基于GPS資料分析阿爾金斷裂的閉鎖程度及地震危險(xiǎn)性

劉雷 趙寧遠(yuǎn) 王陽

摘要：采用1991—2015年GPS速度場數(shù)據(jù)，分析了阿爾金斷裂現(xiàn)今滑動(dòng)速率特征；利用Tdefnode負(fù)位錯(cuò)反演程序計(jì)算了阿爾金斷裂的閉鎖程度分布及滑動(dòng)虧損速率分布；結(jié)合小震分布特征，對阿爾金斷裂地震危險(xiǎn)性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：阿爾金斷裂西段、中段和東段的走滑速率分別為7.1 mm/a，7.8 mm/a，5.0 mm/a，在與北西向斷裂交匯區(qū)域速率減小最快；斷裂閉鎖程度較高區(qū)域集中在斷裂中東段，斷裂中段虧損速率為6～8 mm/a，到東段虧損速率增加到10 mm/a；結(jié)合震源深度剖面認(rèn)為斷裂中東段是一個(gè)地震空段，地震危險(xiǎn)性較高，未來應(yīng)該加強(qiáng)關(guān)注。

關(guān)鍵詞：阿爾金斷裂；Tdefnode負(fù)位錯(cuò)反演；閉鎖程度；地震危險(xiǎn)性

中圖分類號(hào)：P315.725 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0666（2018）03-0407-08

0 引言

阿爾金斷裂作為青藏高原的北部邊界，將塔里木盆地與柴達(dá)木盆地分隔開來，并切割了青藏高原北部的不同構(gòu)造單元，控制高原北部的幾何學(xué)特征及基本的構(gòu)造格架（李海兵，2001）。斷裂從西昆侖一直延伸到祁連山，全長達(dá)1 800 km，斷裂走向以NEE向?yàn)橹?，斷層性質(zhì)以左旋走滑為主，兼有逆沖作用，是我國最大的走滑斷層及最活躍的構(gòu)造斷裂之一。研究發(fā)現(xiàn)，晚更新世到全新世時(shí)期阿爾金斷裂發(fā)生過5次古地震，平均復(fù)發(fā)周期為800年左右（柏美祥，1992）。據(jù)記載，1900年以來斷裂上發(fā)生過1924年新疆民豐7.3級(jí)雙震、1932年甘肅昌馬7.6級(jí)地震、2008年新疆于田7.3級(jí)地震（馬玉虎，馬輝青，2014），所以該斷裂具有發(fā)生大地震的孕育背景。近些年，許多學(xué)者認(rèn)為阿爾金斷裂的形成與青藏高原的隆升及地殼縮短有關(guān)（許志琴等，1999a，b；熊熊等，2006）。徐錫偉等（2003）利用SPOT影像分析了阿爾金斷裂晚第四紀(jì)走滑速率及構(gòu)造轉(zhuǎn)換特征；李海兵等（2006）提出阿爾金斷裂存在多期活動(dòng)，并分析了斷裂的演化及與青藏高原隆升的過程；馬玉虎和馬輝青（2014）根據(jù)地震活動(dòng)性分析了阿爾金斷裂在青海段具有強(qiáng)震危險(xiǎn)性；李煜航等（2015a，b）利用GPS數(shù)據(jù)反演得到斷裂現(xiàn)今的滑動(dòng)速率。

雖然前人對阿爾金斷裂的形成、構(gòu)造背景和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征等方面進(jìn)行了詳細(xì)的研究，但還有一些問題有待解決。如研究阿爾金斷裂與斜交斷裂的相關(guān)性特征，以及通過對斷裂閉鎖程度及滑動(dòng)虧損速率進(jìn)行研究來反映斷裂的地震危險(xiǎn)性，還有沿?cái)嗔逊植嫉男≌鹋c斷裂運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系等。本文基于這些問題，利用1991—2015年GPS數(shù)據(jù)（Zheng et al，2017），計(jì)算阿爾金斷裂西段、中段和東段的跨斷層GPS速度剖面和區(qū)域主應(yīng)變率場，分析斷裂的運(yùn)動(dòng)特征，再利用Tdefnode負(fù)位錯(cuò)反演程序計(jì)算斷裂的閉鎖程度及滑動(dòng)虧損速率，判別斷裂的強(qiáng)震危險(xiǎn)區(qū)，最后結(jié)合小震的分布情況來分析斷裂高閉鎖區(qū)與地震分布的特征。

