新疆烏什7.1級地震前GNSS變形特征分析

摘要：2024年1月23日新疆烏什發生7.1級地震。為了研究震前GNSS變形特征，通過對比分析GNSS基線時間序列結果和區域應變結果，發現邁丹斷裂帶東西兩段的地殼運動有所差異，東段的運動較強，烏什地震即發生在斷裂帶東段;利用4期速度場結果，計算得到動態應變場變化，從NS向應變場結果可以看出該區域的應變量值持續增加，應變持續在積累狀態，從長期背景場可以看出7.1級地震發生在應變高值區的邊緣;發震斷層東西兩側的擠壓滑動速率存在明顯差異，西側為（1.0±0.35） mm/a，東側為（4.1±0.51） mm/a，且東側的閉鎖程度較高。研究認為邁丹斷裂帶兩側運動差異明顯，烏什7.1級地震發生在滑動速率較高的東段，且該區域處于應變高值區的邊緣。

關鍵詞：烏什地震; GNSS; 時間序列; 應變場; 滑動速率

中圖分類號： P319.56文獻標志碼：A文章編號： 1000-0844（2024）04-0973-09

DOI：10.20000/j.1000-0844.20240220001

Deformation characteristics before the M7.1 earthquake

in Wushi， Xinjiang， from GNSS observation dataZHU Shuang， ZHAN Wei， LIU Xiao， LIANG Hongbao

（The First Monitoring and Application Center， CEA， Tianjin 300180， China）Abstract：

On January 23， 2024， an M7.1 earthquake occurred in Wushi， Xinjiang. The baseline and regional strain time series from global navigation satellite system observation data were compared in this paper to explore the characteristics of regional crustal deformation before the earthquake. Results show differences in the crustal movements of the east and west segments of the Maidan fault and the strong movement of the east section， where the Wushi earthquake occurred. Dynamic GNSS strain field variations were calculated based on the four periods of velocity field results. The results of the NS-trending strain field show the continuous increase in strain value in the region and the continuous accumulation of the strain. The long-term background strain field revealed that the M7.1 earthquake occurred at the edge of the region with high strain values. Differences in the slip rates were observed between the east and west segments of the Maidan fault， with the west side being （1.0±0.35） mm/a， the east side being （4.1±0.51） mm/a， and the east side demonstrating a high degree of locking. Therefore， the movement difference between the two sides of the Maidan fault is evident， and the M7.1 earthquake occurs in the eastern segment with high slip rates， which is at the edge of the high strain value region.

Keywords：Wushi earthquake; GNSS; time series; strain; slip rate

0引言

北京時間2024年1月23日，在新疆維吾爾自治區烏什縣發生了7.1級地震。此次地震為逆沖型地震，發生在西南天山山前的柯坪推覆體區域。由于歐亞板塊與印度板塊的相互碰撞，天山晚古生代褶皺復活，形成了5～6排推覆構造體系。推覆體前緣存在明顯的逆沖斷層，根部為邁丹斷裂，塊體內部發育一條近SN走向的皮羌斷裂，將柯坪推覆體分為東、西兩部分。該地區地質構造背景十分復雜，從歷史地震資料可以看出其地震活動十分強烈［1-2］，近100年來先后發生了1902年喀什MW7.7地震、1996年伽師MW6.3地震和1998—2003年伽師地震群等破壞性地震，最近的一次5級以上地震為2023年12月19日阿圖什5.5級地震。此次烏什7.1級地震發生在邁丹斷裂帶東段，如圖1所示。圖中紅色加粗斷層為發震斷層，6.0級以上地震的震源機制解來自www.globalcmt.org，灰色地震為1973年以來該地區3.7級以上地震（https：//earthquake.usgs.gov/earthquakes/search）。邁丹斷裂作為柯坪推覆體的北邊界斷裂，斷層走向以NEE向為主。由于斷裂構造的不均勻發育，邁丹斷裂帶東段逐漸變成近NE向，內部發育有多條次級斷裂，且多呈近平行分布，以左旋走滑逆沖運動為主，地震活動性較強，是7級以上地震的重點關注地區［3-4］。

