基于GNSS的2020年伽师MS6.4地震前地壳形变特征①

朱治国， 刘 雷， 高 荣， 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)

中国新疆地区位于地中海—喜马拉雅地震带，是印度板块和欧亚板块相互作用的前沿地带，区域内地震活动水平高，是中国主要的内陆地震活动区域。自新生代以来印度板块向北运动俯冲到欧亚板块以下，推挤欧亚板块使得青藏块体抬升，新疆天山造山带复活成为亚洲较为活跃的造山带[1]。天山山脉内部和南北盆山交界区域是新疆两个非常活跃的地震带，构造活动强烈、地震频发，发育的众多活动断裂和褶皱带是控制天山构造变形特征的重要单元[2]。2020年1月19日21时27分，在新疆喀什地区伽师县(39.83°N，77.21°E)发生MS6.4地震。本次地震的发震构造处于南天山柯坪塔格推覆体最南缘的褶皱—逆断裂带内，地震为北倾逆冲兼少量走滑型地震[3]。新生代以来印度板块向北推挤欧亚板块导致天山南北两侧逆冲断层发育，GNSS测量表明天山地区地壳表现出缩短特征[4-5]。天山山脉地壳水平运动速率差异明显，存在分区特征，表现为天山南部地壳运动速率高于北部区域[6-9]，天山西部的地壳运动速率高于天山东部[10-13]。南天山西段柯坪塔格推覆构造现今地壳具有缩短特征，缩短速率约为13 mm/a[1，15]。天山地区视应变场研究发现天山地区视应变场分布特征与区域长期的地质构造背景有密切关系，由西向东主压应变率逐渐减弱[16-18]。前人研究表明天山区域运动速率各不相同，整体处于挤压的大背景下。应用GNSS技术研究震前区域地壳变形特征，观测研究地壳运动与变形过程，可为识别强震孕育阶段以及探索强震预测提供参考，对捕捉地震前兆、开展中强地震预测的应用研究具有现实意义[19-22]。

1 柯坪塔格推覆构造地震活动特征

柯坪塔格推覆构造地处南天山地震带，是西南天山前陆构造的一部分，地质构造较为特殊[23]。柯坪塔格推覆构造处于西南天山与塔里木盆地交接区域，向西与阿图什—八盘水磨活动逆断层相接，向东延伸至阿克苏柯坪区域，柯坪塔格推覆体由多排整体呈近EW 走向、平行展布的从N向S逆冲的逆断裂褶皱组成。柯坪塔格推覆构造最南缘的柯坪断裂，整体呈现向南突出的弧形构造[15，24]。新生代时期印度板块与欧亚板块碰撞造就柯坪塔格推覆构造现今的构造格局，柯坪塔格推覆构造内强震活动受控于推覆体南缘较为年轻的柯坪断裂和托特拱拜兹断裂。收集2000～2020年伽师MS6.4地震前以震中为中心，半径100 km范围内4级以上的地震目录，删除余震后绘制时间序列图(图1)，统计发现在此期间震中附近共发生4级以上地震219次，其中5级以上地震25次，6级以上地震3次。刘一鸣、王筱荣等研究认为柯坪塔格推覆构造强震活动具有周期特性[25]。研究区构造运动较为活跃，以震级年累积量统计，研究区可分为4个中强地震活动阶段，分别是2000～2004年地震活跃度下降，2004～2008年地震活跃度上升，2008～2013年地震活跃度持续期，2013～2015年地震活跃度下降，2015～2019年地震活跃度上升，地震活跃度上升持续时间在4～5年。2015～2019年南天山柯坪推覆体区域地震活跃度呈上升趋势，反映出该区域地壳岩层中应力增加并且不断释放地壳储存应力能量。地震是由于地球构造运动造成地壳岩层发生变形，岩层中的地应力逐渐增大，应变能量逐渐增加，达到或超过岩石的破裂强度，使得地壳岩层发生破裂或者原有断层发生快速突然错动的自然现象[11]。因此了解伽师MS6.4地震前南天山区域地壳形变特征，对研究区地震活动规律具有重要意义。

图1 地震时间序列图

2 GPS形变场特征分析

“中国大陆构造环境监测网络” ( 简称“陆态网络”)以卫星导航定位系统(GNSS)观测为主，辅以甚长基线干涉测量(VLBI)人卫激光测距(SLR)等空间技术，并结合精密重力和水准测量等多种技术手段的综合观测网络。“陆态网络”在新疆地区建有200多个观测站，获得该地区现今地壳形变特征变得方便快捷。本文中选取南天山地区25个GNSS观测站，2015～2019年最新的观测资料，分析研究伽师MS6.4地震前南天山区域地壳运动特征。

