利用GNSS资料研究新源—和静MS6.6地震前后地壳形变与地震关系①

朱治国, 秦珊兰, 李煜航, 崔笃信， 李桂荣

(1.新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011； 2.中国地震局第二监测中心，陕西 西安 710054)

利用GNSS资料研究新源
—和静MS6.6地震前后地壳形变与地震关系①

朱治国1, 秦珊兰2, 李煜航2, 崔笃信2， 李桂荣1

(1.新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011； 2.中国地震局第二监测中心，陕西 西安 710054)

摘要：利用2009-2011年三期GNSS观测资料，获得新源—和静6.6级地震前后震中附近区域水平运动速率、主应变率、面膨胀率及最大剪应变率，分析得出：(1)研究区整体呈挤压缩短趋势，南部区域运动速率总体高于北部，而中部区域运动速率高于东西两侧，这与区域构造特点有关。新源—和静MS6.6地震之后，研究区西北部区域的应力场能量得到较大的吸收和释放。(2)从研究区应变分析中可以看出，沿断层出现的主应变率正负交替区域与地震的发生有一定关系。从面膨胀等值线图可以看出，两个面收缩区之间区域是地震发生的重要区域。剪应变区域变化可以反映出地震的破裂方向。

关键词：水平运动速率； 主应变率； 面膨胀率； 剪应变率； GNSS

0引言

新疆地处欧亚板块的中南部，南面是印度洋板块与欧亚板块相碰撞时所形成的世界屋脊——青藏高原，北部是西伯利亚块体及其向南挤压形成的蒙古弧形构造带。长期的地质历史中，已形成由阿尔泰山、天山、昆仑山年青褶皱隆起和夹持于其中的准噶尔、塔里木古老断陷盆地，呈菱形条块状镶嵌的现代构造骨架。新疆地区是挤压环境下的再生造山断块和盆地断块发育区，以活动逆断裂-褶皱带和压陷盆地为主[1]。新生代[(45±5) Ma]受板块驱动力的作用，印度块体和欧亚大陆块体的碰撞和持续的汇聚作用造成中亚陆内强烈变形，引发天山等古生代造山带再次复活[2]。天山内部及盆山交接地带大量发育活动断裂和褶皱，使得该地区构造变形强烈、地震活动频繁[3]。地震是地壳块体之间的相互挤压碰撞，引起地震的主要原因是块体边沿及块体内部产生错动和破裂。构造运动产生的区域地应力场应力分布和变化规律，与区域地壳运动的方式、方向及区域构造发育的关系对地震的发生具有预示意义。

2012年6月30日5时7分新疆伊犁哈萨克自治州新源县、巴音郭楞蒙古自治州和静县交界发生MS6.6地震(简称新源—和静6.6级地震)(图1)。此次地震发生于天山中段，包括乌鲁木齐市在内的多个地州(市)有强烈震感，直接经济损失近20亿元,社会影响很大[4]。地震震中位于新源—和静交界处，东距和静县178 km，西距新源县124 km，北距乌苏市、沙湾县分别为115 km及24 km。此次地震位于喀什河断裂、那拉提断裂及阿吾拉勒山南缘断裂的交汇区，地貌上属博罗科努山、阿吾拉勒山和那拉提山交汇部位的高山区[5]。

图1　震中分布图Fig.1　Distribution of the epicenter

1震中附近构造简介

博罗科努—阿其克库都克断裂是划分准噶尔—北天山褶皱系与中天山褶皱系的分界断裂，也称天山主干大断裂。该断裂为 NW-EW-NE 向延伸，总体呈向南突出的弧形，全长 1 400 余 km，新疆境内逾 1 000 km，向西北延入哈萨克斯坦境内阿拉湖西岸，长200 km，称作巴卡纳斯大断裂—准噶尔大断裂。该断层面总体南倾，倾角 50°～80°。在断裂西北段，阿拉山口至精河县以南有长度近 100 km 的古地震形变带，形变带具右旋走滑性质[6]。该断裂活动具长期性与多期性，从它控制的地层看，早古生代以前即已形成，之后多次活动，在 1944 年 3 月 10 日曾发生过7.3 级地震。伊犁盆地北缘断裂(喀什河断裂)在大地构造分区上为Ⅱ级构造单元博罗科努地槽褶皱带与伊犁地块的界线。断裂向西延入哈萨克斯坦境内，与南准噶尔大断裂相接。断裂境内长度大于 340 km，总体走向 285°，倾角 65°～85°，为右行逆冲性质，具备发生 8 级地震的构造条件[7]。那拉提断裂在区域上是中天山与南天山的界线，长度大于 400 km，呈 NEE 向延伸，向西南延入吉尔吉斯斯坦境内。断裂具左旋压扭性质，断层面倾向 NW，倾角大于 50°。阿吾拉勒山南坡断裂全长180 km，断裂总体走向近EW向，断层面北倾，倾角70°左右，断层为逆冲性质[4]。