1 GPS運(yùn)動(dòng)特征

為了研究阿爾金斷裂現(xiàn)今速度場和應(yīng)變場特征，筆者使用Zheng等（2017）計(jì)算的1991—2015年GPS數(shù)據(jù)。從研究區(qū)GPS速度場上可以看出（圖1），在阿爾金斷裂的西段，斷裂南北兩側(cè)GPS速度場方向發(fā)生變化，南側(cè)為NNE向，到北側(cè)變?yōu)镹NW向或N向，斷裂中段速度場方向基本為NNE向，斷裂東段速度場方向主要以WE向?yàn)橹?，并且速率也相對減少。另外，GPS速度場在斷裂南側(cè)比北側(cè)速率大，利用最小二乘法（張希等，1998）計(jì)算研究區(qū)的主應(yīng)變率分布（圖1）可以看出，在斷裂南側(cè)主應(yīng)變率大，北側(cè)較??；斷裂東段以NE向主壓應(yīng)變?yōu)橹鳎卸魏臀鞫我訬E向主壓應(yīng)變?yōu)橹?，還具有NW向張應(yīng)變。斷裂中段、西段的主應(yīng)變率比東段大，說明斷裂自西向東擠壓作用和走滑作用逐漸減弱，斷裂南側(cè)受到較大的北東向擠壓作用，地表形變主要發(fā)生在南側(cè)，而在北側(cè)由于受到塔里木穩(wěn)定塊體的阻擋，地表形變量較少。

分析斷層的GPS速度剖面可直觀地反映斷層兩側(cè)塊體的差異運(yùn)動(dòng)和斷層的應(yīng)變積累狀態(tài)（劉曉霞等，2017）。在阿爾金斷裂上選取3個(gè)GPS跨斷層速度剖面（西段、中段、東段），繪制跨斷層 GPS 站速度剖面，如圖2所示。由圖可見，斷裂以左旋走滑作用為主，兼有少量逆沖作用，其西段左旋走滑速率為7.1 mm/a（圖2a），逆沖滑動(dòng)速率為3.3 mm/a（圖2b）；斷裂中段左旋走滑速率為7.8 mm/a（圖2c），逆沖滑動(dòng)速率為1.8 mm/a（圖2d）；斷裂東段左旋走滑速率為5.0 mm/a（圖2e），逆沖滑動(dòng)速率為1.4 mm/a（圖2f）。斷裂中段走滑速率最大，西段相對較小，東段速率減小最多。在垂直斷層方向上，斷裂西段的擠壓作用最大，由西向東逐漸減小。斷裂西段擠壓作用大可能是因?yàn)槭艿搅四喜坑《劝鍓K向北俯沖擠壓、北部塔里木穩(wěn)定塊體的阻礙以及西昆侖斷裂逆沖擠壓的共同作用。

