汾渭斷裂帶近10年GPS觀測獲得的剖面變形與應變積累分析*

張 希，蔣鋒云，唐紅濤，李瑞莎，賈 鵬

(中國地震局第二監(jiān)測中心，陜西西安710054)

汾渭斷裂帶近10年GPS觀測獲得的剖面變形與應變積累分析*

張 希，蔣鋒云，唐紅濤，李瑞莎，賈 鵬

(中國地震局第二監(jiān)測中心，陜西西安710054)

利用1999～2009年汾渭斷裂帶GPS速度場觀測資料，研究了跨斷裂剖面變形動態(tài)演化特性、應變積累的分段差異性以及汶川大地震等的可能影響。結果表明:近10年來山西斷陷帶南段、渭河盆地中東部應變積累相對較快，山西斷陷帶北端的蔚廣盆地南緣斷裂、渭河斷裂西段也存在一定程度應變積累。汶川大地震影響相對明顯，2007～2009年應變積累明顯增強的有渭河斷裂西段、山西斷陷帶南段和蔚廣盆地南緣斷裂。

GPS;剖面變形;應變積累;大震影響;汾渭斷裂帶

0 引言

汾渭斷裂帶即山西斷陷帶與陜西渭河盆地斷裂區(qū)的總稱，其北起晉冀蒙交界地區(qū)，南抵陜西關中，由一系列近NE—NNE、近EW向正斷層構成，但也有一些段落兼走滑特性，以右旋為主，尤其是山西斷陷帶構成，有史記載，公元前280年以來汾渭斷裂帶共發(fā)生8級地震2次、7.0～7.9級地震6次 (馬宗晉，1982;蘇怡之，王進英，1991;張世民，2000)。2008年5月12日，距汾渭斷裂帶最近處約200 km的龍門山斷裂帶發(fā)生汶川8.0級大震后，中國地震局第二監(jiān)測中心等單位在震區(qū)及其周邊作了GPS觀測，結果顯示大震對渭河盆地尤其是其西部影響明顯 (張希等，2009a，2009b，2010a，2010b)。近兩年多來汾渭斷裂帶中小地震明顯增多:繼2009年3月28日山西原平4.2級地震后，2009年11月5日至2010年6月5日短短7個月里連續(xù)發(fā)生2009年11月5日陜西高陵4.4級、2010年1月24日山西河津4.8級、2010年4月5日山西陽高4.5級與2010年6月5日山西陽曲4.6級地震。2011年3月7日山西忻州又發(fā)生一次4.2級地震，這些地震的發(fā)生可能是因為汾渭斷裂帶受到了汶川大地震的影響。2010年以來陜西渭河盆地中東部至山西斷陷帶中南段有多處定點連續(xù)形變與流體前兆測項出現顯著異常①中國地震局第二監(jiān)測中心.2010.中國地震局第二監(jiān)測中心2011年度地震趨勢研究報告.，使得地學工作者對汾渭斷裂帶的關注度明顯提高。筆者利用1999年有較密集觀測點以來，至2009年已積累10年的GPS水平運動速度場結果(觀測周期2～3年，2011年仍在復測中)，通過投影計算，研究跨斷裂剖面變形的動態(tài)演化特性、應變積累的分段差異性，以及汶川地震等8級大震的可能影響。

1 跨汾渭斷裂帶剖面變形計算方法與說明

談到剖面變形及其反映的應變積累特性，張培震等 (2009)與張希等 (2011)對汶川大震前跨龍門山斷裂GPS(選取)剖面與長水準觀測剖面的變形分析，都顯示斷裂兩側數十千米至一二百千米范圍內明顯的位移差異變化，越靠近斷裂，位移變化量越小、呈現一種類似“S”或反“S”的形態(tài)特征。通過考查斷裂兩側一定范圍內位移相對變化與曲線形態(tài)，可以估計跨斷裂處能量積聚的基本特性。要做到這一點，斷裂兩側站點不能太少、數量也要均衡。汾渭斷裂帶及其周圍積累有中國地殼運動網絡工程項目1999～2001年、2001～2004年、2004～2007年、2007～2009年4個分時段及1999～2009年總時段相對歐亞板塊的水平運動速度場結果 (圖1)。如圖2所示，筆者盡可能選取兩側站點多、且站點數比較均衡的主要斷裂 (分5個區(qū)a～e、8條斷裂段，其中的山西斷陷帶南段包含羅云山、霍山山前、太谷和平遙斷裂)，向兩側各擴展約100 km，求取其內GPS站點相對斷層線垂向距離及速度投影，計算所得GPS剖面各時段與總時段位移動態(tài)演化情況 (圖3)。鑒于汾渭斷裂帶斷裂深度基本為一二十千米，其構造活動影響到地表的位移變化范圍有限 (兩側各幾十千米)，再考慮該斷裂帶兩側GPS站點布設、周圍其它斷裂分布的實際情況，故在斷裂兩側各取約100 km范圍分析研究是比較可行的。

