滇中引水工程區(qū)形變場特征分析

付平 陸進彬 李志榮 董志宏 吳榮琴 尹健民

摘要：

為分析滇中引水工程區(qū)的形變場特征，基于多期次GNSS觀測及跨斷層監(jiān)測資料，借助速度場聚類與最小二乘配置算法，以及斷層剛體運動等模型，推求了該區(qū)域主要斷裂的現(xiàn)今活動速率和區(qū)域應(yīng)變率分布，解算了活動斷裂三維運動變化過程。研究表明：小金河-麗江斷裂南段和小江斷裂南段是兩個強烈的地表變形區(qū)，楚雄段所在區(qū)域的構(gòu)造運動相對穩(wěn)定；建水盆地東緣斷裂一帶的剪應(yīng)力積累水平較高；麗江-劍川斷裂南段在2011年前后由張扭逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴号み\動性質(zhì)；2018年后，麗江-劍川斷裂南段走滑速率較低，曲江斷裂南東段的拉張活動強烈。研究成果可為穿越活動斷裂的長線工程場地穩(wěn)定性分析和結(jié)構(gòu)抗錯斷設(shè)計提供參考依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：

活動斷裂； 斷裂活動速率； 應(yīng)變率場； 活動特征； 滇中引水工程

中圖法分類號： P541

文獻標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.020

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟和社會發(fā)展，為構(gòu)建國家水網(wǎng)主骨架和大動脈、提升水資源優(yōu)化配置能力，一批重點水源和重大引調(diào)水工程建設(shè)正在加快推進。滇中引水工程新建輸水隧洞62 座，總長610.49 km，全線隧洞占比超過92%，其中香爐山隧洞長達62.6 km，新建倒虹吸25座，總長42.66 km［1］。中國西南地區(qū)內(nèi)外動力地質(zhì)作用強烈，活動性斷裂密集發(fā)育，這些長線隧洞和倒虹吸等地下或地表建筑物不可避免地穿越不同的地質(zhì)構(gòu)造單元與不同尺度的活動斷裂。因此，開展工程區(qū)形變場特征研究、準(zhǔn)確定量獲得活動斷裂區(qū)的運動和變形參數(shù)，對穿越活動斷裂的工程結(jié)構(gòu)抗錯斷設(shè)計、保障工程施工和運維安全具有重要意義［2-3］。

大地測量是研究活動斷裂區(qū)形變特征最直接有效的方法，其原理是通過觀測地面上離散站點的空間坐標(biāo)變化，經(jīng)解譯處理后給出地表的運動和變形量，主要有GNSS、InSAR和跨斷層測量等觀測手段［4-6］。過去幾十年，GNSS技術(shù)的觀測精度和網(wǎng)絡(luò)密度均得到了大幅提升。跨斷層測量作為一種觀測物理意義明確、測量精度高的地震前兆監(jiān)測方法，能夠準(zhǔn)確記錄斷層的活動狀態(tài)。川滇地區(qū)是中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)GNSS連續(xù)站和流動站布設(shè)最密集的區(qū)域，且云南地區(qū)十余個跨斷層監(jiān)測場地有近40 a的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)出，這些都為該地區(qū)的活動斷裂形變場研究提供了豐富的基礎(chǔ)資料。

目前，已有不少關(guān)于云南地區(qū)地殼形變、運動學(xué)特征及其動力學(xué)機制的研究工作。李延興、楊國華等根據(jù)云南地區(qū)1999～2001年不同期GPS 觀測資料求解水平運動和應(yīng)變圖像，研究了云南不同活動構(gòu)造單元的形變特征，揭示了滇中塊體周邊的活動斷裂位移較大、活動性較強的特點［7-8］。王伶俐等［9］以云南地區(qū)2009～2011年多期GPS速度場為約束，建立塊體的運動-應(yīng)變模型，對主要塊體活動性進行了分析。孫云梅等［10］利用1999～2013年多期GPS數(shù)據(jù)，研究了云南地區(qū)應(yīng)變特征的分區(qū)性，并借助位錯模型反演了主要斷裂帶的走滑速率。周海濤等［11］利用1982～2009年云南地區(qū)跨斷層短基線觀測資料，基于活動斷裂及周邊均勻應(yīng)變場假設(shè)，研究了該地區(qū)應(yīng)變的年變化特征。蘇廣利等［12］利用1993～2017 年多期精密水準(zhǔn)觀測資料，計算了云南不同區(qū)域在不同時期的垂直形變場，揭示了主要斷層的垂向運動特性。徐東卓等［13］基于云南地區(qū)跨斷層監(jiān)測資料，利用斷層活動協(xié)調(diào)比方法分析了區(qū)域斷層活動和應(yīng)力應(yīng)變累積狀態(tài)。