2 斷層閉鎖程度及滑動(dòng)虧損速率分析

2.1 模型原理及設(shè)置

在反演阿爾金斷裂的閉鎖程度過程中，主要選擇了斷裂附近的塔里木、柴達(dá)木、柴北次級(jí)、祁連次級(jí)和河西次級(jí)5個(gè)塊體。將塔里木塊體設(shè)置為剛性塊體，其他塊體設(shè)置為內(nèi)部均勻應(yīng)變，塊體的劃分參考李煜航等（2015b）的塊體劃分方法。GPS速度場約束方面，利用Zheng等（2017）提供的1991—2015年GPS數(shù)據(jù)。反演斷層設(shè)置中，在斷層走向上，塔里木塊體和柴達(dá)木塊體相交部分的阿爾金斷裂中西段設(shè)置了16個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間距離為55～60 km。阿爾金斷裂東段設(shè)置了24個(gè)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)之間的距離為20 km。在垂直方向上設(shè)置了7個(gè)節(jié)點(diǎn)，距離依次為0.1，5，10，15，20，25以及30 km，斷層傾向SSE，傾角統(tǒng)一設(shè)置為80°，模型的格林函數(shù)設(shè)置為4×4（走向與深度方向都為4 km），進(jìn)而計(jì)算相鄰節(jié)點(diǎn)之間斷層網(wǎng)格區(qū)域的閉鎖程度。

在反演阿爾金斷裂閉鎖程度的過程中，以 χn2≈1為標(biāo)準(zhǔn)尋求最佳模型，首先刪除塊體內(nèi)部與周圍測點(diǎn)運(yùn)動(dòng)趨勢、大小明顯不同的點(diǎn)，刪除后最終有212個(gè)GPS測點(diǎn)參與反演，再經(jīng)過多次測試，調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，最終得到最佳模型（李寧等，2017）。當(dāng)GPS速度場誤差權(quán)重因子f=4.2時(shí)，χn2=0.98（觀測值個(gè)數(shù)為424，自由度為332）。為了更好地說明模型擇優(yōu)和擬合效果，圖3a給出了最優(yōu)模型的擬合殘差分布，從圖中可以看出，只有少部分在塊體邊界的測站的GPS速度殘差值較大，大部分塊體內(nèi)部及斷裂附近的測站速度殘差較小，在誤差范圍2 mm/a之內(nèi)，速度殘差在東西方向（圖3b）和南北方向（圖3c）上分布都符合高斯正態(tài)分布，說明模型有效并且擬合結(jié)果較好。

2.2 斷層閉鎖程度與滑動(dòng)虧損速率

通過最佳模型擬合結(jié)果，得到阿爾金斷裂閉鎖程度分布圖（圖4），通過圖4可以看出，在斷裂西段深部基本不閉鎖，而在斷裂中段（91°E）以東的大部分區(qū)域，呈現(xiàn)較高的閉鎖程度，閉鎖深度在斷裂西段地表存在淺閉鎖，閉鎖深度不足2 km，到了斷裂中段和東段，閉鎖深度達(dá)到了25 km，總體呈現(xiàn)出由西向東，閉鎖深度由淺變深的特征，這說明斷裂東段比西段地震危險(xiǎn)性大。另外，阿爾金斷裂與北西向斷裂相交的地方，都發(fā)現(xiàn)存在高的閉鎖程度及閉鎖深度，以及較高的應(yīng)力積累，例如祁曼塔格斷裂、柴達(dá)木盆地北緣斷裂、祁連山北緣斷裂等，說明阿爾金斷

裂的閉鎖區(qū)域有可能與這些北西向斜交的構(gòu)造活動(dòng)相關(guān)。

由于斷層處于閉鎖狀態(tài)，滑動(dòng)速率的虧損以應(yīng)變能的方式積累在斷層附近，所以用滑動(dòng)虧損速率可以表示斷層兩盤滑動(dòng)量轉(zhuǎn)化為應(yīng)變能的快慢（李寧等，2018）。根據(jù)反演模型得到了阿爾金斷裂滑動(dòng)虧損速率分布圖（圖5），從圖5可以看出，滑動(dòng)虧損分布圖像與閉鎖程度分布圖變化基本一致：斷裂的西段滑動(dòng)虧損速率低，斷裂頂部虧損速率在4～6 mm/a；斷裂中段虧損速率開始增大，在祁曼塔格斷裂與柴北斷裂之間虧損速率為6～8 mm/a，而在柴北斷裂至大雪山斷裂之間，虧損速率維持在6～7 mm/a，沒有明顯的 增大；在斷裂東段的大雪山至祁連山北緣斷裂之間，虧損速率明顯增加，達(dá)到10 mm/a。在阿爾金斷裂與北西向活動(dòng)斷裂斜交的部位，都存在較大的滑動(dòng)虧損速率，說明斷層在交匯處快速的積累應(yīng)變能。

