王 靜 柴熾章 馬禾青 曾憲偉 李國斌

(寧夏回族自治區(qū)地震局， 銀川 750001)

近年來南北地震帶北段地殼運動特征

王 靜 柴熾章 馬禾青 曾憲偉 李國斌

(寧夏回族自治區(qū)地震局， 銀川 750001)

南北地震帶北段構造活動強烈， 強震頻發(fā)。近年來地震活動有增強的趨勢， 震防形勢嚴峻。利用GPS速度場、 跨斷層速度剖面以及基準站基線時間序列數(shù)據(jù)， 分析了近年來南北地震帶北段地殼運動的動態(tài)特征。結果表明， 祁連山斷裂具有較高的應變積累； 六盤山斷裂存在閉鎖， 靜寧、 平?jīng)觥?隴西以及定西地區(qū)閉鎖程度較深； 2004—2009年六盤山斷裂閉鎖程度加深。2009—2013年與1999—2004年、 2004—2009年相比， 南北地震帶北段地殼運動減弱， 且呈現(xiàn)出一些特征： 1)祁連山斷裂—海原斷裂—六盤山斷裂附近減弱較顯著； 2)祁連山-海原斷裂以北區(qū)域較以南區(qū)域減弱顯著， 造成了2009—2013年祁連山斷裂擠壓逆沖變形增強以及祁連山斷裂和海原斷裂帶左旋剪切變形減弱； 3)六盤山斷裂西側50km以西區(qū)域較以東區(qū)域減弱顯著， 導致六盤山斷裂2009—2013年閉鎖范圍擴大到斷裂帶附近100km以內， 而此前六盤山斷裂的閉鎖范圍在斷裂帶附近50km內。GPS基線時間序列分析還顯示銀川地塹正在持續(xù)拉張， 且西部拉張強度強于東部。

南北地震帶北段 地殼運動 GPS速度場

0 引言

近年來， 已有很多學者應用GPS資料進行了地殼運動的研究(Zhuetal.， 2000； 劉經(jīng)南等， 2001； 馬宗晉等， 2001； Wangetal.， 2001； 張培震等， 2002； 王敏等， 2003； 王琪， 2003； 顧國華等， 2005； 牛之俊等， 2005； 游新兆等， 2012； Liangetal.， 2013)， 但針對南北地震帶的研究尚不多見。武艷強等(2012)利用汶川地震前、 后2期GPS速度場、 應變率場、 斷層滑動速率和GPS速度剖面數(shù)據(jù)， 識別出了南北地震帶北段主要斷裂帶及其鄰近地區(qū)的顯著變形差異， 認為汶川地震后， 莊浪河以東地區(qū)存在較高的應變積累背景。韓月萍等(2006)通過對1999—2001年、 2001—2004年南北地震帶的GPS資料的處理與分析， 認為南北地震帶北段的地殼運動格局與地質構造關系密切， 較大應變值的分布空間位于該區(qū)東南部。張希等(2006)利用1999—2001年、 2001—2004年2個時期的GPS資料， 并結合跨斷層流動形變與部分區(qū)域水準觀測資料， 分析了整個南北地震帶的地殼運動與構造變形特征， 認為祁連山構造帶中東段及其與海原斷裂的交會處、 西秦嶺北緣斷裂與莊浪河斷裂東南延伸線的交會區(qū)可能具有相對較高的應變能積累背景， 臨澤與海原這2個地區(qū)也反映了一定程度的應變能積累特征。前人的研究提供了南北地震帶北段地殼運動特征的較清晰認識， 但所使用的資料均截止到2009年。2009年以后區(qū)域GPS測站的密度顯著提升， 且汶川地震帶來了區(qū)域地殼變形狀況的調整， 需要引入最新的GPS資料對該區(qū)域的地殼運動特征進行重新解析。本文利用南北地震帶北段1999年以來的GPS資料， 以2004年、 2009年為界， 分為3個時期(1999—2004年、 2004—2009年和2009—2013年)來分析GPS速度場、 跨斷層速度剖面和GPS基準站基線的變化特征， 分析近年來地殼運動的動態(tài)過程及主要斷層的活動性變化。3個時期的劃分考慮了獲取可靠的GPS速度場所需要的觀測年限、 以及強震可能引起的區(qū)域地殼運動調整。

