王 伟 杨少敏 谭 凯 赵 斌 黄 勇张彩红 王迪晋

1)中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉 430071

2)中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地，武汉 430071

用GPS分析天山现今地壳变形与应变率场*

王 伟1，2)杨少敏1，2)谭 凯1，2)赵 斌1，2)黄 勇1，2)张彩红1，2)王迪晋1，2)

1)中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉 430071

2)中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地，武汉 430071

基于中国地壳运动观测网络1999～2013年和中国大陆构造环境监测网络2009～2013年的GPS区域网观测资料，并结合境外天山、帕米尔等地区公开发布的速度场结果，获取整个天山及邻区较为完整的地壳运动图像以及应变率场分布特征。初步结果表明:1)天山地区现今应变率场分布的整体特征与该地区长期的地质构造背景具有一定的继承关系，天山以近南北向挤压缩短变形为主要特征，主压应变率由其西段(77°E附近)的约45×10－9/a，逐渐降至东段(86°E附近)的约10×10－9/a;2)天山西南部的帕米尔高原北缘逆冲断裂带及其北侧的阿莱山脉附近为面压缩区，主压应变率约为(50～60)×10－9/a，面膨胀率约为(40～50)×10－9/a，与已有GPS剖面观测到的该区域(10～15)mm/a的地壳缩短速率十分一致;3)与塔里木盆地相邻的帕米尔高原东部地区(38°N附近)，其现今地壳活动、应变率场分布与该地区目前处于拉张的地震、地质构造背景有很好的一致性，主应变率和面膨胀率显示存在一定程度的拉张变形，拉张应变率约为(10～20)×10－9/a，方向为近东西向;4)最大剪应变率结果显示天山地区存在一定程度的剪切变形，最大剪应变率高值区对应于西南天山的帕米尔北缘逆冲断裂带附近，幅度最大值约为40×10－9/a;5)另一最大剪应变率高值区位于天山西部(78°E附近)，幅度约为30×10－9/a。

天山;GPS;地壳运动;速度场;应变率场

受印度、欧亚板块碰撞的远程效应以及塔里木盆地持续挤压楔入作用的影响，天山山体隆升并发生强烈的变形和近南北向地壳缩短［1－2］。天山山体内部以及山盆交接地带发育众多活动断裂和褶皱带，构造活动强烈、地震频繁，是控制天山构造变形特征的重要单元［3］。精确测定天山地区的现今地壳运动、应变场分布，对于认识大陆内部造山带的变形机理并进行地震危险性评估具有十分重要的意义［4－7］。在利用GPS资料研究天山的现今地壳运动和变形方面，研究人员开展了大量工作［4－6］。但早期的GPS观测站点稀少、分布不均且密度有限，不能完整、清晰地反映整个天山地区的现今地壳运动与应变场分布特征。

“中国地壳运动观测网络”(简称网络工程)于1999年在境内天山地区布设了大量的流动GPS站点，迄今已进行了7次区域网联测;“中国大陆构造环境监测网络”(简称陆态网络)2009年以来也进行了3次区域网GPS联测，在境内天山及其南北两侧的塔里木、准噶尔地块的GPS测站密度均有大幅提高。此外，多项国际合作计划在境外天山地区也开展了长期的GPS观测，公开发布了境外天山的地壳运动速度场结果［7－8］。本文对网络工程和陆态网络在天山地区1999～2013年的GPS观测资料进行统一处理，并结合境外天山、帕米尔等地区最新发表的GPS速度场结果，获取了整个天山及邻区更为完整的现今地壳运动图像;结合该地区的地质构造背景，研究了天山的构造变形和应变率场分布特征。

1 GPS观测资料与数据处理

本文使用的GPS数据主要覆盖天山及其邻近地区，包括网络工程1999～2013年所观测的7期区域站资料以及陆态网络新建区域站2009～2013年观测的3期资料，各期区域网观测每站至少观测4 d。GPS数据处理采用BERNESE软件的双差处理模式，在处理时采用了绝对天线相位中心改正、FES2004海潮模型、IGS精密星历和地球自转参数等模型，作为参考框架的站点主要集中在欧亚板块的西伯利亚、中亚、印度板块以及中国大陆内部的30余个IGS测站［9］。单日解算时，各期观测的单日解验后单位权中误差小于2 mm，坐标重复率平均值在水平方向优于2 mm。获取每个测站的单日自由网解后，再利用BERNESE软件的平差模块，对全部单日解进行整网平差，获得测站相对于IGS08框架下的坐标和速率结果。估计测站速率采用线性运动模型，以单日解为观测值，采用最小二乘平差方式。在获取IGS08下的速度场后，通过最新空间大地测量资料得到的板块运动模型，将测站在全球框架下的速度转换到相对于稳定欧亚板块的速度场。

