劉代芹， LIU Mian， 王海濤, 李杰*， 程佳， 王曉強

1 新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊　830011 2 University of Missouri, Columbia, MO 65211, USA 3 中國地震臺網(wǎng)中心， 北京　100045

天山地震帶境內外主要斷層滑動速率和地震矩虧損分布特征研究

劉代芹1， LIU Mian2， 王海濤1, 李杰1*， 程佳3， 王曉強1

1 新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊830011 2 University of Missouri, Columbia, MO 65211, USA 3 中國地震臺網(wǎng)中心， 北京100045

摘要本文搜集、整理1998—2013年境內外天山及周邊地區(qū)(包括中國新疆、哈薩克斯坦、吉爾吉斯斯坦等)500余個GPS觀測點數(shù)據(jù)，采用GAMIT/GLOBK軟件對其進行解算和平差計算，并利用了彈性塊體模型計算區(qū)域塊體邊界斷層閉鎖深度、塊體運動參數(shù)和主要活動斷層的滑動速率.研究結果表明，東、西昆侖地震帶閉鎖深度最大(19 km)，其次為南天山地區(qū)，閉鎖深度達到17 km，閉鎖深度最小的為哈薩克斯坦(13 km)；各塊體相對歐亞板塊作順(逆)時針旋轉，旋轉速率最大( -0.7208±0.0034°/Ma)為塔里木塊體，其圍繞歐拉極(38.295±0.019°N, 95.078±0.077°E)順時針方向轉動，旋轉速率最小為天山東段(0.108±0.1210°/Ma)，而天山東、西兩段無論是在旋轉速率上還是在旋轉方向上都有顯著的區(qū)別.西昆侖斷裂帶的滑動速率(10.2±2.8 mm·a-1)最大，南天山西段滑動速率為9.5±1.8 mm·a-1，其東段為3.9±1.1 mm·a-1；而北天山東段滑動速率(4.7±1.1 mm·a-1)高于北天山西段(3.7±0.9 mm·a-1)；塔里木盆地南緣的阿爾金斷裂帶平均滑動速率為7.6±1.4 mm·a-1，其結果與阿勒泰斷裂帶滑動速率(7.6±1.6 mm·a-1)基本相當；天山斷裂帶運動方式主要以擠壓為主，而阿爾金、昆侖、阿爾泰以及哈薩克斯坦斷裂帶均是以走滑運動方式為主，除阿勒泰斷裂帶走滑方式為右旋以外，其余幾個斷裂帶均為左旋運動.最后，利用主要斷裂帶的滑動速率計算出各地震帶的地震矩變化率以及1900年以來地震矩累計變化量，其結果與利用地震目錄計算所得到的地震矩進行比較，判定出各地震帶上地震矩均衡分布狀態(tài)，研究結果顯示阿爾金、西昆侖、東昆侖和北天山東段斷裂帶存在較大的地震矩虧損，均具有發(fā)生7級以上地震的可能性，南天山東段和哈薩克斯坦斷裂帶地震矩虧損相對較小，具有孕育6～7級地震的潛能，而天山西段、阿勒泰地震矩呈現(xiàn)出盈余狀態(tài)，不具在1～3年內有發(fā)生強震的可能.

關鍵詞彈性塊體； GPS； 斷層； 滑動速率； 地震矩虧損

1引言

活動構造學是研究大地構造和新構造發(fā)展史中最接近現(xiàn)代的最新構造活動，它緊密地與現(xiàn)代地殼運動觀測技術(如GPS、重力、InSAR和地磁等)相結合，通過其觀測可以進一步得到活動構造的現(xiàn)今運動狀態(tài).中亞地區(qū)巖石圈新生代和現(xiàn)代構造變形的最顯著特征是活動斷裂十分發(fā)育，將天山構造帶周邊區(qū)域切割成為不同級別的構造地塊，地塊內部相對穩(wěn)定，而地塊邊界構造活動較強烈，絕大多數(shù)強震都發(fā)生在地塊邊界的活動構造帶上(鄧起東等，2002)，天山構造帶周邊區(qū)域一直是全球地震多發(fā)區(qū)之一(圖1)，新疆境內發(fā)生的6級以上強震基本都位于該區(qū)域,其中包括多次8級左右強震,如1906年瑪納斯7.7級強震、1902年阿圖什8級強震、1931年富蘊8.0級地震和2001年昆侖山8.1級強震，其中在南天山與帕米爾交界的喀什地區(qū)，更是全球大陸強震的高發(fā)區(qū)，包括了1996年發(fā)生的阿圖什—伽師強震群,該震群包括了10余次6級以上強震活動.

中亞地區(qū)有亞歐最主要、年輕的山系——天山、西昆侖山、阿爾金山和阿勒泰山，山體之間夾著塔里木盆地和準噶爾盆地，在塔里木盆地東北邊緣有兩個相對較小的焉耆盆地和吐魯番—哈密盆地,可見，中亞地區(qū)是一個活動構造較為復雜的地區(qū)，這里是地學專家們研究地質構造的優(yōu)越實驗場地.近十幾年來，許多學者對新疆乃至全國的活動斷裂進行了大量的調查與研究，積累了豐富的資料，提出了斷塊構造理論(張文佑,1984)和活動亞板塊、構造地塊學說(馬杏垣,1989；丁國瑜,1991)，認為板塊內部以地塊運動為主要特征，地塊活動是板塊內部構造活動的最基本形式,鄧起東等(2002)認為板塊邊界構造帶是最重要的活動構造帶,塊體邊緣斷裂是強震孕育的主要區(qū)域,90%以上的7級強震均發(fā)生在塊體邊緣.

