基于GPS資料分析阿爾金斷裂的閉鎖程度及地震危險性

劉雷 趙寧遠 王陽

摘要：采用1991—2015年GPS速度場數據，分析了阿爾金斷裂現今滑動速率特征；利用Tdefnode負位錯反演程序計算了阿爾金斷裂的閉鎖程度分布及滑動虧損速率分布；結合小震分布特征，對阿爾金斷裂地震危險性進行了研究。結果表明：阿爾金斷裂西段、中段和東段的走滑速率分別為7.1 mm/a，7.8 mm/a，5.0 mm/a，在與北西向斷裂交匯區域速率減小最快；斷裂閉鎖程度較高區域集中在斷裂中東段，斷裂中段虧損速率為6～8 mm/a，到東段虧損速率增加到10 mm/a；結合震源深度剖面認為斷裂中東段是一個地震空段，地震危險性較高，未來應該加強關注。

關鍵詞：阿爾金斷裂；Tdefnode負位錯反演；閉鎖程度；地震危險性

中圖分類號：P315.725 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2018）03-0407-08

0 引言

阿爾金斷裂作為青藏高原的北部邊界，將塔里木盆地與柴達木盆地分隔開來，并切割了青藏高原北部的不同構造單元，控制高原北部的幾何學特征及基本的構造格架（李海兵，2001）。斷裂從西昆侖一直延伸到祁連山，全長達1 800 km，斷裂走向以NEE向為主，斷層性質以左旋走滑為主，兼有逆沖作用，是我國最大的走滑斷層及最活躍的構造斷裂之一。研究發現，晚更新世到全新世時期阿爾金斷裂發生過5次古地震，平均復發周期為800年左右（柏美祥，1992）。據記載，1900年以來斷裂上發生過1924年新疆民豐7.3級雙震、1932年甘肅昌馬7.6級地震、2008年新疆于田7.3級地震（馬玉虎，馬輝青，2014），所以該斷裂具有發生大地震的孕育背景。近些年，許多學者認為阿爾金斷裂的形成與青藏高原的隆升及地殼縮短有關（許志琴等，1999a，b；熊熊等，2006）。徐錫偉等（2003）利用SPOT影像分析了阿爾金斷裂晚第四紀走滑速率及構造轉換特征；李海兵等（2006）提出阿爾金斷裂存在多期活動，并分析了斷裂的演化及與青藏高原隆升的過程；馬玉虎和馬輝青（2014）根據地震活動性分析了阿爾金斷裂在青海段具有強震危險性；李煜航等（2015a，b）利用GPS數據反演得到斷裂現今的滑動速率。

雖然前人對阿爾金斷裂的形成、構造背景和運動學特征等方面進行了詳細的研究，但還有一些問題有待解決。如研究阿爾金斷裂與斜交斷裂的相關性特征，以及通過對斷裂閉鎖程度及滑動虧損速率進行研究來反映斷裂的地震危險性，還有沿斷裂分布的小震與斷裂運動之間的關系等。本文基于這些問題，利用1991—2015年GPS數據（Zheng et al，2017），計算阿爾金斷裂西段、中段和東段的跨斷層GPS速度剖面和區域主應變率場，分析斷裂的運動特征，再利用Tdefnode負位錯反演程序計算斷裂的閉鎖程度及滑動虧損速率，判別斷裂的強震危險區，最后結合小震的分布情況來分析斷裂高閉鎖區與地震分布的特征。

1 GPS運動特征

為了研究阿爾金斷裂現今速度場和應變場特征，筆者使用Zheng等（2017）計算的1991—2015年GPS數據。從研究區GPS速度場上可以看出（圖1），在阿爾金斷裂的西段，斷裂南北兩側GPS速度場方向發生變化，南側為NNE向，到北側變為NNW向或N向，斷裂中段速度場方向基本為NNE向，斷裂東段速度場方向主要以WE向為主，并且速率也相對減少。另外，GPS速度場在斷裂南側比北側速率大，利用最小二乘法（張希等，1998）計算研究區的主應變率分布（圖1）可以看出，在斷裂南側主應變率大，北側較小；斷裂東段以NE向主壓應變為主，中段和西段以NE向主壓應變為主，還具有NW向張應變。斷裂中段、西段的主應變率比東段大，說明斷裂自西向東擠壓作用和走滑作用逐漸減弱，斷裂南側受到較大的北東向擠壓作用，地表形變主要發生在南側，而在北側由于受到塔里木穩定塊體的阻擋，地表形變量較少。

