張 希，蔣鋒云，唐紅濤，李瑞莎，賈 鵬

(中國地震局第二監(jiān)測(cè)中心，陜西西安710054)

汾渭斷裂帶近10年GPS觀測(cè)獲得的剖面變形與應(yīng)變積累分析*

張 希，蔣鋒云，唐紅濤，李瑞莎，賈 鵬

(中國地震局第二監(jiān)測(cè)中心，陜西西安710054)

利用1999～2009年汾渭斷裂帶GPS速度場(chǎng)觀測(cè)資料，研究了跨斷裂剖面變形動(dòng)態(tài)演化特性、應(yīng)變積累的分段差異性以及汶川大地震等的可能影響。結(jié)果表明:近10年來山西斷陷帶南段、渭河盆地中東部應(yīng)變積累相對(duì)較快，山西斷陷帶北端的蔚廣盆地南緣斷裂、渭河斷裂西段也存在一定程度應(yīng)變積累。汶川大地震影響相對(duì)明顯，2007～2009年應(yīng)變積累明顯增強(qiáng)的有渭河斷裂西段、山西斷陷帶南段和蔚廣盆地南緣斷裂。

GPS;剖面變形;應(yīng)變積累;大震影響;汾渭斷裂帶

0 引言

汾渭斷裂帶即山西斷陷帶與陜西渭河盆地?cái)嗔褏^(qū)的總稱，其北起晉冀蒙交界地區(qū)，南抵陜西關(guān)中，由一系列近NE—NNE、近EW向正斷層構(gòu)成，但也有一些段落兼走滑特性，以右旋為主，尤其是山西斷陷帶構(gòu)成，有史記載，公元前280年以來汾渭斷裂帶共發(fā)生8級(jí)地震2次、7.0～7.9級(jí)地震6次 (馬宗晉，1982;蘇怡之，王進(jìn)英，1991;張世民，2000)。2008年5月12日，距汾渭斷裂帶最近處約200 km的龍門山斷裂帶發(fā)生汶川8.0級(jí)大震后，中國地震局第二監(jiān)測(cè)中心等單位在震區(qū)及其周邊作了GPS觀測(cè)，結(jié)果顯示大震對(duì)渭河盆地尤其是其西部影響明顯 (張希等，2009a，2009b，2010a，2010b)。近兩年多來汾渭斷裂帶中小地震明顯增多:繼2009年3月28日山西原平4.2級(jí)地震后，2009年11月5日至2010年6月5日短短7個(gè)月里連續(xù)發(fā)生2009年11月5日陜西高陵4.4級(jí)、2010年1月24日山西河津4.8級(jí)、2010年4月5日山西陽高4.5級(jí)與2010年6月5日山西陽曲4.6級(jí)地震。2011年3月7日山西忻州又發(fā)生一次4.2級(jí)地震，這些地震的發(fā)生可能是因?yàn)榉谖紨嗔褞艿搅算氪ù蟮卣鸬挠绊憽?010年以來陜西渭河盆地中東部至山西斷陷帶中南段有多處定點(diǎn)連續(xù)形變與流體前兆測(cè)項(xiàng)出現(xiàn)顯著異常①中國地震局第二監(jiān)測(cè)中心.2010.中國地震局第二監(jiān)測(cè)中心2011年度地震趨勢(shì)研究報(bào)告.，使得地學(xué)工作者對(duì)汾渭斷裂帶的關(guān)注度明顯提高。筆者利用1999年有較密集觀測(cè)點(diǎn)以來，至2009年已積累10年的GPS水平運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)結(jié)果(觀測(cè)周期2～3年，2011年仍在復(fù)測(cè)中)，通過投影計(jì)算，研究跨斷裂剖面變形的動(dòng)態(tài)演化特性、應(yīng)變積累的分段差異性，以及汶川地震等8級(jí)大震的可能影響。