圖1　1900—2013年4級以上地震分布圖Fig.1　Map of the epicenters of earthquake ( Magnitude≥4) from 1900 to 2013 in the Tianshan region

諸多研究學者利用GPS資料，并采用不同方法研究了天山及附近地區(qū)的地殼形變特征, 大多數(shù)專家(Wang et al.，2001；黨亞民等，2002；王曉強等，2006，2007；王治民等，2007；Mohadjer et al.，2010；李杰等，2012)的研究結果只是針對天山及鄰近地區(qū)的地殼形變特征進行了初步分析，即給出了各測點的運動速率、應變場變化特征，少數(shù)研究學者(Meade，2007；牛之俊等，2006；楊少敏等，2008；)給出了天山部分地區(qū)主要斷層的滑動速率結果，但只有Wang等(2011)大致給出了新疆地區(qū)的平均閉鎖深度和主要斷裂帶的地震矩分布特征，其研究內容并未對境內外天山及周邊地區(qū)進行細化，因此，為了能更清晰地研究整體上天山及周邊地區(qū)的主要塊體、斷裂帶的運動參數(shù)及地震矩均衡分布特征，本文將天山境外地區(qū)細化分為8個塊體，深入研究各塊體的運動特征、閉鎖深度和各斷裂帶的滑動速率，最后主要分析各斷裂帶上地震矩虧損與強震之間的響應關系.

針對新疆區(qū)域地塊劃分的研究,作者查閱了許多專家的文獻,發(fā)現(xiàn)劃分結果有很多種,如Avouac等(1993)根據(jù)研究內容需要將新疆區(qū)域大致劃分為兩個塊體；張培震等(2003)、Replumaz等(2003)、Chen等(2004)和Wang等(2011)研究結果將新疆區(qū)域劃分為3個大的塊體進行研究；張國民等(2005)比上述研究者增加了一個塊體(阿勒泰塊體)；牛之俊等(2006)在研究天山地殼形變特征時將天山首次劃分為東、西天山兩部分塊體；而朱紅彬等(2010)在進行研究中，只是將新疆區(qū)域大致劃分為一個新疆塊體(西域塊體).可見,根據(jù)研究的內容不同，劃分的結果也是不一樣的，但塊體劃分的原則基本不變,即均是沿著斷裂帶進行了大致劃分.本文在進行“塊體劃分”時(圖2),作者查閱了鄧起東、張培震和徐錫偉等有關地質構造研究結果，根據(jù)各個不同構造及斷裂帶的分布進行了大致劃分.由于本文采用的計算模型要求各塊體必須閉合，因此，作者在進行塊體劃分時，采用的基本原則是以主要活動斷層為主、次斷層為輔.由于塊體邊界一般是由一系列斷裂耦合構成,因此作者根據(jù)本文計算程序的需要，盡可能地選擇多條且活動性相對較強的斷層，將其進行耦合成為塊體的邊界，當然這種塊體的大致劃分忽略了個別斷層特性的獲取,對本文的計算精度有一定的影響,但針對本文的最終研究結果影響不大.本文將天山及周邊地區(qū)簡化為8個塊體進行研究，分別為塔里木、焉耆、吐魯番—哈密、天山(西)、天山(東)、準噶爾塊體、阿爾泰塊體和哈薩克斯坦塊體，每個塊體都包含著不同數(shù)量的GPS點位(圖2)，由于哈薩克斯坦塊體邊界斷層數(shù)據(jù)缺失，塊體的劃分將按照地震活動性進行初步劃分.最后將利用彈性塊體模型對中亞主要地塊的運動、變形及地塊間斷裂帶的變形進行統(tǒng)一研究，確定各主要地塊的運動參數(shù)以及估算主要斷層的滑動速率，分析該地區(qū)的地震矩均衡分布狀態(tài).本文研究為揭示中亞地塊及斷裂帶形變的基本格局及地震危險性判定具有十分重要的意義.

圖2　塊體劃分與GPS點位分布圖1 塔里木； 2 焉耆； 3 吐魯番—哈密； 4 天山(西)； 5 天山(東)； 6 準噶爾； 7 阿勒泰； 8 哈薩克斯坦.Fig.2　The configuration of the elastic block model and the location of GPS stations 1 Tarim; 2 Yanqi; 3 Turpan-Hami; 4 Tianshan (West); 5 Tianshan (East); 6 Junggar; 7 Altay; 8 Kazakhstan.

2數(shù)據(jù)處理

2.1GPS原始數(shù)據(jù)處理

本文采用麻省理工學院(MIT)解算軟件GAMIT/GLOBK進行GPS數(shù)據(jù)處理.首先用GAMIT解算每期區(qū)域網(wǎng)觀測結果的測站坐標和衛(wèi)星軌道的單日松弛解，然后利用GLOBK融合IGS連續(xù)站和中國大陸基準站單日松弛解，最終得到各GPS測站相對歐亞板塊的速度(圖3a)和各測站點的位移矢量.據(jù)統(tǒng)計，測站平均位移速率精度誤差在0.3～2 mm·a-1.

2.2彈性塊體模型原理

Okada(1985)、McCaffrey(1988,2002)通過彈性半空間位錯模型描述了閉鎖斷層附近的應變，Savage和Burford(1973)利用一維彈性位錯模型和震間的大地測量數(shù)據(jù)研究相對斷層的滑動速率，有

(1)

其中，v是GPS測站速率，v0是斷層的滑動速率，x是測點到滑動斷層的距離，D是滑動斷層閉鎖的深度.

但上述模型只是適合計算簡單的、單一的斷層滑動速率，并未考慮塊體的旋轉、斷層傾向和多個塊體運動參數(shù).鑒于上述原因，Meade等(2002)和 Meade和Hager(2005) 在原有基礎上了，對一維模型進行了擴展，使其適用于斷層的二維、三維運動模擬計算中，

(2)

其中T為整體震間位移總和，vI是同震形變速率，d 是同震滑動分量，xS是測站坐標，xF斷層幾何參數(shù).