分析斷層的GPS速度剖面可直觀地反映斷層兩側塊體的差異運動和斷層的應變積累狀態（劉曉霞等，2017）。在阿爾金斷裂上選取3個GPS跨斷層速度剖面（西段、中段、東段），繪制跨斷層 GPS 站速度剖面，如圖2所示。由圖可見，斷裂以左旋走滑作用為主，兼有少量逆沖作用，其西段左旋走滑速率為7.1 mm/a（圖2a），逆沖滑動速率為3.3 mm/a（圖2b）；斷裂中段左旋走滑速率為7.8 mm/a（圖2c），逆沖滑動速率為1.8 mm/a（圖2d）；斷裂東段左旋走滑速率為5.0 mm/a（圖2e），逆沖滑動速率為1.4 mm/a（圖2f）。斷裂中段走滑速率最大，西段相對較小，東段速率減小最多。在垂直斷層方向上，斷裂西段的擠壓作用最大，由西向東逐漸減小。斷裂西段擠壓作用大可能是因為受到了南部印度板塊向北俯沖擠壓、北部塔里木穩定塊體的阻礙以及西昆侖斷裂逆沖擠壓的共同作用。

2 斷層閉鎖程度及滑動虧損速率分析

2.1 模型原理及設置

在反演阿爾金斷裂的閉鎖程度過程中，主要選擇了斷裂附近的塔里木、柴達木、柴北次級、祁連次級和河西次級5個塊體。將塔里木塊體設置為剛性塊體，其他塊體設置為內部均勻應變，塊體的劃分參考李煜航等（2015b）的塊體劃分方法。GPS速度場約束方面，利用Zheng等（2017）提供的1991—2015年GPS數據。反演斷層設置中，在斷層走向上，塔里木塊體和柴達木塊體相交部分的阿爾金斷裂中西段設置了16個節點，每個節點之間距離為55～60 km。阿爾金斷裂東段設置了24個節點，各節點之間的距離為20 km。在垂直方向上設置了7個節點，距離依次為0.1，5，10，15，20，25以及30 km，斷層傾向SSE，傾角統一設置為80°，模型的格林函數設置為4×4（走向與深度方向都為4 km），進而計算相鄰節點之間斷層網格區域的閉鎖程度。

在反演阿爾金斷裂閉鎖程度的過程中，以 χn2≈1為標準尋求最佳模型，首先刪除塊體內部與周圍測點運動趨勢、大小明顯不同的點，刪除后最終有212個GPS測點參與反演，再經過多次測試，調整各項參數，最終得到最佳模型（李寧等，2017）。當GPS速度場誤差權重因子f=4.2時，χn2=0.98（觀測值個數為424，自由度為332）。為了更好地說明模型擇優和擬合效果，圖3a給出了最優模型的擬合殘差分布，從圖中可以看出，只有少部分在塊體邊界的測站的GPS速度殘差值較大，大部分塊體內部及斷裂附近的測站速度殘差較小，在誤差范圍2 mm/a之內，速度殘差在東西方向（圖3b）和南北方向（圖3c）上分布都符合高斯正態分布，說明模型有效并且擬合結果較好。

2.2 斷層閉鎖程度與滑動虧損速率

通過最佳模型擬合結果，得到阿爾金斷裂閉鎖程度分布圖（圖4），通過圖4可以看出，在斷裂西段深部基本不閉鎖，而在斷裂中段（91°E）以東的大部分區域，呈現較高的閉鎖程度，閉鎖深度在斷裂西段地表存在淺閉鎖，閉鎖深度不足2 km，到了斷裂中段和東段，閉鎖深度達到了25 km，總體呈現出由西向東，閉鎖深度由淺變深的特征，這說明斷裂東段比西段地震危險性大。另外，阿爾金斷裂與北西向斷裂相交的地方，都發現存在高的閉鎖程度及閉鎖深度，以及較高的應力積累，例如祁曼塔格斷裂、柴達木盆地北緣斷裂、祁連山北緣斷裂等，說明阿爾金斷

裂的閉鎖區域有可能與這些北西向斜交的構造活動相關。

由于斷層處于閉鎖狀態，滑動速率的虧損以應變能的方式積累在斷層附近，所以用滑動虧損速率可以表示斷層兩盤滑動量轉化為應變能的快慢（李寧等，2018）。根據反演模型得到了阿爾金斷裂滑動虧損速率分布圖（圖5），從圖5可以看出，滑動虧損分布圖像與閉鎖程度分布圖變化基本一致：斷裂的西段滑動虧損速率低，斷裂頂部虧損速率在4～6 mm/a；斷裂中段虧損速率開始增大，在祁曼塔格斷裂與柴北斷裂之間虧損速率為6～8 mm/a，而在柴北斷裂至大雪山斷裂之間，虧損速率維持在6～7 mm/a，沒有明顯的 增大；在斷裂東段的大雪山至祁連山北緣斷裂之間，虧損速率明顯增加，達到10 mm/a。在阿爾金斷裂與北西向活動斷裂斜交的部位，都存在較大的滑動虧損速率，說明斷層在交匯處快速的積累應變能。