1 跨汾渭斷裂帶剖面變形計(jì)算方法與說明

談到剖面變形及其反映的應(yīng)變積累特性，張培震等 (2009)與張希等 (2011)對(duì)汶川大震前跨龍門山斷裂GPS(選取)剖面與長水準(zhǔn)觀測(cè)剖面的變形分析，都顯示斷裂兩側(cè)數(shù)十千米至一二百千米范圍內(nèi)明顯的位移差異變化，越靠近斷裂，位移變化量越小、呈現(xiàn)一種類似“S”或反“S”的形態(tài)特征。通過考查斷裂兩側(cè)一定范圍內(nèi)位移相對(duì)變化與曲線形態(tài)，可以估計(jì)跨斷裂處能量積聚的基本特性。要做到這一點(diǎn)，斷裂兩側(cè)站點(diǎn)不能太少、數(shù)量也要均衡。汾渭斷裂帶及其周圍積累有中國地殼運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目1999～2001年、2001～2004年、2004～2007年、2007～2009年4個(gè)分時(shí)段及1999～2009年總時(shí)段相對(duì)歐亞板塊的水平運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)結(jié)果 (圖1)。如圖2所示，筆者盡可能選取兩側(cè)站點(diǎn)多、且站點(diǎn)數(shù)比較均衡的主要斷裂 (分5個(gè)區(qū)a～e、8條斷裂段，其中的山西斷陷帶南段包含羅云山、霍山山前、太谷和平遙斷裂)，向兩側(cè)各擴(kuò)展約100 km，求取其內(nèi)GPS站點(diǎn)相對(duì)斷層線垂向距離及速度投影，計(jì)算所得GPS剖面各時(shí)段與總時(shí)段位移動(dòng)態(tài)演化情況 (圖3)。鑒于汾渭斷裂帶斷裂深度基本為一二十千米，其構(gòu)造活動(dòng)影響到地表的位移變化范圍有限 (兩側(cè)各幾十千米)，再考慮該斷裂帶兩側(cè)GPS站點(diǎn)布設(shè)、周圍其它斷裂分布的實(shí)際情況，故在斷裂兩側(cè)各取約100 km范圍分析研究是比較可行的。

圖1 各分時(shí)段相對(duì)歐亞板塊GPS水平運(yùn)動(dòng)矢量圖(a)1999～2001年;(b)2001～2004年;(c)2004～2007年;(d)2007～2009年;(e)1999～2009年Fig.1 Vectors of GPS horizontal movement relative to Eurasia Plate during several periods(a)1999—2001;(b)2001—2004;(c)2004—2007;(d)2007—2009;(e)1999—2009

圖2 GPS站點(diǎn)與選取剖面分布Fig.2 Distribution of GPS stations and chosen sections

對(duì)本文的計(jì)算方法、圖2、圖3作如下說明:

(1)為將相對(duì)歐亞板塊GPS水平運(yùn)動(dòng)速度投影至平行于斷裂走向與垂直于走向的法線方向，所用斷裂段應(yīng)該是直線段。實(shí)際斷裂構(gòu)造不完全筆直，只能用直線段近似或分段近似，故圖2中線段為實(shí)際斷裂分布，它們由基于GIS的地震預(yù)報(bào)分析系統(tǒng)Mapsis軟件中“中國斷層.Tab”文件繪制，與圖3有關(guān)的斷裂段傾向見圖3相應(yīng)文字?jǐn)⑹?，黑色粗線段為對(duì)選定斷裂直線近似后的剖面斷層段。至于包含數(shù)條小斷裂而且也不夠整齊的山西斷陷帶南段，是本文需要了解其兩側(cè)變形差異與應(yīng)變積累特性的重要段落，但其兩側(cè)GPS站點(diǎn)太少，不適合逐條計(jì)算，只能簡(jiǎn)化為一條直線段分隔兩側(cè)站點(diǎn)，其傾向取多數(shù)斷裂的傾向，最終目的是計(jì)算其兩側(cè)一定范圍內(nèi)塊體間總體變化差異，對(duì)其它斷裂段也是如此。

