2020, Vol. 36
阿尔金断裂是青藏高原的北边界(图 1)，总长达1200km，积累滑移量达上百千米(Cowgill et al，2003；Ritts et al，2000)。其滑动速率虽存在争议，但普遍认为西段与中段的滑动速率达到或超过10mm/a。深部探测资料表明断裂带可能切割整个岩石圈(Wittlinger et al，1998；史大年等，2007)。阿尔金断裂控制着青藏高原北部的几何学特征和基本的构造格架，在青藏高原隆升演化和现今构造变形过程中均起到重要作用。对其进行研究是解决青藏高原隆升演化和动力学问题的关键之一。
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图 1 阿尔金断裂及其周边构造环境 |
迄今为止，人们对大陆岩石圈的变形方式及其流变学结构这一大陆动力学基本问题的争论从未停止。众多理论和假说大致分为两类：第一类认为大陆岩石圈的变形与海洋板块没有本质区别，均是以刚性块体的相对运动为主，变形主要集中在断裂带附近；第二类则认为变形在大陆内部广泛存在，并非仅在断裂带附近集中。两类模型对阿尔金断裂活动速率的预测存在较大分歧，其滑动速率的大小也成为判定大陆动力学模型合理性的重要定量依据之一。因此前人开展大量研究工作，利用大地测量、古地震和地质学方法估计了阿尔金断裂各个段落的滑动速率。遗憾的是，由于不同研究结果之间存在较大差异，人们至今未能对阿尔金断裂的走滑速率以至大陆变形模式达成共识。本文搜集整理了迄今为止绝大部分有关阿尔金断裂滑动速率的研究成果，试图通过对这些结果的分析比较，获取有关断裂滑动速率的新认识。
1 由大地测量方法得到的错动速率前人应用GPS、InSAR以及水准观测资料得到了阿尔金断裂不同段落的错动速率。相对而言，3种测量方法各有其优缺点。从测量精度来看，GPS数据所得到的形变场在水平方向上的精度较高，而水准观测则在垂向上具有较高的精度；从观测成本来看，水准的观测成本最高，其覆盖范围和复测频次均十分有限，InSAR的观测成本最低，数据也最容易获取，因此近年来基于InSAR数据开展的形变提取和研究工作发展迅猛；从数据的覆盖范围来看，InSAR数据的覆盖范围最广，且能够获得连续形变场，但其观测精度受观测区域的地形、地貌条件等影响较大，而GPS观测只能获得单点形变信息，近年来GPS台站的密度越来越大，但依然受当地自然环境和地质条件的制约，水准观测点均沿剖面呈线状分布，且为剖面内的相对形变，覆盖范围最小；从数据的时间长度来看，水准观测出现的时间最早，其次是GPS，最后是InSAR，近年来则以GPS和InSAR观测为主；从数据可靠性的角度来看，截至目前仍然是GPS数据的结果最为准确，尤以GPS连续台站的观测结果精度最高，InSAR和水准观测则为形变场模型提供了重要约束，尤其是在缺少GPS数据的区域。
Zhang等(2007)在约84°E处得到 < 20mm/a的左旋走滑速率；Elliott等(2008)和Zhu等(2016)分别采用InSAR技术得到85°E处的滑动速率为(11±5)mm/a和(8±0.7)mm/a；He等(2013)利用约86°E附近的GPS剖面资料估计该段错动速率为(9±4)mm/a；李煜航等(2015)给出的84°E~86°E区间内的滑动速率为(7.8±0.2)mm/a；Xu等(2019)利用InSAR数据得到83°E~86°E区间内5.3~7.4mm/a的滑动速率，相较该地区其他结果明显偏低。
Bendick等(2000)、Shen等(2001)、尹光华等(2002)和Wallace等(2004)均利用GPS观测资料估计阿尔金断裂中段左旋滑动速率约为9mm/a；Peltzer等(2006)采用InSAR技术得到90°E处的滑动速率为(18±5)mm/a，较其他结果明显偏高；而王琪等(2001)和Zhang等(2004)利用GPS资料得到(5.1±2.5)mm/a和(5.6±1.6)mm/a的结果，则相对偏低，且与Zhang等(2007)在同一段落得到的结果((11.9±3.3)mm/a)存在明显差异。
