本文利用Tdefnode负位错反演程序计算断层的闭锁程度及滑动亏损速率(Mccaffrey et al,2007),该程序假定块体内部点的运动为块体旋转、块体内部整体均匀应变及块体边界由于断层闭锁产生滑动亏损而引起的地表弹性变形之和,如式(1)所示。模型参数拟合的好坏可由式(2)表征:

V^-_sf=V^-_br+V^-_is+V^-_fs(1)

式中:V^-_sf表示实测地表速度; V^-_br为块体旋转引起的速度; V^-_is为块体内部应变引起的速度; V^-_fs为断层闭锁负位错效应引起的速度。

x²_n=[∑(r_i/fσ_i)²]/dof(2)

式中:n为观测数据的数量; dof为自由度(所有观测数据数量-自由参数数量); r_i为观测数据残差; σ_i为数据标准差; f为数据误差权重因子; 一般GPS水平速度场数据误差的f 取值范围为1～5(Mao et al,1999)。

在反演阿尔金断裂的闭锁程度过程中,主要选择了断裂附近的塔里木、柴达木、柴北次级、祁连次级和河西次级5个块体。将塔里木块体设置

图2 阿尔金断裂跨断层GPS速度场剖面
Fig.2 GPS velocity profile crossing the Altyn Tagh fault

为刚性块体,其他块体设置为内部均匀应变,块体的划分参考李煜航等(2015b)的块体划分方法。GPS速度场约束方面,利用Zheng等(2017)提供的1991—2015年GPS数据。反演断层设置中,在断层走向上,塔里木块体和柴达木块体相交部分的阿尔金断裂中西段设置了16个节点,每个节点之间距离为55～60 km。阿尔金断裂东段设置了24个节点,各节点之间的距离为20 km。在垂直方向上设置了7个节点,距离依次为0.1,5,10,15,20,25以及30 km,断层倾向SSE,倾角统一设置为80°,模型的格林函数设置为4×4(走向与深度方向都为4 km),进而计算相邻节点之间断层网格区域的闭锁程度。

在反演阿尔金断裂闭锁程度的过程中,以 χ_n²≈1为标准寻求最佳模型,首先删除块体内部与周围测点运动趋势、大小明显不同的点,删除后最终有212个GPS测点参与反演,再经过多次测试,调整各项参数,最终得到最佳模型(李宁等,2017)。当GPS速度场误差权重因子f=4.2时,χ_n²=0.98(观测值个数为424,自由度为332)。为了更好地说明模型择优和拟合效果,图3a给出了最优模型的拟合残差分布,从图中可以看出,只有少部分在块体边界的测站的GPS速度残差值较大,大部分块体内部及断裂附近的测站速度残差较小,在误差范围2 mm/a之内,速度残差在东西方向(图3b)和南北方向(图3c)上分布都符合高斯正态分布,说明模型有效并且拟合结果较好。

图3 最优模型的速度残差分布图(a)和速度残差统计柱状图(b,c)
Fig.3 Residual of velocities of the optimal models(a)and statistical histograms of the velocity residuals(b,c)

通过最佳模型拟合结果,得到阿尔金断裂闭锁程度分布图(图4),通过图4可以看出,在断裂西段深部基本不闭锁,而在断裂中段(91°E)以东的大部分区域,呈现较高的闭锁程度,闭锁深度在断裂西段地表存在浅闭锁,闭锁深度不足2 km,到了断裂中段和东段,闭锁深度达到了25 km,总体呈现出由西向东,闭锁深度由浅变深的特征,这说明断裂东段比西段地震危险性大。另外,阿尔金断裂与北西向断裂相交的地方,都发现存在高的闭锁程度及闭锁深度,以及较高的应力积累,例如祁曼塔格断裂、柴达木盆地北缘断裂、祁连山北缘断裂等,说明阿尔金断

裂的闭锁区域有可能与这些北西向斜交的构造活动相关。

由于断层处于闭锁状态,滑动速率的亏损以应变能的方式积累在断层附近,所以用滑动亏损速率可以表示断层两盘滑动量转化为应变能的快慢(李宁等,2018)。根据反演模型得到了阿尔金断裂滑动亏损速率分布图(图5),从图5可以看出,滑动亏损分布图像与闭锁程度分布图变化基本一致:断裂的西段滑动亏损速率低,断裂顶部亏损速率在4～6 mm/a; 断裂中段亏损速率开始增大,在祁曼塔格断裂与柴北断裂之间亏损速率为6～8 mm/a,而在柴北断裂至大雪山断裂之间,亏损速率维持在6～7 mm/a,没有明显的

图4 阿尔金断裂闭锁程度分布图
Fig.4 Locking degree distributions of the Altyn Tagh fault

图5 阿尔金断裂滑动亏损速率分布图
Fig.5 Slip deficit rate distributions of the Altyn Tagh fault

增大; 在断裂东段的大雪山至祁连山北缘断裂之间,亏损速率明显增加,达到10 mm/a。在阿尔金断裂与北西向活动断裂斜交的部位,都存在较大的滑动亏损速率,说明断层在交汇处快速的积累应变能。