(2)GPS水平運(yùn)動(dòng)速度投影，分平行于走向和垂直于走向的法線方向兩個(gè)分量 (圖3)。圖中橫坐標(biāo)為相對(duì)斷層垂向距離，定義下盤為負(fù)、上盤為正;縱坐標(biāo)為所有站點(diǎn)投影后速率減去下盤最遠(yuǎn)站點(diǎn)的速率所得相對(duì)位移變化平行于走向的分量，規(guī)定正值變化反映左旋走滑，負(fù)值則為右旋走滑;垂直于走向即法線方向的分量，規(guī)定正值變化反映壓性、負(fù)值則表示拉張。此外，還規(guī)定斷層走向與傾向是遵循“右手規(guī)則”的，即伸出右手，手心向上，五指方向?yàn)閿鄬幼呦蚍较颉⒛粗讣粗赶驍鄬由媳P。鑒于計(jì)算時(shí)將斷裂兩側(cè)站點(diǎn) (正東、正北向)速率按平行于走向和垂直于走向兩個(gè)方向投影，不管上盤取在斷裂左側(cè)還是右側(cè)，計(jì)算時(shí)走向角度值 (與正北向順時(shí)針夾角)、起點(diǎn) (下盤最遠(yuǎn)處)會(huì)相應(yīng)變化，故即使選定斷層段兩側(cè)還有平行斷裂而且傾向不同，也不會(huì)影響選定斷層段兩側(cè)一定范圍內(nèi)擠壓或拉張、右旋或左旋的差異特性。

具體計(jì)算步驟如下:①尋找剖面選取范圍(圖2中虛線框所圍區(qū)域)內(nèi)GPS站點(diǎn)，假設(shè)有n個(gè)，其高斯投影坐標(biāo)為(xi，yi)，相應(yīng)正東、正北向速度值為(ui，vi)，i=1，…，n; ②計(jì)算各站點(diǎn)與斷層直線段的垂向距離，判斷其在斷裂的哪一側(cè)，下盤站點(diǎn)垂向距離再乘以－1，以區(qū)分上、下盤;進(jìn)而尋找下盤距斷層段垂向距離絕對(duì)值最大 (即距斷層最遠(yuǎn))的點(diǎn)，作為位移變化起點(diǎn)即基準(zhǔn)點(diǎn);③針對(duì)每個(gè)站點(diǎn)，求速度投影平行于走向和法線方向分量(pi，qi)，其中 pi=uisin(φi)+vicos(φi)，qi= －uicos(φi)+visin(φi)，i=1，…，n，這里的 φi為按“右手規(guī)則”斷層走向與正北向順時(shí)針夾角;④用每個(gè)站點(diǎn)速度投影分量分別減去基準(zhǔn)點(diǎn)速度投影分量值，即得到相對(duì)位移變化分量值。

(3)如上所述，200 km范圍可能跨過數(shù)條接近于平行的斷裂，其不同傾向?qū)垺盒苑治鰺o影響。而GPS水平運(yùn)動(dòng)速度投影到不同的斷裂其兩側(cè)變化曲線卻存在差異，所以本文選擇兩側(cè)站點(diǎn)較多、站點(diǎn)數(shù)相差不大的8條斷層段 (圖2)，通過剖面變化計(jì)算，希望能找到差異變化較大、能夠呈現(xiàn)一種可能與應(yīng)變積累有關(guān)、類似“S”或反“S”型的變形特征。

圖3 渭河斷裂西段剖面 (a)、渭河斷裂中東段剖面 (b)、山西斷陷帶南段剖面 (c)、恒山北麓斷裂剖面 (d)和蔚廣盆地南緣斷裂剖面 (e)的變化(圖中縱細(xì)線、橫細(xì)線分別表示斷層位置、位移變化零值線。藍(lán)色虛線表示1999～2001年剖面變化;紅色、綠色、紫色虛線分別表示2001～2004、2004～2007、2007～2009年剖面變化;黑色粗實(shí)線表示1999～2009年即最長時(shí)間尺度的剖面變化)Fig.3 Section variation at the western segment of Weihe fracture(a)，at the middle－eastern segment of Weihe fracture(b)，at the southern segment of Shanxi fracture(c)，at the northern margin fault of Hengshan(d)，and at the southern margin fault of Weiguang Basin(e)