許多學者分析了邁丹斷裂帶的運動特征及地震危險性［5-8］。關于該斷裂的運動特征，不同學者研究的結論有所不同。陳杰等［9］通過地質考察，未發現邁丹斷裂有明顯的左旋錯動，認為其垂直運動較為明顯，主要以逆沖為主。郭建明［10］結合地質考察與遙感圖像特征研究，認為邁丹斷裂中阿合奇段為左旋走滑斷裂，但是斷層的左旋走滑運動較弱。賈啟超［11］通過階地測量、探槽開挖、遙感解譯等多種手段，發現邁丹斷裂以逆沖走滑運動為主。李瑞［12］基于全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）數據，利用Defnode程序反演了柯坪推覆體內多條斷裂帶的閉鎖程度，發現邁丹斷裂帶東、西段的閉鎖程度與滑動虧損分布不一致，斷層東北端的完全閉鎖深度為10 km左右，而西南端的完全閉鎖深度在35 km左右。朱爽等［13］利用三維塊體模型方法計算了天山地區主要斷裂帶的滑動速率，發現邁丹斷裂帶存在較大的地震矩虧損，具有孕育7級以上地震的潛能。

因此，為了探究新疆烏什7.1級地震前邁丹斷裂帶的變形特征，本文利用該斷裂帶附近4個測站的觀測數據進行研究，分別是XJWU（新疆烏?。JBC（新疆巴楚）、WUSH（新疆烏什）和XJZS（新疆昭蘇），如圖1中紅色三角形所示。首先，基于陸態網絡中該區域的GNSS原始觀測數據，利用GAMIT/GLOBK軟件計算得到1999—2023年4條測站基線的時間序列結果和區域應變時間序列結果，分析邁丹斷裂帶的擠壓運動特征及其兩側的擠壓速率差異;然后，基于最小二乘配置原理計算應變場，從NS向應變場動態變化識別該區域震前的應變積累變化及長期的應變場分布特征;最后，利用三維球面塊體模型方法，計算西南天山地區多條斷層的滑動速率，分析地震前斷層的運動特征，并結合時間序列與應變場結果進行分析，以期為地震的孕震背景及未來的地震危險性分析提供支持。

1GNSS數據處理

收集整理陸態網絡連續站1999—2023年觀測數據，基于GAMIT軟件進行原始觀測數據解算，解算過程中考慮衛星鐘差、接收機鐘差、對流層模型、電離層模型、固體潮改正，及光壓模型，得到測站坐標單日松弛解;然后，選擇47個IGS站點作為框架點，共同利用GLOBK進行平差，獲得測站時間序列。基于時間序列結果，計算得到了1999—2007、2009—2013、2013—2017、2017—2023共4期相對于歐亞大陸的速度場，結果如圖2所示。同時，為了分析長期應變場結果，本文收集了目前測站較全、較穩定的1991—2016期相對于歐亞大陸的速度場結果［14］。該速度場結果融合了多種觀測數據，并去除了周邊大震的同震及震后影響，能代表該區域長期穩定的地殼運動背景，可用于長期應變場的分析研究。

2基線及區域應變時序分析

兩個GNSS測站之間的基線長度變化能夠直接反映測站的相對運動變化，可用來分析地殼的運動狀態［15］。基于去掉周期項的測站時間序列結果，計算得到邁丹斷裂帶附近4條基線的原始時間序列結果及去掉線性的時間序列結果（圖3），以此來分析邁丹斷裂帶的地殼運動變化。基線分布如圖1所示，分別為XJZS—XJWU，XJZS—XJBC，XJZS—WUSH，WUSH—XJBC。從圖3可以看出，跨越邁丹斷裂的基線都在持續地縮短，說明受到歐亞板塊和印度板塊碰撞的影響，天山地區以持續的擠壓運動為主?？缭竭~丹斷裂帶西段的XJZS—XJWU基線的縮短速率為（2.70±0.2） mm/a，每100 km的縮短速率為（0.50±0.2） mm/a;跨越邁丹斷裂帶東段的長基線XJZS—XJBC的縮短速率為（7.69±0.3） mm/a，每100 km的縮短速率為（2.26±0.3） mm/a;同樣跨越東段的較短基線XJZS—WUSH的縮短速率為（5.97±0.2） mm/a，每100 km的縮短速率為（3.28±0.2） mm/a;斷裂帶以南的基線WUSH—XJBC的縮短速率為（1.68±0.4） mm/a，每100 km的縮短速率為（1.04±0.4） mm/a。這說明邁丹斷裂帶東西兩側的運動速度不一致，西段的擠壓速率比東段小，此次7.1級地震發生在東段。對比以往地震發生情況，認為邁丹斷裂帶東段的擠壓運動較為強烈，存在發生強震的可能。從圖3中去掉線性的結果可以看出，在持續的擠壓運動背景下，跨越邁丹斷裂帶西段的XJZS—XJWU基線運動在2017年出現周期運動變緩的趨勢，導致基線縮短運動緩慢增加;跨越邁丹斷裂帶東段的基線始終維持NS向的擠壓縮短運動，周期性運動變化不大。

