瞿偉，王運生，張勤，王慶良，薛康

1 長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，西安　710054　2　地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都理工大學(xué)，成都　610059　3 中國地震局第二監(jiān)測中心，西安　710054

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空間大地測量GPS揭示的汾渭盆地及其鄰域現(xiàn)今地殼應(yīng)變場變化特征

瞿偉1,2，王運生2，張勤1*，王慶良3，薛康1

1 長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，西安7100542地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都理工大學(xué)，成都6100593 中國地震局第二監(jiān)測中心，西安710054

摘要利用汾渭盆地及其鄰域2001—2007年與2009—2011年高精度GPS監(jiān)測資料，基于區(qū)域構(gòu)造特點，采用塊體運動應(yīng)變模型結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計假設(shè)檢驗法，建立了區(qū)域合理的地殼運動應(yīng)變模型，基于此定量研究了區(qū)域現(xiàn)今地殼應(yīng)變場及其變化特征，特別是2008年汶川強震對汾渭盆地區(qū)域變形特征的作用影響，同時從盆地整體上分析了盆地內(nèi)多發(fā)的地裂縫災(zāi)害與區(qū)域整體構(gòu)造變形特征之間的內(nèi)在關(guān)系.研究結(jié)果表明：經(jīng)統(tǒng)計檢驗判斷，選擇合理的區(qū)域地殼運動應(yīng)變模型，對獲取真實反映區(qū)域?qū)嶋H構(gòu)造變形特性的應(yīng)變參數(shù)具有重要的作用；2008年汶川強震對青藏東邊緣地塊及渭河盆地西側(cè)局部地區(qū)應(yīng)變場造成一定的影響，但是震后上述區(qū)域并沒有出現(xiàn)顯著的應(yīng)變積累而是呈現(xiàn)出應(yīng)變量值較震前減小的特征，分析其原因可能是因為此區(qū)域并不是強震造成的庫侖應(yīng)力顯著增加區(qū)，在震后2009—2011年時間段內(nèi)處于構(gòu)造應(yīng)力場的松弛調(diào)整期；汶川強震沒有顯著改變研究域現(xiàn)今整體的構(gòu)造變形背景特征，區(qū)域地殼構(gòu)造活動特征仍具有較好的繼承性；基于研究域構(gòu)造塊體具有各向同性連續(xù)彈性變形的前提，初步推斷整個汾渭盆地內(nèi)多發(fā)的地裂縫災(zāi)害可能是區(qū)域NW—SE向拉張應(yīng)力場作用下的地表破裂響應(yīng).

關(guān)鍵詞汾渭盆地； GPS； 塊體運動應(yīng)變模型； 數(shù)理統(tǒng)計假設(shè)檢驗； 地殼應(yīng)變特征； 地裂縫災(zāi)害

Using high-precision GPS data for the periods of 2001—2007 and 2009—2011 from the projects “Crustal Movement Observation Network of China” and “Chinese Continental Tectonic Environment Monitoring Network”,we have constructed reasonable crustal deformation models of the Fenwei basin and its surrounding areas based on the strain theory of the block movement combined with mathematical statistical hypothesis testing method.We then established the crustal deformation models of the Datong,Xinzhou-Taiyuan,Linfen-Yuncheng and Weihe basins,as well as the eastern Qinghai-Tibet and the northern edge of the South China blocks.Based on the strain results solved by these deformation models,the current crustal strain fields and their distribution characteristics were obtained,and the intrinsic relationship between the principal strain vectors of the overall Fenwei basin and the multiple ground fissures within the basin were discussed in detail.

The results are as follows: (1) The deformation models after selection by hypothesis statistical testing can better describe the strain distribution characteristics,especially the inherent differences in the interiors of the basins or blocks.(2) During the periods of 2001—2007 and 2009—2011,the principal strain vectors of the eastern Qinghai-Tibet block are all mainly of compressional strains in the nearly E—W direction,with a value higher than -3.8×10-8/a and -3.2×10-8/a,respectively.And the principal strain vectors of the west part of the Weihe basin are all also of compressional strains in the nearly NNW—SSE direction,but with a value higher than -2.8×10-8/a and -1.6×10-8/a,respectively.(3) The whole strain distribution characteristics of the Fenwei basin and its surrounding areas have no significant change before and after the Wenchuan earthquake.The eastern Qinghai-Tibet and west part of the Weihe basin remain compressional strains.The Yinchuan basin and the North China block are still of tensional strains.And the overall Fenwei basin including Datong,Xinzhou-Taiyuan,Linfen-Yuncheng basins and most parts of the middle east of the Weihe basin are all of tensional strains in the nearly NW—SE direction.(4) The strain vector fields of the whole Fenwei basin mainly show extension strains in NW—SE direction,which are nearly vertical to the direction of the ground fissures (NE—SW direction).It indicates that the regional tensional stress fields with NW—SE direction is the power source mechanism of numerous ground fissures developed within the Fenwei basin.

