利用GNSS資料研究新源
—和靜MS6.6地震前后地殼形變與地震關(guān)系①

朱治國, 秦珊蘭, 李煜航, 崔篤信， 李桂榮

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011； 2.中國地震局第二監(jiān)測中心，陜西 西安 710054)

利用GNSS資料研究新源
—和靜MS6.6地震前后地殼形變與地震關(guān)系①

朱治國1, 秦珊蘭2, 李煜航2, 崔篤信2， 李桂榮1

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011； 2.中國地震局第二監(jiān)測中心，陜西 西安 710054)

摘要：利用2009-2011年三期GNSS觀測資料，獲得新源—和靜6.6級地震前后震中附近區(qū)域水平運動速率、主應(yīng)變率、面膨脹率及最大剪應(yīng)變率，分析得出：(1)研究區(qū)整體呈擠壓縮短趨勢，南部區(qū)域運動速率總體高于北部，而中部區(qū)域運動速率高于東西兩側(cè)，這與區(qū)域構(gòu)造特點有關(guān)。新源—和靜MS6.6地震之后，研究區(qū)西北部區(qū)域的應(yīng)力場能量得到較大的吸收和釋放。(2)從研究區(qū)應(yīng)變分析中可以看出，沿斷層出現(xiàn)的主應(yīng)變率正負交替區(qū)域與地震的發(fā)生有一定關(guān)系。從面膨脹等值線圖可以看出，兩個面收縮區(qū)之間區(qū)域是地震發(fā)生的重要區(qū)域。剪應(yīng)變區(qū)域變化可以反映出地震的破裂方向。

關(guān)鍵詞：水平運動速率； 主應(yīng)變率； 面膨脹率； 剪應(yīng)變率； GNSS

0引言

新疆地處歐亞板塊的中南部，南面是印度洋板塊與歐亞板塊相碰撞時所形成的世界屋脊——青藏高原，北部是西伯利亞塊體及其向南擠壓形成的蒙古弧形構(gòu)造帶。長期的地質(zhì)歷史中，已形成由阿爾泰山、天山、昆侖山年青褶皺隆起和夾持于其中的準噶爾、塔里木古老斷陷盆地，呈菱形條塊狀鑲嵌的現(xiàn)代構(gòu)造骨架。新疆地區(qū)是擠壓環(huán)境下的再生造山斷塊和盆地斷塊發(fā)育區(qū)，以活動逆斷裂-褶皺帶和壓陷盆地為主[1]。新生代[(45±5) Ma]受板塊驅(qū)動力的作用，印度塊體和歐亞大陸塊體的碰撞和持續(xù)的匯聚作用造成中亞陸內(nèi)強烈變形，引發(fā)天山等古生代造山帶再次復(fù)活[2]。天山內(nèi)部及盆山交接地帶大量發(fā)育活動斷裂和褶皺，使得該地區(qū)構(gòu)造變形強烈、地震活動頻繁[3]。地震是地殼塊體之間的相互擠壓碰撞，引起地震的主要原因是塊體邊沿及塊體內(nèi)部產(chǎn)生錯動和破裂。構(gòu)造運動產(chǎn)生的區(qū)域地應(yīng)力場應(yīng)力分布和變化規(guī)律，與區(qū)域地殼運動的方式、方向及區(qū)域構(gòu)造發(fā)育的關(guān)系對地震的發(fā)生具有預(yù)示意義。

2012年6月30日5時7分新疆伊犁哈薩克自治州新源縣、巴音郭楞蒙古自治州和靜縣交界發(fā)生MS6.6地震(簡稱新源—和靜6.6級地震)(圖1)。此次地震發(fā)生于天山中段，包括烏魯木齊市在內(nèi)的多個地州(市)有強烈震感，直接經(jīng)濟損失近20億元,社會影響很大[4]。地震震中位于新源—和靜交界處，東距和靜縣178 km，西距新源縣124 km，北距烏蘇市、沙灣縣分別為115 km及24 km。此次地震位于喀什河斷裂、那拉提斷裂及阿吾拉勒山南緣斷裂的交匯區(qū)，地貌上屬博羅科努山、阿吾拉勒山和那拉提山交匯部位的高山區(qū)[5]。

