新疆北部地区位于欧亚大陆中南部，主要包含其北部的准噶尔盆地，中部的天山造山带以及南部的塔里木盆地.地震层析成像、大地电磁资料及地壳热流观测数据等均揭示了天山造山带的地壳平均地震波速和电阻率相较于其南北两侧的准噶尔盆地和塔里木盆地较低，而热流值相对较高，即地壳介质相对强度弱(梅世蓉，1997；Zhao et al., 2003; 雷显权等，2012；吕子强等，2019).新生代以来，受印度—欧亚板块的碰撞远场效应，青藏高原区域整体主要受到近南北向的水平挤压应力控制，天山造山带地壳明显缩短，隆升变形强烈(Hendrix et al., 1994; Yin et al., 1998; 邓起东，2000)，如图 1所示.GPS观测资料揭示天山构造区西部地壳缩短量可达20mm/a(Burchfiel et al., 1999)，天山造山带区域地壳厚度~54 km，而其南北两侧的盆地区域地壳厚度~40 km(孔祥艳, 2019).天山造山带的强烈变形还受到南部刚性塔里木盆地的北向俯冲，并伴随相对欧亚大陆顺时针旋转的作用；在天山北缘受到同样刚性的准噶尔盆地的阻挡作用情况下，其缩短和增厚程度进一步提高；另外，天山造山带西南部的帕米尔高原向北挤压也是天山地区构造变形的主要近场驱动力之一(Avouac et al., 1993; Shen et al., 2001; Jiang et al., 2011).

图 1

Fig. 1

图 1 (a) 新疆北部地区构造背景图；(b)研究区历史地震信息 图中红色虚线为本文研究区域；图中震源球为1900年以来6级以上地震的震源机制解，彩色点为2012年至今3级—5级地震目录(数据来自中国地震台网)；图中黑色实线为研究区域主要断层，分别为：额尔齐斯断裂(EQSF)、可可托海—二台断裂(KEF)、碱泉子—洛包泉断裂(JLF)、博罗科努—阿其克库都克断裂，简称博—阿断裂(BAF)、库松木契克山前断裂(KQF)、喀什河断裂(KSHF)、兴地断裂(XDF)、北轮台断裂(BLTF)、迈丹断裂(MDF)、柯坪断裂(KPF)、塔什库尔干断裂(TKF)、卡兹克阿尔特活动断层(KAF)、塔拉斯—费尔干纳断裂(TFF)、那拉提断裂(NLTF)、克敏断裂东西段(KMF)、克敏断裂南北段(KMFN). Fig. 1 (a) Tectonic background map of Xinjiang; (b) Historical earthquakes information The dotted red line denotes the study area; the source sphere is derived from the source mechanism solution of M>6 earthquakes since 1900, and the color points are derived from the catalogue of earthquakes with a magnitude of 3~5 since 2012 (from CENC); the solid black lines denote the main faults, respectively: Ertysh fault (EQSF), Keketuohai-Ertai fault(KEF), Jianquanzi-Luobaoquanfault(JLF), Borokonu-akkuduk fault, referred to as "Bo-A"fault (BAF), Cupressin wedge front fault (KQF), Kashgar river fault (KSHF), Xingdi fault (XDF), Beiluntai fault (BLTF), Maidan fault (MDF), Keping fault (KPF), Tashkurgan fault (TKF), Katzkaert active fault (KAF), Taras-Fergana fault (TFF), Narati fault (NLTF), The East-west segments of Kemin fault (KMF), The north-south segment of Kemin fault (KMFN).

天山造山带南北两侧山前均发育逆冲推覆构造.例如，北侧克敏断裂东西段(KMF)和清水河子断裂等是天山构造带与哈萨克地台及准噶尔盆地的分界线；南侧迈丹断裂(MDF)、柯坪断裂(KPF)和秋里塔格断裂等是天山构造带与塔里木盆地的分界线(陈建波，2008；吴传勇，2016).构造带内部发育NEE向左旋兼具逆冲的那拉提断裂(NLTF)，构造带东北部的右旋兼具逆冲的NW-NWW向的喀什河断裂(KSHF)和NW向斜切北天山的博—阿走滑断裂(BAF)等(李志海等，2014；杨章等，1988；Monlar & Deng, 1984).受帕米尔高原的北向推挤的作用，构造带西侧发育有右旋走滑兼逆冲断裂，如塔拉斯—费尔干纳断裂(TFF)等(Burtman et al., 1995).天山造山带东端还发育一条NEE向碱泉子—洛包泉(JLF)左旋走滑兼逆冲断裂(罗福忠等，2002).新疆北部准噶尔盆地西北缘与西伯利亚板块的边缘地带，发育有较为活跃的NW-NNW向额尔齐斯(EQSF)巨型走滑型断裂带(刘飞等，2013)，如图 1所示.