We obtained following conclusions: (1) Judging by the statistical test,the choice of reasonable crustal movement and strain models plays an important role in obtaining the strain parameters which can truly reflect the real regional tectonic deformation characteristics.(2) The 2008 Wenchuan earthquake has affected the strain fields in the eastern edge of the Qinghai-Tibet block and west part of the Weihe basin.However,after this earthquake these above-mentioned regions did not experience significant strain accumulation but showing lower magnitude of strain.The reasons may be that these areas were not the zones with significant increase of Coulomb stress caused by the earthquake,but in a tectonic stress relaxation adjustment period during 2009 to 2011.Furthermore,the Wenchuan earthquake did not significantly alter the overall current tectonic deformation background characteristics of the Fenwei basin and its surrounding areas,and regional tectonic activity characteristics still have good inheritance.(3) We preliminary infer that the multiple ground fissures within the Fenwei basin were the response of surface rupture under the role of tensile stress fields with NW—SE direction,based on that the tectonic blocks (or basins) have the deformation nature of continuous isotropic elastic characteristics.

1引言

汾渭盆地是中國大陸周邊板塊陸-陸碰撞擠壓作用下形成的大陸裂谷體系，是中國大陸現(xiàn)今構(gòu)造活動較為強烈的區(qū)域，已成為我國大陸動力學(xué)研究領(lǐng)域逐漸被關(guān)注的熱點地區(qū)之一(張培震等，2005；彭建兵等，2008；張勤，2012).

圖1　中國大陸構(gòu)造體系中汾渭盆地與周邊地塊構(gòu)造位置示意圖(據(jù)鄧啟東)

汾渭盆地在大地構(gòu)造上位于中國南北地震帶上，是分割中國大陸東西和南北巨型構(gòu)造單元的交接樞紐地帶，具體位于鄂爾多斯、青藏地塊東緣、華南、華北四大構(gòu)造地塊之間，起著這些地塊之間構(gòu)造活動的傳遞與協(xié)調(diào)作用，汾渭盆地整體構(gòu)造運動受上述地塊構(gòu)造差異運動影響顯著(范俊喜等，2003；彭建兵等，2007)(圖1所示，粗線框內(nèi)所示為汾渭盆地區(qū)域).受青藏高原東向擠出動力學(xué)環(huán)境控制作用，汾渭盆地區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)復(fù)雜(江娃利，2000；馮希杰和戴王強，2004)、地形地貌反差明顯、整個盆地帶呈現(xiàn)出小盆地與構(gòu)造隆起帶相間隔的“S”型展布(李樹德，1997；任雋等，2012)、盆地現(xiàn)代深部與淺部地殼構(gòu)造活動強烈(Lu et al.,2011；常利軍等，2011；李自紅等，2014)、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，不僅小震活動頻繁(宋美琴等，2012；蔡妍等，2014)，近些年更是以構(gòu)造地裂縫災(zāi)害最為典型和嚴(yán)重，地裂縫災(zāi)害幾乎遍布了整個盆地區(qū)域，且地裂縫均分布在盆地內(nèi)深大斷裂及其附近區(qū)域，具有強烈的構(gòu)造屬性特征，目前已嚴(yán)重危害著人民生命財產(chǎn)安全及城市基礎(chǔ)發(fā)展建設(shè)，地裂縫災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)意義明確(彭建兵，2013；張勤等，2012).

汾渭盆地地殼構(gòu)造運動與地質(zhì)災(zāi)害受區(qū)域構(gòu)造動力學(xué)環(huán)境作用顯著.而大的構(gòu)造事件的發(fā)生，如強震的發(fā)生往往會對區(qū)域動力學(xué)環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，相關(guān)學(xué)者對此方面已開展了工作，如研究了2008年汶川8.0級強震對發(fā)震斷層周邊斷裂地震活動性(邵志剛等，2010)，及對發(fā)震斷層鄰近區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力場變化空間分布特征(解朝娣等，2010；溫?fù)P茂等，2014)等影響，這些研究多是分析強震活動對于近發(fā)震斷層及其鄰近區(qū)域的影響.然而值得關(guān)注的是，在地理位置中汶川大震發(fā)震區(qū)域位于汾渭盆地的西南方位并與之近乎相毗鄰的位置，且強震發(fā)生在對汾渭盆地構(gòu)造變形起主控動力學(xué)作用的青藏高原東緣地帶，因此強震的發(fā)生可能會對汾渭盆地及其鄰域構(gòu)造活動造成一定的影響，針對此已有學(xué)者從獲取的地殼水平運動速度場，定性地討論了汶川大震對與汾渭盆地西鄰的西秦嶺地塊地殼應(yīng)變場產(chǎn)生的影響(王雙緒等，2013)，但如何以定量的形式量化強震對汾渭盆地及其鄰域地殼構(gòu)造運動變形產(chǎn)生的影響？該影響是否會改變整個汾渭盆地及其鄰域的現(xiàn)代構(gòu)造變形背景場?此外，在汾渭盆地這一構(gòu)造帶上，整個構(gòu)造帶內(nèi)發(fā)生如此廣泛的地裂縫災(zāi)害，除與盆地自身的地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)外，是否與盆地現(xiàn)今整體構(gòu)造變形特征有關(guān)？

目前為止，對于上述問題的研究甚少，已開展的研究也多是集中在利用數(shù)字地震臺網(wǎng)或地震序列目錄，分析汶川大震對汾渭盆地區(qū)域的影響烈度及對盆地地震活動性的影響(徐揚等，2009；張宇翔和袁志祥，2010)，或是從盆地內(nèi)單個地震臺站獨立地研究臺站應(yīng)變對汶川大震的響應(yīng)異常(邱澤華等，2012；崔青發(fā)等，2014)，亦或是僅討論了汾渭盆地內(nèi)局部區(qū)域的地裂縫災(zāi)害與地殼構(gòu)造變形之間的關(guān)系(張勤等，2012)，缺乏從包含整個汾渭盆地及其鄰域的整體域上、特別是利用不同時間段內(nèi)現(xiàn)代空間監(jiān)測技術(shù)獲取的高精度大范圍地殼運動變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，深入開展汶川大震前后汾渭盆地及其鄰域現(xiàn)代地殼構(gòu)造動力學(xué)機制變化特征的定量研究，以及探究整個汾渭盆地區(qū)域內(nèi)多發(fā)地裂縫災(zāi)害的構(gòu)造動力學(xué)成因機理.

