利用GPS數(shù)據(jù)探討鄂爾多斯地塊西南緣地殼動態(tài)演化特征

蔡小超 唐紅濤

1）中國鄭州 450002 河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院

2）中國西安 710054 中國地震局第二監(jiān)測中心

0 引言

利用GPS 觀測手段監(jiān)測超遠(yuǎn)距離陸地內(nèi)部各地殼板塊之間的相對運(yùn)動狀態(tài)，可揭示地殼各相鄰板塊內(nèi)部之間相互的運(yùn)動機(jī)理；同時，借助地殼板塊運(yùn)動速度亦能夠分析構(gòu)造斷裂相互作用與地震發(fā)生的潛在孕育程度，即通過借助構(gòu)造斷裂兩側(cè)板塊間的相互運(yùn)動關(guān)系與程度，可判別斷裂兩側(cè)之間是否存在走滑、擠壓、拉張等相互運(yùn)動及其相互作用的程度大小。因此，GPS 觀測手段常被用于地殼等的形變監(jiān)測，以及預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率。

鄂爾多斯地塊，也稱作鄂爾多斯盆地，北起陰山、大青山，南抵秦嶺，西至賀蘭山、六盤山，東達(dá)呂梁山、太行山，是我國第2 大沉積盆地（鄧山泉等，2015；陸遠(yuǎn)忠等，2002），其發(fā)震頻次較周邊地區(qū)明顯偏低（圖1）。由圖1 可見，鄂爾多斯地塊中無斷裂穿過，從地震震中分布與地質(zhì)斷裂分布情況來看，該地塊內(nèi)部是一個完整、堅(jiān)硬的地殼結(jié)構(gòu)體，地震與斷裂多分布于鄂爾多斯地塊周緣，即地震多發(fā)生在斷裂所在地。從鄂爾多斯地塊周邊地震震中分布來看，其西南方向?qū)氹u一帶地震頻次明顯較低。因此，為了分析該地區(qū)近年地殼運(yùn)動與板塊相互作用狀態(tài)，本文以鄂爾多斯地塊西南緣為研究對象，借助大地測量觀測手段與多期GPS 水平運(yùn)動速度場數(shù)據(jù)，利用最小二乘配置方法構(gòu)建位移與應(yīng)變間的偏導(dǎo)關(guān)系，獲取了水平應(yīng)變場，以期探究該地區(qū)包括地殼運(yùn)動與最大剪應(yīng)變、面膨脹、主應(yīng)變等應(yīng)變場在內(nèi)的地殼運(yùn)動動態(tài)演化特征。

1 區(qū)域地殼運(yùn)動背景

針對鄂爾多斯地塊的相關(guān)研究已取得一些結(jié)果。如該地塊存在2 種運(yùn)動方式，一是其自身內(nèi)部獨(dú)立逆時針旋轉(zhuǎn)，二是相對整個中國大陸而言，又是從屬關(guān)系，即鄂爾多斯地塊隨中國大陸自西北向東南方向漂移；同時，鄂爾多斯地塊北面為燕山地塊，南面為華南地塊，以鄂爾多斯地塊為穩(wěn)定參考對象，燕山地塊作西北方向運(yùn)動，華南地塊則作東南向運(yùn)動，即在該地塊北南地區(qū)形成NW—SE 方向的拉張（李延興等，2005；李天文等，2011；徐黎明等，2006；劉愛國等，1995；白云來等，2006）。常年如此相對運(yùn)動，是由該地塊四周地質(zhì)條件所決定的。鄂爾多斯地塊四周被斷裂和斷陷盆地帶所圍限（鄧起東等，1999），從鄂爾多斯地塊周緣地震震中分布可以看出（圖1），1970 年至今，地塊周邊斷裂活動頻繁，中小地震時有發(fā)生。我國歷史記載的8 級以上地震有17 次，在鄂爾多斯地塊周緣就有5 次。由圖1 可見，1970 年以來4.0 級以上地震的空間分布是不均勻的，震中主要分布于鄂爾多斯地塊西北緣、北緣及東緣，而南緣地區(qū)近50 年來基本形成1 個地震空區(qū)（馬宗晉，1982；蘇怡之等，1992）。圖2 為該區(qū)域地形、地質(zhì)構(gòu)造及GPS 水平運(yùn)動矢量圖。由圖2 可見，固原—寶雞—扶風(fēng)以東為鄂爾多斯地塊，以西為阿拉善地塊，天水—寶雞—扶風(fēng)以南為西秦嶺構(gòu)造區(qū)，因此，鄂爾多斯地塊西南緣基本位于上述3 個地質(zhì)構(gòu)造區(qū)的交匯地帶，3 個部分相互運(yùn)動交匯于此，形成了地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜的隴縣—寶雞斷裂帶。該區(qū)域有明顯的斷裂經(jīng)過，但鮮有歷史地震記錄，為了更好地了解該區(qū)域的相對運(yùn)動狀態(tài)，以該空區(qū)為對象進(jìn)行分析。

