基于GNSS的2020年伽師MS6.4地震前地殼形變特征①

朱治國， 劉 雷， 高 榮， 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(cè)中心，陜西 西安 710054)

中國新疆地區(qū)位于地中?！柴R拉雅地震帶，是印度板塊和歐亞板塊相互作用的前沿地帶，區(qū)域內(nèi)地震活動(dòng)水平高，是中國主要的內(nèi)陸地震活動(dòng)區(qū)域。自新生代以來印度板塊向北運(yùn)動(dòng)俯沖到歐亞板塊以下，推擠歐亞板塊使得青藏塊體抬升，新疆天山造山帶復(fù)活成為亞洲較為活躍的造山帶[1]。天山山脈內(nèi)部和南北盆山交界區(qū)域是新疆兩個(gè)非?；钴S的地震帶，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈、地震頻發(fā)，發(fā)育的眾多活動(dòng)斷裂和褶皺帶是控制天山構(gòu)造變形特征的重要單元[2]。2020年1月19日21時(shí)27分，在新疆喀什地區(qū)伽師縣(39.83°N，77.21°E)發(fā)生MS6.4地震。本次地震的發(fā)震構(gòu)造處于南天山柯坪塔格推覆體最南緣的褶皺—逆斷裂帶內(nèi)，地震為北傾逆沖兼少量走滑型地震[3]。新生代以來印度板塊向北推擠歐亞板塊導(dǎo)致天山南北兩側(cè)逆沖斷層發(fā)育，GNSS測(cè)量表明天山地區(qū)地殼表現(xiàn)出縮短特征[4-5]。天山山脈地殼水平運(yùn)動(dòng)速率差異明顯，存在分區(qū)特征，表現(xiàn)為天山南部地殼運(yùn)動(dòng)速率高于北部區(qū)域[6-9]，天山西部的地殼運(yùn)動(dòng)速率高于天山東部[10-13]。南天山西段柯坪塔格推覆構(gòu)造現(xiàn)今地殼具有縮短特征，縮短速率約為13 mm/a[1，15]。天山地區(qū)視應(yīng)變場(chǎng)研究發(fā)現(xiàn)天山地區(qū)視應(yīng)變場(chǎng)分布特征與區(qū)域長(zhǎng)期的地質(zhì)構(gòu)造背景有密切關(guān)系，由西向東主壓應(yīng)變率逐漸減弱[16-18]。前人研究表明天山區(qū)域運(yùn)動(dòng)速率各不相同，整體處于擠壓的大背景下。應(yīng)用GNSS技術(shù)研究震前區(qū)域地殼變形特征，觀測(cè)研究地殼運(yùn)動(dòng)與變形過程，可為識(shí)別強(qiáng)震孕育階段以及探索強(qiáng)震預(yù)測(cè)提供參考，對(duì)捕捉地震前兆、開展中強(qiáng)地震預(yù)測(cè)的應(yīng)用研究具有現(xiàn)實(shí)意義[19-22]。

