利用GPS数据探讨北天山东段现今地壳应变场演化特征
——重新认识2016年呼图壁MS6.2地震

纪 凯,唐红涛

(1.安徽交通职业技术学院,安徽 合肥 230051;2.中国地震局第二监测中心,陕西 西安 710054)

0 引言

天山作为新生代内陆大型造山带之一,受印度板块向欧亚大陆持续挤压楔入的作用,再度复活隆升。天山东西全长2 500 km,平均宽度约300 km[1-2]。受南北地块(南侧为帕米尔高原与塔里木盆地,北为哈萨克地台与准噶尔盆地)夹击[3],天山现今活动以山体隆升向南北两侧双向逆冲推覆为主,其造山运动伴随着地壳增厚或隆升的垂直运动[4-7]。在这个运动过程中,同时也发育着规模较大的斜切天山的分解断裂,这些断裂起到了重要的力学调整作用。当断裂规模大、地质岩体弱、地壳内部应力高度集中并持续,就会发生褶皱构造变形及挤压逆冲推覆构造,山体继而抬高。北天山与中天山的分界断裂——博罗科努—阿其克库杜克断裂(以下简称为“博阿断裂”),及准噶尔盆地与北天山的分界断裂——准噶尔南缘断裂就属于这两类断裂[8-10],如图1。与此同时,北天山至准噶尔盆地自南向北正孕育着三排逆断裂-褶皱带(图1),第一排(FD1)由齐古背斜、清水河—石梯子断裂组成,总体北倾,向南逆冲;第二排(FD2)由霍尔果斯背斜、玛纳斯背斜和吐谷鲁背斜组成;第三排(FD3)自西向东由独山子褶皱、哈拉安德褶皱和安集海褶皱组成,整体南倾[2]。2016年12月8日新疆呼图壁县发生6.2级地震,此次地震震级大、有感范围广,促使我们有必要重新认识北天山东段构造带的现今运动特征。

图1 准噶尔盆地南缘—北天山断裂带及地震震中分布Fig.1 Distribution of faults and epicenter in the southern margin of Junggar Basin and the Northern Tianshan Mountains

针对该区域,许多学者做了大量的研究工作,邓起东等[2,10]、杨庚等[11]详细阐明了准噶尔盆地南缘三排逆断裂-背斜带的地表和深部构造、二维、三维几何学及运动学特征;张培震等[3,12]揭示了天山造山带的形成与地震孕育、发生的机制关系;陈正位等[13]基于DEM数据,研究了中更新世以来北天山向北扩展的造山过程;赵俊猛等[14]针对天山及准噶尔盆地南缘,通过重磁联合反演,获得了岩石圈二维密度结构与磁性结构,发现塔里木盆地与准噶尔盆地向天山造山带对冲;胥颐等[15]发现了天山地震带深部结构的基本特征;还有学者通过古地震、第四纪断层活动性和利用河流阶地位错等方法对该区域进行了考察与论证[16-17]。而2016年呼图壁MS6.2地震发生以后,很多学者又多从地质构造、震源机制、数据反演、测震、重力等角度对此次地震做了相关研究,如Yang等[18]通过数据反演构建了此次地震的发震构造;杨文等[19]利用地震台网震相报告,采用双差定位法重新定位了此次地震的震源位置,综合分析了该地震的震源机制及其发震构造;龚正等[20]运用钻孔观测数据与均质模型对IGP-CEA、USGS震源机制解进行了模拟研究;李艳永等[21]借助新疆测震台网数据,计算并分析了呼图壁地区2010—2017年的50次MS≥3.0地震的震源机制解;Lu等[22]利用地震反射资料，提出1906年玛纳斯地震与此次地震的发震断层应该是一个南向切斜的逆冲断层等,少有借助GPS等形变资料给出分析。因此,在前人的研究基础上,本文以北天山东段构造带为研究区域,利用2009—2011、2011—2013、2013—2015年三周期GPS水平运动速度场数据,计算并获取了该地区高分辨率应变率场的动态变化处理结果,分析了区域应变率场的时-空动态演化特征,以及探讨并重新认识了应变场率结果与2016年呼图壁6.2级地震的对应关系。