圖1 各分時段相對歐亞板塊GPS水平運動矢量圖(a)1999～2001年;(b)2001～2004年;(c)2004～2007年;(d)2007～2009年;(e)1999～2009年Fig.1 Vectors of GPS horizontal movement relative to Eurasia Plate during several periods(a)1999—2001;(b)2001—2004;(c)2004—2007;(d)2007—2009;(e)1999—2009

圖2 GPS站點與選取剖面分布Fig.2 Distribution of GPS stations and chosen sections

對本文的計算方法、圖2、圖3作如下說明:

(1)為將相對歐亞板塊GPS水平運動速度投影至平行于斷裂走向與垂直于走向的法線方向，所用斷裂段應該是直線段。實際斷裂構造不完全筆直，只能用直線段近似或分段近似，故圖2中線段為實際斷裂分布，它們由基于GIS的地震預報分析系統(tǒng)Mapsis軟件中“中國斷層.Tab”文件繪制，與圖3有關的斷裂段傾向見圖3相應文字敘述，黑色粗線段為對選定斷裂直線近似后的剖面斷層段。至于包含數條小斷裂而且也不夠整齊的山西斷陷帶南段，是本文需要了解其兩側變形差異與應變積累特性的重要段落，但其兩側GPS站點太少，不適合逐條計算，只能簡化為一條直線段分隔兩側站點，其傾向取多數斷裂的傾向，最終目的是計算其兩側一定范圍內塊體間總體變化差異，對其它斷裂段也是如此。

(2)GPS水平運動速度投影，分平行于走向和垂直于走向的法線方向兩個分量 (圖3)。圖中橫坐標為相對斷層垂向距離，定義下盤為負、上盤為正;縱坐標為所有站點投影后速率減去下盤最遠站點的速率所得相對位移變化平行于走向的分量，規(guī)定正值變化反映左旋走滑，負值則為右旋走滑;垂直于走向即法線方向的分量，規(guī)定正值變化反映壓性、負值則表示拉張。此外，還規(guī)定斷層走向與傾向是遵循“右手規(guī)則”的，即伸出右手，手心向上，五指方向為斷層走向方向、拇指即指向斷層上盤。鑒于計算時將斷裂兩側站點 (正東、正北向)速率按平行于走向和垂直于走向兩個方向投影，不管上盤取在斷裂左側還是右側，計算時走向角度值 (與正北向順時針夾角)、起點 (下盤最遠處)會相應變化，故即使選定斷層段兩側還有平行斷裂而且傾向不同，也不會影響選定斷層段兩側一定范圍內擠壓或拉張、右旋或左旋的差異特性。

具體計算步驟如下:①尋找剖面選取范圍(圖2中虛線框所圍區(qū)域)內GPS站點，假設有n個，其高斯投影坐標為(xi，yi)，相應正東、正北向速度值為(ui，vi)，i=1，…，n; ②計算各站點與斷層直線段的垂向距離，判斷其在斷裂的哪一側，下盤站點垂向距離再乘以－1，以區(qū)分上、下盤;進而尋找下盤距斷層段垂向距離絕對值最大 (即距斷層最遠)的點，作為位移變化起點即基準點;③針對每個站點，求速度投影平行于走向和法線方向分量(pi，qi)，其中 pi=uisin(φi)+vicos(φi)，qi= －uicos(φi)+visin(φi)，i=1，…，n，這里的 φi為按“右手規(guī)則”斷層走向與正北向順時針夾角;④用每個站點速度投影分量分別減去基準點速度投影分量值，即得到相對位移變化分量值。

