山西斷陷帶的近期位移和應變率特征＊

郭良遷 占 偉 楊國華 薄萬舉

(中國地震局第一監測中心,天津 300180)

山西斷陷帶的近期位移和應變率特征＊

郭良遷 占 偉 楊國華 薄萬舉

(中國地震局第一監測中心,天津 300180)

根據山西 GPS局域網觀測資料計算的應變位移場和主應變率結果,研究山西斷陷帶內各個盆地的小尺度形變和應變,以及山西斷陷帶的整體變化。同時利用網絡工程區域網的觀測資料計算了在鄂爾多斯塊體和太行山塊體相互作用下,山西斷陷帶上產生的差異活動和應變率,這是空間大尺度的變化。不同尺度的應變場和位移場存在著顯著差別,它們在地震預測分析中的含義也不同。中小地震分布的隨機性較大,與空間小尺度的形變應變有關聯,大震主要發生在塊體邊界帶上,與塊體的整體運動有關,所以,空間小尺度的形變應變場是評估中小地震活動的依據,塊體間的運動和應變場是評估大震活動的依據。2006—2009年的應變顯示,大同盆地和忻代盆地“南壓北張”,太原盆地主應變率“內小外大”,臨汾盆地“北壓南張”。各個盆地的水平運動都具有張扭或壓扭特征。大尺度變化說明山西斷陷帶存在一定的應變積累。

山西帶;水平運動;主應變率;空間尺度差異;運動與應變

1 引言

山西斷陷帶由一系列盆地組成,呈北北東向分布,是新生代發展形成的活動構造[1]。它是華北地區的主要構造活動帶之一,在華北地區歷史上大震活躍期(1022—1305年和 1501—1696年)中發生過多次大震 (洪洞 8級,1303-09-25,華縣級,1556-02-02,以及多次 7級地震)[2,3]。1816年至今山西斷陷帶未發生Ms≥7的地震,近 200年間大震活動相對平靜。2009-07—2010-01臨汾臺的水準測線兩次出現大幅度變化,引起了地震工作者的注意。地形變是地震預測研究的基礎依據之一,也是研究現在地殼構造活動的主要方法。山西斷陷帶是現代活動塊體的分界帶,活動性相對較強,仍是地學工作者研究的地區之一。已有專家用 GPS觀測、跨斷層測量和水準觀測的資料對山西斷陷帶的現代活動性進行了研究[4,5]。本文旨在根據山西局域網和網絡工程區域網最近施測的 GPS資料,研究山西斷陷帶近期的變化特征,為評估地震危險性提供參考依據。

本次處理的山西局域網包括了新建的跨山西斷陷帶的山陰剖面、介休剖面和臨汾剖面的 GPS觀測資料(圖 1),用以研究山西斷陷帶整體和各個盆地的位移及應變率,同時利用網絡工程區域網的資料研究鄂爾多斯和太行山兩個塊體相互作用在山西斷陷帶上產生差異活動和應變率。

2 盆地形變應變場

根據各個盆地分布的 GPS站點的觀測資料,分別計算了各盆地的位移場和應變場,它反映了山西斷陷帶局部盆地地段的形變和應變狀態。本文所述的位移場是由應變產生的位移,它分別以各個盆地地塊中心為參考基準,位移矢量顯示了盆地各部分相對于盆地中心的運動。在水平應變場中,最小主應變一般為壓性(本文稱為主壓應變),和主壓應力對應;最大主應變一般為張性 (本文稱為主張應變),和主張應力對應;主壓應變軸的方向與主壓應力軸方向一致,主張應變軸方向與主張應力軸方向一致。相對應的應變和應力大小分別成比例。

大同盆地整體主壓應變方向為北東 52.9°,主壓應變率是 -3.15×10-9/a,主張應變率為 13.17 ×10-9/a,拉張起主導作用。

圖 1 山西斷陷帶 GPS站點分布Fig.1 Distribution of GPS stations in the Shanxi rift zone

圖 2表明,大同盆地的東部張應變率明顯大于壓應變率,南北向的拉張作用較強。大同盆地西南部以近南北向的擠壓為主,和其相垂直的東西向張應變率較小。盆地中部的山陰、懷仁地區主應變率較小,應變不顯著。應變場反映出大同盆地東部南北向以主張應力作用為主,西南部近南北向以主壓應力作用為主。北北東向口泉斷裂西北側主應變率相對較大,東南側較小;北東向六棱山北麓斷裂和恒山北麓斷裂的北西側主應變率相對較小,東南側相對較大。它們在一定程度上控制著應變分區。

大同盆地中部運動速度最小,周邊速度相對較大(圖 3)。盆地南北兩部分向北運動,北部運動速度大于南部,東西兩側向西南運動。大同盆地的位移態勢顯示出盆地相對兩側山地向北運動,盆地西側邊界的口泉斷裂具有左旋活動,東南部邊界的六棱山北麓斷裂和恒山北麓斷裂具有右旋活動。

忻州-代縣盆地整體主壓應變軸為近東西向(N88.4°),主壓應變率為 -10.54×10-9/a,主張應變率為 13.73×10-9/a。張應變率大于壓應變率,二者量值相差不大,表明在相應的主應力作用下,剪切作用較顯著。

忻代盆地北部主張應變率明顯大于主壓應變率,主張應變軸為南北向,南部主壓應變率較為突出,主壓應變軸為北東向。說明忻代盆地北部南北向張應力作用顯著,南部北東向擠壓作用較強。北東向系舟山山前斷裂西北側應變率相對較小,東南側應變率較大,在一定程度上控制了應變分區 (圖4)。