圖1　震中分布圖Fig.1　Distribution of the epicenter

1震中附近構(gòu)造簡介

博羅科努—阿其克庫都克斷裂是劃分準噶爾—北天山褶皺系與中天山褶皺系的分界斷裂，也稱天山主干大斷裂。該斷裂為 NW-EW-NE 向延伸，總體呈向南突出的弧形，全長 1 400 余 km，新疆境內(nèi)逾 1 000 km，向西北延入哈薩克斯坦境內(nèi)阿拉湖西岸，長200 km，稱作巴卡納斯大斷裂—準噶爾大斷裂。該斷層面總體南傾，傾角 50°～80°。在斷裂西北段，阿拉山口至精河縣以南有長度近 100 km 的古地震形變帶，形變帶具右旋走滑性質(zhì)[6]。該斷裂活動具長期性與多期性，從它控制的地層看，早古生代以前即已形成，之后多次活動，在 1944 年 3 月 10 日曾發(fā)生過7.3 級地震。伊犁盆地北緣斷裂(喀什河斷裂)在大地構(gòu)造分區(qū)上為Ⅱ級構(gòu)造單元博羅科努地槽褶皺帶與伊犁地塊的界線。斷裂向西延入哈薩克斯坦境內(nèi)，與南準噶爾大斷裂相接。斷裂境內(nèi)長度大于 340 km，總體走向 285°，傾角 65°～85°，為右行逆沖性質(zhì)，具備發(fā)生 8 級地震的構(gòu)造條件[7]。那拉提斷裂在區(qū)域上是中天山與南天山的界線，長度大于 400 km，呈 NEE 向延伸，向西南延入吉爾吉斯斯坦境內(nèi)。斷裂具左旋壓扭性質(zhì)，斷層面傾向 NW，傾角大于 50°。阿吾拉勒山南坡斷裂全長180 km，斷裂總體走向近EW向，斷層面北傾，傾角70°左右，斷層為逆沖性質(zhì)[4]。

區(qū)域地殼運動伴隨著地殼應(yīng)力場的變化，地殼內(nèi)的應(yīng)力是以往和現(xiàn)今活動使地殼克服阻力、不斷運動發(fā)展的原因，地殼各部分所發(fā)生的一切變形，包括破裂，都是地應(yīng)力作用的反映，地應(yīng)力活動會產(chǎn)生或影響地質(zhì)構(gòu)造。中國內(nèi)陸地震多發(fā)生在地殼范圍內(nèi)，故研究地殼應(yīng)力場狀態(tài)及其變化對認識和預(yù)測地震發(fā)生的地點、時間和強度具有重要意義。天山在印度板塊西動力源的NNW和NS向水平力的作用下，右旋走滑和帶有旋性特征的逆沖斷裂發(fā)育[8]。很多學(xué)者利用GNSS資料分析了新疆天山地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場變化，王偉等[9]通過研究1999-2013年GPS區(qū)域網(wǎng)觀測所獲得速度場結(jié)果及應(yīng)變率場分布特征，發(fā)現(xiàn)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，存在一定程度的拉張變形和剪切變形。牛之俊等[10]利用1992-2005年GPS測站的原始觀測資料計算了天山地區(qū)現(xiàn)今地殼運動速率，分區(qū)域定量分析了天山地殼縮短速率變化的方式和特征，發(fā)現(xiàn)天山的匯聚速率由西向東逐步減小，具有分段變化的特征。周德敏等[11]通過GPS觀測結(jié)果推測作為內(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)具有值得關(guān)注的大震潛勢。

2GPS區(qū)域站觀測結(jié)果分析

中國綜合地球物理場觀測項目的主要工作內(nèi)容和目標(biāo)為：通過中國大陸時空高分辨率的GNSS觀測、精密水準觀測、流動重力觀測與流動地磁觀測，獲取區(qū)域三維地殼運動動態(tài)變化圖像、地表重力場動態(tài)變化圖像、巖石圈磁場動態(tài)變化圖像，為區(qū)域強震中長期危險地點判定、地震區(qū)劃以及重大生命線工程地震危險性評價等提供重要依據(jù)，為國家精密大地基準維護、重力基準維護、地磁基準維護和地球科學(xué)研究提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