1 GPS數(shù)據(jù)處理與速度場結果

本文收集了南北地震帶北段1999年以來 “中國地殼運動觀測網(wǎng)絡”和 “中國大陸環(huán)境構造監(jiān)測網(wǎng)絡”313個GPS連續(xù)站和流動站的資料。采用由美國麻省理工學院(MIT)和斯克里普斯海洋研究所(SIO)聯(lián)合開發(fā)的GAMIT/GLOBK軟件進行數(shù)據(jù)處理： 首先利用GAMIT將GPS連續(xù)站、 區(qū)域站及周邊IGS(International GPS Service)站的數(shù)據(jù)聯(lián)合解算， 獲得區(qū)域單日松弛解； 再利用GLOBK將區(qū)域單日松弛解與SIO的全球單日松弛解合并， 進行整網(wǎng)平差， 獲得ITRF2008下的測站坐標時間序列； 將ITRF2008框架下的速度場轉換到歐亞框架下。GPS速度場和測站坐標時間序列解算結果符合精度要求， 各站點的運動方向和變化趨勢與王琪等(2001)和Liang 等(2013)給出的結果基本一致， 速率值差異在精度允許范圍內。

圖1 南北地震帶北段GPS速度場(歐亞框架)Fig. 1 GPS velocity map(in Eurasia frame)in the north section of North-South Seismic Belt.

圖1 給出了歐亞框架下南北地震帶北段的速度場結果和誤差橢圓， 顯示南北地震帶北段各點呈NE向運動， 自SW向NE， 速度矢量遞減， 反映了印度板塊楔入歐亞板塊造成的青藏高原東北緣的地殼縮短； 青藏高原東北緣由西北部的NNE向， 轉向SE部的NEE向運動， 呈順時針旋轉。3期速度場存在一些變化， 主要表現(xiàn)在大部分站點2009—2013年運動有所減弱， 尤以祁連山斷裂—海原斷裂—六盤山斷裂附近較顯著， 且祁連山斷裂以北區(qū)域較以南區(qū)域顯著， 六盤山斷裂西側50km以西區(qū)域較以東區(qū)域顯著， 六盤山斷裂西南側的站點和祁連褶皺帶以南區(qū)域存在一定的順時針偏轉。3期速度場的誤差均在合理范圍內。因此， 上述變化是源于2008年汶川地震引起的區(qū)域地殼運動狀況的改變。

2 跨斷裂帶GPS速度剖面分析

為了更精細地研究南北地震帶北段活動斷裂帶近年來的運動態(tài)勢， 選取祁連山斷裂、 海原斷裂、 六盤山斷裂、 西秦嶺北緣斷裂西段、 西秦嶺北緣斷裂東段分別進行GPS速度剖面分析， 研究斷裂帶兩側的空間變形特征。圖2 給出了本文所選取的5個剖面的范圍。圖3 給出了5個剖面的結果， 每條剖面計算了垂直于斷層的速率和平行于斷層的速率。其中， 垂直于斷層剖面速率正值為NE向， 平行于斷層剖面速率正值為SE向。

圖2 GPS速度剖面空間分布(GPS速度場為2004—2009年結果)Fig. 2 Spatial distribution of GPS velocity profiles(GPS velocities are derived using data of year 2004—2009).

圖3 GPS速度剖面結果Fig. 3 GPS velocity profile results.a， b分別為垂直于斷裂及平行于斷裂的速率， 由上至下分別為剖面A、 B、 C、 D和E；其中A、 B、 D、 E剖面X軸正值表示斷裂帶北側， C剖面X軸正值表示斷裂帶東側

如圖3a， b所示， 祁連山斷裂擠壓逆沖變形和左旋剪切變形均較顯著； 斷裂帶南側的擠壓逆沖變形和左旋剪切較大， 北側變形較小， 反映出斷裂帶附近具有應變積累特征； 斷裂帶南側約50km出現(xiàn)1個明顯的間斷面， 表現(xiàn)為類似蠕滑的現(xiàn)象(圖3b)； 2009—2013年擠壓逆沖變形增強而左旋剪切變形減弱。圖3c， d的結果表明， 海原斷裂兩側左旋剪切變形和擠壓逆沖變形均較顯著； 斷裂帶北側擠壓逆沖變形較南側顯著(圖3c)； 左旋剪切變形在斷裂帶附近較顯著(圖3d)； 2009—2013年左旋剪切變形增強(圖3d)。圖3e給出了六盤山斷裂垂直于斷層剖面的速度場結果， 1999—2004年擠壓逆沖變形在斷裂帶西側50km以外顯著， 而在斷裂帶附近50km以內很小， 斷裂帶附近50km范圍存在較高的應變積累背景， 形成閉鎖區(qū)域； 2004—2009年擠壓逆沖變形在斷裂帶西側50km以外有所增強， 而在斷裂帶附近50km以內仍很小， 應變積累增強， 閉鎖程度加深； 2009—2013年， 擠壓逆沖變形在斷裂附近100km以內較小， 而在斷裂帶西側100km以外較大， 閉鎖區(qū)域擴大。圖3f表明， 六盤山斷裂平行于斷層剖面速率在斷裂帶西側50～200km由西向東緩慢增加； 在斷裂帶兩側50km以內變形較??； 2009—2013年剪切變形較前2期顯著。西秦嶺北緣斷裂西段， 呈現(xiàn)出緩慢的左旋剪切變形特征， 3個時段變形強度相當(圖3g)； 垂直于斷層剖面速率在斷層兩側差異極小， 幾乎不存在變形(圖3h)。如圖3i， j所示， 西秦嶺北緣斷裂東段， 斷裂兩側平行于斷裂剖面速率與垂直于斷裂剖面速率差異均很小， 變形很小。