2.1 数据解算

本文中收集伽师MS6.4地震前，以震中为中心半径200 km区域，2015～2019年5期“陆态网络”GNSS区域观测站的观测资料。每期观测均采用强制对中观测，观测站观测时间大于96个小时。观测数据经中国地震局第二监测中心采用美国麻省理工学院和海洋研究所联合研制的GAMIT/GLOBK软件计算。每期观测数据均采用相同方法进行解算，基线解算时采用精密星历，对固体潮、极潮、海潮、卫星及接收机天线相位中心等予以改正。基线解算后利用GLOBK模块进行网平差计算，获得其在ITRF2008全球框架下的水平运动速度场，再通过欧拉矢量得到相对稳定欧亚板块的水平运动速度场。速率解算误差分布E向0.28～2.54 mm/a，平均0.52 mm/a；N向0.22～1.32 mm/a，平均0.44 mm/a。

2.2 区域速度场特征分析

通过南天山区域GNSS观测资料解算获得区域水平运动速率结果，采用GMT软件绘制伽师MS6.4地震前南天山区域2015～2019区域速度场图像(图2)。震前南天山区域观测点的运动方向基本一致，方向为北偏东，观测点运动趋势反映出南天山区域地壳运动速率较大，平均速率为17.6 mm/a。研究区西部测点的运动速率整体高于东部区域测点。由北向南区域地壳运动速率也存在明显不同，观测点的运动速率可分为3个速率区间，运动速率最低区域是柯坪断裂以北的柯坪塔格推覆体内部区域，其内部测点速率在10～16 mm/a，并且表现为推覆体北部区域测点速率低于南部区域测点速率；运动速率居中区域是柯坪断裂以南塔里木盆地北缘地区，区域测点运动速率在16～20 mm/a；运动速率最高区域在塔里木盆地南缘盆山交接地区，区域测点运动速率在20～23 mm/a。塔里木盆地南北区域地壳运动速率差异较小，反应出盆地块体具有刚体性质；柯坪断裂南北区域地壳运动速率差异较大，推覆体区域地壳存在缩短特征，盆山交接断裂吸收蓄积了一大部分南北向挤压应变能量。

图2 区域水平运动速度场

柯坪断裂是一个向南突出的弧形构造，伽师MS6.4地震震中位于柯坪断裂南部，震中区域断裂走向近NW，震中位置处于构造转弯处。震中区构造走向与南天山区域水平速度场方向接近垂直。在震中东西跨柯坪断层断裂各做一条GNSS速率剖面，分析震中断裂两侧GNSS点垂直和平行断层的运动情况。从图3可以看出，由于震中处断裂走向与区域水平速度场方向接近垂直，东西两条剖面上测点垂直断层走向的运动速率分量均远高于平行断层走向速率分量，反映出断裂的逆冲性质；不论是垂直或平行断层速率分量，柯坪断裂南部测点的速率量值均高于断裂北部测点；断裂南部区域测点垂直断层走向的速率量值由南向北逐渐减小，断裂北部区域测点垂直断层走向的速率量值大小基本相同；在接近断层位置垂直和平行断层走向的速率分量均存在量值快速减小，反映出柯坪断裂受到较大南北向压应力作用，断裂吸收蓄积了一部分应变能量；震中东西区域速率变化不一致，震中以西垂直和平行断层走向的速率分量较东部区域速率下降更快，西部吸收积蓄的能量更大。两条剖面均反映出垂直断层走向的速率分量大于平行断层走向速率分量，震中东西区域垂直和平行断层走向的速率分量呈现西高东低，发震断层速率分量的变化差异造成发震断层东西部积蓄的能量差异，这也解释了此次地震逆冲为主兼具的走滑的性质。

3 区域应变场特征分析

假设地壳为连续的均匀刚体，其应变与应力具有线性比例关系，通过应变场研究可以排除参考框架的影响，应变大小直接反映应力作用强弱的趋势，因此研究应变的变化特征可以为强震预测提供依据[26]。通过解算2015～2019年观测点GNSS资料，得到观测点ITRF2008框架下区域地壳运动速率的南北和东西分量，通过建立水平运动速度场经验协方差函数，应用最小二乘配置法则，借助位移与应变的偏导关系获取水平视应变场分布[27]。采用最小二乘配置法可获得较好的大范围稳定应变场，且边缘效应较弱, 应变场结果可信度较高[28]。应变计算公式,

(1)

主应变公式，

(2)

(3)

3.1 主应变率特征分析

根据应变计算结果绘制南天山地区主应变率分布图(图4)，南天山—帕米尔交汇区域以压缩环境为主，塔里木盆地和柯坪塔格推覆体均处于主压应变区域内，只有外围的南天山北部和西昆仑山区，反映出拉张状态。乌恰区域主压应变表现最强，同时具有拉张性质。在伽师以北的山盆交接处和乌什以南山区呈现两个绝对的压应变区域，压应变量值上伽师以北区域远高于乌什以南区域。沿柯坪断裂一线，主压应变均与断裂保持近垂直状态，这反映出柯坪断裂受到较强的压应力作用。