為此，本文將汾渭盆地及其鄰域作為研究對象，借助于現(xiàn)代空間大地測量GPS監(jiān)測手段在地殼構(gòu)造運動變形及動力學(xué)研究方面的優(yōu)勢，利用中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)與陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)在2001—2007年與2009—2011年高精度GPS監(jiān)測資料，采用塊體運動應(yīng)變模型并結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計假設(shè)檢驗法，研究建立研究域合理的地殼運動形變應(yīng)變模型，依據(jù)模型求解結(jié)果，定量研究汶川強震對于汾渭盆地及其鄰域地殼構(gòu)造運動變形產(chǎn)生的影響，以及強震前后整個汾渭盆地及其鄰域的現(xiàn)代構(gòu)造變形背景場變化特征，并進一步探究汾渭盆地現(xiàn)今整體構(gòu)造變形特征與盆地內(nèi)多發(fā)的地裂縫災(zāi)害之間的內(nèi)在關(guān)系，以期為了解汾渭盆地及其鄰域現(xiàn)今地殼構(gòu)造動力學(xué)機制特征及地裂縫災(zāi)害動力學(xué)成因機理，提供一定的參考信息.

2GPS監(jiān)測資料及區(qū)域內(nèi)活動塊體劃分

2.1GPS監(jiān)測資料

本文采用的研究域2001—2007年與2009—2011年GPS監(jiān)測資料來源于中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)與陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)，兩時間段GPS基線與速率估計解算策略如下(Shen et al.,2005；王敏，2009；王慶良，2012)：利用GAMIT單日松弛解處理了基線，衛(wèi)星星歷采用IGS (International GNSS service，國際GNSS服務(wù)組織)精密星歷，衛(wèi)星軌道約束為10-8，IGS站選用中國大陸及周邊地區(qū)且IGS05下速率水平分量中誤差小于0.5 mm·a-1的16個IGS跟蹤站資料(如，GUAO、ULAB、SUWN、WUHN等)，并對這些IGS站東西、南北、垂向速率以2、2 mm·a-1和4 mm·a-1的不定性約束于其IGS05值，在獲得了單日解H結(jié)果文件之后，再利用GLOBK結(jié)合QOCA軟件統(tǒng)一整體平差計算出各GPS站點水平運動速率，由此獲得了ITRF2005全球框架下GPS站點速率，為更好展示出中國大陸內(nèi)部的地殼運動變形情況，進一步計算獲得了研究域相對于歐亞板塊的GPS運動速率場，各站點東、西向速度分量中誤差均不大于1.2 mm·a-1，南、北向速度分量中誤差均不大于1.0 mm·a-1，如圖2、3所示.需要說明的是，陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)2011年大部分GPS觀測是在日本2011年3月11日大震后進行的，文中圖3所示研究域2009—2011年速度場已扣除該次地震的同震影響(王敏等，2011).

圖2　汾渭盆地及其鄰域地殼運動速率圖(相對于歐亞板塊，2001—2007)

圖3　汾渭盆地及其鄰域地殼運動速率圖(相對于歐亞板塊，2009—2011)

從圖2、3可看出，GPS監(jiān)測結(jié)果揭示出的研究域相對于歐亞板塊地殼運動的總趨勢，在2001—2007年與2009—2011年兩個時間段內(nèi)運動態(tài)勢大體一致，整個研究域均呈現(xiàn)出整體朝SE向運動的趨勢.

2.2研究域活動塊體劃分

圖2、3顯示研究域地殼水平運動速度場存在一些差異，然而，地殼水平速度場空間分布的不一致性只是地殼形變的直接反映，與參考基準(zhǔn)選擇有關(guān)，而應(yīng)變場是地殼形變的主要參數(shù)，是描述區(qū)域形變的重要指標(biāo)，該指標(biāo)不受參考框架的影響，并且反映的是地殼變形的力學(xué)響應(yīng)，能夠反映出地殼應(yīng)力及其變化的基本特征(孟國杰等，2009；武艷強等，2009).

圖2、3顯示出研究域被多條深大構(gòu)造斷裂分割成了多個活動構(gòu)造塊體，且各構(gòu)造塊體以及汾渭盆地內(nèi)部各區(qū)域間，地殼運動變形也存在差異性(范俊喜等，2003；張培震等，2005).因此，本文將整個研究域看成是由這些具有不同活動特性的塊體(小盆地)組成的統(tǒng)一構(gòu)造活動體系.

針對研究域上述地質(zhì)構(gòu)造特點及地殼應(yīng)變參數(shù)在動力學(xué)研究方面的重要性，本文采用塊體運動應(yīng)變模型開展區(qū)域地殼構(gòu)造應(yīng)變特征的研究，該模型可以描述構(gòu)造塊體的整體活動狀態(tài)，能夠反映出塊體的形變應(yīng)變特征，其計算結(jié)果不僅能夠反映平面較大尺度的應(yīng)變應(yīng)力狀態(tài)，還可體現(xiàn)出塊體構(gòu)造運動變形相當(dāng)深度的動力學(xué)信息(郭良遷，2011).

