利用GPS资料分析天山现今地壳缩短速率*

王 伟 杨少敏 谭 凯 赵 斌 黄 勇张彩红 王迪晋

1)中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉 430071

2)中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地，武汉 430071

利用GPS资料分析天山现今地壳缩短速率*

王 伟1，2)杨少敏1，2)谭 凯1，2)赵 斌1，2)黄 勇1，2)张彩红1，2)王迪晋1，2)

1)中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉 430071

2)中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地，武汉 430071

基于中国地壳运动观测网络1999～2013年的GPS区域网资料，并结合中国大陆构造环境监测网络2009～2013年的GPS资料以及境外天山、帕米尔等地区公开发布的最新速度场结果，获取整个天山及邻区较为完整的地壳运动图像，以此研究天山及邻区的现今地壳缩短速率及其空间变化。初步结果表明，自西向东分别横跨帕米尔北缘逆冲断裂带、柯坪塔格逆断裂-褶皱带、库车逆断裂-褶皱带、玛纳斯逆断裂-褶皱带和吐鲁番中央隆起逆断裂-褶皱带的5条GPS速度剖面显示，整个天山南北向的缩短速率由西向东逐渐减小，且剖面内的地壳缩短与变形并非线性分布，其现今地壳缩短速率分别为26、20、12、9和4 mm/a。

天山;GPS;地壳运动;速度场;缩短速率

受印度、欧亚板块碰撞的远程效应以及塔里木盆地持续挤压楔入作用的影响，天山山体隆升并发生强烈的地壳变形和近南北向缩短，晚新生代以来天山西段的地壳缩短总量达200 km以上［1］。第四纪以来，天山内部和两侧的盆山交接地带发育大量活动断裂和褶皱带，是调节天山现今应变状态、控制天山隆升的重要构造单元［2－7］。在天山山前逆断裂-褶皱带内，出露地表的逆断裂上陡下缓，深部均统一归于沉积盖层底部的主滑脱面，滑脱层以上中、新生代地层发生强烈的褶皱弯曲变形和地壳缩短［5－7］，在天山山体的内部也有一定程度的构造活动［8］。精确测定天山的地壳缩短速率、地壳缩短的空间变化以及变形的起始年代，对于认识大陆内部造山带的构造演化与变形机制具有重要意义［6－10］。基于平衡剖面等地质学方法，可以测定活动逆断裂-褶皱带的缩短速率，但由于缺乏较为可靠的逆断裂-褶皱带的形成年代资料以及对整个天山地壳缩短幅度的估算结果，目前仍难以精确测定整个天山的长期地壳缩短速率［10］。

利用GPS在天山地区的现今地壳运动研究方面已开展大量工作［11－17］。早期的GPS测量结果认为，天山的汇聚变形基本表现为连续线性变形，大地测量观测得到的天山西段(75°～79°E)的挤压缩短速率约为 20 mm/a［11－12］，高于晚新生代以来 12 mm/a的长期地质学结果［1］。以往的GPS研究由于站点分布和测站密度有限，不能完整地反映整个天山及邻区的现今地壳缩短与变形［13－14］。近年来在境内外天山开展的GPS加密观测，为天山的地球动力学研究提供了十分重要的约束条件。多个国际合作计划在境外天山的塔吉克斯坦、吉尔吉斯斯坦、哈萨克斯坦以及帕米尔等地区也开展了长期GPS观测［16－17］。本文对网络工程和陆态网络在天山地区1999～2013年的GPS观测资料进行统一处理，并结合境外天山、帕米尔等地区已发表的最新速度场结果，获取整个天山及邻区更为完整的地壳运动图像，研究天山的现今地壳缩短速率及其空间变化，并与地质学、地震学结果比较。