然而，現(xiàn)有研究大多基于云南地區(qū)2013年以前的早期大地測量資料，針對次級塊體特別是活動斷裂的運動和形變特征研究并不充分，且不同學(xué)者存在不同認(rèn)識。本文在前人工作的基礎(chǔ)上，以滇中引水工程區(qū)為研究對象，利用不同期次GNSS 觀測數(shù)據(jù)和最新的跨斷層場地連續(xù)監(jiān)測資料，基于速度場聚類算法估算主要斷裂帶活動速率，分析區(qū)域應(yīng)變率場的動態(tài)演化特征，

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景

滇中引水工程所在的云南地區(qū)位于歐亞板塊與印度板塊中國大陸碰撞帶，是喜馬拉雅構(gòu)造域東南弧形轉(zhuǎn)折的一部分［14］。引水線路全長約663 km，穿越區(qū)大致被瀾滄江、麗江-小金河、金沙江-紅河、彌勒-師宗等區(qū)域性活動斷裂所圍限，由北向南依次涉及松潘-甘孜褶皺系、揚子準(zhǔn)地臺和華南褶皺系3個一級構(gòu)造單元，各個一級構(gòu)造單元又被次級斷裂進一步劃分為二級和三級構(gòu)造單元。

工程區(qū)西北部主要屬青藏高原橫斷山脈，東南部主要屬云貴高原，地勢總體西高東低、北高南低，呈階梯式下降，由西北向東南掀斜。區(qū)內(nèi)北東向及北西向斷裂成束發(fā)育，新構(gòu)造運動活躍，歷史地震頻發(fā)。與引水線路直接相交的有麗江-小金河斷裂、鶴慶-洱源斷裂、龍蟠-喬后斷裂、曲江斷裂、建水盆地東緣斷裂共5條全新世活動斷裂，有程海-賓川斷裂、綠汁江斷裂、普渡河斷裂、湯郎-易門斷裂、李浩寨斷裂等共11條晚更新世活動斷裂，如圖1所示。

2 主要斷裂帶現(xiàn)今活動速率估算

2.1 GNSS速度場聚類分析

基于大地測量數(shù)據(jù)研究活動地塊的運動狀態(tài)時，宜采用塊體模型。然而，對于此類分片計算方法，不同的塊體幾何模型會得到不同的斷裂帶運動速度。造成這種差異的原因是塊體邊界選擇時存在不確定性，因此合理的活動塊體劃分是進行構(gòu)造運動和斷裂活動性分析的重要前提。GNSS速度場是地殼運動的直接體現(xiàn)，對GNSS速度矢量進行聚類分析進而映射到地理空間上，可以在數(shù)學(xué)意義上保證局部塊體劃分的準(zhǔn)確性。

由于垂直方向上的GNSS坐標(biāo)時間序列觀測數(shù)據(jù)可靠度相對較低［15］，本節(jié)僅從水平運動的角度開展分析。對云南地區(qū)及周緣270個GNSS區(qū)域站和基準(zhǔn)站2013～2015年的坐標(biāo)時間序列數(shù)據(jù)進行線性回歸，獲得ITRF2008框架下的各站點年平均速度，利用歐拉算法消除歐亞大陸整體剛性旋轉(zhuǎn)分量后，得到各站點的相對速度，作為聚類分析的源數(shù)據(jù)，如圖2所示。

動態(tài)聚類方法中的K中心點算法噪聲敏感度低且魯棒性高［16-17］，具有良好的聚類效果。本文提出了GNSS速度場的中心點聚類算法，具體實施步驟如下：① 讀入速度場數(shù)據(jù)集D，設(shè)定目標(biāo)聚類簇數(shù)k和訓(xùn)練輪數(shù)T；② 在D中隨機選擇k個速度樣本作為初始均值向量；③ 計算其余速度樣本與各均值向量的距離，并將該速度樣本劃歸到距離最小的一簇中；④ 在每一簇中依次選取速度樣本作為均值向量，計算該速度樣本與當(dāng)前簇中各速度樣本的距離之和，將取得最小值的速度樣本視為新的均值向量；⑤ 重復(fù)步驟③～④，直至各簇的均值向量即中心點不再變化。

