利用GPS分析新疆地区形变特征

胡良晨等

【摘 要】利用2011～2013年新疆天山地区近200个GPS测站观测资料，计算得到研究区域水平运动速度场，然后采用利用基线的边长变化量的方法获取研究区域现今地壳运动应变场。分析结果表明：研究区域的运动特征为由南向北、由西向东地壳缩短递减，由于受到印度板块持续的向北推挤作用力，南天山西侧与帕米尔高原以及西昆仑山交汇区是天山地区运动最为活跃的地区，天山地区由于印度板块和欧亚板块的持续挤压整体处在压缩状态中，乌恰伽师一带为地震高发区。

【关键词】GPS；速度场；基线；主应变；剪应变

0 引言

天山山系位于欧亚大陆腹地[1]，是亚洲最主要的年轻山系之一[1]。天山虽然从西向东逐渐远离板块边界，但是由于受到欧亚板块与印度板块的持续挤压和碰撞，成为大陆内部现今构造运动十分强烈的地区[7]。据统计，从2012年4月至今，新疆地区已发生地震600余次，其中6级以上地震4个，7级以上地震1个。

众多学者利用利用应变场研究地壳变形特征，如克里金插值法，最小二乘法以及三次样条函数法等[8-9]。

GPS技术的广泛应用使其成为研究地壳形变的重要手段之一。本文利用GPS网数据，根据两期测量得到的坐标变化来计算地壳应变率场。

1 观测资料的处理

本文观测资料来源于新疆地震局提供的新疆地区近200个流动站（观测时间段为2011年4～6月和2013年4～8月）和中国大陆陆态网络数据中心提供的新疆地区8个连续站。同时选取新疆周边20个IGS测站参与计算以保证研究区域与全球基准的联系和统一。

资料处理分析采用由瑞士伯尔尼大学天文研究所所研究开发的高精度GNSS数据处理软件BERNESE5.2软件。数据处理分为四个步骤。第一步，应用自动处理模块BPE里的PPP.PCF处理单日数据，计算得到单日所有测站精密单点定位结果。第二步，应用BPE的RNS2SNX.PCF计算得到单日的法方程（R1.NEQ）。第三步，利用ADDNEQ2程序将每期的所有法方程分别进行平差，采用最小约束解，得到每期所有测站的平均坐标，用于计算应变场。

2 根据边长变化量求解应变

BRENESE软件计算结果表明，两期观测中测站的X分量变化量不超过0.1m，Y分量的变化量不超过0.01m。为了保证结果可靠，剔除变化量过大的测站。

得到测站的平均坐标后即可计算计算每条基线的长度。为了提高精度，应计算测站之间的椭球面距离。本文以白塞尔大地投影为基础，用球面三角学公式来求解椭球面上两点间的距离[11]。

本文采用四边形模型法求解应变。以1°×1°为间隔划分研究区域，其中纬度范围为36°～49°，经度范围为74°～95°，一共有13×21=273个方框。本文最终选取了175个测站参与计算，形成基线数量为C2175=15225条。每条基线穿过了哪些方框和在每个方框里的长度都可以通过计算得到。

由于本文中基线条数为15225条，则方程数量为15225个；方框个数为273个，则未知数即应变参数为273×3=819个。可见方程的数量大于未知数的数量，可以根据最小二乘法求解，最终得到每个方框里的应变参数[11]。

得到应变参数之后，就可求得每个方框里面的最大主应变，最小主应变，面膨胀率和最大剪应变率。

3 新疆地区应变特征

图1显示的是121个1°×1°网格内平均最大主应变率。该应变率图显示，研究区域内以南北向主压应变为主，方向沿塔拉斯-费尔干纳断裂，与天山山脉走向基本正交。南天山应变量值大于北天山应变量值，最大主压应变量值位于天山褶皱带，其中南天山西部与西昆仑北缘及帕米尔高原交界地区较为明显。塔里木块体北面为逆冲断裂，南面为走滑断裂，西面为山脉，其压应变和张应变量值较小且基本均匀，即相邻点位之间不发生相对位移，内部结构完整，说明在印度板块的推挤和青藏高原隆起时的向北推挤作用力下，能量大部分被昆仑山吸收。准格尔盆地应变率更小，因为天山块体也吸收了一部分的能量。

整个新疆地区地壳以压缩状态为主，拉张成分较小，面膨胀率的大小在-4.172×10-8/a至2.1168×10-8/a之间。南天山面膨胀率大于北天山面膨胀率。挤压变化比较明显的区域为喀什及其以南区域，喀什地区发生过多次5.0级以上地震。塔里木盆地和准格尔盆地面膨胀率量值都较小，体现出其刚性特征。

研究区域最大值集中分布在南天山西段、帕米尔弧形断裂北缘与塔里木块体西北地区所围区域，量值最大为3.182×10-8/a。该地区有许多逆冲断裂，断层的强烈运动引起了较强的剪切变形。高剪应变率值的出现反映出该地区今后发生强震的可能性。

从历史地震记录来看，新疆地区大部分中强地震集中发生在天山褶皱带上，其中南天山山前构造带与帕米尔西昆仑北缘断裂带交汇区地震次数最多，主要集中在乌恰、喀什一带，与本文的研究结果一致。

受印度板块的快速向北推挤运动的影响，帕米尔西昆仑北缘断裂带与南天山山前地震构造带积累了大量的应变能量。该区域构造运动复杂，活动断裂密集且规模较大，地震构造能量的积累和释放速率较高，从而形成了目前的强震危险区[1]。

4 结论

本文通过计算2011年～2013年的新疆天山地区GPS观测数据，采用利用基线边长变化量求解应变的方法获得了新疆地区的应变场。分析发现新疆地区处在压缩状态中，同时存在部分拉伸状态，其中南天山西侧与西昆仑山以及帕米尔高原交汇区因为受到印度板块的向北推挤运动最为强烈。最大剪应变出现在乌恰一带，为强震高发区。

虽然天山区域内布设的GPS点数量很多，但是由于没有周边的数据，无法获得完整的天山应变场。四边形法虽然克服了三角形法受三角形的形状、大小的误差影响的缺点，但是由于对测站分布情况要求较高，仍需要改进。

【参考文献】

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[责任编辑：邓丽丽]