Chen等(2000)利用布设在青藏高原东部的GPS观测站，获得了阿尔金断裂东段的左旋滑动速率为10mm/a，缩短速率小于5mm/a，为该地区错动速率估计结果的上限；Liu等(2018)利用InSAR数据得到东段滑动速率为(6.4±1.6)mm/a；Jolivet等(2008)和Zhang等(2007)分别采用InSAR和GPS技术得到阿尔金断裂94°E处的滑动速率为8~10mm/a和(8.8±2.3)mm/a；Zhang等(2004)利用约95°E处的GPS速度剖面得到(5.0±2.0)mm/a的滑动速率；Zhang等(2007)在约96°E处得到(3.9±2.3)mm/a的走滑速率。
Xiong等(2003)以GPS数据为约束，利用有限薄板模型估计了阿尔金断裂整体(7.4±1)mm/a的左旋走滑速率；Gan等(2007)利用弹性半空间位错模型拟合得到阿尔金断裂的左旋走滑速率自西向东由15.9mm/a左右逐渐衰减至1.6mm/a左右；Li等(2018)则通过反演最新GPS速度场结果揭示其滑动速率自12mm/a左右逐渐递减至2mm/a左右；李煜航等(2015)给出的反演结果整体偏低，84°E~86°E、87°E~91°E、93°E~96°E和96°E~97°E段的滑动速率由(7.8±0.2)mm/a经(7.5±0.1)mm/a、5.3~5.5mm/a逐渐递减至(1.0±0.4)mm/a。
从以上研究结果来看，目前阿尔金断裂西段(约86°E以西)的GPS数据较少，但近年来InSAR数据为该地区的地壳形变提供了宝贵信息，现有结果大多支持该段具有8~12mm/a的错动速率。相比之下，阿尔金断裂中段的GPS观测历史更长，台站数量相对较多，相关研究成果也更丰富，但采样点均集中于90°E附近，所得结果的分歧也较大。其中，Bendick等(2000)、尹光华等(2002)、Wallace等(2004)以及王琪等(2001)所用资料来源基本一致，前三者所得结果基本一致，而后者所得结果明显偏小；Shen等(2001)所用数据观测时间更长、台站更多，其估计值与Bendick等(2000)的结果一致，误差更小；Zhang等(2004)和Zhang等(2007)选取了更少的台站数据，分别得到比上述结果偏低和偏高的估计；Gan等(2007)在所有GPS结果中得到了最高的估值，但其所用模型较为粗糙，能够有效约束模型的数据较少，且其模型预测值与实际观测存在较大偏差，因而其结果的可靠程度也最低。综上所述，阿尔金断裂中段错动速率较为可靠的估计应为(9±2)mm/a。阿尔金断裂东段大地测量资料的分布相对较为分散，对断裂错动速率的估计表现出较为明显的由西向东递减的趋势。阿尔金断裂整体亦呈现出自西向东递减的趋势，Li等(2018)对整个阿尔金断裂错动速率变化情况的反演结果与其他结果具有较高的一致性。
2 由古地震研究得到的错动速率Washburn等(2001)利用保存良好的地震破裂遗迹揭示了阿尔金断裂中段最新地震事件的2种可能，即发生在距今(680±108)a以来的单次破裂长度超过240km的地震以及分别发生在距今(518±268)年和距今(650±80)a的2次破裂长度均超过150km的地震。Washburn等(2003)通过重新分析上述资料认为前者的可能性很小，并进一步推测公元1215~1775年间发生了一系列大地震，并分别在乌尊硝、平顶山和索尔库里产生了最大约5m和约7m的位错，破裂长度均在50km以上，对应震级均超过7级，揭示了过去几千年中的平均滑动速率约为10mm/a。徐锡伟等(2007)利用位于半果巴的探槽揭示了若干古地震事件，其中最新一次地震应发生在距今(420±87)a，假定地震属特征地震，每一次震级大小或错动量基本一致，则复发间隔平均为550a，并由古地震事件序列及同震位移量推测该地点断层的左旋滑动速率为(13.1±1.5)mm/a。