(4)研究區(qū)內(nèi)1999～2001年、2001～2004年、2004～2007年、2007～2009年4個(gè)時(shí)段GPS站點(diǎn)速度 (分別于 1999、2001、2004、2007、2009年觀測(cè)了5期，利用GAMIT/GLOBK軟件處理獲得相鄰時(shí)段的速度場(chǎng)結(jié)果)均方根差均值分別為 1.2、1.6、1.3、1.4 mm/a，而 1999～2009年總時(shí)段站點(diǎn)速度均方根差均值僅0.4 mm/a，也沒有出現(xiàn)斷裂某一側(cè)均方根差都大、而另一側(cè)都小的情況，加上本文所用方法屬于線性計(jì)算，計(jì)算前還剔除個(gè)別均方根差很大的站點(diǎn)，筆者認(rèn)為所獲得的跨斷裂剖面變化曲線的拉張或擠壓、左旋或右旋趨勢(shì)特征是有意義的。

2 跨汾渭斷裂帶剖面變形與應(yīng)變積累分析

2.1 跨渭河斷裂剖面變形分析

渭河斷裂西段 (寶雞—武功段，南傾，圖3a，斷層段長度約130 km，斷層兩側(cè)共12個(gè)GPS站點(diǎn))在汶川大震前及近10年略微有點(diǎn)左旋、但上、下兩盤差異微弱，2007～2009年上盤相對(duì)下盤差異量值大增，右旋變化顯著;而法線方向兩盤差異總體變化也較穩(wěn)定并以拉張為主，相對(duì)走滑分量明顯，1999～2001年、2001～2004年總體拉張，2004～2007年略微反向 (由上一時(shí)段的拉張轉(zhuǎn)為擠壓)，2007～2009年該斷裂段恢復(fù)拉張變化、速度劇增，上盤相對(duì)下盤最遠(yuǎn)處最大變化量達(dá)6.9 mm/a，是1999～2009年總時(shí)段兩盤速度差異的4倍?？傮w上該斷裂段剖面變形以拉張變化為主與地質(zhì)活動(dòng)背景一致，反映了一定的應(yīng)變積累特性，近10年最長時(shí)間尺度兩盤速度差異變化約1.6 mm/a;受汶川大地震影響顯著、應(yīng)變積累加速，與萬永革等 (2009)的庫侖應(yīng)力變化計(jì)算結(jié)果一致。

渭河斷裂中東段 (武功—華縣—潼關(guān)段，南傾，圖3b，斷層段長度約209 km，斷裂兩側(cè)共14個(gè)GPS站點(diǎn))右旋特征清晰，1999～2009年總時(shí)段兩盤速度差異為2～3 mm/a左右，2001～2004年兩盤右旋差異弱于1999～2001年;2004～2007年、2007～2009年，尤其后一時(shí)段右旋變化明顯加速。斷裂兩側(cè)法線方向1999～2001年的相對(duì)變化反映弱壓性，2001～2004年時(shí)段較1999～2001年時(shí)段壓性差異減弱、斷裂附近略微反向 (由上一時(shí)段的壓性轉(zhuǎn)為拉張)，2004～2007年該斷裂段壓性明顯，2007～2009年則出現(xiàn)相反的拉張?zhí)匦?，不排除是受汶川大震調(diào)整 (負(fù))影響的可能。1999～2009年總時(shí)段反映右旋兼弱壓性變化，有一定程度應(yīng)變能積累?？傮w來看，昆侖山口西巨震與汶川大地震對(duì)其均有影響，這種影響可能以調(diào)整為主，所得結(jié)果與張希等 (2009b)庫侖應(yīng)力變化計(jì)算結(jié)果一致。

