鄂爾多斯塊體東北緣近期地殼垂直形變監(jiān)測

張占陽，許明元，何慶龍，于　鵬

(中國地震局第一監(jiān)測中心，天津 300180)

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鄂爾多斯塊體東北緣近期地殼垂直形變監(jiān)測

張占陽，許明元，何慶龍，于鵬

(中國地震局第一監(jiān)測中心，天津 300180)

摘要：為深入分析并研究鄂爾多斯塊體東北緣近期的地殼垂直形變趨勢，基于區(qū)域中10條國家一等水準(zhǔn)測量路線的共用水準(zhǔn)點，通過分段平差計算其相應(yīng)的高程平差值及垂直形變量，進(jìn)而利用三角網(wǎng)法提取該地區(qū)的垂直形變速率等值線。通過效果圖對比可知，近期鄂爾多斯塊體東北緣呈現(xiàn)下沉的趨勢，兩個V型漏斗區(qū)分布于整個研究區(qū)域中部的南北兩側(cè)，南側(cè)漏斗區(qū)的下沉速率較北側(cè)偏大，這在一定程度上與該地區(qū)北高南低的地形走向大體一致。但對于V型漏斗區(qū)形成的具體原因還有待進(jìn)一步研究并確認(rèn)。

關(guān)鍵詞：鄂爾多斯塊體；水準(zhǔn)網(wǎng)平差；三角網(wǎng)；地殼垂直形變；等值線

從測繪學(xué)與地質(zhì)構(gòu)造學(xué)角度可知，鄂爾多斯塊體東起山西呂梁山脈，西抵內(nèi)蒙古桌子山與陜甘寧的云霧山，南起渭北山地，北達(dá)黃河之畔，是中朝準(zhǔn)地臺上一個較為穩(wěn)定、完整的次級構(gòu)造單元[1-2]。喜馬拉雅運動以來，塊體內(nèi)部運動相對穩(wěn)定，但其周緣地殼卻環(huán)繞著一系列活動劇烈的斷陷帶與斷裂帶，尤其自公元前780年以來，其周緣地區(qū)共記錄到Ms≥6.0級地震51次，其中Ms≥8.0級地震5次，7.0≤Ms≤8.0級地震10次[3-6]，如攻守文基于精密水準(zhǔn)復(fù)測數(shù)據(jù)對鄂爾多斯塊體西緣與南緣的垂直形變演化特征與塊體運動進(jìn)行探討[7]，胡斌與祝意青等利用分段線性速率動態(tài)平差法對鄂爾多斯塊體南緣的垂直形變場及其動態(tài)演化進(jìn)行了分析[8]，李楊又在此基礎(chǔ)上利用地理信息系統(tǒng)(GIS)空間分析手段對鄂爾多斯塊體中南部的垂直運動特征進(jìn)行了二維平面分析[9]，此外，張四新與張?；谌舾煽鐢嗔阉疁?zhǔn)資料對鄂爾多斯塊體東緣的垂直形變特征也進(jìn)行了研究[10]，而對位于鄂爾多斯塊體東北緣的山西中北部及其與內(nèi)蒙古交界區(qū)域有關(guān)地殼垂直形變的研究卻較少，因為自2008年以來，對該區(qū)域進(jìn)行精密水準(zhǔn)復(fù)測時多次出現(xiàn)閉合差與高差不符值超限，并導(dǎo)致多次返工重測的情況出現(xiàn)，這也間接說明近期該區(qū)域地殼存在一定的垂直形變運動。地質(zhì)構(gòu)造學(xué)中一般用垂直形變速率等值線來表示并分析地殼的垂直形變運動，且目前國內(nèi)外主要利用網(wǎng)格通過插值生成垂直形變速率等值線[11-12]，然而，從測繪學(xué)角度來看，垂直形變速率等值線作為等值線的一種形式，其除了利用網(wǎng)格生成外，亦可基于三角網(wǎng)生成，所以，本文以該區(qū)域中10條一等水準(zhǔn)路線的測量控制點為基礎(chǔ)，試圖通過構(gòu)建三角網(wǎng)來提取該區(qū)域的地殼垂直形變速率等值線，進(jìn)而基于此對該區(qū)域的地殼垂直形變進(jìn)行了研究與分析。