3 小震分布特征

為了研究阿爾金斷裂現(xiàn)今活動(dòng)構(gòu)造與小震之間關(guān)系，分析斷裂未來發(fā)生強(qiáng)震的地震危險(xiǎn)性，利用中國地震局地球物理研究所房立華提供的小震重新定位目錄，將1970以來發(fā)生在阿爾金斷裂兩側(cè)25 km內(nèi)的地震進(jìn)行了篩選。剔除震級(jí)小于1.0級(jí)，震源深度小于1 km的地震，將結(jié)果繪制到震源深度剖面上（圖6）。由圖6可以看出，阿爾金斷裂震源深度最深為35 km左右，震源深度變化較大，小震主要呈條帶狀分布，在阿爾金斷裂與祁曼塔格斷裂和祁連山北緣斷裂的交匯區(qū)域，表現(xiàn)為小震分布密集，且震源深度較大。另外，在與祁曼塔格斷裂交匯區(qū)域，分布有許多4.0級(jí)以上的地震，說明在各斷裂的交匯部位，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，地震活動(dòng)性較強(qiáng)，容易發(fā)生強(qiáng)震。分析阿爾金斷裂震源深度剖面4.0級(jí)以上地震的空間分布，可知在斷裂中東段存在一個(gè)地震空段，小震分布稀少，空段內(nèi)未發(fā)生過超過4.0級(jí)的地震。被M≥4.0地震圍成的地震空段空間尺度約為400 km，西邊界為祁曼塔格斷裂交匯處，東邊界為大雪山斷裂交匯處，深度為10～30 km，未來在這個(gè)區(qū)域有發(fā)生強(qiáng)震的可能。

4 討論

4.1 阿爾金斷裂走滑速率減小原因分析

阿爾金斷裂GPS跨斷層速度剖面顯示（圖2），在斷裂北側(cè)區(qū)域的運(yùn)動(dòng)速率為4～5 mm/a；而南側(cè)區(qū)域的運(yùn)動(dòng)速率由西向東逐漸減小，說明斷裂北側(cè)速率較為一致。北側(cè)區(qū)域受塔里木塊體的影響，形成一個(gè)整體在運(yùn)動(dòng)，沒有構(gòu)造活動(dòng)的影響，而南側(cè)速率變化的差異，可能是由于南側(cè)構(gòu)造復(fù)雜（季靈運(yùn)等，2015），根據(jù)構(gòu)造樣式，與阿爾金斷裂相交的NW向的多條斷裂分布在阿爾金斷裂中段到東段之間，而阿爾金斷裂走滑速率的快速降低也是在斷裂中段到東段內(nèi)，并且NW向的這幾條斷裂基本都是逆沖型斷裂，主應(yīng)變率特征也顯示NW向的斷裂具有擠壓作用。李海兵（2001）提出在阿爾金斷裂與分支逆沖斷裂交匯的地區(qū)，其走滑速率有明顯的突變。

筆者認(rèn)為阿爾金斷裂受到青藏塊體北東向的擠壓作用以及北部塔里木塊體的阻礙后向東運(yùn)動(dòng)形成左旋走滑斷裂，斷裂在向東運(yùn)動(dòng)的過程中由于受到了祁曼塔格斷裂、祁連山北緣斷裂等北西向逆沖斷裂的阻擋作用，將一部分的走滑速率分解到了這些逆沖斷裂上，減少了阿爾金斷裂的走滑速率。徐錫偉等（2003）提出阿爾金斷裂向東走滑速率降低是三聯(lián)點(diǎn)附近構(gòu)造轉(zhuǎn)換的結(jié)果，而NW向斷裂交匯區(qū)域就是三聯(lián)點(diǎn)的位置。由此可知，阿爾金斷裂走滑速率的降低與相交的NW向斷裂有關(guān)。

