天山地震帶近期地殼形變分析及地震危險(xiǎn)性評(píng)估

朱爽 時(shí)爽爽

摘要：利用1999—2018年天山地震帶GPS連續(xù)站及流動(dòng)站觀測(cè)資料，采用線性球面塊體模型分別計(jì)算了1999—2007期，2009—2013期，2013—2017期的滑動(dòng)速率，結(jié)合天山地震帶基線及區(qū)域應(yīng)變結(jié)果分析天山地震帶近期地殼形變情況，對(duì)天山地震帶的地震危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果顯示：北天山斷裂帶西段的擠壓滑動(dòng)速率有微弱的調(diào)整，基線結(jié)果顯示北天山斷裂帶中西段遠(yuǎn)場(chǎng)擠壓應(yīng)變加載增強(qiáng)，同時(shí)還表現(xiàn)出時(shí)空非線性變形過程，需關(guān)注其強(qiáng)震危險(xiǎn)。南天山斷裂帶西段的擠壓速率處于穩(wěn)定的高值狀態(tài)，2013—2017期的擠壓速率達(dá)到了（-12.5±2.0）mm/a，跨越南天山斷裂帶西段的基線和應(yīng)變都是以擠壓狀態(tài)為主，結(jié)合地震活動(dòng)狀態(tài)的分析，認(rèn)為該段發(fā)生地震的危險(xiǎn)性較高。

關(guān)鍵詞：天山地震帶；線性球面塊體模型；滑動(dòng)速率；基線；應(yīng)變

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）03-0423-07

0 引言

新疆?dāng)鄩K區(qū)是處于擠壓環(huán)境下的大陸內(nèi)部新生代再生造山帶壓陷盆地及逆斷裂和活動(dòng)褶皺發(fā)育區(qū)，內(nèi)部發(fā)育有大型走滑斷裂，印度板塊推擠的遠(yuǎn)程效應(yīng)及其在興都庫什地區(qū)的強(qiáng)烈擠壓是天山地震帶變形的基本因素（張培震等，1996；鄧起東等，2002）。塔里木和準(zhǔn)噶爾盆地?cái)鄩K是結(jié)構(gòu)完整的活動(dòng)塊體，其間的天山造山帶則是典型的新生代再生造山帶，因此，天山造山帶是世界上最為活躍的陸內(nèi)造山帶之一。天山山脈作為歐亞大陸內(nèi)部規(guī)模最大的再生造山帶（鄧起東等，2000；周德敏，2013；Larson et al，1999），地殼運(yùn)動(dòng)基本表現(xiàn)為近南北向的變形和大量強(qiáng)震地表破裂，是我國構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)的地區(qū)之一，也是我國重點(diǎn)地震危險(xiǎn)區(qū)之一（Larson et al，2003；Abdrakhmatov et al，1996；Avouac et al，1993）。

目前，已經(jīng)有很多專家利用GPS手段對(duì)天山地震帶進(jìn)行了相關(guān)研究（Mohadjer et al，2010；Zubovich et al，2010；Zhan et al，2017；李杰等，2006）：楊少敏等（2008）利用1992—2006年天山地震帶近400個(gè)GPS站點(diǎn)的觀測(cè)資料，獲取了天山地震帶密集的地殼運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)，并以GPS速度場(chǎng)為約束，采用二維彈性位錯(cuò)模型反演了區(qū)域內(nèi)主要斷層的活動(dòng)速率；牛之俊等（2007）利用1992—2005年天山地震帶382個(gè)GPS觀測(cè)站資料，計(jì)算了天山地震帶現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)速率，并分區(qū)域分析了天山地震帶地殼縮短速率變化的方式和特征，認(rèn)為天山地震帶的匯聚速率由西向東逐步減小，具有分段變化的特征；劉代芹等（2016）利用1998—2003年的速度場(chǎng)，采用彈性塊體模型計(jì)算了天山地震帶的閉鎖深度、塊體運(yùn)動(dòng)參數(shù)和主要斷層的滑動(dòng)速率，認(rèn)為北天山斷裂帶東段有發(fā)生7級(jí)以上地震的可能性。關(guān)于天山地震帶滑動(dòng)速率的計(jì)算，大多數(shù)研究者采用2010年以前的速度場(chǎng)所得到的背景速率，很少采用近期的速度場(chǎng)數(shù)據(jù)，除此之外，許多研究人員以單一角度即從速度場(chǎng)分析天山地震帶的活動(dòng)狀態(tài)，并得到了相一致的結(jié)論，但對(duì)于有較好連續(xù)性的時(shí)序信息變化分析較少。筆者將利用最新一期的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合速率場(chǎng)和時(shí)序的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一分析，從整體上分析天山地震帶近期地殼形變，評(píng)估其地震危險(xiǎn)性。