1 GPS观测资料与数据处理

本文使用的GPS测站资料基本覆盖了天山及其邻近地区，GPS数据处理采用BERNESE软件的双差处理模式，处理方法、模型与以往基本一致［15］。单日解算时，单日解验后单位权中误差小于2.0 mm，各期观测的坐标重复率平均值在水平方向优于2 mm。获取每个测站的单日自由网解后，对全部单日解进行整网平差，获得测站相对于IGS08框架下的坐标和速率结果，并通过最新空间大地测量资料得到的板块运动模型［18］将测站在全球框架下的速度转换到相对于稳定欧亚板块下的速度场。

为获取整个天山及邻区更为完整的地壳运动图像，采用7参数相似变换方法，利用公共站将文献［16－17］的境外天山速度结果转换到本文网络工程和陆态网络的速度场结果所处参考框架之下。这些境外GPS测站速度资料对分析整个天山及邻区的现今地壳缩短速率提供了更为完整的观测约束。

2 利用GPS资料研究天山现今地壳缩短速率

晚新生代以来天山主要以挤压构造变形为主，其变形主要分布在造山带内部及山前众多近东西走向的逆断裂-褶皱带上［5－8］。由于对天山内部构造活动认识的缺乏，目前难以精确测定天山整体的地壳缩短幅度和长期的缩短速率［10］。尽管如此，已有的地质剖面等研究结果表明，天山地区的地壳缩短大致分布在4个主要的活动逆断裂-褶皱带内，自西向东分别为:西南天山的柯坪塔格逆断裂-褶皱带及其向西延伸的喀什逆断裂-褶皱带，天山南麓的库车逆断裂-褶皱带，天山北麓的乌鲁木齐坳陷以及天山东部的吐鲁番盆地中央隆起逆断裂-褶皱带［5，7，10］。杨晓平等［10］假定天山山前活动逆断裂-褶皱带开始形成的时间为距今2.5 Ma，上述4个地段的最小缩短速率分别为15.4 ～17.3 mm/a、12.7 ～16.5 mm/a、3.8 ～ 4.5 mm/a、2.3 ～ 2.7 mm/a;Burchfiel等［5］同样假定2.5 Ma为天山变形的起始时间，采用不同的地层厚度和褶皱模型，估算天山东部玛纳斯段第四纪以来的地壳缩短速率为5.7～7.2 mm/a。需要指出的是，根据上述逆断裂-褶皱带计算的地壳缩短量仅大致代表了天山在该经度位置上的最小地壳缩短量。而 Allen［6］、Yin［7］则认为，南天山的柯坪塔格、库车等逆断裂-褶皱带变形起始于20～24 Ma，这些逆断裂－褶皱带晚新生代以来的地壳缩短速率仅为1 ～1.9 mm/a。

将网络工程、陆态网络以及境外研究机构最新发布的GPS速度场结果［16－17］融合到统一的参考框架之下，获取了天山地区空间分布更为完整的地壳运动图像(图2)，以此计算整个天山的现今地壳缩短速率。根据天山主要逆断裂-褶皱带(或逆冲断裂带)走向和地理位置，绘制数条GPS速度剖面，自西向东分别横跨帕米尔逆冲断裂带、柯坪塔格逆断裂-褶皱带、库车逆断裂-褶皱带以及天山东部的玛纳斯逆断裂-褶皱带和吐鲁番盆地中央隆起逆断裂-褶皱带(如图2中A-E所示)。图2中蓝色菱形符号代表各剖面投影的原点位置，其中剖面A、B、C的原点分别与帕米尔北缘逆冲断裂带、柯坪塔格逆断裂-褶皱带、库车逆断裂-褶皱带相对应，剖面D、E的原点分别与该经度的库尔勒断裂、吐鲁番盆地中央隆起逆断裂-褶皱带大致对应。如图3所示，分别使用垂直和平行于天山山前断层走向的测站速度分量来反映逆断裂-褶皱带的地壳缩短(红色点号)和走滑(蓝色点号)活动引起的变形特征，纵轴为各剖面内测站的相对速率变化，横轴为各测站相对于剖面原点的投影距离(横轴距离单位为km，距离为正表示剖面投影原点以北)。横跨天山的多条GPS速度剖面显示，整个天山挤压、汇聚速率由西向东逐渐减小，且南北向的地壳缩短变形并非线性分布。

