2008年于田7．3级地震前西昆仑地形变的GPS初步研究①

李 杰，王晓强，王 琪，方 伟，宋和平

（1．中国地质大学（武汉）地球物理与空间信息学院，湖北武汉 430070；2．新疆维吾尔自治区地震局，新疆乌鲁木齐 830011；3．中国地震局地震研究所，湖北武汉 430071）

2008年于田7．3级地震前西昆仑地形变的GPS初步研究①

李 杰1，2，王晓强2，王 琪1，3，方 伟2，宋和平2

（1．中国地质大学（武汉）地球物理与空间信息学院，湖北武汉 430070；2．新疆维吾尔自治区地震局，新疆乌鲁木齐 830011；3．中国地震局地震研究所，湖北武汉 430071）

利用GPS观测资料计算并获取了2008年新疆西昆仑地区于田7．3级地震发生前的现今地壳运动速度场，通过速度场分布研究了区域内主要断层的活动速率。结果表明：震中以南的龙木错断裂呈左旋走滑性质的运动特征，走滑速率为1．2～2．5mm／a；震中以北的阿尔金左旋走滑断裂滑动速率为5mm／a；震中北西面的康西瓦断裂的左旋走滑平均速率约为3～7mm／a。区域应变场分布一定程度上受断裂带分布的影响。7．3级地震就位于断裂活动交汇的部位和最大剪应变率高值区的边缘。

于田7．3级地震；GPS测量；西昆仑构造带；水平运动；滑动速率；最大剪应变

Abstract：Using the data of GPS measurements，the velocity field of present crustal movement before the Yutian MS7．3earthquake in 2008in the Western Kunlun tectonic zone，Xinjiang region，is calculated，and the active rates of regional maijor faults are estimated by analyzing the velocity field．The result shows that the active feature of Longmucuo fault at south of the earthquake epicenter is left－lateral strick sliping with rate of 1．2～2．5mm／a，the sliping rate of Altyntagh left－lateral fault at north of the epicenter is about 5mm／a，and the sliping rate of Kangxiwa left－lateral fault at northweast of the epicenter is 3～7mm／a．The distribution of regional strain field is affected in some extent by the distribution of faults in the region．Yutian MS7．3earthquake occurred at faults intersection zone and also the maximum shear strain rate zone．

Key words：Yutian MS7．3earthquake；GPS measurement；The west Kunlun tectonics zone；Horizontal movement；Sliping rate；Maximum shear strain rate

0 前言

新生代以来受印度板块对欧亚板块持续向北的碰撞与挤压楔入的作用，形成从青藏高原到西伯利亚长达数千公里的广阔形变带［1］，不仅造成了喜马拉雅和中亚内部的古生代造山带的再度复活，还导致青藏高原快速隆升与地壳增厚，在形变带内部发生了南北向压缩变形同时也沿着边界走滑构造发生横向运动，形成了一系列规模巨大的活动走滑断裂。尤其在塔里木盆地南缘形成左旋走滑的阿尔金断裂带与左旋走滑的康西瓦断裂带，共同影响着这一地区的地貌格局与环境演化［2］。

2008年3月21日在新疆和田地区于田与策勒县交界处发生7．3级地震。地震发生在青藏高原北缘，塔里木盆地的南边的西昆仑构造带内，靠近阿尔金断裂带与康西瓦断裂带的交汇部位，地质构造较为复杂。于田地震发生区域由北部的康西瓦左旋走滑断裂、西南部的喀喇昆仑右旋断裂、东部的阿尔金左旋走滑断裂、以及东南部的龙木错－郭扎错断裂所围。通过由哈佛大学给出的矩张量目录参数所绘制的震源机制解我们可以看出，于田7．3级地震的发震断层为略带走滑的正断层机制。

对于该地区的研究认识基本来自第四纪活动断层的地质学分析及地震矩张量反演工作［3－4］，较少有空间大地测量方面资料的研究。虽然前人在青藏高原，阿尔金地区有着大量的GPS研究与分析成果［5－6］，但大部分研究都集中在阿尔金断裂东部地区，对于西昆仑地区的研究还处于初步阶段。空间大地测量技术的飞速发展为大区域构造运动和动力学研究及断裂滑动幅度研究提供了重要支撑［7－10］。本文在对布设在西昆仑构造带上现有的GPS观测资料重新处理的基础上，对发震地区的构造活动进行研究，重点是通过GPS点位速度场来定量研究断裂带的滑动幅度与分布，并且探讨7．3级地震发生前该区域的应变分布状况。

