基于GPS研究天山西南地區現今應變場特征*

李 杰，劉代芹，王 琪，王曉強，帕爾哈提·再努拉

(1.新疆維吾爾自治區地震局，新疆烏魯木齊830011;2.中國地質大學(武漢)地球物理與空間信息學院，湖北武漢430070)

0 前言

新生代以來，受印度板塊與歐亞板塊在喜馬拉雅地區碰撞及持續擠壓楔入的遠場影響，以及塔里木塊體和準噶爾地塊的近場匯聚的雙重作用，天山造山帶重新活動，發生陸內造山運動，以山體向南北兩側的盆地雙向逆沖及天山地殼縮短變形為主要變形特征(Molnar，Tapponnier，1975)，在南北兩側盆山交界部位形成多排褶皺逆沖帶(馮先岳等，1991;管樹巍等，2007)。作為世界上最為活躍的陸內造山帶之一的天山造山帶，南北地塊的會聚不僅導致山體抬升、盆地沉陷，特殊的構造環境還極具孕育大震發生的條件。在帕米爾快速北向俯沖的作用和塔里木盆地順時針旋轉推擠的過程中，距離印度板塊西構造結最近的天山西南地區的構造變形最為強烈(張培震等，1994;鄧起東等，2000;楊少敏等，2008)。沿盆山界線天山地區有歷史記錄的7～8級大震多發生在此類構造部位(王曉強等，2007)，如1902年阿圖什8級地震，1985年烏恰7.4級地震等。因此研究天山兩側盆山結合部位的地殼形變、應變分布情況對于地震研究具有極其重要的意義。

利用GPS對天山地區構造演化進行研究，前人已經做了許多工作(Abdrakhmatov et al，1996;王琪等，2000;Alexander et al，2010)，取得了豐富的研究成果，積累了寶貴的觀測數據。但相對于天山西南地區的廣袤，GPS站點數量仍顯稀疏，這些研究對天山西南地區構造變形的活動特征尚缺乏足夠約束，山盆結合帶的細觀變化仍顯粗糙，不利于對斷裂變形活動模式的精細化及地震危險性的研究。鑒于此，在“中國地殼運動觀測網絡”(CMONOC)的基礎上，我們在天山西南地區又加密布設了近70個GPS測點，現已有多期觀測資料。本文對該區域GPS監測網十多年的觀測數據進行處理分析，對天山西南地區的構造活動進行研究，以探求其變化規律。

1 GPS資料處理

天山地區GPS觀測從1992年開始，至2012年共收集到境內20期 GPS觀測資料(李杰等，2012)。通過與吉爾吉斯國際地球動力學研究中心、哈薩克斯坦地震研究所合作，收集到1998年至今的境外天山GPS流動觀測資料和固定站資料;通過美國UNAVCO(University Navstar Consortium，導航衛星應用大學聯盟)收集到1994～1998年的GPS資料。獲得的440個GPS觀測站資料已覆蓋整個天山西南全境及帕米爾高原廣大地區(楊少敏等，2008;王曉強等，2005，2007，2009;Alexander et al，2004，2010;牛之俊等，2007)。其中境內數據新疆地震局與中國地震局地震研究所合作在南天山埋設的加密點共計60個、“網絡工程”、“陸態網絡”在南天山地區埋設91個、吉爾吉斯斯坦與哈薩克斯坦埋點289個(圖1)。

圖1 天山西南地區GPS點位分布圖Fig.1 Distribution of GPS sites in west-southern Tianshan Mountain area

數據處理采用GAMIT/GLOBK軟件包，主要分2個步驟完成。第1步，首先應用GAMIT進行單天24小時單日時段解，由于資料時間跨度太大，在楊少敏等(2008)，王敏等(2005)研究的基礎上，對資料進行分類區別:對1994年前后的數據處理時將全球IGS站納入整網計算，即將全球分布的20～40個固定站與天山地區測站資料聯合處理，依據其統計特征加權約束一同解算，盡可能多地組成雙差觀測并改進軌道，提高解算精度;1996年以后由于衛星改進，IGS測站數目增加，處理時則將天山地區流動站與中亞周邊地域的IGS站聯合處理，以便維持區域與全球框架的統一。最終得到各單天時段的H文件解。第2步，整合區域站H文件和SOPAC(Scripps Orbital and Permanent Array Center)產出的全球H文件，得出多天整體解。然后確定參考框架，求出速度場。