2.2 跨山西斷陷帶剖面變形分析

山西斷陷帶南段 (稷山—榆次段，以北西傾為主，圖3c，斷層段長度約316 km，斷裂兩側(cè)共18個(gè)GPS站點(diǎn))，由南至北包含羅云山斷裂、霍山山前斷裂、太谷斷裂、平遙斷裂)右旋走滑明顯，2001～2004年右旋走滑略弱于1999～2001年(不排除受昆侖山口西8.1級(jí)大震弱調(diào)整影響)，2004～2007年右旋走滑略增，2007～2009年斷裂附近兩盤差異微弱;而斷裂兩側(cè)法線方向相對(duì)拉張?zhí)匦砸卜浅Ｇ逦?999～2001年、2001～2004年、2004～2007年3個(gè)時(shí)段變化基本穩(wěn)定，2007～2009年斷裂兩盤差異明顯增強(qiáng)，比走滑分量改變明顯，汶川地震的影響總體為正。近10年來最長時(shí)間尺度右旋、拉張差異均明顯(至少2～3 mm/a)，與構(gòu)造背景一致，總體反映應(yīng)變積累特性。

山西斷陷帶北段五臺(tái)山北麓斷裂走滑特征不顯著 (圖略)，1999～2001年、2001～2004年、2004～2007年、2007～2009年4個(gè)小時(shí)段呈現(xiàn)波動(dòng)、右旋變化穩(wěn)定，兩盤差異偏小;法線方向兩盤差異也如此，只有2007～2009年拉張?jiān)鰪?qiáng)，總體上應(yīng)變積累并不快。而與其平行的恒山北麓斷裂 (圖3d，北西傾，斷層段長度約135 km，斷裂兩側(cè)共25個(gè)GPS站點(diǎn))右旋變化要比五臺(tái)山北麓斷裂明顯一些，但應(yīng)變積累總體不高 (汶川大地震對(duì)其有些擾動(dòng)影響，波動(dòng)性增強(qiáng)但正、負(fù)影響尚難確定);法線方向變化分量也是如此，昆侖山口西大地震調(diào)整影響、汶川大地震影響 (正影響略微明顯)也比五臺(tái)山北麓斷裂明顯，總體上1999～2009年右旋拉張略占優(yōu)勢(shì)，與構(gòu)造背景一致，但長時(shí)間尺度剖面變化遠(yuǎn)沒有山西斷陷帶南段乃至渭河斷裂顯著。

山西斷陷帶北端、晉冀蒙交界區(qū)附近的蔚廣盆地南緣斷裂 (蔚縣附近，北西傾，圖3e，斷層段長度約163 km，斷裂帶兩側(cè)共46個(gè)GPS站點(diǎn))走滑方向波動(dòng)明顯，尤其是在2007～2009年;法線方向變化分量以拉張為主要特性，量值較走滑量明顯，與構(gòu)造背景一致，尤其是2007～2009年，拉張差異大幅增強(qiáng)?？傮w來看，1999～2009年垂直于斷裂走向兩側(cè)的拉張差異也接近2 mm/a，存在一定程度的應(yīng)變積累。陽原盆地北緣斷裂 (圖略)長時(shí)間尺度走滑方向兩盤差異不大、只有2007～2009年右旋為主的波動(dòng)加劇;法線方向兩盤差異也是如此弱于蔚廣盆地南緣斷裂。陽高—天鎮(zhèn)斷裂 (圖略)的剖白變形與應(yīng)變積累情況與陽原盆地北緣斷裂相似，汶川大震也可能對(duì)其造成擾動(dòng)影響。

需要補(bǔ)充說明的是，由于五臺(tái)山北麓斷裂、陽原盆地北緣斷裂、陽高—天鎮(zhèn)斷裂在1999～2009年期間剖面變化偏弱 (多數(shù)斷裂2007～2009年即汶川大震期間擾動(dòng)變化增強(qiáng))，限于篇幅，本文略去相應(yīng)剖面圖;對(duì)恒山北麓斷裂只給出2004～2007年、2007～2009年、1999～2009年剖面變化。事實(shí)上本文所獲得的，僅是一種觀測(cè)資料所反映的10年間的剖面位移變化，與長期地質(zhì)資料顯示的構(gòu)造活動(dòng)特性、量值可能一致，也可能存在差異，但本文計(jì)算結(jié)果至少表明汾渭斷裂帶拉張 (即正斷)為主、兼走滑 (右旋占多數(shù))的基本特性與地質(zhì)背景一致。

