瞿 偉 王慶良 張 勤 彭建兵 張 明

1)長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，西安 710054

2)西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點實驗室，西安 710054

3)中國地震局第二監(jiān)測中心，西安710054

1 引言

大同盆地是汾渭盆地內(nèi)地殼構(gòu)造活動強烈、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的典型區(qū)域，特別是近年來以大同市地裂縫災(zāi)害最為典型和嚴重［1，2］。為了進一步研究大同盆地現(xiàn)今地殼三維構(gòu)造活動速率與變形特征，及其與區(qū)域長期構(gòu)造變形背景之間的關(guān)系，以及區(qū)域地殼應(yīng)變場與盆地內(nèi)典型地裂縫大同市地裂縫發(fā)育的構(gòu)造成因關(guān)系等問題，利用中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)工程項目在大同盆地內(nèi)的2006—2010年高精度GPS 監(jiān)測成果，通過構(gòu)建合理的形變反演模型，結(jié)合參數(shù)顯著性檢驗方法，獲取了大同盆地現(xiàn)今地殼三維運動速度場、應(yīng)變特征參數(shù)及其分布特征，并結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造，分析了區(qū)域構(gòu)造應(yīng)變場與大同市地裂縫群發(fā)育的構(gòu)造成因關(guān)系。

2 大同盆地現(xiàn)今地殼三維形變場

GPS 數(shù)據(jù)來源于中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)工程項目在大同盆地的14 個地殼運動GPS 站點的觀測資料?；谏鲜龈呔缺O(jiān)測數(shù)據(jù)，利用GAMIT/GLOBK軟件對2006—2010年GPS 監(jiān)測資料進行了統(tǒng)一解算平差處理，獲得了ITRF2005 參考框架下相對于歐亞板塊的速度場，同時為最大限度地凸顯出盆地內(nèi)部構(gòu)造變形差異特征，進一步獲得了盆地地殼水平差異運動速度場。各站點水平與垂直速度場如圖1、2 所示，其中各GPS 站點南北、東西向點位中誤差均小于1.0 mm/a。

圖1 大同盆地地殼相對水平運動速度場(2006—2010年)Fig.1 Crustal relative velocity field of horizontal movement of Datong basin from 2006 to 2010

從圖1 可見，盆地西北部地殼呈明顯的水平拉張伸展狀態(tài)，特別是在大同市南部地區(qū)，其水平拉張量明顯大于盆地內(nèi)其他區(qū)域。

圖2 顯示出大同盆地內(nèi)的GPS 站均呈下沉狀態(tài)，其中DK03 站的最大沉降量達－10.79 mm/a，而盆地的邊緣山區(qū)相反均呈上升趨勢。同時從圖2 還可以看出，口泉斷裂帶現(xiàn)今具有較明顯的“正斷型”活動特征。

圖2 大同盆地地殼垂直運動速度場(2006—2010年)Fig.2 Crustal velocity field of vertical movement of Datong basin from 2006 to 2010

3 大同盆地現(xiàn)今地殼應(yīng)變特征參數(shù)及其分布特征

由于大同盆地內(nèi)GPS 站構(gòu)成的三角形形狀因子整體性較好［3］，據(jù)此，本文采用三角形圖形單元法建立區(qū)域應(yīng)變分析模型，求解區(qū)域地殼應(yīng)變特征參數(shù)。

3.1 應(yīng)變參數(shù)求解模型的建立

設(shè)監(jiān)測點間相對形變量與地殼應(yīng)變張量的線性關(guān)系式為

其中U是相對形變量向量，T 為應(yīng)變張量，A 為轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣。

根據(jù)式(1)，在橢球面上利用GPS 觀測量計算二維應(yīng)變的公式為［4］:

可將式(2)寫成:

式中［UE，UN］T代表三角形點的速率值，［UE0，UN0］T代表三角形重心點的速率值，ε'與dR'是橢球面上的應(yīng)變張量和旋轉(zhuǎn)張量，其中ε'=(εe，εn，εen)分別代表東西、南北方向的線應(yīng)變及剪應(yīng)變，ΔP'=

據(jù)此，建立的大同盆地圖形單元應(yīng)變模型如圖3 所示。需要說明的是，在構(gòu)建大同盆地三角形圖形單元模型時，并沒有將A013、SX04 點納入，這是因為上述兩個點與MPSH、GC06、SX02 點組成的三角形圖形單元均位于大同盆地內(nèi)構(gòu)造活動很弱的區(qū)域，而分析這些圖形單元應(yīng)變對于研究區(qū)域構(gòu)造應(yīng)變場意義不大，此外，這些三角形圖形單元與其他三角形單元尺度差異較大［5］。

