利用GPS數(shù)據(jù)探討北天山東段現(xiàn)今地殼應(yīng)變場演化特征
——重新認識2016年呼圖壁MS6.2地震

紀 凱,唐紅濤

(1.安徽交通職業(yè)技術(shù)學院,安徽 合肥 230051;2.中國地震局第二監(jiān)測中心,陜西 西安 710054)

0 引言

天山作為新生代內(nèi)陸大型造山帶之一,受印度板塊向歐亞大陸持續(xù)擠壓楔入的作用,再度復(fù)活隆升。天山東西全長2 500 km,平均寬度約300 km[1-2]。受南北地塊(南側(cè)為帕米爾高原與塔里木盆地,北為哈薩克地臺與準噶爾盆地)夾擊[3],天山現(xiàn)今活動以山體隆升向南北兩側(cè)雙向逆沖推覆為主,其造山運動伴隨著地殼增厚或隆升的垂直運動[4-7]。在這個運動過程中,同時也發(fā)育著規(guī)模較大的斜切天山的分解斷裂,這些斷裂起到了重要的力學調(diào)整作用。當斷裂規(guī)模大、地質(zhì)巖體弱、地殼內(nèi)部應(yīng)力高度集中并持續(xù),就會發(fā)生褶皺構(gòu)造變形及擠壓逆沖推覆構(gòu)造,山體繼而抬高。北天山與中天山的分界斷裂——博羅科努—阿其克庫杜克斷裂(以下簡稱為“博阿斷裂”),及準噶爾盆地與北天山的分界斷裂——準噶爾南緣斷裂就屬于這兩類斷裂[8-10],如圖1。與此同時,北天山至準噶爾盆地自南向北正孕育著三排逆斷裂-褶皺帶(圖1),第一排(FD1)由齊古背斜、清水河—石梯子斷裂組成,總體北傾,向南逆沖;第二排(FD2)由霍爾果斯背斜、瑪納斯背斜和吐谷魯背斜組成;第三排(FD3)自西向東由獨山子褶皺、哈拉安德褶皺和安集海褶皺組成,整體南傾[2]。2016年12月8日新疆呼圖壁縣發(fā)生6.2級地震,此次地震震級大、有感范圍廣,促使我們有必要重新認識北天山東段構(gòu)造帶的現(xiàn)今運動特征。

圖1 準噶爾盆地南緣—北天山斷裂帶及地震震中分布Fig.1 Distribution of faults and epicenter in the southern margin of Junggar Basin and the Northern Tianshan Mountains

針對該區(qū)域,許多學者做了大量的研究工作,鄧起東等[2,10]、楊庚等[11]詳細闡明了準噶爾盆地南緣三排逆斷裂-背斜帶的地表和深部構(gòu)造、二維、三維幾何學及運動學特征;張培震等[3,12]揭示了天山造山帶的形成與地震孕育、發(fā)生的機制關(guān)系;陳正位等[13]基于DEM數(shù)據(jù),研究了中更新世以來北天山向北擴展的造山過程;趙俊猛等[14]針對天山及準噶爾盆地南緣,通過重磁聯(lián)合反演,獲得了巖石圈二維密度結(jié)構(gòu)與磁性結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)塔里木盆地與準噶爾盆地向天山造山帶對沖;胥頤等[15]發(fā)現(xiàn)了天山地震帶深部結(jié)構(gòu)的基本特征;還有學者通過古地震、第四紀斷層活動性和利用河流階地位錯等方法對該區(qū)域進行了考察與論證[16-17]。而2016年呼圖壁MS6.2地震發(fā)生以后,很多學者又多從地質(zhì)構(gòu)造、震源機制、數(shù)據(jù)反演、測震、重力等角度對此次地震做了相關(guān)研究,如Yang等[18]通過數(shù)據(jù)反演構(gòu)建了此次地震的發(fā)震構(gòu)造;楊文等[19]利用地震臺網(wǎng)震相報告,采用雙差定位法重新定位了此次地震的震源位置,綜合分析了該地震的震源機制及其發(fā)震構(gòu)造;龔正等[20]運用鉆孔觀測數(shù)據(jù)與均質(zhì)模型對IGP-CEA、USGS震源機制解進行了模擬研究;李艷永等[21]借助新疆測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù),計算并分析了呼圖壁地區(qū)2010—2017年的50次MS≥3.0地震的震源機制解;Lu等[22]利用地震反射資料，提出1906年瑪納斯地震與此次地震的發(fā)震斷層應(yīng)該是一個南向切斜的逆沖斷層等,少有借助GPS等形變資料給出分析。因此,在前人的研究基礎(chǔ)上,本文以北天山東段構(gòu)造帶為研究區(qū)域,利用2009—2011、2011—2013、2013—2015年三周期GPS水平運動速度場數(shù)據(jù),計算并獲取了該地區(qū)高分辨率應(yīng)變率場的動態(tài)變化處理結(jié)果,分析了區(qū)域應(yīng)變率場的時-空動態(tài)演化特征,以及探討并重新認識了應(yīng)變場率結(jié)果與2016年呼圖壁6.2級地震的對應(yīng)關(guān)系。