利用彈性位錯模型原理(Okada, 1992)，假定f是線性變化，將可以通過塊體的運動速度vB和每年同震滑動虧損速度來計算斷層的震間運動速度vCSD：

vI=vB(xS)-xG(xS, xF)=vB(xS)-vCSD(xS, xF).

(3)

將以上方程運用到球體框架上，對每個塊體都可以直接計算出旋轉幾何分量Ω(Ωx,Ωy,Ωz)：

(4)

圖3　GPS速率及模擬殘差分布圖(a) GPS觀測速率分布； (b) GPS模擬速率分布； (c) GPS模擬殘差分布.Fig.3　GPS site velocities and the map of the residual values(a) The observed GPS site velocities (relative to the Eurasia Plate); (b) The simulated GPS velocities; (c) The residuals between the observed and simulated GPS site velocities.

(5)

其中r是速率殘差分量，C是協(xié)方差矩陣.

彈性塊體模型計算得到的任何一個斷層滑動速率必須滿足塊體內部一致性，即任何封閉路徑積分的速度矢量和為零(Meadeetal.,2002).Meade和Hager(2005)采用其原理編制了一套計算塊體運動的程序包，本文將假定各研究塊體均是封閉狀態(tài)(圖2)，且斷層的位移方式適合彈性半空間模型(Okada,1985)，泊松比選取了0.25，本文應用其程序計算境內外天山及鄰近區(qū)域塊體運動參數(shù)和斷裂帶滑動速率.

2.3模擬計算

本文通過境內外天山及鄰近地區(qū)GPS速度場，并利用彈性塊體模型模擬該地區(qū)地殼運動速率.首先試驗、調整所輸入的初始條件(各閉合塊體邊界坐標、塊體內部點位坐標、邊界斷層幾何形狀、傾角、走滑方向和閉鎖深度初值定義)，經(jīng)過多次試驗后得到最佳模型使所有GPS殘差2達到最小.最終模擬出GPS速率結果(圖3b)，使其與原始GPS數(shù)據(jù)比較，求出其GPS東西和南北方向的速度分量殘差值(圖3c)，統(tǒng)計速度殘差結果顯示，東西向速度分量殘差平均值為0.13 mm·a-1，南北方向速度殘差分量為0.52 mm·a-1，可見，模擬計算結果可靠，置信度達到90%以上.

3模擬結果分析

3.1主要斷層閉鎖深度和塊體旋轉運動特征

3.1.1主要斷裂帶閉鎖深度

本文選取了不同區(qū)域內的主要活動斷層進行解算，首先將塊體模型賦予一個閉鎖深度的估算初始值，然后分別調試各塊體邊界的閉鎖深度，使2變化量達到最小，最終得到不同區(qū)域的斷層閉鎖深度(圖4).計算結果表明，位于塔里木盆地南緣的阿爾金斷裂帶其閉鎖深度為14±2 km，該地區(qū)分布有阿爾金斷層、江尕勒薩依等多個左旋走滑逆沖斷層.塔里木盆地西南邊緣的昆侖山斷裂帶閉鎖深度為19±3 km；而位于塔里木盆地北緣的南天山地區(qū)閉鎖深度為17±3 km，該地區(qū)主要有柯坪、普昌等一系列斷層組成.準噶爾南緣的北天山閉鎖深度為16±3 km，該地區(qū)主要包括霍爾果斯—瑪納斯—吐谷魯、獨山子—安集海等主要斷層.準噶爾東北部的阿勒泰山地區(qū)的閉鎖深度為14±3 km，該地區(qū)斷層均屬于右旋走滑，而昆侖山、阿爾金山、天山地區(qū)活動斷層基本上以左旋走滑為主.另外，由于哈薩克斯坦地區(qū)的GPS點位分布較少，且點與點之間距離較遠，大致計算出其閉鎖深度為13±3 km.本文計算結果與前人給出的研究結果基本吻合，如張國民等(2005)認為在中國西部震源深度平均18±8 km，而新疆地區(qū)的平均震源深度為21±3 km；馬宗晉和薛鋒(1983)提出的中國大陸易震層的深度范圍為10～25 km；王海濤等(2007)研究得出北天山地震帶的平均震源深度為19 km；李瑩甄等(2008)認為天山地震的優(yōu)勢震源深度段為16～25 km；Wang等(2011)研究結果給出了新疆整體地區(qū)平均閉鎖深度為9 km.因此，本文計算結果具有可靠性，為下一步研究提供了科學依據(jù).

圖4　滑動速率、卡方百分比與閉鎖深度關系圖(a) 阿爾金斷裂帶; (b) 昆侖山斷裂帶; (c) 南天山斷裂帶; (d) 北天山斷裂帶; (e) 阿勒泰斷裂帶; (f) 哈薩克斯坦斷裂帶. 藍色代表滑動速率，紅色代表隨閉鎖深度不同的2變化量，粉色代表最佳閉鎖深度，陰影部分代表滑動速率的不確定性(±1 mm·a-1)Fig.4　Correlation of slip rate, Chi-Square test score, and the locking depth(a) Alkin fault zone; (b) Kunlun fault zone; (c) Southern Tianshan fault zone; (d) Northern Tianshan fault zone; (e) Altay fault zone; (f) Kazakhstan fault zone.Blue color represents slip rates, red color represents 2 variation with locking depths, pink color represents the optimum locking depth, shaded parts represents uncertainty of slide rate (±1 mm·a-1).

3.1.2塊體旋轉運動特征

為了能較清晰研究各塊體的運動特征，本文將研究區(qū)域劃分為8個塊體，即塔里木、焉耆、吐魯番—哈密、天山(西)、天山(東)、準噶爾、阿勒泰和哈薩克斯坦塊體.利用彈性塊體模型計算，分別獲得各塊體的運動參數(shù)見表1.

