2014年新疆于田MS7.3地震的地殼構(gòu)造變形背景*

楊　博，朱　爽，樓關(guān)壽，周海濤

(中國地震局第一監(jiān)測中心，天津 300180)

2014年新疆于田MS7.3地震的地殼構(gòu)造變形背景*

楊博，朱爽，樓關(guān)壽，周海濤

(中國地震局第一監(jiān)測中心，天津 300180)

摘要：利用2011～2013年的流動(dòng)GNSS觀測資料及處理結(jié)果，獲得了2014年于田MS7.3地震區(qū)域水平形變場。結(jié)果顯示：(1)于田MS7.3地震發(fā)生在構(gòu)造活動(dòng)較強(qiáng)烈的阿爾金斷裂帶西端，其兩側(cè)的形變差異運(yùn)動(dòng)為8～9 mm/a，左旋運(yùn)動(dòng)是差異運(yùn)動(dòng)的主要成份；(2)發(fā)震區(qū)域的主應(yīng)變是全區(qū)最突出的區(qū)域，張壓大小相對(duì)均等，主張方向?yàn)槟蠔|東—北西西；(3)該地震發(fā)生在左旋形變的高梯度帶上，其北部的塔里木盆地為較弱的右旋形變，其南部約150 km以外幾乎無旋形變；(4)地震發(fā)生的部位為面應(yīng)變性質(zhì)轉(zhuǎn)變的過渡帶，其西為面膨脹區(qū)，其東為面收縮區(qū)。

關(guān)鍵詞：GNSS觀測資料；于田MS7.3地震；構(gòu)造形變

0引言

2008年3月21日在新疆于田(35.6°N，81.6°E)發(fā)生了MS7.3地震(震源深度13 km)。2014年2月12日同樣在新疆于田(36.1°N，82.5°E)發(fā)生了MS7.3地震(震源深度12 km)，前一天幾乎在相同的地域(36.1°N，82.4°E)發(fā)生了一次5.4級(jí)地震(震源深度11 km)，并被視為MS7.3地震的前震(程佳等，2014)。6年內(nèi)于田地區(qū)連續(xù)發(fā)生了2次7級(jí)以上地震，不僅表明了該區(qū)域中強(qiáng)地震出現(xiàn)了空前活躍，同時(shí)該區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)得到進(jìn)一步關(guān)注。萬永革等(2010)給出了2008年于田MS7.3地震正斷層機(jī)制的構(gòu)造區(qū)域解釋，認(rèn)為是青藏高原沿阿爾金斷裂的整體東向運(yùn)動(dòng)與興都什塊體的西北向運(yùn)動(dòng)共同作用的結(jié)果；王凡等(2011)得到了破裂斷層北側(cè)100 km附近的同震位移及震后形變信息，認(rèn)為該地震在原有的基礎(chǔ)上導(dǎo)致了北側(cè)斷裂帶的左旋位移；冀戰(zhàn)波等(2014)反演了該地震的破裂過程，指出破裂區(qū)以正斷左旋走滑為主的雙側(cè)破裂，最大破裂為151 cm，為以東西向拉張為主并與左旋張扭作用的結(jié)果。程佳等(2014)指出2014年于田MS7.3地震為左旋走滑的破裂模式，與前次地震相比震源機(jī)制完全不同(王曉欣等，2014)，為一次典型的盲斷層地震。這可能說明區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)在空間上存在著差異。本文利用2011～2013年區(qū)域流動(dòng)GNSS復(fù)測資料以及多核函數(shù)法對(duì)該區(qū)域形變進(jìn)行描述，以便較清晰地了解于田地區(qū)強(qiáng)震發(fā)生的地殼形變場背景。

1數(shù)據(jù)處理方法

原始觀測數(shù)據(jù)采用GMAIT/GLOBK/QOCA軟件包計(jì)算獲得ITRF框架下運(yùn)動(dòng)結(jié)果，之后可利用多核函數(shù)法在球面上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)場的數(shù)值解析：

(1)

式中，dj為球面上兩點(diǎn)間的大地線長度(以km為單位)，(λj,φj)為核點(diǎn)位置坐標(biāo)，ST=(s1,s2,…，snx)為核函數(shù)陣(該式側(cè)重線性性)，CT=(c1,c2,…,cnx為系數(shù)陣。

在獲得解析式的基礎(chǔ)上分別對(duì)東向和北向進(jìn)行網(wǎng)格化數(shù)值計(jì)算，然后對(duì)它們進(jìn)行濾波處理以獲得水平運(yùn)動(dòng)的解析式：

(2)

