基于GPS的精河MS6.6地震前地壳变形动态特征研究

朱治国 秦姗兰 艾力夏提·玉山 刘代芹李杰 陈丽 苏力坦·玉散 方伟

1）新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐新市区科学二街338号 830011

2）中国地震局第二监测中心，西安 710054

0 引言

2017年8月9日新疆精河6.6级地震给当地人民生命和财产带来了严重破坏，对整个北天山经济带产生了很大干扰。1900年以来距精河地震震中200km区域内共发生11次6级以上地震（其中，7级地震1次，6级地震10次）。据地震野外调查，库松木契克山前断裂是此次地震的发震断裂。库松木契克山前断裂带整体长度约160km，断裂总体走向EW，倾向SSW，倾角40°～60°，以逆断层为主，兼有右旋走滑性质，是一条区域性全新世活动断裂（陈建波，2008），从区域构造上看，此次地震震中位于天山与准噶尔盆地交界的逆冲褶皱带，该褶皱带是地学研究的热点区域，一些学者对其构造演化、动力学、活动性等都曾作过有益的分析（Molnar el al，1975，2000；冯先岳，1985；冯先岳等，1991；邓起东等，2000；赵瑞斌等，2000；沈军等，2001）。众多学者研究认为，印度板块向北推挤欧亚板块使得天山受到SN向挤压作用，地壳的不断缩短与增厚造成天山山前自第四纪以来的活动断裂发育。对于此次地震国内学者进行了多方面的研究（李瑶等，2017；艾力夏提·玉山等，2017；张治广等，2017），本文意从地表位移的角度对此次地震的特征进行总结分析。

以全球定位系统（GPS）为代表的空间对地观测技术可以为研究地球动力学问题提供丰富实测数据，GPS数据提供统一参考框架下高精度、大尺度地表位移数据，能够较清晰地反映地壳变形空间分布特征，因此广泛应用于地学研究中（Wang et al，2001；江在森等，2003；王敏等，2003；张国民等，2004；杨少敏等，2008）。GPS大地测量结果表明西天山 SN向的缩短速率为 10～20mm/a（Abdrakhmatov el al，1996；王琪等，2000；王小亚等，2002，牛之俊等，2007）。杨少敏等（2008）通过研究天山地区GPS数据发现天山SN向缩短速率各不相同，变形主要集中在两侧山盆交接地带。王伟等（2014）通过分析天山地区GPS应变场特征认为，天山地区现今应变率场分布反映出该区域长期的地质构造背景特征。胡亚轩等（2013）通过对新疆区域GPS资料的分析认为区域变形的主要变化发生在天山中南部。周德敏等（2013）分析GPS观测结果提出中、西天山区域的挤压构造活动带具有大震潜势。朱治国等（2016）通过GPS观测资料分析认为震前应变率场反应出区域构造动力环境。上述研究大多从较大范围形变场分析天山地区的形变特征，本文在总结前人研究结果的基础上，采用震前2期高精度GPS资料研究震中区域地壳的动态变化过程和应变状态。

1 GPS形变场分析

1.1 数据解算

本文收集了2013～2017年精河6.6级地震前以震中为中心、半径200km区域内最新的地球物理场GPS区域观测站的观测资料。GPS观测点采用墩标强制对中观测，测点观测时间大于96h。每期观测数据采用相同计算方法和基准，由中国地震局第二监测中心选用美国麻省理工学院（MIT）和国家海洋局第二海洋研究所（SIO）共同研制的 GAM IT/GLOBK软件解算。通过网络获取IGS精密卫星星历与相关信息，在全球范围内均匀选取具有高精度的ITRF2008坐标且运行稳定的多个稳定站点作为框架点，再利用精密星历文件与观测文件，加入极潮、海潮改正，顾及卫星及接收机天线相位中心变化，进行基线单天解算。解算得出测区H文件后与IGS站全球H文件联合，利用 GLOBK模块进行网平差计算，得到其在ITRF2008框架下相对稳定欧亚板块的水平运动速度场。解算所得到速率水平分量精度优于3mm。

1.2 区域速度场特征分析

根据求解得到的水平运动速度场结果绘制精河6.6级地震前研究区2期速度场图（图1）。自新生代以来，由于欧亚板块受到印度板块向北不断推挤的远程效应影响，天山区域受到近SN向挤压作用，以缩短变形为主要特征。从图1可以看出研究区2期速度场运动趋势整体表现以NE向为主。2013～2015年期间研究区内测点的运动方向基本一致，方向为北偏东，平均速率为6.8mm/a，速率较大区域集中在震中以南的天山中部区域。2015～2017年期间研究区测点速率较上一期有所增大，平均速率为7.3mm/a，增速较大区域集中在震中东南、西北区域。速率方向上大致沿83°E可以分为2个区域，两区域速率方向略有差异，西部区域运动速率方向偏北，东部区域速率方向基本与上期运动方向保持一致。

比较2013～2017年2期的速度场发现，研究区速度场逐年增强，南部区域速度场增速较快。速度场方向整体有逆时针偏转趋势，比较2期发现，发震构造以南部区域速度场方向较北部区域偏转更大。震中区域以库松木契克山前断裂为界，南部速率高于北部速率，距离震中较远区域速率增速大。这反映出了构造运动在震中区域受阻、出现闭锁区域、地壳应力能量有增强的趋势。这一速度场异常现象在2013年芦山地震、2014年康定地震前也曾出现（武艳强等，2013；夏峰等，2017）。震中附近区域GPS测点的速率和运动方向上均出现速度场异常，可为地震预测提供参考。