本文首先收集了1999—2018年網(wǎng)絡(luò)工程和陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)GPS連續(xù)站與流動(dòng)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到3期速度場(chǎng)結(jié)果及最新時(shí)間序列結(jié)果；在分析天山地震帶及其周邊區(qū)域的地震活動(dòng)狀態(tài)的基礎(chǔ)上，利用線性球面塊體模型計(jì)算天山地震帶主要斷裂帶滑動(dòng)速率，然后利用時(shí)間序列分析基線及區(qū)域應(yīng)變，研究天山地震帶現(xiàn)今水平運(yùn)動(dòng)特征。

1 地震活動(dòng)狀態(tài)分析

自1900年以來天山地震帶7級(jí)以上地震活動(dòng)具有明顯的平靜-活躍交替特征，先后經(jīng)歷了3個(gè)相對(duì)活躍時(shí)段，依次為1902—1914年、1944—1955年和1974—1992年，期間的2個(gè)平靜時(shí)段分別持續(xù)了29年和19年，目前天山地震帶7級(jí)以上地震已經(jīng)平靜了24年（全國7級(jí)地震與地震形勢(shì)跟蹤組，2017）。從2011年6月8日托克遜5.3級(jí)地震開始，天山地震帶5級(jí)以上地震主要集中在2個(gè)區(qū)域，分別為北天山地震帶西段和南天山地震帶西段附近區(qū)域，如圖1所示，結(jié)合天山地區(qū)活動(dòng)的交替特征來看，這2個(gè)區(qū)域具有7級(jí)地震的發(fā)震背景。

2 滑動(dòng)速率的計(jì)算與分析

2.1 計(jì)算方法及塊體劃分

斷裂帶的滑動(dòng)速率求解方法較多，主要有GPS剖面法（呂江寧等，2003；魏文薪，2012；Shen et al，2005）、三維球面塊體模型方法（李煜航等，2014；王輝，金紅林，2010；劉代芹等，2016）及其他反演方法，其中各研究中反演選用的模型和方法也不盡相同，有多斷裂位錯(cuò)模型（申重陽等，2002）、非震位錯(cuò)模型（方穎等，2005，2014）、連接斷層元模型（王閻昭等，2008）。本文選定三維球面塊體模型方法，該方法認(rèn)為一個(gè)點(diǎn)上震間期的模擬速率值，等于塊體旋轉(zhuǎn)速率、來自所有斷裂彈性應(yīng)變積累的影響和塊體內(nèi)部均勻彈性應(yīng)變影響的總和，可以得到更加精確的滑動(dòng)速率結(jié)果。

中國大陸晚新生代和現(xiàn)代構(gòu)造變形以活動(dòng)地塊運(yùn)動(dòng)為主要特征，活動(dòng)地塊是形成于晚新生代、晚第四紀(jì)（10—12萬年）至現(xiàn)今強(qiáng)烈活動(dòng)的構(gòu)造帶所分割和圍限，具有相對(duì)統(tǒng)一運(yùn)動(dòng)方式的地質(zhì)單元，從而導(dǎo)致活動(dòng)地塊邊界構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈。張培震等（2003）將新疆地區(qū)分為3個(gè)塊體；張國民等（2005）將新疆地區(qū)分為4個(gè)塊體；牛之俊等（2006）劃分了東、西天山2個(gè)塊體；更多的學(xué)者則將新疆地區(qū)作為1個(gè)塊體進(jìn)行研究（朱紅彬，2010）。結(jié)合天山地震帶的斷裂帶分布，在前人的研究基礎(chǔ)上，對(duì)天山地震帶活動(dòng)塊體進(jìn)行劃分，因?yàn)楸疚氖褂玫哪Ｐ托枰x塊體必須閉合，所以在劃分塊體時(shí)對(duì)斷裂帶進(jìn)行了選擇、合并與刪減，采取的原則為活動(dòng)性較強(qiáng)的斷裂帶為主要斷裂帶。某些塊體的邊界沒有斷裂帶，但為了塊體的閉合人工設(shè)置邊界，這可能對(duì)此條邊界帶的計(jì)算數(shù)值有影響，但對(duì)整體的研究結(jié)果影響不大。本文主要研究北天山地震帶和南天山地震帶的滑動(dòng)速率，塊體的劃分結(jié)果如圖1所示。

