新疆北天山地区盆山交界主要构造带运动特性研究＊

董 曼魏文薪

1）中国地震台网中心，北京100045

2）中国地震局地震预测研究所，北京100036

新疆北天山地区盆山交界主要构造带运动特性研究＊

董 曼1）魏文薪2）

1）中国地震台网中心，北京100045

2）中国地震局地震预测研究所，北京100036

摘 要利用2009～2013时段的GPS速度场数据，基于块体运动模型和GPS剖面研究了新疆北天山地区盆山交界构造带的运动特征。结果表明：均匀应变模型可以较好地描述天山块体整体运动特性；刚体旋转模型可较好地描述准噶尔块体的整体运动特性；准噶尔南缘断裂、博格达北缘断裂的走滑速率小于1mm/a，挤压缩率为3～4mm/a；博格达北缘断裂表现出应变积累水平较高特征，需关注其强震危险性。

关键词GPS；北天山；块体运动模型；GPS剖面

中图分类号：P315.2；

文献标识码：A；

doi：10.3969/j.issn.0235－4975.2015.08.006

收稿日期：＊2015－03－27；采用日期：2015－06－25。

基金项目：中国地震局地震预测研究所基本科研业务专项：新疆北天山地壳形变特征及地震危险性研究（2012IES0308）。

AbstractUsing GPS velocity field data of 2009～2013period，based on model of the block motion and GPS section，we studied the movement performance of the major structural belt mountain basin border in North Tianshan in Xinjiang region.Results show that the block of the uniform strain model can better describe the Tianshan block integral movement characteristics；Rigid body rotation model can better describe the overall movement characteristics of the Junggar block；Strike－slipping rate of the southern margin fault of Junggar block，the northern margin fault of Bogdais less than 1mm/a，extrusion compression rate is 3～4mm/a；the northern margin fault of Bogda remains a feature of strain accumulation in certain degree.

KeywordsGPS；the Northern Tianshan；the block motion model；GPS section

引言

中国部分的天山夹持于准噶尔和塔里木两大盆地之间，在印度板块向北推挤巨大动力作用下，天山地区的地壳遭受到了强烈的挤压缩短、强烈抬升，形成了一条规模宏大的板内再生造山带[1]。GPS观测的跨天山地壳缩短速率约为20mm/a，几乎占印欧板块汇聚总量的一半[2－4]，天山地区至今仍发生着近南北向的挤压缩短。并且，现今更为密集的跨断层GPS速度剖面资料研究表明，天山内部的缩短变形相对较小，而南北两侧盆山交接地带的变形占总汇聚量的80%～90%，天山南北两侧交界地带调节的变形量大大高于山体内部[5]。与此对应，天山地区盆山交界地带发育有大量的活动构造，这些断裂带构造变形强烈，是调节地壳缩短挤压变形的重要单元。另一方面，边界带的相对运动和变形受控于大区域块体之间的相对运动[6]。中国大陆所有8级和80%以上的7 ～8级强震发生在活动地块的边界带上[7]。对于新疆天山地区，1900年以来有明确记载的7级以上大震有10次[8]，除一次发生在塔拉斯—费尔干纳断层上，其余皆发生在天山山前盆山交界构造带上。因此，有必要利用已有GPS观测资料来研究该区域块体的整体变形特征及其在断裂带上的响应，为地震的中长期预测提供技术支持。

新疆北天山地区由准噶尔块体的部分区域与天山块体的部分区域组成，该区域发育的主要发震断层有准噶尔南缘断裂及推覆体前缘的三排逆冲推覆构造系、西山断裂、博格达北缘弧形断裂带等，这些断裂均以逆冲为主。这些逆断裂构成了北天山盆山交界的主要构造带。我们还注意到，区域多数6级以上地震发生在该构造带上。因此，有必要研究区域的地壳变形动态特征，及受控于块体相对运动的断裂带纵向、横向地壳形变分