本文在利用塊體應(yīng)變模型求解研究域應(yīng)變量時，首先在顧及研究域GPS點整體分布的基礎(chǔ)上，參考中國大陸一二級活動地塊的劃分結(jié)果(張培震等，2005)，對汾渭盆地周邊大的構(gòu)造地塊，如華北地塊西邊緣、青藏地塊東邊緣、銀川盆地區(qū)域進行了塊體劃分；其次，顧及汾渭盆地地質(zhì)構(gòu)造特點及其內(nèi)部小盆地各自的實際地理構(gòu)造屬性特征(彭建兵，2007)，由南至北將整個汾渭盆地劃分成由大同、忻州、太原、臨汾、運城及渭河盆地組成的構(gòu)造體系，再結(jié)合汾渭盆地內(nèi)主干斷裂分布所反映出的邊界區(qū)域變形差異性(范俊喜等，2003)、小盆地間構(gòu)造隆起帶分布及構(gòu)造活動差異性特征(李樹德，1997)、以及各小盆地內(nèi)部及其鄰近GPS測點分布狀況，進一步將汾渭盆地劃分成由大同、忻州—太原、臨汾—運城及渭河盆地組成的活動構(gòu)造體系.最終將整個研究域劃分成了由7個活動塊體組成的構(gòu)造活動體系(圖2、3所示，其中沒有包括穩(wěn)定的鄂爾多斯地塊)，分別為：大同盆地、忻州—太原盆地、臨汾—運城盆地、渭河盆地、青藏東邊緣地塊、銀川盆地、華北西邊緣地塊.

3塊體運動應(yīng)變模型

利用GPS監(jiān)測資料研究區(qū)域地殼運動變形時，由于GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)所反映的是地殼在幾年至十幾年時間尺度內(nèi)的變形，構(gòu)造塊體在此時間尺度內(nèi)發(fā)生的形變主要是彈性形變，因此可將塊體視為各向同性彈性介質(zhì)體處理(Reynolds et al.，2002；滕吉文，2003；李延興等，2007).

傳統(tǒng)的塊體構(gòu)造理論中，塊體一般被視為剛體，如對于鄂爾多斯塊體而言，其具有明顯的剛性活動屬性(張培震等，2005)，可用下述模型表述(李延興等，2007a,2007b)：

(1)式中Ve,Vn是由于塊體剛體運動造成塊體中任一點東向速度與北向速度，r為地球半徑，(λ,φ)是正交曲線坐標(biāo)系下塊體上任一點經(jīng)度、緯度，ωx,ωy,ωz為塊體歐拉矢量.

然而，實際中絕大多數(shù)塊體變形為非剛性變形，并假設(shè)該塊體的應(yīng)變是均勻的，塊體內(nèi)任一點的地殼運動是塊體旋轉(zhuǎn)運動與內(nèi)部均勻形變的復(fù)合運動(李延興等，2007a,2007b)：

(2)

式中εe,εen,εn分別表示塊體東西向的線應(yīng)變、東西南北向的剪應(yīng)變、南北向的線應(yīng)變，(x,y)為球面正交曲線坐標(biāo)系坐標(biāo)(李延興等，2007a,2007b).

進一步，如果塊體內(nèi)應(yīng)變是非均勻的，假設(shè)塊體上任一點的應(yīng)變是與位置有關(guān)的線性函數(shù)，則可進一步得到描述塊體上任一點的由整體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的運動和塊體內(nèi)部非均勻變形產(chǎn)生的線性應(yīng)變模型(李延興等，2007a,2007b)：

(3)式中A0,B0,C0、ξ1～ξ3、ζ1～ζ3為塊體應(yīng)變參數(shù).式(3)即為描述塊體整體旋轉(zhuǎn)與線性應(yīng)變的線性應(yīng)變模型，模型右邊第一項代表了塊體的整體旋轉(zhuǎn)運動，第二到第四項代表了塊體內(nèi)部的連續(xù)變形.

4汾渭盆地及其鄰域地殼應(yīng)變模型的建立與應(yīng)變特征分析

4.1塊體運動應(yīng)變模型的建立及檢驗

汾渭盆地及其鄰域地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜且現(xiàn)今地殼構(gòu)造活動較強烈.因此，本文考慮采用模型(3)研究區(qū)域地殼構(gòu)造應(yīng)變特征.

由于GPS測量以及模型計算參數(shù)不可避免的會包含各種誤差的影響.因此，為有效避免誤差對應(yīng)變結(jié)果的影響，以獲取研究域更加真實的地殼應(yīng)變特征參數(shù)，有必要利用數(shù)理統(tǒng)計學(xué)理論對由式(3)求解出的應(yīng)變分量二次項進行參數(shù)顯著性假設(shè)檢驗，從統(tǒng)計角度判斷參數(shù)的真假性.

式(3)可改寫為下列矩陣形式：

(4)

其中：

(5)

(6)

(7)

式(4)可視為附加系統(tǒng)參數(shù)的平差模型，X為歐拉矢量與應(yīng)變參數(shù)一次項，為模型的主參數(shù)，A X為塊體剛性轉(zhuǎn)動與均勻變形引起的速度分量，Y為應(yīng)變參數(shù)二次項，是非隨機附加參數(shù)，B Y為塊體線性變形引起的速度分量.