1 呼圖壁MS 6.2地震震源機制

2016年12月8日,新疆呼圖壁地區(qū)發(fā)生MS6.2地震,該地震主震震中位置為43.84°N,86.35°E,震源深度6 km。依據(jù)USGS、GCMT等研究機構(gòu)給出的呼圖壁MS6.2地震震源機制以及張志斌等[23]利用CAP方法反演出的震源機制解(表1),給出了上述研究的震源機制解分布圖(圖1)。從表中可以看出,不同研究給出的具體震源參數(shù)雖有一定的偏差,但由于是采用了不同臺站資料及速度模型,因此這些偏差是完全可以接受的。以USGS給出的2016年呼圖壁MS6.2地震震源機制解為例,本次地震節(jié)面Ⅰ走向80°、傾角19°、滑動角81°,節(jié)面Ⅱ走向269°、傾角71°、滑動角93°,矩震級MW6.0。從震源機制解結(jié)果可看出,這是典型逆沖性質(zhì)的發(fā)震構(gòu)造,圖1中紅點代表主壓應(yīng)力軸方向,白點代表主張應(yīng)力軸方向,其中壓應(yīng)力軸水平投影近南北走向,而從本研究GPS水平運動速度場及主應(yīng)變率場看,其NNE向的地殼運動方向及主壓應(yīng)變率場方向,與該主震震源機制壓應(yīng)力軸方向較為一致。

表1 不同研究給出的2016年呼圖壁MS6.2地震震源機制解Table 1 Focal mechanism solutions of the Hutubi MS6.2 earthquake in 2016 from different studies

依據(jù)Lu等[22]的研究成果,顯示此次地震發(fā)震斷層傾角可能為低角度逆斷層,主震震源深度16.5 km,余震主要集中在5～20 km范圍(雖然準格爾南緣斷裂和第三排斷裂在深部會合并,但在震源點處并未合并),并通過人工地震反射剖面精細解析,認為此次地震的發(fā)震斷層與霍爾果斯—瑪納斯—呼圖壁斷裂密切相關(guān),即本文圖1震中北側(cè)霍爾果斯—瑪納斯—吐谷魯斷裂帶偏向第三排(FD3)位置。同時,從時間上看,準格爾南緣斷裂是形成較早而現(xiàn)在仍然活動的斷裂,第一排斷裂(FD1)為主斷裂上盤的反向逆沖次級斷裂,第三排斷裂則是最新活動的主斷裂。因此,本研究主要探討了三期應(yīng)變率場在霍爾果斯—瑪納斯—吐谷魯斷裂帶第三排(圖1中FD3)位置及其附近區(qū)域的演化特征與呼圖壁MS6.2地震的關(guān)系(而非震源地表投影的震中位置)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)使用

北天山原GPS流動觀測站點僅有9個,主要由20世紀80年代紅外測距網(wǎng)改造而成[24],站點分布密度較低。近年來“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”項目陸續(xù)開展[25],該項目主要用于監(jiān)測中國大陸地殼運動、重力場形態(tài)及變化,由260個連續(xù)站和2 000個流動站組成,每兩年觀測一期。至今,覆蓋北天山北緣造山帶GPS站點已增至40個。流動站數(shù)據(jù)采樣間隔30 s,24小時為一時段,一次觀測不少于4個時段。如圖2,黑色、紫色、紅色標記分別代表2009—2011、2011—2013與2013—2015周期的GPS水平運動速度場。本文所用數(shù)據(jù)為剔除個別非構(gòu)造作用導致運動方向及觀測誤差與周圍測站差異較大的GPS站點后的速度場結(jié)果,因此在某個站點位置,可能會出現(xiàn)三期數(shù)據(jù)不全的情況,點位密度越大,則解算后的應(yīng)變率場結(jié)果越精細、分辨率越高,對區(qū)域塊體及活動構(gòu)造運動特征刻畫越精準。由于缺少的幾個站點并非在同一時間段內(nèi),且位置分散,在解算后的應(yīng)變率場可能在該缺失位置上結(jié)果精細度有所欠缺,但不影響同期數(shù)據(jù)對整體區(qū)域的分析,所以此次所用GPS資料是可以接受的。

