qū)域的地殼變形動態(tài)特征，及受控于塊體相對運動的斷裂帶縱向、橫向地殼形變分

布特征。在此基礎上，以分布較為密集的GPS速度場資料為約束，識別當前時段不同斷層段的閉鎖程度和應變積累狀態(tài)。

利用中國地殼運動觀測網(wǎng)絡2009～2013時段的GPS速度場資料（圖1），基于塊體運動模型，并結(jié)合GPS實測剖面分析方法，給出新疆北天山區(qū)域主要構(gòu)造帶變形及應變積累特征，為該帶強震中長期預測提供一些理論依據(jù)。

圖1　新疆天山及鄰區(qū)2009～2013時段GPS速度場（中國大陸基準）

1　利用塊體運動模型分析盆山交界主要構(gòu)造帶水平運動特征

首先分別采用剛體旋轉(zhuǎn)模型、塊體運動和均勻應變模型、塊體運動和線性應變模型，基于殘差中誤差和F檢驗方法給出了準噶爾塊體與天山塊體的整體運動趨勢，并利用剛體旋轉(zhuǎn)模型給出新疆北天山主要構(gòu)造帶的水平運動特征。

1.1塊體模型的基本原理

已有研究學者提出了多種塊體運動模型，其中具有代表性的是剛體旋轉(zhuǎn)模型（RRM）（公式1）、塊體整體旋轉(zhuǎn)與均勻應變模型（REHSM）（公式2）和塊體整體旋轉(zhuǎn)與線性應變模型（RELSM）（公式3）[9－11]?；驹砜梢愿爬椋焊鶕?jù)活動地塊上每一GPS站點的經(jīng)緯度及其東向、北向速度，按照最小二乘原理，即可解算出活動地塊的運動及變形參數(shù)的最或然值。其中vE、vN是活動地塊上任一點（λ，φ）的東向速度與北向速度，λ0、φ0為地塊幾何中心處的經(jīng)度和緯度，ωχ、ωy、ωz為地塊的歐拉旋轉(zhuǎn)矢量參數(shù)，ωE、ωN、ωEN分別為地塊東西向線應變，南北向線應變，東西向和南北向之間的剪應變。3個模型的基本原理表示如下：

1.2天山塊體與準噶爾塊體的整體運動特征研究

綜合利用殘差中誤差和F檢驗的方法來判定剛體旋轉(zhuǎn)模型、均勻應變模型及線性應變模型能否較好地描述天山塊體與準噶爾塊體的整體運動趨勢，進而給出最優(yōu)模型。

表1給出了殘差中誤差結(jié)果，從殘差中誤差的結(jié)果可以看出，無論是天山塊體還是準噶爾塊體，塊體運動的線性應變模型得到的殘差中誤差值均最小。但是，描述塊體運動優(yōu)劣的另一個重要原則是，模型的參數(shù)越少，并且可以較好地描述塊體的整體運動，該模型為最優(yōu)。因此，我們又利用F檢驗的方法來分析模型增加參數(shù)后塊體內(nèi)部變形特征是否顯著（表2和表3）。從計算結(jié)果可以看出，天山塊體的剛體旋轉(zhuǎn)模型與均勻應變模型的方差比通過了檢驗，也就是說，在利用剛體模型描述天山塊體整體運動的過程中，增加均勻應變參數(shù)是合適的。準噶爾塊體的剛體旋轉(zhuǎn)模型與均勻應變模型的方差比未通過檢驗，也就是說，在利用剛體模型描述天山塊體整體運動的過程中，增加均勻應變參數(shù)是不合適的。綜上所述，塊體運動的均勻應變模型可以較好地描述天山塊體的整體運動；而剛體旋轉(zhuǎn)模型可以較好地描述準噶爾塊體的整體運動。