区域地壳运动伴随着地壳应力场的变化，地壳内的应力是以往和现今活动使地壳克服阻力、不断运动发展的原因，地壳各部分所发生的一切变形，包括破裂，都是地应力作用的反映，地应力活动会产生或影响地质构造。中国内陆地震多发生在地壳范围内，故研究地壳应力场状态及其变化对认识和预测地震发生的地点、时间和强度具有重要意义。天山在印度板块西动力源的NNW和NS向水平力的作用下，右旋走滑和带有旋性特征的逆冲断裂发育[8]。很多学者利用GNSS资料分析了新疆天山地区的构造应力场变化，王伟等[9]通过研究1999-2013年GPS区域网观测所获得速度场结果及应变率场分布特征，发现天山地区现今应变率场分布的整体特征与该地区长期的地质构造背景具有一定的继承关系，天山以近南北向挤压缩短变形为主要特征，存在一定程度的拉张变形和剪切变形。牛之俊等[10]利用1992-2005年GPS测站的原始观测资料计算了天山地区现今地壳运动速率，分区域定量分析了天山地壳缩短速率变化的方式和特征，发现天山的汇聚速率由西向东逐步减小，具有分段变化的特征。周德敏等[11]通过GPS观测结果推测作为内陆典型的挤压构造活动带和地震多发带的中西天山地区具有值得关注的大震潜势。

2GPS区域站观测结果分析

中国综合地球物理场观测项目的主要工作内容和目标为：通过中国大陆时空高分辨率的GNSS观测、精密水准观测、流动重力观测与流动地磁观测，获取区域三维地壳运动动态变化图像、地表重力场动态变化图像、岩石圈磁场动态变化图像，为区域强震中长期危险地点判定、地震区划以及重大生命线工程地震危险性评价等提供重要依据，为国家精密大地基准维护、重力基准维护、地磁基准维护和地球科学研究提供重要基础数据。

以88° E为界限将天山山脉分为东天山和西天山。本文收集了新源—和静6.6级地震震中周边，覆盖西天山80°～88° E，40°～45° N区域，2009—2013年最新的69个GNSS区域观测站的观测资料。各期观测点采用强制对中观测，每站观测时间大于112小时。GNSS数据采用美国麻省理工学院(MIT)和海洋研究所(SIO)联合研制的GAMIT/GLOBK软件计算。先从IGS数据中心获取IGS精密卫星星历及各类所需历表与信息，利用GAMIT模块及精密星历文件与观测文件进行基线单天解算，解算中为使研究区域与全球基准联系统一，选取研究区周边若干IGS站参与计算确定基准。解算得出区域H文件后与IGS站全球H文件捆绑，利用GLOBK模块进行网平差计算，得出测站多天解并获得其在ITRF2008全球框架下相对稳定欧亚板块的水平运动速度场图像(图2)。解算所得的水平位移平均精度南北向速率优于1 mm /a,东西向优于2 mm /a(95%置信度)。

3研究区GNSS速度场特征

从地貌上看，研究区山脉走向分别为南西、北西向和近东西方向，呈喇叭状分布。而其上所分布的断裂构造在84° E以西多呈雁行式相间排列，向东汇聚收敛；84°E以东多呈近东西向平行分布，构成天山山脉西段巨型的“扫帚状”样式。新源—和静6.6级地震震中位于伊犁微板块东侧，处于多条断裂构造汇聚收敛处，地壳结构复杂，为地应力的聚集创造了条件。通过计算收集到的最新地球物理场GNSS测站2009年至2013年3期的数据，得到新源—和静6.6级地震前后2009—2011年、2011—2013年两期研究区水平运动速度场分布图(图2)。