圖1 鄂爾多斯地塊周緣斷裂及1970 年以來4.0 級以上地震震中F1 龍門山斷裂；F2 竹山斷裂；F3 略陽—洋縣斷裂；F4 秦嶺北麓斷裂；F5 渭河斷裂；F6 乾縣—蒲城斷裂；F7 六盤山斷裂；F8 海原斷裂；F9 香山—天景山斷裂；F10 牛首山—大小羅山斷裂；F11 賀蘭山東麓斷裂；F12 黃河—靈武斷裂；F13 磴口—本井?dāng)嗔?；F14 狼山—色爾騰山山前斷裂；F15 大青山山前斷裂；F16 口泉斷裂；F17 系舟山北麓斷裂；F18 太谷斷裂；F19 羅云山斷裂；F20 韓城斷裂Fig.1 Distribution map of Ordos block peripheral faults and epicenters ofMS ≥4.0 from the year of 1970

圖2 GPS 水平運(yùn)動矢量圖相對于歐亞板塊，誤差橢圓為95%置信度Fig.2 The horizontal vectors of GPS site movement

2 GPS 觀測數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

所用數(shù)據(jù)為2011—2013、2013—2015、2015—2017、2017—2019 年共4 期GPS重復(fù)觀測數(shù)據(jù)。在觀測時間上，每個周期、點(diǎn)位觀測時長為4 天，每天為1 個觀測時段進(jìn)行連續(xù)觀測，且均在觀測當(dāng)年的4—7 月進(jìn)行觀測。在數(shù)據(jù)精度上，GNSS 相對定位精度滿足中、長距離觀測標(biāo)準(zhǔn)，即固定誤差不大于3 mm，比例誤差小于0.01×10-6。同時，為了避免由約束條件及處理方法的不同而產(chǎn)生的差異，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理方案對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行重新處理，消除因模型差異所導(dǎo)致的系統(tǒng)偏差：首先，利用GAMIT 對收集到的GNSS 觀測資料進(jìn)行基線解算，獲得GNSS 測站坐標(biāo)、衛(wèi)星軌道等參數(shù)及其方差—協(xié)方差矩陣的單日基線松弛解，為避免由模型和框架的差異所引起的計(jì)算結(jié)果差異，對全球約70 個均勻分布的IGS 站、基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)采用相同的模型和方法進(jìn)行處理，獲取單日基線松弛解；其次，借助GLRED 計(jì)算時間序列，檢查單天坐標(biāo)的重復(fù)性；最后，利用GLOBK將基準(zhǔn)站和觀測站多天的單日基線松弛解文件進(jìn)行多時段綜合，進(jìn)而從多年數(shù)據(jù)中估算統(tǒng)一框架下的GNSS 速度場，獲取基于歐亞板塊的歐拉旋轉(zhuǎn)矢量。此外，最終使用的速度場結(jié)果，是剔除大于3 倍中誤差后的數(shù)據(jù)，故數(shù)據(jù)可靠。如圖2 所示，4 期GPS 水平運(yùn)動速度場采用不同色標(biāo)顯示，有個別點(diǎn)位不足4 期，表示該點(diǎn)位某期數(shù)據(jù)已被剔除或該期缺少觀測，但不影響對該區(qū)域地殼運(yùn)動的整體計(jì)算與研究。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