1 呼图壁MS 6.2地震震源机制

2016年12月8日,新疆呼图壁地区发生MS6.2地震,该地震主震震中位置为43.84°N,86.35°E,震源深度6 km。依据USGS、GCMT等研究机构给出的呼图壁MS6.2地震震源机制以及张志斌等[23]利用CAP方法反演出的震源机制解(表1),给出了上述研究的震源机制解分布图(图1)。从表中可以看出,不同研究给出的具体震源参数虽有一定的偏差,但由于是采用了不同台站资料及速度模型,因此这些偏差是完全可以接受的。以USGS给出的2016年呼图壁MS6.2地震震源机制解为例,本次地震节面Ⅰ走向80°、倾角19°、滑动角81°,节面Ⅱ走向269°、倾角71°、滑动角93°,矩震级MW6.0。从震源机制解结果可看出,这是典型逆冲性质的发震构造,图1中红点代表主压应力轴方向,白点代表主张应力轴方向,其中压应力轴水平投影近南北走向,而从本研究GPS水平运动速度场及主应变率场看,其NNE向的地壳运动方向及主压应变率场方向,与该主震震源机制压应力轴方向较为一致。

表1 不同研究给出的2016年呼图壁MS6.2地震震源机制解Table 1 Focal mechanism solutions of the Hutubi MS6.2 earthquake in 2016 from different studies

依据Lu等[22]的研究成果,显示此次地震发震断层倾角可能为低角度逆断层,主震震源深度16.5 km,余震主要集中在5～20 km范围(虽然准格尔南缘断裂和第三排断裂在深部会合并,但在震源点处并未合并),并通过人工地震反射剖面精细解析,认为此次地震的发震断层与霍尔果斯—玛纳斯—呼图壁断裂密切相关,即本文图1震中北侧霍尔果斯—玛纳斯—吐谷鲁断裂带偏向第三排(FD3)位置。同时,从时间上看,准格尔南缘断裂是形成较早而现在仍然活动的断裂,第一排断裂(FD1)为主断裂上盘的反向逆冲次级断裂,第三排断裂则是最新活动的主断裂。因此,本研究主要探讨了三期应变率场在霍尔果斯—玛纳斯—吐谷鲁断裂带第三排(图1中FD3)位置及其附近区域的演化特征与呼图壁MS6.2地震的关系(而非震源地表投影的震中位置)。

2 数据与方法

2.1 数据使用

北天山原GPS流动观测站点仅有9个,主要由20世纪80年代红外测距网改造而成[24],站点分布密度较低。近年来“中国大陆构造环境监测网络”项目陆续开展[25],该项目主要用于监测中国大陆地壳运动、重力场形态及变化,由260个连续站和2 000个流动站组成,每两年观测一期。至今,覆盖北天山北缘造山带GPS站点已增至40个。流动站数据采样间隔30 s,24小时为一时段,一次观测不少于4个时段。如图2,黑色、紫色、红色标记分别代表2009—2011、2011—2013与2013—2015周期的GPS水平运动速度场。本文所用数据为剔除个别非构造作用导致运动方向及观测误差与周围测站差异较大的GPS站点后的速度场结果,因此在某个站点位置,可能会出现三期数据不全的情况,点位密度越大,则解算后的应变率场结果越精细、分辨率越高,对区域块体及活动构造运动特征刻画越精准。由于缺少的几个站点并非在同一时间段内,且位置分散,在解算后的应变率场可能在该缺失位置上结果精细度有所欠缺,但不影响同期数据对整体区域的分析,所以此次所用GPS资料是可以接受的。

2.2 应变率场计算方法

利用最小二乘配置法,以及位移与应变的偏导关系[式(1)]可获取水平视应变率场分布[26],即能够计算所在研究区域内部任意一点的视应变率场结果。

(1)