對所有站點速度矢量進行初次聚類，聚類數(shù)為5時的結(jié)果如圖3所示，圖3（a）中不同顏色代表不同的速度聚類簇，圖3（b）為各簇速度對應(yīng)的站點在地理空間上的映射。可以看到，騰沖-保山塊體（TB）、蘭坪-思茅弧后盆地（LS）和川滇菱形塊體南部（CD）能夠被清晰地識別出來，但在引水線路經(jīng)過的揚子板塊和華南板塊內(nèi)部二級活動塊體未被識別，一些深大活動斷裂如小金河-麗江、小江等塊體邊界斷裂未被檢測到。因此，對這兩個區(qū)域的速度場分別進行二次聚類，聚類數(shù)分別設(shè)置為3和2，圖4所示的聚類結(jié)果顯示：揚子板塊被進一步劃分為鹽源-麗江塊體（YL）、滇中塊體（DZ）、康滇塊體（KD），原華南板塊北部被劃分成滇東塊體（DD），其中，小金河-麗江-劍川斷裂位于鹽源-麗江塊體和滇中塊體的邊界，元謀-綠汁江斷裂位于滇中塊體和康滇塊體的邊界，小江斷裂位于康滇塊體和滇東塊體的邊界，彌勒-師宗、李浩寨和建水東緣盆地斷裂位于滇東塊體與華南塊體的邊界。

3 區(qū)域應(yīng)變率場及變化特征分析

3.1 基于多期GNSS數(shù)據(jù)的應(yīng)變率場解算

不同于地殼運動速度場，應(yīng)變描述的是觀測點之間的相對運動，對參考基準(zhǔn)沒有依賴性，能夠更加全面地體現(xiàn)地殼變形的不同性質(zhì)與強度。

以云南地區(qū)及周緣1999～2007年、2009～2013年、2013～2015年共3期GNSS觀測水平速度數(shù)據(jù)作為約束條件，基于最小二乘配置理論和球面應(yīng)變計算方法，解算滇中引水線路近場區(qū)域的應(yīng)變率分布，從應(yīng)變率場動態(tài)變化角度研究活動斷裂區(qū)的地表形變特征。2013～2015年的速度場如圖2所示，1999～2007年、2009～2013年兩期速度場如圖5所示。

3.2 應(yīng)變率場變化特征分析

從圖7中的應(yīng)變率場演變過程可以看出，在整個引水線路上，小金河-麗江斷裂南段（與大理Ⅰ段相交）和小江斷裂南段始終是兩個較強烈的地表變形區(qū)，楚雄段所在區(qū)域變形微弱，屬于構(gòu)造運動相對穩(wěn)定區(qū)。

龍蟠-喬后、麗江-劍川、程海-賓川斷裂一帶的東西向拉張變形有所增強，南北向變形性質(zhì)則由壓縮變形轉(zhuǎn)換為拉張變形，小江斷裂南部、石屏-建水?dāng)嗔押颓瓟嗔岩粠У臇|西向拉張變形逐漸減弱。此區(qū)域為南北向壓縮變形的高值區(qū)，且高值區(qū)有向北遷移和縮小的趨勢。從面應(yīng)變率來看，拉張變形主要集中在麗江-劍川和程海-賓川斷裂附近。2013年以后，研究區(qū)整體呈現(xiàn)出以麗江為中心的中部拉張、四周擠壓的變形特征，小江斷裂沿線的壓縮變形性質(zhì)與川滇塊體東邊界南段形成構(gòu)造擠壓區(qū)的地質(zhì)背景一致。從最大剪應(yīng)變率來看，小江斷裂中段和南段、普渡河斷裂南段、一朵云-龍?zhí)渡綌嗔鸭胞惤?劍川斷裂、鶴慶-洱源斷裂一帶為局部的最大剪應(yīng)變高值區(qū)，這與小江斷裂、麗江-劍川斷裂現(xiàn)今走滑速率相對較高的事實一致，但高值區(qū)分布長度和面積有所減小，表明剪切變形存在弱化現(xiàn)象。此外，與紅河段相交的建水盆地東緣斷裂，以及維西-喬后、挖色-賓居斷裂處在最大剪應(yīng)變率高值與低值的過渡區(qū)域，即該地區(qū)的剪切應(yīng)力積累水平較高，結(jié)合最大剪應(yīng)變率高值區(qū)及邊緣易發(fā)生地震的規(guī)律特性［27］，如“5·21”漾濞6.4級地震，建議加強對此活動斷裂的跨斷層監(jiān)測，尤其是引水線路與斷裂交匯區(qū)的加密觀測。