4.2 阿爾金斷裂的地震危險(xiǎn)性

活動(dòng)斷裂在閉鎖后，受到應(yīng)力作用不斷積累能量，當(dāng)超過自身穩(wěn)定極限后，發(fā)生地震并釋放能量。所以分析斷裂的閉鎖程度可以很好地判斷斷裂的地震危險(xiǎn)性。

根據(jù)阿爾金斷裂閉鎖程度分布的結(jié)果（圖4），筆者發(fā)現(xiàn)在斷裂的中東段有較強(qiáng)的閉鎖系數(shù)，并且在與北西向的斷裂交匯區(qū)域也存在較高的閉鎖，斷裂走滑速率也在這些斷裂附近有明顯的減小，說明阿爾金斷裂在向東走滑的過程中遇到了北西向的逆沖斷裂后，受到阻礙作用，在交匯部位更容易積累應(yīng)力。

通過小震剖面圖（圖6）也可以看出，在斷裂的交匯部位，如祁曼塔格斷裂、大雪山斷裂、祁連山北緣斷裂的小震分布較多，說明這些區(qū)域經(jīng)常發(fā)生閉鎖。另外，依據(jù)地震空段劃分原則，筆者在斷裂中東段圈了一個(gè)地震空段，位于柴北斷裂交匯處，避開了祁曼塔格斷裂、大雪山斷裂和祁連山北緣斷裂交匯部位，因?yàn)檫@些地方小震頻發(fā)，也伴隨有較大的地震發(fā)生，斷裂閉鎖的能量也隨之釋放，處于應(yīng)力調(diào)整階段。在斷裂西段沒有圈定空區(qū)是因?yàn)樵谛≌鹌拭嫔蠜]有形成地震分布圍控，且斷裂西段的閉鎖程度也相對較弱，故筆者認(rèn)為阿爾金中東段是未來可能發(fā)震的區(qū)域。

4.3 阿爾金斷裂長期滑動(dòng)速率分析

阿爾金斷裂的長期滑動(dòng)速率一直是人們研究的重點(diǎn)，許多學(xué)者利用地質(zhì)資料計(jì)算該斷裂長期滑動(dòng)速率。Peltzer等（1989）估算出全新世以來阿爾金斷裂帶中段和東段的走滑速率分別為30和20 mm/a。陳正樂等（2001）推斷阿爾金斷裂中段晚新生代的平均滑動(dòng)速率為16～20 mm/a。張?jiān)罉虻龋?001）給出阿爾金斷裂晚新生代的平均滑移速率：西段、中段和東段分別為12～25 mm/a，8～20 mm/a和6～13 mm/a。虢順民和向宏發(fā)（1998）認(rèn)為阿爾金斷裂帶漸新世以來的走滑速率基本一致，為5～7 mm/a，但得到的滑動(dòng)速率的變化范圍較大。謝富仁和劉光勛（1989）分析阿爾金斷裂構(gòu)造應(yīng)力場，提出在早更新世以前，斷裂以逆沖分量為主，走滑分量較小，在早更新世后期以來，受印度板塊繼續(xù)擠壓作用，最大主應(yīng)力方向變?yōu)镹E—SW，斷裂左旋速率明顯增加，所以阿爾金斷裂在不同時(shí)期滑動(dòng)速率有所差異。大多數(shù)研究顯示全新世以來斷裂滑動(dòng)速率為20～30 mm/a（Peltzer et al，1989；Meriaux et al，2003，2005）。

