李瑞 李杰 劉代芹 蘇力坦·玉散 李桂榮

孫小旭2) 艾力夏提·玉山2)

1)中國地震局烏魯木齊中亞地震研究所，烏魯木齊 830011

2)新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊 830011

0 引言

新生代以來，受印度板塊持續(xù)向北推擠及歐亞板塊強(qiáng)烈碰撞作用的遠(yuǎn)程效應(yīng)影響，天山受到強(qiáng)烈擠壓而再次隆升，活躍的地質(zhì)構(gòu)造背景使其成為地震孕育與發(fā)生的“溫床”，成為國內(nèi)外地球動力學(xué)研究的熱點(diǎn)區(qū)域(Molnar et al，1975； 張培震等，1996)。天山地區(qū)的構(gòu)造演化特征研究始于20世紀(jì)70年代末(Tapponnier et al，1979)，GPS、InSAR等大地測量技術(shù)的發(fā)展為天山地區(qū)的地殼運(yùn)動特征研究提供了技術(shù)手段。西南天山地區(qū)地殼縮短率高達(dá) 10～20mm/a，具備6級以上地震的構(gòu)造條件和能量積累水平(王琪等，2000； 沈軍等，2001)，該區(qū)多次發(fā)生6級以上中強(qiáng)地震，如1902年阿圖什8級強(qiáng)震、1998年伽師6級強(qiáng)震群、2008年烏恰6.8級地震等。在天山隆升過程中，塔里木盆地與準(zhǔn)噶爾盆地接壤地帶形成了多個褶皺體為主的區(qū)域，如博格達(dá)弧形推覆構(gòu)造、柯坪逆沖推覆構(gòu)造、庫車推覆構(gòu)造等。

柯坪塊體位于塔里木盆地西北緣與西南天山的接壤地帶，塊體內(nèi)部形成了多排近EW走向、平行展布的推覆體，具體表現(xiàn)為地球表面隆起的間距10～15km、長70～200km的低山地貌特征。該地區(qū)地殼運(yùn)動活躍、變形幅度強(qiáng)烈，一直以來為年度強(qiáng)震危險區(qū)之一。塊體內(nèi)部斷裂發(fā)育，有多排逆沖型為主的NEE向斷裂，由南向北主要有柯坪斷裂、薩爾干塔格斷裂、奧茲格爾它烏塔格斷裂等，其中以柯坪斷裂規(guī)模最大、發(fā)育最長。值得注意的是，在眾多近EW走向?yàn)橹鞯臄嗔阎羞€發(fā)育有一條近SN走向的斷裂——皮羌斷裂，其將柯坪塊體分為東、西兩部分，各主要斷裂詳細(xì)位置見圖1。

圖1 1970年以來柯坪塊體5級以上地震的空間分布

國內(nèi)學(xué)者針對柯坪塊體做了大量相關(guān)的研究工作。唐蘭蘭等(2013)在研究柯坪塊體地震重復(fù)性時，發(fā)現(xiàn)皮羌斷裂以西的地區(qū)地震頻次及地震強(qiáng)度明顯高于東側(cè)區(qū)域，很可能是受到區(qū)域應(yīng)力加載作用產(chǎn)生地震頻發(fā)的現(xiàn)象。曲國勝等(2003)通過大量野外地質(zhì)考察得到了柯坪塊體各個斷裂帶的詳細(xì)信息。楊曉平等(2006)發(fā)現(xiàn)柯坪塊體西側(cè)的地殼縮短量比東側(cè)大5km，并且計算得到了地質(zhì)時間尺度下的地殼縮短速率為15.4～17.3mm/a。李安(2013)、閔偉等(2006)采用探槽開挖、年代測定、陡坎測量等方法和技術(shù)手段，對柯坪塊體古地震事件、斷層滑動速率等進(jìn)行了研究。而以GPS為技術(shù)手段專門針對柯坪塊體的相關(guān)大地測量研究成果屈指可數(shù)，對于柯坪塊體主要斷裂帶現(xiàn)今以來斷層閉鎖情況、滑動虧損速率等研究依然處于空白狀態(tài)。因此，本文主要借助柯坪塊體周緣的中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(以下簡稱陸態(tài)網(wǎng)絡(luò))區(qū)域站及新疆維吾爾自治區(qū)地震局在該地區(qū)加密布設(shè)觀測的多期GPS數(shù)據(jù)，基于負(fù)位錯反演原理計算得到柯坪塊體主要斷裂的斷層閉鎖情況及滑動虧損速率分布特征，以期為認(rèn)識區(qū)域活動構(gòu)造的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特征提供參考。