以88° E為界限將天山山脈分為東天山和西天山。本文收集了新源—和靜6.6級地震震中周邊，覆蓋西天山80°～88° E，40°～45° N區(qū)域，2009—2013年最新的69個GNSS區(qū)域觀測站的觀測資料。各期觀測點采用強制對中觀測，每站觀測時間大于112小時。GNSS數(shù)據(jù)采用美國麻省理工學(xué)院(MIT)和海洋研究所(SIO)聯(lián)合研制的GAMIT/GLOBK軟件計算。先從IGS數(shù)據(jù)中心獲取IGS精密衛(wèi)星星歷及各類所需歷表與信息，利用GAMIT模塊及精密星歷文件與觀測文件進行基線單天解算，解算中為使研究區(qū)域與全球基準聯(lián)系統(tǒng)一，選取研究區(qū)周邊若干IGS站參與計算確定基準。解算得出區(qū)域H文件后與IGS站全球H文件捆綁，利用GLOBK模塊進行網(wǎng)平差計算，得出測站多天解并獲得其在ITRF2008全球框架下相對穩(wěn)定歐亞板塊的水平運動速度場圖像(圖2)。解算所得的水平位移平均精度南北向速率優(yōu)于1 mm /a,東西向優(yōu)于2 mm /a(95%置信度)。

3研究區(qū)GNSS速度場特征

從地貌上看，研究區(qū)山脈走向分別為南西、北西向和近東西方向，呈喇叭狀分布。而其上所分布的斷裂構(gòu)造在84° E以西多呈雁行式相間排列，向東匯聚收斂；84°E以東多呈近東西向平行分布，構(gòu)成天山山脈西段巨型的“掃帚狀”樣式。新源—和靜6.6級地震震中位于伊犁微板塊東側(cè)，處于多條斷裂構(gòu)造匯聚收斂處，地殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為地應(yīng)力的聚集創(chuàng)造了條件。通過計算收集到的最新地球物理場GNSS測站2009年至2013年3期的數(shù)據(jù)，得到新源—和靜6.6級地震前后2009—2011年、2011—2013年兩期研究區(qū)水平運動速度場分布圖(圖2)。

從圖2中可以看出，研究區(qū)的GNSS點兩期的整體運動方向基本相同，均為北偏東方向；運動速率都具有所處位置不同運動速率差異的特點，這與胡亞軒等[12]研究一致。研究區(qū)GNSS點運動速率自北向南有著明顯差異，位于研究區(qū)北部準格爾板塊邊沿的GNSS點兩期運動速率均保持較低水平，2009—2011年運動速率為6.6～10.1 mm/a，2011-2013年為5.8～8.3 mm/a；位于研究區(qū)南部塔里木板塊邊沿的GNSS點兩期運動速率均保持較高水平，2009—2011年運動速率為12.2～19.3 mm/a，2011—2013年為12.4～18.4 mm/a。研究區(qū)南北運動速率的差異性反映出西天山區(qū)域受到南北兩個板塊持續(xù)的擠壓作用。從兩期運動速率看，2011—2013年期南部區(qū)域運動速率基本不變，北部運動速率有所放緩，反映出新源—和靜MS6.6地震后區(qū)域應(yīng)力場能量得到了很大的釋放。研究區(qū)GNSS點自西向東運動速率也有著明顯差異，兩期均表現(xiàn)為中部速率大，東北、西北部速率小的特點。研究區(qū)中部地區(qū)(83°～85°E)的GNSS點2009—2011年運動速率為7.8～15.3 mm/a，2011—2013年為6.0～16.2 mm/a；西北部地區(qū)(86°～88° E ，44°～45° N)GNSS點2009—2011年運動速率為9.4～11.4 mm/a，2011—2013年為5.8～8.3 mm/a；東北部地區(qū)(80°～82° E ，44°～45° N)GNSS點2009—2011年運動速率為6.6～9.5 mm/a，2011—2013年為4.1～8.4 mm/a。從兩期GNSS點運動速率對比來看，研究區(qū)西北部區(qū)域測點運動速率下降較明顯，反映出在2012年6月6日新源—和靜MS6.6地震之后，研究區(qū)西北部區(qū)域的應(yīng)力場能量得到較大的吸收和釋放，區(qū)域應(yīng)力場有所調(diào)整。中部區(qū)域測點速率基本沒有變化，東北部區(qū)域測點運動速率雖然有所下降，但是下降速率不大，反映出在地震之后這些區(qū)域應(yīng)力場能量并未得到釋放和吸收，仍然存在發(fā)震的可能。