(3)如上所述，200 km范圍可能跨過數條接近于平行的斷裂，其不同傾向對張、壓性分析無影響。而GPS水平運動速度投影到不同的斷裂其兩側變化曲線卻存在差異，所以本文選擇兩側站點較多、站點數相差不大的8條斷層段 (圖2)，通過剖面變化計算，希望能找到差異變化較大、能夠呈現一種可能與應變積累有關、類似“S”或反“S”型的變形特征。

圖3 渭河斷裂西段剖面 (a)、渭河斷裂中東段剖面 (b)、山西斷陷帶南段剖面 (c)、恒山北麓斷裂剖面 (d)和蔚廣盆地南緣斷裂剖面 (e)的變化(圖中縱細線、橫細線分別表示斷層位置、位移變化零值線。藍色虛線表示1999～2001年剖面變化;紅色、綠色、紫色虛線分別表示2001～2004、2004～2007、2007～2009年剖面變化;黑色粗實線表示1999～2009年即最長時間尺度的剖面變化)Fig.3 Section variation at the western segment of Weihe fracture(a)，at the middle－eastern segment of Weihe fracture(b)，at the southern segment of Shanxi fracture(c)，at the northern margin fault of Hengshan(d)，and at the southern margin fault of Weiguang Basin(e)

(4)研究區(qū)內1999～2001年、2001～2004年、2004～2007年、2007～2009年4個時段GPS站點速度 (分別于 1999、2001、2004、2007、2009年觀測了5期，利用GAMIT/GLOBK軟件處理獲得相鄰時段的速度場結果)均方根差均值分別為 1.2、1.6、1.3、1.4 mm/a，而 1999～2009年總時段站點速度均方根差均值僅0.4 mm/a，也沒有出現斷裂某一側均方根差都大、而另一側都小的情況，加上本文所用方法屬于線性計算，計算前還剔除個別均方根差很大的站點，筆者認為所獲得的跨斷裂剖面變化曲線的拉張或擠壓、左旋或右旋趨勢特征是有意義的。

2 跨汾渭斷裂帶剖面變形與應變積累分析

2.1 跨渭河斷裂剖面變形分析

渭河斷裂西段 (寶雞—武功段，南傾，圖3a，斷層段長度約130 km，斷層兩側共12個GPS站點)在汶川大震前及近10年略微有點左旋、但上、下兩盤差異微弱，2007～2009年上盤相對下盤差異量值大增，右旋變化顯著;而法線方向兩盤差異總體變化也較穩(wěn)定并以拉張為主，相對走滑分量明顯，1999～2001年、2001～2004年總體拉張，2004～2007年略微反向 (由上一時段的拉張轉為擠壓)，2007～2009年該斷裂段恢復拉張變化、速度劇增，上盤相對下盤最遠處最大變化量達6.9 mm/a，是1999～2009年總時段兩盤速度差異的4倍?？傮w上該斷裂段剖面變形以拉張變化為主與地質活動背景一致，反映了一定的應變積累特性，近10年最長時間尺度兩盤速度差異變化約1.6 mm/a;受汶川大地震影響顯著、應變積累加速，與萬永革等 (2009)的庫侖應力變化計算結果一致。

渭河斷裂中東段 (武功—華縣—潼關段，南傾，圖3b，斷層段長度約209 km，斷裂兩側共14個GPS站點)右旋特征清晰，1999～2009年總時段兩盤速度差異為2～3 mm/a左右，2001～2004年兩盤右旋差異弱于1999～2001年;2004～2007年、2007～2009年，尤其后一時段右旋變化明顯加速。斷裂兩側法線方向1999～2001年的相對變化反映弱壓性，2001～2004年時段較1999～2001年時段壓性差異減弱、斷裂附近略微反向 (由上一時段的壓性轉為拉張)，2004～2007年該斷裂段壓性明顯，2007～2009年則出現相反的拉張?zhí)匦?，不排除是受汶川大震調整 (負)影響的可能。1999～2009年總時段反映右旋兼弱壓性變化，有一定程度應變能積累?？傮w來看，昆侖山口西巨震與汶川大地震對其均有影響，這種影響可能以調整為主，所得結果與張希等 (2009b)庫侖應力變化計算結果一致。