从图2中可以看出，研究区的GNSS点两期的整体运动方向基本相同，均为北偏东方向；运动速率都具有所处位置不同运动速率差异的特点，这与胡亚轩等[12]研究一致。研究区GNSS点运动速率自北向南有着明显差异，位于研究区北部准格尔板块边沿的GNSS点两期运动速率均保持较低水平，2009—2011年运动速率为6.6～10.1 mm/a，2011-2013年为5.8～8.3 mm/a；位于研究区南部塔里木板块边沿的GNSS点两期运动速率均保持较高水平，2009—2011年运动速率为12.2～19.3 mm/a，2011—2013年为12.4～18.4 mm/a。研究区南北运动速率的差异性反映出西天山区域受到南北两个板块持续的挤压作用。从两期运动速率看，2011—2013年期南部区域运动速率基本不变，北部运动速率有所放缓，反映出新源—和静MS6.6地震后区域应力场能量得到了很大的释放。研究区GNSS点自西向东运动速率也有着明显差异，两期均表现为中部速率大，东北、西北部速率小的特点。研究区中部地区(83°～85°E)的GNSS点2009—2011年运动速率为7.8～15.3 mm/a，2011—2013年为6.0～16.2 mm/a；西北部地区(86°～88° E ，44°～45° N)GNSS点2009—2011年运动速率为9.4～11.4 mm/a，2011—2013年为5.8～8.3 mm/a；东北部地区(80°～82° E ，44°～45° N)GNSS点2009—2011年运动速率为6.6～9.5 mm/a，2011—2013年为4.1～8.4 mm/a。从两期GNSS点运动速率对比来看，研究区西北部区域测点运动速率下降较明显，反映出在2012年6月6日新源—和静MS6.6地震之后，研究区西北部区域的应力场能量得到较大的吸收和释放，区域应力场有所调整。中部区域测点速率基本没有变化，东北部区域测点运动速率虽然有所下降，但是下降速率不大，反映出在地震之后这些区域应力场能量并未得到释放和吸收，仍然存在发震的可能。

4研究区应力应变特征

利用本文得到的GNSS速度场结果并采用最小二乘配置法，通过建立水平运动速度值经验协方差函数，借助位移与应变的偏导关系获取水平视应变场分布[13-14](图3)。

图3　最大主应变率分布图(红箭头代表应变率)Fig.3　Distribution of the maximum principal strain rate

利用GNSS速度场结果计算得出2009—2011年、2011—2013年主应变分布图(图3)。从图中可以看出主应变率值空间大小分布不均，研究区南、北部的塔里木板块和准格尔板块内部表现出扩张特征。在南北两大板块的挤压作用下，2009—2011年期主应变分布图表现出研究区内的昭苏至新源东区域沿伊犁盆地北缘断裂(喀什河断裂)、阿吾拉勒山南坡断裂出现正负交替的主应变率分布，由西向东主应变率极值分别为+5.6×10-8、-3.6×10-8和+5.0×10-8；在奎屯至乌鲁木齐连线区域，沿准格尔板块边沿几个断裂带也出现正负交替的主应变率分布，随后2012年6月6日发生新源—和静6.6级地震。震后2011—2013年期观测结果表明昭苏至新源东区域主应变率接近0，说明地震释放了积累的能量。在奎屯至乌鲁木齐连线区域依然存在有正负交替的主应变率区，说明该区域所积累的能量并没有在此次地震中得到调整或释放。沿断层走向出现主应变率正负交替现象，结合断层的走滑性质可以推断震前断层附近出现的主应变正负交替现象与地震的发生有一定的关系，中强地震多发生在交替性主应变率出现后1～2年内。

利用GNSS速度场结果计算绘制面膨胀等值线图(图4)。从图中可以看出：2009—2011年期研究区南北两侧塔里木板块和准格尔板块面膨胀率为正值，表现出拉张趋势，新源、玛纳斯-乌鲁木齐区域面膨胀率为负值，极值分别为-9.3×10-8和-5.2×10-8，表现出收缩趋势，在震中位置面膨胀率接近于0，出现闭锁状态；2011—2013年期研究区南北区域的面膨胀区域继承2009—2011年期发展趋势，震中区域由于地震发生释放了能量，原来出现的收缩极值区域消失。由于研究区特殊的地质构造，震中处于南北两个构造带汇聚区，在南北持续增强的应力作用下，在构造汇聚区更易集聚应力能量，也更易形成破裂。震中位置处于两个面收缩区之间，其持续挤压作用也为地震发生创造了条件。地震前震中区域出现的面膨胀0值的闭锁区域对地震预报有一定意义。通过面膨胀率等值线图可以看出中强地震的发生往往不在面膨胀极值区，多出现在膨胀极值区附近0值的闭锁区域。