大地表面的水平視應(yīng)變場（主應(yīng)力、最大剪應(yīng)變、面膨脹），能夠真實(shí)反映地殼內(nèi)不同地塊之間的相對運(yùn)動狀態(tài)，因此，在對GPS 數(shù)據(jù)的處理過程中，運(yùn)用最小二乘配置方法，借助水平運(yùn)動速度值經(jīng)驗(yàn)協(xié)方差函數(shù)、位移與應(yīng)變的偏導(dǎo)關(guān)系，獲取水平視應(yīng)變場的分布（張希等，1999；江在森等，2000）。借助以下的位移與形變間的偏導(dǎo)關(guān)系，能夠計(jì)算研究區(qū)域內(nèi)部任意一點(diǎn)的視應(yīng)變場

3 地殼運(yùn)動與視應(yīng)變場分析

3.1 水平運(yùn)動

水平運(yùn)動速度場能夠直觀表現(xiàn)地殼內(nèi)各區(qū)塊運(yùn)動方向與速度大小。由圖2 可見，GPS監(jiān)測點(diǎn)位共有33 個。從4 個周期的GPS 水平運(yùn)動速度場方向上來看，2011—2013 年周期速度場顯示運(yùn)動更接近正E 方向，后3 期（2013—2015 年、2015—2017 年、2017—2019 年）數(shù)據(jù)顯示運(yùn)動呈近SE 方向；從速度值上來看，2011—2013 年周期平均運(yùn)動速度后續(xù)3 個周期略大，平均約為9.0 mm/a，2013—2015 年、2015—2017 年2 期速度遞減。由此表明，GPS 觀測數(shù)據(jù)能夠揭示大陸地殼內(nèi)部物質(zhì)流的運(yùn)動方向與狀態(tài)，將其運(yùn)用于該測區(qū)，即表現(xiàn)了地殼內(nèi)部動力源由西向東的運(yùn)動方向，當(dāng)阿拉善地塊向東碰撞堅(jiān)硬的鄂爾多斯地塊時，其內(nèi)部物質(zhì)流則轉(zhuǎn)向SE 逃逸。而地震的孕育是地殼板塊之間斷裂處發(fā)生應(yīng)力積累的過程，由2 可見，在隴縣—寶雞斷裂帶以西（即渭河盆地以西），各期速度自西向東遞減，但寶雞以東幾個測點(diǎn)的速度又開始增大。因此，依據(jù)GPS 速度場數(shù)據(jù)可見，地殼物質(zhì)流在阿拉善地塊、鄂爾多斯地塊與西秦嶺構(gòu)造區(qū)交匯處，形成了地質(zhì)構(gòu)造相對復(fù)雜的隴縣—寶雞斷裂帶（由4條斷裂構(gòu)成），而該交匯區(qū)地殼內(nèi)部并無明顯的地震孕育條件，即地殼內(nèi)部物質(zhì)流加速東移，板塊間應(yīng)力積累不顯著，該特征或可成為鄂爾多斯地塊西南緣形成地震空區(qū)的原因之一。