图4 主应变率分布图

3.2 面膨胀率特征分析

利用应变场应变参数计算结果绘制面膨胀率等值线图(图5)，其中虚线为负值，实线为正值，面膨胀反应研究区域的压缩和拉张状态。南天山区域处于等值线负值区域，反映出受到南部青藏块体向北推挤作用，南天山区域整体处于压缩环境。南天山区域出现两个负向极值区，分别在阿图什—伽师山盆交接区域和乌什以南山区。阿图什—伽师山盆交接区域面膨胀量值在-6×10-8/a左右高于乌什以南山区-4×10-8/a，反映出阿图什—伽师山盆交接区域受到的压应力较强，乌什以南山区压应力相对较弱。阿图什—伽师面膨胀极值区呈现东西向与山前断层走向平行，由西向东逐渐减弱。柯坪断裂由东向西穿过阿图什—伽师山盆交接面膨胀负向极值区，造成断裂各处压应变各不相同，易导致断层失稳产生错动。穿过面膨胀极值区的是断裂的弧形弯折部位，断裂的交汇、端点、弯折部位是应力积累的优势区域。

图5 面膨胀率等值线图

3.3 最大剪应变率特征分析

利用应变场应变参数计算结果绘制最大剪应变率(图6)，最大剪应变率反应区域受到剪切应力作用的状态。南天山区域最大剪应变率整体表现为西强东弱，山区最大剪应变率高于盆地。整个区域最大剪应变出现在南天山和西昆仑交汇的乌恰山区，量值达到12×10-8/a。塔里木盆地和柯坪推覆体区域最大剪应变率在2×10-8/a左右，反应出震前南天区域受到的剪切应力较弱。伽师地震震中区域最大剪应变表现较弱，量值在(1～2)×10-8/a之间，反应出伽师地震剪切性质较弱。

图6 最大剪应变率等值线图

4 讨论与结论

通过对2020年1月19日伽师MS6.4地震前柯坪塔格推覆构造地震活动和震前区域GNSS观测数据分析得到如下认识：

(1) 通过对伽师地震前20年的区域地震时间序列分析发现柯坪塔格推覆构造强震活动具有一定周期特性，2020年1月19日伽师MS6.4地震是该地区近5年震级最大的地震，随着发震震级的增强地壳集聚的能量得到了释放。

(2) 由区域水平运动速度场可以看出受到印度板块向北推挤作用，南天山区域地壳呈现NNE向运动趋势，地壳运动速率整体较高，区域速度场运动速率存在一定差异，主要表现为西高东低、南高北低趋势。以柯坪断裂为界南部塔里木块体和北部柯坪塔格推覆体运动速率存在明显不同，塔里木块体南北两侧相距近200 km，GNSS测点运动速率从南到北下降小于2 mm/a，每千米速率下降量仅为0.01 mm/a。塔里木块体南北速率差异较小，反映出塔里木块体相对较硬，具有刚体特性，受力挤压不易变形，能够将青藏块体向北推挤的驱动力传递到南天山山体。柯坪断裂南北约50 km范围两侧测点，由南向北测点速率下降大于5 mm/a，每千米速率下降量高于0.1 mm/a，地壳运动速率在跨越柯坪断裂后整体下降明显，反映出受印度板块向北推挤作用，较硬的塔里木块体传递地壳运动的能量，下插入柯坪推覆体，在构造交接处发生地壳缩短，同时在交接断层积累弹性应变能。

(3) 区域主应变率反映出震中区域存在长期较强的主压应变，面膨胀图显示出南天山山盆接合区域整体处于压缩环境，山盆交接处呈现收缩趋势。塔里木块体受到向北推挤作用在柯坪断裂俯冲到柯坪推覆体之下，南天山柯坪推覆体岩石圈中的低速异常介质在受到长期压应力作用下容易发生变形、破裂发生地震。最大剪应变图显示南天山—帕米尔交汇区剪应变率较高，盆地区域剪应变较小，整体表现为从西向东剪应变逐渐减弱。

(4) 震中区域地壳运动速率存在差异，震中以西区域地壳运动速率高于东部区域。将柯坪断裂两侧地壳运动速率分解成垂直和平行断层走向的两个分量，从GNSS速率剖面图中可以看出速率垂直分量整体高于平行分量，震中东西区域速率垂直分量基本相同。速率平行分量东西测点速率差接近5 mm/a，震中区域地壳运动这种运动速率不均衡性反应出断层在受到较强南北向挤压作用的同时也受到东西向应力作用。柯坪断裂在震中区域向南突出，断层走向发生转折形成拐角，任何物体越尖锐的地方压强越大，引起的物理效应(力、热、光、电、磁)越强，产生“尖端效应”，因此震中区域地壳易于积累较强应力，可能是此次地震的一个诱因。