2.2 跨山西斷陷帶剖面變形分析

山西斷陷帶南段 (稷山—榆次段，以北西傾為主，圖3c，斷層段長度約316 km，斷裂兩側共18個GPS站點)，由南至北包含羅云山斷裂、霍山山前斷裂、太谷斷裂、平遙斷裂)右旋走滑明顯，2001～2004年右旋走滑略弱于1999～2001年(不排除受昆侖山口西8.1級大震弱調整影響)，2004～2007年右旋走滑略增，2007～2009年斷裂附近兩盤差異微弱;而斷裂兩側法線方向相對拉張?zhí)匦砸卜浅Ｇ逦?999～2001年、2001～2004年、2004～2007年3個時段變化基本穩(wěn)定，2007～2009年斷裂兩盤差異明顯增強，比走滑分量改變明顯，汶川地震的影響總體為正。近10年來最長時間尺度右旋、拉張差異均明顯(至少2～3 mm/a)，與構造背景一致，總體反映應變積累特性。

山西斷陷帶北段五臺山北麓斷裂走滑特征不顯著 (圖略)，1999～2001年、2001～2004年、2004～2007年、2007～2009年4個小時段呈現波動、右旋變化穩(wěn)定，兩盤差異偏小;法線方向兩盤差異也如此，只有2007～2009年拉張增強，總體上應變積累并不快。而與其平行的恒山北麓斷裂 (圖3d，北西傾，斷層段長度約135 km，斷裂兩側共25個GPS站點)右旋變化要比五臺山北麓斷裂明顯一些，但應變積累總體不高 (汶川大地震對其有些擾動影響，波動性增強但正、負影響尚難確定);法線方向變化分量也是如此，昆侖山口西大地震調整影響、汶川大地震影響 (正影響略微明顯)也比五臺山北麓斷裂明顯，總體上1999～2009年右旋拉張略占優(yōu)勢，與構造背景一致，但長時間尺度剖面變化遠沒有山西斷陷帶南段乃至渭河斷裂顯著。

山西斷陷帶北端、晉冀蒙交界區(qū)附近的蔚廣盆地南緣斷裂 (蔚縣附近，北西傾，圖3e，斷層段長度約163 km，斷裂帶兩側共46個GPS站點)走滑方向波動明顯，尤其是在2007～2009年;法線方向變化分量以拉張為主要特性，量值較走滑量明顯，與構造背景一致，尤其是2007～2009年，拉張差異大幅增強?？傮w來看，1999～2009年垂直于斷裂走向兩側的拉張差異也接近2 mm/a，存在一定程度的應變積累。陽原盆地北緣斷裂 (圖略)長時間尺度走滑方向兩盤差異不大、只有2007～2009年右旋為主的波動加劇;法線方向兩盤差異也是如此弱于蔚廣盆地南緣斷裂。陽高—天鎮(zhèn)斷裂 (圖略)的剖白變形與應變積累情況與陽原盆地北緣斷裂相似，汶川大震也可能對其造成擾動影響。

需要補充說明的是，由于五臺山北麓斷裂、陽原盆地北緣斷裂、陽高—天鎮(zhèn)斷裂在1999～2009年期間剖面變化偏弱 (多數斷裂2007～2009年即汶川大震期間擾動變化增強)，限于篇幅，本文略去相應剖面圖;對恒山北麓斷裂只給出2004～2007年、2007～2009年、1999～2009年剖面變化。事實上本文所獲得的，僅是一種觀測資料所反映的10年間的剖面位移變化，與長期地質資料顯示的構造活動特性、量值可能一致，也可能存在差異，但本文計算結果至少表明汾渭斷裂帶拉張 (即正斷)為主、兼走滑 (右旋占多數)的基本特性與地質背景一致。

