山西斷陷帶的近期位移和應(yīng)變率特征＊

郭良遷 占 偉 楊國華 薄萬舉

(中國地震局第一監(jiān)測中心,天津 300180)

山西斷陷帶的近期位移和應(yīng)變率特征＊

郭良遷 占 偉 楊國華 薄萬舉

(中國地震局第一監(jiān)測中心,天津 300180)

根據(jù)山西 GPS局域網(wǎng)觀測資料計(jì)算的應(yīng)變位移場和主應(yīng)變率結(jié)果,研究山西斷陷帶內(nèi)各個盆地的小尺度形變和應(yīng)變,以及山西斷陷帶的整體變化。同時利用網(wǎng)絡(luò)工程區(qū)域網(wǎng)的觀測資料計(jì)算了在鄂爾多斯塊體和太行山塊體相互作用下,山西斷陷帶上產(chǎn)生的差異活動和應(yīng)變率,這是空間大尺度的變化。不同尺度的應(yīng)變場和位移場存在著顯著差別,它們在地震預(yù)測分析中的含義也不同。中小地震分布的隨機(jī)性較大,與空間小尺度的形變應(yīng)變有關(guān)聯(lián),大震主要發(fā)生在塊體邊界帶上,與塊體的整體運(yùn)動有關(guān),所以,空間小尺度的形變應(yīng)變場是評估中小地震活動的依據(jù),塊體間的運(yùn)動和應(yīng)變場是評估大震活動的依據(jù)。2006—2009年的應(yīng)變顯示,大同盆地和忻代盆地“南壓北張”,太原盆地主應(yīng)變率“內(nèi)小外大”,臨汾盆地“北壓南張”。各個盆地的水平運(yùn)動都具有張扭或壓扭特征。大尺度變化說明山西斷陷帶存在一定的應(yīng)變積累。

山西帶;水平運(yùn)動;主應(yīng)變率;空間尺度差異;運(yùn)動與應(yīng)變

1 引言

山西斷陷帶由一系列盆地組成,呈北北東向分布,是新生代發(fā)展形成的活動構(gòu)造[1]。它是華北地區(qū)的主要構(gòu)造活動帶之一,在華北地區(qū)歷史上大震活躍期(1022—1305年和 1501—1696年)中發(fā)生過多次大震 (洪洞 8級,1303-09-25,華縣級,1556-02-02,以及多次 7級地震)[2,3]。1816年至今山西斷陷帶未發(fā)生Ms≥7的地震,近 200年間大震活動相對平靜。2009-07—2010-01臨汾臺的水準(zhǔn)測線兩次出現(xiàn)大幅度變化,引起了地震工作者的注意。地形變是地震預(yù)測研究的基礎(chǔ)依據(jù)之一,也是研究現(xiàn)在地殼構(gòu)造活動的主要方法。山西斷陷帶是現(xiàn)代活動塊體的分界帶,活動性相對較強(qiáng),仍是地學(xué)工作者研究的地區(qū)之一。已有專家用 GPS觀測、跨斷層測量和水準(zhǔn)觀測的資料對山西斷陷帶的現(xiàn)代活動性進(jìn)行了研究[4,5]。本文旨在根據(jù)山西局域網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)工程區(qū)域網(wǎng)最近施測的 GPS資料,研究山西斷陷帶近期的變化特征,為評估地震危險性提供參考依據(jù)。

本次處理的山西局域網(wǎng)包括了新建的跨山西斷陷帶的山陰剖面、介休剖面和臨汾剖面的 GPS觀測資料(圖 1),用以研究山西斷陷帶整體和各個盆地的位移及應(yīng)變率,同時利用網(wǎng)絡(luò)工程區(qū)域網(wǎng)的資料研究鄂爾多斯和太行山兩個塊體相互作用在山西斷陷帶上產(chǎn)生差異活動和應(yīng)變率。