式中，ST=(s1,…,snx)為核函數(shù)陣(該式側(cè)高度重光滑性)、AT=(a1,…,anx)、BT=(b1,…,bnx)、CT=(c1,…,cnx) 均為待定系數(shù)， (λi,φi)為核點(diǎn)位置坐標(biāo)，di為兩點(diǎn)間的大地線長度；在此基礎(chǔ)上依據(jù)下式便可獲得相關(guān)的應(yīng)變與旋轉(zhuǎn)量結(jié)果等：

(3)

式中，R為地球的平均半徑，Sλ和Sφ分別為經(jīng)向和緯向的弧長，εe(λ,φ)為東西向應(yīng)變，εn(λ,φ)為南北向應(yīng)變，γen(λ,φ)為它們之間的剪應(yīng)變，ω(λ,φ)為旋轉(zhuǎn)量。在(3)式的基礎(chǔ)上便可得到：

(4)

式中，d、γmax、εmax、εmin、θ分別為面應(yīng)變、最大剪切應(yīng)變、最大主應(yīng)變、最小主應(yīng)變及最大主應(yīng)變方位角。其中，εe、εn分別為時(shí)刻?hào)|向和北向位置變化值。在獲得有關(guān)數(shù)值結(jié)果后生成圖像結(jié)果(圖1)。

2水平運(yùn)動(dòng)與形變場

中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測網(wǎng)絡(luò)于1998年在中國大陸范圍內(nèi)布設(shè)了GPS流動(dòng)測站，用于監(jiān)測地殼形變及其動(dòng)態(tài)變化，但是新疆地區(qū)測站密度非常稀疏，2008年又進(jìn)行了加密布設(shè)，使該區(qū)流動(dòng)觀測站的數(shù)量有了一定程度的增加，接近50個(gè)。到目前為止已進(jìn)行了3次觀測，分別為2009、2011和2013年?？紤]到2008年于田MS7.3地震對(duì)周圍地區(qū)可能產(chǎn)生的影響，本文只取用2011和2013年兩期觀測資料來獲取該研究區(qū)的基本運(yùn)動(dòng)與形變狀態(tài)，此時(shí)間段內(nèi)該區(qū)域未發(fā)生過強(qiáng)震。根據(jù)上述數(shù)據(jù)處理流程首先利用GAMIT/GLOBK/QOCA軟件獲得該時(shí)段ITRF參考框架下的運(yùn)動(dòng)結(jié)果；然后以此獲得相對(duì)于區(qū)域無旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)結(jié)果(楊國華等，2005)，接下來再對(duì)研究區(qū)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度及誤差結(jié)果進(jìn)行數(shù)值逼近；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合以經(jīng)、緯步長均為30 km計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)上的運(yùn)動(dòng)結(jié)果，在核點(diǎn)經(jīng)、緯步長為150 km等間隔的條件下，進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)的濾波計(jì)算和形變場的有關(guān)參數(shù)計(jì)算等。

圖1a為2011～2013年相對(duì)于區(qū)域整體無旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)的水平運(yùn)動(dòng)場。由此不難看出，差異運(yùn)動(dòng)不但非常明顯而且有序，清晰地凸顯了于田及周圍地區(qū)的水平向構(gòu)造活動(dòng)狀態(tài)。從運(yùn)動(dòng)的有序性來看，大體以阿爾金斷裂帶為界，南、北兩側(cè)塊體均呈順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，但兩側(cè)旋轉(zhuǎn)中心有所不同，北塊在其北，南塊則在其南，因此形成了兩塊(體)交匯地域的差異運(yùn)動(dòng)，大約在150 km的寬度內(nèi)由西向東存在著4～8 mm/a的左旋運(yùn)動(dòng)(東大西小)；然而，垂直于該形變帶的張壓性活動(dòng)在空間上則存在性質(zhì)上的差別，表現(xiàn)為西段為張性活動(dòng)，中段與東段為壓性活動(dòng)，量級(jí)約2 mm/a。北塊(塔里木盆地的南邊緣)的運(yùn)動(dòng)整體性相對(duì)較好，南塊運(yùn)動(dòng)則不同，有較大的差異性，主要表現(xiàn)在東向分量上，最大可達(dá)5 mm/a，為拉張性質(zhì)。研究區(qū)這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)充分說明了該區(qū)構(gòu)造活動(dòng)的強(qiáng)烈性與復(fù)雜性。這兩次強(qiáng)震的震中位置或位于構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的部位，或位于活動(dòng)性質(zhì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)變的過渡部位，因此有著深刻的構(gòu)造活動(dòng)含義。

