基于GPS觀測數(shù)據(jù)的甘青交界地殼形變特征研究

馬進全，李玉忠，徐仲軍

（1. 青海省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站，青海 西寧 810000；2. 青海省第二測繪院，青海 西寧 810000；3. 國家測繪地理信息局 第一大地測量隊，陜西 西安 710054）

0 引 言

青藏塊體東北緣作為青海、甘肅兩省的交界地帶，也是青藏地塊、阿拉善地塊以及鄂爾多斯地塊三大地質(zhì)塊體的接壤部位，在來自西南印度板塊驅(qū)動力的擠壓作用下，形成了斷裂交錯、構(gòu)造活動強烈、地貌復(fù)雜的區(qū)域[1-7]。該地區(qū)也是硏究青藏高原縱向擠壓隆起和橫向擴伸的重要窗口與塊體間相互作用的理想地帶[8-9]。

國內(nèi)較多學者對該地區(qū)進行過諸多研究，但多數(shù)是只針對某一主要斷裂或某個二級斷裂進行走滑、張壓分析，并未對青藏塊體東北緣甘青交界的整個祁連山斷裂帶進行地殼運動形變分析，因此，本文主要針對青藏塊體東北緣地區(qū)的各大活動斷裂，進行了具體細化，分區(qū)域探討了各斷裂剖面的走滑與張壓特性。此外，在地殼運動與形變的研究中，GPS大地測量是最為有效與合適的觀測手段，它通過精密定位與各種分析方法，來研究地殼板塊間的相對位移與形變特征，具體體現(xiàn)在GPS在監(jiān)測大陸地殼水平運動方向有其高精度、技術(shù)成熟以及利于后期計算分析的優(yōu)勢，其觀測時段較長，定位精度高，解算后精度可達亞毫米級，適用于工程形變測量與大陸地殼運動監(jiān)測項目，目前各國均用于高等級的大陸監(jiān)測網(wǎng)，跟蹤地殼運動與形變信息。本文通過運用2011～2013年的GPS觀測數(shù)據(jù)，以青藏塊體東北緣為研究區(qū)域，解算了7個GPS運動剖面，給出了相關(guān)大型斷裂上、下盤的相對位移，并獲取了甘青交界、甘肅、寧夏等區(qū)域的應(yīng)變場結(jié)果。從位移場與應(yīng)變場的角度，探討了整個青藏塊體東北緣地區(qū)的地殼運動與形變特征。

1 GPS數(shù)據(jù)與研究區(qū)域概況

本文采用的GPS觀測資料主要來自“中國地殼運動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”。該項目每兩年觀測一期，GPS數(shù)據(jù)采集時間間隔為30 s，24 h為一個觀測時段[10-12]，每期觀測4個時段，中間不斷電連續(xù)觀測。數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，采用美國JPL的GIPSY軟件，解算了各站點坐標的松弛約束解，最后運用QOCA軟件進行聯(lián)合平差，在剔除誤差大的站點后，獲取了各站點相對歐亞框架下GPS速度場，如圖1所示。

圖1 GPS水平運動速度場Fig.1 GPS horizontal motion velocity fi eld

本文重點探討的地理范圍為青海、甘肅的交界地區(qū)，此外，還有陜、甘、寧三省接壤區(qū)，如圖2所示。該區(qū)域分布著SEE走向的眾多大型斷裂帶，青藏高原的松軟地質(zhì)與阿拉善、鄂爾多斯堅硬地塊的碰撞，導致這些斷裂的運動特征錯綜復(fù)雜，相對位移大小不均。本文重點探討了河西走廊相關(guān)斷裂帶的走滑與相對活動狀況，不但定性地分析了各關(guān)鍵斷層剖面的運動性質(zhì)，而且定量地給出了各斷層上、下盤的相對位移量。

2 主要斷裂運動特征分析

地質(zhì)松軟的青藏高原，在來自其西南方向印度板塊NE向擠壓（動力源）以及河西走廊東北方向阿拉善堅硬塊體阻擋的共同作用下，致使青藏地區(qū)地表隆升，形成大區(qū)域造山帶。而在青藏高原與阿拉善塊體的接壤地帶——河西走廊，是許多學者重點探討的研究對象，在其兩側(cè)展布著三條重要的斷裂帶,如圖2所示，自南向北依次是：昌馬-俄博斷裂、祁連山北緣斷裂、龍首山南緣斷裂。因此，依據(jù)上述三條斷裂及河西走廊以東海原斷裂的分布情況，可自西向東劃分7個GPS剖面，如圖2所示，針對以上4處斷裂，分析了斷層在與其走向平行及垂直兩個方向上的運動特征。