同時，本文利用距離較近的4個測站的GNSS時間序列去周期結果，計算了XJWU—XJBC—WUSH—XJZS區域應變時序結果，如圖4所示?？梢钥吹?，邁丹斷裂主要以NS向的擠壓運動為主，且擠壓應變速率較高，拉張應變較小，拉張運動非常微弱;從去線性時序結果可以看出，拉張應變在2017年變得微弱，其周期運動也逐漸平緩，但擠壓應變在持續增強，這說明該地區存在應變的不斷積累，從而導致地震的發生。

3GNSS應變場分析

作為最活躍的陸內造山帶之一，天山地區南北地塊的交匯導致了山體隆起和盆地下沉，同時孕育了大地震發生的構造環境。目前，天山地區構造運動最明顯的特征之一就是地殼在南北方向上的快速縮短［16-18］。但是，跨越天山之后，GNSS速度場在方向與速度上都出現了顯著變化：一是體現在數值上，塔里木盆地北部的NS向擠壓運動速率約為20 mm/a，而哈薩克地塊的NS向擠壓運動速率僅為2～3 mm/a，這是由于南天山地區的多層褶皺斷裂帶吸收了很大一部分速率，導致北天山的NS向擠壓運動速率相對南天山要小［19-21］，如圖2中1991—

2016期相對于歐亞大陸的速度場結果所示;二是體現在速率的方向上，塔里木盆地北部的GNSS速率方向為NNE向，西南天山地區的運動速率比較分散，但是在準噶爾西南緣，GNSS速率方向又轉變為NNE向，對應了北天山西段中的大量右旋走滑構造［22-24］。對比圖2中4期動態速度場結果，可以看出南天山速度場在量值上明顯大于北天山，運動方向也有一些明顯的變化，柯坪推覆體南北兩側的速率有一定的差異。從動態結果來看，2009—2013期速度場相對于1999—2007期結果，有明顯的西向運動加強趨勢，數值上有所增加;2013—2017期速度場結果的運動方向有所回歸，數值也明顯下降，說明該時間段的運動速率有所降低;2017—2023期速度場相對于2013—2017期結果，數值有所增大，方向變化不大。多期速度場動態結果顯示天山地區的運動一直在微弱地調整，西南天山地區的速率有向西緩慢增加的趨勢。柯坪推覆體作為西南天山的俯沖帶，受到歐亞板塊和印度板塊碰撞的影響，其應變場變化值得進一步分析。

基于4期相對于歐亞大陸的速度場結果，利用最小二乘配置方法，計算得到4期NS向應變率場結果［25］，如圖5所示。從圖中可以看出，在1999—2007期應變場結果中，柯坪塊體處在NS向應變高值區的邊緣，隨著時間的推移，NS向應變率一直在增加，且高值區的范圍也在不斷擴大，說明該地區的NS向應變一直處在不斷積累的狀態，這與應變時間序列的結果一致。從主應變的方向上看，由1999—2007期的NNS方向逐漸轉變為近NS向，對應了NS向的擠壓應變逐漸增大。

基于1991—2016期相對于歐亞大陸速度場結果［14］，利用最小二乘配置方法計算得到了天山地區的長期背景場結果，如圖6所示。從圖6（a）可以看出，天山地區主要以NS向的擠壓運動為主導，擠壓運動存在由西向東遞減的態勢，而烏什地震發生在擠壓高值區的邊緣;從圖6（b）可以看出，柯坪塊體北部存在一個擠壓應變的高值區，這與巴顏喀拉地塊周邊的汶川、蘆山地震一樣，發生在擠壓應變高值區的邊緣［26］。

4斷層滑動速率分析

作為一條由多條次級斷裂組成的復雜斷裂帶，自晚第四紀以來，邁丹斷裂仍有較強的地殼活動，地質調查結果認為其左旋走滑速率為（2.3±0.61） mm/a，逆沖滑動速率為（1.24±0.20） mm/a［24］。為了進一步分析邁丹斷裂帶的地殼運動特征，基于1991—2016期相對于歐亞大陸的速度場結果［14］，采用Meade等［27］提出的彈性塊體模型方法，計算了柯坪推覆體周圍主要活動斷層的滑動速率，結果如圖7所示。從圖7（a）中可以看出，西南天山地區擠壓特征顯著，與區域的構造背景具有一致性，柯坪斷裂、邁丹斷裂、北輪臺斷裂以及那拉提斷裂都以明顯的擠壓運動為主。其中，邁丹斷裂帶西段的擠壓運動較弱，為（1.0±0.35） mm/a，而烏什地震發生在擠壓運動較強的東段，其擠壓速率為（4.1±0.51） mm/a，這與基線時間序列呈現的東西段擠壓程度不同的現象一致。從走滑速率方面［圖7（b）］來看，西南天山大多數斷裂帶以左旋運動為主，其中，邁丹斷裂西段的左旋走滑速率為（1.5±0.50） mm/a，東段的左旋走滑速率為（3.7±0.45） mm/a。

