王 偉 楊少敏 譚 凱 趙 斌 黃 勇張彩紅 王迪晉

1)中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢 430071

2)中國地震局地殼應力研究所武漢科技創(chuàng)新基地，武漢 430071

利用GPS資料分析天山現(xiàn)今地殼縮短速率*

王 偉1，2)楊少敏1，2)譚 凱1，2)趙 斌1，2)黃 勇1，2)張彩紅1，2)王迪晉1，2)

1)中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢 430071

2)中國地震局地殼應力研究所武漢科技創(chuàng)新基地，武漢 430071

基于中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)1999～2013年的GPS區(qū)域網(wǎng)資料，并結(jié)合中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)2009～2013年的GPS資料以及境外天山、帕米爾等地區(qū)公開發(fā)布的最新速度場結(jié)果，獲取整個天山及鄰區(qū)較為完整的地殼運動圖像，以此研究天山及鄰區(qū)的現(xiàn)今地殼縮短速率及其空間變化。初步結(jié)果表明，自西向東分別橫跨帕米爾北緣逆沖斷裂帶、柯坪塔格逆斷裂-褶皺帶、庫車逆斷裂-褶皺帶、瑪納斯逆斷裂-褶皺帶和吐魯番中央隆起逆斷裂-褶皺帶的5條GPS速度剖面顯示，整個天山南北向的縮短速率由西向東逐漸減小，且剖面內(nèi)的地殼縮短與變形并非線性分布，其現(xiàn)今地殼縮短速率分別為26、20、12、9和4 mm/a。

天山;GPS;地殼運動;速度場;縮短速率

受印度、歐亞板塊碰撞的遠程效應以及塔里木盆地持續(xù)擠壓楔入作用的影響，天山山體隆升并發(fā)生強烈的地殼變形和近南北向縮短，晚新生代以來天山西段的地殼縮短總量達200 km以上［1］。第四紀以來，天山內(nèi)部和兩側(cè)的盆山交接地帶發(fā)育大量活動斷裂和褶皺帶，是調(diào)節(jié)天山現(xiàn)今應變狀態(tài)、控制天山隆升的重要構(gòu)造單元［2－7］。在天山山前逆斷裂-褶皺帶內(nèi)，出露地表的逆斷裂上陡下緩，深部均統(tǒng)一歸于沉積蓋層底部的主滑脫面，滑脫層以上中、新生代地層發(fā)生強烈的褶皺彎曲變形和地殼縮短［5－7］，在天山山體的內(nèi)部也有一定程度的構(gòu)造活動［8］。精確測定天山的地殼縮短速率、地殼縮短的空間變化以及變形的起始年代，對于認識大陸內(nèi)部造山帶的構(gòu)造演化與變形機制具有重要意義［6－10］。基于平衡剖面等地質(zhì)學方法，可以測定活動逆斷裂-褶皺帶的縮短速率，但由于缺乏較為可靠的逆斷裂-褶皺帶的形成年代資料以及對整個天山地殼縮短幅度的估算結(jié)果，目前仍難以精確測定整個天山的長期地殼縮短速率［10］。

利用GPS在天山地區(qū)的現(xiàn)今地殼運動研究方面已開展大量工作［11－17］。早期的GPS測量結(jié)果認為，天山的匯聚變形基本表現(xiàn)為連續(xù)線性變形，大地測量觀測得到的天山西段(75°～79°E)的擠壓縮短速率約為 20 mm/a［11－12］，高于晚新生代以來 12 mm/a的長期地質(zhì)學結(jié)果［1］。以往的GPS研究由于站點分布和測站密度有限，不能完整地反映整個天山及鄰區(qū)的現(xiàn)今地殼縮短與變形［13－14］。近年來在境內(nèi)外天山開展的GPS加密觀測，為天山的地球動力學研究提供了十分重要的約束條件。多個國際合作計劃在境外天山的塔吉克斯坦、吉爾吉斯斯坦、哈薩克斯坦以及帕米爾等地區(qū)也開展了長期GPS觀測［16－17］。本文對網(wǎng)絡(luò)工程和陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)在天山地區(qū)1999～2013年的GPS觀測資料進行統(tǒng)一處理，并結(jié)合境外天山、帕米爾等地區(qū)已發(fā)表的最新速度場結(jié)果，獲取整個天山及鄰區(qū)更為完整的地殼運動圖像，研究天山的現(xiàn)今地殼縮短速率及其空間變化，并與地質(zhì)學、地震學結(jié)果比較。