图1 区域水平运动速度场

2 区域应变场动态变化特征分析

基于连续变形假设模型，借助应变与应力线性关系，主应变大小可以反映出应力作用强弱趋势，可对研究区水平速度场空间分布进行趋势分析。采用孟国杰等（2009）、张希等（2005）的方法，利用最小二乘配置法建立水平运动速度值经验协方差函数，并借助位移与应变的偏导关系获得水平视应变场分布。武艳强等（2009）、张希等（1998）对应变场中模拟数据的分析对比认为，最小二乘配置法可稳定获得大范围应变场，几乎没有边缘效应。

2.1 主应变率动态变化

利用2013～2017年2期地球物理场GPS复测结果，由上述方法获得主应变率分布图（图2）。从图2中可以看出，研究区均以主压应变为主，张应变均出现在研究区东部区域。2013～2015年期间被主压应变覆盖，方向近SN。沿83°E线，以库松木契克山前断裂为界，断裂北部主压应变率高于断裂南部，断裂北部主压应变率最大值为－2.35×10－8/a，断裂南部主压应变率最小值为－0.98×10－8/a。断裂北部主压应变方向近SN，断裂南部主压应变方向为NNE。2015～2017年期间研究区虽仍表现出以主压应变为主趋势，但是东部区域的张应变区域面积有所增大，量值增高。沿83°E，以库松木契克山前断裂为界，断裂南部主压应变方向为NNW，北部主压应变方向为NNE，断裂南部主压应变率高于断裂北部，断裂南部主压应变率最大值为－2.31×10－8/a，断裂北部主压应变率最大值－1.55×10－8/a。研究区南部构造运动速率高于北部区域，造成断层北盘受到南盘向北推挤作用增大，断层面应力积累增强。断裂区域主压应变方向偏转变化有利于库松木契克山前断裂右旋剪切作用，造成断层失稳，诱发地震。

图2 主应变率场分布

2.2 面膨胀率动态变化

根据2013～2017年2期地球物理场GPS复测结果计算并绘制面膨胀率等值线（图3），2013～2015年面膨胀负值区占研究区大部分面积，研究区面膨胀基本在－1×10－8左右，负向极值区出现在研究区最南部，反映出天山以南的塔里木块体在向北推挤的过程中，北天山山盆交界区域处于压缩状态，震中区域处于应变积累区。2015～2017年面膨胀负值区面积有所缩小，负向极值区过渡到研究区最北部。震中区域仍表现为压缩状态，量值变化不大。研究区东、西部出现较大面积正值区，正向极值区出现在东部区域，这反映出EW向舒张作用增强，应变的梯度方向与震中区域断裂构造走向一致，致使震中区域剪切作用增大，利于剪切断层活动。2期观测结果显示距震中较远处出现拉张区域，面膨胀量值增大；震中区域一直保持收缩状态，量值变化不大，似乎存在闭锁现象。震中出现在正负等值线过渡密集区域，该区域是张压转换的形变高梯度带，能量容易聚集，是地震的易发区。

2.3 最大剪应变率动态变化

依据2013～2017年2期 GPS复测结果，计算并绘制最大剪应变变率等值线（图4），从图4可以看出，2013～2015年期间研究区整体剪应变较弱，剪应变高值区出现在震中北部的博阿断裂附近，剪应变极值为3.6×10－8。结合前面分析可知，在研究区整体处于压缩状态下，NW、NE向断裂受到较大的剪切作用，在研究区北部博阿断裂西段和研究区南部的断裂区域出现较大的剪应变区，符合区域构造的活动特征。2015～2017年期间研究区整体剪应变从西向东逐渐增强，沿发震构造出现最大剪应变梯度带，剪应变极值区出现在研究区东部区域，极值为5.6×10－8。2013～2017年期间震中区域最大剪应变基本保持不变。震中区域剪应变始终保持稳定，反映出此次逆冲地震走滑性质不强。

图3 面膨胀率等值线

图4 最大剪应变率等值线

3 结论与讨论

地震事件之间存在一定联系，大地震的发生可能影响邻近区域的地震活动趋势，在统一的构造力作用下，一些强震的发生会造成孕震区应力场调整（赵根模等，1987）。在地壳变形动态演化过程中，位于亚欧板块一隅的中国新疆区域，在周边板块作用下形成阿尔泰地震带、天山地震带、西昆仑地震带和阿尔金地震带等几个大的地震带。现今GPS研究证明新疆区域主要受到印度板块向北推挤的作用力。在2015尼泊尔8.1级地震后，西昆仑地震带及南天山地震带2015年末相继发生了皮山6.5级、兴都库什7.8级、塔吉克斯坦7.4级等一系列大地震，这些强烈的构造运动对精河区域的构造应力场均会产生一定的影响，导致2013～2015期与2015～2017期的速度场、主应变场产生一定变化，从而使得发震构造应变能积累进而形成闭锁区域。2016年玉树6.2级地震、呼图壁6.2级地震及2017年巴基斯坦6.4级地震、九寨沟7.0级地震等在相同地震带或者临近地震带上发生的构造活动，都是相近动力源作用下发生的构造运动，这些突然的地壳能量释放都可能影响甚至打破精河6.6级地震构造应力场原有的平衡，从而导致地震发生。

精河地震前震中附近区域速度场速率逐渐增大，发震断裂两盘构造运动速率不均，震中附近区域GPS测点的速率和运动方向存在差异，反映了地壳应变能量积累。震中区域主压应变率变化反映出应力调整过程。沿断层走向的张压转换的形变高梯度带和最大剪应变梯度带可为地震预报提供参考。

致谢：感谢野外观测人员的辛勤付出，感谢中国地震局第二监测中心崔笃信、朱良玉、刘雷等同志的帮助，感谢评审老师及编辑老师细致的修改及建议。