基于GPS的精河MS6.6地震前地殼變形動態特征研究

朱治國 秦姍蘭 艾力夏提·玉山 劉代芹李杰 陳麗 蘇力坦·玉散 方偉

1）新疆維吾爾自治區地震局，烏魯木齊新市區科學二街338號 830011

2）中國地震局第二監測中心，西安 710054

0 引言

2017年8月9日新疆精河6.6級地震給當地人民生命和財產帶來了嚴重破壞，對整個北天山經濟帶產生了很大干擾。1900年以來距精河地震震中200km區域內共發生11次6級以上地震（其中，7級地震1次，6級地震10次）。據地震野外調查，庫松木契克山前斷裂是此次地震的發震斷裂。庫松木契克山前斷裂帶整體長度約160km，斷裂總體走向EW，傾向SSW，傾角40°～60°，以逆斷層為主，兼有右旋走滑性質，是一條區域性全新世活動斷裂（陳建波，2008），從區域構造上看，此次地震震中位于天山與準噶爾盆地交界的逆沖褶皺帶，該褶皺帶是地學研究的熱點區域，一些學者對其構造演化、動力學、活動性等都曾作過有益的分析（Molnar el al，1975，2000；馮先岳，1985；馮先岳等，1991；鄧起東等，2000；趙瑞斌等，2000；沈軍等，2001）。眾多學者研究認為，印度板塊向北推擠歐亞板塊使得天山受到SN向擠壓作用，地殼的不斷縮短與增厚造成天山山前自第四紀以來的活動斷裂發育。對于此次地震國內學者進行了多方面的研究（李瑤等，2017；艾力夏提·玉山等，2017；張治廣等，2017），本文意從地表位移的角度對此次地震的特征進行總結分析。

以全球定位系統（GPS）為代表的空間對地觀測技術可以為研究地球動力學問題提供豐富實測數據，GPS數據提供統一參考框架下高精度、大尺度地表位移數據，能夠較清晰地反映地殼變形空間分布特征，因此廣泛應用于地學研究中（Wang et al，2001；江在森等，2003；王敏等，2003；張國民等，2004；楊少敏等，2008）。GPS大地測量結果表明西天山 SN向的縮短速率為 10～20mm/a（Abdrakhmatov el al，1996；王琪等，2000；王小亞等，2002，牛之俊等，2007）。楊少敏等（2008）通過研究天山地區GPS數據發現天山SN向縮短速率各不相同，變形主要集中在兩側山盆交接地帶。王偉等（2014）通過分析天山地區GPS應變場特征認為，天山地區現今應變率場分布反映出該區域長期的地質構造背景特征。胡亞軒等（2013）通過對新疆區域GPS資料的分析認為區域變形的主要變化發生在天山中南部。周德敏等（2013）分析GPS觀測結果提出中、西天山區域的擠壓構造活動帶具有大震潛勢。朱治國等（2016）通過GPS觀測資料分析認為震前應變率場反應出區域構造動力環境。上述研究大多從較大范圍形變場分析天山地區的形變特征，本文在總結前人研究結果的基礎上，采用震前2期高精度GPS資料研究震中區域地殼的動態變化過程和應變狀態。

1 GPS形變場分析

1.1 數據解算

本文收集了2013～2017年精河6.6級地震前以震中為中心、半徑200km區域內最新的地球物理場GPS區域觀測站的觀測資料。GPS觀測點采用墩標強制對中觀測，測點觀測時間大于96h。每期觀測數據采用相同計算方法和基準，由中國地震局第二監測中心選用美國麻省理工學院（MIT）和國家海洋局第二海洋研究所（SIO）共同研制的 GAM IT/GLOBK軟件解算。通過網絡獲取IGS精密衛星星歷與相關信息，在全球范圍內均勻選取具有高精度的ITRF2008坐標且運行穩定的多個穩定站點作為框架點，再利用精密星歷文件與觀測文件，加入極潮、海潮改正，顧及衛星及接收機天線相位中心變化，進行基線單天解算。解算得出測區H文件后與IGS站全球H文件聯合，利用 GLOBK模塊進行網平差計算，得到其在ITRF2008框架下相對穩定歐亞板塊的水平運動速度場。解算所得到速率水平分量精度優于3mm。