采用線性假設(shè)檢驗法(Koch,1980；陶本藻，2007).線性假設(shè)為H0∶Y=0，當(dāng)H0成立時，構(gòu)造F統(tǒng)計量：

(8)

拒絕域為：

(9)

在給定顯著水平α下，如拒絕H0，認(rèn)為應(yīng)變參數(shù)顯著，認(rèn)為模型(3)中應(yīng)變參數(shù)二次項能合理有效反映出塊體的線性應(yīng)變特性；如接受H0，則認(rèn)為應(yīng)變參數(shù)不顯著，此時應(yīng)考慮塊體內(nèi)部是否具有均勻變形特性.因此，利用研究域2001—2007、2009—2011年GPS站點速度值及其精度信息，對利用式(3)求解出的各塊體應(yīng)變參數(shù)二次項進行線性模型的顯著性檢驗，并將檢驗結(jié)果列入表1中.

表1　汾渭盆地及其鄰域各構(gòu)造塊體應(yīng)變參數(shù)二次項顯著性檢驗結(jié)果

表1顯示，大同盆地、忻州—太原盆地、渭河盆地、青藏東邊緣地塊、華北西邊緣地塊，應(yīng)變參數(shù)二次項在顯著性水平α=0.1下檢驗結(jié)果均為拒絕，應(yīng)變參數(shù)二次項整體均顯著，同時在對每個應(yīng)變參數(shù)二次項檢驗結(jié)果也均為顯著.由此表明，在顯著水平α=0.1下模型(3)能較好地描述上述構(gòu)造塊體具有的線性應(yīng)變特性.

而臨汾—運城盆地、銀川盆地檢驗結(jié)果均為不顯著.則應(yīng)采用模型(2)對其進行應(yīng)變參數(shù)求解，并對模型應(yīng)變均勻性進行檢驗(明鋒和柴洪洲，2009)，檢驗結(jié)果如表2所示.如檢驗結(jié)果為接受，則可認(rèn)為在顯著性水平α=0.1下，塊體內(nèi)部形變具有均勻變形特性，如拒絕，則表明應(yīng)考慮塊體內(nèi)部是否具有線性應(yīng)變特性.

表2　應(yīng)變均勻性檢驗結(jié)果(1×10-9) (以應(yīng)變參數(shù)2倍中誤差作為參考)

表2顯示，銀川盆地應(yīng)變均勻性檢驗結(jié)果均為接受，表明在顯著性水平α=0.1下可認(rèn)為模型(2)能較好描述該盆地內(nèi)部具有的均勻應(yīng)變特性.對于臨汾—運城盆地檢驗結(jié)果則均為拒絕，表明需在模型(2)基礎(chǔ)上考慮再引入相應(yīng)的應(yīng)變參數(shù)二次項，以描述該盆地內(nèi)部具有的線性應(yīng)變特性，但從模型最優(yōu)性及合理性角度考慮，模型所引入的參數(shù)應(yīng)盡可能少且能夠有效反映出塊體實際運動變形特性為宜.

因此，利用與上述相同的線性模型假設(shè)檢驗方法，對模型(3)表征的臨汾—運城盆地地殼運動應(yīng)變模型中的應(yīng)變參數(shù)二次項ξ2,ζ2，ξ3,ζ3再分別進行參數(shù)顯著性檢驗，在顯著水平α=0.1下，上述應(yīng)變參數(shù)二次項檢驗結(jié)果均為不顯著.因此，最終可由(10)式來描述臨汾—運城盆地構(gòu)造運動變形特性：

(10)

綜上，在顯著水平α=0.1下，塊體運動應(yīng)變模型(3)可較好描述大同盆地、忻州—太原盆地、渭河盆地、青藏東邊緣地塊、華北西邊緣地塊具有的線性應(yīng)變特性；模型(2)可較好描述銀川盆地地殼均勻應(yīng)變特性；模型(10)則可較好描述臨汾—運城盆地地殼運動變形特性.

4.2汾渭盆地及其鄰域現(xiàn)今地殼應(yīng)變特征分析與討論

利用研究域2001—2007、2009—2011年高精度GPS速率場，依據(jù)4.1節(jié)中各塊體運動應(yīng)變模型的建立思路，可求解出各塊體相應(yīng)的地殼應(yīng)變率分量及最大、最小主應(yīng)變率、主張應(yīng)變率方位角等應(yīng)變特征參數(shù).求解所得兩時間段研究域地殼主應(yīng)變率矢量圖，如圖4、5所示.

同時，為驗證4.1節(jié)中對區(qū)域地殼運動應(yīng)變模型參數(shù)合理選擇的重要性，以臨汾—運城盆地為例(2009—2011年時間段)，如直接采用模型(3)與模型(2)對盆地應(yīng)變參數(shù)進行求解，結(jié)果分別如圖5b、5c所示.