此外，自1994年起多个国际合作计划在哈萨克斯坦、塔吉克斯坦以及帕米尔等地区也开展了多期流动GPS观测，并公布了境外天山不同区域的速度场结果［7－8］。为获取整个天山及周边地区更为完整的地壳运动图像，采用7参数相似变换方法，利用公共站将文献［7－8］的境外天山速度场结果转换到网络工程和陆态网络速度场结果所处参考框架之下。

图1为研究区GPS站点的分布图，其中红色三角形为网络工程GPS区域站;黑色三角形为陆态网络2008年以后新建的GPS区域站;蓝色方形为文献［7］公布的GPS站点，主要分布于境外天山的吉尔吉斯斯坦、哈萨克斯坦等地区;绿色星型为文献［8］的GPS站点，主要位于境外西南天山和帕米尔地区。图2和图3分别为网络工程和陆态网络部分GPS区域站北方向和东方向的测站位置时间序列。由于站点较多，这里仅选取部分有代表性的站点。为了清晰显示，去掉各测站的线性运动趋势项。

2 天山及邻区现今地壳运动速度场与应变率场分析

图1 天山地区地质构造背景与GPS站点分布Fig.1 Geologic setting and distributions of GPS sites

图2 网络工程GPS区域站去线性趋势项后的位置时间序列Fig.2 Position time seriesof CMONOC regional GPS stations detrended

为反映天山现今地壳运动状态，将网络工程、陆态网络以及境外研究机构最新发布的GPS速度场融合到统一的参考框架之下，获取了天山地区更为完整的地壳运动图像(图4)。地质研究表明，由于塔里木盆地顺时针旋转以及对天山持续挤压楔入作用的影响，整个天山南北向的汇聚速率由西向东逐渐减小［1］，先前的GPS观测也显示近南北向的挤压缩短至今仍发生在整个天山地区［5－7］。尽管本文的GPS观测历史更久、站点更密，图4反映的天山地区以挤压缩短为主的基本特征与以往GPS［5－7］和地质学［10－11］研究结果十分接近，例如本文的 GPS结果显示天山西段(76°～80°E)的地壳缩短速率约为20 mm/a，而东段(85°～90°E)仅为(5 ～10)mm/a。

图3 陆态网络新建GPS区域站去线性趋势项后的位置时间序列Fig.3 Position time series of newly-built regional GPS stations detrended

图4 天山及邻区相对于稳定欧亚板块的GPS速度场(其中境外天山速度场资料来自文献［7－8］)Fig.4 Velocity field in Tianshan mountain and its neighboring area relative to the stable Eurasia plate

利用本文得到的GPS速度场结果并采用文献［12］介绍的最小二乘配置方法计算天山及其邻近地区的应变率场，如图5～7所示，分别为主应变率、面膨胀率以及最大剪应变率分布。由图5～7得到的天山地区现今应变率的整体图像与长期的地质构造背景具有一定的继承关系，天山山体内部以近南北向挤压缩短变形为主要特征，天山西段(77°E)压缩应变率最大约为45×10－9/a，中段(82°E)压缩应变率最大约为30×10－9/a，而东段(86°E)压缩应变率逐渐降为10×10－9/a。此外，塔里木和准噶尔盆地以及哈萨克地台作为地质上较为稳定的块体，主应变率的量级基本小于5×10－9/a。

图5 天山及邻区的主应变率分布Fig.5 Principal strain rate in Tianshan mountain and its neighboring area

图6 天山及邻区的面膨胀率分布Fig.6 Surface dilatation strain rate in Tianshan mountain and its neighboring area

图7 天山及邻区的最大剪应变率分布Fig.7 Maximum shear strain rate in Tianshan mountain and its neighboring area

位于天山西南部的帕米尔高原北缘逆冲断裂带及其北侧的阿莱山脉附近的主压应变率约为(50～60)×10－9/a，面膨胀率约为(40～50)×10－9/a，且呈面收缩状态，这一结果与GPS剖面观测到的该区域200 km范围内(10～15)mm/a的地壳缩短速率十分一致［7－8］，反映了帕米尔北缘逆冲断裂带附近的现今地壳快速缩短。已有的地质构造研究表明，帕米尔高原的东部边缘构造情况极其复杂，存在一定程度的活动地堑以及可能的右旋走滑活动断裂，而近期地震的震源机制多为正断层性质［7－8］。GPS得到的主应变率(图5)和面膨胀率(图6)结果显示，与塔里木盆地相邻的帕米尔高原东部地区(38°N附近)存在一定程度的拉张变形，拉张应变率量级约为(10～20)×10－9/a，方向大致为近东西向，并无显著的剪切应变和挤压汇聚变形(图5～7)。本文GPS结果表明，该地区的现今地壳活动、应变率场与该地区目前整体处于拉张的地震、地质构造背景有很好的一致性。