2.3 断层滑动速率计算

断层的滑动速度用GPS测站水平运动速度投影至平行与垂直断裂走向的两个方向来表示。寻找剖面选取范围内GPS站点(n个),经高斯投影正算,解算其高斯投影坐标为(xi,yi),相应正东、正北向速度值为(ui,vi),i=1,…,n,针对每个GPS站点,求其速度投影的平行走向、法线方向分量值(pi,qi),其中pi=uisin(φi)+vicos(φi),qi=-uicos(φi)+visin(φi),i=1,…,n,这里的φi为断层走向与正北向逆时针夹角,走滑定义正值反映左旋走滑、负值为右旋走滑,张压规定正值为压性、负值为拉张变化。以准噶尔南缘断裂为中心断层,沿断裂截取200 km,向NEE、SWW两个方向扩至270 km,形成一个GPS剖面(图2红色虚线框),计算了三周期研究区域的断层滑动速率。

3 结果与分析

北天山东段构造区水平运动矢量图(图2)与应变率图(图3)显示:天山地壳整体运动方向为NNE,与NWW的断裂带接近正交;量值上看,准噶尔南缘断裂以北地壳平均运动速率小于南部天山造山带,盆地内部运动速率最小,约6.0 mm/a,2011—2013较2009—2011、2013—2015周期速率明显偏大,在天山南端库姆格列木断裂处达到最大值,12.0 mm/a,地壳运动速率由南向北递减;应变率场在NNE以主压应变为主,与各断裂走向接近正交,2011—2013周期变化显著增强,大小在(1～6)×10-8/a之间;NWW向张性应变显著,张性变化在准噶尔南缘逆断裂-褶皱带显示非常微弱,表明在南北地块夹击下,北天山东段在东西向物质逃逸较少,处于山体地壳缩短并转为山体隆升的垂直运动过程,地壳运动与应变率场强度在时间上表现为“弱-强-弱”的交替变化特征。

3.1 第一周期结果分析

北天山东段的地震孕育与发生主要由三个主要断裂来控制,分别是博罗科努断裂、亚马特断裂及准噶尔南缘断裂。而作为中天山与北天山的分界,博阿断裂是贯穿整个天山山脉东西方向、规模宏大的区域性特大断裂,是一条板块聚合的边界[9],其运动特点是由南向北逆冲。天山东段的GPS监测点主要集中于博阿断裂以南与准噶尔南缘断裂以北(图2),地壳总体运动方向为NNE(图2黑色箭头);天山整体运动速率均匀一致,平均约6.5 mm/a,但在准噶尔盆地内部(I333、I339)速率明显减弱,平均约3.5 mm/a,且方向转为NEE,这可能由天山山脉整体北推,盆地菱形块体发生东向侧移所致。准噶尔盆地南缘以NE-SW向的压应变、NW-SE向的张性应变特征存在(图3),压应变方向与博阿断裂走向成正交,南缘逆断裂-褶皱带约1.0×10-8/a,与王伟等[27]根据1999—2013年GPS速度场获得的10×10-9/a结果一致。而在呼图壁MS6.2地震地表发震断裂附近,显示主张应变特征,最大约4.0×10-8/a,呼图壁以东主压应变方向转为NNW-SSE,压性特征显著增强。面应变率在乌鲁木齐西南与沙湾附近显示强烈的挤压,最大约-5.0×10-8/a,呼图壁MS6.2地震地表发震断层位置位于从西向东、由正转负高梯度带的零值线上,最大面膨胀率位于发震断层地表附近,约2.0×10-8/a。E-W走向的包尔图断裂斜插博罗科努断裂,该区域从面应变率上形成正负交替四象限分布特征,四象限正负变化梯度带与北天山断裂带NWW走向一致。基于北天山准噶尔南缘断裂与博罗科努断裂间无GPS测点的考虑,可将三个断裂视为一个断裂带,以探讨北天山的滑动速率,图4(a)为平行于断裂走向的滑动速率,北天山构造带两侧右旋走滑特征明显,最大滑动速率(I362)(4.8±0.4) mm/a,平均(2.2±0.4) mm/a,与Campbell等[28]利用最新地质钻探资料通过光释光测年法获得的该处断裂带右旋走滑量(1.4～3.0) mm/a的结果一致。图4(b)为垂直于断裂走向的张压运动速率,北天山南北压性差异显著,准噶尔盆地内部无明显张压差异变化,向南压性速率继续增大,最大(I053)(5.2±1.0) mm/a,南北平均压性运动约2.6 mm/a,这与Burchfiel[29]估算的第四纪以来该断裂的平均缩短速率(2.0～6.0) mm/a接近。