對比利用經(jīng)統(tǒng)計檢驗判斷選擇參數(shù)后的模型(10)對臨汾—運城盆地應(yīng)變求解結(jié)果圖5a可看出，圖5a揭示出的臨汾—運城盆地南部與北部應(yīng)變矢量具有一定的差異性，這也與臨汾—運城盆地南部位于華南與華北地塊的交界耦合帶較其北部地質(zhì)構(gòu)造要復(fù)雜這一特殊地質(zhì)構(gòu)造背景相一致，而圖5b則不能有效反映出運城—臨汾盆地南北部具有的構(gòu)造差異性特征，圖5c反映出的臨汾—運城盆地應(yīng)變特性則與盆地自身構(gòu)造動力學(xué)背景特征不符.因此，合理的區(qū)域地殼運動應(yīng)變模型及應(yīng)變參數(shù)，對于有效反映出區(qū)域?qū)嶋H構(gòu)造變形特性至關(guān)重要.

對比圖4、5可發(fā)現(xiàn)，在2001—2007年與2009— 2011年不同時間段內(nèi)汾渭盆地及其鄰域地殼應(yīng)變特征存在一定的差異性，較顯著的區(qū)域是位于研究域西部的青藏東邊緣地塊、渭河盆地西側(cè)局部地區(qū)及銀川盆地：

(1) 青藏東邊緣地塊擠壓應(yīng)變量值在2009—2011年間較2001—2007年間有整體變小的趨勢性特征，且該區(qū)域南、北端應(yīng)變特征也呈現(xiàn)出不同的變化特征，區(qū)域北端在2001—2007年間呈現(xiàn)出較明顯的近NEE—SWW向擠壓應(yīng)變特征，同時伴有小量值的NW—SE向張性應(yīng)變，南端則呈現(xiàn)出顯著的近E—W向擠壓應(yīng)變特征，量值達約-3.8×10-8/a以上；在2009—2011年間，區(qū)域北端擠壓應(yīng)變量值有所減小且主要以近E—W向擠壓應(yīng)變?yōu)橹?，南端擠壓應(yīng)變率量值也較2001—2007年要小，量值約為-3.2×10-8/a；

(2) 渭河盆地西側(cè)局部區(qū)域在2001—2007年間較盆地中東部呈較明顯的擠壓應(yīng)變特征，壓應(yīng)變主軸為近NEE—SWW向，量值約-2.8×10-8/a， 同時伴隨與擠壓應(yīng)變量值相當(dāng)?shù)腘W—SE向張性應(yīng)變，但在2009—2011年間，渭河盆地西部區(qū)域較盆地中東部雖然還是呈現(xiàn)出以擠壓應(yīng)變?yōu)橹鞯奶卣?，但擠壓應(yīng)變量值較2001—2007年要小，量值約為-1.6×10-8/a，且壓應(yīng)變主軸也由近NEE—SWW向轉(zhuǎn)變?yōu)榻麰—W向；

圖4　汾渭盆地及其鄰域主應(yīng)變率矢量分布圖(2001—2007年)

(3) 銀川盆地在2001—2007年間，呈現(xiàn)出明顯的近NW—SE向拉張應(yīng)變特征，量值約為3.0×10-8/a，同時伴隨小量值的NE—SW向擠壓應(yīng)變，而在2009—2011年間，盆地拉張應(yīng)變量值較2001—2007年有所減小，且呈現(xiàn)出以NWW—SEE向拉張應(yīng)變?yōu)橹鞯奶卣?

從上述研究域西部地殼應(yīng)變場存在的差異性可看出，汶川強震后2009—2011年期間研究域西部并沒有呈現(xiàn)出顯著的應(yīng)變積累狀態(tài)，而是呈現(xiàn)出應(yīng)變量值較震前小的特征，但從理論上來講發(fā)生在研究域西南部的汶川強震可能會造成研究域西部地區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變積累.分析其原因，一方面可能是因為汾渭盆地及其鄰域并不是汶川大震造成的庫侖應(yīng)力顯著增加區(qū)(單斌等，2012；解朝娣等，2010)，另一方面可能是強震雖然在短時間段內(nèi)會對汾渭盆地及其鄰域產(chǎn)生較強烈的應(yīng)力擾動，急劇的應(yīng)力增加會伴隨著區(qū)域地震活動性增強，但這些地震強度均不高主要表現(xiàn)為頻繁的小震活動，而頻繁的小震活動實際上也起到了釋放前期積累的應(yīng)力應(yīng)變能作用，且小震活動表現(xiàn)出的這種高頻次活動狀態(tài)，會隨著汶川大震余震序列的起伏衰減，頻次也在逐漸降低，研究域受大震應(yīng)力擾動恢復(fù)時間較短(解朝娣等，2010；石軍，2008).

從圖4、5總體來看，汾渭盆地及其鄰域在2001—2007年與2009—2011年間呈現(xiàn)出的地殼應(yīng)變特征整體保持了較好的一致性：

(1) 青藏東邊緣地塊及渭河盆地西側(cè)局部區(qū)域整體均呈現(xiàn)出較顯著的擠壓應(yīng)變特征.這一結(jié)果也較好地反映出青藏高原東緣與東構(gòu)造結(jié)交界處的長期構(gòu)造動力學(xué)環(huán)境，即青藏高原東緣不同構(gòu)造帶水平運動強度及方式的差異，受控于青藏高原NE向擠壓、向E擠出和繞東構(gòu)造結(jié)旋轉(zhuǎn)作用(王雙緒等， 2013)，在上述構(gòu)造環(huán)境作用下青藏高原東緣與東構(gòu)造結(jié)交界處受擠壓動力學(xué)作用顯著；

圖5　汾渭盆地及其鄰域主應(yīng)變率矢量分布圖(2009—2011年)