强烈的构造活动导致研究区域强震频发(郑文俊等，2019).据历史地震记录，天山地区发生M＞6.0地震百余次(庞亚瑾等，2019)，且基本上沿中更新世以来有过活动的大断裂带发生(冯先岳，1985).例如，1812年喀什河断裂带(KSHF)上尼勒克地区曾发生8级大震(杨章等，1985)，1842和1914年在洛包泉断裂带上分别发生过两次7.5级大震(罗福忠等，2002)，1906年发生在清水河子断裂上的玛纳斯7.7级强震(Lu et al., 2018)以及1931年发生在额尔齐斯断裂带(EQSF)上的富蕴M8.0大地震等(徐锡伟等，2012).近年来，该区域内中强震持续频发(冯先岳，1985)，如2008年乌恰M6.8地震，2016年阿克陶M6.7地震(陈杰等，2016)，2017年精河6.6级地震(Gang et al., 2019; Li, 2019)等，见图 1.

地震的孕育和发生受区域应力场的控制，定量计算并分析区域主要应力应变场特征以及各断裂带力学特征，能够对区域孕震环境及未来的地震活动性提供一定的科学参考依据(Abdrakhmatov et al., 1996).本研究将依据区域地质构造环境特征和地球物理资料，建立弹性有限元数值计算模型，以GPS观测数据为约束，计算区域地壳形变场、弹性应变能密度增加速率和各断裂带应变/应力积累速率等，并结合其他野外观测资料，进一步定量化描述区域及各断裂带的活动特征，研究区域孕震应力场环境特征以及未来的地震活动性趋势.

本文结合区域地质构造背景，建立有限元二维平面数值模型，选取新疆北部地区(70°E—98°E, 37°N—49.5°N)为主要研究区域，模型范围见图 1红色线框所示.相较于地球长期演化历史，十年尺度的上地壳形变主要表现为弹性特征，据此，暂选用弹性本构模型来模拟分析研究区数十年尺度的形变.据研究区域地质构造特征，模型中设立了五个主要构造单元，分别是准噶尔盆地、天山造山带、塔里木盆地、帕米尔高原和哈萨克地台.模型中断裂带视为宽度为5 km的条状带.参考前人研究成果(雷显权，2013)，及地震波深部反演获得的地壳速度结构信息(Li et al., 2013)可计算得到各个构造单元的材料参数，见表 1.一般情况下断裂带介质较软弱，在数值模拟中通常给定相对较低的杨氏模量(Li et al., 2004; 王辉等，2006).本文将1999—2015年欧亚参考系下平均GPS速度场数据(Zheng et al., 2017)线性插值到模型边界节点上，作为模型边界速度约束，见图 2.模型整体采用非结构化三角形网格剖分，并在断裂带位置处进行网格加密，共剖分为63074个节点，125529个单元.

表 1 (Table 1)

表 1 模型材料参数 Table 1 Material parameters 活动地块/断裂带 杨氏模量E(Pa) 泊松比 准噶尔盆地 8×1010 0.25 天山构造带 7×1010 0.27 塔里木盆地 1×1011 0.22 帕米尔高原 8×1010 0.25 哈萨克地台 2×1011 0.25 断裂带 2.5×1010 0.25

表 1 模型材料参数 Table 1 Material parameters

图 2

Fig. 2

图 2 有限元模型网格及GPS插值的模型边界条件 Fig. 2 2D meshed model and GPS boundary conditions

通过对计算结果的误差分析可以验证模型计算结果的可靠性.我们根据公式(1)计算了此次模拟速度场的均方根误差.

(1)

其中，O_i为实际GPS观测值，M_i为模拟计算速度值，N为有限元模型节点个数.

图 3给出了新疆北部数值模型计算速度与实际GPS观测值的对比结果.整体上，计算结果与实际GPS观测值基本吻合较好，矢量模约2.03，EW向分量均方根误差约为1.13 mm·a^-1，NS向分量均方根误差约为1.68 mm·a^-1.但在帕米尔高原地区，速度场存在方向上的微弱差别，这可能与帕米尔高原地区下地壳可能存在与上地壳不同的水平流动速度，使得上地壳受到了一定的黏滞性拖曳力有关.

