利用GPS研究汾渭斷陷帶現(xiàn)今變形

曾亞光，李 偉，2，劉 韶

（1.中國地震局第二監(jiān)測中心，陜西 西安 710054；2.中國地震局地質研究所，北京 100029；3.四川省地震局，四川 成都 610041）

汾渭斷陷帶包括渭河地塹和山西地塹系統(tǒng)，是中國大陸東部地區(qū)地震活動最強烈的地震帶之一，在華北地區(qū)構造活動格局中舉足輕重，在一定程度上反映出華北地區(qū)地震活動的強弱和動態(tài)變化。汾渭斷陷帶因其高地震危險性而聞名，自有記載和記錄以來，已發(fā)生6級以上地震21次，其中有2次大于8級的地震，即1303年山西趙城—洪洞間8級和1556年陜西華縣8?4級特大地震。汾渭斷陷帶復雜地質構造和頻繁地震活動引起地學界學者們的廣泛關注。汾渭斷陷帶位于鄂爾多斯、華北平原和華南三個主要塊體之間的交疊處，是一個新生代活動斷陷帶。汾渭斷陷帶的走向從南到北為北東東—北北東，其特征是東邊界為張性右旋剪切斷裂，南邊界為左旋剪切伸展斷裂。在過去的三十年中，已有人發(fā)展出不同的模型來描述鄂爾多斯塊體周圍的地塹系統(tǒng)的構造演化（Molnar P.et al，1975；Tapponnier P.et al，1977；Northrup CJ.et al，1995；Yin A.2010；Liu M.et al，2007）。一些研究者認為，鄂爾多斯地區(qū)的構造變形和演化是印度與亞洲遠距離碰撞的結果（Molnar P.et al，1975；Tapponnier P.et al，1977）。另外有人解釋華北地殼變薄和火山活動可能與歐亞大陸下方的太平洋板塊向西俯沖和后退機制密切相關（Northrup C J.et al，1995）。

1992年至2002年的GPS觀測結果表明，整個山西地塹系幾乎沒有變形，既沒有伸展也沒有走滑（He J.et al，2003；Shen Z K.et al，2000；Wang Q.et al，2001）。Zhang等（2018）使用最新GPS數(shù)據(jù)研究結果認為，山西地塹和整個華北平原都沒有明顯的東西向伸展。一個地區(qū)發(fā)生如此頻繁的歷史大地震，而現(xiàn)今卻沒有變形是不可能的，一定存在尚未觀察到的地殼變形。與以前的GPS研究相反，現(xiàn)代地震活動表明活躍的裂谷作用。Wesnousky等（1984）根據(jù)地震矩數(shù)據(jù)估計同震拉張速率約為1.0 mm/a，這個結果接近上新世至第四紀晚期平均0.5～1.6 mm/a的拉張速率。與歷史性大地震有關的地表破裂顯示出明顯的正斷層性質，并伴有右旋走滑分量，例如1556年的陜西華縣8?4級特大地震（Rao G.et al，2014），1303年的山西洪洞地震（Xu Y.，2014；Xu Y.et al，2018；Jiang W.et al，2004）。最近地震的震源機制解也顯示了明顯以傾滑和走滑運動為主的特征（He J.et al，2003；Xu Y.，2014；Xu Y.et al，2018；Chen W P.et al，1988；高彬等，2016）。Hao等（2016）使用在鄂爾多斯塊體周圍1970～2014年期間觀測到的精密水準數(shù)據(jù)得出結論，相對于穩(wěn)定的鄂爾多斯塊體，渭河地塹和山西地塹南部以4～6 mm/a的速率沉降，山西地塹的下陷表明該地塹長期處于伸展運動中。最近，Zheng等（2017）發(fā)表了覆蓋整個中國及周邊地區(qū)的GPS速度場。

本研究使用的數(shù)據(jù)主要來自1998年至2015年收集的中國地殼運動觀測網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)收集和處理程序的詳細描述見Zheng等（2017）文獻。研究者使用了整個中國東部地區(qū)跨越三個地殼塊體的GPS數(shù)據(jù)，而不是將研究內(nèi)容的分析僅限于一個塊體或一個斷層，以了解汾渭斷陷帶的現(xiàn)代構造變形和地震危險性的模式，為解決中國東部新生代變形問題提供參考依據(jù)。