8個塊體中有4個塊體為順時針旋轉，其余塊體為逆時針運動.塊體旋轉速率較大的為塔里木塊體(圖5)，為-0.7208±0.0034°/Ma,其圍繞歐拉極(38.295±0.019°N, 95.078±0.077°E)相對歐亞板塊作順時針旋轉.England和Molnar(1997)，Holt等(2000)，牛之俊等(2006)，Wang等(2011)的結果與本文結果基本一致，前兩者均采用地質資料獲得了該塊體的運動參數(shù)，后兩者基于彈性塊體模型，分別采用McCaffrey和Meade計算程序而獲得參數(shù).研究表明塔里木地塊向北東向運動并兼順時針轉動，其原因可歸結于阿爾金、昆侖山及天山左旋走滑斷層之間作順時針方向旋轉，這與前人所研究的結果有所差別，是因為彼此自定義運動參考基準不同, 但其最終結果不影響塔里木盆地作為剛性地塊順時針旋轉和境內天山匯聚速率由西向東遞減這一結論(Wang et al.，2001；王曉強等，2006，2007).

表1　主要塊體旋轉參數(shù)

注： ① 正值代表塊體逆時針旋轉，反之，代表順時針旋轉．

位于東天山南緣的兩個較小的盆地，即焉耆盆地、吐魯番—哈密盆地分別圍繞歐拉極(37.478±0.033°N，93.359±0.042°E)、(43.519±4.742°N，101.692±3.484°E)相對歐亞塊體均作順時針旋轉，其角速度分別為-0.5097±0.0012°/Ma和-0.1843±0.049°/Ma.二者相比較，吐魯番—哈密塊體相對運動較慢，其原因是焉耆塊體位于南北天山交匯部位，該地區(qū)構造運動相對活躍，其地殼動力驅駛焉耆盆地快速旋轉.

天山(西)塊體整體圍繞歐拉極(38.436±1.248°N，53.188±1.475°E)作逆時針旋轉，其角速度0.108±0.1210°/Ma，天山(東)塊體與天山(西)運動方向相反，其圍繞歐拉極(34.396±0.015°N，104.008±0.045°E)作順時針旋轉，角速度為0.282±0.1639°/Ma，相對天山(西)塊體運動較快，其結果與牛之俊等(2006)基本一致.

準噶爾塊體圍繞歐拉極(42.062±0.021°N，65.772±0.078°E)以速度0.3486±0.0022°/Ma作逆時針旋轉，與Wang等(2011)研究結果基本一致，其旋轉速度比其略高0.06°/Ma，但牛之俊等(2006)研究結果表明準噶爾塊體以(35.5995°N，110.1046°E，-0.3082°/Ma)順時針旋轉.

阿勒泰和哈薩克斯坦塊體分別圍繞歐拉極(45.519±0.203°N，77.589±0.266°E)、(49.864±0.177，61.861±1.549)以速率0.1835±0.0080°/Ma、0.0783±0.0237°/Ma作逆時針旋轉，從旋轉速度上來看，哈薩克斯相對歐亞板塊只是作輕微的逆時針方向運動，這可能是在該區(qū)域內GPS 測站稀少、分布不均勻所導致的.

根據(jù)塊體計算結果可以看出,各個塊體的旋轉方向和運動速率具有不一致性,特別是位于天山南、北兩側的塔里木和準噶爾兩個盆地塊體,其旋轉方向相反,運動速率也相差2倍.就兩盆地塊體而言，其邊界活動性較強的塊體是塔里木盆地，這與該盆地所處的構造環(huán)境密切相關.塔里木地塊東南邊界為阿爾金斷裂帶，西南和北邊界分別由活動性較強的帕米爾西緣的西昆侖斷裂帶和南天山斷裂帶組成，青藏高原構造應力的強烈推擠決定了塔里木盆地塊運動方向和速率.而準噶爾盆地的形狀是三角形，其南臨北天山褶皺和逆沖斷裂帶，西北接西域活動地塊邊界的一部分，東北臨額爾齊斯河斷裂帶和富蘊斷裂帶.準噶爾地塊內部構造活動性微弱(馬杏垣,1989；丁國瑜,1991；鄧起東，2002)，近年來沒有中強地震發(fā)生.雖然塔里木地塊內部構造活動性較弱，但于2012年03月09日在新疆洛浦(81.3°E,39.4°N)發(fā)生MS6.0級地震；準噶爾盆地西南緣GPS點位速率約為7～8 mm·a-1的量級,而塔里木塊體邊緣點位平均運動速率約為13 mm·a-1,表明塔里木塊體地震活動性相對準噶爾地塊較強.

圖5　塊體運動速率圖 (單位為rad/Ma)Fig.5　The motion of the blocks (Unit: rad/Ma)

圖6　主要斷裂帶運動速率分布圖(單位： mm·a-1)Fig.6　The distribution of slip rates on the main faults (Unit:mm·a-1)

3.2主要斷層滑動速率

本文通過固定閉鎖深度，估算得到各斷裂帶的最佳滑動速率結果(見表2).各個斷裂帶的滑動速率和運動方式具有不統(tǒng)一性(圖6)，阿爾金、昆侖山、阿勒泰斷裂帶以及哈斯克斯坦等斷裂帶的運動方式主要以走滑為主，而南、北天山斷裂帶的運動方式基本上以擠壓為主，且除了阿勒泰斷裂帶走滑方式為右旋以外，其余幾個主要斷裂帶走滑方式均以左旋運動為主.