1 柯坪塔格推覆構(gòu)造地震活動(dòng)特征

柯坪塔格推覆構(gòu)造地處南天山地震帶，是西南天山前陸構(gòu)造的一部分，地質(zhì)構(gòu)造較為特殊[23]。柯坪塔格推覆構(gòu)造處于西南天山與塔里木盆地交接區(qū)域，向西與阿圖什—八盤水磨活動(dòng)逆斷層相接，向東延伸至阿克蘇柯坪區(qū)域，柯坪塔格推覆體由多排整體呈近EW 走向、平行展布的從N向S逆沖的逆斷裂褶皺組成。柯坪塔格推覆構(gòu)造最南緣的柯坪斷裂，整體呈現(xiàn)向南突出的弧形構(gòu)造[15，24]。新生代時(shí)期印度板塊與歐亞板塊碰撞造就柯坪塔格推覆構(gòu)造現(xiàn)今的構(gòu)造格局，柯坪塔格推覆構(gòu)造內(nèi)強(qiáng)震活動(dòng)受控于推覆體南緣較為年輕的柯坪斷裂和托特拱拜茲斷裂。收集2000～2020年伽師MS6.4地震前以震中為中心，半徑100 km范圍內(nèi)4級(jí)以上的地震目錄，刪除余震后繪制時(shí)間序列圖(圖1)，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)在此期間震中附近共發(fā)生4級(jí)以上地震219次，其中5級(jí)以上地震25次，6級(jí)以上地震3次。劉一鳴、王筱榮等研究認(rèn)為柯坪塔格推覆構(gòu)造強(qiáng)震活動(dòng)具有周期特性[25]。研究區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較為活躍，以震級(jí)年累積量統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)可分為4個(gè)中強(qiáng)地震活動(dòng)階段，分別是2000～2004年地震活躍度下降，2004～2008年地震活躍度上升，2008～2013年地震活躍度持續(xù)期，2013～2015年地震活躍度下降，2015～2019年地震活躍度上升，地震活躍度上升持續(xù)時(shí)間在4～5年。2015～2019年南天山柯坪推覆體區(qū)域地震活躍度呈上升趨勢(shì)，反映出該區(qū)域地殼巖層中應(yīng)力增加并且不斷釋放地殼儲(chǔ)存應(yīng)力能量。地震是由于地球構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成地殼巖層發(fā)生變形，巖層中的地應(yīng)力逐漸增大，應(yīng)變能量逐漸增加，達(dá)到或超過巖石的破裂強(qiáng)度，使得地殼巖層發(fā)生破裂或者原有斷層發(fā)生快速突然錯(cuò)動(dòng)的自然現(xiàn)象[11]。因此了解伽師MS6.4地震前南天山區(qū)域地殼形變特征，對(duì)研究區(qū)地震活動(dòng)規(guī)律具有重要意義。

圖1 地震時(shí)間序列圖

2 GPS形變場(chǎng)特征分析

“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)” ( 簡(jiǎn)稱“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”)以衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(GNSS)觀測(cè)為主，輔以甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量(VLBI)人衛(wèi)激光測(cè)距(SLR)等空間技術(shù)，并結(jié)合精密重力和水準(zhǔn)測(cè)量等多種技術(shù)手段的綜合觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”在新疆地區(qū)建有200多個(gè)觀測(cè)站，獲得該地區(qū)現(xiàn)今地殼形變特征變得方便快捷。本文中選取南天山地區(qū)25個(gè)GNSS觀測(cè)站，2015～2019年最新的觀測(cè)資料，分析研究伽師MS6.4地震前南天山區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)特征。

2.1 數(shù)據(jù)解算

本文中收集伽師MS6.4地震前，以震中為中心半徑200 km區(qū)域，2015～2019年5期“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”GNSS區(qū)域觀測(cè)站的觀測(cè)資料。每期觀測(cè)均采用強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)，觀測(cè)站觀測(cè)時(shí)間大于96個(gè)小時(shí)。觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)中國地震局第二監(jiān)測(cè)中心采用美國麻省理工學(xué)院和海洋研究所聯(lián)合研制的GAMIT/GLOBK軟件計(jì)算。每期觀測(cè)數(shù)據(jù)均采用相同方法進(jìn)行解算，基線解算時(shí)采用精密星歷，對(duì)固體潮、極潮、海潮、衛(wèi)星及接收機(jī)天線相位中心等予以改正?；€解算后利用GLOBK模塊進(jìn)行網(wǎng)平差計(jì)算，獲得其在ITRF2008全球框架下的水平運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)，再通過歐拉矢量得到相對(duì)穩(wěn)定歐亞板塊的水平運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)。速率解算誤差分布E向0.28～2.54 mm/a，平均0.52 mm/a；N向0.22～1.32 mm/a，平均0.44 mm/a。