1.2 區域速度場特征分析

根據求解得到的水平運動速度場結果繪制精河6.6級地震前研究區2期速度場圖（圖1）。自新生代以來，由于歐亞板塊受到印度板塊向北不斷推擠的遠程效應影響，天山區域受到近SN向擠壓作用，以縮短變形為主要特征。從圖1可以看出研究區2期速度場運動趨勢整體表現以NE向為主。2013～2015年期間研究區內測點的運動方向基本一致，方向為北偏東，平均速率為6.8mm/a，速率較大區域集中在震中以南的天山中部區域。2015～2017年期間研究區測點速率較上一期有所增大，平均速率為7.3mm/a，增速較大區域集中在震中東南、西北區域。速率方向上大致沿83°E可以分為2個區域，兩區域速率方向略有差異，西部區域運動速率方向偏北，東部區域速率方向基本與上期運動方向保持一致。

比較2013～2017年2期的速度場發現，研究區速度場逐年增強，南部區域速度場增速較快。速度場方向整體有逆時針偏轉趨勢，比較2期發現，發震構造以南部區域速度場方向較北部區域偏轉更大。震中區域以庫松木契克山前斷裂為界，南部速率高于北部速率，距離震中較遠區域速率增速大。這反映出了構造運動在震中區域受阻、出現閉鎖區域、地殼應力能量有增強的趨勢。這一速度場異常現象在2013年蘆山地震、2014年康定地震前也曾出現（武艷強等，2013；夏峰等，2017）。震中附近區域GPS測點的速率和運動方向上均出現速度場異常，可為地震預測提供參考。

圖1 區域水平運動速度場

2 區域應變場動態變化特征分析

基于連續變形假設模型，借助應變與應力線性關系，主應變大小可以反映出應力作用強弱趨勢，可對研究區水平速度場空間分布進行趨勢分析。采用孟國杰等（2009）、張希等（2005）的方法，利用最小二乘配置法建立水平運動速度值經驗協方差函數，并借助位移與應變的偏導關系獲得水平視應變場分布。武艷強等（2009）、張希等（1998）對應變場中模擬數據的分析對比認為，最小二乘配置法可穩定獲得大范圍應變場，幾乎沒有邊緣效應。

2.1 主應變率動態變化

利用2013～2017年2期地球物理場GPS復測結果，由上述方法獲得主應變率分布圖（圖2）。從圖2中可以看出，研究區均以主壓應變為主，張應變均出現在研究區東部區域。2013～2015年期間被主壓應變覆蓋，方向近SN。沿83°E線，以庫松木契克山前斷裂為界，斷裂北部主壓應變率高于斷裂南部，斷裂北部主壓應變率最大值為－2.35×10－8/a，斷裂南部主壓應變率最小值為－0.98×10－8/a。斷裂北部主壓應變方向近SN，斷裂南部主壓應變方向為NNE。2015～2017年期間研究區雖仍表現出以主壓應變為主趨勢，但是東部區域的張應變區域面積有所增大，量值增高。沿83°E，以庫松木契克山前斷裂為界，斷裂南部主壓應變方向為NNW，北部主壓應變方向為NNE，斷裂南部主壓應變率高于斷裂北部，斷裂南部主壓應變率最大值為－2.31×10－8/a，斷裂北部主壓應變率最大值－1.55×10－8/a。研究區南部構造運動速率高于北部區域，造成斷層北盤受到南盤向北推擠作用增大，斷層面應力積累增強。斷裂區域主壓應變方向偏轉變化有利于庫松木契克山前斷裂右旋剪切作用，造成斷層失穩，誘發地震。