图 3

Fig. 3

图 3 新疆北部模型计算速度与实际GPS观测值对比图 Fig. 3 Comparison between the calculated horizontal deformation velocity in northern Xinjiang and the GPS observations

董培育等(2016)通过模拟计算认为在青藏高原中部地区可能存在较高的来自于地幔岩石圈的水平拖曳力；如果只考虑弹性模型下的GPS速度边界条件，得到的模拟速度场值与实测值之间的均方根误差约为5.77 mm·a^-1，但若在模型中加载拖曳力之后，计算结果显示均方根误差为2.69 mm·a^-1(董培育等，2016).当然这部分水平速度场的差异也有可能来源于侧向的物性参数的各向异性或者深大断裂带的影响.究竟为何种原因尚待进一步的地质、地化、壳幔温度和黏度结构观测和探测等研究.本文尚未考虑拖曳力的计算结果，均方根误差仅为2.03 mm·a^-1，且主要误差来源于帕米尔高原地区，其他区域均表现为良好的一致性.因此，推断研究区域内除帕米尔高原地区可能存在拖曳力，其它区域可能非常微弱可忽略.

基于与GPS数据验证程序的可靠性，图 4给出了研究区域内主应变速率.整体上，除帕米尔地区，研究区域整体上呈南北向的压缩状态和东西向的拉伸状态.其中，天山山体内部以近南北向挤压为主导，并辅以东西向拉伸，主应变率的方向基本与天山山脉正交，表明天山地区地壳形变现今仍以南北向水平缩短造山为主.同时，本文计算结果与Zhu和Shi(2011)利用1202个GPS观测值估算的1999—2005年的中国大陆中天山构造带的应变率场结果吻合，并与Jiang等(2011)利用新疆9个钻孔应变站的连续应变数据得到的结果一致，与天山的隆升和地壳缩短是一致的.具体来说，天山西段压缩应变率在3.0×10^-8a^-1左右，最大可达3.5×10^-8a^-1，天山中段压缩应变率约为1.5×10^-8a^-1，最大约为2.1×10^-8a^-1，但到天山东段压缩应变逐渐减小，基本在1.0×10^-8a^-1左右.天山构造带构造变形整体呈现西强东弱的空间分布特征.这一结果与王伟等(2014)利用2009—2013年的GPS区域网观测资料所获取的天山及邻区应变率场分布特征基本一致.此外，计算得到的帕米尔地区的应变速率高于周围其他地块，其压缩应变率的量级在~5.0-7.0×10^-8a^-1，南北向挤压仍为该地区的主要变形形式.哈萨克地台、准噶尔盆地和塔里木盆地在地质上属于较稳定的块体，区域主应变率的量级在~3.0×10^-9a^-1，远小于天山地区，且变形大致均匀.

图 4

Fig. 4

图 4 研究区域内模拟计算所得的水平主应变速率图 蓝色、红色箭头分别代表区域水平方向上最小、最大主应变速率值. Fig. 4 Horizontal principle strain rate The blue and red arrows respectively represent the minimum and maximum principal strain rates.

整体上，南北向受力较大的构造区域，如天山造山带、西昆仑—帕米尔弧形构造带出现了应变集中、变化剧烈的现象，而这些地区也是发育于中生代的大型逆冲断层集中分布的区域.局部上表现为刚性特征的块体应变率场分布则较为均匀、且量值较小.形成这一现象的原因可能是印度板块与欧亚大陆碰撞过程中，青藏高原南缘的斜向碰撞分解了推挤过程中青藏高原向北的扩展变形，最终形成现今的构造演化格局，这一判断与前人的结果基本一致(李杰等，2012).

地壳与岩石圈介质在构造加载下发生形变并积累应变能，通过地震等断层错动释放其长期积累的应变能(庞亚瑾等，2017).由于地壳不是理想弹性体，我们尚无法将岩石从零应力状态累积到现今的全部形变中分辨何为弹性应变，何为非弹性(塑性或黏性)形变.为简化问题，该研究仅从弹性应变能角度分析.若某区域的弹性应变能积累迅速，则该区域岩石可能即将发生破裂.但如公式(2)所示，弹性应变能变化量的计算，不仅需要知道一段时间内的应力和应变增量，还需要初始时刻的应变和应力值.然而，现阶段缺乏对地壳孕震层的初始应力和应变状态的认识.本文仅能退而求其次，只计算由区域应变和应力年增量引起的弹性应变能密度年增长率δN，如公式(3)(庞亚瑾等，2017)，据此来判断主要断层带上的孕震能力.