1 地質背景

鄂爾多斯塊體的特點是低的應變速率和地震活動性。相反，自新生代以來該穩(wěn)定塊體邊緣的地震一直比較活躍。鄂爾多斯塊體被四個地塹系統(tǒng)包圍：沿其西邊緣的銀川地塹，沿其北邊緣的河套地塹，沿其東邊緣的山西地塹，以及沿其南部邊緣的渭河地塹（Yin，2010；Zhao B.et al，2017；圖1）。在燕山運動期間，鄂爾多斯塊體表現(xiàn)出間歇性的抬升和沉陷運動，其外圍發(fā)生了強烈的構造活動。在河套和渭河盆地，形成了近東西向的擠壓構造帶，山西盆地和銀川盆地形成了NE—NNE向的擠壓構造帶。中生代特別是燕山運動形成的基本構造背景為該地區(qū)新生代的地質演化奠定了基礎。在新生代時期，鄂爾多斯西南緣及其鄰近地區(qū)最突出的特征是在其外圍形成了一系列伸展的斷陷盆地和在其西南緣形成了逆沖斷層帶。根據(jù)鄂爾多斯塊體的沉積物分布和斷裂帶的發(fā)育特征，將該地區(qū)的構造活動大致分為三個主要階段：1）在始新世，渭河盆地、銀川盆地和吉蘭泰盆地開始發(fā)育，它基本上是在漸新世末期形成的；2）中新世末期，鄂爾多斯塊體繼續(xù)隆升，外圍斷陷帶繼續(xù)發(fā)展；此外，渭河斷陷盆地向東延伸進入山西形成運城盆地；3）在上新世末期，受NE—NNE走向斷裂控制，山西斷陷帶基本形成（Deng Q.et al，1996；Zhao B.et al，2017；國家地震局《鄂爾多斯周緣活動斷裂》課題組，1988）。

圖1 華北構造與地震分布

鄂爾多斯塊體和華北平原北部邊界由東西走向的河套地塹和張家口—渤海斷裂帶組成，該邊界將華北塊體與阿穆爾塊體分隔開（Zhang Y G.et al，2018；圖1）。鄂爾多斯塊體和華北平原的南邊界是大約為東西走向的秦嶺—大別山山脈前緣斷裂帶（Zhang Y G.et al，2018；圖1），地貌和地震學研究表明，該斷裂帶的第四紀構造活動有限（Deng Q.et al，2003；鄧起東等，2003；張培震等，2003）。華北平原的西邊界是山西地塹系統(tǒng)，重大歷史地震主要發(fā)生在沉積盆地內(nèi)部，說明該邊界存在強烈的構造活動。鄂爾多斯塊體的西邊界是近南北走向的吉蘭泰—銀川地塹和六盤山逆沖褶皺帶，兩者都具有強烈的構造活動和地震活動性。

2 根據(jù)GPS分析的變形速率和模式

2.1 GPS數(shù)據(jù)和中國東部地殼塊體之間的相對運動

圖2描繪了不同地殼塊體相對于固定歐亞大陸的運動。鄂爾多斯塊體的臺站相對于固定的歐亞大陸以4～7 mm/a的速度沿N100°～130°E的方向移動（見圖2），表明鄂爾多斯塊體與歐亞大陸之間的相對運動基本穩(wěn)定。華北平原中的大多數(shù)GPS速度矢量都在5.0±1.5 mm/a的速度范圍內(nèi)，并且在N100°～120°E的方向內(nèi)（見圖2），局部存在較大的變化。值得注意的是，速度從阿穆爾塊體內(nèi)部的1～2 mm/a逐漸增加到華北平原內(nèi)部的5～6 mm/a（見圖2；Zhang Y G.et al，2018）。依據(jù)活動斷層探查和歷史強地震的記載和記錄，華南塊體被認為是構造相對穩(wěn)定的塊體（鄧起東等，2003；張培震等，2003）。GPS速度矢量顯示了華南塊體沿N100°～120°E方向的一致運動，速率為7～8 mm/a，在整個的華南塊體內(nèi)部區(qū)域沒有發(fā)現(xiàn)明顯的速度梯度帶。與華北平原的北緣相似，華北平原的南緣附近5～6 mm/a的相對運動逐漸變化為華南塊體內(nèi)部的7～8 mm/a的速度（Zhang Y G.et al，2018）。

2.2 N0°E、N160°E和N110°E方向速率剖面分析

構造N0°E方向速度剖面（圖2中的藍色四邊形）是為了探索華南塊體與鄂爾多斯塊體之間的運動差異。從N0°E速度剖面方向上的N90°E速度分量（圖3a）可以看出，華南塊體與鄂爾多斯塊體之間存在明顯的左旋走滑速率差異，差值為2.27±0.52 mm/a，該速率差橫跨渭河地塹的長度約為200 km。圖3b顯示，華南塊體和鄂爾多斯塊體分別都以-2.78±0.98 mm/a和-2.27±0.80 mm/a的速度向南移動，兩者之間存在-0.51 mm/a的速率差，表明渭河地塹在南北方向上的拉張速率相對較小。Wang等（2011）報道了渭河裂谷的斷層滑移速率，認為渭河裂谷的左旋走滑速率為1.4±0.5 mm/a，拉張速率為0.5±0.3 mm/a，本研究的結果與Wang等（2011）的結果比較一致。