2 盆地形變應(yīng)變場

根據(jù)各個盆地分布的 GPS站點(diǎn)的觀測資料,分別計(jì)算了各盆地的位移場和應(yīng)變場,它反映了山西斷陷帶局部盆地地段的形變和應(yīng)變狀態(tài)。本文所述的位移場是由應(yīng)變產(chǎn)生的位移,它分別以各個盆地地塊中心為參考基準(zhǔn),位移矢量顯示了盆地各部分相對于盆地中心的運(yùn)動。在水平應(yīng)變場中,最小主應(yīng)變一般為壓性(本文稱為主壓應(yīng)變),和主壓應(yīng)力對應(yīng);最大主應(yīng)變一般為張性 (本文稱為主張應(yīng)變),和主張應(yīng)力對應(yīng);主壓應(yīng)變軸的方向與主壓應(yīng)力軸方向一致,主張應(yīng)變軸方向與主張應(yīng)力軸方向一致。相對應(yīng)的應(yīng)變和應(yīng)力大小分別成比例。

大同盆地整體主壓應(yīng)變方向?yàn)楸睎| 52.9°,主壓應(yīng)變率是 -3.15×10-9/a,主張應(yīng)變率為 13.17 ×10-9/a,拉張起主導(dǎo)作用。

圖 1 山西斷陷帶 GPS站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of GPS stations in the Shanxi rift zone

圖 2表明,大同盆地的東部張應(yīng)變率明顯大于壓應(yīng)變率,南北向的拉張作用較強(qiáng)。大同盆地西南部以近南北向的擠壓為主,和其相垂直的東西向張應(yīng)變率較小。盆地中部的山陰、懷仁地區(qū)主應(yīng)變率較小,應(yīng)變不顯著。應(yīng)變場反映出大同盆地東部南北向以主張應(yīng)力作用為主,西南部近南北向以主壓應(yīng)力作用為主。北北東向口泉斷裂西北側(cè)主應(yīng)變率相對較大,東南側(cè)較小;北東向六棱山北麓斷裂和恒山北麓斷裂的北西側(cè)主應(yīng)變率相對較小,東南側(cè)相對較大。它們在一定程度上控制著應(yīng)變分區(qū)。

大同盆地中部運(yùn)動速度最小,周邊速度相對較大(圖 3)。盆地南北兩部分向北運(yùn)動,北部運(yùn)動速度大于南部,東西兩側(cè)向西南運(yùn)動。大同盆地的位移態(tài)勢顯示出盆地相對兩側(cè)山地向北運(yùn)動,盆地西側(cè)邊界的口泉斷裂具有左旋活動,東南部邊界的六棱山北麓斷裂和恒山北麓斷裂具有右旋活動。

忻州-代縣盆地整體主壓應(yīng)變軸為近東西向(N88.4°),主壓應(yīng)變率為 -10.54×10-9/a,主張應(yīng)變率為 13.73×10-9/a。張應(yīng)變率大于壓應(yīng)變率,二者量值相差不大,表明在相應(yīng)的主應(yīng)力作用下,剪切作用較顯著。

忻代盆地北部主張應(yīng)變率明顯大于主壓應(yīng)變率,主張應(yīng)變軸為南北向,南部主壓應(yīng)變率較為突出,主壓應(yīng)變軸為北東向。說明忻代盆地北部南北向張應(yīng)力作用顯著,南部北東向擠壓作用較強(qiáng)。北東向系舟山山前斷裂西北側(cè)應(yīng)變率相對較小,東南側(cè)應(yīng)變率較大,在一定程度上控制了應(yīng)變分區(qū) (圖4)。

忻代盆地位移矢量顯示,北部向北北東方向運(yùn)動,南部向東運(yùn)動,盆地在橫向上存在著差異運(yùn)動(圖 5)。系舟山山前斷裂兩側(cè)的位移矢量速度的差異變化顯示出斷裂為右旋壓扭活動。