(2)

(3)

其中，δN为单位体积弹性应变能密度年增长率，Δσ_ij为应力变化量，Δε_ij为应变变化量，σ₀为初始应力，ε₀为初始应变，E₀为初始应变能，E_t为当前状态下的应变能，ΔE为应变能变化量.

研究区域各断裂带上的应变能密度年增长速率δN计算结果如图 5所示.其中，帕米尔高原北部边界带—塔什库尔干断裂(TKF)上最高，可达~9.5×10^-4J/(a·m³).天山构造带南边界的西侧—迈丹断裂(MDF)也有较高值，可达~4×10^-5J/(a·m³).由于实际上断裂带介质较软弱，杨氏模量较低于周边稳定地块，最易发生形变，如图 4，这些区域应变速率也是高值区域.因此反映出断裂带上积累的弹性应变能密度较大.

图 5

Fig. 5

图 5 二维数值模型计算研究区域断裂带上弹性应变能密度变化率相关量δN分布(忽略背景应力场条件下)(δN单位：J/(a·m3)) Fig. 5 Distribution of δN on the faults in the study regions (Ignoring the background stress field) (The unit of δN: J/(a·m3))

在模型边界处的断裂带区域有较高值，通常是边界效应导致的计算误差.值得注意的是，在克敏断裂东西段(KMF)和喀什河断裂(KSHF)交界区域，也有较高的弹性应变能密度积累速率，历史地震记录显示在1976年后仅发生两次M＜6地震，因此，仍然不能排除未来有强震可能性.

库仑应力变化理论(Stein and Lisowski, 1983; 石耀霖，2001)，如公式(4)所示.可将区域应力扰动量(应力张量)，投影到某一断层面上，并计算该面上的剪应力变化和正应力变化.据此判断断层面是更接近破裂或更加安全，在定量研究大震后的余震分布即周边断层的危险性问题中有广泛应用(董培育等，2018；黄禄渊等，2017；Cheng et al., 2018, Yin et al., 2008).

(4)

其中，Δτ为断层面上剪应力沿着滑动方向的变化量，Δσ_n为断层面法向正应力的变化量(以拉张应力为正)，μ′为断层面上有效摩擦系数.

本文将区域应力增长速率投影到不同的断层面上，计算各断层面上的库仑应力积累速率.主要断裂带库仑应力年变化率值的计算结果如图 6所示，据此来分析其未来可能的活动特征.其中，研究区内各活动断层的几何特征，如表 2所示.塔里木盆地北缘现今构造运动变形导致柯坪断裂(KPF)、兴地断裂(XDF)与迈丹断裂(MDF)上的库仑应力整体呈增加趋势，其中最大增长量集中在迈丹断裂(MDF)西段与塔拉斯—费尔干纳断裂(TFF)交界处，达~1 kPa·a^-1，这一现象表明构造加载作用促进该区域断层倾向于破裂，预示着该地区地震危险性有所增加.来自于地质和观测的结果也发现，迈丹断裂(MDF)全新世以来活动性较强，具备发生七级地震的特征(陈建波，2008)，这与本文的数值分析结果相一致.

图 6

Fig. 6

图 6 新疆北部主要断层上库仑应力变化率(单位：Pa·a-1) Fig. 6 Coulomb stress change rate on major faults in northern Xinjiang

表 2 (Table 2)

