2008年3月21日在新疆于田(35.6°N,81.6°E)发生了M_S7.3地震(震源深度13 km)。2014年2月12日同样在新疆于田(36.1°N,82.5°E)发生了M_S7.3地震(震源深度12 km),前一天几乎在相同的地域(36.1°N,82.4°E)发生了一次5.4级地震(震源深度11 km),并被视为M_S7.3地震的前震(程佳等,2014)。6年内于田地区连续发生了2次7级以上地震,不仅表明了该区域中强地震出现了空前活跃,同时该区域构造活动得到进一步关注。万永革等(2010)给出了2008年于田M_S7.3地震正断层机制的构造区域解释,认为是青藏高原沿阿尔金断裂的整体东向运动与兴都什块体的西北向运动共同作用的结果; 王凡等(2011)得到了破裂断层北侧100 km附近的同震位移及震后形变信息,认为该地震在原有的基础上导致了北侧断裂带的左旋位移; 冀战波等(2014)反演了该地震的破裂过程,指出破裂区以正断左旋走滑为主的双侧破裂,最大破裂为151 cm,为以东西向拉张为主并与左旋张扭作用的结果。程佳等(2014)指出2014年于田M_S7.3地震为左旋走滑的破裂模式,与前次地震相比震源机制完全不同(王晓欣等,2014),为一次典型的盲断层地震。这可能说明区域构造活动在空间上存在着差异。本文利用2011～2013年区域流动GNSS复测资料以及多核函数法对该区域形变进行描述,以便较清晰地了解于田地区强震发生的地壳形变场背景。

原始观测数据采用GMAIT/GLOBK/QOCA软件包计算获得ITRF框架下运动结果,之后可利用多核函数法在球面上进行运动场的数值解析:

{f(λ,φ)=∑c_js_j(λ,φ,λ_j,φ_j)=S^TC,

s_j(λ,φ,λ_j,φ_j)=d^1,1_j+1.(1)

式中,d_j为球面上两点间的大地线长度(以km为单位),(λ_j,φ_j)为核点位置坐标, S^T=(s₁,s₂,…,s_nx)为核函数阵(该式侧重线性性),C^T=(c₁,c₂,…,c_nx为系数阵。

在获得解析式的基础上分别对东向和北向进行网格化数值计算,然后对它们进行滤波处理以获得水平运动的解析式:

{F_e(λ,φ)=∑a_is_i(λ,φ,λ_i,φ_i)=S^TA,

F_n(λ,φ)=∑b_is_i(λ,φ,λ_i,φ_i)=S^TB,

s_j(λ,φ,λ_i,φ_i)=exp(-(d_i/780)^2.8).(2)

式中,S^T=(s₁,…,s_nx)为核函数阵(该式侧高度重光滑性)、A^T=(a₁,…,a_nx)、 B^T=(b₁,…,b_nx)、 C^T=(c₁,…,c_nx)均为待定系数,(λ_i,φ_i)为核点位置坐标,d_i为两点间的大地线长度; 在此基础上依据下式便可获得相关的应变与旋转量结果等:

{ε_e(λ,φ)=(F_e(λ,φ))/(_Sλ)-(F_n(λ,φ))/Rtanφ,

ε_n(λ,φ)=(F_n(λ,φ))/(_Sφ),

γ_en(λ,φ)=1/2[(F_n(λ,φ))/(_Sλ)+(F_e(λ,φ))/(_Sφ)

+(F_e(λ,φ))/Rtanφ],

ω(λ,φ)=1/2[(F_n(λ,φ))/(_Sλ)-(F_e(λ,φ))/(_Sφ)

-(F_e(λ,φ))/Rtanφ].(3)

式中,R为地球的平均半径,S_λ和S_φ分别为经向和纬向的弧长,ε_e(λ,φ)为东西向应变, ε_n(λ,φ)为南北向应变, γ_en(λ,φ)为它们之间的剪应变, ω(λ,φ)为旋转量。在(3)式的基础上便可得到:

{d(λ,φ)=ε_e(λ,φ)+ε_n(λ,φ),

γ_max(λ,φ)=(ε_max(λ,φ)-ε_min(λ,φ))/2,

ε_max(λ,φ)=(ε_e(λ,φ)+ε_n(λ,φ)+

(4γ²_en(λ,φ)+(ε_n(λ,φ)-ε_e(λ,φ))²)^1/2)〖JB<1*/〗2,

ε_min(λ,φ)=(ε_e(λ,φ)+ε_n(λ,φ)-

(4γ²_en(λ,φ)+(ε_n(λ,φ)-ε_e(λ,φ))²)^1/2)〖JB<1*/〗2,

θ(λ,φ)=arctg((ε_max(λ,φ)-ε_e(λ,φ))/

γ_en(λ,φ)).(4)