图2 准噶尔盆地南缘及天山东段GPS水平运动矢量图(相对于欧亚板块,误差椭圆为95%置信度)Fig.2 Vector map of GPS horizontal motion in the southern margin of Junggar Basin and the eastern segment of Tianshan Mountains(Relative to the Eurasian Block,and the error ellipse is 95% confidence)

图3 北天山东段水平应变率(单位:1.0×10-8/a)Fig.3 The horizontal strain rate in the eastern segment of Northern Tianshan Mountains(Unit:1.0×10-8/a)

从2009—2011周期GPS计算应变率场结果看,自呼图壁MS6.2地震震中向其北方向至霍尔果斯—玛纳斯—吐谷鲁断裂带FD3处连线,将整体应变率场分割为东、西两部分,即主应变率在该分割线及其以西表现为NNE向主压应变,NWW主张应变;分割线以东,压性应变方向更偏向于东,NEE或近WE方向,而与其垂直的NNW则为更大的主压应变。空间上,图中86.40°～86.70°E,亚马特断裂与其北侧的准格尔南缘断裂在该位置出现走向转折,即两条断裂走向在该位置由西侧NWW转为东侧NEE。因此,呼图壁MS6.2地震震中至其地表发震断层位置的分割线几乎与两条断裂走向拐点位置重合。同时面膨胀率同样被划分为东、西两块,而在FD3地表发震断层附近达到最大值,约2.0×10-8/a(面膨胀),而其东、西两侧均为负值(面压缩),这一分布特征均指向此次地震在地表的发震位置,应引起对该发震区域的关注。而依据主应变结果,东、西两侧应力场存在差异,即东部的水平挤压作用或强于西部；方向上,最大压应力均垂向于各自南侧准葛尔南缘断裂。借助主压应力方向,亦可说明东、西两侧内部应力结构类型均表现为逆冲作用模式。

3.2 第二周期结果分析

与上期相比,本期GPS数据显示,除西南个别站点运动方向发生东向偏移外,其余站点基本向西扭转,运动速率整体增大,由南天山向北,速率与增量均递减,最大水平运动速率12.0 mm/a(I378),盆地内部相对稳定,平均约6.0 mm/a,表明本期天山东段整体运动增强。主应变率变化显著,有其特定的展布规律,区域整体主应变方向为N-S,量值差异较大,南小北大。博罗科努—亚马特断裂附近为NNW向的主压应力,最大约2.5×10-8/a,而在准噶尔南缘断裂至第三排逆断裂-褶皱带,表现为N-S向拉张,乌鲁木齐以西转为NNE,东西向挤压微弱,张性应变率最大值位于准噶尔南缘断裂东段,约4.0×10-8/a,这种张应变的变化特征与该区域挤压推覆的构造运动背景相反,可能与震前地壳内部的应力调整有关。在盆地内部,以主压应变特征存在,自西向东压应变方向由NNW转为NNE,最大主压应变率在昌吉北部,约7.0×10-8/a。面膨胀率髙值区位于乌鲁木齐东北、昌吉以南,最大约3.0×10-8/a,其次为经第二排准噶尔南缘逆断裂-褶皱带,过震中向南、向东沿亚马特、准噶尔南缘断裂返至乌鲁木齐南部,与主应变率结果一致,由此膨胀带向南、向北转为压缩,等值线与各断裂走向基本保持平行,北天山东端面应变率等值线与准噶尔南缘断裂、博罗科努断裂东段走向平行的展布特征尤为显著。与上期类似,本期面应变率在包尔图断裂与博罗科努断裂的交汇地同样存在正负交替的四象限分布,持续着其强烈的内部构造运动特征。北天山东段断裂走滑特征不明显(图4),平均压性速率为5.2 mm/a,与Burchfiel[29]估算的第四纪以来平均缩短速率(2.0～6.0) mm/a接近。