图1 天山地区构造背景与GPS测站分布Fig.1 Geologic setting and distributions of GPS sites in Tianshan area

图2 天山地区相对稳定欧亚板块的GPS速度场与剖面投影区域Fig.2 Velocity field in Tianshan area relative to stable Eurasia plate and profile configurations

位于研究区最西部的帕米尔-天山地区近600 km的GPS速度剖面A显示，近南北向的缩短速率最高达26 mm/a;如果考虑到剖面外以南200 km区域的更多站点，约为30 mm/a。在该区域，垂直断层走向的GPS速率变化显示主要有两条变形梯度带［16－17］，表明该地区的现今变形非均匀地被逆冲断裂活动所吸收，其中帕米尔逆冲断裂带所吸收的地壳缩短速率至少为10 mm/a，最高达16 mm/a，高于Arrowsmith等［19］估算的帕米尔北缘主冲断裂全新世以来6 mm/a的汇聚速率。另一变形梯度带显示，有大约4～6 mm/a的变形主要被帕米尔高原以北费尔干纳盆地的地壳缩短所吸收［16－17］。

在天山西段(75°～80°E)，早期的GPS观测显示，该段的现今地壳缩短速率为20 mm/a［11］，其中天山南缘喀什至阿克苏段逆断裂-褶皱带附近的缩短速率约为8 mm/a［12］，在该段的古地震调查结果推断阿克苏逆断裂-褶皱带12 ka以来的地壳缩短速率至少为7 mm/a［20］，构造地貌与测年结果表明南天山柯坪塔格逆断裂-褶皱带1.7 ka以来的缩短速率约为5.68 ～ 7.53 mm/a［21］。与柯坪塔格断裂带垂直的GPS速度剖面B表明，在该段跨天山的地壳缩短速率约为20 mm/a，其中至少约6 mm/a的汇聚变形主要被南天山逆断裂-褶皱带及其附近区域的地壳缩短吸收。这一结果与古地震研究得到的12 ka 以来 7 mm/a［20］、地貌研究得到的 1.7 ka 以来 5.68 ～7.53 mm/a的平均缩短速率一致［21］，与 GPS 反演断层位错模型得到的南天山柯坪断裂一段6.6 mm/a的倾滑速率也较为接近［13］，高于晚新生代(20 Ma)以来 1.8 mm/a 的地质学结果［6］。在其以北地区则与以往地质、GPS 观测结果一致［8，16］，地表速度场显示并无显著的速率变化梯度带，表明中、北部天山多条逆断裂以及活动盆地具有一定幅度的构造活动。

在天山中段，Yin等［7］对南天山晚新生代以来的构造研究指出，库车逆断裂-褶皱带的变形活动可能起始于20～24 Ma，地壳缩短总量达20～40 km，缩短速率约为1 ～1.9 mm/a。杨晓平等［10］采用地质学平衡剖面方法得出库车逆断裂-褶皱带缩短量约为27～37 km，假定2.5 Ma为其变形起始时间，其缩短速率约为12.7～16.5 mm/a;而对库车前陆盆地的磁性地层学研究指出，其地壳缩短变形可能始于6.5 Ma的晚中新世［8］。GPS速度剖面 C显示，横跨天山中段的现今缩短速率约为12 mm/a，其中南天山的库车逆断裂-褶皱带及其附近吸收了大约5～6 mm/a的缩短变形，高于晚新生代(20～24 Ma)以来1 ～1.9 mm/a的地质学结果［7］。根据地质资料得到的库车逆断裂-褶皱带约20～40 km地壳缩短量［7］，如果假定GPS得到的至少5 mm/a的现今地壳缩短速率可代表长期的地质学结果，可初步推断库车逆断裂-褶皱带变形起始时间约为4～8 Ma。这里需要指出的是，不同时间尺度观测结果的差异可能反映了天山在该地区的地壳缩短和变形过程具有较为复杂的演化过程和历史［22］。