本文中的9條斷裂帶活動性相比較而言，西昆侖斷裂帶最活躍，主要原因是該地區(qū)受青藏高原構造應力推擠作用的影響，其南北邊界分別為喀喇昆侖斷裂和天神達坂斷裂(鄭劍東,1993；陳應濤等, 2010)，喀喇昆侖斷裂表現(xiàn)為右旋走滑作用，而天神達坂斷裂在1996年11月19日發(fā)生過左旋走滑型的MS7.1級地震(羅福忠等,2003).另外，由于昆侖山東、西兩部分斷裂帶滑動速率有較明顯的差異，因此，本文將昆侖山斷裂帶分為東、西兩部分逐一進行計算.研究結果表明西昆侖斷裂帶比東昆侖相對活躍，西昆侖斷裂走滑速率優(yōu)于東部的走滑速率約3.7 mm·a-1，西昆侖斷裂走滑速率為9.5±1.7 mm·a-1，擠壓速率為3.7±2.2 mm·a-1；而東部走滑速率為5.8±0.5 mm·a-1，擠壓速率為2.3±1.7 mm·a-1.牛之俊等(2006)認為西昆侖斷裂帶的走滑速率應為13.7±2.2 mm·a-1，東昆侖的滑動速率較西昆侖小，為2.4～5.4 mm·a-1；England和Molnar(2005)也給出了其結果，認為西昆侖走滑速率為9.0±2.0 mm·a-1，東昆侖速率為6.0±4.0 mm·a-1；Wang等(2011)利用彈性模型也給出了昆侖山東西段的走滑速率分別為10.1±1.2 mm·a-1和0.5±2.0 mm·a-1，擠壓速率分別為3.0±2.0 mm·a-1和3.0±1.1 mm·a-1；Meade(2007)認為西昆侖的走滑速率為2 mm·a-1，東昆侖為10 mm·a-1； Wang和Meade結果認為東部的走滑速率優(yōu)于西部，與本文及上述研究者結論有所不同.

表2　主要斷裂帶的走滑和擠壓或拉張速率結果

注： ① 正值代表斷層左旋，反之，代表右旋； ② 正值代表拉張(正斷層)，反之，代表壓縮(逆斷層).

南天山斷裂帶相對較活躍，其西段運動方式以擠壓為主，擠壓速率為8.7±1.3 mm·a-1，南天山東段擠壓速率(3.1±0.9 mm·a-1)相對較小.北天山東段斷裂帶活動性略高于西段1 mm·a-1，其東段擠壓速率為4.1±0.8 mm·a-1，西段為3.2±0.9 mm·a-1.England和Molnar(2005)利用地質資料研究表明天山西段滑動速率為18.0±6.0 mm·a-1，東段為5.0±2.5 mm·a-1；牛之俊等(2006)認為南天山西段擠壓速率為9.0±1.0 mm·a-1，東段為4.1±2.2/a，而北天山西段擠壓速率為2.4±0.6 mm·a-1，東段擠壓速率為3.6±1.7 mm·a-1.Yang等(2005)和Wang等(2011)均將天山劃分為南北兩部分，前者研究結果為南天山滑動速率為10～13 mm·a-1，北天山滑動速率應為2～12 mm·a-1，后者認為南天山擠壓速率為6.8±0.8～2.9±1.0 mm·a-1，北天山速率6.3±1.1 mm·a-1.Burchfiel等(1999)研究認為準噶爾盆地南緣的北天山第四紀平均縮短速率為2～6 mm·a-1,鄧起東等(2000)研究表明全新世以來北天山的縮短速率估計在2～5 mm·a-1,楊少敏等(2008)估算烏魯木齊凹陷前緣的滑脫斷層傾滑速率為4～5 mm·a-1，上述研究結果與本文基本一致.從南、北天山的運動方式和滑動速率量級可以清楚看到，天山的構造運動主要集中分布在天山褶皺帶上，其中以北天山吉爾吉斯斯坦依賽克湖以西地區(qū)、南天山與西昆侖北緣及帕米爾高原結合部位較為明顯.天山東西兩段的地殼縮短變形量有明顯差異, 從西到東地殼匯聚幅度呈遞減的勢態(tài)(王琪，2000)，這一結果表明隨著天山從西到東逐步遠離板塊邊界, 板塊的推擠作用力逐漸減弱,天山的褶皺變形相應趨緩.

位于青藏高原與塔里木盆地邊界帶的阿爾金斷裂經(jīng)歷了巨大的左旋走滑運動(Molnar et al.，1987)，是地球上最大的走滑斷層和亞洲大陸滑移速率最快、最活躍的構造斷裂之一(Yue et al.,2001).諸多研究學者給出其不同的滑動速率結果,如Peltzer和Tapponnier(1988)給出了20～30 mm·a-1的全新世滑動速率,國家地震局《阿爾金活動斷裂》課題組(1992)獲得的全新世滑動速率只有3～5 mm·a-1，二者給出的結果相差較大.本文通過彈性塊體模型計算了阿爾金斷裂帶滑動速率，其結果顯示，該斷裂帶平均走滑速率7.3±0.8 mm·a-1，擠壓速率為2.2±1.1 mm·a-1.Shen等(2000)利用GPS作剖面的方法研究阿爾金斷裂左旋走滑速率為5.1±2.0 mm·a-1，Bendick等(2000)和Shen等(2001)均認為其現(xiàn)今滑動的速率不過9 mm·a-1，Wallace等(2004)的實測結果為9±4 mm·a-1，牛之俊等(2006)研究結果為8～10 mm·a-1，地質學者Mériaux等(2005)和Cowgill等(2009)分別給出了該斷裂帶的滑動速率17.8±3.6 mm·a-1、9～14 mm·a-1，Wang等(2011)等計算結果顯示該斷裂帶的走滑速率為6.9±0.9 mm·a-1.本文計算得到的結果與上述部分研究學者(Shen等；Bendick等；Wallace等；牛之俊等；Wang等)的基本一致.阿爾金構造區(qū)域主要受到近南北向印度板塊對歐亞大陸的擠壓和巴顏喀拉塊體向東拉張作用的影響，易發(fā)生左旋走滑與正斷型為主的地震，阿爾金斷裂帶左旋走滑向拉張逐漸過渡過程中曾于2008和2014年發(fā)生過兩次MS7.3級地震.兩次地震具有相同的力源，從運動方式上看，2008年MS7.3級地震的拉張運動對2014年MS7.3級地震有明顯的促進作用(程佳等，2014).

