中亞塔拉斯-費爾干納斷裂現今的走滑速率及其分段變化特征
——基于GPS觀測的深究

代成龍 張 玲 梁詩明 張克亮 熊小慧 甘衛軍

(中國地震局地質研究所，地震動力學國家重點實驗室，新疆帕米爾陸內俯沖國家野外科學觀測研究站，北京 100029)

0 引言

圖1 塔拉斯-費爾干納斷裂相關區域的地形地貌、主要活動斷裂和中—強地震(M≥5，1900—2020年)分布圖Fig.1 Topography and geomorphology，and distribution map of the main active faults and moderate-strong earthquakes(M≥5，1900—2020)of the area related to the TFF.塔拉斯-費爾干納斷裂在西天山眾多活動斷裂中具有非常突出的規模尺度，但其沿線鮮有中—強地震展布；地震數據來源于宋治平等(2011a，b)；子圖的矩形框表示本區域在印度-歐亞造山帶中的位置

塔拉斯-費爾干納斷裂是一條沿NW向斜切西天山山脈的大型右旋走滑斷裂，全長>1i000km，西起哈薩克斯坦的克孜爾奧爾達(Kyzylorda)東部山區，向SE途經塔拉斯山脈(Talas Mountains)、費爾干納盆地(Ferghana Valley)東北緣和阿特巴什盆地(At-Bashi Basin)西南緣，進入中國新疆喀什地區，遁跡于新生代強烈褶皺的地層之下(羅金海等，2004；李江海等，2007)(圖1)。鑒于塔拉斯-費爾干納斷裂突出的規模尺度及其在中亞區域構造分界上所扮演的重要角色，人們對其現今或最新地質階段(如全新世—第四紀以來)的滑動速率或活動強度倍加關注。

高分辨衛星影像解譯和野外實地調查均表明，塔拉斯-費爾干納斷裂全線均有清晰、易辨的全新世右旋走滑斷錯地貌(Burtmanetal.，1996)。前人曾基于一系列標志性斷錯距離和相應的定年結果，估算出該斷裂的走滑速率高達8～20mm/a。例如，Burtman等(1996)沿斷裂選取了一系列斷錯山脊，并根據14C定年結果估算出其全新世以來的右旋走滑速率為8～16mm/a；Korzhenkov等(2014)和Rust等(2018)采用類似的經典地質學方法，在其他區段也得到了10～20mm/a的右旋走滑速率結果。但Rizza等(2019)采用多種測年方法(10Be、26Al、光釋光和14C測年)并用的策略，同時配合高精度衛星影像解譯的斷錯洪積扇估算的走滑速率僅為2.2～6.3mm/a。以上地質結果間的顯著差異令人困惑，而更加令人困惑的是，基于GPS大地測量所估算的現今走滑速率僅為2mm/a(Abdrachmatovetal.，2002；Zubovichetal.，2010)，甚至低至0.8mm/a(楊少敏等，2008)。顯然，這種不同學科甚至同一學科所得結果的巨大差異，促使我們思考和追問： 1)前人基于GPS觀測所得到的低滑動速率是否可靠？塔拉斯-費爾干納斷裂現今或最新地質階段的活動速率到底是大是小？2)如果GPS觀測所得低速率可靠，是否為一些學者所猜測的 “斷裂強閉鎖”的暫態表現(Rustetal.，2018)？

為此，本研究擬以塔拉斯-費爾干納斷裂相關區域最新整合的GPS觀測資料(Wangetal.，2020)為約束，采用較為嚴密的 “半無限彈性空間三維斷裂位錯模型”反演方法(Okada，1992；Ganetal.，2007)，確定該斷裂不同區段現今的走滑速率及其分段變化特征，并探討其運動學模式以及目前各種估算速率結果存在顯著差異的可能原因。

1 GPS速度場資料

本文收集了Wang等(2020)提供的181個GPS觀測站的速度場資料，其整合了Kreemer等(2014)、Zubovich等(2010)發表的多渠道數據。表1 匯總了這些數據的觀測方式、時間跨度等簡要信息，總體反映出這些GPS速度場數據對于本研究區域的地殼形變分析和約束具有較好的可靠性(精度)和可用性(密度)。特別需要指出的是，本研究區域在1990—2020年的30a間共發生M6.5及以上強震5次，包括1992年發生于吉爾吉斯斯坦塔拉斯中部的2次MS6.6地震、2008年中國新疆烏恰西MS6.7、MS6.8地震和1992年吉爾吉斯斯坦楚河州西南MW7.5地震。在這些強震震中附近50km范圍內，僅零星分布了一些GPS觀測站(圖1，2)。因此，本文所收集的GPS速度場資料并未受到這些強震同震形變或震后形變的顯著影響，總體上較好地反映了區域地殼的震間形變特征，可有效地用于地殼形變分析和斷裂運動速率的反演約束。

