利用GPS分析新疆地區(qū)形變特征

胡良晨等

【摘 要】利用2011～2013年新疆天山地區(qū)近200個GPS測站觀測資料，計算得到研究區(qū)域水平運(yùn)動速度場，然后采用利用基線的邊長變化量的方法獲取研究區(qū)域現(xiàn)今地殼運(yùn)動應(yīng)變場。分析結(jié)果表明：研究區(qū)域的運(yùn)動特征為由南向北、由西向東地殼縮短遞減，由于受到印度板塊持續(xù)的向北推擠作用力，南天山西側(cè)與帕米爾高原以及西昆侖山交匯區(qū)是天山地區(qū)運(yùn)動最為活躍的地區(qū)，天山地區(qū)由于印度板塊和歐亞板塊的持續(xù)擠壓整體處在壓縮狀態(tài)中，烏恰伽師一帶為地震高發(fā)區(qū)。

【關(guān)鍵詞】GPS；速度場；基線；主應(yīng)變；剪應(yīng)變

0 引言

天山山系位于歐亞大陸腹地[1]，是亞洲最主要的年輕山系之一[1]。天山雖然從西向東逐漸遠(yuǎn)離板塊邊界，但是由于受到歐亞板塊與印度板塊的持續(xù)擠壓和碰撞，成為大陸內(nèi)部現(xiàn)今構(gòu)造運(yùn)動十分強(qiáng)烈的地區(qū)[7]。據(jù)統(tǒng)計，從2012年4月至今，新疆地區(qū)已發(fā)生地震600余次，其中6級以上地震4個，7級以上地震1個。

眾多學(xué)者利用利用應(yīng)變場研究地殼變形特征，如克里金插值法，最小二乘法以及三次樣條函數(shù)法等[8-9]。

GPS技術(shù)的廣泛應(yīng)用使其成為研究地殼形變的重要手段之一。本文利用GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)，根據(jù)兩期測量得到的坐標(biāo)變化來計算地殼應(yīng)變率場。

1 觀測資料的處理

本文觀測資料來源于新疆地震局提供的新疆地區(qū)近200個流動站（觀測時間段為2011年4～6月和2013年4～8月）和中國大陸陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心提供的新疆地區(qū)8個連續(xù)站。同時選取新疆周邊20個IGS測站參與計算以保證研究區(qū)域與全球基準(zhǔn)的聯(lián)系和統(tǒng)一。

資料處理分析采用由瑞士伯爾尼大學(xué)天文研究所所研究開發(fā)的高精度GNSS數(shù)據(jù)處理軟件BERNESE5.2軟件。數(shù)據(jù)處理分為四個步驟。第一步，應(yīng)用自動處理模塊BPE里的PPP.PCF處理單日數(shù)據(jù)，計算得到單日所有測站精密單點(diǎn)定位結(jié)果。第二步，應(yīng)用BPE的RNS2SNX.PCF計算得到單日的法方程（R1.NEQ）。第三步，利用ADDNEQ2程序?qū)⒚科诘乃蟹ǚ匠谭謩e進(jìn)行平差，采用最小約束解，得到每期所有測站的平均坐標(biāo)，用于計算應(yīng)變場。

2 根據(jù)邊長變化量求解應(yīng)變

BRENESE軟件計算結(jié)果表明，兩期觀測中測站的X分量變化量不超過0.1m，Y分量的變化量不超過0.01m。為了保證結(jié)果可靠，剔除變化量過大的測站。

得到測站的平均坐標(biāo)后即可計算計算每條基線的長度。為了提高精度，應(yīng)計算測站之間的橢球面距離。本文以白塞爾大地投影為基礎(chǔ)，用球面三角學(xué)公式來求解橢球面上兩點(diǎn)間的距離[11]。

本文采用四邊形模型法求解應(yīng)變。以1°×1°為間隔劃分研究區(qū)域，其中緯度范圍為36°～49°，經(jīng)度范圍為74°～95°，一共有13×21=273個方框。本文最終選取了175個測站參與計算，形成基線數(shù)量為C2175=15225條。每條基線穿過了哪些方框和在每個方框里的長度都可以通過計算得到。

由于本文中基線條數(shù)為15225條，則方程數(shù)量為15225個；方框個數(shù)為273個，則未知數(shù)即應(yīng)變參數(shù)為273×3=819個?？梢姺匠痰臄?shù)量大于未知數(shù)的數(shù)量，可以根據(jù)最小二乘法求解，最終得到每個方框里的應(yīng)變參數(shù)[11]。