3 小震分布特征

為了研究阿爾金斷裂現今活動構造與小震之間關系，分析斷裂未來發生強震的地震危險性，利用中國地震局地球物理研究所房立華提供的小震重新定位目錄，將1970以來發生在阿爾金斷裂兩側25 km內的地震進行了篩選。剔除震級小于1.0級，震源深度小于1 km的地震，將結果繪制到震源深度剖面上（圖6）。由圖6可以看出，阿爾金斷裂震源深度最深為35 km左右，震源深度變化較大，小震主要呈條帶狀分布，在阿爾金斷裂與祁曼塔格斷裂和祁連山北緣斷裂的交匯區域，表現為小震分布密集，且震源深度較大。另外，在與祁曼塔格斷裂交匯區域，分布有許多4.0級以上的地震，說明在各斷裂的交匯部位，構造活動強烈，地震活動性較強，容易發生強震。分析阿爾金斷裂震源深度剖面4.0級以上地震的空間分布，可知在斷裂中東段存在一個地震空段，小震分布稀少，空段內未發生過超過4.0級的地震。被M≥4.0地震圍成的地震空段空間尺度約為400 km，西邊界為祁曼塔格斷裂交匯處，東邊界為大雪山斷裂交匯處，深度為10～30 km，未來在這個區域有發生強震的可能。

4 討論

4.1 阿爾金斷裂走滑速率減小原因分析

阿爾金斷裂GPS跨斷層速度剖面顯示（圖2），在斷裂北側區域的運動速率為4～5 mm/a；而南側區域的運動速率由西向東逐漸減小，說明斷裂北側速率較為一致。北側區域受塔里木塊體的影響，形成一個整體在運動，沒有構造活動的影響，而南側速率變化的差異，可能是由于南側構造復雜（季靈運等，2015），根據構造樣式，與阿爾金斷裂相交的NW向的多條斷裂分布在阿爾金斷裂中段到東段之間，而阿爾金斷裂走滑速率的快速降低也是在斷裂中段到東段內，并且NW向的這幾條斷裂基本都是逆沖型斷裂，主應變率特征也顯示NW向的斷裂具有擠壓作用。李海兵（2001）提出在阿爾金斷裂與分支逆沖斷裂交匯的地區，其走滑速率有明顯的突變。

筆者認為阿爾金斷裂受到青藏塊體北東向的擠壓作用以及北部塔里木塊體的阻礙后向東運動形成左旋走滑斷裂，斷裂在向東運動的過程中由于受到了祁曼塔格斷裂、祁連山北緣斷裂等北西向逆沖斷裂的阻擋作用，將一部分的走滑速率分解到了這些逆沖斷裂上，減少了阿爾金斷裂的走滑速率。徐錫偉等（2003）提出阿爾金斷裂向東走滑速率降低是三聯點附近構造轉換的結果，而NW向斷裂交匯區域就是三聯點的位置。由此可知，阿爾金斷裂走滑速率的降低與相交的NW向斷裂有關。

4.2 阿爾金斷裂的地震危險性

活動斷裂在閉鎖后，受到應力作用不斷積累能量，當超過自身穩定極限后，發生地震并釋放能量。所以分析斷裂的閉鎖程度可以很好地判斷斷裂的地震危險性。

根據阿爾金斷裂閉鎖程度分布的結果（圖4），筆者發現在斷裂的中東段有較強的閉鎖系數，并且在與北西向的斷裂交匯區域也存在較高的閉鎖，斷裂走滑速率也在這些斷裂附近有明顯的減小，說明阿爾金斷裂在向東走滑的過程中遇到了北西向的逆沖斷裂后，受到阻礙作用，在交匯部位更容易積累應力。

通過小震剖面圖（圖6）也可以看出，在斷裂的交匯部位，如祁曼塔格斷裂、大雪山斷裂、祁連山北緣斷裂的小震分布較多，說明這些區域經常發生閉鎖。另外，依據地震空段劃分原則，筆者在斷裂中東段圈了一個地震空段，位于柴北斷裂交匯處，避開了祁曼塔格斷裂、大雪山斷裂和祁連山北緣斷裂交匯部位，因為這些地方小震頻發，也伴隨有較大的地震發生，斷裂閉鎖的能量也隨之釋放，處于應力調整階段。在斷裂西段沒有圈定空區是因為在小震剖面上沒有形成地震分布圍控，且斷裂西段的閉鎖程度也相對較弱，故筆者認為阿爾金中東段是未來可能發震的區域。