表 1 本文所用GPS速度場資料的情況概要Table 1 Summary of GPS velocity field data used in this paper

圖2 為相對穩定歐亞參考框架的GPS地殼運動速度場。為了更加直觀地凸顯區域內部的差異地殼形變，我們采用下列方法去除了區域GPS速度場的整體剛性旋轉成分(Ganetal.，2007)： 首先，基于本區域內所有GPS觀測站的速度矢量，以球面歐拉剛性旋轉的運動模式擬合出一套最佳的歐拉矢量參數((28.53i2°±0.190i1°)N，(25.45i0°±0.090i5°)E，(0.066i6°±0.114i5°)/Ma)；然后，從速度場中扣除該歐拉旋轉的理論速度場，從而使殘余的速度場達到 “整體無自旋”。雖然這一 “整體無自旋”的GPS速度場不具明確的絕對構造運動含義，但其能夠更加直觀地凸顯區域內部的地殼差異運動，包括相對擠壓、拉張和扭錯等相對運動現象(圖3)。

圖2 塔拉斯-費爾干納斷裂相關區域的GPS水平運動速度場Fig.2 GPS horizontal velocity field in the TFF area.相對于穩定歐亞參考框架，誤差橢圓代表95%置信度

圖3 塔拉斯-費爾干納斷裂相關區域 “整體無自旋”的GPS水平形變速度場Fig.3 The GPS horizontal velocity field of the TFF area without self-rotation.誤差橢圓代表95%置信度

結合區域活動構造背景，可從圖2 和圖3 中直觀地看出以下地殼形變特征：

(1)天山造山帶承受著最強烈的地殼縮短變形，最大縮短速率>15mm/a。以塔拉斯-費爾干納斷裂為界，以東的西天山造山帶表現出強烈的近SN向擠壓，絕大部分變形通過造山帶的擠壓縮短和地殼抬升被吸收；而在斷裂以西的西天山地區，最大擠壓速率減少至6～8mm/a。

(2)塔拉斯-費爾干納斷裂雖為西天山的重要分界斷層，但無論從斷裂遠場還是近場速度矢量來看，現今地殼的差異運動均不明顯。斷裂兩側的GPS速度場僅反映出微弱的右旋走滑，逆沖或拉張作用均不明顯，說明該斷裂的整體活動性并不強烈。

(3)塔拉斯-費爾干納斷裂中段兩側的地殼運動差異強于西北段和東南段，但因中段兩側的活動構造復雜，并非所有的差異運動均由該斷裂所承擔，故中段的運動速率亦不顯著。

(4)費爾干納盆地顯示出微弱的擠壓和逆時針旋轉特征。

2 區域GPS地殼應變率分析

利用離散分布的GPS速度場計算空間上連續的地殼應變率場，目前有諸多方法和策略可借鑒，例如最小二乘配置、距離加權、多面函數、張力樣條、Kriging插值和多尺度球面小波等(Ganetal.，2007；武艷強等，2009；江在森等，2010；劉曉霞等，2014；Shenetal.，2015；蘇小寧等，2016)。雖然這些方法因假設條件不同使計算結果有所差異，但差異并不顯著，不會對區域地殼應變場的特征分析結論產生實質性影響。本文采用Gan等(2007)所使用的應變率計算方法： 首先，利用二維 “高張力樣條”(τ=0.95)內插算法(Wesseletal.，1998)對離散分布的GPS速度場進行0.3°×0.3°均勻內插加密；然后，根據每個0.6°×0.6° “田”字網格邊界及內部的9個內插速度矢量，計算出相應0.6°×0.6°網格內的均勻主應變率張量(圖4)，并進而計算出最大剪應變率(圖5a)。由于走滑斷裂沿線的最大剪應變率大小直接反映斷裂剪切變形的強弱，故可以據其定量地判定斷裂走滑速率的強弱程度。

圖4 塔拉斯-費爾干納斷裂相關區域現今的地殼主應變率場Fig.4 The current crustal principal strain rate field in the area related to the TFF.