1 反演方法原理介紹

本文基于Defnode負(fù)位錯反演程序進(jìn)行計算。Defnode是在Linux系統(tǒng)下開發(fā)運(yùn)行的一套計算塊體間斷層旋轉(zhuǎn)、應(yīng)變、閉鎖程度的負(fù)位錯反演Fortran語言程序，反演計算原理為，假定塊體內(nèi)部點(diǎn)位的運(yùn)動為包含該點(diǎn)位在內(nèi)的塊體的剛性運(yùn)動和塊體邊界斷層耦合作用而引起的地表形變之和，程序可以利用GPS、水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計算，在此基礎(chǔ)上改進(jìn)Defnode程序?yàn)門Defnode，保留了原震間形變反演的模塊(McCaffrey，2009)，同時引入了連續(xù)GPS時間序列及InSAR LOS形變數(shù)據(jù)，得到了國內(nèi)外研究人員的廣泛使用。

反演模型采用GPS速度場為約束，通過模擬退火算法或網(wǎng)格搜索法來約束和限制塊體的旋轉(zhuǎn)和滑動斷層閉鎖情況，所用公式如下(McCaffrey，2002；Zhao et al，2020； 趙靜，2012)

(1)

其中， 前半部分代表塊體旋轉(zhuǎn)，用塊體旋轉(zhuǎn)極計算出塊體上所有節(jié)點(diǎn)剛性運(yùn)動速率，后半部分則代表了斷層閉鎖產(chǎn)生的影響。

為了表征斷層閉鎖強(qiáng)度，Defnode中定義了一個純動力學(xué)無量綱值φ，來表示斷層閉鎖情況，McCaffrey(2005)定義φ的公式為

(2)

其中，V代表斷層長期的滑動速率，VC代表短期的滑動速率， Σ代表斷層面上的網(wǎng)格區(qū)域，s代表斷層面上的區(qū)域網(wǎng)格面積。進(jìn)而可以計算出一個φ值，其物理意義具體表述為：當(dāng)φ=1時，表示斷層完全鎖定不能自由滑動； 當(dāng)φ=0時，表示斷層為完全蠕滑狀態(tài)。通常φ為介于0和1之間的一個數(shù)值，表示斷層處于部分蠕滑狀態(tài)。

在反演過程中，通常會對參數(shù)精度進(jìn)行評定以確定模型結(jié)果好壞。Defnode通過如下計算公式來進(jìn)行評定

(3)

2 模型構(gòu)建與精度評價

2.1 數(shù)據(jù)處理

陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)是由中國地震局、總參測繪導(dǎo)航局、中國科學(xué)院、國家測繪地理信息局、中國氣象局和教育部等多部委聯(lián)合實(shí)施的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，旨在獲取中國大陸地殼運(yùn)動特征并開展地震危險區(qū)監(jiān)視，同時兼顧測繪科學(xué)、氣象預(yù)報等其他應(yīng)用領(lǐng)域。盡管覆蓋絕大部分國土面積，但是在地震頻次多、強(qiáng)度大的西部地區(qū)，其點(diǎn)位分布仍然稀疏且不均勻，無法滿足局部精細(xì)的地殼運(yùn)動研究的需要。因此，為彌補(bǔ)這一缺陷，在陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域站基礎(chǔ)上，新疆維吾爾自治區(qū)地震局近些年在西南天山、帕米爾高原、柯坪塊體等地殼運(yùn)動活躍的地區(qū)大范圍加密布站觀測，為本文研究提供了詳實(shí)的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理則采用高精度開源免費(fèi)軟件GAMIT/GLOBK進(jìn)行基線平差計算，數(shù)據(jù)詳細(xì)解算流程眾多文獻(xiàn)中已有詳細(xì)闡述，本文不再贅述。值得注意的是，在平差過程中需要通過eq.name文件中相關(guān)參數(shù)設(shè)置扣除地震引發(fā)的同震形變信息，計算得到ITRF2014框架下的時間序列，通過坐標(biāo)時間序列分析得到ITRF2014框架下的速度場，進(jìn)一步通過cvframe命令轉(zhuǎn)換得到相對于歐亞大陸參考框架下的速度場來進(jìn)行后期反演計算工作。受篇幅限制，圖2 展示了部分流動站點(diǎn)去掉線性趨勢的時間序列，解算精度總體在1mm左右。