4 基于跨斷層監(jiān)測的主要斷裂活動性分析

4.1 跨斷層場地三維運動參數(shù)計算

跨斷層形變測量是一種測量精度高、便于組織實施、數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠的斷裂活動性監(jiān)測方法。通過多期次、短距離的跨斷層水準(zhǔn)和基線測量，準(zhǔn)確記錄斷層上盤與下盤之間的相對位移，監(jiān)測活動斷裂的三維運動過程，能夠反映斷裂帶及其所在區(qū)域長、中、短期的地表變形性質(zhì)與強度。

圖1所示滇中引水工程近場區(qū)域內(nèi)有峨山、建水、劍川、麗江、石屏、通海、永勝、宜良和尋甸共9處跨斷層觀測場地，分布在小江斷裂、曲江斷裂、麗江-劍川斷裂及其次級斷裂上。以上每個場地均至少包括2條短水準(zhǔn)和2條短基線測線，分別各有1條與斷層直交和斜交的測線，以流動觀測為主。針對與引水線路直接相交的全新世及晚更新世活動斷裂，收集了該區(qū)域1982年2月至2021年1月間麗江、劍川、永勝、峨山、通海等5個場地的跨斷層監(jiān)測數(shù)據(jù)，觀測周期多為1月/期，個別年份為2月/期，數(shù)據(jù)連續(xù)且完整，質(zhì)量良好。監(jiān)測場地信息如表3所列。

跨斷層位移監(jiān)測的目的在于了解斷層的運動學(xué)特征。對一些實測資料的分析表明：在斷層附近的一定范圍內(nèi)，其跨斷層點位間的相對位移主要由斷層上下兩盤間的相對運動造成，而巖體介質(zhì)應(yīng)變在這一局部區(qū)域的影響可以忽略不計［28］。所以，通過測量資料分析斷層的運動時，一般可把兩盤視為不變形的剛體處理。根據(jù)如圖8所示的斷層剛體運動模型［29］，考慮測線兩端點存在的水準(zhǔn)高差，斷層兩盤的三維活動引起的基線旋轉(zhuǎn)量和張壓量應(yīng)同時包含水平和垂直變化引起的部分，由此推導(dǎo)出斷層水平走滑位移量ΔS、水平壓張位移量ΔR以及垂直方向上錯動量ΔH的計算式如下：

4.2 主要斷裂活動特性分析

從圖9所示的結(jié)果曲線可以看出：① 麗江-劍川斷裂南段在2011年之前主要表現(xiàn)為張扭活動性質(zhì)。值得注意的是，麗江-劍川斷裂斷層泥剪切面上的微-納米級顆粒觀測研究［30］表明斷層面發(fā)育大量微米級顆粒，而納米級顆粒較少，可能的原因是在麗江-劍川斷裂活動的過程中，斷層面上應(yīng)力作用較小，不足以使巖石形成納米顆粒，這也從側(cè)面證明麗江-劍川斷裂歷史上曾經(jīng)以張扭活動為主。② 麗江-劍川斷裂南段在2011年之后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴盒杂倚呋\動性質(zhì)，但整體上擠壓變形強度較弱，2018年后走滑活動速率處在較低水平。③ 麗江-劍川斷裂北段主要表現(xiàn)為壓扭性質(zhì)，且右旋走滑活動強度較南段強烈，跨斷層監(jiān)測數(shù)據(jù)揭示麗江-劍川斷裂表現(xiàn)出的運動學(xué)特征與地質(zhì)背景不一致，需加以關(guān)注和進一步研究。④ 程海-賓川斷裂北段表現(xiàn)出明顯的張性右旋走滑活動，近5 a的走滑速率約3 mm/a，不同于南段的左旋走滑運動性質(zhì)。⑤ 曲江斷裂南東段從2003年開始表現(xiàn)出強烈的正斷拉張性質(zhì)，走滑活動強度不高，但有增強趨勢，北西段則表現(xiàn)出明顯的右旋走滑運動，2019年之后走滑活動強度有所減弱。