2.2 區(qū)域速度場(chǎng)特征分析

通過南天山區(qū)域GNSS觀測(cè)資料解算獲得區(qū)域水平運(yùn)動(dòng)速率結(jié)果，采用GMT軟件繪制伽師MS6.4地震前南天山區(qū)域2015～2019區(qū)域速度場(chǎng)圖像(圖2)。震前南天山區(qū)域觀測(cè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向基本一致，方向?yàn)楸逼珫|，觀測(cè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)反映出南天山區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)速率較大，平均速率為17.6 mm/a。研究區(qū)西部測(cè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速率整體高于東部區(qū)域測(cè)點(diǎn)。由北向南區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)速率也存在明顯不同，觀測(cè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速率可分為3個(gè)速率區(qū)間，運(yùn)動(dòng)速率最低區(qū)域是柯坪斷裂以北的柯坪塔格推覆體內(nèi)部區(qū)域，其內(nèi)部測(cè)點(diǎn)速率在10～16 mm/a，并且表現(xiàn)為推覆體北部區(qū)域測(cè)點(diǎn)速率低于南部區(qū)域測(cè)點(diǎn)速率；運(yùn)動(dòng)速率居中區(qū)域是柯坪斷裂以南塔里木盆地北緣地區(qū)，區(qū)域測(cè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速率在16～20 mm/a；運(yùn)動(dòng)速率最高區(qū)域在塔里木盆地南緣盆山交接地區(qū)，區(qū)域測(cè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速率在20～23 mm/a。塔里木盆地南北區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)速率差異較小，反應(yīng)出盆地塊體具有剛體性質(zhì)；柯坪斷裂南北區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)速率差異較大，推覆體區(qū)域地殼存在縮短特征，盆山交接斷裂吸收蓄積了一大部分南北向擠壓應(yīng)變能量。

圖2 區(qū)域水平運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)

柯坪斷裂是一個(gè)向南突出的弧形構(gòu)造，伽師MS6.4地震震中位于柯坪斷裂南部，震中區(qū)域斷裂走向近NW，震中位置處于構(gòu)造轉(zhuǎn)彎處。震中區(qū)構(gòu)造走向與南天山區(qū)域水平速度場(chǎng)方向接近垂直。在震中東西跨柯坪斷層斷裂各做一條GNSS速率剖面，分析震中斷裂兩側(cè)GNSS點(diǎn)垂直和平行斷層的運(yùn)動(dòng)情況。從圖3可以看出，由于震中處斷裂走向與區(qū)域水平速度場(chǎng)方向接近垂直，東西兩條剖面上測(cè)點(diǎn)垂直斷層走向的運(yùn)動(dòng)速率分量均遠(yuǎn)高于平行斷層走向速率分量，反映出斷裂的逆沖性質(zhì)；不論是垂直或平行斷層速率分量，柯坪斷裂南部測(cè)點(diǎn)的速率量值均高于斷裂北部測(cè)點(diǎn)；斷裂南部區(qū)域測(cè)點(diǎn)垂直斷層走向的速率量值由南向北逐漸減小，斷裂北部區(qū)域測(cè)點(diǎn)垂直斷層走向的速率量值大小基本相同；在接近斷層位置垂直和平行斷層走向的速率分量均存在量值快速減小，反映出柯坪斷裂受到較大南北向壓應(yīng)力作用，斷裂吸收蓄積了一部分應(yīng)變能量；震中東西區(qū)域速率變化不一致，震中以西垂直和平行斷層走向的速率分量較東部區(qū)域速率下降更快，西部吸收積蓄的能量更大。兩條剖面均反映出垂直斷層走向的速率分量大于平行斷層走向速率分量，震中東西區(qū)域垂直和平行斷層走向的速率分量呈現(xiàn)西高東低，發(fā)震斷層速率分量的變化差異造成發(fā)震斷層?xùn)|西部積蓄的能量差異，這也解釋了此次地震逆沖為主兼具的走滑的性質(zhì)。

3 區(qū)域應(yīng)變場(chǎng)特征分析

假設(shè)地殼為連續(xù)的均勻剛體，其應(yīng)變與應(yīng)力具有線性比例關(guān)系，通過應(yīng)變場(chǎng)研究可以排除參考框架的影響，應(yīng)變大小直接反映應(yīng)力作用強(qiáng)弱的趨勢(shì)，因此研究應(yīng)變的變化特征可以為強(qiáng)震預(yù)測(cè)提供依據(jù)[26]。通過解算2015～2019年觀測(cè)點(diǎn)GNSS資料，得到觀測(cè)點(diǎn)ITRF2008框架下區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)速率的南北和東西分量，通過建立水平運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)協(xié)方差函數(shù)，應(yīng)用最小二乘配置法則，借助位移與應(yīng)變的偏導(dǎo)關(guān)系獲取水平視應(yīng)變場(chǎng)分布[27]。采用最小二乘配置法可獲得較好的大范圍穩(wěn)定應(yīng)變場(chǎng)，且邊緣效應(yīng)較弱, 應(yīng)變場(chǎng)結(jié)果可信度較高[28]。應(yīng)變計(jì)算公式,