表 2 新疆北部断层形态及计算参数 Table 2 Fault morphology and calculation parameters in northern Xinjiang 断层名称 走向(°) 倾角(°) 滑动角(°) 有效摩擦系数 参考文献 额尔齐斯断裂(EQSF) 300 60~70 135 0.4 刘飞等，2013 可可托海—二台断裂(KEF) 340 80 135 0.4 徐锡伟等，2012 碱泉子—洛包泉断裂(JLF) 90 50~76 45 0.4 罗福忠等，2002 博—阿断裂(BAF) 305 40~80 180 0.4 沈军等，2003 库松木契克山前断裂(KQF) 290~300 40~60 135 0.4 徐志国等，2019 喀什河断裂(KSHF) 285 65~85 135 0.4 杨章等，1988 兴地断裂(XDF) 90 30~75 90 0.4 陈建波，2008 北轮台断裂(BLTF) 290~300 50~80 90 0.4 姚远等，2018 迈丹断裂(MDF) 45 60~80 45 0.4 吴传勇，2016 柯坪断裂(KPF) 67.5 40~60 45 0.4 陈建波，2008 塔什库尔干断裂(TKF) 135 50~80 180 0.4 陈建波，2008 卡兹克阿尔特活动断层(KAF) 90 15~35 135 0.4 冯先岳等，1987 塔拉斯—费尔干纳断裂(TFF) 315 70~90 135 0.4 Burtman et al., 1995 那拉提断裂(NLTF) 67.5 >50 45 0.5 李志海等，2014 克敏断裂东西段(KMF) 255 75 45 0.5 吴传勇，2016 克敏断裂南北段(KMFN) 135 45 180 0.5 吴传勇，2016

表 2 新疆北部断层形态及计算参数 Table 2 Fault morphology and calculation parameters in northern Xinjiang

在帕米尔北缘地区，大型右旋走滑塔什库尔干断裂(TKF)库仑应力整体呈上升趋势，其中与塔拉斯—费尔干纳断裂(TFF)交界处的断裂中段库仑应力增长率接近~2 kPa·a^-1.该断裂北部的卡兹克阿尔特活动断层(KAF)和塔拉斯—费尔干纳断裂(TFF)的库仑应力增长率同样较高，达~0.8 kPa·a^-1.李杰等(2012)的研究同样表明南天山—帕米尔地区是最可能发生中强震的地区.但在塔什库尔干断裂(TKF)与西、南边界交界之处库仑应力值异常偏高，该区域靠近模型边界，可能是受边界效应的影响导致的计算误差较大.

对于东天山东段博格达山与哈尔里克山之间的碱泉子—洛包泉断裂(JLF)东段而言，其库仑应力增长率几乎为零，而西段由于发生了1914年的巴里坤7.25级强震，释放了大量的应变能，故其库仑应力增加较缓.除此之外，额尔齐斯断裂(EQSF)、可可托海—二台断裂(KEF)、博—阿断裂(BAF)、库松木契克山前断裂(KQF)、那拉提断裂(NLTF)、北轮台断裂(BLTF)西南段的库仑应力变化率均在~0.3 kPa·a^-1上下扰动，预示着这些区域的地震危险性未受到周边地震的显著影响.但对于克敏断裂(KMF)而言，其南北走向断裂和东西走向断裂呈现两种截然相反的状态，南北走向的断裂的库仑应力增量达~0.5 kPa·a^-1，而东西走向断裂的库仑应力增量约为-0.4 kPa·a^-1，表明东西走向的克敏断裂(KMF)未来强震发生的可能性较低.

总体而言，克敏断裂南北段(KMFN)、兴地断裂(XDF)、迈丹断裂(MDF)以及帕米尔北缘塔什库尔干断裂(TKF)属于库仑应力增加的区域，在未来强震发生的可能性较高，需密切关注.

自新生代伊始，天山在印度板块与欧亚板块强烈碰撞挤压的远程效应影响下复活并快速隆升，成为板内地震活动性最强的造山带之一.西南天山现今呈东北向运动特征，地壳主要以北西—南东向的水平挤压变形为主，以北东—南西向的水平拉张变形为辅，因此该地区有利于逆冲型断裂的构造发育.此外，现今构造运动下地壳应力积累过程也有助于西南天山形成北东—南西向的左旋走滑特征，所以位于西南天山NEE走向的迈丹断裂(MDF)和那拉提断裂(NLTF)在晚第四纪以来均以左旋走滑兼逆冲为主.这与吴传勇(2016)的研究结果基本一致，塔里木盆地向天山山脉俯冲汇聚的压缩速率与左旋剪切运动基本被西南天山所吸收.

模拟得到的速度场结果表明，受塔里木地块向北与准噶尔盆地向南的挤压作用，南天山东段整体呈NWW走向，地壳主要为北东—南西向的水平挤压和北西—南东向的水平拉张变形，现今构造驱动下地壳应力积累过程有助于南天山东段形成北西—南东向的右旋走滑特征.