表1　塊體模型的殘差中誤差

表2　天山塊體內(nèi)部變形參數(shù)顯著性的F檢驗結(jié)果

表3　準噶爾塊體內(nèi)部變形參數(shù)顯著性的F檢驗結(jié)果

1.3構(gòu)造帶的水平運動特征分析

北天山區(qū)域盆山交界主要斷裂帶包括準噶爾南緣斷裂、西山斷裂、博格達北緣斷裂。我們主要利用剛體旋轉(zhuǎn)模型來計算斷裂帶的滑動速率，從而分析塊體的相對運動在斷裂帶的響應特征。根據(jù)地質(zhì)學的研究成果，在斷裂帶臨近區(qū)域取若干點位，分別以斷裂帶兩盤的點作為參考，根據(jù)求得的差異運動速率求平均值作為各段的滑動速率，并將其沿斷裂帶走向和垂直斷裂帶走向進行投影，從而求得垂直和平行斷裂帶速率。

表4給出了北天山區(qū)域主要斷裂帶的滑動速率，從計算結(jié)果來看，北天山區(qū)域盆山交界的博格達北緣斷裂帶、西山斷裂帶和準噶爾南緣斷裂帶平行斷裂帶投影結(jié)果表明，這些斷裂帶走滑速率均很小，剪切變形特征不明顯。垂直斷裂帶的結(jié)果表明，這些斷裂運動以逆沖運動為主，量值要大于走滑速率，這也進一步說明了北天山區(qū)域南北向地殼具有擠壓縮短變形的特征。從擠壓速率的

量級來看，其量值要遠小于南天山山前構(gòu)造帶的擠壓速率，進一步反映了新疆區(qū)域從南向比，擠壓變形速率逐漸減小的特征。

表4　剛體旋轉(zhuǎn)模型給出的各斷裂帶的滑動速率

2　盆山交界構(gòu)造帶應變積累研究

在上面的研究中，利用塊體運動模型得到了斷裂帶滑動速率，給出了新疆北天山盆山交界構(gòu)造帶水平運動特征，那么進一步分析震間期的應變積累特征對評價斷裂帶的地震危險性具有重要意義。GPS速度剖面圖像可直觀展現(xiàn)位移分布與斷層的關(guān)系，被廣泛應用于對斷層變形特征的分析中[12－16]。因此，還利用GPS實測剖面方法來分析各分段的應變積累特征。

圖2　北天山區(qū)域跨盆山交界主要斷裂帶GPS速度剖面（平行斷裂帶分量）

圖3　北天山區(qū)域跨盆山交界主要斷裂帶GPS速度剖面（垂直斷裂帶分量）

針對北天山區(qū)域盆山交界的主要構(gòu)造帶做了兩個GPS速度剖面（如圖1所示的剖面A和剖面B），分別給出了平行斷裂帶速度剖面和垂直斷裂帶速度剖面。從平行斷裂帶的速度剖面結(jié)果可以看出（圖2），準噶爾南緣斷裂及其推覆體前緣的逆斷裂的走滑速率較小，量值小于1mm/a；博格達北緣斷裂帶和阜康斷裂的走滑速率也很小，量值小于1mm/a。從垂直斷裂帶的速度剖面可以看出（圖3），準噶爾南緣斷裂帶及其推覆體前緣的逆斷裂表現(xiàn)為擠壓變形的特征，靠近斷裂的滑動速率雖然減小，但是，變形寬度有限，即表現(xiàn)為一定的應變積累狀態(tài)，但是應變積累水平并不是很高；博格達北緣斷裂及

阜康斷裂也表現(xiàn)為擠壓變形的特征，其中跨阜康斷裂存在著顯著的非連續(xù)變形特征，可能預示著該斷裂處于蠕滑狀態(tài)，博格達北緣斷裂附近一定區(qū)域內(nèi)變形很小，而遠離該斷裂表現(xiàn)為持續(xù)擠壓變形的特征，這可能表明博格達北緣斷裂的應變積累水平較高。

3　結(jié)論

（1）基于剛體旋轉(zhuǎn)模型、塊體運動和均勻應變模型及塊體運動和線性應變模型，利用殘差中誤差及F檢驗方法分析了天山塊體與準噶爾塊體的整體運動特征，結(jié)果表明：塊體運動和均勻應變模型可以較好地描述天山塊體的整體運動特征；剛體旋轉(zhuǎn)模型可以較好地描述準噶爾塊體的整體運動特征。

（2）基于剛體旋轉(zhuǎn)模型給出了北天山區(qū)域主要斷裂帶的滑動速率，結(jié)果表明，北天山山前逆斷裂的走滑速率非常小，斷裂運動以逆沖運動為主。從擠壓速率的量級來看，其量值要遠小于南天山山前構(gòu)造帶的擠壓速率。

