利用GPS分析新疆地區形變特征

胡良晨等

【摘 要】利用2011～2013年新疆天山地區近200個GPS測站觀測資料，計算得到研究區域水平運動速度場，然后采用利用基線的邊長變化量的方法獲取研究區域現今地殼運動應變場。分析結果表明：研究區域的運動特征為由南向北、由西向東地殼縮短遞減，由于受到印度板塊持續的向北推擠作用力，南天山西側與帕米爾高原以及西昆侖山交匯區是天山地區運動最為活躍的地區，天山地區由于印度板塊和歐亞板塊的持續擠壓整體處在壓縮狀態中，烏恰伽師一帶為地震高發區。

【關鍵詞】GPS；速度場；基線；主應變；剪應變

0 引言

天山山系位于歐亞大陸腹地[1]，是亞洲最主要的年輕山系之一[1]。天山雖然從西向東逐漸遠離板塊邊界，但是由于受到歐亞板塊與印度板塊的持續擠壓和碰撞，成為大陸內部現今構造運動十分強烈的地區[7]。據統計，從2012年4月至今，新疆地區已發生地震600余次，其中6級以上地震4個，7級以上地震1個。

眾多學者利用利用應變場研究地殼變形特征，如克里金插值法，最小二乘法以及三次樣條函數法等[8-9]。

GPS技術的廣泛應用使其成為研究地殼形變的重要手段之一。本文利用GPS網數據，根據兩期測量得到的坐標變化來計算地殼應變率場。

1 觀測資料的處理

本文觀測資料來源于新疆地震局提供的新疆地區近200個流動站（觀測時間段為2011年4～6月和2013年4～8月）和中國大陸陸態網絡數據中心提供的新疆地區8個連續站。同時選取新疆周邊20個IGS測站參與計算以保證研究區域與全球基準的聯系和統一。

資料處理分析采用由瑞士伯爾尼大學天文研究所所研究開發的高精度GNSS數據處理軟件BERNESE5.2軟件。數據處理分為四個步驟。第一步，應用自動處理模塊BPE里的PPP.PCF處理單日數據，計算得到單日所有測站精密單點定位結果。第二步，應用BPE的RNS2SNX.PCF計算得到單日的法方程（R1.NEQ）。第三步，利用ADDNEQ2程序將每期的所有法方程分別進行平差，采用最小約束解，得到每期所有測站的平均坐標，用于計算應變場。

2 根據邊長變化量求解應變

BRENESE軟件計算結果表明，兩期觀測中測站的X分量變化量不超過0.1m，Y分量的變化量不超過0.01m。為了保證結果可靠，剔除變化量過大的測站。

得到測站的平均坐標后即可計算計算每條基線的長度。為了提高精度，應計算測站之間的橢球面距離。本文以白塞爾大地投影為基礎，用球面三角學公式來求解橢球面上兩點間的距離[11]。

本文采用四邊形模型法求解應變。以1°×1°為間隔劃分研究區域，其中緯度范圍為36°～49°，經度范圍為74°～95°，一共有13×21=273個方框。本文最終選取了175個測站參與計算，形成基線數量為C2175=15225條。每條基線穿過了哪些方框和在每個方框里的長度都可以通過計算得到。

由于本文中基線條數為15225條，則方程數量為15225個；方框個數為273個，則未知數即應變參數為273×3=819個?？梢姺匠痰臄盗看笥谖粗獢档臄盗?，可以根據最小二乘法求解，最終得到每個方框里的應變參數[11]。

得到應變參數之后，就可求得每個方框里面的最大主應變，最小主應變，面膨脹率和最大剪應變率。

3 新疆地區應變特征

圖1顯示的是121個1°×1°網格內平均最大主應變率。該應變率圖顯示，研究區域內以南北向主壓應變為主，方向沿塔拉斯-費爾干納斷裂，與天山山脈走向基本正交。南天山應變量值大于北天山應變量值，最大主壓應變量值位于天山褶皺帶，其中南天山西部與西昆侖北緣及帕米爾高原交界地區較為明顯。塔里木塊體北面為逆沖斷裂，南面為走滑斷裂，西面為山脈，其壓應變和張應變量值較小且基本均勻，即相鄰點位之間不發生相對位移，內部結構完整，說明在印度板塊的推擠和青藏高原隆起時的向北推擠作用力下，能量大部分被昆侖山吸收。準格爾盆地應變率更小，因為天山塊體也吸收了一部分的能量。

