2019, Vol. 39
2. 武汉大学地球空间环境与大地测量教育部重点实验室，武汉市珞喻路129号，430079
研究昆仑断裂区域的地壳形变对于认知青藏高原变形机制及其动力学过程具有重要意义。有学者基于GPS观测估算昆仑断裂的现今滑动速率，如Chen等[1]得到断裂中东段的滑动速率为6 mm/a；Wang等[2]和Zhang等[3]给出中西段滑动速率为10~14 mm/a。也有学者使用InSAR技术对昆仑断裂的现今形变进行研究，如Garthwaite等[4]计算得到断裂中西段的左旋速率为12 mm/a。然而，先前的GPS研究受限于站点密度和观测时长，通常只能有效研究昆仑断裂某个部分的滑动速率，较难得到断裂上多个位置的可靠结果，进而对滑动速率沿断裂走向的变化进行研究。本文利用武汉大学自主研发的PANDA软件[5]处理网络工程和陆态网络[6]1998~2015年在昆仑断裂及其周边区域的GPS数据，同时融合最新全球应变率图[7]在研究区内的GPS资料，获得昆仑断裂及其周边区域高时空分辨率的地壳运动速度场。基于该速度场，估算昆仑断裂多个位置的现今滑动速率，将现今滑动速率和地质学长期滑动速率进行对比，并分析讨论沿断裂东段滑动速率的变化和西大滩-东大滩地震空区。
1 GPS数据处理及融合使用PANDA软件精密单点定位模式处理网络工程和陆态网络的GPS数据，获取测站在IGS08参考框架下的单日解坐标时间序列，数据处理策略见表 1。坐标时间序列根据中国地震局地壳运动监测工程研究中心提供的站点大事记进行修正，同时剔除地震的同震和震后形变。本文考虑了2001年可可西里MW7.8大地震的影响，具体策略是：对于网络工程的GPS测站，因为在距离震中400 km的范围内，测站会受到不同程度的震后形变影响[8]，所以仅使用震前数据。如果超过400 km，测站受到的震后形变影响可以忽略[8]。所以，使用震前和震后数据拟合同震位移，然后予以剔除。对于陆态网络新增测站，虽然最近的距震中仅约130 km，但考虑到陆态网络在2009年才进行第1期观测，距发震时刻已有近8 a时间，可以忽略震后形变的影响[8]。在对坐标时间序列进行上述修正后，基于最小二乘准则线性拟合时间序列求解测站在IGS08参考框架下的速度，然后根据Kreemer等[7]给出的IGS08欧亚板块欧拉矢量，将速度转换到稳定的欧亚参考框架下，得到本文核心GPS速度场(图 1中实心箭头所示)。
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表 1 PANDA软件GPS数据处理策略 Tab. 1 The strategies of GPS data processing using PANDA |
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实心箭头表示本文处理的网络工程和陆态网络测站的速度，空心箭头表示转自最新全球应变率图的GPS测站速度，误差椭圆表示95%的置信区间 图 1 相对于稳定欧亚参考框架的昆仑断裂及其周边区域的震间GPS速度场 Fig. 1 Interseismic GPS velocity field covering the Kunlun fault and its surroundings with respect to stable Eurasia |
利用本文核心速度场与最新全球应变率图的公共站计算出一个欧拉矢量，从而拟合公共站处本文与最新全球应变率图速度结果的差异。不考虑垂向，对于每个公共站都可以列出方程：
| $ \begin{array}{*{20}{c}} {\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{V_{{i_{\rm{E}}}}} - {V_{{{(i{\rm{ - Kreemer}})}_{\rm{E}}}}}}\\ {{V_{{i_{\rm{N}}}}} - {V_{{{(i - {\rm{Kreemer}})}_{\rm{N}}}}}} \end{array}} \right] = }\\ {\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} { - {R_i}\;{\rm{cos}}{\lambda _i}\sin {\varphi _i}}&{ - {R_i}\sin {\lambda _i}\sin {\varphi _i}}&{{R_i}\cos {\varphi _i}}\\ {{R_i}\sin {\lambda _i}}&{ - {R_i}\cos {\lambda _i}}&0 \end{array}} \right]\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{\omega _x}}\\ {{\omega _y}}\\ {{\omega _z}} \end{array}} \right]} \end{array} $ | (1) |