1 GPS观测资料

西昆仑地区的GPS观测资料主要来源于重大科学工程“中国地壳运动观测网络”项目，同时还有部分国家测绘局在南天山地区的观测以及新疆地震局承担的部分南天山地区的GPS观测的数据。数据起始时间自1998开始，截止到2007年下半年。每点观测平均期数3期。在研究区我们共收集到36个GPS观测点的数据。观测仪器为Trimble4000SST／SSE、Ashtech Z12型仪器，数据采样率30s，高度截止角15°，以单日为一个观测计算时段。数据处理采用MIT的GAMIT／GLOBK10．40版本软件进行计算，数据处理方法参见文献［11］。对流层映射函数采用GMF模型，天线模型采用最新的绝对天线相位中心进行改正。计算得到的水平位移场的平均精度除其中几个土层观测点的南北向误差大于3mm／a，东西向大于3mm／a以外，其余各点结果均优于1mm／a。以现有观测精度来讲，GPS速度场结果可以准确反映研究区的构造运动基本特征（图1）。

图1 西昆仑地区GPS运动速度场和主要断裂、GPS观测点分布（参考欧亚板块）Fig．1 Distribution of GPS velocity filed，main fault and GPS observation stations in the West Kunlun area（reference to Euroasia plate）．

2 构造活动速度场分析

由于地处无人区，因此在图1可以看到在震中附近200km范围内无GPS监测点存在。但根据前人大量的工作我们依旧可以对该地区构造活动进行构造运动学分析。以（E80．6°，N32．0°）－（E80．6°，N38．8°）为中轴线，东西两侧各取1度的宽度，绘制南北方向的速度剖面（图2）。可以看到整个西昆仑内部南北方向上基本无挤压变形产生。青藏高原西部的狮泉河（SQHE），J044点以18mm／a的速度向北运动，穿过距离400km的甜水海地体（THAI），该地区的地壳缩短只有近2～3mm，继续向北穿过西昆仑山前地带，到达和田地区的运动速率基本没有变化，为15～16mm／a，反映出该地区为整体变形地带，构造活动以近东西向的滑移为主，基本无逆冲活动。根据速度剖面显示，昆仑山山前地带的GPS运动速率甚至比其南部地区的GPS点位运动速率要高出1～2mm，表现出微弱的拉张趋势。东西向运动由南向北速率值变化不大，但方向上则由东向西逐渐变化，反映出在几条左旋走滑断裂的影响下该地区的变形特征。

图2 东经80．6°方向投影横跨西昆仑的GPS速度剖面（从北纬32°到北纬38．8°）Fig．2 The GPS velocity profile along E80．6°from N32°to N38．8°across the West Kunlun zone．

针对震中附近三条典型的构造带：龙木错左旋走滑断裂（剖面（a））、阿尔金左旋走滑断裂（剖面（b））、康西瓦左旋走滑断裂（剖面（c）），通过绘制GPS速度与断层剖面图（图3），对这些断裂的运动情况进行分析。每个区域内的GPS测站位移通过旋转，投影，分解为垂直与平行断层走向的2个分量，直观反映出沿断层迹线上下两盘走滑和逆冲活动引起的变形特征。为便于分析，将剖面图的运动速率都加入了常数整合成一张图，其中A剖面加入80mm，B剖面加入50mm，C剖面加入30mm。

（1）根据GPS运动速度场结果显示，整个研究区GPS点位运动相对欧亚块体均呈南北向运动，但根据所在的块体不同，运动的方向在方位上有所区别。剖面A显示出震中以南位于龙木错断裂（N34°）南部的GPS点位（J049）运动，平行于断层的东西向运动速率约为＋5．5mm／a（加号表示东方向），垂直于断层的运动速率在15．4mm／a，断裂以北GPS点（G198、THAI（甜水海））等点的东西向运动速率约为4．0～4．2mm／a，垂直于断层的运动速率15～16mm／a。文献［5］指出在同一参考框架之下，断裂带的活动情况就是断层两侧GPS点位运动变化。因此计算得到龙木错－邦达错断裂呈左旋走滑兼有正断拉张性质的运动特征，走滑速率在80°E附近的数值为1．5±0．5mm／a左右，拉张速率在0．5～1．2mm／a。