構造N160°E方向速度剖面（圖2中的黃色四邊形）是為了研究渭河地塹內(nèi)部是否存在垂直于主要構造走向的差異運動。N160°E速度剖面中的N70°E速度分量（圖3c）基本平行于渭河地塹的主要構造線走向，由圖3c可以看出，穿過渭河地塹的剪切走滑速率沒有發(fā)生明顯變化，表明渭河地塹的形成與其內(nèi)部斷層的走滑運動基本無關。由圖3d可知，鄂爾多斯塊體和華南塊體都發(fā)生了向東南方向的移動，且渭河地塹內(nèi)部（即華山斷裂兩側）的速率差異顯著，在剖面0～400 km的速率約為4.0 mm/a；進入華南塊體后，速率明顯快速增長，在剖面600～1 000 km的速率約為5 mm/a；華南塊體與鄂爾多斯塊體在N160°E方向上的速率差約為1 mm/a，是N0°E速度剖面方向上拉張速率的兩倍，這意味著渭河地塹的主要拉張方向是NW—SE方向。1556年陜西華縣81/4級特大地震造成80萬人喪生，其地震發(fā)生斷層被認為是NE—NEE走向的華山斷裂，該斷層是全新世活動斷層，控制著渭河盆地第四紀沉降中心和最高地形。本研究觀察到約1 mm/a的拉張速率與已有研究結果中中華山斷裂的約1 mm/a傾滑速率相當（徐偉等，2017；楊源源等，2012；Li D.et al，2015；李祥根等，1983；Rao G.et al，2014），表明華山斷裂吸收了鄂爾多斯塊體的主要伸展變形。

構造N110°E方向速度剖面（圖2中的黑色四邊形）是為了探測山西地塹系統(tǒng)的變形，并在該剖面上繪制了鄂爾多斯塊體和華北平原中測站的N20°E（圖3e）和N110°E（圖3f）的速度分量。通過N20°E速度可以檢測鄂爾多斯塊體與華北平原之間在大致南北方向上是否有走滑運動。由圖3e可知，鄂爾多斯塊體和華北平原都略微向南移動，而穿過山西地塹系統(tǒng)和華北平原的剖面卻顯示出與鄂爾多斯塊體不同的運動學模式，針對該現(xiàn)象可以提出兩種解釋：一種是，穿過山西地塹系統(tǒng)的速率差存在階梯式變化，這種變化導致地塹系統(tǒng)發(fā)生約0.8 mm/a的右旋走滑；另一種是，山西地塹系統(tǒng)的速率沿東南方向逐漸增加，并在一個更寬范圍內(nèi)形成了右側走滑，而鄂爾多斯塊體的速度卻保持在一個穩(wěn)定范圍內(nèi)。通過N110°E速度可以檢測鄂爾多斯塊體與華北平原之間在大致東西方向上是否存在拉張或擠壓。由圖3f可知，鄂爾多斯塊體和華北平原都向東移動，而穿過山西地塹系統(tǒng)和華北平原的剖面卻顯示出與鄂爾多斯塊體不同的運動學模式，針對該現(xiàn)象也可以提出兩種解釋：一種是，穿過山西地塹系統(tǒng)的速率差存在階梯式變化，山西地塹系統(tǒng)的拉張速率約為0.7 mm/a；另一種是，華北平原內(nèi)的速率沿東南方向逐漸增加，而鄂爾多斯塊體的速度卻保持在穩(wěn)定范圍內(nèi)。Wang等（2011）報道了山西裂谷的斷層滑移速率，山西裂谷的右旋走滑速率為0.6±0.5 mm/a，拉張速率為0.8±0.3 mm/a，本研究的結果與Wang等（2011）的結果比較一致。

圖2 以歐亞大陸為固定參考系的華北GPS速度場

圖3 GPS速度剖面和地形剖面

3 變形模型和地震活動性

汾渭斷陷帶的變形模式與華北平原和西藏東部有很大的不同，華北平原受到其南北邊界上的左旋剪切作用在其內(nèi)部形成了一系列近南北向右旋斷裂，這些內(nèi)部的右旋走滑斷裂調節(jié)和吸收了華北平原現(xiàn)今的構造變形（Zhang Y G.et al，2018）；而西藏東部在南北向的右旋剪切作用下在該區(qū)域內(nèi)形成了一系列東西向的左旋斷裂（England P.et al，1990；Savage JC.，2000）。