3.2 面膨脹率

面膨脹率或面壓縮率等基于GPS 運(yùn)動速度場計(jì)算而來，它反映了地殼頂部膨脹或壓縮的速率。圖3 為2011—2013 年、2013—2015 年、2015—2017 年、2017—2019 年共4 個周期面膨脹率等值線。由圖3 可見，2011—2013 年周期，面膨脹地區(qū)主要分布于固原至平?jīng)鲆粠ВP山斷裂附近，最大年膨脹速率約9.0×10-8，另一個膨脹區(qū)位天水至扶風(fēng)，即平行于西秦嶺構(gòu)造區(qū)，最大膨脹速率出現(xiàn)在隴縣—寶雞斷裂帶，量值約8.0×10-8，且由隴縣—寶雞斷裂帶高值膨脹點(diǎn)向西、向東兩側(cè)遞減，西側(cè)至天水附近降為0，東側(cè)到扶風(fēng)一帶降為0，并由扶風(fēng)向東開始出現(xiàn)面膨脹率遞增的跡象，其他區(qū)域顯示面壓縮狀態(tài)；2013—2015 年周期，面膨脹地區(qū)主要為固原至平?jīng)?、隴縣—寶雞斷裂帶北段以及渭河盆地內(nèi)部等3 個部分，最大膨脹率出現(xiàn)在隴縣附近，約為8.0×10-8，同時，與2011—2013 年周期類似，在面膨脹地區(qū)之間又穿插著面壓縮地域，呈現(xiàn)膨脹與壓縮交錯相間之勢；2015—2017 年周期，面膨脹主要集中于2 個地域，一是六盤山斷裂南段（即平?jīng)黾捌湟晕鳎?，二是渭河盆地西端，即岐山至扶風(fēng)一帶，而前2 期一直以面膨脹為主的隴縣—寶雞斷裂帶，在該周期則顯示為面壓縮；2017—2019 年周期，面膨脹主要分布于固原、清水—隴縣、渭河盆地西端（岐山至扶風(fēng)），最大面膨脹率出現(xiàn)在隴縣西側(cè)，約為9.0×10-8。對比鄂爾多斯地塊西南緣上述4 個周期面膨脹率的動態(tài)演化圖（圖3）可見，面膨脹區(qū)域與面壓縮區(qū)域隨時間呈交替變化的特點(diǎn)，但不變的是渭河盆地西端，即岐山至扶風(fēng)一帶，始終顯示為面膨脹，這表示地殼物質(zhì)在西部擠壓的背景下，并未顯現(xiàn)壓縮特征，反而出現(xiàn)膨脹的特點(diǎn)，即由岐山向東（渭河盆地）膨脹，釋放了地殼內(nèi)部的壓應(yīng)力，故未形成孕育地震的條件。

圖3 2011—2019 年面膨脹率等值線（a） 2011—2013 年；（b）2013—2015 年；（c）2015—2017 年；（d）2017—2019 年；紅色等值線表示膨脹；黑色等值線表示壓縮Fig.3 Contours of principal strain rate from 2011 to 2019

3.3 最大剪應(yīng)變率

最大剪應(yīng)變能夠清晰地反映研究區(qū)域內(nèi)各關(guān)注點(diǎn)的變形程度，由其可以了解各區(qū)域相對形變狀態(tài)轉(zhuǎn)換情況。圖4 為2011—2019 年最大剪應(yīng)變率等值線。由圖4 可見，各期最大剪應(yīng)變率高值區(qū)分布并不一致：2011—2013 年周期最大剪應(yīng)變高值區(qū)基本位于六盤山斷裂以東，即平?jīng)鲆詵|，約為20×10-8；2013—2015年周期高值區(qū)發(fā)生南移，主要位于寶雞—隴縣斷裂帶北段東側(cè)，其值約為11×10-8；2015—2017 年周期高值區(qū)繼續(xù)南移，即位于隴縣—寶雞斷裂帶南端，其值約為20×10-8；2017—2019 年周期高值區(qū)則又返回至北方的平?jīng)鰱|側(cè)，其值約為14×10-8。因此，4 期最大剪應(yīng)變率的最高值出現(xiàn)在2015—2017 年周期的渭河盆地西端，且高值區(qū)出現(xiàn)北南輪換的情況。

圖4 2011—2019 年最大剪應(yīng)變率等值線（a）2011—2013 年；（b）2013—2015 年；（c）2015—2017 年；（d）2017—2019 年Fig.4 Contours of surface expansion rate from 2011 to 2019