1 GPS觀測資料與數(shù)據(jù)處理

本文使用的GPS測站資料基本覆蓋了天山及其鄰近地區(qū)，GPS數(shù)據(jù)處理采用BERNESE軟件的雙差處理模式，處理方法、模型與以往基本一致［15］。單日解算時，單日解驗后單位權(quán)中誤差小于2.0 mm，各期觀測的坐標重復率平均值在水平方向優(yōu)于2 mm。獲取每個測站的單日自由網(wǎng)解后，對全部單日解進行整網(wǎng)平差，獲得測站相對于IGS08框架下的坐標和速率結(jié)果，并通過最新空間大地測量資料得到的板塊運動模型［18］將測站在全球框架下的速度轉(zhuǎn)換到相對于穩(wěn)定歐亞板塊下的速度場。

為獲取整個天山及鄰區(qū)更為完整的地殼運動圖像，采用7參數(shù)相似變換方法，利用公共站將文獻［16－17］的境外天山速度結(jié)果轉(zhuǎn)換到本文網(wǎng)絡(luò)工程和陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)的速度場結(jié)果所處參考框架之下。這些境外GPS測站速度資料對分析整個天山及鄰區(qū)的現(xiàn)今地殼縮短速率提供了更為完整的觀測約束。

2 利用GPS資料研究天山現(xiàn)今地殼縮短速率

晚新生代以來天山主要以擠壓構(gòu)造變形為主，其變形主要分布在造山帶內(nèi)部及山前眾多近東西走向的逆斷裂-褶皺帶上［5－8］。由于對天山內(nèi)部構(gòu)造活動認識的缺乏，目前難以精確測定天山整體的地殼縮短幅度和長期的縮短速率［10］。盡管如此，已有的地質(zhì)剖面等研究結(jié)果表明，天山地區(qū)的地殼縮短大致分布在4個主要的活動逆斷裂-褶皺帶內(nèi)，自西向東分別為:西南天山的柯坪塔格逆斷裂-褶皺帶及其向西延伸的喀什逆斷裂-褶皺帶，天山南麓的庫車逆斷裂-褶皺帶，天山北麓的烏魯木齊坳陷以及天山東部的吐魯番盆地中央隆起逆斷裂-褶皺帶［5，7，10］。楊曉平等［10］假定天山山前活動逆斷裂-褶皺帶開始形成的時間為距今2.5 Ma，上述4個地段的最小縮短速率分別為15.4 ～17.3 mm/a、12.7 ～16.5 mm/a、3.8 ～ 4.5 mm/a、2.3 ～ 2.7 mm/a;Burchfiel等［5］同樣假定2.5 Ma為天山變形的起始時間，采用不同的地層厚度和褶皺模型，估算天山東部瑪納斯段第四紀以來的地殼縮短速率為5.7～7.2 mm/a。需要指出的是，根據(jù)上述逆斷裂-褶皺帶計算的地殼縮短量僅大致代表了天山在該經(jīng)度位置上的最小地殼縮短量。而 Allen［6］、Yin［7］則認為，南天山的柯坪塔格、庫車等逆斷裂-褶皺帶變形起始于20～24 Ma，這些逆斷裂－褶皺帶晚新生代以來的地殼縮短速率僅為1 ～1.9 mm/a。

將網(wǎng)絡(luò)工程、陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)以及境外研究機構(gòu)最新發(fā)布的GPS速度場結(jié)果［16－17］融合到統(tǒng)一的參考框架之下，獲取了天山地區(qū)空間分布更為完整的地殼運動圖像(圖2)，以此計算整個天山的現(xiàn)今地殼縮短速率。根據(jù)天山主要逆斷裂-褶皺帶(或逆沖斷裂帶)走向和地理位置，繪制數(shù)條GPS速度剖面，自西向東分別橫跨帕米爾逆沖斷裂帶、柯坪塔格逆斷裂-褶皺帶、庫車逆斷裂-褶皺帶以及天山東部的瑪納斯逆斷裂-褶皺帶和吐魯番盆地中央隆起逆斷裂-褶皺帶(如圖2中A-E所示)。圖2中藍色菱形符號代表各剖面投影的原點位置，其中剖面A、B、C的原點分別與帕米爾北緣逆沖斷裂帶、柯坪塔格逆斷裂-褶皺帶、庫車逆斷裂-褶皺帶相對應，剖面D、E的原點分別與該經(jīng)度的庫爾勒斷裂、吐魯番盆地中央隆起逆斷裂-褶皺帶大致對應。如圖3所示，分別使用垂直和平行于天山山前斷層走向的測站速度分量來反映逆斷裂-褶皺帶的地殼縮短(紅色點號)和走滑(藍色點號)活動引起的變形特征，縱軸為各剖面內(nèi)測站的相對速率變化，橫軸為各測站相對于剖面原點的投影距離(橫軸距離單位為km，距離為正表示剖面投影原點以北)。橫跨天山的多條GPS速度剖面顯示，整個天山擠壓、匯聚速率由西向東逐漸減小，且南北向的地殼縮短變形并非線性分布。