图3 沿断层投影后的GPS速度剖面）Fig．3 GPS velocity profiles projecting along the fault．

（2）位于震中东部的作为青藏高原与塔里木盆地的边界带的NE走向的阿尔金断裂经历了巨大的左旋走滑运动［12－13］。对中国大陆新构造运动、第四纪地质、地震活动、气候演变等具有重要影响［14］。对于阿尔金断裂的活动特征的研究，除地质学和地震学方法外，大地测量学的应用研究对滑移速率的确定也起到了重要的作用。最近10年在阿尔金地区已经进行了一些GPS观测：Bendick［15］根据穿越阿尔金断裂（90°E）的GPS测线估算其左旋走滑速率小于10mm／a；尹光华等［16］在阿尔金断裂中部乌尊硝段测得的最大滑移速率为（9±5）mm／a。Shen等［13］等根据1993－1997年在阿尔金断裂邻近地区的GPS观测以及1998中美合作的联合考察结果，给出了断裂周边地区25个测点的GPS速度，根据速度场得出了其滑动速率9±2mm／a。Wallace等［17］针对这些GPS观测主要集中阿尔金断裂的中东部地区，因此于2002年在Bendick等测线以西300km处布设了一条长约60km的GPS测线，他们的观测数据验证了Bendick的结果，重新修正的结果为9±4mm／a。这一结果与Yin等［18］估算的阿尔金断裂新生代（49个百万年）平均滑动速率9 ±2mm／a几乎一致。剖面B截取的是阿尔金走滑断裂靠近新疆的一部分。我们根据获得的GPS站点速度矢量在85°E附近，断裂以北的塔里木地块上的站点平行于断层的东西向分量为＋1．4～4．5 mm／a之间变换（G348、QUIS），断裂以南的站点GRUB、SBWM、ATUB各点平行于断层速度矢量的东西向分量为＋5．0～8．7mm／a，断裂两盘的运动状态呈现出明显的左旋走滑，东西向速度差达5．0 ±1mm／a，这一数值代表了现今阿尔金断裂的左旋走滑速率，与Bendick等［15］和Wallace等［17］的实测结果差异不大（9±4mm／a），与国内地质学家获得的全新世活动速率4～5mm／a基本接近（国家地震局阿尔金活动断裂课题组，1993），支持了国内学者对于阿尔金断裂处于低速滑动的论点。而与Peltzer等给出的20～30mm／a的结果相去甚远。Peltzer的结果在地质学上仍然有争论，因为他是以末次冰期作为地貌面错动的年代而进行位移估算，因此给出的结论偏大，更多研究倾向于低速滑动观点，因此更需要空间大地测量技术对其滑动幅度进行论证。由于GPS观测量为现今地表形变变化，尽管通过只有近10年观测历史的GPS测量结果去反推具有40个百万年的构造活动历史的青藏高原与阿尔金断裂的运动特征，其对应的时间及空间尺度差异很大，但所得结果与大多数地质学结论支持的低速滑动基本吻合，进一步说明晚第四纪以来，阿尔金走滑断层的滑移速率基本上也就是4～10mm／a左右的幅度。从目前利用GPS观测资料推断出的断层滑动速率与地质学方法得到的滑动速率比较来看，基本上可以对应。如GPS测定的鲜水河断裂，其左旋走滑运动速率为10±2mm／a，与活动断裂研究得出的结论基本一致［5］。