式中,d、γ_max、ε_max、ε_min、θ分别为面应变、最大剪切应变、最大主应变、最小主应变及最大主应变方位角。其中,ε_e、ε_n分别为时刻东向和北向位置变化值。在获得有关数值结果后生成图像结果(图1)。

中国地壳运动观测网络于1998年在中国大陆范围内布设了GPS流动测站,用于监测地壳形变及其动态变化,但是新疆地区测站密度非常稀疏,2008年又进行了加密布设,使该区流动观测站的数量有了一定程度的增加,接近50个。到目前为止已进行了3次观测,分别为2009、2011和2013年。考虑到2008年于田M_S7.3地震对周围地区可能产生的影响,本文只取用2011和2013年两期观测资料来获取该研究区的基本运动与形变状态,此时间段内该区域未发生过强震。根据上述数据处理流程首先利用GAMIT/GLOBK/QOCA软件获得该时段ITRF参考框架下的运动结果; 然后以此获得相对于区域无旋转基准的运动结果(杨国华等,2005),接下来再对研究区相对运动速度及误差结果进行数值逼近; 在此基础上,结合以经、纬步长均为30 km计算网格点上的运动结果,在核点经、纬步长为150 km等间隔的条件下,进行水平运动的滤波计算和形变场的有关参数计算等。

图1a为2011～2013年相对于区域整体无旋转基准的水平运动场。由此不难看出,差异运动不但非常明显而且有序,清晰地凸显了于田及周围地区的水平向构造活动状态。从运动的有序性来看,大体以阿尔金断裂带为界,南、北两侧块体均呈顺时针运动,但两侧旋转中心有所不同,北块在其北,南块则在其南,因此形成了两块(体)交汇地域的差异运动,大约在150 km的宽度内由西向东存在着4～8 mm/a的左旋运动(东大西小); 然而,垂直于该形变带的张压性活动在空间上则存在性质上的差别,表现为西段为张性活动,中段与东段为压性活动,量级约2 mm/a。北块(塔里木盆地的南边缘)的运动整体性相对较好,南块运动则不同,有较大的差异性,主要表现在东向分量上,最大可达5 mm/a,为拉张性质。研究区这种运动状态充分说明了该区构造活动的强烈性与复杂性。这两次强震的震中位置或位于构造活动强烈的部位,或位于活动性质出现转变的过渡部位,因此有着深刻的构造活动含义。

图1b为以应变张量形式展现主应变方向和大小的空间分布状态。区域主压方向在空间上有一定程度的变化,研究区南部(35°N以南)由西向东表现为北东—南西向、近南北向的变化过程,研究区中部(35°N以北,塔里木盆地以南)由西向东表现为北东—南西向、北北东—南南西向、近南北向的变化过程。就大小而言,研究区南部压应变相对较弱,一般在1×10^-8/a之内,空间上的变化也不明显; 张性应变相对较大些,基本上在2×10^-8/a之内,但空间上的变化是可见的,其东区几乎为零,中区和西区较大,表现为明显的东西向拉张。研究区中部的应变在全区最为突出,

最大可达4×10^-8/a,基本上位于阿尔金断裂带及附近的南部区带。所有这些表明,应力的方向在空间上虽存在一些变化,但较为有序平稳,而应变则主要集中在断裂带上。除此之外,在震中以南也存在着张性应变较大的地域,且向东则很快就消失了,

图1 于田周边地区2011～2013年相对于区域无旋转基准的水平运动(a)、主应变方向及
大小(b)、最大剪切应变率(c)、水平旋转率(d)、面应变率(e)
Fig.1 Horizontal movement relative to regional non-rotation reference frame(a),main strain value and its direction(b),maximum shear strain rate(c),horizontal rotation rate(d),and plane strain rate(e)in the surrounding area of Yutian MS7.3 earthquake from 2011 to 2013