3 結(jié)論與討論

就1999～2009年10年的長時(shí)間尺度而言，汾渭斷裂帶應(yīng)變積累速度總體偏慢，但其中的山西斷陷帶南段 (稷山—榆次段)、渭河盆地中東部(武功—華縣—潼關(guān)段)即晉—陜交界及其附近地區(qū)應(yīng)變積累速度相對(duì)較快，兩盤變化差異2～3 mm/a，甚至達(dá)到3 mm/a以上，剖面變化曲線大體上表現(xiàn)出可能與應(yīng)變積累有關(guān)的類似反“S”型的特征，較張培震等 (2009)、張希等 (2011)估算的汶川大地震前跨龍門山斷裂數(shù)十至200 km長度的剖面變化最高近2 mm/a的差異速度略快。山西斷裂帶北端的蔚廣盆地南緣斷裂、渭河斷裂西段也存在一定程度的應(yīng)變積累，斷裂兩側(cè)差異變化達(dá)1.6～2 mm/a左右;其它段落變化相對(duì)穩(wěn)定。2001年昆侖山口西8.1級(jí)大地震對(duì)部分段落有弱 (松弛)調(diào)整影響;而2008年汶川8.0級(jí)大地震的影響更為明顯和普遍，2007～2009年應(yīng)變積累明顯增強(qiáng) (可能包含促進(jìn)影響)的有渭河斷裂西段、山西斷裂帶南段、北端的蔚廣盆地南緣斷裂等，但也不排除包含該次大震部分孕震信息的可能性，有些段落2004～2007年就增強(qiáng)或張壓特性轉(zhuǎn)換。其它段落顯示出不同程度的擾動(dòng)影響。近兩年多來陜西高陵，山西河津、陽曲、忻州發(fā)生的4級(jí)以上地震位于晉—陜交界及其附近，陽高地震則位于山西斷裂帶北端以西，這些地震均發(fā)生在應(yīng)變積累相對(duì)明顯、且受汶川大地震影響的區(qū)域或其附近。

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Analysis on the Section Deformation and Strain Accumulation of the Fen-Wei Fracture Belt Observed by GPS in Recent 10 Years

ZHANG Xi，JIANG Feng-yun，TANG Hong-tao，LI Rui-sha，JIA Peng
(The Second Monitoring and Application Center，CEA，Xi'an 710054，Shaanxi，China)

Using velocity-field data observed by GPS from 1999 to 2009 in the Fen-Wei Fracture Belt，we study the features of the dynamic evolution of the cross-fracture section deformation，the difference of strain accumulation between fracture segments，and the possible influence of the MS8.0 Wenchuan Earthquake on the Belt.The result shows that in recent 10 years，the southern segment of the Shanxi Fracture and the middle-eastern Weihe Basin displayed relatively faster strain-accumulation，the southern margin fault of the Weiguang Basin and the western segment of the Weihe fracture also existed strain accumulation to some extent.All these variation obviously resulted from the Wenchuan Earthquake.From 2007 to 2009，the strain accumulation increased in the western segment of the Weihe Fracture，the southern segment of the Shanxi Fracture and the southern fault in the margin of the Weiguang Basin.

GPS;section deformation;strain accumulation;influence of great earthquake;the Fen-Wei Fracture Belt

P315.72+7

A

1000－0666(2011)04－0504－07

2011－06－22.

2011年度陜西省科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“汾渭斷裂帶地殼運(yùn)動(dòng)的非均勻負(fù)位錯(cuò)模擬與應(yīng)變積累研究”(2011JM5016)與國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“汶川大震對(duì)應(yīng)變積累的影響研究”(40974005)共同資助.