圖1b為以應(yīng)變張量形式展現(xiàn)主應(yīng)變方向和大小的空間分布狀態(tài)。區(qū)域主壓方向在空間上有一定程度的變化，研究區(qū)南部(35°N以南)由西向東表現(xiàn)為北東—南西向、近南北向的變化過程，研究區(qū)中部(35°N以北，塔里木盆地以南)由西向東表現(xiàn)為北東—南西向、北北東—南南西向、近南北向的變化過程。就大小而言，研究區(qū)南部壓應(yīng)變相對(duì)較弱，一般在1×10-8/a之內(nèi)，空間上的變化也不明顯；張性應(yīng)變相對(duì)較大些，基本上在2×10-8/a之內(nèi)，但空間上的變化是可見的，其東區(qū)幾乎為零，中區(qū)和西區(qū)較大，表現(xiàn)為明顯的東西向拉張。研究區(qū)中部的應(yīng)變在全區(qū)最為突出，最大可達(dá)4×10-8/a，基本上位于阿爾金斷裂帶及附近的南部區(qū)帶。所有這些表明，應(yīng)力的方向在空間上雖存在一些變化，但較為有序平穩(wěn)，而應(yīng)變則主要集中在斷裂帶上。除此之外，在震中以南也存在著張性應(yīng)變較大的地域，且向東則很快就消失了，這一結(jié)果似乎有某種特定的地球物理含義。

由圖1c可知，最大剪切應(yīng)變率大小的空間分布具有帶狀特征，其值最大近3×10-8/a，強(qiáng)震就發(fā)生在最大值的附近地域。這一分布特征表明高值剪切應(yīng)變主要發(fā)生在阿爾金斷裂帶及附近區(qū)域，其他區(qū)域則相對(duì)較小。研究區(qū)西側(cè)的斷層剪切應(yīng)變較小，這預(yù)示著這些斷層的走滑活動(dòng)較弱，相應(yīng)發(fā)生走滑型強(qiáng)震的幾率也會(huì)相對(duì)較低。其南部區(qū)域也是如此，張性錯(cuò)斷型地震可能是這一區(qū)域主要的地震錯(cuò)斷方式。

圖1d為水平旋轉(zhuǎn)率的空間分布結(jié)果，其差異變化所反映的是旋剪形變，其值大于0時(shí)表示為左旋旋剪形變(綠色區(qū)域)，反之表示為右旋旋剪形變(紅色區(qū)域)，它可清晰地刻畫旋剪形變的大小與性質(zhì)。由圖可知，西北地區(qū)(塔里木盆地)為右旋活動(dòng)區(qū)，其右旋活動(dòng)最大值為25×10-9/a，但由于區(qū)內(nèi)的梯度較小，表明該區(qū)域以整體旋轉(zhuǎn)活動(dòng)為主，旋剪變形較弱。阿爾金斷裂帶及附近地區(qū)為左旋活動(dòng)區(qū)段，最大值也為25×10-9/a，但空間變化梯度較大，因此主要表現(xiàn)的是旋剪變形而不是整體旋轉(zhuǎn)活動(dòng)。南部地區(qū)旋轉(zhuǎn)量最小，且左、右旋的優(yōu)勢均不突出。兩次于田強(qiáng)震不僅發(fā)生在左旋旋剪形變帶內(nèi)，同時(shí)也位于高梯度帶上，表明它們與剪切形變有一定的關(guān)系。

面應(yīng)變率的空間分布如圖1e所示，從圖中可以看出，北部地區(qū)(塔里木盆地)整體上最弱，究其原因?yàn)樵搮^(qū)的剛性強(qiáng)度較高(胥頤等，2001)，因此是一個(gè)弱形變地域。事實(shí)上，描述形變的各個(gè)物理參數(shù)都表明了這一點(diǎn)。研究區(qū)南部雖是一個(gè)形變強(qiáng)度較高的地區(qū)，但在形變性質(zhì)上并非一致，東部為面收縮應(yīng)變區(qū)，西部為面膨脹應(yīng)變區(qū)，這樣的區(qū)域性狀態(tài)反映了形變的不均衡特征，或許更有利于能量以不同形變方式的積累。2014年于田地震位于面膨脹與收縮的過渡區(qū)。

新疆地區(qū)布設(shè)了30余個(gè)GNSS連續(xù)觀測站，XJYT站是距2014年于田MS7.3強(qiáng)震震中最近的測站，相距約60 km，位于其西北部，其它測站距震中都超過了300 km。數(shù)據(jù)處理表明，除XJYT站外，其它測站均未發(fā)現(xiàn)可識(shí)別的同震變化。