陈小斌［13］利用网络工程约1 000个GPS站点速度资料计算了中国大陆的应变率场，其结果表明天山造山带西缘为一最大剪应变率高值区，量值最大超过30×10－9/a。已有的跨天山GPS速度剖面显示，塔里木盆地相对于天山的挤压汇聚方向并非完全与天山山前断层走向正交，因而天山内部特别是西部天山地区存在低于4 mm/a的左旋走滑变形［7］;此外，帕米尔高原相对于其北部费尔干纳盆地和西南天山也存在一定程度的右旋剪切活动［8］。与以往研究相似，本文基于更多GPS站点的观测资料表明(图7)，天山地区存在一定程度的剪切变形，最大剪应变率高值区对应于天山西南的帕米尔北缘逆冲断裂带附近，幅度约为40×10－9/a;另一最大剪应变率高值区位于天山西部(78°E)，幅度约为30×10－9/a。

位于境外天山地区的塔拉斯-费尔干纳断裂全新世以来的长期滑动速率约为10 mm/a，而GPS速度剖面显示其10 a尺度的震间滑动速率仅为(1～4)mm/a［5］，该断裂周边近期发生的一系列中等级地震的震源机制主要表现为逆冲类型［14］。本文的最大剪应变率结果表明，塔拉斯-费尔干纳断裂目前仍处于闭锁状态，相对于其周边构造而言并无显著的剪切变形，因而该地区已有中等级地震活动主要受其周边地区特别是帕米尔高原向北的推挤作用控制［8，14］。

3 结论

统一处理网络工程、陆态网络1999～2013年的区域网GPS观测资料，并将境外最新发布的GPS速度场结果融合到统一的参考框架之下，获取天山地区较为完整的现今地壳运动图像，以此计算整个天山地区的现今应变率场。初步的结果表明:

1)天山地区的现今应变率场分布与该地区长期的地质构造背景具有一定的继承关系。天山地区以近南北向挤压缩短变形为主要特征，主压应变率由其西段(77°E附近)的约45×10－9/a，逐渐降至东段(86°E 附近)的约10 ×10－9/a。

2)与塔里木盆地相邻的帕米尔高原东北部地区(38°N附近)，主应变率和面膨胀率显示存在一定程度的拉张变形，其中拉张应变率约为(10～20)×10－9/a，方向大致为近东西向。位于天山西南部的帕米尔高原北缘逆冲断裂带及其北侧的阿莱山脉附近的主压应变率最高约为(50～60)×10－9/a，面膨胀率大小约为(40～50)×10－9/a，且呈面收缩状态。这一结果与已往GPS剖面观测到的该区域200 km范围内(10～15)mm/a的地壳缩短速率比较一致。

3)最大剪应变率结果表明，天山地区存在一定程度的剪切变形，最大剪应变率高值区对应于天山西南的帕米尔北缘逆冲断裂带附近，幅度最大约为40×10－9/a。另一最大剪应变率高值区位于天山的西部(78°E)，其幅度约为30 ×10－9/a。

1 Avouac J P，et al.Active thrusting and folding along the northern Tianshan and late Cenozoic rotation of the Tarim relative to Dzungaria and Kazakhstan［J］.Journal of Geophysical Research(Solid Earth)，1993，98(B4):6 755 －6 804.

2 Yin A，et al.Late Cenozoic tectonic evolution of the southern Chinese Tianshan［J］.Tectonics，1998，17(1):1 －27.

3 张培震，等.天山的晚新生代构造变形及其地球动力学问题［J］.中国地震，1996，12(2):127 －140.(Zhang Peizhen，et al.Late cenozoic tectonic deformation and mechanism along the Tianshan mountain，northwestern China［J］.Earthquake Research in China，1996，12(2):127 －140)

4 Abdrakhmatov K Y，et al.Relatively recent construction of the Tianshan inferred from GPS measurements of present-day crustal deformation rates［J］.Nature，1996，384:450 －453

5 杨少敏，等.GPS研究天山现今变形与断层活动［J］.中国科学(D)，2008，38(7):872 － 880.(Yang Shaomin，et al.The deformation pattern and fault rate in the Tianshan mountains inferred from GPS observations［J］.Science in China Series D:Earth Sciences，2008，51(8):1 064 －1 080)

6 牛之俊，等.利用GPS分析天山现今地壳形变特征［J］.大地测量与地球动力学，2007(2):1－9.(Niu Zhijun，et al.Analysis of contemporary crustal deformation characteristics with GPS data of Tianshan mountain［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2007(2):1 －9)

7 Zubovich A，et al.GPS velocity field for the Tianshan and surrounding regions［J］.Tectonics，2010，29(6).

8 Ischuk A，et al.Kinematics of the Pamir and Hindu Kush regions from GPS geodesy［J］.J Geophys Res(Solid Earth)，2013，118:2 408 －2 416.