布特征。在此基础上，以分布较为密集的GPS速度场资料为约束，识别当前时段不同断层段的闭锁程度和应变积累状态。

利用中国地壳运动观测网络2009～2013时段的GPS速度场资料（图1），基于块体运动模型，并结合GPS实测剖面分析方法，给出新疆北天山区域主要构造带变形及应变积累特征，为该带强震中长期预测提供一些理论依据。

图1　新疆天山及邻区2009～2013时段GPS速度场（中国大陆基准）

1　利用块体运动模型分析盆山交界主要构造带水平运动特征

首先分别采用刚体旋转模型、块体运动和均匀应变模型、块体运动和线性应变模型，基于残差中误差和F检验方法给出了准噶尔块体与天山块体的整体运动趋势，并利用刚体旋转模型给出新疆北天山主要构造带的水平运动特征。

1.1块体模型的基本原理

已有研究学者提出了多种块体运动模型，其中具有代表性的是刚体旋转模型（RRM）（公式1）、块体整体旋转与均匀应变模型（REHSM）（公式2）和块体整体旋转与线性应变模型（RELSM）（公式3）[9－11]。基本原理可以概括为：根据活动地块上每一GPS站点的经纬度及其东向、北向速度，按照最小二乘原理，即可解算出活动地块的运动及变形参数的最或然值。其中vE、vN是活动地块上任一点（λ，φ）的东向速度与北向速度，λ0、φ0为地块几何中心处的经度和纬度，ωχ、ωy、ωz为地块的欧拉旋转矢量参数，ωE、ωN、ωEN分别为地块东西向线应变，南北向线应变，东西向和南北向之间的剪应变。3个模型的基本原理表示如下：

1.2天山块体与准噶尔块体的整体运动特征研究

综合利用残差中误差和F检验的方法来判定刚体旋转模型、均匀应变模型及线性应变模型能否较好地描述天山块体与准噶尔块体的整体运动趋势，进而给出最优模型。

表1给出了残差中误差结果，从残差中误差的结果可以看出，无论是天山块体还是准噶尔块体，块体运动的线性应变模型得到的残差中误差值均最小。但是，描述块体运动优劣的另一个重要原则是，模型的参数越少，并且可以较好地描述块体的整体运动，该模型为最优。因此，我们又利用F检验的方法来分析模型增加参数后块体内部变形特征是否显著（表2和表3）。从计算结果可以看出，天山块体的刚体旋转模型与均匀应变模型的方差比通过了检验，也就是说，在利用刚体模型描述天山块体整体运动的过程中，增加均匀应变参数是合适的。准噶尔块体的刚体旋转模型与均匀应变模型的方差比未通过检验，也就是说，在利用刚体模型描述天山块体整体运动的过程中，增加均匀应变参数是不合适的。综上所述，块体运动的均匀应变模型可以较好地描述天山块体的整体运动；而刚体旋转模型可以较好地描述准噶尔块体的整体运动。

表1　块体模型的残差中误差

表2　天山块体内部变形参数显著性的F检验结果

表3　准噶尔块体内部变形参数显著性的F检验结果

1.3构造带的水平运动特征分析

北天山区域盆山交界主要断裂带包括准噶尔南缘断裂、西山断裂、博格达北缘断裂。我们主要利用刚体旋转模型来计算断裂带的滑动速率，从而分析块体的相对运动在断裂带的响应特征。根据地质学的研究成果，在断裂带临近区域取若干点位，分别以断裂带两盘的点作为参考，根据求得的差异运动速率求平均值作为各段的滑动速率，并将其沿断裂带走向和垂直断裂带走向进行投影，从而求得垂直和平行断裂带速率。