图3 横跨天山的GPS速率剖面Fig.3 GPS velocity profiles across the Tianshan mountain

在东部天山地区，Burfichfiel等［5］假定 2.5 Ma为天山变形的起始时间，估算天山东部玛纳斯段第四纪以来缩短速率为5.7～7.2 mm/a。由于其忽略了天山内部可能存在的构造活动造成的缩短，因而该结果仅代表最小缩短速率。杨晓平等［10］采用不同的地层模型得到天山东部在吐鲁番中央隆起逆断裂-褶皱带一段长期的缩短速率为2.3～2.7 mm/a。位于研究区域东部的GPS速度剖面D、E显示，塔里木相对准噶尔盆地南北向的挤压缩短速率分别为9 mm/a、4 mm/a，其中剖面D所处经度位置大致与天山北麓的玛纳斯逆断裂-褶皱带相对应，剖面E所处经度位置大致与吐鲁番中央隆起逆断裂-褶皱带对应。尽管空间大地测量与地质学结果对应的时间尺度有十分显著的差异，二者对天山东段地壳缩短速率的估算结果较为接近，表明该区域的现今地壳变形仍是晚新生代构造变形的延续［23］。

3 结语

初步结果表明，自西向东分别横跨帕米尔逆冲断裂带、柯坪塔格逆断裂-褶皱带、库车逆断裂-褶皱带、玛纳斯逆断裂-褶皱带和吐鲁番中央隆起逆断裂-褶皱带的5条GPS速率剖面显示，整个天山南北向的汇聚速率逐渐减小，且剖面内的缩短与变形并非线性分布，其现今地壳缩短速率分别为26、20、12、9和4 mm/a。位于西南天山的柯坪塔格逆断裂-褶皱带及附近的地壳缩短速率约为6 mm/a，库车逆断裂-褶皱带附近的现今缩短速率约为5～6 mm/a，高于晚新生代(20～24 Ma)以来约1～2 mm/a的长期地质学结果。西部天山不同时间尺度观测结果的差异反映了该区域的地壳缩短和变形过程具有较为复杂的演化历史。在天山东段，GPS与地质学对地壳缩短速率的估算结果较为接近，表明该区域的现今地壳变形仍是晚新生代构造变形的延续。

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PRESENT CRUSTAL SHORTENING RATE OF TIANSHAN MOUNTAIN WITH GPS DATA

Wang Wei1，2)，Yang Shaomin1，2)，Tan Kai1，2)，Zhao Bin1，2)，Huang Yong1，2)，Zhang Caihong1，2)and Wang Dijin1，2)
1)Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071
2)Wuhan Base of Institute of Crustal Dynamics，CEA，Wuhan430071

GPS data of Crustal Movement Observation Network of China 1999 －2013，data of Continental Tectonic Environment Monitoring Network of China and other published GPS results were used to calculate a more complete horizontal velocity field covering the Tianshan mountain.Present crustal shortening rates and its spatial variation were analyzed using 5 GPS profiles across the Northern-Pamir Thrust Zone，Kepingtage Fold-and-Thrust Belt，Kuche Fold-and-Thrust Belt，Manas Fold-and-Thrust Belt and Turpan Fold-and-Thrust Belt，respectively.Preliminary results demonstrate that the current shortening rates across the entire Tianshan mountain decrease from west to east with nonlinear features，and the current shortening rates in these profiles are about 26 mm/a，20 mm/a，12 mm/a，9 mm/a and 4 mm/a，respectively.

Tianshan mountain;GPS;crustal movement;velocity field;shortening rate

P227

A

1671-5942(2014)05-0059-05

2013-12-29

中国地震局地震研究所所长基金项目(201326119，200916006);国家自然科学基金项目(41074016，41274027，41304067)。

王伟，男，1980年生，博士，助理研究员，从事空间大地测量与现今地壳运动方面的研究。E－mail:wangweigps@126.com。