圖2 部分去掉線性趨勢的流動站點(diǎn)GPS時間序列

2.2 模型構(gòu)建

根據(jù)反演步驟，需要根據(jù)研究區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造特征對塊體進(jìn)行簡單的模型劃分。柯坪塊體北以邁丹-喀拉鐵克斷裂與南天山為界，南以柯坪斷裂與塔里木盆地為界。為簡化模型參數(shù)設(shè)置，將地質(zhì)上的東柯坪塔格斷裂和西柯坪塔格斷裂合并為柯坪斷裂，忽略了塊體內(nèi)部其他細(xì)小斷裂，并假定塊體處于均勻應(yīng)變狀態(tài)。因此，本文主要考慮山前的柯坪斷裂、皮羌斷裂和邁丹斷裂，將柯坪塊體劃分為A、B兩部分，南側(cè)塔里木盆地編為C塊體，北側(cè)天山編為D塊體?？紤]到塔里木盆地中GPS點(diǎn)位密度不足、分布稀疏的客觀情況，在塊體劃分時，為了盡可能多地納入塔里木盆地內(nèi)的GPS點(diǎn)，整個塊體劃分如圖3 所示。為研究伽師及鄰區(qū)地殼結(jié)構(gòu)特征，以及伽師1997—1998年6級強(qiáng)震群的成因，劉啟元等(2000)在伽師鄰近區(qū)域1.1×104km2范圍了布設(shè)了流動地震臺陣，發(fā)現(xiàn)塔里木盆地地殼厚度在40～52km，而柯坪塊體地殼厚度則增加至60～76km，故本文設(shè)定反演深度為65km。另外，還需進(jìn)一步了解斷層屬性，為簡化斷層模型，同樣對斷層傾角進(jìn)行了簡化處理，在查閱相關(guān)文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，總結(jié)了各斷裂屬性特征，見表1。節(jié)點(diǎn)設(shè)置前，先按照每隔10km的等深距離進(jìn)行了試算，以確定每條斷層完全閉鎖深度、部分閉鎖和完全蠕滑的大致分界面，然后根據(jù)不同斷層、不同閉鎖深度確定了不等深度的節(jié)點(diǎn)設(shè)置方案。斷層最終節(jié)點(diǎn)設(shè)置詳細(xì)信息如下：柯坪斷裂沿走向設(shè)置節(jié)點(diǎn)17個，沿斷層傾角方向設(shè)置11條等深線，共設(shè)置節(jié)點(diǎn)187個； 皮羌斷裂沿走向設(shè)置節(jié)點(diǎn)17個，沿斷層傾角方向設(shè)置12條等深線，共設(shè)置節(jié)點(diǎn)204個； 邁丹斷裂沿走向設(shè)置節(jié)點(diǎn)14個，沿著斷層傾角方向設(shè)置12條等深線，共設(shè)置節(jié)點(diǎn)168個。

圖3 研究區(qū)塊體模型劃分

表1 研究區(qū)主要活動斷裂屬性特征

2.3 反演結(jié)果評價

為確定模型反演擬合效果，分別將反演得到的相應(yīng)速度場模擬值和原始觀測值進(jìn)行比較(圖4)，并繪制速度場模擬值的殘差分布，如圖5 所示。結(jié)果顯示，此次反演計算得到的模擬值與實(shí)測值整體上較為吻合，除塔里木盆地東南方向上遠(yuǎn)離柯坪斷裂帶的少數(shù)幾個GPS站點(diǎn)反演殘差略大于 3mm/a，大部分站點(diǎn)反演殘差值均在1～2mm/a，點(diǎn)位密集的柯坪塊體地區(qū)反演殘差值在 1mm/a以內(nèi)，此外3條斷裂反演計算的卡方值均在 1mm/a左右，說明此次反演計算結(jié)果真實(shí)可信。

圖4 GPS測站速度場觀測值與模擬值對比

圖5 GPS測站速度場殘差分布

3 斷裂閉鎖程度與滑動虧損速率的分布特征

3.1 斷裂閉鎖程度

從斷層閉鎖反演結(jié)果(圖6)來看，NEE走向的柯坪斷裂全段在深度20km以內(nèi)處于完全閉鎖狀態(tài)，在20～40km之間處于部分閉鎖狀態(tài)，40km以下處于完全蠕滑狀態(tài)。SN走向的皮羌斷裂在深度10km以內(nèi)處于完全閉鎖狀態(tài)，在10～30km之間處于部分閉鎖狀態(tài)，30km以下處于完全蠕滑狀態(tài)，閉鎖深度與楊少敏等(2008)給出的皮羌斷層閉鎖深度接近35km的結(jié)論有細(xì)微差異。邁丹斷裂閉鎖情況復(fù)雜，存在明顯的分段現(xiàn)象，斷層從西南端到東北端斷層閉鎖深度逐漸遞減，自35km逐漸遞減至10km以內(nèi)，反映了邁丹斷裂相對復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造特征。