Washburn等(2003)对阿尔金断裂中段错动速率的估计结果与大地测量结果有较好的一致性；而徐锡伟等(2007)对阿尔金断裂东段错动速率的估计则明显高于大地测量的估计值。进一步分析徐锡伟等(2007)的研究结果，若其假设成立且考虑测年结果的误差，则地震复发间隔平均为498~626a，相应的断裂错动速率应为(11.2±1.6)~(14.1±2.0)mm/a；若假设不成立，其测量得到的(7±1)m的同震位移量实为最新一次地震事件的同震位移，以最新2次地震的时间间隔计算断裂错动速率(倒数第二次地震的发生时间为距今(997±60)~(1090±88)a之间)则应为(8.3±1.2)~(16.3±2.4)mm/a。由此可见，在千年时间尺度上，其观测数据支持断裂错动速率出现在一个相对较为宽泛的范围内，而准确错动速率的估计则依赖于更为精确的测年结果。
3 由地质学方法得到的错动速率Peltzer等(1989)利用SPOT卫星图像推测大部分阿尔金断裂自全新世以来的滑移速率为20~30mm/a；Yue等(2001)根据地质考察结果确定阿尔金断裂东段和中段新生代平均滑移速率为12~16mm/a；徐锡伟等(2003)得到阿尔金断裂在约85°E、86.5°E、94.5°E、94.8°E、94.83°E、96.4°E、96.6°E和96.9°E处的滑动速率分别为(16.1±1.1)mm/a、(19±4)mm/a、(16.4±2.0)mm/a、(17.3±2.5)mm/a、(11.0±3.5)mm/a、(5.5±1.7)mm/a、(4.2±1.0)mm/a和(2.2±0.3)mm/a；Mériaux等(2004)得到阿尔金断裂车臣河点(约86.4°E)和苏拉姆塔格点(约87.4°E)过去6~113ka的走滑速率为(25.9±1.6)mm/a和(32.6±2.8)mm/a；Mériaux等(2005)得到该断裂约94.4°E处的走滑速率约为(17.8±3.6)mm/a；徐锡伟等(2007)根据阶地分界坎左旋位移及其低一级阶地的形成年龄，获得半果巴观测点左旋滑动速率为(13.5±2.5)mm/a；Mériaux等(2012)得到约90.5°E处的走滑速率约为(13.9±1.1)mm/a；Chen等(2012)利用河流阶地位错和测年给出阿尔金断裂Aksay段(约94.3°E处)6ka BP以来平均滑动速率为(12±1)mm/a；Cheng等(2015)通过柴达木盆地87°E~91°E范围内中生代至新生代地层采样的对比分析，得到阿尔金断裂晚中新世以来平均滑动速率约为12.6mm/a。
另一批学者则得到相对较低的滑动速率。国家地震局《阿尔金活动断裂带》课题组(1992)根据地质填图和水平错断地貌特征的14 C测年结果，得到第四纪滑动速率变化范围为1~10mm/a，且大部分段落滑动速率低于7mm/a；Meyer等(1996)利用冰后期位错得到断裂最东段约96°E以东的滑动速率为(4±2)mm/a；向宏发等(2000)根据航片、卫片分析和地质考察结果推算断裂东段滑移速率平均值约为6mm/a；Yin等(2002)得到阿尔金断裂50MaBP以来的左旋走滑速率为(9±2)mm/a；Yue等(2003)依据索尔库里附近岩浆岩和变质岩的位错推测阿尔金断裂中东段16Ma BP以来的左旋走滑速率不超过10mm/a；王峰等(2003)根据疏勒河口以西典型断错地貌点的地貌观测和年代学研究，得到石堡城-疏勒河段自20ka BP和50ka BP以来的滑动速率分别为3.4~6.0mm/a和3.4~4.8mm/a；王峰等(2004a)用阶地测量方法获得中段(88°30′E~93°05′E)全新世以来的水平滑动速率为7~11mm/a；王峰等(2004b)通过分析高精度SPOT卫星影像，结合野外考察和年代学研究的滑移速率，得到断裂西段全新世以来平均滑动速率约为(11.4±2.5)mm/a；Cowgill(2007)获得中段车臣河附近(87°E)的滑动速率为(9.4±2.3)mm/a；Cowgill等(2009)得到约马克其附近(88.51°E，38.19°N)过去4~6ka的平均滑动速率为9~14mm/a；Gold等(2009)得到吐孜敦段(86.72° E，37.73°N)千年尺度的滑动速率为(9.0±1.3)~(15.5±1.7)mm/a；Gold等(2011)通过测量河流阶地位错和相应年龄给出阿尔金断裂中段85°E~90°E范围内的走滑速率大约在8~12mm/a。