图4 北天山构造区东段GPS剖面运动速率结果Fig.4 Results of the movement rate from GPS profile in the eastern segment of Northern Tianshan Mountains

综上,本期NNE向位移速率整体增大,致使主压应变率场方向与GPS运动方向一致,特别是呼图壁MS6.2地震震中至其地表发震断层形成一条宽约45 km的过渡带,由面膨胀变为此次地震地表发震断层附近区域的面压缩。同时,过渡带内面应变等值线近平行于霍尔果斯—玛纳斯—吐谷鲁断裂带,主应变率在过渡带内完成了由南向北、由NS主张应变向主压应变的转换。因此,该过渡带亦是一个在本次地震中从南向北、由张至压的高梯度带,表明在2016年呼图壁MS6.2地震前的几年中,NS向主应变在该过渡带及其南、北区域的“张-压”转换,存在过渡带内部发震断层的逆冲特性。

3.3 第三周期结果分析

本期(图2红色标记)地壳活动强度回落至2009—2011水平,整体偏弱,最大约7.0 mm/a(I029),北天山东段南、北无显著差异运动。主应变率[图3(c)]在准噶尔盆地南缘地区以主压应变形式存在,最大主压应变率位于沙湾与昌吉地区,达3.0×10-8/a,盆地内部主应变率减小至(1.0～2.0)×10-8/a。面应变率显示了以呼图壁MS6.2地震地表发震断层附近为中心的正、负交替四象限分布特征。面应变率高值区位于包尔图断裂与博罗科努断裂的交汇处,以此为中心向北至第一排逆断裂-褶皱带,形成平行于断裂走向的面膨胀率等值线,准噶尔南缘断裂位于面应变率的零值梯度带上。北天山东段构造带右旋走滑特征增强[图4(a)],最大(I056)达(3.8±1.0) mm/a,平均走滑速率(3.0±1.0) mm/a,略大于李杰等[1]利用GPS速度场分解法计算得到的(1.5～1.8) mm/a。在垂直于断裂走向上[图4(b)],相对盆地最远点,北天山构造区持续了其较强的压性运动特征,最大速率(I056)(9.4±0.7) mm/a,平均挤压速率(5.2±0.8) mm/a,这同样与李杰等[1]计算得到的(5.6±1.0) mm/a、Burchfiel[29]估算的平均缩短速率(2.0～6.0) mm/a接近。

本期该研究区域NNE向位移速率整体减弱,致使主应变率场弱化,空间上表现为呼图壁MS6.2地震地表发震断层位置以东的NNE向主压应变较上周期明显减弱。从三期应变率场计算结果看,其近NS向主压应力场的特性从未改变。此外,以震中至北侧FD3发震断层为中心的面应变率等值线四象限分布是一个由正转负、由张变压的表现特征,与祝意青等[30]在分析重力等值线时,四象限中心及高密度梯度带具有高概率发生强震的指示作用类似。回顾图3,2009—2011与2013—2015两期数据中,发震断层位置基本位于面应变率等值线由正转负的四象限中心区域,而2011—2013周期显示的发震断层处,则位于面应变率等值线由张转压的高密度梯度带内。因此,面应变率等值线“正-负”转换的四象限中心及高密度梯度带内等空间分布特征对强震发生地点的预测值得思考与总结。

4 讨论

与北天山东段构造区应变率场特征相关的研究成果较少,王晓强等[24]解算并分析了天山地区的整体地壳应变特征,王伟等[27]运用GPS数据分析了天山现今地壳应变率场,但其使用数据较旧、研究范围广,对北天山东段博阿断裂至准噶尔盆地南缘造山带的运动特征介绍不多,因此,本文在应变率场的分析上,与前人利用同类资料对该区域的研究结果相互印证不足,但利用相同GPS数据所计算北天山东段构造带的滑动速率与以往研究成果对应较好,反映了该区域继承性的地壳运动特征。