表4给出了北天山区域主要断裂带的滑动速率，从计算结果来看，北天山区域盆山交界的博格达北缘断裂带、西山断裂带和准噶尔南缘断裂带平行断裂带投影结果表明，这些断裂带走滑速率均很小，剪切变形特征不明显。垂直断裂带的结果表明，这些断裂运动以逆冲运动为主，量值要大于走滑速率，这也进一步说明了北天山区域南北向地壳具有挤压缩短变形的特征。从挤压速率的

量级来看，其量值要远小于南天山山前构造带的挤压速率，进一步反映了新疆区域从南向比，挤压变形速率逐渐减小的特征。

表4　刚体旋转模型给出的各断裂带的滑动速率

2　盆山交界构造带应变积累研究

在上面的研究中，利用块体运动模型得到了断裂带滑动速率，给出了新疆北天山盆山交界构造带水平运动特征，那么进一步分析震间期的应变积累特征对评价断裂带的地震危险性具有重要意义。GPS速度剖面图像可直观展现位移分布与断层的关系，被广泛应用于对断层变形特征的分析中[12－16]。因此，还利用GPS实测剖面方法来分析各分段的应变积累特征。

图2　北天山区域跨盆山交界主要断裂带GPS速度剖面（平行断裂带分量）

图3　北天山区域跨盆山交界主要断裂带GPS速度剖面（垂直断裂带分量）

针对北天山区域盆山交界的主要构造带做了两个GPS速度剖面（如图1所示的剖面A和剖面B），分别给出了平行断裂带速度剖面和垂直断裂带速度剖面。从平行断裂带的速度剖面结果可以看出（图2），准噶尔南缘断裂及其推覆体前缘的逆断裂的走滑速率较小，量值小于1mm/a；博格达北缘断裂带和阜康断裂的走滑速率也很小，量值小于1mm/a。从垂直断裂带的速度剖面可以看出（图3），准噶尔南缘断裂带及其推覆体前缘的逆断裂表现为挤压变形的特征，靠近断裂的滑动速率虽然减小，但是，变形宽度有限，即表现为一定的应变积累状态，但是应变积累水平并不是很高；博格达北缘断裂及

阜康断裂也表现为挤压变形的特征，其中跨阜康断裂存在着显著的非连续变形特征，可能预示着该断裂处于蠕滑状态，博格达北缘断裂附近一定区域内变形很小，而远离该断裂表现为持续挤压变形的特征，这可能表明博格达北缘断裂的应变积累水平较高。

3　结论

（1）基于刚体旋转模型、块体运动和均匀应变模型及块体运动和线性应变模型，利用残差中误差及F检验方法分析了天山块体与准噶尔块体的整体运动特征，结果表明：块体运动和均匀应变模型可以较好地描述天山块体的整体运动特征；刚体旋转模型可以较好地描述准噶尔块体的整体运动特征。

（2）基于刚体旋转模型给出了北天山区域主要断裂带的滑动速率，结果表明，北天山山前逆断裂的走滑速率非常小，断裂运动以逆冲运动为主。从挤压速率的量级来看，其量值要远小于南天山山前构造带的挤压速率。

（3）GPS速度剖面的结果表明：准噶尔南缘断裂带及其推覆体前缘的逆断裂表现为挤压变形的特征，靠近断裂的滑动速率虽然减小，但是变形宽度有限，即表现为一定的应变积累状态，但是应变积累水平并不是很高；博格达北缘断裂及阜康断裂也表现为挤压变形的特征，其中跨阜康断裂存在着显著的非连续变形特征，可能预示着该断裂处于蠕滑状态，博格达北缘断裂附近一定区域内变形很小，而远离该断裂表现为持续挤压变形的特征，这可能表明博格达北缘断裂的应变积累水平较高。

（作者电子信箱，董曼：dongman@seis.ac.cn）

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The study on movement performance of the major structural belt mountain basin border in North Tianshan in Xinjiang region

Dong Man1），Wei Wenxin2）

1）China Earthquake Networks Center，Beijing 100045，China

2）Institute of Earthquake Science，China Earthquake Administration，Beijing 100036，China