1鄂爾多斯塊體東北緣水準(zhǔn)路線平差

鄂爾多斯塊體東北緣整體地勢較高，大體呈北高南低的趨勢，區(qū)域覆蓋河北省西北部、山西中北部與內(nèi)蒙古部分地區(qū)，囊括集寧、團(tuán)結(jié)、張北、張家口、宣化、豐鎮(zhèn)、大同、花稍營與懷安等諸多地區(qū)，對該區(qū)域進(jìn)行垂直形變研究，首先對區(qū)域內(nèi)沿水準(zhǔn)路線復(fù)測的精密水準(zhǔn)點進(jìn)行平差處理以求出其前后兩期的高程平差值與垂直形變量(也稱高程變化量)[13-14]。

1.1水準(zhǔn)路線分布信息

研究區(qū)域共分布10條國家一等水準(zhǔn)測量路線，區(qū)域面積約為18 000 km2，雖然這些水準(zhǔn)路線于2008年與2013年全部施測過，但因間隔時間較長，其中某些水準(zhǔn)點由于外界因素丟失并被新點代替，所以導(dǎo)致前后兩期共用水準(zhǔn)點有所減少，共計提取出171個共用水準(zhǔn)點，區(qū)域內(nèi)水準(zhǔn)路線的相關(guān)信息如表1所示。

表1　研究區(qū)域水準(zhǔn)路線表

需要說明的是，表1中所列水準(zhǔn)路線，除了團(tuán)化線團(tuán)懷段與團(tuán)化線懷化段這兩條水準(zhǔn)路線，其余8條先后銜接構(gòu)成一條閉合完整的水準(zhǔn)路線，但從整個研究區(qū)域來看，這些水準(zhǔn)路線測量控制點的分布也具有一定的離散性。

1.2水準(zhǔn)路線分段平差

測繪學(xué)中一般以某一相對穩(wěn)定的控制點為基準(zhǔn)來研究鄰近區(qū)域的相對形變運動，因集團(tuán)1基前后兩期垂直形變量較小，將其作為參考基準(zhǔn)點。同時為盡量減小遠(yuǎn)距離閉合水準(zhǔn)路線平差帶來的誤差影響，此處假設(shè)集團(tuán)1基與包京115甲為高程已知的水準(zhǔn)點，并基于此將閉合水準(zhǔn)路線分成兩段進(jìn)行平差，如表1所示，其中集團(tuán)線、團(tuán)張線、哈宣線張張段與張宣段為A段，集豐線、呼大線豐大段、大宣線大化段與化宣段為B段，最后的2條水準(zhǔn)路線團(tuán)化線團(tuán)懷段與懷化段作為C段進(jìn)行平差。

包京115甲的高程可由集團(tuán)1基經(jīng)A、B段方向通過單結(jié)點水準(zhǔn)網(wǎng)平差法求得，而后將集團(tuán)1基與包京115甲作為已知點，利用單一附合水準(zhǔn)路線平差法分別求出A、B段2008年與2013年兩期施測中各個待定點的高程平差值，最后將兩期共用水準(zhǔn)點的高程平差值相減即可得到相應(yīng)的垂直形變量。C段的兩端結(jié)點集團(tuán)30S與Ⅰ大宣36基各包含于A、B段中，故可將其在A、B段平差后的高程值視為已知值，進(jìn)而用單一附合水準(zhǔn)路線平差法依次求出待定點前后兩期的高程平差值及垂直形變量，C段原始數(shù)據(jù)與平差數(shù)據(jù)如圖1、圖2所示，單結(jié)點水準(zhǔn)網(wǎng)平差法與單一附合水準(zhǔn)路線平差法原理見文獻(xiàn)[15]～[16]。

圖1　C段原始數(shù)據(jù)文件

圖2　C段平差數(shù)據(jù)文件

圖1為C段的原始數(shù)據(jù)文件，內(nèi)含前后兩期起始點與終止點高程和待定點緯度N、經(jīng)度E及其與前一點的距離與兩期高差，圖2為經(jīng)平差后求得的待定點前后兩期的高程平差值及垂直形變量。此處需要說明，A、B段中共用水準(zhǔn)點通過兩期平差所求得的垂直形變量均為負(fù)值，由于其原始數(shù)據(jù)與平差結(jié)果數(shù)據(jù)量較大。

2鄂爾多斯塊體東北緣地殼垂直形變

水準(zhǔn)路線經(jīng)分段平差可求得前后兩期所有共用水準(zhǔn)點的高程平差值及其垂直形變量，再以此為基礎(chǔ)編繪地殼垂直形變速率圖[17]，已有研究成果表明，國內(nèi)外等值線的生成方式包括兩種：網(wǎng)格法與三角網(wǎng)法[18-21]。地質(zhì)構(gòu)造學(xué)中多以網(wǎng)格法來生成垂直形變速率等值線，本文則采用三角網(wǎng)法來提取地殼垂直形變速率等值線，由此可知，對鄂爾多斯塊體東北緣進(jìn)行地殼垂直形變分析與研究，還需通過共用水準(zhǔn)點構(gòu)建研究區(qū)域的垂直形變?nèi)蔷W(wǎng)，再根據(jù)其垂直形變信息提取垂直形變速率等值線。