2011—2013周期主应变率在准噶尔南缘断裂至第三排逆断裂-褶皱带表现为N-S向拉张现象,这种张应变的变化特征与该区域2009—2011、2013—2015及其压性的构造运动背景相反,该“主压-主张-主压”的应变演化特征,可能是2016年呼图壁MS6.2地震前区域地壳的应变调整过程。类似这种由于挤压逆冲背景而导致地表隆起、造山的构造区是否在地震前普遍存在“压-张-压”的特征变化过程,还需我们继续给予关注。为了更深入地认识该区域应变率场的演化特征与呼图壁MS6.2地震“孕育-发生”的内部联系,我们进一步计算了三个周期的最大剪应变率(图5)。三张最大剪应变率等值线图均集中出现高值区,前两期出现在第二与第三排逆断裂-褶皱带之间,二者最大剪应变率约6.70×10-8/a,相对于2009—2011,2011—2013周期高值区发生向西移动,江在森等[31]指出,大部分6级地震发生在剪应变率(最大剪应变率)的高值区或边缘区,而呼图壁MS6.2地震的发震断层位置则位于两期最大剪应变率高值区边缘,发震时间相对第二周期推后3年,这期间2013—2015的高值区向南移至焉耆盆地西北部,北天山东段的最大剪应变率则骤减至1.70×10-8/a,降幅约5.0×10-8/a,这种最大剪应变率在时间与空间上的演化过程与强震间的对应关系有待我们在今后的研究中继续探讨。

图5 北天山构造区东段最大剪应变率分布Fig.5 Maximum shear strain rate in the eastern segment of Northern Tianshan Mountains

在借助GPS形变资料探讨北天山东段应变率场及呼图壁MS6.2地震的过程中,注意到了GPS应变率场与构造带在空间展布上的相互位置关系,以及面应变率等值线特征对此次呼图壁MS6.2地震在地表发震位置的指示作用。从第一期数据结果看,呼图壁MS6.2地震震中至其地表发震断层位置的分割线几乎与两条断裂走向的拐点重合,同时面膨胀率在该位置也被划分为东、西两块,表明GPS形变结果客观反映了区域构造特征,而面应变率在象限分割点附近达到最大值(约2.0×10-8/a,面膨胀)、其东西两侧均为负值(面压缩),这一分布特征均指向此次地震在地表的发震位置,从而引起了对该发震区域的关注;第二期结果直接以自南向北、面应变率由正转负过渡带的形式,较为准确地套合了祝意青等[30]重力场等值线高梯度带概念在该区域的覆盖,过渡带内面应变率等值线平行于霍尔果斯—玛纳斯—吐谷鲁断裂带,而后面的呼图壁MS6.2地震震中及地表发震位置即落于该高密度梯度带内,基于该应变率场等值线与断裂展布的相互位置关系,回看第一期数据,其震中至其地表发震断层位置的分割位置同样是面应变率场自东向西、由正转负的梯度转换带,不同的是第一期面应变率等值线密度较低,未形成高密度梯度带,但其位置仍位于象限间的转换带内部;震前最后一期数据虽在量值上较第二周期大幅减小,但从面应变率等值线分布特征上看,天山以北仍形成了以霍尔果斯—玛纳斯—吐谷鲁断裂带为横轴的四象限图,此次震中至其地表发震位置的连线通过象限中心,地表发震断层区域亦位于由东向西、由负变正的梯度带内。因此,通过探讨面应变率等值线分布与区域构造断裂的相互位置,三周期面应变率等值线均形成“正-负”交替的四象限图,且其横轴与准噶尔南缘断裂、霍尔果斯—玛纳斯—吐谷鲁断裂带等走向接近平行,而地表发震位置则均落于正、负象限交替的过渡带内。诸上特征可能是地震孕育过程中利用GPS资料观测到的形变前兆,其能否成为强震的中期前兆信息需待更多震例的计算与验证。

此外,主应变率结果在分析地壳内部运动特征时,相对面应变率与最大剪应变率等物理量,更适用于在块体运动方向与性质上给出解释。此次呼图壁MS6.2地震三期主应变率结果虽应变率值差异较大,但在作用方向上均显示了北天山至霍尔果斯—玛纳斯—吐谷鲁较新活动构造的压性运动特征,表明其内部应力结构表现为逆冲作用模式。