圖1 天山地區(qū)構(gòu)造背景與GPS測站分布Fig.1 Geologic setting and distributions of GPS sites in Tianshan area

圖2 天山地區(qū)相對穩(wěn)定歐亞板塊的GPS速度場與剖面投影區(qū)域Fig.2 Velocity field in Tianshan area relative to stable Eurasia plate and profile configurations

位于研究區(qū)最西部的帕米爾-天山地區(qū)近600 km的GPS速度剖面A顯示，近南北向的縮短速率最高達26 mm/a;如果考慮到剖面外以南200 km區(qū)域的更多站點，約為30 mm/a。在該區(qū)域，垂直斷層走向的GPS速率變化顯示主要有兩條變形梯度帶［16－17］，表明該地區(qū)的現(xiàn)今變形非均勻地被逆沖斷裂活動所吸收，其中帕米爾逆沖斷裂帶所吸收的地殼縮短速率至少為10 mm/a，最高達16 mm/a，高于Arrowsmith等［19］估算的帕米爾北緣主沖斷裂全新世以來6 mm/a的匯聚速率。另一變形梯度帶顯示，有大約4～6 mm/a的變形主要被帕米爾高原以北費爾干納盆地的地殼縮短所吸收［16－17］。

在天山西段(75°～80°E)，早期的GPS觀測顯示，該段的現(xiàn)今地殼縮短速率為20 mm/a［11］，其中天山南緣喀什至阿克蘇段逆斷裂-褶皺帶附近的縮短速率約為8 mm/a［12］，在該段的古地震調(diào)查結(jié)果推斷阿克蘇逆斷裂-褶皺帶12 ka以來的地殼縮短速率至少為7 mm/a［20］，構(gòu)造地貌與測年結(jié)果表明南天山柯坪塔格逆斷裂-褶皺帶1.7 ka以來的縮短速率約為5.68 ～ 7.53 mm/a［21］。與柯坪塔格斷裂帶垂直的GPS速度剖面B表明，在該段跨天山的地殼縮短速率約為20 mm/a，其中至少約6 mm/a的匯聚變形主要被南天山逆斷裂-褶皺帶及其附近區(qū)域的地殼縮短吸收。這一結(jié)果與古地震研究得到的12 ka 以來 7 mm/a［20］、地貌研究得到的 1.7 ka 以來 5.68 ～7.53 mm/a的平均縮短速率一致［21］，與 GPS 反演斷層位錯模型得到的南天山柯坪斷裂一段6.6 mm/a的傾滑速率也較為接近［13］，高于晚新生代(20 Ma)以來 1.8 mm/a 的地質(zhì)學結(jié)果［6］。在其以北地區(qū)則與以往地質(zhì)、GPS 觀測結(jié)果一致［8，16］，地表速度場顯示并無顯著的速率變化梯度帶，表明中、北部天山多條逆斷裂以及活動盆地具有一定幅度的構(gòu)造活動。

在天山中段，Yin等［7］對南天山晚新生代以來的構(gòu)造研究指出，庫車逆斷裂-褶皺帶的變形活動可能起始于20～24 Ma，地殼縮短總量達20～40 km，縮短速率約為1 ～1.9 mm/a。楊曉平等［10］采用地質(zhì)學平衡剖面方法得出庫車逆斷裂-褶皺帶縮短量約為27～37 km，假定2.5 Ma為其變形起始時間，其縮短速率約為12.7～16.5 mm/a;而對庫車前陸盆地的磁性地層學研究指出，其地殼縮短變形可能始于6.5 Ma的晚中新世［8］。GPS速度剖面 C顯示，橫跨天山中段的現(xiàn)今縮短速率約為12 mm/a，其中南天山的庫車逆斷裂-褶皺帶及其附近吸收了大約5～6 mm/a的縮短變形，高于晚新生代(20～24 Ma)以來1 ～1.9 mm/a的地質(zhì)學結(jié)果［7］。根據(jù)地質(zhì)資料得到的庫車逆斷裂-褶皺帶約20～40 km地殼縮短量［7］，如果假定GPS得到的至少5 mm/a的現(xiàn)今地殼縮短速率可代表長期的地質(zhì)學結(jié)果，可初步推斷庫車逆斷裂-褶皺帶變形起始時間約為4～8 Ma。這里需要指出的是，不同時間尺度觀測結(jié)果的差異可能反映了天山在該地區(qū)的地殼縮短和變形過程具有較為復雜的演化過程和歷史［22］。