跨斷層研究結(jié)果表明，活動斷裂不同區(qū)段以及在不同時期的活動性質(zhì)和活動強度可能存在顯著差異。因此，有必要針對性地開展斷裂活動期次和活動性分帶研究，以更好地指導(dǎo)工程實際。

5 結(jié) 論

本文采用GNSS速度場聚類分析方法估算了斷裂帶現(xiàn)今活動速率，根據(jù)速度場最小二乘配置理論和球面應(yīng)變計算方法解算了區(qū)域應(yīng)變率場分布，利用活動斷裂剛體運動模型和跨斷層基線、水準(zhǔn)資料求解活動斷裂三維運動變化過程，較全面地揭示了滇中引水工程沿線典型活動斷裂區(qū)域的運動及形變場特征。所得認(rèn)識如下。

（1） 通過對GNSS速度場的聚類分析進而映射到地理空間上，能夠在數(shù)學(xué)意義上保證研究區(qū)次級活動塊體劃分的合理性?；趬K體整體旋轉(zhuǎn)與均勻應(yīng)變模型估算，與引水線路相交的麗江-劍川、鶴慶-洱源、元謀-綠汁江、李浩寨斷裂的左旋走滑速率約1.6～2.1 mm/a，壓張速率較低。

（2） 與大理Ⅰ段相交的小金河-麗江斷裂南段和近昆明玉溪段的小江斷裂南段始終是兩個強烈的地表變形區(qū)，楚雄段所在區(qū)域變形微弱，構(gòu)造運動相對穩(wěn)定，麗江-劍川和鶴慶-洱源斷裂一帶的剪切變形有所減弱，與紅河段相交的建水盆地東緣斷裂處在最大剪應(yīng)變率高值向低值的過渡區(qū)域，剪切應(yīng)力累積水平較高。

（3） 與引水線路直接相交的麗江-劍川斷裂及程海-賓川斷裂北段在2011年后的活動性質(zhì)表現(xiàn)出了異于地質(zhì)背景的現(xiàn)象，2013年后，麗江-劍川斷裂北段和程海-賓川斷裂北段走滑活動速率較高，麗江-劍川斷裂南段走滑速率較低，曲江斷裂南東段的拉張活動強烈。

（4） 活動斷裂不同區(qū)段以及在不同時期的活動性質(zhì)和活動強度存在顯著差異，為了更好地指導(dǎo)工程實際，有必要針對性地開展斷裂活動期次、活動性分帶及其活動模式研究。

基于高精度大地測量數(shù)據(jù)的計算數(shù)學(xué)方法是研究活動斷裂區(qū)形變運動場的有效手段，然而活動構(gòu)造本身極為復(fù)雜，其復(fù)雜性的表現(xiàn)之一是構(gòu)造運動在深淺部存在一定差異。目前，滇中引水工程已經(jīng)全線開工建設(shè)，穿越活動斷裂隧洞段的陸續(xù)開挖為探究活動斷裂深部的長期形變運動特征提供了絕佳窗口。開展地表運動觀測的同時進行地下圍巖形變監(jiān)測，能夠更加系統(tǒng)深入地研究深大活動斷裂的活動特性及其對深埋隧洞工程的影響。

致 謝

感謝中國地震局第一監(jiān)測中心提供的GNSS觀測和跨斷層監(jiān)測數(shù)據(jù)。

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（編輯：高小雲(yún)）

Abstract：

In order to analyze the characteristics of deformation field in central Yunnan water diversion project area，based on multistage GNSS observation data，cross-fault monitoring data，and by means of velocity field clustering，least squares collocation algorithm and with fault rigid-body motion model，current movement rates and strain rates of main active faults in this area were deduced，the processes of three dimensional movement of active faults were also resolved.The results indicated that the southern segment of Xiaojinhe-Lijiang fault and Xiaojiang fault had always been two strong deformation zones，the recent regional tectonic movement of Chuxiong segment of the water diversion route was relatively stable.The eastern margin fault of Jianshui basin was characterized as high level of shear stress accumulation.The active mode of southern segment of Lijiang-Jianchuan fault had converted from tensile strike-slip to compressive strike-slip since 2011.After 2018，the southern segment of Lijiang-Jianchuan fault had a lower strike-slip rate，while the extension of southeast segment of Qujiang fault was strong.The research results can provide reference for stability analysis of cross-fault long line project sites and faults movement resistance design of engineering structures.

Key words：

active fault；movement rate；strain rate field；active characteristics；central Yunnan water diversion project