圖6 柯坪塊體各主要斷層閉鎖程度

3.2 斷裂滑動虧損速率的分布特征

由于塔里木盆地內(nèi)GPS點(diǎn)位少、間距大，反演計算得到的滑動虧損速率很可能受此影響，反演效果欠佳，因此僅展示皮羌和邁丹2條斷裂滑動虧損速率分布特征(圖7)。從反演結(jié)果來看，滑動虧損速率特征與閉鎖系數(shù)分布特征相似，這種相似的現(xiàn)象與閆歡歡(2017)、李寧等(2019)的反演結(jié)果一致。皮羌斷裂滑動虧損速率介于0～2mm/a之間，0～15km處的虧損速率較大，約為 1mm/a以上； 在15～30km處的滑動虧損速率小于 1mm/a；30km以下滑動虧損速率基本為0。邁丹斷裂滑動虧損速率稍大，介于0～3mm/a之間； 其中西南端滑動虧損速率介于2～3mm/a之間，深度也逐漸由35km過渡至20km左右。邁丹斷裂西南端(75°～76°)滑動虧損速率深度明顯低，很可能受到大型右旋走滑斷裂——塔拉斯-費(fèi)爾干納斷裂帶深部構(gòu)造的影響。

圖7 柯坪塊體各主要斷裂帶滑動虧損速率

4 討論

(1)運(yùn)用Defnode負(fù)位錯反演程序進(jìn)行斷層閉鎖與滑動虧損速率研究已在國內(nèi)外得到廣泛使用，并取得了一定的研究成果，而目前專門針對柯坪塊體相關(guān)的大地測量研究成果屈指可數(shù)，利用該方法針對柯坪、皮羌和邁丹3條斷裂的相關(guān)研究成果仍是空白。因此，本文利用柯坪塊體周緣的陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域站及新疆維吾爾自治區(qū)地震局加密布設(shè)觀測的GPS數(shù)據(jù)，估算了柯坪、皮羌和邁丹3條斷裂的閉鎖程度和滑動虧損速率，為分析評估3條斷裂的地震危險性提供了觀測約束，在一定程度上豐富了該地區(qū)基于GPS技術(shù)的大地測量研究成果。從反演結(jié)果來看，觀測值與模擬值較為一致，除少數(shù)幾個遠(yuǎn)離斷裂的殘差值在 3mm/a左右外，GPS點(diǎn)位密集處的計算殘差值在 1mm/a左右，反演效果真實(shí)可信。

(2)天山地區(qū)的中強(qiáng)地震主要發(fā)生在山體兩側(cè)的前陸逆沖推覆構(gòu)造帶上，地震實(shí)際上是在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用下，斷裂帶上應(yīng)變逐漸積累達(dá)到極值后導(dǎo)致突發(fā)失穩(wěn)的結(jié)果(張培震等，2013)。根據(jù)斷層亞失穩(wěn)判定方法來看，柯坪斷裂Benioff應(yīng)變積累能量水平能滿足6.8級地震的發(fā)生(宋春燕，2017)。通常情況下斷層閉鎖程度越高，也更容易產(chǎn)生應(yīng)變積累，如果應(yīng)變未通過斷層蠕滑運(yùn)動或者地震的方式得到釋放，那么閉鎖程度越高，滑動虧損速率也越大。反演結(jié)果表明，柯坪斷裂全段閉鎖深度在20km以內(nèi)，在20～40km之間處于部分閉鎖狀態(tài)，40km以下處于完全蠕滑狀態(tài)。SN走向的皮羌斷裂閉鎖深度則在10km以內(nèi)，在10～30km之間處于部分閉鎖狀態(tài)，30km以下處于完全蠕滑狀態(tài)。利用USGS給出的1970年以來4級以上地震目錄，篩選了柯坪、皮羌2條斷裂10km范圍內(nèi)的地震事件，統(tǒng)計結(jié)果表明，斷裂處于部分蠕滑狀態(tài)深度以內(nèi)的地震事件占比分別為88%和71%。2020年伽師MS6.4 地震的震源深度為14.4km，余震序列定位統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢破裂深度主要在中地殼內(nèi)，73%的余震均集中發(fā)生在10～20km(冉慧敏等，2020)，與本文柯坪斷裂完全閉鎖深度相一致，也進(jìn)一步說明斷層閉鎖程度越高的地方發(fā)生地震的可能性也更大。