2.1基于共用點構(gòu)建垂直形變?nèi)蔷W(wǎng)

研究區(qū)域的水準(zhǔn)路線于2008年與2013年施測時共有171個共用水準(zhǔn)點，考慮到內(nèi)插雖可加密水準(zhǔn)點數(shù)量，但在一定程度上會降低數(shù)據(jù)質(zhì)量與精度，這勢必會對后期垂直形變分析結(jié)果的可靠性帶來一些影響，可直接基于這些相對離散的水準(zhǔn)測量控制點構(gòu)建覆蓋鄂爾多斯塊體東北緣部分地區(qū)的三角網(wǎng)，常見的三角網(wǎng)建網(wǎng)方法有分割合并算法、三角網(wǎng)生長算法與逐點插入算法等[22-25]，生成的三角網(wǎng)如圖3所示。

圖3　鄂爾多斯塊體東北緣垂直形變?nèi)蔷W(wǎng)

圖3為內(nèi)含垂直形變信息的三角網(wǎng)，即構(gòu)網(wǎng)的共用水準(zhǔn)點高程都已經(jīng)過平差且含垂直形變量，經(jīng)光照模型處理后可看出，三角網(wǎng)中部與西北部光色較暗，該區(qū)域形變可能較大，由于形變信息隱含，需提取垂直形變速率等值線進(jìn)一步分析。

2.2基于垂直形變?nèi)蔷W(wǎng)提取垂直形變速率等值線

圖4　垂直形變速率等值線(等值距=20 mm)

圖5　垂直形變速率等值線(等值距=10 mm)

圖6　垂直形變速率等值線(等值距=5 mm)

圖7　垂直形變速率等值線(等值距=2.5 mm)

從三角建網(wǎng)角度來看，垂直形變速率等值線的提取過程與傳統(tǒng)的等高線提取原理大同小異，不同之處在于傳統(tǒng)等高線的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是內(nèi)含高程值的地形三角網(wǎng)，而垂直形變速率等值線的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是內(nèi)含高程變化量的垂直形變?nèi)蔷W(wǎng)。一般根據(jù)垂直形變?nèi)蔷W(wǎng)提取垂直形變速率等值線大體分為三步：三角形邊上等值線點平面位置的確定、三角形網(wǎng)上等值線點的追蹤、等值線的光滑與連接，文獻(xiàn)[12]中進(jìn)行過相關(guān)闡述與研究，這里不做過多介紹，如圖4～圖7所示為基于鄂爾多斯塊體東北緣垂直形變?nèi)蔷W(wǎng)所提取的該區(qū)域的地殼垂直形變速率等值線，由于用于生成垂直形變?nèi)蔷W(wǎng)的共用水準(zhǔn)點為一等水準(zhǔn)測量控制點，其測量數(shù)據(jù)精度要求較高且本文討論的垂直形變監(jiān)測屬于精密水準(zhǔn)測量，故此處采用4種等值距用以描述并分析該區(qū)域的地殼垂直形變趨勢。

圖4～圖7所示的垂直形變速率等值線基值均為-181 mm，圖4等值距為20 mm，圖5等值距為10 mm，圖6與圖7等值距分別為5 mm和2.5 mm，通過圖4與圖5可知，鄂爾多斯塊體東北緣總體呈現(xiàn)下沉趨勢，該地區(qū)中部南北兩側(cè)各有一個環(huán)形區(qū)域，這兩個環(huán)形區(qū)域中垂直形變速率等值線的密度相對較大且成閉合狀，而且隨著等值距由圖6的5 mm縮小到圖7的2.5 mm，環(huán)形閉合區(qū)域中垂直形變速率等值線的密度逐漸增大。