2.2 應(yīng)變率場計算方法

利用最小二乘配置法,以及位移與應(yīng)變的偏導關(guān)系[式(1)]可獲取水平視應(yīng)變率場分布[26],即能夠計算所在研究區(qū)域內(nèi)部任意一點的視應(yīng)變率場結(jié)果。

(1)

2.3 斷層滑動速率計算

斷層的滑動速度用GPS測站水平運動速度投影至平行與垂直斷裂走向的兩個方向來表示。尋找剖面選取范圍內(nèi)GPS站點(n個),經(jīng)高斯投影正算,解算其高斯投影坐標為(xi,yi),相應(yīng)正東、正北向速度值為(ui,vi),i=1,…,n,針對每個GPS站點,求其速度投影的平行走向、法線方向分量值(pi,qi),其中pi=uisin(φi)+vicos(φi),qi=-uicos(φi)+visin(φi),i=1,…,n,這里的φi為斷層走向與正北向逆時針夾角,走滑定義正值反映左旋走滑、負值為右旋走滑,張壓規(guī)定正值為壓性、負值為拉張變化。以準噶爾南緣斷裂為中心斷層,沿斷裂截取200 km,向NEE、SWW兩個方向擴至270 km,形成一個GPS剖面(圖2紅色虛線框),計算了三周期研究區(qū)域的斷層滑動速率。

3 結(jié)果與分析

北天山東段構(gòu)造區(qū)水平運動矢量圖(圖2)與應(yīng)變率圖(圖3)顯示:天山地殼整體運動方向為NNE,與NWW的斷裂帶接近正交;量值上看,準噶爾南緣斷裂以北地殼平均運動速率小于南部天山造山帶,盆地內(nèi)部運動速率最小,約6.0 mm/a,2011—2013較2009—2011、2013—2015周期速率明顯偏大,在天山南端庫姆格列木斷裂處達到最大值,12.0 mm/a,地殼運動速率由南向北遞減;應(yīng)變率場在NNE以主壓應(yīng)變?yōu)橹?與各斷裂走向接近正交,2011—2013周期變化顯著增強,大小在(1～6)×10-8/a之間;NWW向張性應(yīng)變顯著,張性變化在準噶爾南緣逆斷裂-褶皺帶顯示非常微弱,表明在南北地塊夾擊下,北天山東段在東西向物質(zhì)逃逸較少,處于山體地殼縮短并轉(zhuǎn)為山體隆升的垂直運動過程,地殼運動與應(yīng)變率場強度在時間上表現(xiàn)為“弱-強-弱”的交替變化特征。

3.1 第一周期結(jié)果分析

北天山東段的地震孕育與發(fā)生主要由三個主要斷裂來控制,分別是博羅科努斷裂、亞馬特斷裂及準噶爾南緣斷裂。而作為中天山與北天山的分界,博阿斷裂是貫穿整個天山山脈東西方向、規(guī)模宏大的區(qū)域性特大斷裂,是一條板塊聚合的邊界[9],其運動特點是由南向北逆沖。天山東段的GPS監(jiān)測點主要集中于博阿斷裂以南與準噶爾南緣斷裂以北(圖2),地殼總體運動方向為NNE(圖2黑色箭頭);天山整體運動速率均勻一致,平均約6.5 mm/a,但在準噶爾盆地內(nèi)部(I333、I339)速率明顯減弱,平均約3.5 mm/a,且方向轉(zhuǎn)為NEE,這可能由天山山脈整體北推,盆地菱形塊體發(fā)生東向側(cè)移所致。準噶爾盆地南緣以NE-SW向的壓應(yīng)變、NW-SE向的張性應(yīng)變特征存在(圖3),壓應(yīng)變方向與博阿斷裂走向成正交,南緣逆斷裂-褶皺帶約1.0×10-8/a,與王偉等[27]根據(jù)1999—2013年GPS速度場獲得的10×10-9/a結(jié)果一致。而在呼圖壁MS6.2地震地表發(fā)震斷裂附近,顯示主張應(yīng)變特征,最大約4.0×10-8/a,呼圖壁以東主壓應(yīng)變方向轉(zhuǎn)為NNW-SSE,壓性特征顯著增強。面應(yīng)變率在烏魯木齊西南與沙灣附近顯示強烈的擠壓,最大約-5.0×10-8/a,呼圖壁MS6.2地震地表發(fā)震斷層位置位于從西向東、由正轉(zhuǎn)負高梯度帶的零值線上,最大面膨脹率位于發(fā)震斷層地表附近,約2.0×10-8/a。E-W走向的包爾圖斷裂斜插博羅科努斷裂,該區(qū)域從面應(yīng)變率上形成正負交替四象限分布特征,四象限正負變化梯度帶與北天山斷裂帶NWW走向一致。基于北天山準噶爾南緣斷裂與博羅科努斷裂間無GPS測點的考慮,可將三個斷裂視為一個斷裂帶,以探討北天山的滑動速率,圖4(a)為平行于斷裂走向的滑動速率,北天山構(gòu)造帶兩側(cè)右旋走滑特征明顯,最大滑動速率(I362)(4.8±0.4) mm/a,平均(2.2±0.4) mm/a,與Campbell等[28]利用最新地質(zhì)鉆探資料通過光釋光測年法獲得的該處斷裂帶右旋走滑量(1.4～3.0) mm/a的結(jié)果一致。圖4(b)為垂直于斷裂走向的張壓運動速率,北天山南北壓性差異顯著,準噶爾盆地內(nèi)部無明顯張壓差異變化,向南壓性速率繼續(xù)增大,最大(I053)(5.2±1.0) mm/a,南北平均壓性運動約2.6 mm/a,這與Burchfiel[29]估算的第四紀以來該斷裂的平均縮短速率(2.0～6.0) mm/a接近。