(3)邁丹斷裂是柯坪塊體與西南天山山前的根部斷裂，第四紀(jì)以來的活動性依然很強(qiáng)，作為由多條次級斷裂組成的復(fù)雜斷裂帶，其最大寬度達(dá)17km，該斷裂歷史上發(fā)生的強(qiáng)震致使垂直位錯量達(dá)2m(吳傳勇等，2014)，對于這種由多條次級斷裂組成的斷裂，在斷層模型設(shè)置上無疑困難重重，不能真實(shí)反映斷裂真實(shí)的走向特征。邁丹斷裂以南為低角度的逆掩柯坪塔格逆沖薄皮推覆構(gòu)造，以北則是高角度逆沖的厚皮構(gòu)造，控制了該地區(qū)的地形地貌和沉積構(gòu)造(陳杰等，2001)。關(guān)于邁丹斷裂的性質(zhì)，隨著時間的推移也存在不同的認(rèn)識，陳杰等(2001)認(rèn)為該斷裂自晚更新世以來垂直運(yùn)動明顯，野外考察斷裂兩側(cè)無明顯的左旋錯動，認(rèn)為邁丹斷裂是一條逆沖為主的斷層； 郭建明(2002)則認(rèn)為，邁丹斷裂阿合奇段為NEE走向的活動性不是很強(qiáng)的左行走滑斷裂； 賈啟超(2015)通過遙感解譯、探槽開挖、階地測量等多種手段，表明邁丹斷裂是一條逆沖走滑型斷裂。邁丹斷裂西南端與塔拉斯-費(fèi)爾干納斷裂相連接，作為一條橫切天山的大型右旋走滑斷裂，右旋量值在60～250km，構(gòu)造變形強(qiáng)烈，是調(diào)節(jié)擠壓應(yīng)變、控制天山隆升的重要構(gòu)造單元(楊少敏等，2008)。因此，相對地處構(gòu)造環(huán)境簡單的柯坪斷裂及皮羌斷裂，反演計算揭示的邁丹斷裂斷層閉鎖系數(shù)與滑動虧損速率分布特征也更為復(fù)雜，西南端閉鎖深度較深的原因也很可能受到塔拉斯-費(fèi)爾干納斷裂深部構(gòu)造的綜合影響。

5 主要結(jié)論

本文以陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域站及新疆維吾爾自治區(qū)地震局加密的GPS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用Defnode負(fù)位錯反演程序計算得到了柯坪、皮羌和邁丹3條斷裂的閉鎖及滑動虧損速率分布特征。取得的主要結(jié)論如下：柯坪斷裂在深度20km以內(nèi)處于完全閉鎖狀態(tài)，20～40km之間處于部分蠕滑狀態(tài)，40km以下處于完全蠕滑狀態(tài)； 皮羌斷裂全段在深度15km以內(nèi)處于完全閉鎖狀態(tài)，15～30km之間處于部分蠕滑狀態(tài)，30km以下處于完全蠕滑狀態(tài)，滑動虧損速率介于0～2mm/a； 邁丹斷裂閉鎖系數(shù)與滑動虧損速率分布特征相對復(fù)雜，西南端完全閉鎖深度從35km逐漸遞減至東北端的10km左右，究其原因，一方面可能是相比柯坪和皮羌斷裂，邁丹斷裂本身為一條大型復(fù)雜斷裂帶，地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜，另一方面是因?yàn)槠湮髂隙撕芸赡苁艿剿?費(fèi)爾干納斷裂帶深部構(gòu)造的綜合影響。

致謝：中國地震局烏魯木齊中亞地震研究所及新疆地球物理觀測中心同事長年累月辛苦的野外觀測工作，為本文提供了詳實(shí)寶貴的數(shù)據(jù)； 部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于中國大陸構(gòu)造監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目； 在反演計算過程中得到了中國地震臺網(wǎng)中心趙靜、中國地震局地震研究所王偉的指導(dǎo)幫助和建設(shè)性意見，在此一并表示感謝。