2.2 數(shù)據(jù)選取及處理

本文收集了1999—2018年網(wǎng)絡(luò)工程和陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)GPS連續(xù)站與流動(dòng)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合周邊77個(gè)IGS站數(shù)據(jù)，利用GAMIT/GLOBK軟件進(jìn)行解算，得到測(cè)站坐標(biāo)及衛(wèi)星軌道的單日松弛解。再利用QOCA軟件對(duì)上述多個(gè)單日松弛解進(jìn)行整體平差，選取分布于全球的47個(gè)GPS測(cè)站作為框架點(diǎn)，經(jīng)過平差計(jì)算得到ITRF2005框架下的1999—2007期、2009—2013期、2013—2017期3期速度場(chǎng)及測(cè)站時(shí)間序列。在解算過程中，為了減小2008年3月21日于田7.3級(jí)地震、2010年4月14

日玉樹7.1級(jí)地震、2013年4月20日蘆山7.0級(jí)地震以及2014年2月12日于田7.3級(jí)地震的影響，先利用GPS連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到上述地震引起的同震位移，再在求解速度場(chǎng)時(shí)扣除了同震影響。3期速度場(chǎng)測(cè)站分布如圖1所示。

2.3 滑動(dòng)速率計(jì)算

通過三維球面塊體模型計(jì)算得到了天山地震帶主要斷裂帶的3期滑動(dòng)速率。將1999—2007期速度場(chǎng)作為背景速度場(chǎng)，與前人的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，再對(duì)比3期的滑動(dòng)速率結(jié)果，具體結(jié)果如表1所示，從表中可以看出，南北天山地震帶的各個(gè)斷裂帶主要以左旋擠壓運(yùn)動(dòng)為主，這是因?yàn)樘焐降卣饚е饕膭?dòng)力來自印度板塊的推擠，內(nèi)部運(yùn)動(dòng)也主要以地殼縮短為主。

從1999—2007期滑動(dòng)速率來看，北天山斷裂帶活動(dòng)性較弱，其西段的走滑、擠壓運(yùn)動(dòng)都比較弱，走滑速率為（2.0±1.2）mm/a，擠壓速率為（-3.5±1.4）mm/a；其東段較西段速率大，走滑速率為（4.6±2.1）mm/a，擠壓速率為（-4.0±1.4）mm/a，這與牛之俊等（2007）和劉代芹等（2016）所得結(jié)果一致（表1）。對(duì)比3期滑動(dòng)速率，北天山斷裂西段的走滑速率一直較弱，沒有明顯的動(dòng)態(tài)變化，擠壓速率有微弱的調(diào)整，整體仍處于較穩(wěn)定的狀態(tài)，其東段的走滑速率同樣呈穩(wěn)定狀態(tài)，2013—2017期擠壓速率有明顯變?nèi)?，從?4.0±1.4）mm/a變?yōu)椋?1.3±1.1）mm/a。北天山斷裂帶西段2011年以來發(fā)生多次7級(jí)以下地震（圖1），但斷裂帶的滑動(dòng)速率并沒有很明顯的變化，說明該段仍處于擠壓應(yīng)力的積累狀態(tài)，預(yù)示著可能出現(xiàn)大地震的發(fā)生才能完成應(yīng)力的釋放，值得進(jìn)一步關(guān)注。北天山斷裂帶東段地震發(fā)生次數(shù)較少，滑動(dòng)速率逐漸減弱，相對(duì)而言發(fā)生大震的可能性較小。

相對(duì)于北天山斷裂帶，南天山斷裂帶的活動(dòng)較為活躍。南天山斷裂帶西段1999—2007期的走滑速率為（2.8±0.3）mm/a，擠壓速率為（-10.1±0.4）mm/a，牛之俊等（2007），劉代芹等（2016）所得擠壓速率都較本文的結(jié)果小，可能是由于使用不同的數(shù)據(jù)，不同的計(jì)算方法所致；南天山斷裂帶東段較西段有所減弱，走滑速率為（2.3±0.4）mm/a，擠壓速率為（-3.8±0.5）mm/a，牛之俊等（2007）和劉代芹等（2016）計(jì)算得到的南天山斷裂帶東段擠壓速率同樣處于一個(gè)較低值的范圍，這與本文的研究結(jié)果一致?？傮w而言，南天山地震帶地殼運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為地殼縮短，并且縮短的程度不一致，表現(xiàn)出由西向東遞減，這與前人研究相一致。對(duì)比3期滑動(dòng)速率，南天山斷裂帶西段的走滑速率有微弱的調(diào)整，擠壓速率處于穩(wěn)定的高值狀態(tài)，2013—2017期的擠壓速率達(dá)到（-12.5±2.0）mm/a，擠壓速率的不斷增加，說明了擠壓應(yīng)力的不斷積累，南天山斷裂帶西段值得進(jìn)一步關(guān)注；其東段的走滑速率與擠壓速率變化不大，相對(duì)于西段處于一個(gè)較弱的左旋擠壓狀態(tài)。