（3）震中以北的康西瓦断裂附近GPS点位稀少，根据Shen等［16］的研究，康西瓦断裂的走滑速率为7±3mm／a，而根据付碧宏［20］的研究，康西瓦断裂晚第四纪以来的平均左旋走滑速率为8～12 mm／a，接近于阿尔金断裂系中段、东段的长期平均左旋走滑速率。通过我们的GPS运动速度剖面判断，平行于断层以北的GPS站点东西运动分量为－11．5～－7．1mm／a（MAZA、AKME），平行于断层以南的GPS站点东西向分量为－4．8～－4．2mm／a（G0BK、G0BL），断层两盘呈现出明显的左旋走滑运动状态，断层滑动分量为3～7mm／a。和前人研究的结果相比我们的结果偏小一些，但总量差距不大。分析原因可能是由于该地区的GPS点位分布稀少，只能代表康西瓦断裂西段部分地区现今滑动速率。震中以西的喀喇昆仑断裂位于青藏高原西南边缘，长约1 200km，从新疆的布伦口、塔什库尔干、红其拉甫斜向东南插入西藏，根据李海兵等［3］的研究，断裂的累积位移量至少为280km，第四纪以来最小累积位移量120km以上，其长期平均滑移速率约为11mm／a，表明兴都库什块体相对于青藏西北缘向NW方向运动。

3 研究区应变场特征分析

由地形变观测资料求解地壳应变场的方法是建立邻近点间相对形变量与地壳应变张量的线性关系

式中U是邻近点相对形变量（位移增量）向量；T是应变张量；A为转换系数矩阵。

从无限小应变理论出发可将位移分成三部分：刚性平移、应变和旋转，用于模拟特定区域内的应变积累和旋转速率。在一个二维平面坐标下，上式（GPS测站位移速率）可以展开为近似公式［21］：

这里（ux，uy）是任意点上速率；（Δx，Δy）该测站相对于区域中心的坐标差；（εx，εxy，εy）是应变率分量；ω是旋转率分量（顺时针为正或称旋转参数）；（ux0，uy0）是区域中心的运动速率，代表了形变体参考点的位移分量。在实际解算中，如果只考虑两监测点的位移增量，则上式可简化为

式中dux、duy为变形体内两测点间的位移增量；Δxij和Δyij分别为两测点间的坐标增量；εx，εy，εxy为应变状态分量；ω为变形体的转动量。在具体计算中，可以利用测点运动速率的方差－协方差以及测点离开所求区域的中心点距离进行定权。在上述应变参数被确定后，就可以求出研究区域的最大主应变、最大剪应变等值（图4，5）。

计算结果表明，西昆仑地区在阿尔金断裂附近以呈南北向的挤压应变为主（图4），小部分地区（E82°、N36．7°）南北向拉张，反应了在该地区的强烈错动的运动趋势。在郭扎错断裂附近，应变方向呈现近NW向拉张特征，结合Harvard大学给出的地震震源机制解的结果，主压应力轴方位南偏西9°，主张应力轴走向北偏西70°，这与我们在震前测得的该地区主压应变方向基本一致［22］。可以认为在于田7．3地震孕震期间，该地区一直受到近南北向的挤压应力作用导致郭扎错断裂发生了略带走滑的拉张破裂。而根据万永革等［23］研究表明于田7．3级地震震中东部的阿尔金左旋走滑断裂与NNW向的右旋走滑喀喇昆仑断裂的2个运动方向的合成使得发震地区的构造呈现为左旋张扭的运动模式，使发震区域呈现出东西向拉张的应力状态。在随着印度板块向北推挤青藏高原的同时，西部帕米尔地区以43mm／a的速度向欧亚大陆持续运动，因此在帕米尔南部的红其拉甫附近主压应变值为最大。另外在研究区的东部地区（85°E）昆仑—巴颜喀拉块体与塔里木块体交汇处，也存在着较大的主压应变。阿尔金断裂与康西瓦断裂以北的塔里木块体内部主压应变方向与量值都为最小且基本均匀，进一步支持说明作为内部为刚性特征的塔里木盆地在受到印度板块顶角向北推挤欧亚板块的过程中分解了推挤过程中青藏高原向北的扩展变形，形成了现今的构造演化布局。从图中可以看出，断裂带的分布在一定程度上影响着应变场的空间分布。相对完整的块体内部应变场较为均匀量值很小，而南北受力的区域如西昆仑—帕米尔弧形构造带上则集中体现了应变受力剧烈的特征。