地质学主要通过测量河流阶地等地貌标志物的位错量及其相应年龄对断裂错动速率进行估计。由于地貌还受到气候或人为等其他因素的改造，地貌标志物的位错量和年龄均无法准确测量，而需结合当地具体的地貌和气候等多方面因素重建地貌改造的历史，并在合理的假设条件下获取位错量和年龄的近似值。以最常见的利用河流阶地位错和年龄估计断裂错动速率的方法为例，Cowgill(2007)总结发现前人分别基于阶地发生位错后遭受完全侵蚀和未遭受侵蚀2种极端假设，以低一级和高一级阶地的年龄近似估计阶地发生位错的年龄，并提出6种可供进一步判断何种假设更为合理的地貌学依据；此外，根据阿尔金断裂带车臣河点(约86.4°E)的地貌学特征，指出位错发生的实际年龄应与高一级阶地的年龄、而非Mériaux等(2004)所选取的低一级阶地的年龄更为接近，并对其测量结果进行重新解释，得到该点滑动速率为(9.4±2.3)mm/a。
Zhang等(2007)则进一步提出由于阿尔金断裂带两侧显著的地貌差异，左旋位错发生后位于断裂北侧河流上游的高山峡谷对河流下游东岸的阶地形成了保护，而对下游西岸的阶地则造成侵蚀，因此对于下游东岸而言位错实际发生时间应更接近高一级阶地的年龄，而对下游西岸而言则反之；并据此对Xu等(2005)在约85°E、86.5°E、94.5°E、94.8°E、94.83° E、96.4°E、96.6°E和96.9°E处的结果重新估算，得到各处的滑动速率分别为(10.0±2.1)mm/a、(7.5±2.9)mm/a、(10.0±2.5)mm/a、(7.2±1.2)mm/a、< 10mm/a、(4±2)mm/a、(1.4±0.4)mm/a和< 2.2mm/a；对Mériaux等(2004)在臣河点(约86.4°E)的测量结果的重新解释则给出(10.0±2.4)mm/a的滑动速率；同时对Mériaux等(2005)在老阿克塞点(约94.4°E)的测量结果提出质疑。此外，徐锡伟等(2007)亦采纳了低一级阶地的年龄作为河流阶地位错发生的时间，其结果应为断裂错动速率的上限，但并未详述采样点位置，因此无法进一步根据其测量结果对断裂错动速率做出准确估计。而Yue等(2001)和Peltzer等(1989)对位错量和位错发生时间的估计均存在较大误差，其结果的可信度相对较低。由此可见，迄今为止地质学的研究结果均支持阿尔金断裂具有较低的滑动速率，且总体上不高于12mm/a。另一方面，国家地震局《阿尔活动断裂带》课题组(1992)得到的滑动速率相比于其他结果普遍偏低(< 7mm/a)，但其仅列出了各采样点的位错量和样品年龄的数值，无从判断其结果的可信程度。除此之外，前人研究成果均支持阿尔金断裂在约93°E以西具有高于7mm/a的滑动速率。
4 结论和讨论通过对前人研究成果的总结和分析发现，大地测量结果普遍认为阿尔金断裂西段和中段分别具有8~12mm/a和(9±2)mm/a的左旋走滑速率，而东段表现出较为明显的自西向东递减的趋势；古地震研究结果亦支持断裂中段具有约10mm/a的滑动速率；地质学结果则支持阿尔金断裂中西段具有7~12mm/a的滑动速率，而东段滑动速率自西向东递减。