3 基線變化分析

由于基于統(tǒng)一參考框架的GPS基線長度變化基本不受參考基準(zhǔn)的影響，能夠較客觀直接地反映兩站之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化（周海濤等，2017），所以基線時(shí)間序列分析是提取地殼運(yùn)動(dòng)微動(dòng)態(tài)信息較直接的途徑之一。本文選擇了自南向北跨越天山地震帶的5組基線，基線分布如圖2所示，第一組為跨越南天山斷裂帶西段的3條基線，包括基線POL2-XJWU，XJWU-XJBL，XJBL-TASH；第二組從北到南跨越了南天山斷裂帶東段到北天山斷裂帶西段，包括基線XJWQ-XJYN，XJYN-XJZS，XJZS-WUSH，WUSH-XJBC；第三、四組跨越了北天山斷裂帶中西段，包括基線XJKL-XJBY，XJBY-XJKC，XJFY-XJWL，XJWL-XJKE；第五組的基線XJML-XJSS位于北天山斷裂帶東段。每組基線的時(shí)間序列變化如圖3所示。

從圖3可以看出，第一組基線呈線性縮短趨勢(shì)，從北向南3條基線的擠壓速率逐漸變緩，南段的XJBL-TASH基線在2014年出現(xiàn)了由縮短變?yōu)槔瓘埖内厔?shì)。第二組基線中，XJZS-WUSH基線的擠壓速率較其它3條基線較大，說明南天山斷裂帶的擠壓運(yùn)動(dòng)較北天山斷裂帶的大，這與滑動(dòng)速率計(jì)算的結(jié)果一致。 第三、四組基線中，北部的XJKL-XJBY基線與XJFY-XJWL基線比南部的XJBY-XJKC基線和XJWL-XJKE基線的擠壓速率大，結(jié)果顯示北天山斷裂帶中段存在遠(yuǎn)場(chǎng)擠壓應(yīng)變加載增強(qiáng)，在靠近塔里木地區(qū)變形速率表現(xiàn)出逐漸趨緩特征?；€結(jié)果同時(shí)還表現(xiàn)出時(shí)空非線性變形過程，可能預(yù)示該區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變積累較強(qiáng)，需關(guān)注其強(qiáng)震危險(xiǎn)。第五組基線的擠壓速率明顯比天山地震帶西段弱，位于最東段的XJML-XJSS基線甚至出現(xiàn)了微弱的拉張運(yùn)動(dòng)，這與滑動(dòng)速率的逐漸減弱相對(duì)應(yīng)。

4 區(qū)域應(yīng)變的分析

3個(gè)以上GPS連續(xù)站結(jié)果可以進(jìn)行區(qū)域變形特征分析，其中主應(yīng)變時(shí)序結(jié)果可以直觀反映變形動(dòng)態(tài)。本文利用截至2018年年積日51日的時(shí)間序列，計(jì)算天山地震帶的區(qū)域應(yīng)變，分析近期的應(yīng)力狀態(tài)，其分布圖如圖2所示，結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，從西到東跨越天山地震帶的區(qū)域應(yīng)變結(jié)果都是以擠壓應(yīng)變?yōu)橹?；圖4a-2與圖4b-2為南天山斷裂帶的擠壓應(yīng)變，圖4c-2與圖4d-2為北天山斷裂帶的擠壓應(yīng)變結(jié)果，可以看出南天山斷裂帶的擠壓應(yīng)變明顯較強(qiáng)，相對(duì)而言，北天山斷裂帶東段的擠壓應(yīng)變近幾年有變緩的趨勢(shì)，這與北天山東段的擠壓滑動(dòng)速率逐漸變?nèi)跤幸欢ǖ囊恢滦浴Ｆ渌膮^(qū)域應(yīng)變都是以穩(wěn)定的趨勢(shì)變化，說明南天山及北天山西部一直處于擠壓應(yīng)力的積累狀態(tài)。