3.4 主應(yīng)變率

主應(yīng)變率揭示了平面內(nèi)2 個相互垂直方向上主拉與主壓及其相互轉(zhuǎn)換的應(yīng)變狀態(tài)。圖5為2011—2019 年主應(yīng)變率。由圖5 可見，2011—2013 年周期，沿六盤山斷裂南段與隴縣—寶雞斷裂帶，主應(yīng)變率均顯示了基本平行于斷裂走向的主拉應(yīng)變，EW 向的西秦嶺構(gòu)造區(qū)則表現(xiàn)為N—S 向主拉應(yīng)變；2013—2015 年周期，隴縣—寶雞斷裂帶主應(yīng)變率整體表現(xiàn)為W—E 向主拉應(yīng)變，其值普遍小于前一周期；2015—2017 年周期在隴縣—寶雞斷裂帶北段主應(yīng)變率表現(xiàn)為N—S 向主壓應(yīng)變，進(jìn)入渭河盆地（眉縣、扶風(fēng)附近）則轉(zhuǎn)為SEE 向主壓應(yīng)變，且其值達(dá)-10×10-8，在與其垂直的NNE 方向則為拉應(yīng)變，其值約為8.0×10-8；2017—2019 年周期，渭河盆地內(nèi)部主應(yīng)變率NE 向主拉應(yīng)變明顯減弱，整個隴縣—寶雞斷裂帶均較以往量值減小。4 期主應(yīng)變率結(jié)果表明，六盤山斷裂、隴縣—寶雞斷裂帶以西，主要表現(xiàn)為W—E 或N—E 向的壓應(yīng)變，而沿斷裂走向則以拉應(yīng)變?yōu)橹鳌?/p>

圖5 2011—2019 年主應(yīng)變率（a）2011—2013 年；（b）2013—2015 年；（c）2015—2017 年；（d）2017—2019 年；箭頭向外表示拉應(yīng)變，箭頭朝內(nèi)表示壓應(yīng)變Fig.5 The maximum shear strain rate from 2011 to 2019

4 結(jié)論

基于GPS 大地測量數(shù)據(jù)，借助最小二乘配置方法構(gòu)建位移與應(yīng)變間的偏導(dǎo)關(guān)系，探討了鄂爾多斯地塊西南緣地震空區(qū)近10 年尺度地殼運(yùn)動速度場、應(yīng)變場的動態(tài)演化特征，并獲得了如下認(rèn)識。

通過GPS 水平運(yùn)動速度場可知，地殼物質(zhì)流在阿拉善地塊、鄂爾多斯地塊與西秦嶺構(gòu)造區(qū)的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造交匯處，地殼內(nèi)部物質(zhì)流加速東移，板塊間應(yīng)力積累不顯著，這一特征或可成為鄂爾多斯地塊西南緣地震空區(qū)形成的原因之一。

應(yīng)變場研究結(jié)果顯示，六盤山斷裂、隴縣—寶雞斷裂帶以西為W—E 或N—E 向的壓應(yīng)變，而沿斷裂走向則以拉應(yīng)變?yōu)橹鳎砻魑鱾?cè)地殼物質(zhì)沿鄂爾多斯地塊西南緣東遷時順時針旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動狀態(tài)。在岐山至扶風(fēng)一帶，始終表現(xiàn)為面膨脹，地殼物質(zhì)在西部擠壓的背景下，并無明顯壓縮特征，反而出現(xiàn)膨脹的特點(diǎn)，即由岐山向東（渭河盆地）膨脹，釋放了地殼內(nèi)部的壓應(yīng)力，故未形成孕育地震的條件。

雖然鄂爾多斯地塊西南緣地處阿拉善地塊、鄂爾多斯地塊與西秦嶺構(gòu)造區(qū)的交匯地，斷裂交錯，構(gòu)造復(fù)雜，但從地殼運(yùn)動與應(yīng)變場角度來看，該地區(qū)地殼東移運(yùn)動速度顯著，面膨脹及W—E 向拉應(yīng)力特征明顯，構(gòu)造內(nèi)部運(yùn)動并無閉鎖現(xiàn)象發(fā)生，因此，這可能降低了鄂爾多斯地塊西南緣地震孕育發(fā)生的概率。