(1)

主應(yīng)變公式，

(2)

(3)

3.1 主應(yīng)變率特征分析

根據(jù)應(yīng)變計(jì)算結(jié)果繪制南天山地區(qū)主應(yīng)變率分布圖(圖4)，南天山—帕米爾交匯區(qū)域以壓縮環(huán)境為主，塔里木盆地和柯坪塔格推覆體均處于主壓應(yīng)變區(qū)域內(nèi)，只有外圍的南天山北部和西昆侖山區(qū)，反映出拉張狀態(tài)。烏恰區(qū)域主壓應(yīng)變表現(xiàn)最強(qiáng)，同時(shí)具有拉張性質(zhì)。在伽師以北的山盆交接處和烏什以南山區(qū)呈現(xiàn)兩個(gè)絕對(duì)的壓應(yīng)變區(qū)域，壓應(yīng)變量值上伽師以北區(qū)域遠(yuǎn)高于烏什以南區(qū)域。沿柯坪斷裂一線，主壓應(yīng)變均與斷裂保持近垂直狀態(tài)，這反映出柯坪斷裂受到較強(qiáng)的壓應(yīng)力作用。

圖4 主應(yīng)變率分布圖

3.2 面膨脹率特征分析

利用應(yīng)變場(chǎng)應(yīng)變參數(shù)計(jì)算結(jié)果繪制面膨脹率等值線圖(圖5)，其中虛線為負(fù)值，實(shí)線為正值，面膨脹反應(yīng)研究區(qū)域的壓縮和拉張狀態(tài)。南天山區(qū)域處于等值線負(fù)值區(qū)域，反映出受到南部青藏塊體向北推擠作用，南天山區(qū)域整體處于壓縮環(huán)境。南天山區(qū)域出現(xiàn)兩個(gè)負(fù)向極值區(qū)，分別在阿圖什—伽師山盆交接區(qū)域和烏什以南山區(qū)。阿圖什—伽師山盆交接區(qū)域面膨脹量值在-6×10-8/a左右高于烏什以南山區(qū)-4×10-8/a，反映出阿圖什—伽師山盆交接區(qū)域受到的壓應(yīng)力較強(qiáng)，烏什以南山區(qū)壓應(yīng)力相對(duì)較弱。阿圖什—伽師面膨脹極值區(qū)呈現(xiàn)東西向與山前斷層走向平行，由西向東逐漸減弱?？缕簲嗔延蓶|向西穿過阿圖什—伽師山盆交接面膨脹負(fù)向極值區(qū)，造成斷裂各處壓應(yīng)變各不相同，易導(dǎo)致斷層失穩(wěn)產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)。穿過面膨脹極值區(qū)的是斷裂的弧形彎折部位，斷裂的交匯、端點(diǎn)、彎折部位是應(yīng)力積累的優(yōu)勢(shì)區(qū)域。

圖5 面膨脹率等值線圖

3.3 最大剪應(yīng)變率特征分析

利用應(yīng)變場(chǎng)應(yīng)變參數(shù)計(jì)算結(jié)果繪制最大剪應(yīng)變率(圖6)，最大剪應(yīng)變率反應(yīng)區(qū)域受到剪切應(yīng)力作用的狀態(tài)。南天山區(qū)域最大剪應(yīng)變率整體表現(xiàn)為西強(qiáng)東弱，山區(qū)最大剪應(yīng)變率高于盆地。整個(gè)區(qū)域最大剪應(yīng)變出現(xiàn)在南天山和西昆侖交匯的烏恰山區(qū)，量值達(dá)到12×10-8/a。塔里木盆地和柯坪推覆體區(qū)域最大剪應(yīng)變率在2×10-8/a左右，反應(yīng)出震前南天區(qū)域受到的剪切應(yīng)力較弱。伽師地震震中區(qū)域最大剪應(yīng)變表現(xiàn)較弱，量值在(1～2)×10-8/a之間，反應(yīng)出伽師地震剪切性質(zhì)較弱。