圖2 準噶爾盆地南緣及天山東段GPS水平運動矢量圖(相對于歐亞板塊,誤差橢圓為95%置信度)Fig.2 Vector map of GPS horizontal motion in the southern margin of Junggar Basin and the eastern segment of Tianshan Mountains(Relative to the Eurasian Block,and the error ellipse is 95% confidence)

圖3 北天山東段水平應(yīng)變率(單位:1.0×10-8/a)Fig.3 The horizontal strain rate in the eastern segment of Northern Tianshan Mountains(Unit:1.0×10-8/a)

從2009—2011周期GPS計算應(yīng)變率場結(jié)果看,自呼圖壁MS6.2地震震中向其北方向至霍爾果斯—瑪納斯—吐谷魯斷裂帶FD3處連線,將整體應(yīng)變率場分割為東、西兩部分,即主應(yīng)變率在該分割線及其以西表現(xiàn)為NNE向主壓應(yīng)變,NWW主張應(yīng)變;分割線以東,壓性應(yīng)變方向更偏向于東,NEE或近WE方向,而與其垂直的NNW則為更大的主壓應(yīng)變。空間上,圖中86.40°～86.70°E,亞馬特斷裂與其北側(cè)的準格爾南緣斷裂在該位置出現(xiàn)走向轉(zhuǎn)折,即兩條斷裂走向在該位置由西側(cè)NWW轉(zhuǎn)為東側(cè)NEE。因此,呼圖壁MS6.2地震震中至其地表發(fā)震斷層位置的分割線幾乎與兩條斷裂走向拐點位置重合。同時面膨脹率同樣被劃分為東、西兩塊,而在FD3地表發(fā)震斷層附近達到最大值,約2.0×10-8/a(面膨脹),而其東、西兩側(cè)均為負值(面壓縮),這一分布特征均指向此次地震在地表的發(fā)震位置,應(yīng)引起對該發(fā)震區(qū)域的關(guān)注。而依據(jù)主應(yīng)變結(jié)果,東、西兩側(cè)應(yīng)力場存在差異,即東部的水平擠壓作用或強于西部；方向上,最大壓應(yīng)力均垂向于各自南側(cè)準葛爾南緣斷裂。借助主壓應(yīng)力方向,亦可說明東、西兩側(cè)內(nèi)部應(yīng)力結(jié)構(gòu)類型均表現(xiàn)為逆沖作用模式。