除此之外，光照模型的處理致使這兩處區(qū)域色澤暗淡，說明臨近環(huán)形區(qū)域中心，區(qū)域地殼垂直形變量較大，最終導(dǎo)致兩個V型漏斗沉降區(qū)域的形成，這里所說的漏斗區(qū)域并不是傳統(tǒng)意義上的地形區(qū)域，因為本文所指的三角網(wǎng)為垂直形變?nèi)蔷W(wǎng)，所以漏斗區(qū)域指垂直形變速率較大的區(qū)域，越靠近環(huán)形區(qū)域中心位置，地殼下沉的垂直形變速率就越大，垂直形變速率等值線分布也越密集。另外，相對于北側(cè)的漏斗沉降區(qū)域，南側(cè)漏斗區(qū)域的垂直形變速率等值線更為密集，說明此區(qū)域下沉速率更大，地殼垂直形變更為明顯，值得進(jìn)一步分析與研究。不過總體來看，鄂爾多斯塊體東北緣的垂直形變速率值呈現(xiàn)北大南小的分布趨勢，這與該地區(qū)北高南低的地形走向大體一致，符合傳統(tǒng)的地殼形變與板塊繼承性運動理論。

3結(jié)論與討論

本文以鄂爾多斯塊體東北緣為實例進(jìn)行研究，提取區(qū)域中10條水準(zhǔn)路線共計171個共用水準(zhǔn)點并進(jìn)行分段平差，進(jìn)而基于內(nèi)含垂直形變量的共用水準(zhǔn)點，利用三角網(wǎng)法生成該區(qū)域的地殼垂直形變速率等值線，最后嘗試性分析鄂爾多斯塊體東北緣地區(qū)近期的地殼垂直形變趨勢，概括為以下幾方面：

1)鄂爾多斯塊體東北緣的垂直形變量為負(fù)值，說明此區(qū)域地殼整體呈現(xiàn)下沉趨勢；

2)整個研究區(qū)域中部的南北兩側(cè)各分布著一個環(huán)狀的V型漏斗沉降區(qū)，這兩個區(qū)域下沉的垂直形變量較大，考慮可能是由于地下資源過度開采所致；

3)南側(cè)V型漏斗區(qū)域下沉速率較北部偏大，一方面可能由于地下資源開采過度，另外考慮是由于南側(cè)漏斗區(qū)域地勢偏低，這符合該地區(qū)北高南低的繼承性運動；

4)鄂爾多斯塊體東北緣垂直形變速率呈現(xiàn)北大南小的趨勢，這與該區(qū)域地形走向一致，個別共用水準(zhǔn)點垂直形變量過大考慮為外界因素導(dǎo)致點位非常規(guī)移動。

綜上，三角網(wǎng)法可直接基于相對離散的測量控制點構(gòu)成鄰接三角網(wǎng)，其最大限度的保持了原始數(shù)據(jù)點的精度，提取的垂直形變速率等值線也符合基本的垂直形變分析要求，但仍有幾個問題需要注意或有待進(jìn)一步研究：

1)研究區(qū)域中的共用水準(zhǔn)點數(shù)量較少，需適當(dāng)增加測量控制點數(shù)量以提高成果精度；

2)需進(jìn)一步增加對同一區(qū)域不同方法(如網(wǎng)格法)的實例對比分析；

3)文中單以鄂爾多斯塊體東北緣為例進(jìn)行研究，缺少該方法在多地帶、多區(qū)域的應(yīng)用與實例分析。

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[責(zé)任編輯：李銘娜]

Current vertical crustal deformation monitoring in northeastern edge of Erdos blockZHANG Zhanyang，XU Mingyuan，HE Qinglong，YU Peng

(First Crust Monitoring and Application Center，CEA，Tianjin 300180,China)

Abstract：In order to make deep analysis and research on trends of vertical crustal deformation in the northeastern edge of Erdos block，this paper adoptes segmented adjustment to calculate the elevation value of adjustment and the amount of vertical deformation of the shared leveling points which belong to the 10 first leveling lines of the researched area，and then uses triangulated irregular network method to extract the vertical deformation rate isolines.As a result，the two consequent maps prove the northeastern edge of Erdos block reveals a trend of sinking currently，and two V funnel-shaped regions are located on north side and south side of the central part of the researched area.Moreover，sinking rate of southern V funnel-shaped region is higher than that of northern side，which conforms to the terrain trend of high north to low south of the researched area to a certain extent.However，the specific reason for the formation of the two V funnel-shaped regions still needs to be further studied and confirmed.

Key words：surveying and mapping；Erdos block；adjustment of leveling network；triangulated irregular network；vertical crustal deformation；isoline

中圖分類號：P234

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-7949(2016)05-0069-05

作者簡介：張占陽(1986-)，男，助理工程師，碩士.

基金項目：一測中心科技創(chuàng)新主任基金資助項目(FMC2014011);地震行業(yè)專項基金資助項目(201308009)

收稿日期：2015-03-31；修回日期：2015-07-30