图4 西昆仑地区最大主压应变率分布图Fig．4 Distribution of maximum horizontal principal strain rate in West Kunlun region．

图5 西昆仑地区最大剪应变率分布图Fig．5 Distribution of maximum shear strain rate in West Kunlun region．

西昆仑地区最大剪应变率值集中分布在（83°E， 37°N）附近的阿尔金断裂与康西瓦断裂的交汇处（图5），其值约为16×10－8／a。量值以近NE40°的方位向两侧呈阶梯状下降，并在郭扎错断裂附近和于田地区的普鲁附近有一个突起，反映了该地区构造活动相对复杂，剪应变率变化起伏较大的特征。塔里木块体内部运动平稳，量值均匀，体现出刚性特征。另外在帕米尔－西昆仑北缘地区也存在一个最大剪应变高值区。江在森等［24］指出与主断裂的构造活动背景相一致的剪应变率高值区或边缘区容易引发大地震。例如昆仑山口西8．1级地震发生在最显著的东西向左旋剪切应变率高值区。2003年巴楚—伽师6．8级地震的发生就反映出能量迅速积累需要破裂释放的现象，这进一步说明了剪应变高度集中的地区与强震确实存在密切的关系。因此利用GPS复测资料进行的区域水平运动应变场分布的分析看出在2008年3月21日发生的于田7．3级地震恰好发生在构造活动集中、并且为剪应变率的边缘区。这为地震的发生地点的预测起到了一定的作用。

4 结论

通过对位于西昆仑及帕米尔地区的GPS点位速度场的分析，研究了该地区现今构造活动的运动状况及滑动速率。研究结果表明：于田7．3级地震震前附近各条断裂活动对于地震的孕育存在影响。从最新的地质学研究上得知，龙木错－郭扎错断裂与阿尔金断裂同属同一断裂系统，是阿尔金断裂向西南延伸的部位［25］。GPS测定的龙木错－郭扎错滑动速率在阿尔金与康西瓦断裂相交的地方，由7～8mm／a递减至1～2mm／a，大量的能量在此处积累，被上地壳所吸收，造成了潜在地震的危险。GPS在该地区的拉张应变方向与断层走向垂直，接近NW方向，随着能量的积累，该地区应力也在不断增大，因此容易在走滑断裂的两侧发生破裂，产生正断拉张型的地震。震中以南的龙木错断裂滑动速率为1．2～2．5mm／a，断层呈左旋走滑；震中以北的阿尔金以5mm／a的走滑速率呈左旋运动；震中NW向的康西瓦断裂的左旋走滑平均速率约为3～7mm／a；震中西侧的喀喇昆仑断裂的长期滑移速率约为11mm／a。断裂带的构造活动一定程度上影响着区域应变场分布，7．3级地震就发生在构造活动集中的最大剪应变率高值区的边缘。

［1］ Dewey J S，Shackleton R M，常承法，等．青藏高原的构造演化．［A］∥青藏高原综合地质考察队编．青藏高原综合地质考察报告［G］．北京：科学出版社，1990：384－415．

［2］ Tapponnier P，Xu Z，Roger F，et al．Oblique stepwise rise and growth of the Tibet［J］．Science，2001，294：1671－1677．

［3］ 李海兵，Franck Valli，许志琴，等．喀喇昆仑断裂的变形特征及构造演化［J］．中国地质，2006，33（2）：239－255．

［4］ 王卫东，李少睿．利用地震矩张量反演阿尔金断裂带现今运动学特征［J］．地震地质，1999，21（2）：171－175．

［5］ 张培震，王敏，甘卫军，等．GPS观测的活动断裂滑动速率及其对现今大陆动力作用的制约［J］．2003，10（U08）：81－92．

［6］ Shen Z－K，Wang M，Li Y，et al．Crustal deformation along the Altyn Tagh fault system，western China，from GPS［J］．J．Geophys．Res．，2001，106：30607－30622．