圖4a為汾渭斷陷帶變形前的原始卡通示意圖，變形前鄂爾多斯塊體和華北平原為一個整體，華南地塊是剛性的。在不同塊體之間的相對運動期間，華南塊體比鄂爾多斯塊體更快地向ESE方向移動，從而在渭河地塹的南部邊界上創(chuàng)造一個左旋簡單剪切作用區(qū)，造成渭河地塹在NS和SES方向的構造拉張作用（圖3，圖4b）。左旋簡單剪切作用為渭河地塹的進一步擴展提供了空間（圖4b）。隨著拉張的繼續(xù)作用，純剪切可能已經(jīng)利用了薄弱地帶主導了現(xiàn)今的變形，在渭河地塹中形成了一系列NEE走向的正斷層。NEE走向斷裂吸收了大部分的震間剪切作用，從而積累了彈性應變，當應變累積超過某個NEE走向斷層的摩擦強度時，會發(fā)生大地震以釋放累積的應變。地震破裂和永久變形預計將發(fā)生在NEE走向的純剪切傾滑斷裂上。

由圖4b可知，華北平原比鄂爾多斯塊體更快地向ESE方向移動，從而在鄂爾多斯塊體的東邊界上形成了一個右旋簡單剪切作用，并造成了山西地塹系統(tǒng)在約EW方向上的構造拉張，從而形成了山西地塹系統(tǒng)，地塹系統(tǒng)受到的右旋走滑速率和拉張速率分別約為0.8 mm/a和0.7 mm/a。這種扭張變形模式使山西地塹系統(tǒng)從南到北形成一系列小型拉分盆地，如臨汾盆地、太原盆地和大同盆地，地質和地震觀測結果也驗證了這種變形。山西地塹系統(tǒng)中幾乎所有的歷史性大地震都發(fā)生在兼具傾滑或走滑特征的北北東走向斷裂帶上，例如，1303年的山西洪洞8級地震是中國歷史上最早的8級地震，也是山西地塹系統(tǒng)中記錄的最大地震，根據(jù)地質觀察和古地震探槽結果，該次地震的地表破裂以傾滑位移為主，兼具一定的水平位移（Xu Y.，2014；Xu Y.et al，2018；Jiang W.et al，2004）。山西地塹系統(tǒng)內(nèi)大型歷史地震的震源機制解（圖1）也表現(xiàn)出明顯的右旋走滑位移和傾滑位移（沈正康等，2004；He J.et al，2003）。汾渭斷陷帶的這種變形模式導致了地震復發(fā)間隔相對較短的大地震的發(fā)生（Xu Y.，2014）。汾渭斷陷帶的特征可歸納如下：1）由拉張引起的純剪切產(chǎn)生的應變很容易集中在主要邊界斷層上；2）長期的持續(xù)拉張維持了每個斷層上的應變速率不斷增長導致大地震的產(chǎn)生；3）地震會產(chǎn)生次級斷層，這些次級斷層可以調節(jié)震間應變，反過來又會引起地震。

圖4 汾渭斷陷帶變形模式卡通示意

4 結論與討論

綜上所述，本研究通過最新GPS數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，汾渭斷陷帶的現(xiàn)今變形主要由幾乎純剪切滑動的正斷層所支配，即由鄂爾多斯塊體、華北平原和華南塊體之間的相對運動所驅動。構造拉張由山西地塹系統(tǒng)中NNE向斷裂的右旋走滑以及鄂爾多斯塊體與華南塊體之間的左旋走滑所調節(jié)。這種變形模式對汾渭斷陷帶的地震發(fā)生和地球動力學具有重要意義。

渭河地塹的東部地區(qū)的地震危險性遠高于西部地區(qū)的一個重要的原因是整個東部地區(qū)SES方向的拉張速率幾乎是整個西部地區(qū)NS方向拉張速率的2倍。山西地塹系統(tǒng)的地震災害危險性也很高，其原因是山西地塹系統(tǒng)的走滑速率和拉張速率基本上相等，未來的大地震可能會繼續(xù)在山西地塹系統(tǒng)的NNE向斷裂上發(fā)生，大地震的活動方式可能是傾滑或右旋走滑。汾渭斷陷帶作為一個新生代的拉張盆地，其形成是由于地殼伸展和巖石圈變薄，而塊體移動是驅動這一地質過程的重要機制。本研究的結果表明，汾渭斷陷帶驅動伸展的過程將會長期持續(xù)，基于渭河地塹優(yōu)勢的最大拉張方向約為N160°E。