從構造活動上來講，天山地區變形與構造機理完全來源于印度塊體與歐亞大陸的碰撞，因此在利用GPS進行天山及鄰區構造運動與地殼形變研究時，必須考慮到以剛性的哈薩克地臺及東部的穩定的西伯利亞地塊作為地殼運動的參考基準(Kogan et al，2000)，因此本文選擇研究區域內合理分布并且結構穩定的IGS測站，在ITRF2005框架坐標及速度場基礎上扣除每個GPS測站在歐亞大陸下的剛性旋轉部分的運動速度，得到1992～2012年天山及鄰區相對于穩定的歐亞大陸的速度分布。GAMIT/GLOBK軟件處理得到的境內外天山及鄰區的GPS速度場精度較高，測站平均位移速率精度誤差在0.3～2 mm/a。

2 現今地殼變形

天山西南地區的地殼形變結果表明天山的形變特征以南北向擠壓縮短為主，與前人研究結果近似(王琪等，2001;Reigber et al，2001)，但觀測時間拉長、觀測期數增多，因此觀測精度較以往要優(圖2)。帕米爾、天山的構造活動離不開印度板塊西構造結近35 mm/a的速率向北推移的強運動背景的影響(Argus et al，2010)。點位運動速率表明，在直線距離不超過250 km的區域內，天山西南地區最強烈的地殼縮短就發生在位于帕米爾高原區域向北到達斜切西天山的塔拉斯—費爾干納右旋走滑斷裂西側的費爾干納谷地，其速率變化由 22～25 mm/a迅速減為8～10 mm/a，1992年“8·19”蘇薩梅爾7.5級地震就是發生在這一快速縮短區域。

在帕米爾高原的北向推擠和塔里木盆地的順時針旋轉的雙重作用下，天山的地殼形變以區域劃分，并不整體一致。沿帕米爾主逆沖斷裂向東到達莎車、澤普一線為界，界線以南各GPS點位運動速率22～25 mm/a，向北至費爾干納盆地南緣至阿合奇一帶，速率消減為8～12 mm/a。天山西南地區東部，從阿克蘇至輪臺一線的天山中部地區點位運動年平均速率約為12～13 mm/a，相對喀什坳陷地區的運動速率大為減弱，說明遠離帕米爾高原碰撞的直接影響，天山在這一地區的構造運動動力來源為塔里木塊體的順時針旋轉的北向分量，越過中部天山抵達新疆境內伊犁盆地，平均運動速率降至6～8 mm/a。研究區東側GPS點位運動幅度整體小于西部各點，運動方向也由西部地區的北北西向轉為北北東方向。環塔里木盆地及塔里木塊體內部的GPS點位運動速率，南北向位移從西部地區的平均20 mm/a(76.5°E，39.0°N)，向東逐漸降低到10～11 mm/a(84.0°E，39.0°N)，而在經度方向上運動速率基本保持一致，反映出現今塔里木塊體相對歐亞大陸順時針旋轉運動。通過求解塔里木塊體相對哈薩克地臺的歐拉極為(97.13±0.17)°E，(38.56±0.05)°N，角速度為(0.66 ±0.01)°/Ma。

中亞境外天山GPS測點集中分布在吉爾吉斯斯坦沿天山全境、哈薩克斯坦大部分地區，塔吉克斯坦也有少量點位分布，主要沿天山走向展布。沿吉爾吉斯山從東向西，GPS點位運動速率呈現出東強西弱的變形趨勢，與新疆境內天山的西高東低的形變特征截然相反，以東經(77±0.5)°為界，形成明顯的“菱形”分布。天山西南柯坪塔格推覆褶皺帶上各GPS點以近18 mm/a的運動速率向哈薩克地臺運動，穿越南天山中部后抵達伊塞克湖附近。點位速率在保持運動方向不變的情況下縮減至4～5 mm/a，抵達阿拉木圖坳陷后速率基本為1～2 mm/a。位于天山中西部地區的GPS運動速率在經過南天山山盆褶皺—逆沖帶、天山山體褶皺帶、及位于北緯42°的天山北部逆沖斷裂帶及其眾多發育規模不大的逆沖層吸收后，速率由原22～25 mm/a降低到1～2 mm/a。

圖2 西南天山地區相對穩定歐亞大陸的水平運動速度場(箭頭表示運動速率大小和方向，誤差橢圓代表95%置信度)Fig.2 Horizontal movement velocity field in west-southern Tianshan Mountain relative to stable Eurasia plate(the arrows show the movement rate and its orientation with the error ellipse at the 95%confidence level)

在南天山西段，接近主帕米爾逆沖斷層及喀喇昆侖右旋走滑斷裂附近的GPS點位運動速率超過了塔里木盆地內部的GPS運動速率，最大達到22～24 mm/a。在越過馬坎蘇斷層接近費爾干納盆地后GPS點位速度值迅速下降至3～5 mm/a，越過天山后到達哈薩克地臺，GPS點位呈現出低速、穩定的運動趨勢，反映出穩定的哈薩克地盾類似與塔里木塊體，具有內部不變形、堅硬、穩定的特征，從歷史地震活動性分布上也可以說明這一特征。