太原盆地的整體主壓應(yīng)變軸為北東 84°,最小主應(yīng)變率為 -34.24×10-9/a,最大主應(yīng)變率為-11.96×10-9/a,兩個主應(yīng)變都為壓性,反映出太原盆地?cái)D壓作用相對強(qiáng)烈。

太原盆地的主壓應(yīng)變率相對較大,主張應(yīng)變率較小(圖 6),而周邊地區(qū)的主應(yīng)變率較盆地內(nèi)部大。太原盆地北部的主壓應(yīng)變軸為北北東向,西部為近南北向,南部為北西西向,東部為近東西向。應(yīng)變反映出太原盆地以壓應(yīng)力作用為主,應(yīng)力方向比較復(fù)雜。太原盆地的應(yīng)變大小分區(qū)受北東向交城斷裂和太谷斷裂控制。

太原盆地總體上向西南運(yùn)動,位移矢量速度是盆地小于外圍山區(qū)(圖 7),顯示出盆地相對東西兩側(cè)山區(qū)地塊剪切活動明顯。盆地西邊界的交城斷裂呈左旋走滑,東邊界的太谷斷裂呈右旋走滑。

臨汾盆地整體主壓應(yīng)變軸為北東 77.8°,主壓應(yīng)變率為 -9.99×10-9/a,主張應(yīng)變率為 2.77× 10-9/a,主壓應(yīng)變顯著大于主張應(yīng)變,說明臨汾盆地以擠壓應(yīng)力作用為主。

圖 2 2006—2009年大同盆地主應(yīng)變率Fig.2 Principal strain rate of Datong basin during 2006-2009

圖 3 2006—2009年大同盆地位移矢量速度Fig.3 Displacement vector speed of Datong basin during 2006-2009

圖 4 2006—2009年忻代盆地主應(yīng)變率Fig.4 Principal strain rate of Xinzhou-Daixian basin during 2006-2009

圖 5 2006—2009年忻代盆地位移矢量速度Fig.5 Displacement vector speed of Xinzhou-Daixian basin during 2006-2009

臨汾盆地北段和盆地西側(cè)主壓應(yīng)變軸為北西向,南段和盆地東南側(cè)主壓應(yīng)變軸為北東向,應(yīng)變軸方向分界在襄汾-萬榮一帶。臨汾盆地北部的主壓應(yīng)變率較大,南部的主張應(yīng)變率較大(圖 8),表明臨汾盆地北部北西向擠壓應(yīng)力作用強(qiáng)烈,東南部北西向張應(yīng)力作用顯著。

位移矢量速度顯示,臨汾盆地北段的東、北、西3面相向運(yùn)動,形成向中心匯聚的運(yùn)動狀態(tài) (圖 9)。臨汾盆地南段比較一致的向東及東南運(yùn)動,西側(cè)位移速度小,東側(cè)位移速度相對較大,出現(xiàn)拉張運(yùn)動狀態(tài)。就運(yùn)動態(tài)勢而言,南北兩段交匯地帶存在有東西方向的剪切運(yùn)動。

綜上所述,各個盆地的局部變化說明,大同盆地和忻代盆地的應(yīng)變率顯示北部拉張,南部擠壓,太原盆地呈現(xiàn)擠壓,臨汾盆地北部擠壓,南部拉張。位移速度矢量顯示,大同盆地相對兩側(cè)山地向北北東向位移,總體上具有張扭性;忻代盆地南北兩部分具有相對張扭性運(yùn)動;太原盆地相對兩側(cè)山地具有走滑運(yùn)動;臨汾盆地南北兩部分相對具有走滑運(yùn)動。

圖 6 2006—2009年太原盆地主應(yīng)變率Fig.6 Principal strain rate of Taiyuan basin during 2006-2009

圖 7 2006—2009年太原盆地位移矢量速度Fig.7 Displacement vector speed of Taiyuan basin during 2006-2009