得到應(yīng)變參數(shù)之后，就可求得每個方框里面的最大主應(yīng)變，最小主應(yīng)變，面膨脹率和最大剪應(yīng)變率。

3 新疆地區(qū)應(yīng)變特征

圖1顯示的是121個1°×1°網(wǎng)格內(nèi)平均最大主應(yīng)變率。該應(yīng)變率圖顯示，研究區(qū)域內(nèi)以南北向主壓應(yīng)變?yōu)橹?，方向沿塔拉?費(fèi)爾干納斷裂，與天山山脈走向基本正交。南天山應(yīng)變量值大于北天山應(yīng)變量值，最大主壓應(yīng)變量值位于天山褶皺帶，其中南天山西部與西昆侖北緣及帕米爾高原交界地區(qū)較為明顯。塔里木塊體北面為逆沖斷裂，南面為走滑斷裂，西面為山脈，其壓應(yīng)變和張應(yīng)變量值較小且基本均勻，即相鄰點(diǎn)位之間不發(fā)生相對位移，內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整，說明在印度板塊的推擠和青藏高原隆起時的向北推擠作用力下，能量大部分被昆侖山吸收。準(zhǔn)格爾盆地應(yīng)變率更小，因?yàn)樘焐綁K體也吸收了一部分的能量。

整個新疆地區(qū)地殼以壓縮狀態(tài)為主，拉張成分較小，面膨脹率的大小在-4.172×10-8/a至2.1168×10-8/a之間。南天山面膨脹率大于北天山面膨脹率。擠壓變化比較明顯的區(qū)域?yàn)榭κ布捌湟阅蠀^(qū)域，喀什地區(qū)發(fā)生過多次5.0級以上地震。塔里木盆地和準(zhǔn)格爾盆地面膨脹率量值都較小，體現(xiàn)出其剛性特征。

研究區(qū)域最大值集中分布在南天山西段、帕米爾弧形斷裂北緣與塔里木塊體西北地區(qū)所圍區(qū)域，量值最大為3.182×10-8/a。該地區(qū)有許多逆沖斷裂，斷層的強(qiáng)烈運(yùn)動引起了較強(qiáng)的剪切變形。高剪應(yīng)變率值的出現(xiàn)反映出該地區(qū)今后發(fā)生強(qiáng)震的可能性。

從歷史地震記錄來看，新疆地區(qū)大部分中強(qiáng)地震集中發(fā)生在天山褶皺帶上，其中南天山山前構(gòu)造帶與帕米爾西昆侖北緣斷裂帶交匯區(qū)地震次數(shù)最多，主要集中在烏恰、喀什一帶，與本文的研究結(jié)果一致。

受印度板塊的快速向北推擠運(yùn)動的影響，帕米爾西昆侖北緣斷裂帶與南天山山前地震構(gòu)造帶積累了大量的應(yīng)變能量。該區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動復(fù)雜，活動斷裂密集且規(guī)模較大，地震構(gòu)造能量的積累和釋放速率較高，從而形成了目前的強(qiáng)震危險區(qū)[1]。

4 結(jié)論

本文通過計算2011年～2013年的新疆天山地區(qū)GPS觀測數(shù)據(jù)，采用利用基線邊長變化量求解應(yīng)變的方法獲得了新疆地區(qū)的應(yīng)變場。分析發(fā)現(xiàn)新疆地區(qū)處在壓縮狀態(tài)中，同時存在部分拉伸狀態(tài)，其中南天山西側(cè)與西昆侖山以及帕米爾高原交匯區(qū)因?yàn)槭艿接《劝鍓K的向北推擠運(yùn)動最為強(qiáng)烈。最大剪應(yīng)變出現(xiàn)在烏恰一帶，為強(qiáng)震高發(fā)區(qū)。

雖然天山區(qū)域內(nèi)布設(shè)的GPS點(diǎn)數(shù)量很多，但是由于沒有周邊的數(shù)據(jù)，無法獲得完整的天山應(yīng)變場。四邊形法雖然克服了三角形法受三角形的形狀、大小的誤差影響的缺點(diǎn)，但是由于對測站分布情況要求較高，仍需要改進(jìn)。

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