圖3 橫跨天山的GPS速率剖面Fig.3 GPS velocity profiles across the Tianshan mountain

在東部天山地區(qū)，Burfichfiel等［5］假定 2.5 Ma為天山變形的起始時間，估算天山東部瑪納斯段第四紀以來縮短速率為5.7～7.2 mm/a。由于其忽略了天山內(nèi)部可能存在的構(gòu)造活動造成的縮短，因而該結(jié)果僅代表最小縮短速率。楊曉平等［10］采用不同的地層模型得到天山東部在吐魯番中央隆起逆斷裂-褶皺帶一段長期的縮短速率為2.3～2.7 mm/a。位于研究區(qū)域東部的GPS速度剖面D、E顯示，塔里木相對準噶爾盆地南北向的擠壓縮短速率分別為9 mm/a、4 mm/a，其中剖面D所處經(jīng)度位置大致與天山北麓的瑪納斯逆斷裂-褶皺帶相對應，剖面E所處經(jīng)度位置大致與吐魯番中央隆起逆斷裂-褶皺帶對應。盡管空間大地測量與地質(zhì)學結(jié)果對應的時間尺度有十分顯著的差異，二者對天山東段地殼縮短速率的估算結(jié)果較為接近，表明該區(qū)域的現(xiàn)今地殼變形仍是晚新生代構(gòu)造變形的延續(xù)［23］。

3 結(jié)語

初步結(jié)果表明，自西向東分別橫跨帕米爾逆沖斷裂帶、柯坪塔格逆斷裂-褶皺帶、庫車逆斷裂-褶皺帶、瑪納斯逆斷裂-褶皺帶和吐魯番中央隆起逆斷裂-褶皺帶的5條GPS速率剖面顯示，整個天山南北向的匯聚速率逐漸減小，且剖面內(nèi)的縮短與變形并非線性分布，其現(xiàn)今地殼縮短速率分別為26、20、12、9和4 mm/a。位于西南天山的柯坪塔格逆斷裂-褶皺帶及附近的地殼縮短速率約為6 mm/a，庫車逆斷裂-褶皺帶附近的現(xiàn)今縮短速率約為5～6 mm/a，高于晚新生代(20～24 Ma)以來約1～2 mm/a的長期地質(zhì)學結(jié)果。西部天山不同時間尺度觀測結(jié)果的差異反映了該區(qū)域的地殼縮短和變形過程具有較為復雜的演化歷史。在天山東段，GPS與地質(zhì)學對地殼縮短速率的估算結(jié)果較為接近，表明該區(qū)域的現(xiàn)今地殼變形仍是晚新生代構(gòu)造變形的延續(xù)。

1 Avouac J P.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 Molnar P，Deng Q.Faulting associated with large earthquakes and the average rate of deformation in central and eastern A-sia［J］.Journal of Geophysical Research:Solid Earth，1984，89(B7):6 203－6 227.

3 Molnar P，Ghose S.Seismic moments of major earthquakes and the rate of shortening across the Tianshan［J］.Geophysical Research Letters，2000，27(16):2 377 －2 380.

4 張培震.天山的晚新生代構(gòu)造變形及其地球動力學問題［J］.中國地震，1996，12(2):127 －140.(Zhang Peizhen.Late Cenozoic tectonic deformation and mechanism along the Tianshan mountain，northwestern China［J］.Earthquake Research in China，1996，12(2):127 －140)

5 Burchfiel B C.Crustal shortening on the margins of the Tian shan，Xinjiang，China［J］.International Geology Review，1999，41(8):665 －700.

6 Allen M B.Late Cenozoic tectonics of the Kepingtage thrust zone:Interactions of the Tianshan and Tarim basin，northwest China［J］.Tectonics，1999，18(4):639 －654.

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

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

9 Sun Jimin.Magnetostratigraphic data on Neogene growth folding in the forland basin of the southern Tianshan mountains［J］.Geology，2009，37(11):1 051 －1 054.