圖 8 2006—2009年臨汾盆地主應(yīng)變率Fig.8 Principal strain rate of Linfen basin during 2006-2009

圖 9 2006—2009年臨汾盆地位移矢量速度Fig.9 Displacement vector speed of Linfen basin during 2006-2009

3 山西斷陷帶整體形變與應(yīng)變

根據(jù)山西 GPS局域網(wǎng)觀測資料,把山西斷陷帶作為一個大的構(gòu)造帶,計(jì)算得到的整體上的主壓應(yīng)變軸為北東 73.6°,主壓應(yīng)變率為 -14.28×10-9/a,主張應(yīng)變率為 8.81×10-9/a。反映出主壓應(yīng)力大于主張應(yīng)力,壓應(yīng)力作用較強(qiáng)。山西斷陷帶的中軸線成為應(yīng)變率大小的分界線。

主應(yīng)變率圖 10表明,山西斷陷帶東半部的主壓應(yīng)變率明顯大于主張應(yīng)變率,而西半部的主張應(yīng)變率相對大于主壓應(yīng)變率。就總體上看,山西斷陷帶東半部的主壓應(yīng)變率顯著大于西半部。最大壓應(yīng)變

圖 10 2006—2009年山西斷陷帶主應(yīng)變率Fig.10 Principal strain rate of the Shanxi rift zone during 2006-2009

4 山西斷陷帶的差異活動

由網(wǎng)絡(luò)工程建設(shè)的區(qū)域網(wǎng)分布在鄂爾多斯塊體和太行山塊體上的 GPS站點(diǎn)觀測資料,分別擬合兩個塊體的運(yùn)動參數(shù),反算分界帶山西斷陷帶兩側(cè)鄰近點(diǎn)的運(yùn)動速度,對應(yīng)部分的點(diǎn)的速度相減,得到山西斷陷帶的差異運(yùn)動速度 (圖 12)。它是相鄰的兩個塊體整體運(yùn)動的差異變化。

山西斷陷帶的主體東盤相對西盤向北西西運(yùn)動,位移速度矢量方向平均為北西 289.1°,最大為率為 -38.39×10-9/a,最大張應(yīng)變率為 20.92× 10-9/a,最大壓性面應(yīng)變率為 -30.51×10-9/a,最大張性面應(yīng)變率為 20.64×10-9/a,最大剪應(yīng)變率為 50.07×10-9/a。

山西斷陷帶的位移速率矢量是以其中心點(diǎn)為參考點(diǎn)的應(yīng)變位移速率矢量,反映了山西斷陷帶本身不同部分的變形 (圖 11)。山西斷陷帶南北兩端位移速度相對較大,中段較小。以太原盆地北段為界,山西斷陷帶北部向西及西北運(yùn)動,南部向東運(yùn)動,顯示出山西斷陷帶圍繞太原盆地北段整體發(fā)生逆時針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。北西 296.7°,最小北西 273.1°。山西斷陷帶的兩端部運(yùn)動方向有一定的差異,北端部向南西運(yùn)動,南端部向西運(yùn)動。山西斷陷帶的兩側(cè)相對錯動速度為1.44 mm/a。

圖 11 2006—2009年山西斷陷帶位移矢量速度Fig.11 Displacement vector speed of the Shanxi rift zone during 2006-2009

由山西斷陷帶的差異錯動速度計(jì)算得到的主壓應(yīng)變軸平均為北西 270°,最小方位角為南西237.6°,最大為北西 278.6°。方位角從南向北由南西西變?yōu)楸蔽魑飨颉Ｖ鲏簯?yīng)變軸分布反映出現(xiàn)今山西斷陷帶的主壓應(yīng)力作用方向總體上為近東西向。山西斷陷帶的主壓應(yīng)變率平均為 -9.98×10-9/a,最大值為 -17.25×10-9/a,主壓應(yīng)變率自南而北逐漸增大 (圖 13),臨汾盆地主壓應(yīng)變率為 -7.19× 10-9/a,太原盆地為 -10.75×10-9/a,忻代盆地為-12.40×10-9/a,大同盆地為 -15.03×10-9/a。