为了研究历史地震对研究区域应力场的影响，本文比较了历史地震对其周围区域主要断裂带库仑应力的影响程度.万永革等(2010)计算了2008年于田M_S7.3地震对周围断裂带库仑应力的影响，研究发现于田地震后，柯坪断裂(KPF)、迈丹断裂西段(MDF)和兴地断裂(XDF)的库仑应力增大不足30 Pa，北轮台断裂(BLTF)和卡兹克阿尔特断裂(KAF)的库仑应力分别约减小1~8 Pa.而对于距震中较近的断裂带，其库仑应力变化达kPa量级.张琳琳等(2017)对发生在帕米尔内部的2016年阿克陶M_S6.7地震引起的周围断裂带库仑应力变化进行研究，结果表明柯坪断裂(KPF)、塔什库尔干(TKF)等断裂带库仑应力增加，大约为0~1 kPa，其中卡兹克阿尔特断裂带(KAF)增幅较大，达到5 kPa.庞亚瑾等(2019)根据岩石圈分层模型和地震位错理论计算了2017年精河M6.6地震和2012年伊犁M6.7地震对周围区域应力的影响.两次计算结果均显示，距离震中20 km内的较近区域，库仑应力变化大于20 kPa，40 km以内区域在5年内的库仑应力变化可达2 kPa，而距离大于100 km的较远处断层几乎不受影响.张琳琳等(2019)对天山中段两次M_S6.6地震前后库仑应力变化进行了分析，分析结果显示，2012年新源、和静和2017年精河的两次M_S6.6地震活动对库车M_S5.7地震的发生起到了触发作用.其中，博阿断裂(BAF)部分段库仑应力值变化可达20 kPa，而库松木契克山前断裂(KQF)和那拉提断裂(NLTF)部分段库仑应力变化值为负.

通过前人研究分析可知，地震对距震中较近的断层库仑应力变化值影响较大，而对距震中较远的断裂带库仑应力变化影响较小，可忽略不计.当地震发生时，距震中较近断层往往会产生较大的库仑应力变化，其大小均在kPa量级.本文计算的结果显示除可能存在边界效应的帕米尔高原北缘区域之外，其他区域断裂带库仑应力计算值增幅约为0~0.5 kPa·a^-1，若要达到地震发生所需的应力降，则需几十甚至上千年时间.同时，研究区域内大多数断层库仑应力增大区域应变能也在增大，这说明随着应变能的不断积累，应力积累也在不断增大，发生地震的可能性也相应增加.而对克敏断裂东西段(KMF)而言，虽然其应变能积累较快，但其库仑应力变化为负值.这是因为，克敏断裂东西段(KMF)压应力和剪应力的增加都使得断裂带应变能增加，但由于该段落的正应力和剪应力的分配特征，造成压应力的增大对断层活动的抑制效应(库仑应力变化为负)大于剪应力增加的促进效应(库仑应力变化为正)，因此反而抑制了克敏断裂东西段(KMF)的地震活动性，今后三维数值模型将对此进行更精细的量化研究.

本文基于新疆北部强震活跃区的构造背景，以1999—2015年平均GPS速度场数据为约束条件，通过有限元数值模型，计算了新疆北部地区地壳形变、应力/应变积累速率、弹性应变能密度以及库仑应力年变化率.初步得出如下结论：

(1) 除帕米尔地区以外，新疆北部整体应力场以南北向挤压为主，东西向拉伸为辅，这与天山构造变形整体以压缩变形为主的实际情况相吻合.天山山脉和西昆仑—帕米尔弧形构造带由于南北向所受压力较大，所以造成该区域逆断层集中分布.而塔里木盆地、准噶尔盆地以及哈萨克地台内部表现为刚性特征，故其应变率场分布均匀.

(2) 表 3展示了模拟值与实际地质观测资料对比结果，根据计算得到的主应变方向可以判断出各主要断层的错动性质.其中正应力率是垂直于断层面方向的应力年变化率，以拉张为正，压缩为负；剪应力率表示平行于断层走向的应力年变化率，与断层错动方向相同为正，相反为负.