9 王伟，等.中国大陆现今地壳运动速度场［J］.大地测量与地球动力学，2012(6):29 －32(Wang Wei，et al.Presentday crustal movement velocity field in Chinese mainland［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2012(6):29 －32)

10 杨晓平，等.天山山前主要推覆构造区的地壳缩短［J］.地震地质，2008，30(1):111 －131.(Yang Xiaoping，et al.Crustal shortening of major nappe structures on the front margins of the Tianshan［J］.Seismology and Geology，2008，30(1):111 －130)

11 Thompson S C，et al.Late Quaternary slip rates across the central Tianshan，Kyrgyzstan，central Asia［J］.Journal of Geophysical Research，2002，107(B9):2 203.

12 江在森，刘经南.应用最小二乘配置建立地壳运动速度场与应变场的方法［J］.地球物理学报，2010，53(5):1 109 －1 117.(Jiang Zaisen，Liu Jingnan.The method in establishing strain field and velocity field of crustal movement using least squares collocation［J］.Chinese J Geophys，2010，53(5):1 109 －1 117)

13 陈小斌.中国陆地现今水平形变状况及其驱动机制［J］.中国科学(D)，37(8):1 056 －1 064.(Chen Xiaobin.Present－day horizontal deformation status of continental China and its driving mechanism［J］.Science China(D)，37(8):1 056－1 064)

14 Ghose S，Hamburger M W，Ammon C J.Source parameters of moderate-sized earthquakes in the Tianshan，central Asia from regional moment tensor inversion［J］.Geophysical Research Letters，1998，25(16):3 181－3 184.

PRESENT-DAY CRUSTAL DEFORMATION AND STRAIN RATE FIELD OF TIANSHAN MOUNTAIN ANALYZED WITH GPS DATA

Wang Wei1，2)，Yang Shaomin1，2)，Tan Kai1，2)，Zhao Bin1，2)，Huang Yong1，2)，Zhang Caihong1，2)and Wang Dijin
1)Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071
2)Wuhan Base of Institute of Crustal Dynamics，CEA，Wuhan430071

Using GPS data of Crustal Movement Observation Network of China observed from 1999－2013 and data of Continental Tectonic Environment Monitoring Network of China from 2009 －2013，combined with other published GPS velocity field were analyzed and a more complete horizontal velocity field covering the Tianshan mountain and its vicinity was obtained.Preliminary results Indicare that present-day strain rate field is consistent with the long-term tectonic settings in the Tianshan mountain and its vicinity.The deformation of Tianshan mountain is mainly characterized by nearly north-south crustal shortening，and the principal compressive strain rate is about 45 ×10－9/a in the western part(～77°E)，and about 10 ×10－9/a in the eastern part(～86°E).The northern Pamir thrusting fault zones and its northern Trans-Alay Range are in a compression，state，with a principal compressive strain rate of about(50 －60)×10－9/a and with dilation rate of about(40－50)×10－9/a，consistent with previous studies of 10－15mm/a crustal shortening rates observed from GPS velocity profiles in this region.In the eastern part of Pamir(～38°N)，which is adjacent to the Tarim Basin，principal strain rate and dilation rate demonstrate that there is certain extension with a rate of about(10 －20)×10－9/a.Direction of the extension is nearly westeast，which is consistent with the extensional strain state observed from previous geologic and seismic studies in this region.The other maximum shear strain rate，40 ×10－9/a，appears in the northern Pamir thrusting fault zones，and another high value，30 ×10－9/a，appears in the western Tianshan mountain(～78°E).

Tianshan mountain;GPS;crustal movement;velocity field;strain rate field

P227.1

A

1671-5942(2014)03-0075-06

2013-12-08

中国地震局地震研究所所长基金项目(201326119;200916006);国家自然科学基金项目(41074016;41274027;41304067)。

王伟，男，1980年生，博士，助理研究员，从事空间大地测量与现今地壳运动方面的研究。E－mail:wangweigps@126.com。