［7］ 王晓强，王琪，程瑞忠，等．新疆伽师及临近地区现金地壳形变的GPS监测与研究［J］．西北地震学报，2002，24（3）：199－207．

［8］ 李铁明，邓志辉，吕弋培，等．鲜水河断裂带北段GPS测量及其运动特征［J］．西北地震学报，2003，25（4）：312－318．

［9］ 陈光保．GPS技术监测地壳运动的新进展［J］．西北地震学报，2009，31（3）：302－307，310．

［10］ 杨博，周伟，陈阜超．断裂区带变形分析方法及应用［J］．西北地震学报，2010，32（3）：215－219，225．

［11］ 李杰，王晓强，谭凯，等．北天山现今活动构造的运动特征［J］．大地测量与地球动力学，2010，30（6）：1－5．

［12］ Molnar P，Burchfiel B C，Liang K，et al．Geomorphic evidence for active faulting in the Altyn Tagh and northern Tibet and qualitative estimates of its contribution to the convergence of India and Eurasia［J］．Geology，1987，15：249－253．

［13］ Yue Y J，Ritts B D，Graham S A，et al．Initiation and Long－term Slip History of the Altyn Tagh Fault［J］．International Geology Review，2001，43：1087－1093．

［14］ 徐锡伟，Tapponnier P，Van Der Woerd J，等．阿尔金断裂带晚第四纪左旋走滑速率及其构造运动转换模式讨论［J］．中国科学（D辑），2003，33（10）：967－974．

［15］ Bendick R，Bilham R，Freymueller J T，et al．Geodetic Evidence for a low slip rate in the Altyn Tagh Fault and Constraints on Asian Deformation［J］．Nature，2000，404：69－72．

［16］ 尹光华，蒋靖祥，朱令人，等．阿尔金断裂乌尊硝段的现今活动速率［J］．大地测量与地球动力学，2002，22（3）：52－55．

［17］ Wallace K，Yin G，Bilham R．Inescapable slow slip on the Altyn Tagh fault［J］．Geophysical Research Letters，2004，31：L09613，doi：10．1029／2004GL019724．

［18］ Yin A，Rumelhart P E，Butler R，et al．Tectonic history of the Altyn Tagh fault system in northern Tibet inferred from Cenozoic sedimentation［J］．Geol．Soc．Am．Bull．，2002，114（10），1257－1295．

［19］ Peltzer G，Tapponnier P，Armijo R．Magnitude of late Quaternary left－lateral displacements along the northern edge of Tibet［J］．Science，1989，246：1283－1289．

［20］ 付碧宏，张松林，谢小平，等．阿尔金断裂系西段——康西瓦断裂的晚第四纪构造地貌特征研究［J］．第四纪研究，2006，26（2）：228－235．

［21］ 黄立人，王敏．构造地块的相对运动与应变［J］．地壳形变与地震，1999，19（2），17－26．

［22］ 聂晓红．新疆于田7．4级地震震源机制结果［J］．内陆地震，2008，22（21）：114．

［23］ 万永革，沈正康，盛书中，等．2008年新疆于田7．3级地震对周围断层的影响及其正断层机制的区域构造解释［J］．地球物理学报，2010，53（2）：280－289．

［24］ 江在森，马宗晋，牛安福，等．GPS技术应用与中国地壳运动研究的方法及初步结果［J］．地学前缘，2003，10（1）：71－79．

［25］ 陈应涛，张国伟，鲁如魁，等．青藏高原西北缘郭扎错断裂40Ar39Ar年代学研究——阿尔金断裂西延的新证据［J］．地质通报，2010，29（8）：1129－1137．

Crustal Deformation in Western Kunlun Tectonic Zone from GPS Measurements before the Yutian MS7．3Earthquake in 2008

LI Jie1，2，WANG Xiao－qiang2，WANG Qi1，3，FANG We2，SONG He－ping2

（1．Institute of Geophysics ＆Geomatics，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；2．Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830011，China；3．Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071，China）

P227；P315．725

A

1000－0844（2012）03－0256－08

10．3969／j．issn．1000－0844．2012．03．0256

2011－02－14

地震科技星火计划（XH1030）；地震联合基金（A08056）；新疆维吾尔自治区科学研究和技术开发（含攻关）项目（200741121）；地震行业科研专项（201008004）

李 杰（1975－），男（回族），新疆乌鲁木齐人，高级工程师，主要从事GPS在地震与测绘中的应用研究．