天山地區(qū)近期地殼形變研究

陳 浩

（1.天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津 300301）

新生代期間印度板塊和歐亞板塊碰撞的遠(yuǎn)程效應(yīng)，導(dǎo)致天山造山帶重新活動(dòng)，發(fā)生陸內(nèi)造山運(yùn)動(dòng)，并再次 強(qiáng)烈隆升，形成典型的板內(nèi)新生代復(fù)活型造山帶[1-2]。天山山脈位于遠(yuǎn)離板塊邊界的歐亞大陸內(nèi)部，南以塔里木盆地為界，北側(cè)則為準(zhǔn)噶爾盆地和哈薩克地塊，東西綿延近 2 500 km，南北寬度達(dá) 250～350 km，最高峰海拔高度超過 7 000 m，劇烈隆升的地貌形態(tài)以及強(qiáng)烈多發(fā)的地震活動(dòng)表明天山現(xiàn)今構(gòu)造變形依然強(qiáng)烈[3]。天山地震帶一直是全球地震多發(fā)區(qū)之一，發(fā)生了百余次6級以上地震，其中包括多次8級左右強(qiáng)震，如1906年瑪納斯7.7級強(qiáng)震、1902年阿圖什8級強(qiáng)震、1931年富蘊(yùn)8.0級地震和2001年昆侖山8.1級 強(qiáng)震。

很多專家利用GPS手段對天山地區(qū)進(jìn)行了卓有成效的研究：從水平速度的分析來看，許多學(xué)者利用GPS數(shù)據(jù)分析了多年來天山地區(qū)的運(yùn)動(dòng)速率。Abdrakhmatov[4]基于GPS資料得到天山地區(qū)的運(yùn)動(dòng)速率約為20mm/a， 同時(shí)表明天山地區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的最重要特征之一就是南北向地殼快速縮短。Larson等[5-6]通過數(shù)據(jù)分析得到了相應(yīng)的結(jié)論。王曉強(qiáng)等[7-8]對天山地區(qū)GPS 測量成果進(jìn)行了系統(tǒng)處理，獲得了天山相對于歐亞大陸的212個(gè)GPS站速度場結(jié)果，表明天山地殼縮短由南向北、由西向東遞減，表明板塊的推擠作用力隨著天山的褶皺變形相應(yīng)減弱。王治民[9]獲得了天山地區(qū)的現(xiàn)今地殼形變速率圖、基線變化圖、應(yīng)變圖及主要地質(zhì)構(gòu)造帶的斷裂位移，表明南天山地震斷裂帶以每年5～10mm 的速度吸收來自帕米爾高原向北推擠的運(yùn)動(dòng)速率。Mohadjer等[10]利用13個(gè)GPS站的觀測資料，在帕米爾-興都庫什地區(qū)研究了印度-歐亞板塊的匯聚狀況。這些研究可以表明，天山地區(qū)的運(yùn)動(dòng)背景速度大約為20mm/a，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，體現(xiàn)出由西向東遞減的態(tài)勢。本文通過GPS 速度場分析、GPS剖面、應(yīng)變時(shí)間序列分析來獲取天山地區(qū)地殼變形運(yùn)動(dòng)特征，可以為天山地區(qū)的地震危險(xiǎn)性判定提供技術(shù) 支持。

1 GPS數(shù)據(jù)及解算

收集了全國GPS測站數(shù)據(jù)，以及全球均勻分析的70個(gè)IGS站數(shù)據(jù)，GAMIT/GLOBK解算單日松弛解（得到h文件），QOCA進(jìn)行整體平差得到各GPS連續(xù)站的時(shí)間序列。

單天解算的參數(shù)設(shè)置大致如下：數(shù)據(jù)采樣間隔為30s，Choice of Observable=LC_AUTCLN，Choice of Experiment=RELAX，Type of Analysis=1-ITER，Etide model=IERS03，Tides applied=31，全球海潮模型：otl_FES2004.grid，Elevation Cutoff=10，Interval zen=2，Antenna Model=AZEL，Inertial frame=J2000，DMap=GMF，WMap=GMF。

單天解算的結(jié)果（松弛解）是無基準(zhǔn)的，在使用QOCA軟件單天松弛解進(jìn)行整網(wǎng)平差時(shí)，分別選擇解算數(shù)據(jù)的時(shí)間段內(nèi)較為穩(wěn)定、全球均勻分布的70個(gè)IGS站為框架點(diǎn)，各框架點(diǎn)采用的先驗(yàn)坐標(biāo)為ITRF2008 框架下坐標(biāo)，得到各測站的時(shí)間序列及速度場。