3 基于基線時間序列分析的地殼運動特征

GPS站點間的基線受參考基準影響較小， 特別是短基線， 且能夠削弱部分共模誤差的影響， 突出精細的地殼變形信息。本文根據(jù)GPS站點坐標提取大地基線長度， 分析2010年10月—2015年7月GPS大地基線的變化特點， 探討該時段南北地震帶北段的地殼運動特征。大地基線提取的具體方法是： 首先根據(jù)NE坐標計算出2測點的精確經(jīng)緯度， 然后利用經(jīng)緯度采用白塞爾迭代方法計算出大地基線長度(武艷強等， 2007)。

本文根據(jù)測站位置， 考慮測站的觀測質量、 基線與斷層和塊體的相對位置關系， 選擇了觀測質量較好且構造意義明確的基線進行分析。為了分析地殼運動的趨勢運動特征， 使用最小二乘算法對基線的時間序列進行擬合， 得到了地殼的趨勢運動速率。自2013年6月起， GSJN(甘肅靜寧)、 GSPL(甘肅天水)2個基準站因大樹等阻擋， 觀測質量較差， 2014年5月對靜寧站大樹進行了削高處理， 靜寧站觀測質量恢復。圖4， 5 分別給出了GPS站間基線空間分布圖和時間序列圖。

圖4 GPS基線空間分布圖Fig. 4 Spatial distribution of GPS baselines.

圖5 GPS基線時間序列圖Fig. 5 GPS baseline time series.

結果如圖5 所示， 2010年10月—2015年7月間， 銀川地塹的3條基線(NMAZ—NXYC、 NXYC—YANC、 NMAZ—YANC)總體上伸長， 伸長速率分別為 2.22mm/a、 1.32mm/a、 3.71mm/a， 銀川地塹呈拉張?zhí)卣鳎?且西部拉張強度大于東部； NXYC—YANC在2011年5—12月間有較大幅度抬升， 銀川地塹西部在此期間經(jīng)歷了較大的拉伸， 2013年8月至2014年5月和2014年底至2015年7月出現(xiàn)下降， 背離了趨勢運動。銀川地塹南端的NXZW—YANC基線近5a一直以較小的速率縮短， 趨勢運動速率為-0.54mm/a， 較穩(wěn)定。六盤山斷裂及周邊的基線(GSDX—GSPL、 GSDX—GSJN、 GSPL—GSJN、 GSLX—GSJN、 GSLX—GSPL)， 趨勢運動速率依次為 -0.88mm/a、 -1.66mm/a、 0.82mm/a、 -1.3mm/a 和 -0.51mm/a， 除GSJN—GSPL外， 其他基線5a間總體上縮短， 表現(xiàn)出擠壓變形特征； 跨六盤山斷裂的 GSDX—GSPL、 GSPL—GSJN、 GSLX—GSPL變形均較小， 3條基線在2013年6月至2014年5月由緩慢縮短轉為伸長， 隨后恢復。祁連褶皺帶的2條基線(QHQL—QHML、 QHGC—QHME)5a間持續(xù)縮短， 縮短速率分別為-1.35mm/a 和-0.64mm/a， 表明祁連褶皺帶內部呈擠壓變形， 且變形不均勻。鄂爾多斯塊體的2條基線(NMWH—YANC、 YANC—GSPL)變化速率較小， 分別為-0.46mm/a、 -0.71mm/a， 變形很小， 5a間變化穩(wěn)定， 表明鄂爾多斯塊體較穩(wěn)定。GSJT—NXZW跨香山-天景山斷裂北部4a間持續(xù)縮短， 縮短速率為-1.48mm/a， 2012年10月以來縮短加速， 表明香山-天景山斷裂北部呈現(xiàn)擠壓變形特征， 壓性變化有增強趨勢。