3.2 第二周期結(jié)果分析

與上期相比,本期GPS數(shù)據(jù)顯示,除西南個別站點運動方向發(fā)生東向偏移外,其余站點基本向西扭轉(zhuǎn),運動速率整體增大,由南天山向北,速率與增量均遞減,最大水平運動速率12.0 mm/a(I378),盆地內(nèi)部相對穩(wěn)定,平均約6.0 mm/a,表明本期天山東段整體運動增強。主應(yīng)變率變化顯著,有其特定的展布規(guī)律,區(qū)域整體主應(yīng)變方向為N-S,量值差異較大,南小北大。博羅科努—亞馬特斷裂附近為NNW向的主壓應(yīng)力,最大約2.5×10-8/a,而在準噶爾南緣斷裂至第三排逆斷裂-褶皺帶,表現(xiàn)為N-S向拉張,烏魯木齊以西轉(zhuǎn)為NNE,東西向擠壓微弱,張性應(yīng)變率最大值位于準噶爾南緣斷裂東段,約4.0×10-8/a,這種張應(yīng)變的變化特征與該區(qū)域擠壓推覆的構(gòu)造運動背景相反,可能與震前地殼內(nèi)部的應(yīng)力調(diào)整有關(guān)。在盆地內(nèi)部,以主壓應(yīng)變特征存在,自西向東壓應(yīng)變方向由NNW轉(zhuǎn)為NNE,最大主壓應(yīng)變率在昌吉北部,約7.0×10-8/a。面膨脹率髙值區(qū)位于烏魯木齊東北、昌吉以南,最大約3.0×10-8/a,其次為經(jīng)第二排準噶爾南緣逆斷裂-褶皺帶,過震中向南、向東沿亞馬特、準噶爾南緣斷裂返至烏魯木齊南部,與主應(yīng)變率結(jié)果一致,由此膨脹帶向南、向北轉(zhuǎn)為壓縮,等值線與各斷裂走向基本保持平行,北天山東端面應(yīng)變率等值線與準噶爾南緣斷裂、博羅科努斷裂東段走向平行的展布特征尤為顯著。與上期類似,本期面應(yīng)變率在包爾圖斷裂與博羅科努斷裂的交匯地同樣存在正負交替的四象限分布,持續(xù)著其強烈的內(nèi)部構(gòu)造運動特征。北天山東段斷裂走滑特征不明顯(圖4),平均壓性速率為5.2 mm/a,與Burchfiel[29]估算的第四紀以來平均縮短速率(2.0～6.0) mm/a接近。

圖4 北天山構(gòu)造區(qū)東段GPS剖面運動速率結(jié)果Fig.4 Results of the movement rate from GPS profile in the eastern segment of Northern Tianshan Mountains

綜上,本期NNE向位移速率整體增大,致使主壓應(yīng)變率場方向與GPS運動方向一致,特別是呼圖壁MS6.2地震震中至其地表發(fā)震斷層形成一條寬約45 km的過渡帶,由面膨脹變?yōu)榇舜蔚卣鸬乇戆l(fā)震斷層附近區(qū)域的面壓縮。同時,過渡帶內(nèi)面應(yīng)變等值線近平行于霍爾果斯—瑪納斯—吐谷魯斷裂帶,主應(yīng)變率在過渡帶內(nèi)完成了由南向北、由NS主張應(yīng)變向主壓應(yīng)變的轉(zhuǎn)換。因此,該過渡帶亦是一個在本次地震中從南向北、由張至壓的高梯度帶,表明在2016年呼圖壁MS6.2地震前的幾年中,NS向主應(yīng)變在該過渡帶及其南、北區(qū)域的“張-壓”轉(zhuǎn)換,存在過渡帶內(nèi)部發(fā)震斷層的逆沖特性。

3.3 第三周期結(jié)果分析

本期(圖2紅色標記)地殼活動強度回落至2009—2011水平,整體偏弱,最大約7.0 mm/a(I029),北天山東段南、北無顯著差異運動。主應(yīng)變率[圖3(c)]在準噶爾盆地南緣地區(qū)以主壓應(yīng)變形式存在,最大主壓應(yīng)變率位于沙灣與昌吉地區(qū),達3.0×10-8/a,盆地內(nèi)部主應(yīng)變率減小至(1.0～2.0)×10-8/a。面應(yīng)變率顯示了以呼圖壁MS6.2地震地表發(fā)震斷層附近為中心的正、負交替四象限分布特征。面應(yīng)變率高值區(qū)位于包爾圖斷裂與博羅科努斷裂的交匯處,以此為中心向北至第一排逆斷裂-褶皺帶,形成平行于斷裂走向的面膨脹率等值線,準噶爾南緣斷裂位于面應(yīng)變率的零值梯度帶上。北天山東段構(gòu)造帶右旋走滑特征增強[圖4(a)],最大(I056)達(3.8±1.0) mm/a,平均走滑速率(3.0±1.0) mm/a,略大于李杰等[1]利用GPS速度場分解法計算得到的(1.5～1.8) mm/a。在垂直于斷裂走向上[圖4(b)],相對盆地最遠點,北天山構(gòu)造區(qū)持續(xù)了其較強的壓性運動特征,最大速率(I056)(9.4±0.7) mm/a,平均擠壓速率(5.2±0.8) mm/a,這同樣與李杰等[1]計算得到的(5.6±1.0) mm/a、Burchfiel[29]估算的平均縮短速率(2.0～6.0) mm/a接近。