阿勒泰斷裂帶運動主要以右旋走滑為主，平均走滑速率為6.8±1.3 mm·a-1，主要受西伯利亞板塊和準噶爾塊體的擠壓.Calais等(2003)和王曉強等(2006)研究結果顯示該斷裂帶右旋走滑速率為2～3 mm·a-1；譚凱等(2007)給出了其走滑結果約為6 mm·a-1；Wang等(2011)計算結果也顯示該地區(qū)斷裂帶走滑速率為4.9～7.9 mm·a-1.因此，本文計算結果比Calais等(2003)和王曉強等(2006)計算得出的走滑速率大3～4 mm·a-1，但與上述其他研究者的結果一致.本文計算結果和采用地質資料得到的長期滑動速率4 mm·a-1(沈軍等,2003)均表明，阿勒泰斷裂帶扣除部分彈性形變后還有較大的剩余形變場,形變場的運動量主要以山體的變形和強震的方式給予釋放,小部分能量通過蒙古及以北地區(qū)物質的運移來調節(jié)(李強等，2012).

境外西天山哈薩克地臺基底滑脫面閉鎖段底端不是位于山盆邊緣, 而是向南深入天山內部.本文初步計算了該地區(qū)斷裂帶左旋走滑速率為4.4±0.5 mm·a-1，這與楊少敏等(2008)根據(jù)GPS速度剖面反演推算該處的滑動速率為8～10 mm·a-1有較大的差異，其主要原因是該區(qū)域GPS點位相對稀少，且分布不均勻.

4地震矩均衡特征

4.1地震矩累計速率分布特征

1966年美國地震學家Aki提出了地震矩的概念，研究學者常用地震矩M0來表示地震所釋放出的能量，其一般定義為

(6)

(7)

根據(jù)地震活動性和地質構造數(shù)據(jù)，本文將天山及鄰近地區(qū)細劃分為9個地震帶(圖7).依據(jù)斷裂帶的走滑、擠壓或拉張速率，計算得出各斷裂帶的平均滑動速率見表3.從表3可知，西昆侖的滑動速率變化最大，達到10.2±2.8 mm·a-1，而北天山西段滑動速率最小，為3.7±0.9 mm·a-1.

通過公式(7)計算得到天山及鄰近地區(qū)各地震帶的地震矩變化率(表3)，該地區(qū)地震矩平均變化率為(3.42±0.73)×1018N·m/a.自1900年以來,天山及鄰近地區(qū)平均地震矩累計量達到(3.86±0.82)×1020N·m；而地震矩變化率最大區(qū)域為南天山西段(圖10)，該地區(qū)地震矩變化率為(8.26±1.57)×1018N·m/a，遠遠高于整個研究區(qū)域內地震矩的平均變化率.自1900—2013年，南天山西段地震矩累計量達到了(9.33±1.77)×1020N·m，表明該地區(qū)地質構造運動非?；钴S，因而，自1900年至今，在南天山西段曾發(fā)生多次中強地震(圖1)；阿爾金斷裂帶地震矩變化率較天山地區(qū)的低，為(5.75±1.06)×1018N·m /a；而北天山西段和東昆侖的地震矩變化較小，分別為(1.56±0.38)×1018N·m/a和(1.61±0.46)×1018N·m/a，均低于研究區(qū)地震矩變化率的平均值.整體認為，北天山西段和東昆侖地區(qū)構造活動比南天山西段相對較穩(wěn)定，但上述兩地區(qū)也是中強地震的多發(fā)區(qū)(圖1).

4.2地震矩能量的釋放

1977年美國地震學家金森博雄(Hiroo Kanamori)提出了矩震級MW的概念，地震學者給出了計算矩震級(MW)的公式，即

(8)

其中，M0為地震矩.

由公式(8)可知，根據(jù)地震級大小，可推算地震所釋放的地震矩.中國地震目錄一般是采用面波記錄地震震級(MS),但國際上是通過地震矩計算的結果發(fā)布其地震矩震級(MW),二者相差甚微，一般為±0.2(Liu et al., 2006)，因此，可視為MS≈MW.

表3　主要地震帶的滑動速率和地震矩均衡計算結果

利用公式(8)進行計算，結果表明，孕育一個5級左右地震需要0.00035×1020N·m的能量，因此，本文選取了1900年以來天山及鄰近地區(qū)6級以上地震作為研究對象，最終計算獲得各個地震帶自1900年以來6級以上地震所釋放的地震矩(表3).整體分析可知(圖9)，阿勒泰地區(qū)地震矩釋放最大達到(13.13±2.36)×1020N·m，這與1931年富蘊縣MS8.0地震和MS7.3余震密切相關，這兩次地震地震矩的釋放量達到12.08×1020N·m；其次是南天山西段，地震矩釋放量為(12.78±3.51)×1020N·m.圖1表明，6級以上地震大多都發(fā)生在南天山西段；而北天山西段、南天山東段以及哈斯克斯坦地震帶所釋放的地震矩基本相當，地震矩釋放最小的地區(qū)為北天山東段，釋放量達到(1.4±0.52)×1020N·m.