具体到此次呼图壁MS6.2地震的发震断层位置,由于此次地震并未发生明显的地表破裂,导致先前的研究在关于此次地震地表发震断层的具体位置时仍未统一。整体上看此次地震震中位于北天山与准噶尔盆地交界区“逆断裂-褶皱带”的南边缘,构造上属于乌鲁木齐山前坳陷南缘,内部发育有巨厚的中、新生代地层,形成具有薄皮构造的三排逆冲褶皱带,而此次地震震中则位于该褶皱带的南边缘(图1),而震中位置是地震破裂点在地表的投影,据Lu等[22]研究,此次地震发震断层倾角可能为低角度逆断层,并通过人工地震反射剖面精细解析,认为此次地震的发震断层与霍尔果斯—玛纳斯—呼图壁断裂密切相关,自上述“逆断裂-褶皱带”南边缘向北延伸,即霍尔果斯—玛纳斯—吐谷鲁断裂带FD2至FD3附近;而杨文等[19]研究显示,以FD3向南侧地壳内部引入的一条低角度逆冲断裂,控制着自1970年以来ML>4.0的地震,此次地震主震及较大余震均位于该断裂附近,表明此次地震的发震断裂很可能位于震中向北的霍尔果斯—玛纳斯—吐谷鲁断裂带FD2至FD3附近。此外,先前一些研究[18-20,22]在发震断层的倾向上存在着北倾、南倾相反的意见。本研究从GPS水平运动速度场角度看,其NNE的北向运动结合此次地震震源机制解显示的逆冲性质,判断此次发震断层应该是一条逆冲南倾断层。

5 结论

利用2009—2015三期GPS数据,获取了北天山东段构造带高分辨率应变率场的动态变化处理结果,分析了区域应变率场的时-空动态演化特征,重新认识了北天山东段构造区的现今活动特征,探讨了应变率场三个周期空间分布特征与2016年呼图壁6.2级地震的内部联系,并初步获得了如下几点认识:

(1) 三期区域地壳运动速率与应变率场强度在时间上表现为“弱-强-弱”的交替变化特征;以NNW或NNE向的主压应变为主,与各断裂走向接近正交,2011—2013周期变化显著增强,约在(1～6)×10-8/a,自南向北、自西向东逐渐增大,盆地南缘与北天山压应变差异较大,一、三周期N-S向主压应变较小,约(1～2)×10-8/a;三期滑动速率显示北天山东段呈“强-弱-强”的右旋走滑特征,垂直于断裂走向显示了持续的压性运动,三期平均运动速率约(2.6～7.0) mm/a。北天山东段构造带整体继承了该区域N-S向压性的运动特征。

(2) 面应变率等值线在空间上的分布特征与区域地质构造活动具备一定的对应关系,在本研究结果中,2016年呼图壁6.2级地震的地表发震位置,或位于面应变率等值线图的四象限中心附近,或落于正、负转换区域的高梯度带上,由此,地震可能更易发生在面应变率场等值线四象限中心或正、负过渡区的高密度梯度带内部,这可能是地震孕育过程中利用GPS资料观测到的形变前兆。此外,三期面应变率结果均显示,四象限图横轴方向与区域构造断裂走向的平行关系,似乎是构造运动前夕面应变率场等值线分布的又一特征(仍待更多震例验证)。

(3) 三期最大剪应变率等值线均集中出现高值区,前两期出现在准噶尔盆地南缘,尤其在第二与第三排逆断裂-褶皱带之间(此次地震在地表的发震区域),相对于第一周期,2011—2013周期高值区发生向西移动,而呼图壁MS6.2地震在地表的发震位置即位于两期最大剪应变率高值区边缘,发震时间相对第二周期推后3年,这种最大剪应变率在时间与空间上分布特征,再次印证了“大部分6级地震发生在剪应变率(最大剪应变率)的高值区或边缘区”。

(4) 主应变率结果在分析地壳内部运动特征时,相对面应变率与最大剪应变率等物理量更适用于在块体运动方向与性质上给出解释。