本期該研究區(qū)域NNE向位移速率整體減弱,致使主應(yīng)變率場弱化,空間上表現(xiàn)為呼圖壁MS6.2地震地表發(fā)震斷層位置以東的NNE向主壓應(yīng)變較上周期明顯減弱。從三期應(yīng)變率場計算結(jié)果看,其近NS向主壓應(yīng)力場的特性從未改變。此外,以震中至北側(cè)FD3發(fā)震斷層為中心的面應(yīng)變率等值線四象限分布是一個由正轉(zhuǎn)負、由張變壓的表現(xiàn)特征,與祝意青等[30]在分析重力等值線時,四象限中心及高密度梯度帶具有高概率發(fā)生強震的指示作用類似?；仡檲D3,2009—2011與2013—2015兩期數(shù)據(jù)中,發(fā)震斷層位置基本位于面應(yīng)變率等值線由正轉(zhuǎn)負的四象限中心區(qū)域,而2011—2013周期顯示的發(fā)震斷層處,則位于面應(yīng)變率等值線由張轉(zhuǎn)壓的高密度梯度帶內(nèi)。因此,面應(yīng)變率等值線“正-負”轉(zhuǎn)換的四象限中心及高密度梯度帶內(nèi)等空間分布特征對強震發(fā)生地點的預(yù)測值得思考與總結(jié)。

4 討論

與北天山東段構(gòu)造區(qū)應(yīng)變率場特征相關(guān)的研究成果較少,王曉強等[24]解算并分析了天山地區(qū)的整體地殼應(yīng)變特征,王偉等[27]運用GPS數(shù)據(jù)分析了天山現(xiàn)今地殼應(yīng)變率場,但其使用數(shù)據(jù)較舊、研究范圍廣,對北天山東段博阿斷裂至準噶爾盆地南緣造山帶的運動特征介紹不多,因此,本文在應(yīng)變率場的分析上,與前人利用同類資料對該區(qū)域的研究結(jié)果相互印證不足,但利用相同GPS數(shù)據(jù)所計算北天山東段構(gòu)造帶的滑動速率與以往研究成果對應(yīng)較好,反映了該區(qū)域繼承性的地殼運動特征。

2011—2013周期主應(yīng)變率在準噶爾南緣斷裂至第三排逆斷裂-褶皺帶表現(xiàn)為N-S向拉張現(xiàn)象,這種張應(yīng)變的變化特征與該區(qū)域2009—2011、2013—2015及其壓性的構(gòu)造運動背景相反,該“主壓-主張-主壓”的應(yīng)變演化特征,可能是2016年呼圖壁MS6.2地震前區(qū)域地殼的應(yīng)變調(diào)整過程。類似這種由于擠壓逆沖背景而導致地表隆起、造山的構(gòu)造區(qū)是否在地震前普遍存在“壓-張-壓”的特征變化過程,還需我們繼續(xù)給予關(guān)注。為了更深入地認識該區(qū)域應(yīng)變率場的演化特征與呼圖壁MS6.2地震“孕育-發(fā)生”的內(nèi)部聯(lián)系,我們進一步計算了三個周期的最大剪應(yīng)變率(圖5)。三張最大剪應(yīng)變率等值線圖均集中出現(xiàn)高值區(qū),前兩期出現(xiàn)在第二與第三排逆斷裂-褶皺帶之間,二者最大剪應(yīng)變率約6.70×10-8/a,相對于2009—2011,2011—2013周期高值區(qū)發(fā)生向西移動,江在森等[31]指出,大部分6級地震發(fā)生在剪應(yīng)變率(最大剪應(yīng)變率)的高值區(qū)或邊緣區(qū),而呼圖壁MS6.2地震的發(fā)震斷層位置則位于兩期最大剪應(yīng)變率高值區(qū)邊緣,發(fā)震時間相對第二周期推后3年,這期間2013—2015的高值區(qū)向南移至焉耆盆地西北部,北天山東段的最大剪應(yīng)變率則驟減至1.70×10-8/a,降幅約5.0×10-8/a,這種最大剪應(yīng)變率在時間與空間上的演化過程與強震間的對應(yīng)關(guān)系有待我們在今后的研究中繼續(xù)探討。