3 結論與討論

就1999～2009年10年的長時間尺度而言，汾渭斷裂帶應變積累速度總體偏慢，但其中的山西斷陷帶南段 (稷山—榆次段)、渭河盆地中東部(武功—華縣—潼關段)即晉—陜交界及其附近地區(qū)應變積累速度相對較快，兩盤變化差異2～3 mm/a，甚至達到3 mm/a以上，剖面變化曲線大體上表現出可能與應變積累有關的類似反“S”型的特征，較張培震等 (2009)、張希等 (2011)估算的汶川大地震前跨龍門山斷裂數十至200 km長度的剖面變化最高近2 mm/a的差異速度略快。山西斷裂帶北端的蔚廣盆地南緣斷裂、渭河斷裂西段也存在一定程度的應變積累，斷裂兩側差異變化達1.6～2 mm/a左右;其它段落變化相對穩(wěn)定。2001年昆侖山口西8.1級大地震對部分段落有弱 (松弛)調整影響;而2008年汶川8.0級大地震的影響更為明顯和普遍，2007～2009年應變積累明顯增強 (可能包含促進影響)的有渭河斷裂西段、山西斷裂帶南段、北端的蔚廣盆地南緣斷裂等，但也不排除包含該次大震部分孕震信息的可能性，有些段落2004～2007年就增強或張壓特性轉換。其它段落顯示出不同程度的擾動影響。近兩年多來陜西高陵，山西河津、陽曲、忻州發(fā)生的4級以上地震位于晉—陜交界及其附近，陽高地震則位于山西斷裂帶北端以西，這些地震均發(fā)生在應變積累相對明顯、且受汶川大地震影響的區(qū)域或其附近。

馬宗晉.1982.地震與斷裂關系的討論，中國活動斷裂［M］.北京:地震出版社.

蘇怡之，王進英.1991.汾渭地震帶的地震活動性［J］.內陸地震，6(2):143－150.

萬永革，沈正康，盛書中，等.2009.2008年汶川大地震對周圍斷層的影響［J］.地震學報，31(2):128－139.

張培震，聞學澤，徐錫偉，等.2009.2008年汶川8.0級特大地震孕育和發(fā)生的多單元組合模式［J］.科學通報，54(7):944－953.

張世民.2000.汾渭地塹系盆地發(fā)育進程的差異及其控震作用［J］.地質力學學報，6(2):30－37.

張希，崔篤信，蔣鋒云.2009a.基于GPS觀測的汶川地震參數反演與庫侖應力變化分析［J］.地震研究，32(4):351－356.

張希，崔篤信，張四新，等.2009b.地形變觀測揭示的汶川MS8.0級地震同震響應與影響［J］.武漢大學學報:信息科學版，34(10):1204－1209.

張希，王慶良，唐紅濤，等.2011.汶川地震孕震背景與同震變化的鏟形斷層位錯模擬［J］.地球學報，32(2):189－194.

張希，王雙緒，張曉亮，等.2010a.昆侖山與汶川強烈地震對青藏塊體東北緣地殼運動及應變積累的影響［J］.地球學報，31(1):32－42.

張希，張曉亮，張四新，等.2010b.青藏塊體東北緣近期GPS水平運動特征與汶川大震影響［J］.地震研究，33(4):265－268.

Analysis on the Section Deformation and Strain Accumulation of the Fen-Wei Fracture Belt Observed by GPS in Recent 10 Years

ZHANG Xi，JIANG Feng-yun，TANG Hong-tao，LI Rui-sha，JIA Peng
(The Second Monitoring and Application Center，CEA，Xi'an 710054，Shaanxi，China)

Using velocity-field data observed by GPS from 1999 to 2009 in the Fen-Wei Fracture Belt，we study the features of the dynamic evolution of the cross-fracture section deformation，the difference of strain accumulation between fracture segments，and the possible influence of the MS8.0 Wenchuan Earthquake on the Belt.The result shows that in recent 10 years，the southern segment of the Shanxi Fracture and the middle-eastern Weihe Basin displayed relatively faster strain-accumulation，the southern margin fault of the Weiguang Basin and the western segment of the Weihe fracture also existed strain accumulation to some extent.All these variation obviously resulted from the Wenchuan Earthquake.From 2007 to 2009，the strain accumulation increased in the western segment of the Weihe Fracture，the southern segment of the Shanxi Fracture and the southern fault in the margin of the Weiguang Basin.

GPS;section deformation;strain accumulation;influence of great earthquake;the Fen-Wei Fracture Belt

P315.72+7

A

1000－0666(2011)04－0504－07

2011－06－22.

2011年度陜西省科學技術發(fā)展計劃項目“汾渭斷裂帶地殼運動的非均勻負位錯模擬與應變積累研究”(2011JM5016)與國家自然科學基金項目“汶川大震對應變積累的影響研究”(40974005)共同資助.