4.3 阿爾金斷裂長期滑動速率分析

阿爾金斷裂的長期滑動速率一直是人們研究的重點，許多學者利用地質資料計算該斷裂長期滑動速率。Peltzer等（1989）估算出全新世以來阿爾金斷裂帶中段和東段的走滑速率分別為30和20 mm/a。陳正樂等（2001）推斷阿爾金斷裂中段晚新生代的平均滑動速率為16～20 mm/a。張岳橋等（2001）給出阿爾金斷裂晚新生代的平均滑移速率：西段、中段和東段分別為12～25 mm/a，8～20 mm/a和6～13 mm/a。虢順民和向宏發（1998）認為阿爾金斷裂帶漸新世以來的走滑速率基本一致，為5～7 mm/a，但得到的滑動速率的變化范圍較大。謝富仁和劉光勛（1989）分析阿爾金斷裂構造應力場，提出在早更新世以前，斷裂以逆沖分量為主，走滑分量較小，在早更新世后期以來，受印度板塊繼續擠壓作用，最大主應力方向變為NE—SW，斷裂左旋速率明顯增加，所以阿爾金斷裂在不同時期滑動速率有所差異。大多數研究顯示全新世以來斷裂滑動速率為20～30 mm/a（Peltzer et al，1989；Meriaux et al，2003，2005）。

筆者利用1991—2015年GPS數據，通過Tdefnode負位錯反演程序計算了阿爾金斷裂的長期滑動速率8～11 mm/a，與Shen等（2001）提出的阿爾金斷裂中段和東段的滑移速率小于11 mm/a的結果基本一致，而與地質資料計算出來的長期滑動速率相比較小。由于地質學結果反映的是斷裂在地質時間尺度下的綜合效應，而GPS結果體現的則是現今斷裂的活動狀態，如果2類結果在誤差容許的范圍內均是精確的，其差異又真實存在，那么這個差異就可能暗示了阿爾金斷裂的左旋滑移速率呈急劇減小的趨勢（熊熊等，2006）。GPS資料得到的長期滑動速率的減少，可能是斷裂現今處于應力積累狀態，地震危險性較大；也可能是現今構造活動性的變化，例如東昆侖斷裂活動性增強，吸收了部分來自青藏塊體的擠壓作用，或者由于青藏高原地殼縮短增厚吸收了部分的應力，導致了斷裂滑動速率減小。

5 結論

本文利用1991—2015年GPS速度場數據，分析了阿爾金斷裂各段的現今走滑速率，采用Tdefnode程序反演了斷裂的閉鎖程度及滑動虧損速率，結合小震分布情況對斷裂的地震危險性進行分析，取得如下認識：

（1）根據GPS跨斷層速度剖面的結果，斷裂西段、中段和東段的走滑速率分別為7.1 mm/a，7.8 mm/a，5.0 mm/a，斷裂向東速率逐漸變小，在與北西向斷裂交匯區域減小最快。

（2）阿爾金斷裂西段閉鎖程度弱，中東段閉鎖程度較高，對應的滑動虧損速率變化一致，中段虧損速率為6～8 mm/a，到祁連山北緣斷裂附近虧損速率增加到10 mm/a，斷裂中東段的地震危險性較大。

（3）地震剖面顯示在祁曼塔格斷裂和祁連山北緣斷裂附近小震密集，震源深度大，并在斷裂中東段圈定出一個地震空段，地震危險性較高，未來可能發生地震的震級MS為（7.34±0.41），應該加強對地震空區的持續關注。

感謝中國地震局地球物理研究所房立華研究員提供小震重新定位目錄。

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Abstract By using the GPS velocity field during 1991～2015，we analyze the slip rate of the Altyn Tagh fault，and then we invert the fault locking and slip deficit of the Altyn Tagh fault by negative dislocation inversion with Tdefnode code.Moreover，combining with the distribution characteristics of small earthquakes，we analyze the seismic risk of the Altyn Tagh fault.The results show that the slip rate of the western segment is 7.1 mm/a，the middle segment is 7.8 mm/a，and the eastern segment is 5.0 mm/a.The slip rate decreases in the intersection with NW faults.The middle-eastern segments of the fault is completely locked.And the slip deficit rate of the middle segment is about 7～8 mm/a，and increased to 10 mm/a in the eastern segment.Combining with the hypocentral depth profile，we speculate the middle-eastern segments is a seismic gap，and have a strong seismic risk.Therefore，we should pay more attention to it.

Keywords：the Altyn Tagh fault；negative dislocation inversion with Tdefnode；fault locking degree；seismic risk