（3）GPS速度剖面的結(jié)果表明：準噶爾南緣斷裂帶及其推覆體前緣的逆斷裂表現(xiàn)為擠壓變形的特征，靠近斷裂的滑動速率雖然減小，但是變形寬度有限，即表現(xiàn)為一定的應變積累狀態(tài)，但是應變積累水平并不是很高；博格達北緣斷裂及阜康斷裂也表現(xiàn)為擠壓變形的特征，其中跨阜康斷裂存在著顯著的非連續(xù)變形特征，可能預示著該斷裂處于蠕滑狀態(tài)，博格達北緣斷裂附近一定區(qū)域內(nèi)變形很小，而遠離該斷裂表現(xiàn)為持續(xù)擠壓變形的特征，這可能表明博格達北緣斷裂的應變積累水平較高。

（作者電子信箱，董曼：dongman@seis.ac.cn）

參考文獻

[1]鄧起東，馮先岳，張培震，等.天山活動構(gòu)造.北京：地震出版社，2000

[2]Abdrakhmatov K，Aldazhanov S，Hager B，et al.Relatively recent construction of the Tien Shan inferred from GPS measurements of present－day crustal deformation rates.Nature，1996，384：450－453

[3]王琪，丁國瑜，喬學軍，等.天山現(xiàn)今地殼快速縮短與南北地塊的相對運動.科學通報，2000，45（14）：1543－1547

[4]Reigber C，Michel G，Galas R，et al.New space geodetic constrains on the distribution of deformation in Central Asia.Earth Planet Sci Lett，2001，191：157－165

[5]楊少敏，李杰，王琪.GPS研究天山現(xiàn)今變形與斷層活動.中國科學（D），2008，38（7）：872－880

[6]江在森，牛安福，王敏，等.活動斷裂帶構(gòu)造變形定量分析.地震學報，2005，27（6）：610－619

[7]張培震，鄧起東，張國民，等.中國大陸的強震活動與活動地塊.中國科學（D），2003，33（增）：12－20

[8]Brown E，Bourles D，Burchfiel B，et al.Estimation of slip rates in the southern Tien Shan using cosmic ray exposure dates of abandoned alluvial fans.Geol.Soc.Am.Bull.，1998，110：377－386

[9]李延興，黃城，胡小工，等.板內(nèi)塊體的剛性彈塑性運動模型與中國大陸主要塊體的應變狀態(tài).地震學報，2001，23（6）：565－572

[10]李延興，楊國華，李智.中國大陸活動地塊的運動與應變狀態(tài).中國科學（D輯），2003，33（4）：65－81

[11]李延興，李智，張靜華，等.中國大陸及周邊地區(qū)的水平應變場.地球物理學報，2004，47（2）：222－231

[12]張培震，甘衛(wèi)軍，沈正康，等.中國大陸現(xiàn)今構(gòu)造作用的地塊運動和連續(xù)變形耦合模型.地質(zhì)學報，2005，79（6）：748－756

[13]張培震，徐錫偉，聞學澤，等.2008年汶川8.0級地震發(fā)震斷裂的滑動速率、復發(fā)周期和構(gòu)造成因.地

球物理學報，2008，51（4）：1066－1073

[14]Maurin T，Masson F，Rangin C，et al.First global positioning system results in northern Myanmar：Constant and localized slip rate along the Sagaing fault.Geology，2010，38（7）：591－594

[15]趙靜，江在森，武艷強，等.汶川地震前后川滇塊體應變與斷裂變形特征研究.大地測量與地球動力學，2011，31（5）：30－34

[16]魏文薪，江在森，武艷強，等.利用GPS數(shù)據(jù)研究川滇塊體東邊界主要斷裂帶運動特性.武漢大學學報：信息科學版，2012，37（9）：1041－1044

The study on movement performance of the major structural belt mountain basin border in North Tianshan in Xinjiang region

Dong Man1），Wei Wenxin2）

1）China Earthquake Networks Center，Beijing 100045，China

2）Institute of Earthquake Science，China Earthquake Administration，Beijing 100036，China