圖5 a 塔拉斯-費爾干納斷裂相關區域現今地殼的最大剪應變率；b 青藏高原北緣阿爾金斷裂和海原斷裂沿線地區的最大剪應變Fig.5 The current crustal maximum shear strain rate in the area related to the TFF(a)，and the maximum shear strain map of the area along the Altyn Fault and Haiyuan Fault on the northern margin of the Tibetan plateau(b).對比圖a、b可知，塔拉斯-費爾干納斷裂的走滑強度遠低于阿爾金斷裂，甚至弱于海原斷裂

綜合圖4 和圖5a的地殼應變率圖，可以看出以下主要特征：

(1)西天山造山帶承受的擠壓應變為NNW向，大致與天山山脈的走向正交，典型量值高達40～50nano strain/a，并且向W逐漸減小。

(2)哈薩克地塊內部的應變率非常小，典型量值<10nano strain/a，表明哈薩克地塊內部變形微弱，比較穩定。

(3)在整個塔拉斯-費爾干納斷裂西北段沿線的近場區域和斷裂兩側的中場區域，最大剪應變率均非常低，僅為10～20nano strain/a，這表明該斷裂段的剪切錯動較弱。

(4)在費爾干納盆地東北緣的一個小區段內，塔拉斯-費爾干納斷裂兩側的GPS差異運動速度場似乎顯示了較為顯著的近場差異，但遠場差異不顯著。與之相對應的是，該區段的最大剪應變率也存在局部高值(約45nano strain/a)，但并未集中于斷裂附近。

為了進一步直觀地說明塔拉斯-費爾干納斷裂總體的低滑動速率，我們選取青藏高原北緣地區，將具有較大滑動速率的阿爾金斷裂和海原斷裂沿線的最大剪應變率及其分布特征與塔拉斯-費爾干納斷裂的結果進行對比，得到以下結論：

前人對阿爾金斷裂和海原斷裂的滑動速率開展了大量研究，得到的地質和GPS觀測結果有很好的一致性。例如，徐錫偉等(2003)在衛星影像判讀和野外斷錯地貌位移測量的基礎上，結合地質年代學方法得到阿爾金斷裂不同段落的全新世左旋走滑速率，其中西段可達(17.5±2)mm/a，而GPS大地測量的估計結果也高達9～15mm/a(Ganetal.，2007)。利用地質方法估算的海原斷裂的走滑速率結果為3～12mm/a(袁道陽等，1997；Lasserreetal.，1999；何文貴等，2000)，GPS大地測量的估算速率為4～8mm/a(甘衛軍等，2005；崔篤信等，2009；Jolivetetal.，2012，2013)。我們同樣采用Wang等(2020)所提供的GPS速度場資料計算了青藏高原北緣區域的地殼最大剪切應變率(圖5)，可以看出阿爾金斷裂和海原斷裂沿線的最大剪切應變率集中于斷裂沿線區域，且分別約達60nano strain/a和40nano strain/a，遠大于塔拉斯-費爾干納斷裂沿線的總體最大剪切應變率，這說明塔拉斯-費爾干納斷裂的滑動速率遠小于阿爾金斷裂的9～15mm/a的走滑速率，甚至要低于海原斷裂4～8mm/a的滑動速率。因此，我們認為塔拉斯-費爾干納斷裂的現今活動速率并沒有一些地質學方法所估算的8～20mm/a那樣強。

3 塔拉斯-費爾干納斷裂運動速率的GPS約束反演

為了更加精確地定量分析塔拉斯-費爾干納斷裂不同區段現今的走滑速率及其分段變化特征，我們以GPS速度場為約束，采用較為嚴密的 “半無限彈性空間三維斷裂位錯模型”(Okada，1985，1992)構建地殼運動速度場與區域斷裂運動速率之間的相互關系，并由此反演滑動速率。根據該模型的運動學解析關系，彈性體內任意矩形幾何面的滑動(走滑和傾滑)所引起的地表某一點的位移三分量均與滑動面的滑動量成正比。三分量各自的比例系數由該點與滑動面的相對位置、滑動面的大小、傾角、深度和介質參數惟一確定。如果存在多個矩形滑動面，則地表某一點的位移是由這些矩形面各自滑動所引起的該點位移的簡單疊加。在具體應用中，人們通常可將一條震間期的活動斷裂模型化為一系列上部層閉鎖、下部層 “無限”向下延伸并持續勻速滑動的 “斷層段矩形滑動面”的組合(Savageetal.，1997)。其中每一個斷層段的矩形滑動面可具有不同的尺度、傾角、閉鎖深度和滑動速率。這種斷裂運動的幾何學模型已被廣泛地用于解釋GPS地殼形變場和斷層震間滑動之間的相互關系(Ganetal.，2007；Savageetal.，1997)。