式中，ViE和ViN分别为本文求得的公共站i的东、北向速度，V(i-Kreemer)E和V(i-Kreemer)N分别为最新全球应变率图给出的公共站i的东、北向速度，(Ri, λi, φi)为公共站i在球面坐标系中的曲率半径、大地经度、大地纬度，(ωx, ωy, ωz)为所求欧拉矢量的三分量。根据全部公共站所列方程，使用最小二乘方法计算得到的最佳拟合欧拉矢量为(0.001 5°/Ma，0.004 9°/Ma，-0.003 0°/Ma)。利用该欧拉矢量，根据式(2)将最新全球应变率图与本文核心速度场非公共站的速度转换到本文核心速度场所处参考框架下(图 1中空心箭头所示)：
| $ {\mathit{\boldsymbol{V}}_{{\rm{ Kreemer - new }}}} = \mathit{\boldsymbol{\omega }} \cdot \mathit{\boldsymbol{R}} + {\mathit{\boldsymbol{V}}_{{\rm{ Kreemer }}}} $ | (2) |
式中，ω为最佳拟合欧拉矢量，R为测站三维坐标矢量，VKreemer和VKreemer-new分别为非公共站转换前、后的速度。最终得到的昆仑断裂及其周边区域现今地壳运动速度场如图 1所示。
2 昆仑断裂现今滑动速率根据GPS测站的分布，绘制如图 2(a)所示的垂直于昆仑断裂的3条剖面线KL1、KL2、KL3。确定剖面线位置的原则是要确保每条剖面线均包含较多的GPS测站。本文假设横跨昆仑断裂区域的形变全部集中在单一的活动构造上，所以如果存在相隔较近的次级断裂，那么主要断裂的形变速率估值将会略高于实际情况。
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实心圆表示网络工程和陆态网络测站的速度，空心圆表示转自Kreemer等[7]的GPS速度资料，速度误差棒表示1倍中误差，浅灰色矩形表示测站平均速度的95%的置信区间，子图(b)~(g)左下角给出了滑动速率及其95%的置信区间 图 2 横跨昆仑断裂的3条GPS速度剖面线 Fig. 2 Three GPS velocity profiles across the Kunlun fault |
由垂直于剖面线的测站速度分量计算可得，当前昆仑断裂在94°E附近、101°E附近、103°E附近分别具有12.8±1.9 mm/a、6.1±0.9 mm/a、0.7±2.1 mm/a的左旋走滑速率(图 2(b)、2(d)、2(f))，和前人的空间大地测量学(GPS/InSAR)结果[1-4]一致。另外，平行于剖面线的测站速度分量表明，垂直于昆仑断裂的现今地壳形变不显著，速率不超过2 mm/a(图 2(c)、2(e)、2(g))。需要说明的是，位于断裂附近的测站(通常在距离断裂50 km的范围内)由于断裂闭锁会受到弹性形变的影响[9]，因此不能用于求解滑动速率，所以本文将昆仑断裂两侧距其50~200 km范围内的远场测站(即图 2(b)~(g)中浅灰色矩形跨度内的测站)的平均速度之差作为断裂的滑动速率。
3 昆仑断裂现今滑动速率和地质学长期结果的对比将上节计算得到的昆仑断裂现今滑动速率和已有的地质学长期结果进行比较，如图 3所示。图中每个圆圈代表一篇已发表的地质学参考文献，圆圈的横坐标表示该参考文献中给出的地质学滑动速率，圆圈的纵坐标表示本文计算得到的现今滑动速率。如果圆圈位于对角线附近，则表明其横坐标和纵坐标相近，即意味着该参考文献给出的地质学结果和本文的现今滑动速率较为一致。图中从上往下的3行圆圈依次对应昆仑断裂在94°E附近(中西段)、101°E附近和103°E附近的滑动速率。
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数字分别对应：①Kidd等[14]; ②Woerd等[10]; ③Li等[15]; ④Kirby等[17]; ⑤Harkins等[18]; ⑥Harkins等[13]; ⑦Gold等[16]; ⑧Ren等[19]。误差棒表示95%的置信区间 图 3 本文计算的昆仑断裂现今左旋速率和已发表的地质学长期滑动速率的对比 Fig. 3 Present-day sinistral rates of the Kunlun fault estimated by this study vs published long-term geological slip rates |