2 地殼形變分析

強(qiáng)震孕育、發(fā)生和震后調(diào)整過程始終伴隨著地殼形變現(xiàn)象，特別是震間期斷層上積累的彈性應(yīng)變分布直接與地震頻度和震級相關(guān)。GPS觀測為定性、定量識別地震斷層震間期應(yīng)變積累量值、同震應(yīng)變釋放過程和震后變形調(diào)整過程提供了可靠的技術(shù)手段。本文擬從速度場、GPS剖面、應(yīng)變時(shí)間序列3個(gè)方面進(jìn)行分析。

2.1 速度場分析

本文利用GPS數(shù)據(jù)得到了2009－2013年、2013－2018年基于區(qū)域無旋轉(zhuǎn)的兩期速度場結(jié)果，如圖1所示。其中，紅色的是1318期速度場，黑色的是0913期速度場。從圖中可以看出兩期速度場變化不大，天山北部地區(qū)表現(xiàn)為速率值的變小，天山南部地區(qū)顯示出速率方向有向北的細(xì)微變化。兩期的速度場都是以南北方向的擠壓為主，這與前人的研究結(jié)論相一致。

圖1 兩期速度場對比圖

2.2 GPS剖面分析

為了研究天山地區(qū)主要地震帶的活動(dòng)特征，本文采用最小二乘配置方法計(jì)算了主要斷裂的GPS剖面，南北天山各兩個(gè)，剖面的分布圖如圖2中黑色方框所示，其中，剖面1和2是跨越南天山的斷裂帶，剖面3和4是跨越北天山的斷裂帶，剖面結(jié)果如圖3所示，其中，a、c、e、g為垂直于剖面的結(jié)果，b、d、f、h是平行于剖面的結(jié)果。

圖3 4個(gè)剖面結(jié)果圖

從剖面的結(jié)果可以看出，天山地區(qū)的斷層主要以擠壓為主，這和地質(zhì)上的背景是一致的，前人的研究也證實(shí)天山地區(qū)的主要斷層以擠壓為主。此外，南天山的擠壓速率明顯大于北天山的擠壓速率，說明板塊的推擠作用力隨著天山的褶皺變形相應(yīng)減弱。

2.3 應(yīng)變時(shí)間序列分析

為了分析近期的地殼運(yùn)動(dòng)變化，本文計(jì)算分析了截止到2019年6月的跨越天山斷裂帶的應(yīng)變時(shí)間序列，其中，應(yīng)變由連續(xù)站的時(shí)間序列計(jì)算得到，應(yīng)變的分布如圖2中紅色閉合曲線。本文一共計(jì)算了3個(gè)塊體的連續(xù)應(yīng)變結(jié)果，如圖4所示。

圖2 剖面及應(yīng)變分布圖

圖4 3個(gè)應(yīng)變時(shí)序結(jié)果

從應(yīng)變的結(jié)果可以看出，天山地區(qū)的應(yīng)變主要以擠壓為主，這和GPS剖面的結(jié)果相對應(yīng)，其中，南天山地區(qū)的應(yīng)變時(shí)序XJZS_XJBY_XJKC_XJBC_WUSH 速率為（2.58±0.007）×10-8mm/a；北天山地區(qū)的兩個(gè)應(yīng)變時(shí)序XJKL_XJSH_XJBY_XJYN、XJSH_XJML_XJSS_XJWL分別為（1.08±0.009）×10-8mm/a、（1.41±0.007）×10-8mm/a，明顯可以看出南天山地區(qū)的擠壓應(yīng)變明顯較強(qiáng)，可能會有應(yīng)變的積累導(dǎo)致地震的發(fā)生，值得進(jìn)一步注意。

3 結(jié) 語

本文利用1999－2019年GPS連續(xù)站及流動(dòng)站觀測資料，計(jì)算了天山地區(qū)的時(shí)間序列及速度場結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，通過GPS速度場分析、GPS剖面分析、應(yīng)變時(shí)間序列分析來獲取天山地區(qū)地殼變形運(yùn)動(dòng)特征。結(jié)果表明兩期速度場變化不大，天山北部地區(qū)表現(xiàn)為速率值的變小，天山南部地區(qū)顯示出速率方向有向北的細(xì)微變化；南天山的擠壓速率明顯大于北天山的擠壓速率，說明板塊的推擠作用力隨著天山的褶皺變形相應(yīng)減弱；南天山地區(qū)的擠壓應(yīng)變明顯加強(qiáng)，可能會因應(yīng)變的積累導(dǎo)致地震發(fā)生，值得進(jìn)一步注意。