圖6 最大剪應(yīng)變率等值線圖

4 討論與結(jié)論

通過對(duì)2020年1月19日伽師MS6.4地震前柯坪塔格推覆構(gòu)造地震活動(dòng)和震前區(qū)域GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)分析得到如下認(rèn)識(shí)：

(1) 通過對(duì)伽師地震前20年的區(qū)域地震時(shí)間序列分析發(fā)現(xiàn)柯坪塔格推覆構(gòu)造強(qiáng)震活動(dòng)具有一定周期特性，2020年1月19日伽師MS6.4地震是該地區(qū)近5年震級(jí)最大的地震，隨著發(fā)震震級(jí)的增強(qiáng)地殼集聚的能量得到了釋放。

(2) 由區(qū)域水平運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)可以看出受到印度板塊向北推擠作用，南天山區(qū)域地殼呈現(xiàn)NNE向運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，地殼運(yùn)動(dòng)速率整體較高，區(qū)域速度場(chǎng)運(yùn)動(dòng)速率存在一定差異，主要表現(xiàn)為西高東低、南高北低趨勢(shì)。以柯坪斷裂為界南部塔里木塊體和北部柯坪塔格推覆體運(yùn)動(dòng)速率存在明顯不同，塔里木塊體南北兩側(cè)相距近200 km，GNSS測(cè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速率從南到北下降小于2 mm/a，每千米速率下降量?jī)H為0.01 mm/a。塔里木塊體南北速率差異較小，反映出塔里木塊體相對(duì)較硬，具有剛體特性，受力擠壓不易變形，能夠?qū)⑶嗖貕K體向北推擠的驅(qū)動(dòng)力傳遞到南天山山體?？缕簲嗔涯媳奔s50 km范圍兩側(cè)測(cè)點(diǎn)，由南向北測(cè)點(diǎn)速率下降大于5 mm/a，每千米速率下降量高于0.1 mm/a，地殼運(yùn)動(dòng)速率在跨越柯坪斷裂后整體下降明顯，反映出受印度板塊向北推擠作用，較硬的塔里木塊體傳遞地殼運(yùn)動(dòng)的能量，下插入柯坪推覆體，在構(gòu)造交接處發(fā)生地殼縮短，同時(shí)在交接斷層積累彈性應(yīng)變能。

(3) 區(qū)域主應(yīng)變率反映出震中區(qū)域存在長(zhǎng)期較強(qiáng)的主壓應(yīng)變，面膨脹圖顯示出南天山山盆接合區(qū)域整體處于壓縮環(huán)境，山盆交接處呈現(xiàn)收縮趨勢(shì)。塔里木塊體受到向北推擠作用在柯坪斷裂俯沖到柯坪推覆體之下，南天山柯坪推覆體巖石圈中的低速異常介質(zhì)在受到長(zhǎng)期壓應(yīng)力作用下容易發(fā)生變形、破裂發(fā)生地震。最大剪應(yīng)變圖顯示南天山—帕米爾交匯區(qū)剪應(yīng)變率較高，盆地區(qū)域剪應(yīng)變較小，整體表現(xiàn)為從西向東剪應(yīng)變逐漸減弱。

(4) 震中區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)速率存在差異，震中以西區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)速率高于東部區(qū)域。將柯坪斷裂兩側(cè)地殼運(yùn)動(dòng)速率分解成垂直和平行斷層走向的兩個(gè)分量，從GNSS速率剖面圖中可以看出速率垂直分量整體高于平行分量，震中東西區(qū)域速率垂直分量基本相同。速率平行分量東西測(cè)點(diǎn)速率差接近5 mm/a，震中區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)這種運(yùn)動(dòng)速率不均衡性反應(yīng)出斷層在受到較強(qiáng)南北向擠壓作用的同時(shí)也受到東西向應(yīng)力作用?？缕簲嗔言谡鹬袇^(qū)域向南突出，斷層走向發(fā)生轉(zhuǎn)折形成拐角，任何物體越尖銳的地方壓強(qiáng)越大，引起的物理效應(yīng)(力、熱、光、電、磁)越強(qiáng)，產(chǎn)生“尖端效應(yīng)”，因此震中區(qū)域地殼易于積累較強(qiáng)應(yīng)力，可能是此次地震的一個(gè)誘因。