4研究區(qū)應(yīng)力應(yīng)變特征

利用本文得到的GNSS速度場結(jié)果并采用最小二乘配置法，通過建立水平運動速度值經(jīng)驗協(xié)方差函數(shù)，借助位移與應(yīng)變的偏導(dǎo)關(guān)系獲取水平視應(yīng)變場分布[13-14](圖3)。

圖3　最大主應(yīng)變率分布圖(紅箭頭代表應(yīng)變率)Fig.3　Distribution of the maximum principal strain rate

利用GNSS速度場結(jié)果計算得出2009—2011年、2011—2013年主應(yīng)變分布圖(圖3)。從圖中可以看出主應(yīng)變率值空間大小分布不均，研究區(qū)南、北部的塔里木板塊和準格爾板塊內(nèi)部表現(xiàn)出擴張?zhí)卣?。在南北兩大板塊的擠壓作用下，2009—2011年期主應(yīng)變分布圖表現(xiàn)出研究區(qū)內(nèi)的昭蘇至新源東區(qū)域沿伊犁盆地北緣斷裂(喀什河斷裂)、阿吾拉勒山南坡斷裂出現(xiàn)正負交替的主應(yīng)變率分布，由西向東主應(yīng)變率極值分別為+5.6×10-8、-3.6×10-8和+5.0×10-8；在奎屯至烏魯木齊連線區(qū)域，沿準格爾板塊邊沿幾個斷裂帶也出現(xiàn)正負交替的主應(yīng)變率分布，隨后2012年6月6日發(fā)生新源—和靜6.6級地震。震后2011—2013年期觀測結(jié)果表明昭蘇至新源東區(qū)域主應(yīng)變率接近0，說明地震釋放了積累的能量。在奎屯至烏魯木齊連線區(qū)域依然存在有正負交替的主應(yīng)變率區(qū)，說明該區(qū)域所積累的能量并沒有在此次地震中得到調(diào)整或釋放。沿斷層走向出現(xiàn)主應(yīng)變率正負交替現(xiàn)象，結(jié)合斷層的走滑性質(zhì)可以推斷震前斷層附近出現(xiàn)的主應(yīng)變正負交替現(xiàn)象與地震的發(fā)生有一定的關(guān)系，中強地震多發(fā)生在交替性主應(yīng)變率出現(xiàn)后1～2年內(nèi)。

利用GNSS速度場結(jié)果計算繪制面膨脹等值線圖(圖4)。從圖中可以看出：2009—2011年期研究區(qū)南北兩側(cè)塔里木板塊和準格爾板塊面膨脹率為正值，表現(xiàn)出拉張趨勢，新源、瑪納斯-烏魯木齊區(qū)域面膨脹率為負值，極值分別為-9.3×10-8和-5.2×10-8，表現(xiàn)出收縮趨勢，在震中位置面膨脹率接近于0，出現(xiàn)閉鎖狀態(tài)；2011—2013年期研究區(qū)南北區(qū)域的面膨脹區(qū)域繼承2009—2011年期發(fā)展趨勢，震中區(qū)域由于地震發(fā)生釋放了能量，原來出現(xiàn)的收縮極值區(qū)域消失。由于研究區(qū)特殊的地質(zhì)構(gòu)造，震中處于南北兩個構(gòu)造帶匯聚區(qū)，在南北持續(xù)增強的應(yīng)力作用下，在構(gòu)造匯聚區(qū)更易集聚應(yīng)力能量，也更易形成破裂。震中位置處于兩個面收縮區(qū)之間，其持續(xù)擠壓作用也為地震發(fā)生創(chuàng)造了條件。地震前震中區(qū)域出現(xiàn)的面膨脹0值的閉鎖區(qū)域?qū)Φ卣痤A(yù)報有一定意義。通過面膨脹率等值線圖可以看出中強地震的發(fā)生往往不在面膨脹極值區(qū)，多出現(xiàn)在膨脹極值區(qū)附近0值的閉鎖區(qū)域。