圖 12 2007—2009年山西斷陷帶的活動速率Fig.12 Displacement vector speed of the Shanxi rift zone during 2007-2009

5 討論和認(rèn)識

根據(jù)山西 GPS局域網(wǎng)2006年和2009年的觀測結(jié)果計(jì)算的大同、忻代、太原和臨汾各盆地的主應(yīng)變率和位移速率矢量,是局部地段的變化,屬于中小空間范圍的變化。以山西斷陷帶為整體計(jì)算的應(yīng)變率和位移場是相對的連續(xù)變化,屬于中大空間尺度的相對均勻的形變應(yīng)變場。利用鄂爾多斯塊體和太行山塊體的運(yùn)動參數(shù)反算的山西斷陷帶兩側(cè)的相對差異變化(運(yùn)動速度和應(yīng)變率)屬于較大空間尺度的塊體差異變化。前述不同空間尺度的應(yīng)變率和運(yùn)動場存在顯著差別。利用山西局域網(wǎng)計(jì)算的山西斷陷帶的位移場和應(yīng)變場是構(gòu)造帶作為連續(xù)介質(zhì)的變化,反映了構(gòu)造帶的均勻連續(xù)的應(yīng)變狀態(tài)。利用各個盆地分布的 GPS站點(diǎn)資料分別計(jì)算的盆地應(yīng)變率和位移矢量,是盆地局部的運(yùn)動和應(yīng)變率。上述兩者都屬于連續(xù)場的變化。利用塊體參數(shù)計(jì)算得到的山西帶活動速度和應(yīng)變率,是相鄰接的不同塊體在運(yùn)動中整體相互作用產(chǎn)生的錯動和應(yīng)變,是不連

山西斷陷帶的差異運(yùn)動和應(yīng)變反映出在鄂爾多斯塊體與太行山塊體的相互作用下,作為塊體邊界的山西斷陷帶受到一定的擠壓應(yīng)力作用。續(xù)的差異變化。

圖 13 2007—2009年山西斷陷帶的主應(yīng)變率Fig.13 Principal strain rate of the Shanxi rift zone during 2007-2009

計(jì)算的不同空間尺度的不同含義的參數(shù)結(jié)果在地震預(yù)測分析中的意義不同。各個盆地的小尺度范圍的位移矢量和應(yīng)變率是分析局部中小地震孕育發(fā)生的依據(jù),而根據(jù)塊體整體活動參數(shù)計(jì)算的邊界帶活動速率和應(yīng)變率是分析大震孕育發(fā)生的依據(jù)。因?yàn)樾》秶牡貧は鄬ψ兓婕暗牡貕K規(guī)模小,主要為地殼淺部的變化,或者局部一定深度的變化,它的變化所形成的應(yīng)變多與中小地震孕育有關(guān)。小震的分布范圍廣,發(fā)生的隨機(jī)性大,也正是局部地段應(yīng)變積累釋放的結(jié)果。

現(xiàn)今世界上的大震活動主要集中在板塊邊界帶上。中國大陸的大震絕大多數(shù)也都發(fā)生在Ⅰ級或Ⅱ級塊體的邊界構(gòu)造帶上[6,7]。這些都說明大震主要受板塊或者塊體構(gòu)造的控制,大震孕育的能量來自板塊或塊體的相互作用。塊體邊界的地震能量是由整個塊體在運(yùn)動中轉(zhuǎn)遞和提供的。大震的能量大,影響的范圍也大。板塊或者Ⅰ、Ⅱ級塊體在三維空間上規(guī)模大,可達(dá)到中、下地殼,甚至上地幔,在整體上具有一定的剛性,所以,在塊體邊界的深大斷裂帶上能夠積聚大震所需要的能量。因此,從形變應(yīng)變場中提取大震孕育信息,應(yīng)注重整個塊體的作用[8],若從局部形變應(yīng)變中就較難把握大震孕育情況。因此,分析大震形變應(yīng)變場時,應(yīng)以塊體的形變應(yīng)變參數(shù)的計(jì)算結(jié)果來評估其邊界帶的大震孕育發(fā)生的危險性。