筆者利用1991—2015年GPS數(shù)據(jù)，通過Tdefnode負(fù)位錯(cuò)反演程序計(jì)算了阿爾金斷裂的長期滑動(dòng)速率8～11 mm/a，與Shen等（2001）提出的阿爾金斷裂中段和東段的滑移速率小于11 mm/a的結(jié)果基本一致，而與地質(zhì)資料計(jì)算出來的長期滑動(dòng)速率相比較小。由于地質(zhì)學(xué)結(jié)果反映的是斷裂在地質(zhì)時(shí)間尺度下的綜合效應(yīng)，而GPS結(jié)果體現(xiàn)的則是現(xiàn)今斷裂的活動(dòng)狀態(tài)，如果2類結(jié)果在誤差容許的范圍內(nèi)均是精確的，其差異又真實(shí)存在，那么這個(gè)差異就可能暗示了阿爾金斷裂的左旋滑移速率呈急劇減小的趨勢（熊熊等，2006）。GPS資料得到的長期滑動(dòng)速率的減少，可能是斷裂現(xiàn)今處于應(yīng)力積累狀態(tài)，地震危險(xiǎn)性較大；也可能是現(xiàn)今構(gòu)造活動(dòng)性的變化，例如東昆侖斷裂活動(dòng)性增強(qiáng)，吸收了部分來自青藏塊體的擠壓作用，或者由于青藏高原地殼縮短增厚吸收了部分的應(yīng)力，導(dǎo)致了斷裂滑動(dòng)速率減小。

5 結(jié)論

本文利用1991—2015年GPS速度場數(shù)據(jù)，分析了阿爾金斷裂各段的現(xiàn)今走滑速率，采用Tdefnode程序反演了斷裂的閉鎖程度及滑動(dòng)虧損速率，結(jié)合小震分布情況對斷裂的地震危險(xiǎn)性進(jìn)行分析，取得如下認(rèn)識(shí)：

（1）根據(jù)GPS跨斷層速度剖面的結(jié)果，斷裂西段、中段和東段的走滑速率分別為7.1 mm/a，7.8 mm/a，5.0 mm/a，斷裂向東速率逐漸變小，在與北西向斷裂交匯區(qū)域減小最快。

（2）阿爾金斷裂西段閉鎖程度弱，中東段閉鎖程度較高，對應(yīng)的滑動(dòng)虧損速率變化一致，中段虧損速率為6～8 mm/a，到祁連山北緣斷裂附近虧損速率增加到10 mm/a，斷裂中東段的地震危險(xiǎn)性較大。

（3）地震剖面顯示在祁曼塔格斷裂和祁連山北緣斷裂附近小震密集，震源深度大，并在斷裂中東段圈定出一個(gè)地震空段，地震危險(xiǎn)性較高，未來可能發(fā)生地震的震級(jí)MS為（7.34±0.41），應(yīng)該加強(qiáng)對地震空區(qū)的持續(xù)關(guān)注。

感謝中國地震局地球物理研究所房立華研究員提供小震重新定位目錄。

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Abstract By using the GPS velocity field during 1991～2015，we analyze the slip rate of the Altyn Tagh fault，and then we invert the fault locking and slip deficit of the Altyn Tagh fault by negative dislocation inversion with Tdefnode code.Moreover，combining with the distribution characteristics of small earthquakes，we analyze the seismic risk of the Altyn Tagh fault.The results show that the slip rate of the western segment is 7.1 mm/a，the middle segment is 7.8 mm/a，and the eastern segment is 5.0 mm/a.The slip rate decreases in the intersection with NW faults.The middle-eastern segments of the fault is completely locked.And the slip deficit rate of the middle segment is about 7～8 mm/a，and increased to 10 mm/a in the eastern segment.Combining with the hypocentral depth profile，we speculate the middle-eastern segments is a seismic gap，and have a strong seismic risk.Therefore，we should pay more attention to it.

Keywords：the Altyn Tagh fault；negative dislocation inversion with Tdefnode；fault locking degree；seismic risk