4 結論

本文根據(jù)GPS速度場、 跨斷裂帶GPS速度剖面和GPS基準站基線時間序列， 分析了1999年以來南北地震帶北段的地殼運動演化特征。

(1)南北地震帶北段在印度板塊和歐亞塊的碰撞作用下， 呈NE向運動， 青藏高原東北緣呈順時針偏轉， 由于受到堅硬的鄂爾多斯塊體和阿拉善塊體的阻擋， 速度矢量自SW向NE方向遞減， 這種運動特征導致了祁連山斷裂—海原斷裂以南區(qū)域比以北區(qū)域運動速率大， 祁連山斷裂和海原斷裂左旋剪切變形和擠壓逆沖均較顯著。

(2)在祁連山斷裂帶南側50km處存在1個間斷面， 表現(xiàn)為類似蠕滑現(xiàn)象。

(3)2009—2013年速度場較前2期速度場運動強度有所減弱， 其中祁連山斷裂—海原斷裂以北區(qū)域減弱較以南區(qū)域顯著； 祁連褶皺帶以南區(qū)域和六盤山斷裂西南側運動速度發(fā)生了一定程度的順時針偏轉； 顯示了汶川地震后區(qū)域地殼運動與變形分布發(fā)生了明顯調整， 這種調整帶來了祁連山斷裂、 海原斷裂兩側的斷層運動速率差異發(fā)生變化， 從而導致了2009—2013年祁連山斷裂擠壓逆沖變形增強以及祁連山斷裂和海原斷裂帶左旋剪切變形減弱。

(4)GPS速度剖面結果顯示六盤山斷裂兩側速率差異較小， 存在閉鎖； 2004—2009年較1999—2004年剖面速率差異進一步減小， 閉鎖程度加深； 2009—2013年南北地震帶北段運動強度整體減弱， 六盤山斷裂周邊地區(qū)減弱較顯著， 以斷裂帶西側50km為界， 以西區(qū)域較以東區(qū)域顯著， 導致閉鎖范圍擴大到斷裂帶附近100km以內的區(qū)域。跨六盤山斷裂的基線GSJN—GSPL、 GSLX—GSPL、 GSDX—GSPL變形很小， 存在閉鎖， 而西側的基線受擠壓力作用。因此， 六盤山斷裂， 尤其是平?jīng)觥?靜寧、 隴西以及定西地區(qū)， 存在較高的應變積累， 閉鎖程度較高。

(5)2010年10月至2014年9月4a間， 銀川地塹的3條基線持續(xù)拉張， 西部拉張強度強于東部， 而南端變形較小?？缦闵?天景山斷裂基線GSJT—NXZW 2012年10月以來縮短加速， 表明香山-天景山斷裂北部呈現(xiàn)擠壓變形特征， 壓性變化有增強趨勢。

2011年5—12月銀川地塹西部的基線NXYC—YANC有較大幅度的抬升， 而周邊環(huán)境并未發(fā)生顯著的改變， 測站觀測質量良好。一種可能的原因是2011年夏季寧夏北部地區(qū)經(jīng)歷了強降水， 強降水帶來區(qū)域土壤水負荷的增加， 從而加大了非構造形變對GPS基線時間序列的影響， 導致基線時間序列出現(xiàn)較大幅度的抬升。這一推論的驗證需要收集區(qū)域降水資料、 土壤水負荷資料， 研究其與GPS基線變化的關系， 這是下一步的研究工作。2013年8月至2014年5月和2014年底至2015年7月NXYC—YANC出現(xiàn)下降， 背離了趨勢運動， 且與銀川地塹的張性構造不相符， 前者可能是2013年6月6日發(fā)生岷縣、 漳縣6.6級地震引起的區(qū)域地殼應力調整， 而后者可能與2014年4月15日左旗5.8級地震和2014年4月25日尼泊爾8.1級地震有關。

跨六盤山斷裂的 GSDX—GSPL、 GSPL—GSJN、 GSLX—GSPL 3條基線在2013年6月至2014年5月由緩慢縮短轉為伸長。一種可能的原因是由GSPL、 GSJN兩個測站的觀測質量所致， GSJN站的原始時間序列顯示GSJN站在此期間東向分量噪聲較大， 2014年5月后逐漸恢復， 原因在于2013年6月起， GSJN站西北方向受大樹遮擋， 觀測質量較差， 2014年5月對大樹進行了削高處理， GSJN站觀測質量恢復。而GSPL站自2013年起， 東向分量噪聲呈現(xiàn)出夏高東低的特點， GSPL站西北方向大樹一直存在， 夏天樹木繁盛， 視線遮擋較嚴重， 冬天只剩枯枝， 視線遮擋情況有所緩解。3條基線緩慢縮短的趨勢運動狀態(tài)在2014年5月均有所恢復， 而GSPL站的觀測質量并未恢復， 此期間3條基線的誤差也并未顯著增大， 因此GSDX—GSPL、 GSPL—GSJN、 GSLX—GSPL在2013年6月至2014年5月期間的伸長變化可能并非由測站觀測質量引起， 而是與2013年6月6日岷縣、 漳縣地震有關。