在南天山逆沖推覆帶、塔里木盆地西北緣與帕米爾弧形構造區域東側所圍地區形成了構造運動最為突出、地震活動最為密集的喀什坳陷區。由于該地區為三大構造體系交匯處，每年吸收來自南部地區的GPS速率差達到10～16 mm/a，快速的地殼縮短使得該地區地震活動具有發生頻度高、強度大的特點。

3 最大主壓應變分布特征

從天山西南地區最大主應變分布(圖3)來看，其應變量值與中國大陸應變量值數量級一致，為10～8/a。從分布上來看，天山主壓應變方向基本與天山山脈走向垂直，隨經度增加逐漸由北北西向轉為南北及北北東向。最大主壓應變集中區為西天山南緣與帕米爾高原及塔里木盆地北部結合帶上，歷史上幾次著名7～8級大震基本上發生在這些地區，如1902年阿圖什8級地震發生在南天山南側與塔里木交匯的地方。而以沉積層巨厚、剛性特征著稱的哈薩克地臺、塔里木塊體其內部主應變都很小，較高值基本位于盆山結合部位?？梢哉J為，剛性的塔里木盆地塊體充當了天山抬升隆起的直接作用源，而其本身則基本不變形。

隨著經度增加，受到帕米爾高原正向南北推擠的作用減小，天山西南地區逐步遠離動力源，且塔里木順時針旋轉的推擠作用隨著接近歐拉極也趨于變緩，因此研究區東部的主壓應變與西天山地區相比，無論在方向還是數值上都有差異。研究區東部(79°E～85°E)阿克蘇至庫爾勒段其方向接近正南北向，表明天山直接受塔里木盆地向北俯沖的擠壓影響，造成南北向受力的特征。西天山地區主壓應變量值最大，在喀什坳陷至帕米爾主弧形斷裂區域主壓應變方向為北北西，為極值區。由于帕米爾地區距離印歐板塊碰撞邊界帶距離只有400 km，直接受到來自印度板塊的北向推擠，其構造變形在此處最大。而喀什—烏恰交匯區由于地處南天山、塔里木、帕米爾3個構造單元的結合部，其主應變與東部相比量值增大了1倍，而這一地區正是南天山逆沖斷裂最發育的部位，較強的南北向擠壓應變與天山南緣的變形活動相對應，使得該區域成為近期中強地震活動的主要集中地，如2003年12月25日烏恰6.8級地震，2008年10月5日烏恰西的MS6.8地震等。越過西天山南緣進入吉爾吉斯山后，主壓應變方向由北北西逐漸轉為北北東。在塔拉斯—費爾干納谷地，其主壓應變均勻分布且量值最小，體現出谷地具有的剛性特征。

圖3 天山西南地區最大主壓應變分布Fig.3 Distribution of maximum principal compressive strain rate in west-southern Tianshan Mountain area

印度板塊的向北推擠與歐亞板塊的反向作用決定了天山構造運動和應力場的分布。根據天山北部中強地震震源機制解資料所反映出的區域構造應力場主壓應力P軸為近南北向，天山地區的P軸方位為(170±10)°(徐紀人，趙志新，2006;龍海英等，2008)。世界應力圖組織(www.worldstress-map.org)利用震源機制解描繪出天山南北兩側逆斷裂的P軸方位在東天山地區為北北東，西天山為北北西。對于西天山至帕米爾—興都庫什、喀喇昆侖一帶，根據該地區1968～1982年間的5級以上地震P波初動解(Ni，1978;寧杰遠，臧紹先，1990)，得知這些地區的P軸方位大多位于南北向和北北西方向。因此通過地球物理資料得出的天山地區主壓應力與GPS推算出天山及中亞地區的主應變方位具有一致性。受壓應力的主導作用，伴隨剪切應力，天山的拉張效應微弱。利用地震資料推斷構造應力場，從地震處于地表以下幾十公里來說，其應力場應該代表了地殼內部中下地殼和上地幔的應力狀態，而GPS速度場推算得到的則是地表或上地殼的應變結果。對于不同機制得出的近似結果，一方面說明，天山地區巖石圈內上地幔至地表的應力應變場具有一致性特點，另外也可以表明地震研究與GPS形變在構造應力場上可以互補，二者具有良好的一致性(張國民等，2004)。

4 最大剪應變率、面膨脹分布特征

圖4 天山西南地區最大剪應變率分布Fig.4 Distribution of maximum shear-strain rate in west-southern Tianshan Mountain area