圖3 大同盆地圖形單元示意圖Fig.3 Graphical elements of Datong basin

將大同盆地GPS 站點橢球坐標及速率值代入式(3)，求解獲取所有的三角形圖形單元的應(yīng)變分量，并由位移速率差值的誤差矩陣得到應(yīng)變分量的誤差矩陣。

3.2 應(yīng)變參數(shù)顯著性檢驗

從圖3 可以看出，17 個三角形圖形單元的位置不盡相同，如果圖形單元位于穩(wěn)定構(gòu)造塊體的內(nèi)部，單元的運動應(yīng)該表現(xiàn)為剛體旋轉(zhuǎn)歐拉運動，而此時利用圖形單元法計算獲得的單元地應(yīng)變參數(shù)在統(tǒng)計意義上應(yīng)該為零，但是由于誤差的影響，此時應(yīng)變參數(shù)往往不等于零。

因此，為了判斷大同盆地所有三角形圖形單元獲得的應(yīng)變參數(shù)有效性，以及是否存在由地殼構(gòu)造活動引起的應(yīng)變，本文采用統(tǒng)計方法對所有三角形圖形單元應(yīng)變參數(shù)估值進行檢驗;參數(shù)估值的顯著性進行采用χ2分布進行檢驗［6］。根據(jù)誤差傳播定律可知，用X 代表圖形單元法計算得到的單元水平地應(yīng)變張量的3 個分量εe、εn、εen，用∑x 代表應(yīng)變張量對應(yīng)的方差-協(xié)方差陣，分別表示為:

如前所述，如果圖形單元位于穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)(屬剛性運動)，則應(yīng)變估值均值應(yīng)該為零，即E(X)=0，并將其作為χ2檢驗的零假設(shè)，即:

取置信度α=0.01，采用χ2單尾檢驗法進行檢驗，如果:

則接受原假設(shè)，即圖形單元的地應(yīng)變估值不顯著，認為應(yīng)變估值是由于測量誤差引起的;否則，拒絕原假設(shè)，即圖形單元的地應(yīng)變估值是顯著的，此時可以認為在α 置信水平下，應(yīng)變特征參數(shù)估值是由地殼構(gòu)造活動變形所引起的。

3.3 顯著應(yīng)變特征參數(shù)及其分布特征

利用參數(shù)顯著假設(shè)檢驗方法對獲得的大同盆地17 個圖形單元應(yīng)變參數(shù)進行顯著性假設(shè)檢驗，檢驗結(jié)果如表1。

從表1 可以看出，參與檢驗的17 個圖形單元應(yīng)變特征參數(shù)，在顯著性水平α=0.01 下有5 個圖形單元檢驗結(jié)果為接受，而這5 個圖形單元均位于較穩(wěn)定的山區(qū)內(nèi)及盆地內(nèi)構(gòu)造活動較弱的平原區(qū)域(XYSHGYTA-SX01、XYSH-MPSH-SX01、DK02-MPSH-SX01、SECU-SX02-GC06、DK06-DK03-SECU)。因此，上述5個圖形單元內(nèi)部不存在顯著的構(gòu)造活動變形。

而在顯著性水平α=0.01 下，有12 個圖形單元檢驗結(jié)果為拒絕。而這12 個圖形單元均位于盆地內(nèi)深大斷裂(地裂縫)及其附近區(qū)域，而這些區(qū)域也正是盆地內(nèi)構(gòu)造活動較強烈的地區(qū)。因此，上述12個圖形單元內(nèi)部存在顯著的構(gòu)造活動變形，其單元應(yīng)變是由地殼構(gòu)造活動變形引起的。

基于顯著的應(yīng)變分量，獲得的最大、最小主應(yīng)變及最大主應(yīng)變方向等應(yīng)變特征參數(shù)及其分布特征如圖4 所示。

圖4 顯示出大同盆地顯著主應(yīng)變主要集中在大同盆地內(nèi)部地區(qū)，且集中分布在盆地的西北部區(qū)域;盆地內(nèi)顯著主應(yīng)變以拉張應(yīng)變?yōu)橹?，方向為NW-SE向，表明盆地現(xiàn)今整體受NW-SE 向拉張力源作用顯著，且顯著主張應(yīng)變最大量值出現(xiàn)在盆地內(nèi)地裂縫最為群發(fā)的西北部，位于大同市的西南區(qū)域內(nèi)，其量值達到1.9 ×10－6/a;在靠近口泉斷裂邊緣局部區(qū)域則呈現(xiàn)出一定的擠壓性質(zhì)，主壓應(yīng)變率約為－1.0×10－6/a，在靠近盆地東部的山邊帶局部也呈現(xiàn)一定的擠壓性質(zhì)，主壓應(yīng)變方向為NE-SW 向。