圖5 北天山構(gòu)造區(qū)東段最大剪應(yīng)變率分布Fig.5 Maximum shear strain rate in the eastern segment of Northern Tianshan Mountains

在借助GPS形變資料探討北天山東段應(yīng)變率場及呼圖壁MS6.2地震的過程中,注意到了GPS應(yīng)變率場與構(gòu)造帶在空間展布上的相互位置關(guān)系,以及面應(yīng)變率等值線特征對此次呼圖壁MS6.2地震在地表發(fā)震位置的指示作用。從第一期數(shù)據(jù)結(jié)果看,呼圖壁MS6.2地震震中至其地表發(fā)震斷層位置的分割線幾乎與兩條斷裂走向的拐點重合,同時面膨脹率在該位置也被劃分為東、西兩塊,表明GPS形變結(jié)果客觀反映了區(qū)域構(gòu)造特征,而面應(yīng)變率在象限分割點附近達到最大值(約2.0×10-8/a,面膨脹)、其東西兩側(cè)均為負值(面壓縮),這一分布特征均指向此次地震在地表的發(fā)震位置,從而引起了對該發(fā)震區(qū)域的關(guān)注;第二期結(jié)果直接以自南向北、面應(yīng)變率由正轉(zhuǎn)負過渡帶的形式,較為準確地套合了祝意青等[30]重力場等值線高梯度帶概念在該區(qū)域的覆蓋,過渡帶內(nèi)面應(yīng)變率等值線平行于霍爾果斯—瑪納斯—吐谷魯斷裂帶,而后面的呼圖壁MS6.2地震震中及地表發(fā)震位置即落于該高密度梯度帶內(nèi),基于該應(yīng)變率場等值線與斷裂展布的相互位置關(guān)系,回看第一期數(shù)據(jù),其震中至其地表發(fā)震斷層位置的分割位置同樣是面應(yīng)變率場自東向西、由正轉(zhuǎn)負的梯度轉(zhuǎn)換帶,不同的是第一期面應(yīng)變率等值線密度較低,未形成高密度梯度帶,但其位置仍位于象限間的轉(zhuǎn)換帶內(nèi)部;震前最后一期數(shù)據(jù)雖在量值上較第二周期大幅減小,但從面應(yīng)變率等值線分布特征上看,天山以北仍形成了以霍爾果斯—瑪納斯—吐谷魯斷裂帶為橫軸的四象限圖,此次震中至其地表發(fā)震位置的連線通過象限中心,地表發(fā)震斷層區(qū)域亦位于由東向西、由負變正的梯度帶內(nèi)。因此,通過探討面應(yīng)變率等值線分布與區(qū)域構(gòu)造斷裂的相互位置,三周期面應(yīng)變率等值線均形成“正-負”交替的四象限圖,且其橫軸與準噶爾南緣斷裂、霍爾果斯—瑪納斯—吐谷魯斷裂帶等走向接近平行,而地表發(fā)震位置則均落于正、負象限交替的過渡帶內(nèi)。諸上特征可能是地震孕育過程中利用GPS資料觀測到的形變前兆,其能否成為強震的中期前兆信息需待更多震例的計算與驗證。

此外,主應(yīng)變率結(jié)果在分析地殼內(nèi)部運動特征時,相對面應(yīng)變率與最大剪應(yīng)變率等物理量,更適用于在塊體運動方向與性質(zhì)上給出解釋。此次呼圖壁MS6.2地震三期主應(yīng)變率結(jié)果雖應(yīng)變率值差異較大,但在作用方向上均顯示了北天山至霍爾果斯—瑪納斯—吐谷魯較新活動構(gòu)造的壓性運動特征,表明其內(nèi)部應(yīng)力結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為逆沖作用模式。