塊體和構(gòu)造帶的相對均勻形變應(yīng)變場反映了塊體的總體情況,在不同時段上,能夠顯示塊體的整體變化趨勢。

2006—2009年的盆地的應(yīng)變特征顯示,大同盆地和忻代盆地是“南部壓北部張”,太原盆地主應(yīng)變率“中間小外部大”,臨汾盆地“北部壓南部張”。運(yùn)動場表明,大同盆地和太原盆地東西兩側(cè)山區(qū)相對盆地向南運(yùn)動,忻代盆地和臨汾盆地的南北兩段相對右旋,忻代盆地為張扭,臨汾盆地為壓扭。

2006—2009年山西斷陷帶的整體位移特征為順時針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,應(yīng)變場顯示,大致以山西斷陷帶的中軸線為界“東側(cè)壓西側(cè)張”,該帶的東西兩部分應(yīng)變存在一定的差異。

由塊體運(yùn)動參數(shù)得到的山西斷陷帶的差異活動表明,以走滑-擠壓為特征,大部分地段的主壓應(yīng)變率在 -1.11×10-8/a,擠壓速率為 -1.57 mm/a,顯示有一定的應(yīng)變積累,但是量值不大。山西斷陷帶與龍門山構(gòu)造帶相比,龍門山斷裂帶的壓應(yīng)變率為-1.47×10-7/a,壓縮速率為 -8.8 mm/a,二者相比,相差甚遠(yuǎn)[9]。

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SHORT-TERM D ISPLACEM ENT AND CHARACTERISTICS OF STRA IN RATE OF SHANXI FAULT SUBSI DENCE ZONE

Guo Liangqian,ZhanWei,Yang Guohua and BoWanju
(First CrustM onitoring and Application Center,CEA,Tianjin 300180)

On the basis of the results of the strain displacement field and the principal strain rate calculated from the data observed from Shanxi GPS local area net,the s mall-scale defor mation and strain of the various basins are researched,aswell as the overall changes of Shanxi fault subsidence zone.Meanwhile,from the observational data of the area network of network engineering,the differential activities and the strain rate resulted from the interaction of the Ordos block with the TaihangMountains block,within Shanxi fault subsidence zone are calculated, which is a spatial large-scale change.There are significant differences in different scales of strain field and displacement field,which are also different in the implications of earthquake prediction.Small and moderate earthquakes are more random,which are associated with the spatial s mall-scale defor mation-strain field,the large earthquakes occurmainly in the boundary zones of block,which are associated with block movement as a whole,so the spatial s mall-scale deformation-strain field is the basis for assessing the activities of small and moderate earthquakes,block movement and strain fields are the basis for assessing the activities of the large earthquake.The strain during 2006-2009 shows“south compressing and north tensing”of theDatong basin and Xindai basin,“inner low and outer high”of the main strain rate of Taiyuan basin,“north compressing and south tensing”ofLinfen basin.Horizontal movement of each basin has the tenso-shear or compresso-shear activity.Large-scale changesshow a certain amount of strain in Shanxi fault subsidence zone.

Shanxi rift zone;horizontal movement;principal strain rate;spatial scale differences;movement and strain

P315.72+5

A

1671-5942(2010)04-0036-07

2010-01-23

中國地震局“全國地震區(qū)劃圖編制項(xiàng)目”;天津市應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(08JCZDJC18900)

郭良遷,男,1950年生,研究員,主要從事地形變、構(gòu)造活動和地震預(yù)測研究.E-mail:guoliangqian@163.com