圖7　天山及周邊地震帶分布圖Fig.7　Earthquake distribution in the Tianshan and adjacent regions

圖8　天山及周邊地震帶地震矩累計量分布圖(單位量級：1020N·m)Fig.8　The accumulation of seismic moment in the Tianshan and adjacent regionsin (Unit magnitude:1020N·m)

4.3地震矩虧損分布特征

根據(jù)斷裂帶滑動速率計算結果,本文估算得到自1900—2013年各地震帶的地震矩累計量，同時，通過地震目錄，計算得到各地震帶地震所釋放的地震矩，比較二者之間差異關系，得到研究區(qū)域內1—3年各地震帶上地震矩虧損和盈余分布情況(見圖10).當?shù)卣鹁乩塾嬃?虧損)到一定程度后，將通過地震將其釋放，因此,地震帶是否具有孕震能力，可通過比較各地震帶上地震矩的虧損量進行研判.本文計算結果表明，阿爾金地震帶自1900年以來，該地區(qū)地震所釋放的地震矩累計達到(3.85±1.05)×1020N·m，而通過滑動速率計算得到該地區(qū)地震矩累計為(6.49±1.20)×1020N·m，表明該地區(qū)地震矩虧損量達到2.64×1020N·m即可孕育一個約7.6級地震.同樣，西昆侖、東昆侖以及北天山東段地震帶均具有發(fā)生7級以上地震的潛能.南天山東段和哈薩克斯坦地震帶相對上述四個地震帶地震矩累計量較小，分別為0.18×1020N·m， 0.23×1020N·m，具有發(fā)生6級以上地震可能.自1900年以來，南天山西段、北天山西段以及阿勒泰地震帶的地震矩通過多次中強地震的釋放，目前震矩并未達到虧損狀態(tài)，其盈余量分別為-3.45×1020N·m、-0.5×1020N·m和 -8.37×1020N·m.可見，阿勒泰地震帶上的地震矩盈余量最大，目前不具備孕育6級以上地震的能力(見圖10).

圖9　天山及周邊地震帶地震矩釋放量分布圖(單位量級：1020N·m)Fig.9　Seismic moments released in the Tianshan and adjacent regions (Unit magnitude:1020N·m)

圖10　地震矩虧損與盈余量分布圖紅色區(qū)域為地震矩虧損地震帶，藍色區(qū)域為地震矩盈余地震帶；正值代表地震矩虧損，反之，負值代表盈余，單位為1020N·m；括號內紅色數(shù)值代表矩震級.Fig.10　Distribution of seismic moment balance Red areas represents seismic zones of seismic moment deficit (positive values), blue areas represents seismic zones of seismic moment surplus (negative values). Units: 1020N·m; red value in the bracket represents seismic moment.

5結論與討論

本文通過彈性塊體模型理論，結合1998—2013年的GPS數(shù)據(jù)，首先研究了天山及周邊地區(qū)主要塊體閉鎖深度與2之間的對應關系，根據(jù)2變化量最小，選取各塊體(斷層)閉鎖深度的最佳結果.東、西昆侖地震帶閉鎖深度最大(19 km)，南、北天山地區(qū)閉鎖深度分別為17 km、16 km，阿爾金和阿勒泰塊體的閉鎖深度均為14 km, 而閉鎖深度最小的為哈薩克斯坦(13 km).研究結果表明，由于各塊體的地質構造不同，各斷裂帶的閉鎖深度也有顯著的區(qū)別.

本文計算了各塊體的旋轉速率以及運動方向，由于構造運動的不均勻性，各塊體相對歐亞板塊的運動方向(順、逆時針)、旋轉速率呈現(xiàn)出不一致性，如塔里木塊體旋轉速率最大(-0.7208±0.0034°/Ma)，且向北東方向運動的同時圍繞歐拉極作順時針方向轉動；準噶爾盆地則以0.3486±0.0022°/Ma速度作逆時針旋轉，旋轉速率最小的為天山東段(0.108±0.1210°/Ma)，而天山東、西兩段在旋轉速率和方向上都有顯著的區(qū)別，因而，盆地與盆地、山體與山體以及山體與盆地之間的塊體運動參數(shù)有著較大的差異性.

利用滑動速率、地震矩虧損結果分析了天山及鄰近地區(qū)構造運動特征，表明不同斷裂帶的運動方式(走滑、擠壓/拉張、左旋、右旋)及速率是不同的，塊體間的差異運動在其邊界最強烈.如西昆侖、南天山裂帶的滑動速率分別為10.2±2.8 mm·a-1、9.5±1.8 mm·a-1，二者相比，西昆侖地震帶地震矩虧損較大，該地區(qū)活動斷裂密集、規(guī)模較大，地殼縮短速率大，地震構造能量的積累速率較高，因此，具備發(fā)生7.6級地震的潛能.2014年2月12日在阿爾金斷裂帶發(fā)生了于田7.3級地震，之后又發(fā)生了多次5級以上的余震，此次地震釋放的地震矩與本文研究結果很吻合，也較好地印證了本文計算結果的準確和可靠性.同樣，阿爾金、東昆侖和北天山東段斷裂帶也存在較大的地震矩虧損態(tài)勢，均具有發(fā)生7級以上地震的可能性.南天山東段和哈薩克斯坦斷裂帶地震矩虧損相對較小，具有孕育6～7級地震的潛能，天山西段和阿勒泰地區(qū)地震矩呈現(xiàn)出盈余狀態(tài)，不具有發(fā)生強震的可能.

本文雖然利用500多個GPS點資料進行解算，但由于GPS觀測資料時間周期較長,GPS測點分布不均勻等因素，特別是塔里木、焉耆、吐魯番—哈密東部及邊緣GPS測點較稀疏，而點位的稀疏將影響斷裂帶滑動速率的計算結果，以此降低判定各斷裂帶地震矩均衡分布的準確度，特別是焉耆、吐魯番—哈密兩塊體，因此，本文只是大致給出了焉耆、吐魯番—哈密兩塊體的運動參數(shù)，并未對其進行了深入分析和討論.因為很少有專家對這兩塊體運動參數(shù)進行研究分析，作者只是希望給出初步結果供大家參考.塔里木塊體內的GPS點數(shù)相對焉耆、吐魯番—哈密兩塊體的GPS點分布較多，基本位于塔里木塊體的邊緣，而盆地內部測點較稀少(圖2)，因此，本文盡可能較多地利用該區(qū)域的GPS結果.經(jīng)過反復模擬計算表明，塔里木塊體內GPS點基本上滿足了本文模型的計算需要.不同斷裂對應的GPS測點的分布情況也將影響最終的計算結果，如果GPS點位較均勻地分布于斷裂帶兩側，計算結果將更加可靠，但由于外界客觀因素，特別是在高海拔山區(qū),GPS點位分布不是較理想.為了能盡可能地提高計算精確度，本文針對分布在斷裂帶之上的GPS點位也進行了剔除，盡可能地選用斷裂帶兩側較穩(wěn)定的GPS數(shù)據(jù)加以利用.