在101°E附近，Woerd等[10](对应图 3中没有边线的圆圈)12.5 mm/a的地质学滑动速率明显高于本文6.1±0.9 mm/a的结果。Woerd等[10]认为其测量到的断错量对应的时间上限不会超过末次盛冰期(距今约20 ka)，但是一些研究表明中亚地区很多断错地貌的起始时间其实要远早于末次盛冰期[11-12]。另外，Harkins等[13]指出Woerd等所测断错量对应的时间下限要显著晚于实际年代，这些都表明Woerd等[10]的结果会明显高于实际的长期滑动速率。除此以外，如图 3中黑色边线的圆圈所示，对于其他已有的昆仑断裂地质学长期滑动速率(断裂中西段约10~13 mm/a[10, 14-16]，101°E附近约5~6 mm/a[13, 16-18]，103°E附近约1~2 mm/a[17, 19])，如果考虑误差范围，则均与本文计算得到的现今滑动速率一致。England等[20]指出，在亚洲区域基于空间大地测量的10 a尺度形变场和基于地质学资料的万年尺度形变场是一致的，本文昆仑断裂现今滑动速率与地质学结果的一致性与这一结论吻合，意味着现今滑动速率可以作为地震风险性评估的有效输入数据[21]。
4 昆仑断裂东段的滑动速率变化联合本文估算的走滑速率(图 2(d)、2(f))和Kirby等[17]、Harkins等[18]、Lin等[22]、Harkins等[13]的结果可以发现，沿昆仑断裂东段的左旋速率向东逐渐减小。这一减小可能始于柴达木盆地东端附近，从大约12 mm/a开始[9]。Loveless等[23]认为减少的滑动速率主要转换到与昆仑断裂东段相交的鄂拉山和日月山断裂，这2条断裂分别吸收了昆仑断裂大约5 mm/a的左旋速率。然而，Yuan等[24]指出鄂拉山和日月山断裂的滑动速率都很低，均约为1 mm/a。Duvall等[9]认为减少的滑动速率向北转移，被昆仑断裂东段以北的一个南北宽约500 km的区域内部形变所吸收，但是他们忽视了断裂东段以南区域的显著形变。本文认为，Kirby等[25]对滑动速率向东减小的解释较为合理，即阿尼玛卿山的地壳挤压增厚和昆仑断裂东段的顺时针旋转吸收了绝大部分减少的滑动速率。
5 西大滩-东大滩地震空区本文应用Wang等[26]的方法获取研究区域的应变场(图 4)。应变率张量第二不变量(图 4(a))和最大剪应变率场(图 4(b))均显示，在1937年托索湖MW7.8大地震和2001年可可西里MW7.8大地震之间，沿昆仑断裂存在一个高应变区域，大致位于92.0°~96.5°E，而西大滩-东大滩段昆仑断裂完全在这个高应变区内。虽然历史地震目录没有关于西大滩-东大滩段地表破裂型地震的记载，但是Woerd等[10]指出M8.0左右的地震每隔约800~1000 a将在这里复发。另外，相关研究表明，由于应力加载作用，昆仑断裂上先前的地震可能使西大滩-东大滩段更接近破裂[27]。
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圆圈表示USGS给出的1937年和2001年昆仑断裂地震的震中位置，浅灰色粗棒表示西大滩-东大滩段 图 4 昆仑断裂及其周边区域的应变场 Fig. 4 Strain rate fields of the Kunlun fault and its surroundings |
本文基于长期GPS观测对昆仑断裂的现今滑动速率与地壳活动特性进行研究，得到如下结论：
1) 昆仑断裂在94°E附近、101°E附近、103°E附近的现今滑动速率分别为12.8±1.9 mm/a、6.1±0.9 mm/a、0.7±2.1 mm/a；
2) 顾及误差范围，本文所得10 a尺度的GPS结果与昆仑断裂万年尺度的地质学长期滑动速率一致，表明现今滑动速率可以作为断裂地震风险性评估的有效输入数据；
3) 昆仑断裂东段具有向东逐渐减小的滑动速率，减少的滑动速率可能主要被阿尼玛卿山的地壳挤压增厚和昆仑断裂东段的顺时针旋转所吸收；
4) 西大滩-东大滩地震空区位于应变率张量第二不变量和最大剪应变率的高值区。
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2. Key Laboratory of Geospace Environment and Geodesy, Ministry of Education, Wuhan University, 129 Luoyu Road, Wuhan 430079, China