10 楊曉平.天山山前主要推覆構(gòu)造區(qū)的地殼縮短［J］.地震地質(zhì)，2008，30(1):111 － 131.(Yang Xiaoping.Crustal shortening of major nappe structures on the front margins of the Tianshan［J］.Seismology and Geology，2008，30(1):111－130)

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

12 Reigber C.New space geodetic constraints on the distribution of deformation in central Asia［J］.Earth and Planetary Science Letters，2001，191(1):157 －165.

13 楊少敏.GPS研究天山現(xiàn)今變形與斷層活動［J］.中國科學(D)，2008，38(7):872-880.(Yang Shaomin.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)

14 牛之俊.利用 GPS分析天山現(xiàn)今地殼形變特征［J］.大地測量與地球動力學，2007，27(2):1 －9.(Niu Zhijun.Analysis of contemporary crustal deformation characteristics with GPS data of Tianshan mountain［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics(in Chinese)，2007，27(2):1 －9)

15 王偉.中國大陸現(xiàn)今地殼運動速度場［J］.大地測量與地球動力學，2012，32(6):29 －32(Wang Wei.Present-day crustal movement velocity field in Chinese mainland［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2012，32(6):29 －32)

16 Zubovich A.GPS velocity field for the Tian shan and surrounding regions［J］.Tectonics，2010，29(6):TC6014.

17 Ischuk A.Kinematics of the Pamir and Hindu Kush regions from GPS geodesy［J］.Journal of Geophysical Research，2013，118:2 408 －2 416.

18 Altamimi Z.ITRF2008 plate motion model［J］.J Geophys Res，2012，117:B07402.

19 Arrowsmith J R，Strecker M R.Seismotectonic range-front segmentation and mountain-belt growth in the Pamir-Alai region，Kyrgyzstan(India-Eurasia collision zone)［J］.Geological Society of America Bulletin，1999，111(11):1 665－1 683.

20 Hubert-Ferrari A.Irregular earthquake cycle along the southern Tianshan front，Aksu area，China［J］.Journal of Geophysical Research，2005，110(B6):B06402.

21 宋方敏.南天山柯坪塔格推覆體前緣斷裂活動性質(zhì)及速率［J］.地震地質(zhì)，2007，29(2):272 －281.(Song Fangmin.Activities and slip rates of the Kalpintag Nappe，Tianshan mountains，China［J］.Seismology and Geology，2007，29(2):272－281)

22 Sobel E R，Chen J，Heermance R V.Late Oligocene-Early Miocene initiation of shortening in the Southwestern Chinese Tianshan:implications for Neogene shortening rate variations［J］.Earth and Planetary Science Letters，2006，247(1):70－81.

23 王曉強.天山現(xiàn)今地殼運動的形變場分析［J］.大地測量與地球動力學，2005，25(3):63 －68.(Wang Xiaoqiang.Analysis of present-day crustal deformation of Tianshan［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2005，25(3):63－68)

PRESENT CRUSTAL SHORTENING RATE OF TIANSHAN MOUNTAIN WITH GPS DATA

Wang Wei1，2)，Yang Shaomin1，2)，Tan Kai1，2)，Zhao Bin1，2)，Huang Yong1，2)，Zhang Caihong1，2)and Wang Dijin1，2)
1)Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071
2)Wuhan Base of Institute of Crustal Dynamics，CEA，Wuhan430071

GPS data of Crustal Movement Observation Network of China 1999 －2013，data of Continental Tectonic Environment Monitoring Network of China and other published GPS results were used to calculate a more complete horizontal velocity field covering the Tianshan mountain.Present crustal shortening rates and its spatial variation were analyzed using 5 GPS profiles across the Northern-Pamir Thrust Zone，Kepingtage Fold-and-Thrust Belt，Kuche Fold-and-Thrust Belt，Manas Fold-and-Thrust Belt and Turpan Fold-and-Thrust Belt，respectively.Preliminary results demonstrate that the current shortening rates across the entire Tianshan mountain decrease from west to east with nonlinear features，and the current shortening rates in these profiles are about 26 mm/a，20 mm/a，12 mm/a，9 mm/a and 4 mm/a，respectively.

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

P227

A

1671-5942(2014)05-0059-05

2013-12-29

中國地震局地震研究所所長基金項目(201326119，200916006);國家自然科學基金項目(41074016，41274027，41304067)。

王偉，男，1980年生，博士，助理研究員，從事空間大地測量與現(xiàn)今地殼運動方面的研究。E－mail:wangweigps@126.com。