3.1 斷裂幾何模型的建立

塔拉斯-費爾干納斷裂的相關區域分布著大大小小一系列活動斷裂。理論上，我們的GPS速度場或形變場包含著每條斷裂運動的貢獻，但從現實可行和抓主要矛盾的角度出發，在斷裂的建模過程中只能考慮到一系列主要斷裂。這種做法的合理性是基于許多小斷裂的規模和運動所產生的地表形變在影響范圍和量值上均非常微弱，可以忽略不計。基于上述的考慮和策略，本研究選取了9條主要斷裂(圖6)，并利用數字化的活動斷裂資料將其模型化為一系列上部閉鎖耦合、下部自由錯動的 “矩形片”的組合(圖7)。在閉鎖深度方面，根據前人的研究結果，如張國民等(2005)認為新疆地區的平均震源深度為(21±3)km、Wang等(2011)給出的新疆整體地區平均閉鎖深度為9km，在以上深度合理區間范圍內，結合研究區域MW>6.0地震的震源深度，分別設定各段斷裂的閉鎖深度。每個斷裂的建模幾何參數(包括分段、傾角、傾向和閉鎖深度等)如表2 所示。

圖6 本研究在斷裂運動速率的GPS速度場約束反演中所考慮的主要活動斷裂Fig.6 The main active faults considered in the GPS velocity field constrained inversion of the fault motion rate in this study.

圖7 模型化的區域主要斷裂帶的三維示意圖Fig.7 A three-dimensional schematic diagram of the main fault zones in the modeled area.F2 卡拉套斷裂；F3 費爾干納盆地南緣斷裂；F4 費爾干納盆地北緣斷裂；F5 那倫盆地南緣斷裂；F6 那倫盆地北緣斷裂；F7 蘇薩梅亞斷裂；F8 克明斷裂；F9 吉爾吉斯山北緣斷裂；F10 肯迪克塔什斷裂

表 2 斷裂的參數及反演結果Table 2 Fault parameters and inversion results of the model

3.2 斷裂運動速率的反演及結果

基于斷裂帶三維幾何模型，若為每個斷層段賦予已由地質等方法所確定的滑動速率，則可通過半無限空間彈性位錯模型正演計算出每個GPS觀測點的三維速度矢量。反之，如果將所有或部分斷裂的滑動速率作為未知參數，那么通過GPS速度場的約束，借助于半無限空間彈性位錯模型，可反演獲得各個斷層段的運動速率。這里，我們采用美國地質調查局(USGS)的成熟軟件(Savageetal.，1997；Ganetal.，2007)，進行了最小二乘擬合反演。

3.3 反演結果

圖8 展示了GPS速度場和最佳模型的理論速度場及其殘差。可以看出，模型的反演值與實際觀測值在整體上可較好吻合(圖8a)。GPS站點速度擬合殘差大部分<3mm/a，接近2～3mm/a的平均觀測精度(圖8b—d)。

表2列出了主要斷裂各區段現今滑動速率的反演結果。圖9中，以線條的粗細程度表示斷裂運動速率大小的差異，直觀地展示了各斷裂的走滑速率和傾滑速率的大小。

圖8 GPS速度場模型擬合效果圖Fig.8 Fitting effect diagram of GPS velocity field model.a 實際觀測的GPS速度矢量和模型擬合的速度矢量；b 模型擬合殘差圖；c E向殘差分布；d N向殘差分布

圖9 GPS約束最佳擬合反演的主要斷裂運動速率示意圖Fig.9 Schematic diagram of the main fault motion rates from the GPS-constrained best-fit inversion.a 主要斷裂走滑(左、右旋)運動速率示意圖；b 主要斷裂傾滑(逆沖、正斷)運動速率示意圖

反演結果表明：

(1)塔拉斯-費爾干納斷裂存在分段活動性，其西北段、中段和東南段的右旋走滑速率分別為(2.1±0.7)mm/a、(3.3±0.4)mm/a和(2.4±0.7)mm/a(圖9a)，即中段的速率略大于西北段和東南段，但量值均不突出。這一結果與前人利用地質方法所估計的8～20mm/a的強烈走滑速率(Burtmanetal.，1996；Korzhenkovetal.，2014；Rustetal.，2018)存在巨大的差異，但與Rizza等(2019)采用多種測年方法所估算的2.2～6.3mm/a的結果比較一致。