这一结果似乎有某种特定的地球物理含义。

由图1c可知,最大剪切应变率大小的空间分布具有带状特征,其值最大近3×10^-8/a,强震就发生在最大值的附近地域。这一分布特征表明高值剪切应变主要发生在阿尔金断裂带及附近区域,其他区域则相对较小。研究区西侧的断层剪切应变较小,这预示着这些断层的走滑活动较弱,相应发生走滑型强震的几率也会相对较低。其南部区域也是如此,张性错断型地震可能是这一区域主要的地震错断方式。

图1d为水平旋转率的空间分布结果,其差异变化所反映的是旋剪形变,其值大于0时表示为左旋旋剪形变(绿色区域),反之表示为右旋旋剪形变(红色区域),它可清晰地刻画旋剪形变的大小与性质。由图可知,西北地区(塔里木盆地)为右旋活动区,其右旋活动最大值为25×10^-9/a,但由于区内的梯度较小,表明该区域以整体旋转活动为主,旋剪变形较弱。阿尔金断裂带及附近地区为左旋活动区段,最大值也为25×10^-9/a,但空间变化梯度较大,因此主要表现的是旋剪变形而不是整体旋转活动。南部地区旋转量最小,且左、右旋的优势均不突出。两次于田强震不仅发生在左旋旋剪形变带内,同时也位于高梯度带上,表明它们与剪切形变有一定的关系。

面应变率的空间分布如图1e所示,从图中可以看出,北部地区(塔里木盆地)整体上最弱,究其原因为该区的刚性强度较高(胥颐等,2001),因此是一个弱形变地域。事实上,描述形变的各个物理参数都表明了这一点。研究区南部虽是一个形变强度较高的地区,但在形变性质上并非一致,东部为面收缩应变区,西部为面膨胀应变区,这样的区域性状态反映了形变的不均衡特征,或许更有利于能量以不同形变方式的积累。2014年于田地震位于面膨胀与收缩的过渡区。

新疆地区布设了30余个GNSS连续观测站,XJYT站是距2014年于田M_S7.3强震震中最近的测站,相距约60 km,位于其西北部,其它测站距震中都超过了300 km。数据处理表明,除XJYT站外,其它测站均未发现可识别的同震变化。

图2为XJYT站自观测以来E、N、U三分量的时间序列结果。图中可以看出,地震前在测站位置上并没有出现通常意义下的形变前兆或异动,各个分量均保持在各自原有的线性状态下。震时存在着同震位移,东向约-20 mm,北向约10 mm,法向0 mm。由于其他站无变化,从空间域的角度看似乎显现为张性的左旋错动迹象,这还有待于进一步观察,因为这与震源机制解的左旋错动并非完全一致。由于震源区及周围地域震后尚未进行复测,所以目前还无法给出本次地震同震位移的空间范围、大小和确切的性质。

图2 XJYT测站的3分量的时序结果
Fig.2 Time sequence results of three component at XJYT station

综上所述,6年内于田地区发生了两次7级以上地震,表明了该区域构造活动是非常活跃的。本文所得出的GNSS结果较详细地勾画了该区域构造形变的基本形态,进一步证明了该区的构造活动是较为强烈的。除此之外,也揭示了研究区的变形并非是单一性质的,而是比较复杂的。即存在运动模式的分群性(以阿尔金断裂带为界南区与北区的运动),又存在同一运动模式下的不同步性(南区东部与西部的运动)。不论是剪切应变还是旋剪形变都说明了具有剪切性质的变形只发生在阿尔金断裂带及附近的区域上,其他区域相对较小。此外,研究区南部形变的非协调性也比较突出,存在着形变比较明显的西部膨胀区(东西向的较大拉张所致)和东部收缩区(北北东与南南西较大的挤压所致)。所有这些都表明了研究区地震的活动及其性质均有深刻的构造活动背景。

Shen等(2001)曾给出阿尔金断裂带的相对运动,与本文的结果基本一致,似乎表明2014年于田地震之前并没有发现形变的闭锁或亏损,至少不太显著,如汶川地震(杨国华等,2015)。一方面,这可能与该地震为盲地震有关(孟令媛等,2014),因此在地表上显现的不够明显; 另一方面,本文的结果只是一个时间段的结果,早期的结果测站有限,故而不能发现较小的差异变化。除此之外,XJYT站的同震位移结果与震源机制解的差异也让我们有所疑问。因此,目前还不能给出非常肯定的看法,需要通过今后的对测站的复测与分析来获得较全面的认知。

感谢杨国华研究员的指导与帮助,感谢审稿专家的辛勤付出。