(2) 銀川盆地與華北西邊緣地塊整體也均表現(xiàn)出以NW—SE向拉張應(yīng)變?yōu)橹鞯奶匦?整個汾渭盆地區(qū)域，包括渭河盆地中東部、臨汾—運城盆地、忻州—太原盆地、大同盆地處，也均呈現(xiàn)出顯著的拉張應(yīng)變特征，拉張應(yīng)變主軸為近NW—SE向，此特征也是區(qū)域大陸動力學(xué)作用的演化結(jié)果(張岳橋等，2006)，且本文計算所得汾渭盆地現(xiàn)今具有的應(yīng)變場特征與前人利用陜西地震局GPS觀測網(wǎng)絡(luò)所得渭河盆地構(gòu)造應(yīng)力場具有類似的特征，已有的研究發(fā)現(xiàn)渭河盆地中、東部顯著的NW—SE向拉張構(gòu)造應(yīng)力矢量近乎與地裂縫展布呈近似垂直特性，由此揭示出此NW—SE向拉張構(gòu)造應(yīng)力場是渭河盆地中、東部地裂縫災(zāi)害群發(fā)的力源機制(張勤等，2012).然而，相對于整個汾渭盆地而言，其地裂縫災(zāi)害無論在分布規(guī)律、活動性質(zhì)、以及具有的強烈構(gòu)造屬性等方面均與渭河盆地內(nèi)地裂縫災(zāi)害具有極為相近的特點，而且兩者均屬于同一構(gòu)造活動體系下發(fā)育的特殊地質(zhì)災(zāi)害，進一步觀察圖6所示汾渭盆地地裂縫展布(彭建兵，2013)與整個汾渭盆地構(gòu)造應(yīng)變矢量疊加圖可發(fā)現(xiàn)，汾渭盆地內(nèi)現(xiàn)今具有的整體顯著NW—SE向拉張應(yīng)變矢量，也幾乎均與汾渭盆地內(nèi)的渭河盆地中東部、臨汾—運城盆地、忻州—太原盆地、大同盆地內(nèi)地裂縫走向呈近似垂直關(guān)系.

圖6　汾渭盆地拉張型構(gòu)造地裂縫與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)變矢量疊加圖(區(qū)域構(gòu)造據(jù)彭建兵(2013))

本文將研究域內(nèi)構(gòu)造塊體視為各向同性彈性薄板處理，由廣義胡克定律可得，各向同性彈性體內(nèi)任一點發(fā)生連續(xù)彈性變形時，應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系，各點處主應(yīng)變軸與主應(yīng)力軸重合(畢令斯，1959；郭良遷等，2011；李延興等，2007a,2007b).據(jù)此前提下可初步推斷，本文計算所得整個汾渭盆地內(nèi)各GPS監(jiān)測點處呈現(xiàn)出的近NW—SE向拉張應(yīng)變矢量特征，表明各GPS監(jiān)測點處拉張應(yīng)力主軸方向也呈NW—SE向，由此預(yù)示著整個汾渭盆地受近NW—SE向拉張應(yīng)力場作用顯著，而該因素可能是整個汾渭盆地內(nèi)拉張型構(gòu)造地裂縫災(zāi)害群發(fā)的動力學(xué)成因所在.

5結(jié)論

本文利用汾渭盆地及其鄰域高精度GPS監(jiān)測成果，基于區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特點，采用塊體運動應(yīng)變模型結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計假設(shè)檢驗法建立了研究域合理的地殼運動應(yīng)變模型，基于模型求解結(jié)果獲得了以下初步認(rèn)識：

(1) 研究域內(nèi)不同塊體由于自身構(gòu)造及外部條件的不同，其運動狀況與應(yīng)變狀態(tài)并不完全一致.因此，在利用塊體運動應(yīng)變模型求解應(yīng)變參數(shù)分析區(qū)域應(yīng)變特性時，需要對模型參數(shù)進行合理的選擇，以獲取能夠真實反映出區(qū)域?qū)嶋H構(gòu)造變形特性的應(yīng)變參數(shù).本文采用線性模型假設(shè)檢驗法有效地獲取了能夠合理描述各個塊體實際運動變形特性的地殼應(yīng)變參數(shù)，定量地揭示出了研究域現(xiàn)今具有的構(gòu)造形變應(yīng)變特征，且所得結(jié)果與區(qū)域現(xiàn)今構(gòu)造動力學(xué)背景特征相一致；

(2) 根據(jù)2001—2007年與2009—2011年研究域在汶川強震前后應(yīng)變場變化特征揭示出，汶川強震會對研究域西部的青藏地塊東邊緣、渭河盆地西側(cè)局部地區(qū)及銀川盆地應(yīng)變場造成一定的影響，但在震后2009—2011年時間段內(nèi)，并沒有造成上述區(qū)域應(yīng)變的積累，可能與該區(qū)域并不是強震造成的庫侖應(yīng)力顯著增加區(qū)，及研究域受大震應(yīng)力擾動恢復(fù)時間較短有關(guān)，可初步推斷青藏高原東緣與東構(gòu)造結(jié)交界處在該時間段內(nèi)處于構(gòu)造應(yīng)力的松弛調(diào)整期.同時，汶川強震沒有改變研究域現(xiàn)代整體的構(gòu)造變形背景特征，區(qū)域地殼構(gòu)造活動具有較好的繼承性發(fā)展特征；