圖2 青藏塊體東北緣地區(qū)斷裂及形變監(jiān)測站點分布Fig.2 Distribution of fault and deformation monitoring stations in the northeastern margin of the Qinghai Tibet block

在定性分析方面，如圖3所示，每個GPS觀測剖面的上圖為平行于斷層走向，揭示斷層兩側(cè)的相對走滑運動特征（以目標斷層為中心，或為左旋走滑，或右旋走滑），橫坐標的正值為斷層上盤，負值為下盤，上盤對比下盤分析，上盤平均值在高于下盤平均值為左旋走滑，反則為右旋走滑；下圖為垂直于斷層走向的相對運動（擠壓或拉張），正值為擠壓，負值為拉張。剖面S1，平行于玉門斷裂方向（上圖），橫坐標正值區(qū)（以下稱為“上盤”）的曲線點位平均值較其左側(cè)負值區(qū)的大，則為左旋走滑，在垂直于玉門斷裂方向上，上盤較下盤平均值大，則為擠壓；剖面S2，平行于祁連山北緣斷裂方向，上盤較下盤點位平均值高，則為左旋走滑，垂直方向，上、下兩盤為相對擠壓運動；剖面S3，平行于祁連山北緣斷裂方向上，顯示了斷層兩側(cè)上、下盤的左旋走滑運動，且走滑量較高，定量分析如圖4所示部分，垂直方向為擠壓運動；同樣，剖面S4～S7，均為左旋走滑，兼顧壓性的相對運動特征。因此，在青藏高原北側(cè)與河西走廊的接觸邊界帶上，均顯示了一致的左旋走滑兼顧壓性的斷裂相對運動特征。

圖3 地殼斷裂相對位移計算結(jié)果Fig.3 Calculation results of relative displacement of crustal fracture

依據(jù)圖3各GPS觀測剖面的相對運動曲線，計算并定量給出了斷裂各剖面段上、下盤的相對位移，如圖4所示。由于7處剖面均為左旋走滑，以下均簡稱為“走滑”。最南端的陰凹曹斷裂西段，走滑位移達1.06 mm/a，南北擠壓2.53 mm/a，中段走滑位移1.45 mm/a，壓性量為4.63 mm/a，東段走滑量為5.71 mm/a（略低于文獻[13]6.17±0.41 mm/a的走滑速率平均值），擠壓量約4.58 mm/a；向北至昌馬-俄博斷裂，西段走滑量0.80 mm/a，擠壓2.96 mm/a，中段兩處剖面的走滑量分別為3.35 mm/a、1.29 mm/a，壓性運動值分別為4.07 mm/a、2.08 mm/a；再向北為祁連山北緣斷裂，西段走滑位移分別為0.21 mm/a、0.43 mm/a、1.38 mm/a（與文獻[14]1.40 mm/a的研究結(jié)果相近），擠壓運動量為0.92 mm/a、0.50 mm/a、3.00 mm/a，中段走滑位移量為2.16 mm/a、0.70 mm/a，擠壓3.47 mm/a、1.50 mm/a（與文獻[14]地質(zhì)縮短速率1.0-1.5 mm/a等研究結(jié)果一致），東段走滑約1.29 mm/a、5.71 mm/a，垂直位移約達2.08 mm/a（與文獻[13]的1.83±0.38 mm/a結(jié)果量值相符）、4.58 mm/a。從上述3個斷裂整體分析，西部斷裂段均顯示了較弱的壓性運動，兼顧左旋走滑的活動特征，中部斷裂段從走滑量與擠壓量上均有增強，東段則最為強烈，整體自西向東斷裂運動逐漸增強。北部的龍首山南緣斷裂東段、冷龍嶺斷裂、海原斷裂的左旋走滑位移分別達3.48 mm/a、4.24 mm/a、3.13 mm/a，擠壓位移量約2.56 mm/a、1.67 mm/a、1.11 mm/a，從走滑與擠壓運動的位移上看，該三處斷裂的活動特征較為一致，均以擠壓運動為主，兼顧左旋走滑。

圖4 祁連山-海原斷裂現(xiàn)今運動特征Fig.4 The current movement characteristics of Qilian Mountains-Haiyuan fault