圖4　面膨脹率等值線圖(虛線為負值，實線為正值)Fig.4　Contour map of the surface expansion rate

利用GNSS速度場計算結(jié)果繪制最大剪應(yīng)變等值線圖(圖5)。從圖中可以看出，2009—2011年期觀測反映出研究區(qū)最大剪應(yīng)變區(qū)在奎屯以南新源東北的山區(qū)(極值為8.3×10-8)、烏魯木齊西南山區(qū)(極值為10.6×10-8，)以及拜城-庫車連線以南的板塊邊緣區(qū)域(極值為13.8×10-8，)。 2011—2013年期觀測顯示烏魯木齊西南山區(qū)、拜城-庫車連線以南區(qū)域剪應(yīng)變繼承2009—2011年期趨勢，奎屯-新源東之間區(qū)域剪應(yīng)變極值區(qū)沿伊犁盆地北緣斷裂(喀什河斷裂)、阿吾拉勒山南坡斷裂擴大，剪應(yīng)變率也增大。這與主震破裂方向及余震展布趨勢相同[4]。剪切變形是介質(zhì)發(fā)生破壞性變形的主要方式之一[15],剪應(yīng)變區(qū)面積的變化反映了地震的破裂方向和余震發(fā)生區(qū)域。由于震中位置的區(qū)域構(gòu)造不同，震后剪應(yīng)變極值區(qū)不一定出現(xiàn)在震中。

5結(jié)論與討論

通過新源—和靜6.6級地震前后兩期GNSS觀測資料對該地區(qū)速度場、主應(yīng)變率、面膨脹率及最大剪應(yīng)變率計算分析，得出該區(qū)域構(gòu)造運動特征與地震關(guān)系：

(1) 西天山研究區(qū)整體呈縮短趨勢，從南北向來看南部區(qū)域運動速率總體高于北部運動速率，從東西向來看斷層縮短速率表現(xiàn)為中部高于東西兩側(cè)的特點，這與區(qū)域構(gòu)造特點相關(guān)。新源—和靜MS6.6地震之后，研究區(qū)西北部區(qū)域的應(yīng)力場能量得到較大的吸收和釋放。

圖5　最大剪應(yīng)變率等值線圖(實線為正值)Fig.5　Contour map of the maximum shear strain rate

(2) 從研究區(qū)應(yīng)變分析中可以看出沿斷層出現(xiàn)主應(yīng)變率正負交替現(xiàn)象，結(jié)合斷層的走滑性質(zhì)可以推斷震前主應(yīng)變正負交替現(xiàn)象與地震的發(fā)生有一定的關(guān)系，中強地震多發(fā)生在交替性主應(yīng)變率出現(xiàn)后1～2年內(nèi)。從面膨脹等值線圖可以看出，處于兩個面收縮區(qū)之間區(qū)域是地震發(fā)生的重要區(qū)域。剪應(yīng)變區(qū)域變化可以反映出地震的破裂方向。

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Relationship between Crustal Deformation and Earthquake Activities before and after the Xinyuan-HejingMS6.6 Earthquake Using GNSS Data

ZHU Zhi-guo1, QIN Shan-lan2, LI Yu-hang2, CUI Du-xin2， LI Gui-rong1

(1.EarthquakeAdministrationofXinjiangUygurAutonomousRegion,Urumqi830011,Xinjiang,China;2.SecondCrustMonitoringandApplicationCenter,CEA,Xi’an710054,Shaanxi,China)

Abstract：Based on an examination of three stages of global navigation satellite systems (GNSS) observation data from 2009 to 2011, we obtained the horizontal movement velocity, principal strain rate, surface expansion rate, and maximum shear strain rate around the epicenter area before and after the Xinyuan-Hejing MS6.6 earthquake of 2012. The results show that (1) the main movement trend in the research area is a reduction in the horizontal movement rate from south to north. The movement rate in the southern region is higher than that in the northern region, and the movement rate in the central area is higher than those in the east and west regions. (2) The positive negative alternate zone of the principal strain rate along the fault has some relationship with the earthquake. Between the two surface shrinkage areas is an important earthquake area. The regional change of the shear strain rate can reflect the direction of earthquake rupture.

Key words：horizontal movement rate; principal strain rate; surface expansion rate; shear strain rate; GNSS

收稿日期：①2016-01-26

基金項目：地震科技星火計劃(XH6042Y)

作者簡介：朱治國(1978-)，男，高級工程師，主要從事GPS、流動重力、流動水準觀測與數(shù)據(jù)分析工作。E-mail:9487132@qq.com。

中圖分類號:P315.727

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號:1000-0844(2016)03-0407-06

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.03.0407