圖2 主應變率場分布

2.2 面膨脹率動態變化

根據2013～2017年2期地球物理場GPS復測結果計算并繪制面膨脹率等值線（圖3），2013～2015年面膨脹負值區占研究區大部分面積，研究區面膨脹基本在－1×10－8左右，負向極值區出現在研究區最南部，反映出天山以南的塔里木塊體在向北推擠的過程中，北天山山盆交界區域處于壓縮狀態，震中區域處于應變積累區。2015～2017年面膨脹負值區面積有所縮小，負向極值區過渡到研究區最北部。震中區域仍表現為壓縮狀態，量值變化不大。研究區東、西部出現較大面積正值區，正向極值區出現在東部區域，這反映出EW向舒張作用增強，應變的梯度方向與震中區域斷裂構造走向一致，致使震中區域剪切作用增大，利于剪切斷層活動。2期觀測結果顯示距震中較遠處出現拉張區域，面膨脹量值增大；震中區域一直保持收縮狀態，量值變化不大，似乎存在閉鎖現象。震中出現在正負等值線過渡密集區域，該區域是張壓轉換的形變高梯度帶，能量容易聚集，是地震的易發區。

2.3 最大剪應變率動態變化

依據2013～2017年2期 GPS復測結果，計算并繪制最大剪應變變率等值線（圖4），從圖4可以看出，2013～2015年期間研究區整體剪應變較弱，剪應變高值區出現在震中北部的博阿斷裂附近，剪應變極值為3.6×10－8。結合前面分析可知，在研究區整體處于壓縮狀態下，NW、NE向斷裂受到較大的剪切作用，在研究區北部博阿斷裂西段和研究區南部的斷裂區域出現較大的剪應變區，符合區域構造的活動特征。2015～2017年期間研究區整體剪應變從西向東逐漸增強，沿發震構造出現最大剪應變梯度帶，剪應變極值區出現在研究區東部區域，極值為5.6×10－8。2013～2017年期間震中區域最大剪應變基本保持不變。震中區域剪應變始終保持穩定，反映出此次逆沖地震走滑性質不強。

圖3 面膨脹率等值線

圖4 最大剪應變率等值線

3 結論與討論

地震事件之間存在一定聯系，大地震的發生可能影響鄰近區域的地震活動趨勢，在統一的構造力作用下，一些強震的發生會造成孕震區應力場調整（趙根模等，1987）。在地殼變形動態演化過程中，位于亞歐板塊一隅的中國新疆區域，在周邊板塊作用下形成阿爾泰地震帶、天山地震帶、西昆侖地震帶和阿爾金地震帶等幾個大的地震帶。現今GPS研究證明新疆區域主要受到印度板塊向北推擠的作用力。在2015尼泊爾8.1級地震后，西昆侖地震帶及南天山地震帶2015年末相繼發生了皮山6.5級、興都庫什7.8級、塔吉克斯坦7.4級等一系列大地震，這些強烈的構造運動對精河區域的構造應力場均會產生一定的影響，導致2013～2015期與2015～2017期的速度場、主應變場產生一定變化，從而使得發震構造應變能積累進而形成閉鎖區域。2016年玉樹6.2級地震、呼圖壁6.2級地震及2017年巴基斯坦6.4級地震、九寨溝7.0級地震等在相同地震帶或者臨近地震帶上發生的構造活動，都是相近動力源作用下發生的構造運動，這些突然的地殼能量釋放都可能影響甚至打破精河6.6級地震構造應力場原有的平衡，從而導致地震發生。

精河地震前震中附近區域速度場速率逐漸增大，發震斷裂兩盤構造運動速率不均，震中附近區域GPS測點的速率和運動方向存在差異，反映了地殼應變能量積累。震中區域主壓應變率變化反映出應力調整過程。沿斷層走向的張壓轉換的形變高梯度帶和最大剪應變梯度帶可為地震預報提供參考。

致謝：感謝野外觀測人員的辛勤付出，感謝中國地震局第二監測中心崔篤信、朱良玉、劉雷等同志的幫助，感謝評審老師及編輯老師細致的修改及建議。