表1 大同盆地圖形單元應(yīng)變參數(shù)顯著性檢驗結(jié)果Tab.1 Significant test results of strain parameter of graphical elements of Datong basin

4 地殼形變應(yīng)變場與地裂縫發(fā)育構(gòu)造成因分析

圖4 顯示出盆地西北部局部區(qū)域NW-SE 向水平拉張應(yīng)變明顯大于盆地內(nèi)其他地區(qū)，而此區(qū)域也正是大同盆地內(nèi)地裂縫災(zāi)害最為典型和嚴重的地區(qū)，且觀察此區(qū)域拉張應(yīng)變方向，可發(fā)現(xiàn)其與地裂縫的走向呈近似垂直關(guān)系(圖5)，而大同市北部區(qū)域NW-SE 向主應(yīng)變則以壓應(yīng)變?yōu)橹?，在此區(qū)域內(nèi)地裂縫較少。由此揭示出大同市南部區(qū)域NW-SE 向拉張應(yīng)力是大同市南部區(qū)域地裂縫群發(fā)的構(gòu)造力源。

圖4 大同盆地現(xiàn)今地殼顯著應(yīng)變特征分布圖(2006—2010)(單位:10 －6/a)Fig.4 Distribution of present crustal strain rate of Datongbasin from 2006 to 2010(unit:10 －6/a)

圖5 大同市地裂縫與區(qū)域拉張應(yīng)變關(guān)系示意圖Fig.5 Relationship between ground fissures and regional extension stain in Datong city

由大同盆地構(gòu)造應(yīng)力場背景及大陸動力學(xué)環(huán)境可知，鄂爾多斯塊體逆時針旋轉(zhuǎn)運動與華北塊體順時針旋轉(zhuǎn)運動聯(lián)合作用［8］，會在兩個地塊之間的斷陷盆地內(nèi)形成右旋剪切的NW-SE 向拉張環(huán)境，而本文基于大地測量GPS 反演結(jié)果也證實了這一點(圖4)，同時利用更大區(qū)域(整個山西盆地)的GPS 數(shù)據(jù)反演獲得的大同盆地構(gòu)造應(yīng)變場，也呈現(xiàn)出以NWSE 向拉張應(yīng)變?yōu)橹鞯奶卣鳎?］。因此，在周圍板塊運動產(chǎn)生的NW-SE 向拉張應(yīng)力的主導(dǎo)及附加盆地深部動力的共同作用下［10］，會造成盆地內(nèi)地殼減薄拉張變形明顯、基底斷裂，從而引起斷裂不均勻蠕動，而深部斷層的不均勻蠕動會在淺部地層中誘發(fā)形成一系列的錯斷面，這些錯斷面就形成了地裂縫的原型，附加其他因素的影響，如抽取地下水、地表水滲透、地震活動等，也會加速淺部地層中這些錯斷面的活動，發(fā)展至地表形成出露地表的地裂縫災(zāi)害。

地裂縫實地鉆孔及地質(zhì)探槽資料結(jié)果更加直觀地揭示出大同市地裂縫與地下隱伏斷裂活動有著很強的相關(guān)性［9］，從圖5 也可以看出，大同市地裂縫的發(fā)育方向與位置與其區(qū)域內(nèi)的水峪隱伏構(gòu)造斷層有近乎一致的走向(NE 走向)，由此進一步表明大同市地裂縫發(fā)育及活動與深部斷層活動有密切關(guān)系。

5 結(jié)論與討論

1)大同盆地現(xiàn)今整體處于較明顯的水平拉張且內(nèi)部斷陷下沉的運動狀態(tài)，其地殼應(yīng)變特征主要以NW-SE 向拉張應(yīng)變?yōu)橹鳎私Y(jié)論與盆地現(xiàn)今地質(zhì)構(gòu)造發(fā)展模式相一致，與盆地以往較長期構(gòu)造變形背景具有較好的繼承性特點［11，12］;

2)大同地裂縫實質(zhì)是盆地下伏活斷層在NWSE 向區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場作用下，以蠕滑形式錯斷地層使土層破裂而發(fā)育形成的。

致謝感謝王敏、崔篤信研究員，王文萍、胡亞軒、張曉亮高級工程師為本文提供數(shù)據(jù)及給予的幫助!

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