區(qū)域性深大斷裂產(chǎn)狀、向深部地殼的延伸狀態(tài)對斷層表層的“鎖閉”性質及深度起著至關重要的約束作用，斷裂帶的閉鎖深度精確計算勢必與地殼結構、斷層產(chǎn)狀以及深部地殼物質特性密切相關，而本文采用的Meade and Hager模型僅考慮了利用各地塊內斷裂帶的幾何參數(shù)(傾角、走滑方向等),忽略了各塊體區(qū)域地殼結構模擬計算，由此獲得各塊體閉鎖深度的精確度有所降低，但對地震矩的均衡計算影響不大.如果在模型設計中考慮到各個塊體的地殼分布結構、斷裂帶的產(chǎn)狀和斷層延伸的狀態(tài)，將更加精確地計算出各斷層的閉鎖深度和地震矩累計變化量，從而大大提高結果的嚴謹性和科學性，為下一步強震的研判提供更可靠、更科學的依據(jù).

致謝感謝美國密蘇里大學哥倫比亞分校庫穩(wěn)飛博士、葉際陽博士和中國地震局地球物理研究所陳石博士、中國地震局地震預測研究所王輝研究員以及新疆地震局吳傳勇博士等在論文撰寫和數(shù)據(jù)處理方面給予的指導和幫助；感謝哈薩克斯坦地震研究所、俄羅斯科學院比什凱克科學考察站和中國地震局第一監(jiān)測中心楊國華研究員提供的GPS數(shù)據(jù)；感謝兩位評審專家給予的寶貴意見.

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(本文編輯胡素芳)

Slip rates and seismic moment deficits on major faults in the Tianshan region

LIU Dai-Qin1, LIU Mian2, WANG Hai-Tao1, LI Jie1*, CHENG Jia3, WANG Xiao-Qiang1

1EarthquakeAdministrationofXinjiangUygurAutonomousRegion,Urumqi830011,China2UniversityofMissouri,Columbia,MO65211,USA3ChinaEarthquakeNetworksCenter,Beijing100045,China

AbstractOver 500 GPS stations observed from 1998 to 2013 in the Tianshan region (including Xinjiang, Kazakhstan and Kyrgyzstan) were collected and analyzed using the GAMIT/GLOBK software. The site velocities were then used in an elastic block model to calculate both the locking depths and slip rates of the major active faults. The maximum locking depth (19 km) were found in the Eastern and Western Kunlun seismic zones; the locking depth is about 17 km in the Southern Tianshan region, while the minimum locking depth is 13 km in the Kazakhstan region. All blocks show some rotation relative to the stable Eurasian Plate. The Tarim block has the highest rotation rate (-0.7208±0.0034°/Ma), around the Euler Pole at 38.295±0.019°N and 95.078±0.077°E. The eastern Tianshan block has the lowest rotation rate (0.108±0.1210°/Ma), and the eastern and western sections of the Tianshan differ in both rotation rates and directions. The Western Kunlun fault zone has the highest slip rate (10.2±2.8 mm·a-1), while the western and eastern segments of the Southern Tianshan fault slip at 9.5±1.8 mm·a-1and 3.9±1.1 mm·a-1, respectively. On the Northern Tianshan fault, the slip rate of its eastern segment is higher (4.7±1.1 mm·a-1) than the west segment (3.7±0.9 mm·a-1). The average slip rate on the Altyn Tagh fault is 7.6±1.4 mm·a-1, comparable to that on the Altay fault (7.6±1.6 mm·a-1). The Tianshan faults are dominantly compressive, while the Altyn Tagh, Kunlun, Altay and Kazakhstan faults were mainly strike-slip; all faults in this region are left lateral strike slip faults except the Altay fault, which is right lateral strike-slip. By comparing moment accumulation calculated by the slip rates with seismic moment release based on earthquake catalogue since 1900, the balance of seismic moment on each fault is estimated. The results show significant seismic moment deficits on the Altyn, the Western Kunlun, the East Kunlun, and the eastern segment of the Northern Tianshan faults, capable to produce magnitude 7.0 earthquakes on these faults. Lower moment deficits are found on the eastern segment of the Southern Tianshan and Kazakhstan fault zones, where earthquakes with magnitude 6.0～7.0 are possible. The western segments of the Tianshan and Altay faults shows surplus of seismic moment, thus are unlikely to have large earthquake in the new future.

KeywordsElastic blocks； GPS； Fault； Slip rate； Seismic moment deficit

基金項目地震科技星火計劃(XH14054Y)， 國家自然科學基金(41374030、41474016、41274036)，自治區(qū)科研機構創(chuàng)新發(fā)展專項資金(2013016)聯(lián)合資助.

作者簡介劉代芹,男,1979年生,高級工程師,主要從事大地測量、重力測量及地殼形變研究.E-mail:xjdzjldq@126.com *通訊作者李杰，男，1975年生，高級工程師,主要從事大地測量及地殼形變研究.E-mail:lijiexj@sohu.com

doi:10.6038/cjg20160510 中圖分類號P223， P542

收稿日期2015-02-05，2015-07-10收修定稿

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