实际上，断裂并非以某一基本稳定的“滑动速率”持续发生位错，从数个地震周期的时间尺度来看，断裂带上持续发生构造应变的加载和瞬态的应变释放。“滑动速率”的概念反映的是断裂的长期平均构造变形加载/释放情况。地质学和古地震方法均是在构造形变加载基本保持匀速且在一定时间尺度内构造变形的加载总量和释放总量基本平衡的假设下，利用地震破裂造成的应变释放量反推断裂长期构造加载速率；大地测量方法则是在构造形变加载基本保持匀速且忽略地震引起的岩石圈黏弹性效应的假设条件下，利用现今地壳应变率外推断裂长期构造加载速率。部分学者指出，由于受到震后滑移和弛豫形变等因素的影响，以大地测量数据为约束采用弹性模型估算得到的断裂错动速率可能与断裂长期平均错动速率存在偏差。Hilley等(2009)在考虑断层震间锁定和震后驰豫形变的情况下，改变模型参量，拟合地表形变场，发现在介质黏性系数很低的情况下，采用弹性模型估算的结果与断裂长期平均滑动速率的差异至多可达5mm/a。因此，本文中讨论的不同方法获得的“滑动速率”的差异及其随时间的变化均指断裂上跨地震周期的构造应变加载速率。利用大地测量方法、古地震方法和地质学方法所得到的结果分别代表了阿尔金断裂在几十年、千年和万年以上时间尺度上的应变加载速率。Gold等(2017)通过16ka BP以来古破裂历史重建，发现其长期平均滑动速率为7.2~9.3mm/a，6.4ka BP以来的平均滑动为10.5~12.7mm/a，而距今6.4~6.0ka存在一个短暂的滑动速率约23mm/a的快速滑动期，推测可能是由一次大震或地震丛集导致的同震位错和震后黏弹性弛豫形变。考虑到构造加载速率和应力降的估算结果，显示阿尔金断裂中段的构造加载和释放速率存在某种程度的解耦，因此用古位移代表的构造应变释放反推断裂构造加载速率需格外谨慎，即便阿尔金断裂中段构造加载速率随时间发生变化，变化幅度亦十分有限，更长时间的破裂历史和更高精度的观测将为这一问题提供更为可靠的结论。
在空间上，断裂东段呈现出较为明显的自西向东递减的趋势，断裂错动速率自约93°E处的7~11mm/a逐渐减少至约97°E处的1~4mm/a；断裂中西段似乎也呈现出一定程度自西向东递减的趋势，断裂错动速率自约85°E处的8~13mm/a逐渐递减至约93°E处的7~11mm/a(图 2)。断裂错动速率自西向东递减的趋势反映了与其相交的一系列NWW向断裂的逆冲活动，其中断裂东段滑动速率递减的趋势较为明显，但由于现有结果存在一定离散度，断裂中西段是否存在滑动速率递减的趋势并不确定，可结合与其相交断层的活动情况做判断，并进一步缩小阿尔金断裂各段滑动速率的可能范围。考虑到该地区交通不便、自然环境恶劣，GPS台站的建设和流动观测均十分困难，现有的GPS台站，尤其是GPS连续台站主要集中在3条跨断裂剖面上，更多跨断裂GPS连续台站的建立将为阿尔金断裂滑动速率的空间变化及其估算结果提供更为可靠的约束；若能利用更大时间跨度的多景InSAR数据，亦能为阿尔金断裂地区形变场的空间分布特征提供有利约束。
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图 2 阿尔金断裂滑动速率部分研究结果 圆圈表示断层错动速率的估计值；竖线表示误差范围；横线表示观测点采样范围；箭头表示未估计下限；虚线表示未估计误差的结果 |
综上所述，迄今为止的研究结果均支持阿尔金断裂中西段具有(10±3)mm/a的滑动速率，且自约93°E向东逐渐衰减。上述两类关于大陆岩石圈变形机制的极端模型(连续形变和大尺度刚性块体运动模型)分别预测阿尔金断裂的活动速率不超过10mm/a(England et al，2005)或20~30mm/a(van der Woerd et al，2002；Tapponnier et al，2001)。现有研究结果不支持大尺度刚性块体运动模型的推论，为大陆动力学模型提供了有力约束，也为阿尔金断裂的形变和地震危险性等相关研究提供了最基本的依据。
致谢: 感谢北京大学沈正康教授和中国地震局地质研究所张培震院士在论文写作过程中给予的宝贵指导意见。
国家地震局《阿尔金活动断裂带》课题组, 1992, 阿尔金活动断裂带, 北京: 地震出版社.
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