新疆断块区是处于挤压环境下的大陆内部新生代再生造山带压陷盆地及逆断裂和活动褶皱发育区,内部发育有大型走滑断裂,印度板块推挤的远程效应及其在兴都库什地区的强烈挤压是天山地震带变形的基本因素(张培震等,1996; 邓起东等,2002)。塔里木和准噶尔盆地断块是结构完整的活动块体,其间的天山造山带则是典型的新生代再生造山带,因此,天山造山带是世界上最为活跃的陆内造山带之一。天山山脉作为欧亚大陆内部规模最大的再生造山带(邓起东等,2000; 周德敏,2013; Larson et al,1999),地壳运动基本表现为近南北向的变形和大量强震地表破裂,是我国构造运动较强的地区之一,也是我国重点地震危险区之一(Larson et al,2003; Abdrakhmatov et al,1996; Avouac et al,1993)。

目前,已经有很多专家利用GPS手段对天山地震带进行了相关研究(Mohadjer et al,2010; Zubovich et al,2010; Zhan et al,2017; 李杰等,2006):杨少敏等(2008)利用1992—2006年天山地震带近400个GPS站点的观测资料,获取了天山地震带密集的地壳运动速度场,并以GPS速度场为约束,采用二维弹性位错模型反演了区域内主要断层的活动速率; 牛之俊等(2007)利用1992—2005年天山地震带382个GPS观测站资料,计算了天山地震带现今地壳运动速率,并分区域分析了天山地震带地壳缩短速率变化的方式和特征,认为天山地震带的汇聚速率由西向东逐步减小,具有分段变化的特征; 刘代芹等(2016)利用1998—2003年的速度场,采用弹性块体模型计算了天山地震带的闭锁深度、块体运动参数和主要断层的滑动速率,认为北天山断裂带东段有发生7级以上地震的可能性。关于天山地震带滑动速率的计算,大多数研究者采用2010年以前的速度场所得到的背景速率,很少采用近期的速度场数据,除此之外,许多研究人员以单一角度即从速度场分析天山地震带的活动状态,并得到了相一致的结论,但对于有较好连续性的时序信息变化分析较少。笔者将利用最新一期的GPS观测数据,结合速率场和时序的结果进行统一分析,从整体上分析天山地震带近期地壳形变,评估其地震危险性。

本文首先收集了1999—2018年网络工程和陆态网络GPS连续站与流动站的观测数据,计算得到3期速度场结果及最新时间序列结果; 在分析天山地震带及其周边区域的地震活动状态的基础上,利用线性球面块体模型计算天山地震带主要断裂带滑动速率,然后利用时间序列分析基线及区域应变,研究天山地震带现今水平运动特征。

自1900年以来天山地震带7级以上地震活动具有明显的平静-活跃交替特征,先后经历了3个相对活跃时段,依次为1902—1914年、1944—1955年和1974—1992年,期间的2个平静时段分别持续了29年和19年,目前天山地震带7级以上地震已经平静了24年(全国7级地震与地震形势跟踪组,2017)。从2011年6月8日托克逊5.3级地震开始,天山地震带5级以上地震主要集中在2个区域,分别为北天山地震带西段和南天山地震带西段附近区域,如图1所示,结合天山地区活动的交替特征来看,这2个区域具有7级地震的发震背景。

图1 2011年6月以来天山及其周边地区M≥5地震分布及3期速度场点位分布图
Fig.1 Map of the epicenters of M≥5 earthquakes in the Tianshan region since Jun.2011 and distribution of the GPS stations in 3 periods