阿尔金断裂GPS跨断层速度剖面显示(图2),在断裂北侧区域的运动速率为4～5 mm/a; 而南侧区域的运动速率由西向东逐渐减小,说明断裂北侧速率较为一致。北侧区域受塔里木块体的影响,形成一个整体在运动,没有构造活动的影响,而南侧速率变化的差异,可能是由于南侧构造复杂(季灵运等,2015),根据构造样式,与阿尔金断裂相交的NW向的多条断裂分布在阿尔金断裂中段到东段之间,而阿尔金断裂走滑速率的快速降低也是在断裂中段到东段内,并且NW向的这几条断裂基本都是逆冲型断裂,主应变率特征也显示NW向的断裂具有挤压作用。李海兵(2001)提出在阿尔金断裂与分支逆冲断裂交汇的地区,其走滑速率有明显的突变。

笔者认为阿尔金断裂受到青藏块体北东向的挤压作用以及北部塔里木块体的阻碍后向东运动形成左旋走滑断裂,断裂在向东运动的过程中由于受到了祁曼塔格断裂、祁连山北缘断裂等北西向逆冲断裂的阻挡作用,将一部分的走滑速率分解到了这些逆冲断裂上,减少了阿尔金断裂的走滑速率。徐锡伟等(2003)提出阿尔金断裂向东走滑速率降低是三联点附近构造转换的结果,而NW向断裂交汇区域就是三联点的位置。由此可知,阿尔金断裂走滑速率的降低与相交的NW向断裂有关。

活动断裂在闭锁后,受到应力作用不断积累能量,当超过自身稳定极限后,发生地震并释放能量。所以分析断裂的闭锁程度可以很好地判断断裂的地震危险性。

根据阿尔金断裂闭锁程度分布的结果(图4),笔者发现在断裂的中东段有较强的闭锁系数,并且在与北西向的断裂交汇区域也存在较高的闭锁,断裂走滑速率也在这些断裂附近有明显的减小,说明阿尔金断裂在向东走滑的过程中遇到了北西向的逆冲断裂后,受到阻碍作用,在交汇部位更容易积累应力。

通过小震剖面图(图6)也可以看出,在断裂的交汇部位,如祁曼塔格断裂、大雪山断裂、祁连山北缘断裂的小震分布较多,说明这些区域经常发生闭锁。另外,依据地震空段划分原则,笔者在断裂中东段圈了一个地震空段,位于柴北断裂交汇处,避开了祁曼塔格断裂、大雪山断裂和祁连山北缘断裂交汇部位,因为这些地方小震频发,也伴随有较大的地震发生,断裂闭锁的能量也随之释放,处于应力调整阶段。在断裂西段没有圈定空区是因为在小震剖面上没有形成地震分布围控,且断裂西段的闭锁程度也相对较弱,故笔者认为阿尔金中东段是未来可能发震的区域。

阿尔金断裂的长期滑动速率一直是人们研究的重点,许多学者利用地质资料计算该断裂长期滑动速率。Peltzer等(1989)估算出全新世以来阿尔金断裂带中段和东段的走滑速率分别为30和20 mm/a。陈正乐等(2001)推断阿尔金断裂中段晚新生代的平均滑动速率为16～20 mm/a。张岳桥等(2001)给出阿尔金断裂晚新生代的平均滑移速率:西段、中段和东段分别为12～25 mm/a,8～20 mm/a和6～13 mm/a。虢顺民和向宏发(1998)认为阿尔金断裂带渐新世以来的走滑速率基本一致,为5～7 mm/a,但得到的滑动速率的变化范围较大。谢富仁和刘光勋(1989)分析阿尔金断裂构造应力场,提出在早更新世以前,断裂以逆冲分量为主,走滑分量较小,在早更新世后期以来,受印度板块继续挤压作用,最大主应力方向变为NE—SW,断裂左旋速率明显增加,所以阿尔金断裂在不同时期滑动速率有所差异。大多数研究显示全新世以来断裂滑动速率为20～30 mm/a(Peltzer et al,1989; Meriaux et al,2003,2005)。

笔者利用1991—2015年GPS数据,通过Tdefnode负位错反演程序计算了阿尔金断裂的长期滑动速率8～11 mm/a,与Shen等(2001)提出的阿尔金断裂中段和东段的滑移速率小于11 mm/a的结果基本一致,而与地质资料计算出来的长期滑动速率相比较小。由于地质学结果反映的是断裂在地质时间尺度下的综合效应,而GPS结果体现的则是现今断裂的活动状态,如果2类结果在误差容许的范围内均是精确的,其差异又真实存在,那么这个差异就可能暗示了阿尔金断裂的左旋滑移速率呈急剧减小的趋势(熊熊等,2006)。GPS资料得到的长期滑动速率的减少,可能是断裂现今处于应力积累状态,地震危险性较大; 也可能是现今构造活动性的变化,例如东昆仑断裂活动性增强,吸收了部分来自青藏块体的挤压作用,或者由于青藏高原地壳缩短增厚吸收了部分的应力,导致了断裂滑动速率减小。