5 討論與結(jié)論

本文首先分析了天山地震帶的地震活動(dòng)狀態(tài)，認(rèn)為北天山地震帶西段和南天山地震帶西段具有7級(jí)地震的發(fā)震背景?；诖吮尘?，利用GPS流動(dòng)及連續(xù)站信息對(duì)天山地震帶的近期地殼形變進(jìn)行具體分析，首先利用線性球面塊體模型進(jìn)行了3期滑動(dòng)速率的對(duì)比計(jì)算，再計(jì)算了跨越天山地震帶的基線及區(qū)域應(yīng)變，最后結(jié)合場(chǎng)與時(shí)序的結(jié)果對(duì)天山地震帶的地震危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估。研究結(jié)果表明：

（1）北天山斷裂帶相對(duì)于南天山斷裂帶整體活動(dòng)性較弱，北天山斷裂帶西段的擠壓速率有微弱的調(diào)整，整體仍處于較穩(wěn)定的狀態(tài)；基線時(shí)序結(jié)果顯示北天山斷裂帶西段遠(yuǎn)場(chǎng)擠壓應(yīng)變加載增強(qiáng)，在靠近塔里木地區(qū)變形速率表現(xiàn)出逐漸趨緩特征，同時(shí)，存在時(shí)空非線性變形過程，可能預(yù)示該區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變積累較強(qiáng)，需關(guān)注其強(qiáng)震危險(xiǎn)。同時(shí)，北天山斷裂帶西段區(qū)域的擠壓區(qū)域應(yīng)變一直處于增加狀態(tài)，同樣說明擠壓應(yīng)力一直在增強(qiáng)，該段2011年以來發(fā)生多次7級(jí)以下地震，未發(fā)生7級(jí)以上大地震，擠壓應(yīng)力的不斷積累是否預(yù)示著可能出現(xiàn)的大地震才能完成應(yīng)力的釋放，因此，該地區(qū)值得進(jìn)一步關(guān)注。

（2）北天山斷裂帶東段的擠壓速率有明顯的變?nèi)?，基線時(shí)序結(jié)果在近年也顯示出微弱的拉張作用，擠壓應(yīng)變也有變緩的趨勢(shì)，地震活動(dòng)狀態(tài)也顯示出北天山斷裂帶東段發(fā)生地震的次數(shù)明顯較少，整體而言，北天山斷裂帶東段的地震危險(xiǎn)性不高。

（3）南天山斷裂帶地殼運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為地殼縮短，并且縮短的程度不一致，表現(xiàn)出由西向東遞減的態(tài)勢(shì)。南天山斷裂帶西段的擠壓速率處于穩(wěn)定的高值狀態(tài)，2013—2017期的擠壓速率達(dá)到（-12.5±2.0）mm/a，擠壓速率的不斷增加，說明了擠壓應(yīng)力的不斷積累；跨越南天山斷裂帶西段的基線擠壓速率也相對(duì)較高，該段的區(qū)域應(yīng)變也顯示為主壓應(yīng)變的不斷積累；地震活動(dòng)狀態(tài)表明南天山斷裂帶西段一直是地震頻發(fā)的區(qū)域，該地區(qū)有7級(jí)以上大震的發(fā)震背景，值得進(jìn)一步關(guān)注。

（4）南天山斷裂帶東段的走滑速率與擠壓速率變化不大，相對(duì)于西段處于一個(gè)較弱的左旋擠壓狀態(tài)?？缭皆摱蔚幕€和應(yīng)變都是以穩(wěn)定的擠壓狀態(tài)為主，結(jié)合地震活動(dòng)狀態(tài)的分析，認(rèn)為南天山斷裂帶東段發(fā)生地震的危險(xiǎn)性較低。

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Abstract GPS stations observed from 1999 to 2018 in Tianshan region were collected and analyzed，and the linear sphere block model was used to calculate the slip rates of 1999—2007，2009—2013 and 2013—2017 period.The baseline and regional strain result in recent years in Tianshan region were analyzed，while the recent crustal deformation in Tianshan area was analyzed and earthquake hazard area were evaluated.The results showed that，the compression speed in the western section of the northern Tianshan area has a slight adjustment，while the baseline results showed that there were far field squeezing in west-middle section of the north Tianshan area，but also showed the spatial-tempral nonlinear deformation，it needs to be intentioned.Compression rates in western section of the south Tianshan are in a stable high state，with the value of 2013—2017 period up to-12.5 mm /a.The baselines and strains of the western section of south Tianshan were mainly compressive，combined with the analysis of the seismic activity，it indicates that there was a high risk in the western section of the south Tianshan.

Keywords：Tianshan region；Blocks model；slip rate；baseline；regional strain