同時，在邁丹斷裂帶上布設兩條垂直于斷層的GNSS剖面，進一步分析其地殼運動特征。剖面位置如圖1所示，結果如圖8所示?；诜凑心Ｐ驮?，反演得到斷層兩側的滑動速率與斷層的閉鎖深度。從圖8看出，邁丹斷裂帶呈現左旋擠壓狀態，西段的滑動速率相對較低，東段滑動速率較高且閉鎖程度也較高，閉鎖深度達（19.68±0.5） km。隨著應力的不斷積累，斷層閉鎖程度不斷增加，導致地震的發生。

5討論

新生代時期，天山造山帶受到強烈擠壓與隆升的變形影響［28］，南北雙向逆沖造成了明顯的地殼縮短，發育了許多褶皺推覆體。這些斷裂帶在新生代天山造山帶構造變形中發揮了重要作用。目前，天山地區的NS向擠壓變形主要由這些推覆構造控制，它們引起的變形占天山總變形的一半以上［29-30］。其中，柯坪塔格推覆構造體是一個重要的構造單元，其北邊界根部斷層——邁丹斷裂自第四紀晚期以來一直處于強烈的構造活動中［31］。邁丹斷裂的總體走向為NEE向，內部分布著3條近乎平行的次級斷層，傾角為60°～80°，形成了向深部延伸的堆積構造，共同構成了柯坪逆沖擠壓構造體系［32］。邁丹斷裂擁有長期漸進的變形過程，發育歷史悠久，地表斷層平行排布，因此地震破裂的斷層分支具有很大的不確定性，此次烏什地震發生在邁丹斷裂帶3條次級斷裂帶的中間一條。

最新的研究證實邁丹斷裂以左旋逆沖為主。地質調查研究認為其左旋走滑速率為（2.3±0.61） mm/a，逆沖滑動速率為（1.24±0.20） mm/a［24］;GNSS數據給出的最新結果表明其左旋走滑速率為（4.1±1.7） mm/a，擠壓速率為（6.3±1.9） mm/a［13］。本文給出的結果與前人結果有一定的差異：邁丹斷裂西段的左旋走滑速率為（1.5±0.50） mm/a，東段的左旋走滑速率為（3.7±0.45） mm/a;斷裂帶西段的擠壓速率為（1.0±0.35） mm/a，東段擠壓速率為（4.1±0.51） mm/a。其中，斷裂帶滑動性質與地質調查給出的結果一致，但速率分量相對地質調查結果偏大，可能與本文給出的GNSS速率為地表速率有關。此外，利用彈性塊體模型進行滑動速率的計算時，邊界帶的選擇及塊體的劃分對結果有顯著影響［13］。本文充分考慮了柯坪推覆體中的皮羌斷裂，該斷裂為近NS走向，將柯坪推覆體從中分開。為了突出邁丹斷裂帶東西兩側斷層運動的差異，以皮羌斷裂為邊界將推覆體分為兩個塊體，這也是導致本文結果與前人速率結果有所差異的主要原因。

6結論

在邁丹斷裂帶左旋擠壓的構造背景下，本文通過分析GNSS基線時間序列結果和區域應變結果，發現邁丹斷裂帶東西兩段的地殼運動有所差異，東段的地殼運動較為活躍。應變時間序列顯示NS向應變持續加強，速率較高，說明邁丹斷裂主要是以持續的NS向擠壓運動為主;結合4期速度場結果，利用最小二乘配置方法計算得到震前的多期應變場變化，認為邁丹斷裂帶的NS向應變量值持續增加，應變持續在積累狀態，烏什地震發生在剪應變高值區的邊緣。通過滑動速率的分析可以看出，邁丹斷裂西段的擠壓速率為（1.0±0.35） mm/a，左旋走滑速率為（1.5±0.50） mm/a;東段的擠壓速率為（4.1±0.51） mm/a，左旋走滑速率為（3.7±0.45） mm/a，東段的運動速率較高，閉鎖程度也較高，導致了地震的發生。參考文獻（References）

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（本文編輯：趙乘程）