圖2為XJYT站自觀測以來E、N、U三分量的時(shí)間序列結(jié)果。圖中可以看出，地震前在測站位置上并沒有出現(xiàn)通常意義下的形變前兆或異動(dòng)，各個(gè)分量均保持在各自原有的線性狀態(tài)下。震時(shí)存在著同震位移，東向約-20 mm，北向約10 mm，法向0 mm。由于其他站無變化，從空間域的角度看似乎顯現(xiàn)為張性的左旋錯(cuò)動(dòng)跡象，這還有待于進(jìn)一步觀察，因?yàn)檫@與震源機(jī)制解的左旋錯(cuò)動(dòng)并非完全一致。由于震源區(qū)及周圍地域震后尚未進(jìn)行復(fù)測，所以目前還無法給出本次地震同震位移的空間范圍、大小和確切的性質(zhì)。

3討論

綜上所述，6年內(nèi)于田地區(qū)發(fā)生了兩次7級(jí)以上地震，表明了該區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)是非?；钴S的。本文所得出的GNSS結(jié)果較詳細(xì)地勾畫了該區(qū)域構(gòu)造形變的基本形態(tài)，進(jìn)一步證明了該區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)是較為強(qiáng)烈的。除此之外，也揭示了研究區(qū)的變形并非是單一性質(zhì)的，而是比較復(fù)雜的。即存在運(yùn)動(dòng)模式的分群性(以阿爾金斷裂帶為界南區(qū)與北區(qū)的運(yùn)動(dòng))，又存在同一運(yùn)動(dòng)模式下的不同步性(南區(qū)東部與西部的運(yùn)動(dòng))。不論是剪切應(yīng)變還是旋剪形變都說明了具有剪切性質(zhì)的變形只發(fā)生在阿爾金斷裂帶及附近的區(qū)域上，其他區(qū)域相對(duì)較小。此外，研究區(qū)南部形變的非協(xié)調(diào)性也比較突出，存在著形變比較明顯的西部膨脹區(qū)(東西向的較大拉張所致)和東部收縮區(qū)(北北東與南南西較大的擠壓所致)。所有這些都表明了研究區(qū)地震的活動(dòng)及其性質(zhì)均有深刻的構(gòu)造活動(dòng)背景。

Shen等(2001)曾給出阿爾金斷裂帶的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，與本文的結(jié)果基本一致，似乎表明2014年于田地震之前并沒有發(fā)現(xiàn)形變的閉鎖或虧損，至少不太顯著，如汶川地震(楊國華等，2015)。一方面，這可能與該地震為盲地震有關(guān)(孟令媛等，2014)，因此在地表上顯現(xiàn)的不夠明顯；另一方面，本文的結(jié)果只是一個(gè)時(shí)間段的結(jié)果，早期的結(jié)果測站有限，故而不能發(fā)現(xiàn)較小的差異變化。除此之外，XJYT站的同震位移結(jié)果與震源機(jī)制解的差異也讓我們有所疑問。因此，目前還不能給出非?？隙ǖ目捶?，需要通過今后的對(duì)測站的復(fù)測與分析來獲得較全面的認(rèn)知。

感謝楊國華研究員的指導(dǎo)與幫助，感謝審稿專家的辛勤付出。

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Using the flow GNSS observation data and its processing results from 2011 to 2013，we obtained the result of the horizontal deformation field of YutianMS7.3 earthquake in 2014 as follows：(1)The YutianMS7.3 earthquake occurred in the west end of Arkin fracture zone where the active structure is strong，the differential movement on both sides of Arkin fracture zone is about 8 mm/a and its main component is the left-lateral movement.(2)The principal strain in the epicenter area is the most prominent in the study area，the tensile strain is relatively equal to the compressive strain and the direction of main tensile strain is SEE-NWW.(3)The YutianMS7.3 earthquake occurred in the high gradient belt of the left-lateral deformation，the Tarim Basin in the north of it has weak right-lateral deformation and the area about 150 km away from the Basin in the south of it has little rotary deformation.(4)The epicenter was located at a transition zone of the property transition of plane strain，that is，the surface expansion area is gradually varied to the surface contraction area from the west to the east of the epicenter.

Key words：GNSS observation data；YutianMS7.3 earthquake；tectonic deformation

*收稿日期：2014-07-18. 基金項(xiàng)目：地震行業(yè)科研專項(xiàng)(201308009，201208006)和科技支撐項(xiàng)目(2012BAK19B01-2)聯(lián)合資助.

中圖分類號(hào)：P315.72

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-0666(2015)03-0384-05

Research on Crustal Tectonic Deformation Background of Xinjiang YutianMS7.3 Earthquake in 2014

YANG Bo，ZHU Shuang，LOU Guan-shou，ZHOU Hai-tao

(The First Monitoring and Application Center，Tianjin 300180，China)

Abstract