剪應變是指斷層上下兩盤做相對運動時，位于斷層帶內的各點平行于斷層走向產生位移所做的剪切運動，表現為上下兩盤在地應力作用下作剪切變形。隨地殼應力不斷積累，剪應變也將持續變大，當其數值超過斷層巖石的抗剪能力時，斷層發生錯動，引發地震。因此應用剪應變率對地震的發生與預判是現在地震監測預報工作中的一項重要內容(江在森等，2003)。天山西南地區最大剪應變率集中在天山及其盆—山結合部位，剪應變率最大的區域是帕米爾高原與天山西南交匯地區(圖4)。位于喀什坳陷北緣的南天山褶皺逆沖斷裂帶附近則相對量級較小。根據江在森等(2003)的研究，1995年以來大部分6級以上的地震都發生在剪應變高值區或者邊緣區。1999年9月21日臺灣集集MS7.6地震，發生在水平剪應變高值區;2001年11月14日昆侖山口西8級地震，也發生在面膨脹率和最大剪應變率高值區邊緣(Lin et al，2001)。根據新疆地震目錄統計，這些高值區是強地震的主要分布區，也是判斷地震危險性的主要依據。而相對穩定的塔里木塊體哈薩克地臺剪應變率值則僅為(0～2) ×10－8/a。在這些剛性特點突出的地塊上，基本少震或無震。

天山及鄰近地區的面膨脹率分布顯示(圖5)，區域地殼的伸展與壓縮特性展示的十分清晰。負值表示該區域地殼水平縮短(垂直增厚)，正值表示地殼水平拉張(地殼變薄)。從整體面膨脹率分布可以看出，研究區域在南北雙向擠壓作用下整體收縮變形、垂直隆升，從東部到西天山地區的阿賴山，天山整體上收縮變形。與GPS速度場反映出的地表形變基本一致，水平方向上面收縮率最大值出現在帕米爾主逆沖斷裂南北兩側與天山正向擠壓的結合部位。作為距離歐亞印度板塊碰撞邊界帶距離最近的地區，受到印度板塊的向北強烈推擠作用而發生明顯收縮變形。在帕米爾弧東南側與喀喇昆侖山結合部位出現一個膨脹拉張區域，與帕米爾弧快速前沖，而其東西兩側在塔什庫爾干盆地內部出現具有拉張和走滑性質的正斷層符合的很好。南天山柯坪塔格推覆構造系南部也存在一個很小的拉張區域，與其東部庫車坳陷隆起相呼應。從大范圍來看，夾在塔里木塊體、準噶爾地塊、哈薩克地臺中間的天山正在經歷著收縮隆升的變形。其南北兩側的具有剛性特點的地塊面膨脹值以0為主，反映出三大地塊在構造活動中的完整性和不活動性。因為從歷史地震目錄統計看，這幾個區域內部地震活動較少，大量的地震都發生在山體內部或者山—盆交界地帶。由區域垂直運動速率梯度結論也可以得知，天山現今隆升速率遠大于其兩側的盆地，局部隆起速率超過10 mm/a，兩側盆地則表現出沉降下陷的運動趨勢(王曉強等，2007)。

圖5 天山西南地區面膨脹率分布Fig.5 Distribution of superficial expansion rate in west-southern Tianshan Mountain area

5 結論與討論

受印度板塊向北推擠碰撞的作用，天山的變形以南北塊體夾擊山體抬升縮短變形為主，匯聚速率集中在山體兩側，盆山結合帶的變形大于山體內部變形，形變幅度最大的地方往往就是歷史上多次發生7～8級大震的地方。表明在西天山地區受印度板塊西頂角作用，帕米爾高原的快速向北俯沖造成天山在這一經度地區發生了強烈的地殼縮短。隨著向東伸延，天山遠離帕米爾高原碰撞的直接影響，在這一地區的構造動力來源為塔里木塊體的順時針旋轉的北向分量。天山從西到東逐步遠離板塊邊界，推擠作用力逐漸減弱，天山的褶皺變形相應趨緩。

天山主壓應變方向隨經度增加由西向東逐漸由北北西向轉向南北及北北東方向，基本上與天山山脈走向垂直。主壓應變較大的地區集中在西天山南北褶皺帶上，最大值位于西天山南緣與帕米爾高原及西昆侖結合部，歷史上幾次著名的7、8級大震基本上也都是發生在這些地區。天山及鄰區最大剪應變率集中在天山及其盆山結合部位，最大值分布在帕米爾高原與西南天山交匯地區，高值區是強地震的主要分布區，也是判斷地震危險性的主要依據。而相對穩定的塔里木塊體、哈薩克地臺剪應變率值則僅為(0～2) ×10－8/a。在這些剛性特點突出的地塊上，基本少震或無震。天山地區整體面膨脹率分布表明，受到南北地塊雙向擠壓作用下天山整體上收縮變形垂直隆升。

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