整個新疆地區地殼以壓縮狀態為主，拉張成分較小，面膨脹率的大小在-4.172×10-8/a至2.1168×10-8/a之間。南天山面膨脹率大于北天山面膨脹率。擠壓變化比較明顯的區域為喀什及其以南區域，喀什地區發生過多次5.0級以上地震。塔里木盆地和準格爾盆地面膨脹率量值都較小，體現出其剛性特征。

研究區域最大值集中分布在南天山西段、帕米爾弧形斷裂北緣與塔里木塊體西北地區所圍區域，量值最大為3.182×10-8/a。該地區有許多逆沖斷裂，斷層的強烈運動引起了較強的剪切變形。高剪應變率值的出現反映出該地區今后發生強震的可能性。

從歷史地震記錄來看，新疆地區大部分中強地震集中發生在天山褶皺帶上，其中南天山山前構造帶與帕米爾西昆侖北緣斷裂帶交匯區地震次數最多，主要集中在烏恰、喀什一帶，與本文的研究結果一致。

受印度板塊的快速向北推擠運動的影響，帕米爾西昆侖北緣斷裂帶與南天山山前地震構造帶積累了大量的應變能量。該區域構造運動復雜，活動斷裂密集且規模較大，地震構造能量的積累和釋放速率較高，從而形成了目前的強震危險區[1]。

4 結論

本文通過計算2011年～2013年的新疆天山地區GPS觀測數據，采用利用基線邊長變化量求解應變的方法獲得了新疆地區的應變場。分析發現新疆地區處在壓縮狀態中，同時存在部分拉伸狀態，其中南天山西側與西昆侖山以及帕米爾高原交匯區因為受到印度板塊的向北推擠運動最為強烈。最大剪應變出現在烏恰一帶，為強震高發區。

雖然天山區域內布設的GPS點數量很多，但是由于沒有周邊的數據，無法獲得完整的天山應變場。四邊形法雖然克服了三角形法受三角形的形狀、大小的誤差影響的缺點，但是由于對測站分布情況要求較高，仍需要改進。

【參考文獻】

[1]王曉強，李杰，王琪.Alexander Zubovich.天山現今地殼形變場分析[J].大地測量與地球動力學，2005，25（3）：63-68.

[2]Yang Shaomin， Li Jie and Wang Qi. The deformation pattern and fault rate in the Tianshan Mountains inferred from GPS observations[J].Science in China Series D： Erath Sciences，2008，51（8）：1064-1080.

[3]Peter Molnar. Seismic moments of Major Earthquakes and the Rate of Shortening across the Tien Shan[J]. Geophysical Research Letters，2000，27（16）：2377-2380.

[4]Yang Shaomin，Wang Qi and You Xinzhao. Numercial analysis of contemporary horizontal tectonic deformation fields in China from GPS data[J].Acta Seismologica Sinica，2005，18（2）：135-146.

[5]Liu Liwei，Ji Lingyun and Yang Xiaodong. Present-day crustal deformation around Kalpin block， Xinjiang， China， observed by InSAR[J]. Geodesy and Geodynamics，2014，5（3）：23-28.

[6]Jiang Jingxiang， Wu Guodong， Yin Guanghua， Gao Ge， Wang Zaihua and Li Jie. Strain data recoeded in Xinjiang and their bearing on Tianshans uplife/shortening and Tarim basin`s rotation[J]. Geodesy and Geodynamics，2011，2（1）：21-28.

[7]李杰，王琪，王曉強，帕爾哈提，劉代芹，朱治國，蔣靖祥.南天山-帕米爾現代地殼形變特征與應變場分布[J].大地測量與地球動力學，2012，32（1）：1-4.

[8]江在森.應用最小二乘配置建立地殼運動速度場與應變場的方法[J].地球物理學報，2010，53（5）：1109-1117.

[9]楊少敏.用雙三次樣條函數和GPS資料反演現今中國大陸構造形變場[J].大地測量與地球動力學，2002，22（1）：68-75.

[10]李杰，王曉強，譚凱，劉代芹，帕爾哈提，蔣靖祥，方偉.北天山現今構造的運動特征[J].大地測量與地球動力學，2010，30（6）：1-5.

[11]段維波，吳云，陳慧杰.利用GPS資料求解中國大陸應變場的新方法[J].大地測量與地球動力學，2011，31：72-76.

[責任編輯：鄧麗麗]