3 應(yīng)變場的計算與分析

運用2011～2013年的GPS水平運動觀測數(shù)據(jù)，針對該研究區(qū)域可解算大地表面在該周期的應(yīng)變場結(jié)果，如圖5所示，圖中等值線為面膨脹（正值實線）與面壓縮（負值虛線），主應(yīng)變率紅色十字標記為在該點處的拉張（箭頭朝外）與擠壓（箭頭向內(nèi)）。

圖5 2011～2013青藏塊體東北緣地區(qū)大地形變特征計算結(jié)果Fig.5 Calculation results of large terrain variation characteristics of the northeastern margin of the Qinghai Tibet block in 2011 to 2013

主應(yīng)變率方面，在整個青藏高原內(nèi)部來看，由西南至東北方向，表現(xiàn)出了一致的NE向擠壓，兼顧NW方向張性的應(yīng)變特點。張性區(qū)域最大應(yīng)變率位于青海省內(nèi)瑪多縣一帶，其主拉應(yīng)變率大小約7.8×10-8/a。省會西寧東北側(cè)具有較強的壓性應(yīng)變率，值約8.8×10-8/a，其應(yīng)變方向與青海內(nèi)部整體NE向GPS水平運動速度方向一致；位于青海與甘肅河西走廊接壤地區(qū)，自西北至東南方向，整個祁連山構(gòu)造帶與昌馬-俄博斷裂顯示了NE或NEE向的擠壓，肅南與武威西南部壓性較大，均約6.0×10-8/a，嘉峪關(guān)、張掖一帶壓性較弱，約2.0×10-8/a；河西走廊內(nèi)部NE向擠壓的特征并不突出，個別地區(qū)呈拉張?zhí)匦?；繼續(xù)往北至內(nèi)蒙地區(qū)，可見阿拉善地塊內(nèi)部以拉應(yīng)變?yōu)橹饕兓卣?，其整體拉張方向為NE，拉應(yīng)變率范圍為1.0×10-8/a～4.0×10-8/a；青海以東的蘭州-武都地區(qū)，北部蘭州西北至東南以拉張為主，南部主體顯示EW向擠壓的特征；此外，自天水至固原方向，EW向的擠壓特征逐漸增強，繞過固原繼續(xù)向北，至銀川一帶，顯示了NE向的壓性運動，且量值較弱。

面膨脹率方面（圖5中虛線表示壓縮，實線代表膨脹），青海湖西部及北部均顯示面壓縮，而青海湖內(nèi)部則以面膨脹為主，西寧市位于面壓縮區(qū)域，但壓縮量值不高，西寧西北側(cè)出現(xiàn)的面壓縮高值區(qū)，值約-8.0×10-8/a；河西走廊整體顯示面壓縮的變化特征，范圍在-2.0×10-8/a～-4.0×10-8/a，只在武威以北則以面膨脹為主；蘭州位于NW、SE膨脹與NE、SW壓縮的交會處，但整體處于面膨脹區(qū)域內(nèi)，量值較弱；武都-天水-固原一線則表現(xiàn)了整體面壓縮的特性，這與上述主應(yīng)變率的變化特征較為一致，兩者整體表明了我國在青藏塊體東北緣自西南向東北方向的地殼物質(zhì)流，遇到堅硬的鄂爾多斯塊體，物質(zhì)受阻，呈上地殼擠壓、面壓縮的活動特點。

4 結(jié)束語

本文通過運用2011～2013年的GPS觀測數(shù)據(jù)，針對青藏塊體東北緣，選擇并解算了7個GPS運動剖面，給出了相關(guān)大型斷裂上、下盤的相對位移，并獲取了區(qū)域應(yīng)變場結(jié)果。從位移場與應(yīng)變場的角度，探討了該地區(qū)的地殼運動與形變特征。初步得到以下3點結(jié)論：

1）河西走廊南側(cè)昌馬-俄博斷裂、祁連山北緣斷裂以逆沖擠壓為主，兼顧左旋走滑。西段走滑相對最弱，約0.2 mm/a～1.4 mm/a，擠壓區(qū)間0.50 mm/a～2.53 mm/a，東段最強，最大滑移量為5.71 mm/a，最大擠壓位移4.60 mm/a；

2）北部及東部的龍首山南緣斷裂、冷龍嶺斷裂、海原斷裂則以左旋走滑為主，并伴有壓性運動；

3）青、甘交界及寧夏地區(qū)以NE、NEE向的面壓縮為主，北部阿拉善地塊則為面膨脹，呈現(xiàn)了青藏高原松軟的地殼物質(zhì)流在NE向運動過程中遇到堅硬的阿拉善地塊轉(zhuǎn)而向NEE、E方向逃逸的整體運動特征。