致謝 中國地震局地殼運動監(jiān)測工程研究中心和中國地震局地震預測研究所GPS數(shù)據(jù)中心提供了原始觀測數(shù)據(jù)， 中國地震局地震預測研究所武艷強博士在數(shù)據(jù)處理過程中給予了指導和提供了GPS后處理程序， 中國地震局第一監(jiān)測中心朱爽和中國地震臺網(wǎng)中心趙靜在數(shù)據(jù)處理過程中給予了幫助， 在此一并表示感謝。向所有參與GPS野外作業(yè)和GPS基準站維護的人員表示崇高的敬意。

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CHARACTERISTICS OF RECENT CRUSTAL MOVEMENT IN THE NORTH SECTION OF NORTH-SOUTH SEISMIC BELT

WANG Jing CHAI Chi-zhang MA He-qing ZENG Xian-wei LI Guo-bin

(EarthquakeAdministrationofNingxiaHuiAutonomousRegion，Yinchuan750001，China)

Tectonic activity is intense and destructive earthquakes occur frequently in the northern section of the North-South Seismic Belt(NSSB). After the May 12， 2008 Wenchuan earthquake， the North-South Seismic Belt enters a new period of high seismicity. On July 22， 2013， the Minxian-Zhangxian earthquake occurred， which broke the 10-years seismic quiescence of magnitude 6 of the area， indicating an increasing trend of strong earthquakes in the region. Earthquake is the product of crustal movement. Understanding the dynamics of the process of crustal movement may provide basis for earthquake prediction. GPS measurement can provide high-precision， large-scale， quasi-real-time quantitative crustal movement data， that allows us to explore the evolution of crustal movement and its relationship with earthquake， thus providing the basis for determining the seismic situation. Since 2009， the density of mobile GPS measurement stations has significantly improved in the Chinese mainland， and moreover， the Wenchuan earthquake has brought about adjustment of the regional crustal deformation regime. So the introduction of the latest repeat GPS data is important for understanding the features of crustal movement in the northern section of the North-South Seismic Belt. In this paper， we obtained the GPS velocity field， fault profile and baseline time series and analyzed the dynamics of recent crustal movement in the northern section of the North-South Seismic Belt using the 1999a-2014a GPS data of mobile and continuous GPS measurement stations. The results show that: the Qilianshan Fault has a high strain accumulation background. There are locked portions on the Liupanshan Fault， especially in the region of Jingning, Pingling, Dingxi, Longxi. In 2004-2009a， the degree of locking of the Liupanshan Fault got higher. In 2009—2013a， crustal movement on the northern section of the North-South Seismic Belt weakened compared with 1999-2004， 2004-2009， and showed some features as follows: ① The velocity field weakened more markedly near the Qilian-Haiyuan-Liupanshan faults; ②The velocity decreased more significantly in the region north of Qilianshan-Haiyuan Fault than that of the south， resulting in enhanced thrust deformation on the Qilianshan Fault in 2009-2013a and the decreased sinistral shear deformation on the Qilianshan Fault and Haiyuan Fault; ③the velocity field decreased more remarkably at 50km west of Liupanshan Fault， compared to the east region， which led to the locked range on the Liupanshan Fault extending to the range of 100km near the fault zone during 2009-2013 from the previous locked range of 50km near the fault. The GPS baseline time series analysis also reveals a number of structural features in the region: Yinchuan Graben is continuing extending， and the extension in the west is stronger than that in the east. On the southern end of Yinchuan Graben， the deformation is very small.

north section of North-South Seismic Belt， crustal movement， GPS

10.3969/j.issn.0253- 4967.2015.04.009

2015-07-27收稿， 2015-10-27改回。

中國地震局監(jiān)測預報司震情跟蹤定項工作任務(2014020213)和地震行業(yè)科研專項(201208009)共同資助。

P315.2

A

0253-4967(2015)04-1043-12

王靜， 女， 1987年生， 2012年于中國科學院地理科學與資源研究所獲地圖學與地理信息系統(tǒng)專業(yè)碩士學位， 工程師, 目前研究方向為GPS在地震預測中的應用， 電話: 0951-5068226， E-mail: whuwangjing@163.com。