具體到此次呼圖壁MS6.2地震的發(fā)震斷層位置,由于此次地震并未發(fā)生明顯的地表破裂,導致先前的研究在關(guān)于此次地震地表發(fā)震斷層的具體位置時仍未統(tǒng)一。整體上看此次地震震中位于北天山與準噶爾盆地交界區(qū)“逆斷裂-褶皺帶”的南邊緣,構(gòu)造上屬于烏魯木齊山前坳陷南緣,內(nèi)部發(fā)育有巨厚的中、新生代地層,形成具有薄皮構(gòu)造的三排逆沖褶皺帶,而此次地震震中則位于該褶皺帶的南邊緣(圖1),而震中位置是地震破裂點在地表的投影,據(jù)Lu等[22]研究,此次地震發(fā)震斷層傾角可能為低角度逆斷層,并通過人工地震反射剖面精細解析,認為此次地震的發(fā)震斷層與霍爾果斯—瑪納斯—呼圖壁斷裂密切相關(guān),自上述“逆斷裂-褶皺帶”南邊緣向北延伸,即霍爾果斯—瑪納斯—吐谷魯斷裂帶FD2至FD3附近;而楊文等[19]研究顯示,以FD3向南側(cè)地殼內(nèi)部引入的一條低角度逆沖斷裂,控制著自1970年以來ML>4.0的地震,此次地震主震及較大余震均位于該斷裂附近,表明此次地震的發(fā)震斷裂很可能位于震中向北的霍爾果斯—瑪納斯—吐谷魯斷裂帶FD2至FD3附近。此外,先前一些研究[18-20,22]在發(fā)震斷層的傾向上存在著北傾、南傾相反的意見。本研究從GPS水平運動速度場角度看,其NNE的北向運動結(jié)合此次地震震源機制解顯示的逆沖性質(zhì),判斷此次發(fā)震斷層應(yīng)該是一條逆沖南傾斷層。

5 結(jié)論

利用2009—2015三期GPS數(shù)據(jù),獲取了北天山東段構(gòu)造帶高分辨率應(yīng)變率場的動態(tài)變化處理結(jié)果,分析了區(qū)域應(yīng)變率場的時-空動態(tài)演化特征,重新認識了北天山東段構(gòu)造區(qū)的現(xiàn)今活動特征,探討了應(yīng)變率場三個周期空間分布特征與2016年呼圖壁6.2級地震的內(nèi)部聯(lián)系,并初步獲得了如下幾點認識:

(1) 三期區(qū)域地殼運動速率與應(yīng)變率場強度在時間上表現(xiàn)為“弱-強-弱”的交替變化特征;以NNW或NNE向的主壓應(yīng)變?yōu)橹?與各斷裂走向接近正交,2011—2013周期變化顯著增強,約在(1～6)×10-8/a,自南向北、自西向東逐漸增大,盆地南緣與北天山壓應(yīng)變差異較大,一、三周期N-S向主壓應(yīng)變較小,約(1～2)×10-8/a;三期滑動速率顯示北天山東段呈“強-弱-強”的右旋走滑特征,垂直于斷裂走向顯示了持續(xù)的壓性運動,三期平均運動速率約(2.6～7.0) mm/a。北天山東段構(gòu)造帶整體繼承了該區(qū)域N-S向壓性的運動特征。

(2) 面應(yīng)變率等值線在空間上的分布特征與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造活動具備一定的對應(yīng)關(guān)系,在本研究結(jié)果中,2016年呼圖壁6.2級地震的地表發(fā)震位置,或位于面應(yīng)變率等值線圖的四象限中心附近,或落于正、負轉(zhuǎn)換區(qū)域的高梯度帶上,由此,地震可能更易發(fā)生在面應(yīng)變率場等值線四象限中心或正、負過渡區(qū)的高密度梯度帶內(nèi)部,這可能是地震孕育過程中利用GPS資料觀測到的形變前兆。此外,三期面應(yīng)變率結(jié)果均顯示,四象限圖橫軸方向與區(qū)域構(gòu)造斷裂走向的平行關(guān)系,似乎是構(gòu)造運動前夕面應(yīng)變率場等值線分布的又一特征(仍待更多震例驗證)。

(3) 三期最大剪應(yīng)變率等值線均集中出現(xiàn)高值區(qū),前兩期出現(xiàn)在準噶爾盆地南緣,尤其在第二與第三排逆斷裂-褶皺帶之間(此次地震在地表的發(fā)震區(qū)域),相對于第一周期,2011—2013周期高值區(qū)發(fā)生向西移動,而呼圖壁MS6.2地震在地表的發(fā)震位置即位于兩期最大剪應(yīng)變率高值區(qū)邊緣,發(fā)震時間相對第二周期推后3年,這種最大剪應(yīng)變率在時間與空間上分布特征,再次印證了“大部分6級地震發(fā)生在剪應(yīng)變率(最大剪應(yīng)變率)的高值區(qū)或邊緣區(qū)”。

(4) 主應(yīng)變率結(jié)果在分析地殼內(nèi)部運動特征時,相對面應(yīng)變率與最大剪應(yīng)變率等物理量更適用于在塊體運動方向與性質(zhì)上給出解釋。