表 3 (Table 3)

表 3 各断裂带模拟结果与观测资料对比表 Table 3 Comparison of simulation results and geological data of each fault 观测断层性质 观测断层性质 计算错动性质 正应力率大小 /(kPa·a-1) 剪应力率大小 /(kPa·a-1) CFS平均值 /(kPa·a-1) 额尔齐斯断裂(EQSF) 右旋逆冲 右旋逆冲 -0.334 0.261 0.128 可可托海—二台断裂(KEF) 右旋逆冲 右旋 0.069 0.303 0.331 碱泉子—洛包泉断裂(JLF) 左旋逆冲 左旋逆冲 -0.134 0.093 0.040 博—阿断裂(BAF) 右旋走滑 右旋走滑 -0.408 0.274 0.111 库松木契克山前断裂(KQF) 右旋逆冲 右旋逆冲 -0.507 0.547 0.344 喀什河断裂(KSHF) 右旋逆冲 右旋逆冲 -0.96 0.388 0.004 兴地断裂(XDF) 逆冲 逆冲 -0.231 0.193 0.101 北轮台断裂(BLTF) 逆冲 逆冲 -0.634 0.295 0.041 迈丹断裂(MDF) 左旋逆冲 左旋逆冲 -1.056 0.793 0.371 柯坪断裂(KPF) 左旋逆冲 左旋逆冲 -1.017 0.855 0.448 塔什库尔干断裂(TKF) 右旋走滑 右旋走滑 -0.41 1.256 1.092 卡兹克阿尔特活动断层(KAF) 右旋逆冲 右旋逆冲 -0.401 0.794 0.634 塔拉斯—费尔干纳断裂(TFF) 右旋逆冲 右旋 -0.493 0.553 0.356 那拉提断裂(NLTF) 左旋逆冲 左旋逆冲 -1.044 0.699 0.177 克敏断裂东西段(KMF) 左旋逆冲 右旋逆冲 -1.432 0.38 -0.335 克敏断裂南北段(KMFN) 右旋 右旋逆冲 -0.495 0.839 0.444

表 3 各断裂带模拟结果与观测资料对比表 Table 3 Comparison of simulation results and geological data of each fault

由表 3可知，除可可托海—二台断裂(KEF)、塔拉斯—费尔干纳断裂(TFF)、克敏断裂东西段(KMF)和克敏断裂南北段(KMFN)，其余断裂带模拟结果与实际地质观测结果基本一致，无矛盾；同时断裂带上模拟正应力率基本为负值，表示该地区容易形成逆冲断层，这也与实际资料相吻合.其次，除克敏断裂东西段(KMF)，其余断裂带库仑应力增量均为正值，表明该地区正处于地震孕育过程，与实际地震活动性较高相对应.

(3) 在地震孕育的过程中地壳应变能持续增加，由于新疆北部地区的强震基本沿断裂带发生，导致断裂带上的应变能高于周围地块.整体而言，研究区西部应变能变化较大，在帕米尔地区尤为突出，这一现象与该地区实际地震活动频繁吻合较好.帕米尔高原北部边界带—塔什库尔干断裂(TKF)与天山构造带南边界的东侧—迈丹断裂(MDF)有较高的弹性应变能密度变化率.克敏断裂南北段(KMFN)、兴地断裂(XDF)、迈丹断裂(MDF)以及塔什库尔干断裂(TKF)属于高库仑应力增加的区域，在未来强震发生的可能性较高，需密切关注.

受限于观测资料，本文建立的新疆北部二维弹性有限元平面数值模型对区域内主要的发震断层进行分析研究，边界效应对研究结果的影响并未消除.研究关注于水平GPS运动，未考虑深部边界条件对断层的影响.模拟结果显示，由于区域内部帕米尔地区存在复杂的陆壳俯冲现象，二维模型与实际存在一定模拟差距.二维模型提供了对新疆北部地区应力场形成机制和地震活动性差异原因的初步认识，尚未考虑三维复杂几何地形、下地壳和上地幔黏弹性松弛效应、历史大地震同震及震后变形等因素的影响.

由于印度板块与欧亚板块的持续碰撞挤压，天山造山带一直维持着活跃的构造运动水平.下地壳被上地幔上涌的热物质侵入，可能造成了天山的隆升，这一深部构造运动必然导致天山造山带发生强震的可能性加大(吴传勇，2016).此外，天山造山带位于准噶尔与塔里木盆地之间，地形变化差异较大，重力异常作用明显，地形变化引起的重力作用将会对地下应力的演化过程造成一定的影响(胥颐，1996).目前的二维平面应力模型尚不能对该影响进行定量评估，下一步将采用三维黏弹塑性模型探究地形变化和深层边界条件对于研究区域的影响，同时考虑更复杂的介质分布情况，进一步研究新疆北部地区孕震应力场及断裂带活动性特征.