图4　面膨胀率等值线图(虚线为负值，实线为正值)Fig.4　Contour map of the surface expansion rate

利用GNSS速度场计算结果绘制最大剪应变等值线图(图5)。从图中可以看出，2009—2011年期观测反映出研究区最大剪应变区在奎屯以南新源东北的山区(极值为8.3×10-8)、乌鲁木齐西南山区(极值为10.6×10-8，)以及拜城-库车连线以南的板块边缘区域(极值为13.8×10-8，)。 2011—2013年期观测显示乌鲁木齐西南山区、拜城-库车连线以南区域剪应变继承2009—2011年期趋势，奎屯-新源东之间区域剪应变极值区沿伊犁盆地北缘断裂(喀什河断裂)、阿吾拉勒山南坡断裂扩大，剪应变率也增大。这与主震破裂方向及余震展布趋势相同[4]。剪切变形是介质发生破坏性变形的主要方式之一[15],剪应变区面积的变化反映了地震的破裂方向和余震发生区域。由于震中位置的区域构造不同，震后剪应变极值区不一定出现在震中。

5结论与讨论

通过新源—和静6.6级地震前后两期GNSS观测资料对该地区速度场、主应变率、面膨胀率及最大剪应变率计算分析，得出该区域构造运动特征与地震关系：

(1) 西天山研究区整体呈缩短趋势，从南北向来看南部区域运动速率总体高于北部运动速率，从东西向来看断层缩短速率表现为中部高于东西两侧的特点，这与区域构造特点相关。新源—和静MS6.6地震之后，研究区西北部区域的应力场能量得到较大的吸收和释放。

图5　最大剪应变率等值线图(实线为正值)Fig.5　Contour map of the maximum shear strain rate

(2) 从研究区应变分析中可以看出沿断层出现主应变率正负交替现象，结合断层的走滑性质可以推断震前主应变正负交替现象与地震的发生有一定的关系，中强地震多发生在交替性主应变率出现后1～2年内。从面膨胀等值线图可以看出，处于两个面收缩区之间区域是地震发生的重要区域。剪应变区域变化可以反映出地震的破裂方向。

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Relationship between Crustal Deformation and Earthquake Activities before and after the Xinyuan-HejingMS6.6 Earthquake Using GNSS Data

ZHU Zhi-guo1, QIN Shan-lan2, LI Yu-hang2, CUI Du-xin2， LI Gui-rong1

(1.EarthquakeAdministrationofXinjiangUygurAutonomousRegion,Urumqi830011,Xinjiang,China;2.SecondCrustMonitoringandApplicationCenter,CEA,Xi’an710054,Shaanxi,China)

Abstract：Based on an examination of three stages of global navigation satellite systems (GNSS) observation data from 2009 to 2011, we obtained the horizontal movement velocity, principal strain rate, surface expansion rate, and maximum shear strain rate around the epicenter area before and after the Xinyuan-Hejing MS6.6 earthquake of 2012. The results show that (1) the main movement trend in the research area is a reduction in the horizontal movement rate from south to north. The movement rate in the southern region is higher than that in the northern region, and the movement rate in the central area is higher than those in the east and west regions. (2) The positive negative alternate zone of the principal strain rate along the fault has some relationship with the earthquake. Between the two surface shrinkage areas is an important earthquake area. The regional change of the shear strain rate can reflect the direction of earthquake rupture.

Key words：horizontal movement rate; principal strain rate; surface expansion rate; shear strain rate; GNSS

收稿日期：①2016-01-26

基金项目：地震科技星火计划(XH6042Y)

作者简介：朱治国(1978-)，男，高级工程师，主要从事GPS、流动重力、流动水准观测与数据分析工作。E-mail:9487132@qq.com。

中图分类号:P315.727

文献标志码：A

文章编号:1000-0844(2016)03-0407-06

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.03.0407