(2)塔拉斯-費爾干納斷裂以走滑運動為主，但在塔拉斯-費爾干那斷裂中段也存在微弱的逆沖運動，量值約為1mm/a(圖9b)。

4 討論與結論

塔拉斯-費爾干納斷裂雖然在整個中亞地區具有引人注目的規模和尺度，但基于GPS速度場約束得到的其西北段、中段和東南段的右旋走滑速率分別為(2.1±0.7)mm/a、(3.3±0.4)mm/a、(2.4±0.7)mm/a，其中段還伴有約1mm/a的微弱傾滑運動。斷裂帶的走滑速率整體上約為3mm/a，表明該斷裂現今的運動并不強烈，這與前人基于GPS大地測量數據所得到的結果(Abdrachmatovetal.，2002；楊少敏等，2008；Zubovichetal.，2010)基本一致，而且契合了塔拉斯-費爾干納斷裂沿線自1770年以來鮮有破壞性中強地震發生的事實(Buslovetal.，2003)。雖然通過地質手段得到的研究結果推算出塔拉斯-費爾干納斷裂具有高達8～20mm/a的全新世滑動速率(Burtmanetal.，1996；Korzhenkovetal.，2014；Rustetal.，2018)，但最近得到的低至2.2～6.3mm/a的滑動速率結果(Rizzaetal.，2019)與GPS大地測量結果具有較好的一致性。

針對地質結果和GPS結果之間的巨大差異，Rust等(2018)曾提出塔拉斯-費爾干納斷裂或許現今正處于 “強閉鎖”狀態，故GPS觀測獲得了低滑動速率。但是，通過GPS地殼運動速度場矢量可以看出，無論是塔拉斯-費爾干納斷裂沿線兩側的近場還是遠場的差異運動都很弱，并未呈現出 “遠場差異大、近場或中場差異小”的典型 “強閉鎖”特征。同時，最近有研究也表明斷裂沿線的應變積累和釋放在不同時間尺度上都呈現相對穩定的狀態(Vernant，2015；Goldetal.，2017)。因此，我們認為塔拉斯-費爾干納斷裂的現今運動狀態是 “弱活動”而非 “強閉鎖”。

除了斜向貫穿天山山脈的塔拉斯-費爾干納斷裂的滑動速率(2.4～3.3mm/a)非常低以外，其北部與之相連的卡拉套斷裂現今的走滑速率也極低，為<1mm/a(圖9a)。那么，現今斜向的大型走滑斷層在分擔垂直于天山山脈的SN向擠壓中的作用非常有限，占據非常次要的地位，并沒有地質滑動速率所揭示的作用那么巨大。同時，塔拉斯-費爾干納斷裂走滑速率的分段性也印證了其具有次級調節作用。其西北段和東南段的走滑速率明顯小于中段的速率，即斷層沿線的走滑速率從NW到SE呈現低、高、低的現象。我們發現，前人利用地質方法測算斷層走滑速率的調查點均位于現今走滑速率最高的中段，這在一定程度上使得塔拉斯-費爾干納斷裂現今GPS觀測的低速率與地質學方法所得的高速率達成了 “和諧”。但是，現今速率和地質手段所揭示的長期運動速率的差異仍是十分顯著且巨大的。我們認為現今天山的主要變形方式表現為山體的SN向縮短和垂直抬升(楊少敏等，2008)。那么，這是否意味著自塔拉斯-費爾干納斷裂形成以來，天山地區的變形方式曾經發生過大規模的轉變？同時，具有較高走滑速率的斷層中段對應著較高的局部應變和顯著的近斷層速度差異，是否意味著這一區段存在斷層的淺層蠕滑？其兩側強烈運動的EW走向的逆沖斷層對它具有怎樣的影響？最后，塔拉斯-費爾干納斷裂是否已經深入至西天山南緣山前盆地內部？以上這些問題還需要借助更加精細的GPS觀測結果加以探索。

致謝中國特種設備研究院周德敏博士為本文提供了部分區域地質資料；中國地震局地質研究所李濤研究員為本文提供了境外斷層數據；中國地震局地質研究所陳杰研究員為本文提供了重要的修改意見。在此一并表示感謝!