(3) 汾渭盆地特殊的地質(zhì)構(gòu)造孕育了地裂縫災(zāi)害發(fā)生的基礎(chǔ)條件，外在因素如抽取地下水、強降雨沖蝕或灌溉侵水等會導(dǎo)致局部地裂縫的超?；顒樱斐稍诜谖寂璧剡@一狹長構(gòu)造地塹帶內(nèi)近年發(fā)生如此廣泛的地裂縫災(zāi)害，和盆地現(xiàn)今具有的整體與地裂縫走向呈近似垂直關(guān)系的NW—SE向拉張構(gòu)造應(yīng)變場作用密切相關(guān).基于研究域構(gòu)造塊體具有各向同性連續(xù)彈性變形的前提上，初步推斷整個汾渭盆地內(nèi)多發(fā)的地裂縫災(zāi)害可能是區(qū)域NW—SE向拉張應(yīng)力場作用下的地表破裂響應(yīng).

需要說明的是，GPS觀測結(jié)果能夠提供高精度、大范圍和準(zhǔn)實時的地殼運動定量信息，這一信息實際上反映了構(gòu)造變形的現(xiàn)今活動水平，但GPS觀測反映出的現(xiàn)今地殼運動觀測資料積累時間尺度有限，與地質(zhì)學(xué)時間尺度相比只是短暫的一瞬.因此，對研究域動力學(xué)演化過程的深入認(rèn)識，還需更長時間尺度的觀測資料及聯(lián)合多類型數(shù)據(jù)資料的支持.本文對研究域內(nèi)構(gòu)造塊體視為各向同性連續(xù)彈性形變的假設(shè)，是對塊體實際介質(zhì)和變形的近似，當(dāng)研究較為復(fù)雜問題時，需進一步考慮介質(zhì)的各向異性、非完全彈性變形以及塊體內(nèi)介質(zhì)非連續(xù)等性質(zhì).同時，在利用塊體運動應(yīng)變模型求解塊體應(yīng)變參數(shù)時，還應(yīng)注意塊體圖形條件及塊體內(nèi)監(jiān)測點數(shù)目，在對構(gòu)造塊體劃分時應(yīng)盡可能的使構(gòu)造塊體圖形條件較好且塊體內(nèi)部監(jiān)測點數(shù)目足夠多.此外，由于本文采用的臺站分布密度不大、數(shù)據(jù)相對較少，得到的結(jié)果僅是大尺度的應(yīng)變結(jié)果，要獲得更精細的局部應(yīng)變狀態(tài)有賴于對塊體的進一步細分及監(jiān)測臺站的加密.

致謝作者首先向所有參與環(huán)鄂爾多斯艱苦環(huán)境下獲取GPS觀測數(shù)據(jù)的野外測量工作者致以崇高的敬意.感謝二位匿名審稿專家提出的寶貴修改意見，才使得論文不斷得以完善；中國地震局第二監(jiān)測中心高新技術(shù)研發(fā)室、中國地震局地質(zhì)研究所王敏研究員提供了高精度GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)；感謝陶本藻、陳永奇教授提供的意見及給予的幫助.

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(本文編輯何燕)

基金項目國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)(2014CB744703)；國家自然科學(xué)基金(41202189，41274005)；地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室開放基金(SKLGP2014K009)；中國博士后基金(2013M530412)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(2014G1261050、2014G3263014)；中國地震局地震行業(yè)科研重點專項(201208009)聯(lián)合資助.

作者簡介瞿偉，男，1982年生，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事大地測量地殼形變與地質(zhì)災(zāi)害高精度監(jiān)測及機理反演研究. E-mail:maikerqq@163.com *通訊作者張勤，女，1958年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事動態(tài)大地測量與災(zāi)害、環(huán)境監(jiān)測的理論與方法、GPS與InSAR融合等方面的教學(xué)與科研工作.E-mail:zhangqinle@263.net.cn

doi:10.6038/cjg20160306 中圖分類號P223

收稿日期2015-01-21，2016-01-28收修定稿

Current crustal deformation variation characteristics of the Fenwei basin and its surrounding areas revealed by GPS data

QU Wei1,2,WANG Yun-Sheng2,ZHANG Qin1*,WANG Qing-Liang3,XUE Kang1

1CollegeofGeologyEngineeringandGeomatics,Chang′anUniversity,Xi′an710054,China2StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu 610059,China3SecondMonitoringandApplicationCenter，ChinaEarthquakeAdministration，Xi′an710054,China

AbstractThe Fenwei basin is of great importance in research of tectonic activity and geological hazards (such as the ground fissures and earthquakes) in China.This basin is actually a deep rift that divides North China into eastern and western parts.Bounded by the Qinghai-Tibet,Ordos,North China and South China blocks,the Fenwei basin is a accommodation zone of differential motions of these blocks,and the boundaries and decoupled strips of tectonics between western and eastern North China.We focused on the current crustal deformation characteristics of the Fenwei basin and its surrounding areas,especially the influence of the 2008 Wenchuan earthquake.Meanwhile,we further analyzed the intrinsic relationship between the tectonic deformation features of the overall Fenwei basin and the multiple ground fissures within the basin.

KeywordsFenwei basin; GPS; Block movement strain model; Mathematical statistical hypothesis testing; Crustal strain characteristics; Ground fissures

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Qu W,Wang Y S,Zhang Q,et al.2016.Current crustal deformation variation characteristics of the Fenwei basin and its surrounding areas revealed by GPS data.Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(3):828-839,doi:10.6038/cjg20160306.