由于基于统一参考框架的GPS基线长度变化基本不受参考基准的影响,能够较客观直接地反映两站之间相对运动的动态变化(周海涛等,2017),所以基线时间序列分析是提取地壳运动微动态信息较直接的途径之一。本文选择了自南向北跨越天山地震带的5组基线,基线分布如图2所示,第一组为跨越南天山断裂带西段的3条基线,包括基线POL2-XJWU,XJWU-XJBL,XJBL-TASH; 第二组从北到南跨越了南天山断裂带东段到北天山断裂带西段,包括基线XJWQ-XJYN,XJYN-XJZS,XJZS-WUSH,WUSH-XJBC; 第三、四组跨越了北天山断裂带中西段,包括基线XJKL-XJBY,XJBY-XJKC,XJFY-XJWL,XJWL-XJKE; 第五组的基线XJML-XJSS位于北天山断裂带东段。每组基线的时间序列变化如图3所示。

图2 本文研究所选基线及区域应变分布图
Fig.2 Distribution of the selected baselines and regional strain in this study

3个以上GPS连续站结果可以进行区域变形特征分析,其中主应变时序结果可以直观反映变形动态。本文利用截至2018年年积日51日的时间序列,计算天山地震带的区域应变,分析近期的应力状态,其分布图如图2所示,结果如图4所示。从图4中可以看出,从西到东跨越天山地震带的区域应变结果都是以挤压应变为主; 图4a-2与图4b-2为南天山断裂带的挤压应变,图4c-2与

图3 5组基线时序结果
Fig.3 Five groups baselines of time seires results

图4 天山地震带应变结果图
Fig.4 Regional strain results of the Tianshan seismic belt

图4d-2为北天山断裂带的挤压应变结果,可以看出南天山断裂带的挤压应变明显较强,相对而言,北天山断裂带东段的挤压应变近几年有变缓的趋势,这与北天山东段的挤压滑动速率逐渐变弱有一定的一致性。其它的区域应变都是以稳定的趋势变化,说明南天山及北天山西部一直处于挤压应力的积累状态。

本文首先分析了天山地震带的地震活动状态,认为北天山地震带西段和南天山地震带西段具有7级地震的发震背景。基于此背景,利用GPS流动及连续站信息对天山地震带的近期地壳形变进行具体分析,首先利用线性球面块体模型进行了3期滑动速率的对比计算,再计算了跨越天山地震带的基线及区域应变,最后结合场与时序的结果对天山地震带的地震危险性进行评估。研究结果表明:

(1)北天山断裂带相对于南天山断裂带整体活动性较弱,北天山断裂带西段的挤压速率有微弱的调整,整体仍处于较稳定的状态; 基线时序结果显示北天山断裂带西段远场挤压应变加载增强,在靠近塔里木地区变形速率表现出逐渐趋缓特征,同时,存在时空非线性变形过程,可能预示该区的应力、应变积累较强,需关注其强震危险。同时,北天山断裂带西段区域的挤压区域应变一直处于增加状态,同样说明挤压应力一直在增强,该段2011年以来发生多次7级以下地震,未发生7级以上大地震,挤压应力的不断积累是否预示着可能出现的大地震才能完成应力的释放,因此,该地区值得进一步关注。

(2)北天山断裂带东段的挤压速率有明显的变弱,基线时序结果在近年也显示出微弱的拉张作用,挤压应变也有变缓的趋势,地震活动状态也显示出北天山断裂带东段发生地震的次数明显较少,整体而言,北天山断裂带东段的地震危险性不高。

(3)南天山断裂带地壳运动主要表现为地壳缩短,并且缩短的程度不一致,表现出由西向东递减的态势。南天山断裂带西段的挤压速率处于稳定的高值状态,2013—2017期的挤压速率达到(-12.5±2.0)mm/a,挤压速率的不断增加,说明了挤压应力的不断积累; 跨越南天山断裂带西段的基线挤压速率也相对较高,该段的区域应变也显示为主压应变的不断积累; 地震活动状态表明南天山断裂带西段一直是地震频发的区域,该地区有7级以上大震的发震背景,值得进一步关注。

(4)南天山断裂带东段的走滑速率与挤压速率变化不大,相对于西段处于一个较弱的左旋挤压状态。跨越该段的基线和应变都是以稳定的挤压状态为主,结合地震活动状态的分析,认为南天山断裂带东段发生地震的危险性较低。