忻代盆地位移矢量顯示,北部向北北東方向運動,南部向東運動,盆地在橫向上存在著差異運動(圖 5)。系舟山山前斷裂兩側的位移矢量速度的差異變化顯示出斷裂為右旋壓扭活動。

太原盆地的整體主壓應變軸為北東 84°,最小主應變率為 -34.24×10-9/a,最大主應變率為-11.96×10-9/a,兩個主應變都為壓性,反映出太原盆地擠壓作用相對強烈。

太原盆地的主壓應變率相對較大,主張應變率較小(圖 6),而周邊地區的主應變率較盆地內部大。太原盆地北部的主壓應變軸為北北東向,西部為近南北向,南部為北西西向,東部為近東西向。應變反映出太原盆地以壓應力作用為主,應力方向比較復雜。太原盆地的應變大小分區受北東向交城斷裂和太谷斷裂控制。

太原盆地總體上向西南運動,位移矢量速度是盆地小于外圍山區(圖 7),顯示出盆地相對東西兩側山區地塊剪切活動明顯。盆地西邊界的交城斷裂呈左旋走滑,東邊界的太谷斷裂呈右旋走滑。

臨汾盆地整體主壓應變軸為北東 77.8°,主壓應變率為 -9.99×10-9/a,主張應變率為 2.77× 10-9/a,主壓應變顯著大于主張應變,說明臨汾盆地以擠壓應力作用為主。

圖 2 2006—2009年大同盆地主應變率Fig.2 Principal strain rate of Datong basin during 2006-2009

圖 3 2006—2009年大同盆地位移矢量速度Fig.3 Displacement vector speed of Datong basin during 2006-2009

圖 4 2006—2009年忻代盆地主應變率Fig.4 Principal strain rate of Xinzhou-Daixian basin during 2006-2009

圖 5 2006—2009年忻代盆地位移矢量速度Fig.5 Displacement vector speed of Xinzhou-Daixian basin during 2006-2009

臨汾盆地北段和盆地西側主壓應變軸為北西向,南段和盆地東南側主壓應變軸為北東向,應變軸方向分界在襄汾-萬榮一帶。臨汾盆地北部的主壓應變率較大,南部的主張應變率較大(圖 8),表明臨汾盆地北部北西向擠壓應力作用強烈,東南部北西向張應力作用顯著。

位移矢量速度顯示,臨汾盆地北段的東、北、西3面相向運動,形成向中心匯聚的運動狀態 (圖 9)。臨汾盆地南段比較一致的向東及東南運動,西側位移速度小,東側位移速度相對較大,出現拉張運動狀態。就運動態勢而言,南北兩段交匯地帶存在有東西方向的剪切運動。

綜上所述,各個盆地的局部變化說明,大同盆地和忻代盆地的應變率顯示北部拉張,南部擠壓,太原盆地呈現擠壓,臨汾盆地北部擠壓,南部拉張。位移速度矢量顯示,大同盆地相對兩側山地向北北東向位移,總體上具有張扭性;忻代盆地南北兩部分具有相對張扭性運動;太原盆地相對兩側山地具有走滑運動;臨汾盆地南北兩部分相對具有走滑運動。

圖 6 2006—2009年太原盆地主應變率Fig.6 Principal strain rate of Taiyuan basin during 2006-2009

圖 7 2006—2009年太原盆地位移矢量速度Fig.7 Displacement vector speed of Taiyuan basin during 2006-2009

圖 8 2006—2009年臨汾盆地主應變率Fig.8 Principal strain rate of Linfen basin during 2006-2009

圖 9 2006—2009年臨汾盆地位移矢量速度Fig.9 Displacement vector speed of Linfen basin during 2006-2009

3 山西斷陷帶整體形變與應變

根據山西 GPS局域網觀測資料,把山西斷陷帶作為一個大的構造帶,計算得到的整體上的主壓應變軸為北東 73.6°,主壓應變率為 -14.28×10-9/a,主張應變率為 8.81×10-9/a。反映出主壓應力大于主張應力,壓應力作用較強。山西斷陷帶的中軸線成為應變率大小的分界線。

主應變率圖 10表明,山西斷陷帶東半部的主壓應變率明顯大于主張應變率,而西半部的主張應變率相對大于主壓應變率。就總體上看,山西斷陷帶東半部的主壓應變率顯著大于西半部。最大壓應變

圖 10 2006—2009年山西斷陷帶主應變率Fig.10 Principal strain rate of the Shanxi rift zone during 2006-2009

4 山西斷陷帶的差異活動

由網絡工程建設的區域網分布在鄂爾多斯塊體和太行山塊體上的 GPS站點觀測資料,分別擬合兩個塊體的運動參數,反算分界帶山西斷陷帶兩側鄰近點的運動速度,對應部分的點的速度相減,得到山西斷陷帶的差異運動速度 (圖 12)。它是相鄰的兩個塊體整體運動的差異變化。

山西斷陷帶的主體東盤相對西盤向北西西運動,位移速度矢量方向平均為北西 289.1°,最大為率為 -38.39×10-9/a,最大張應變率為 20.92× 10-9/a,最大壓性面應變率為 -30.51×10-9/a,最大張性面應變率為 20.64×10-9/a,最大剪應變率為 50.07×10-9/a。

山西斷陷帶的位移速率矢量是以其中心點為參考點的應變位移速率矢量,反映了山西斷陷帶本身不同部分的變形 (圖 11)。山西斷陷帶南北兩端位移速度相對較大,中段較小。以太原盆地北段為界,山西斷陷帶北部向西及西北運動,南部向東運動,顯示出山西斷陷帶圍繞太原盆地北段整體發生逆時針旋轉運動。北西 296.7°,最小北西 273.1°。山西斷陷帶的兩端部運動方向有一定的差異,北端部向南西運動,南端部向西運動。山西斷陷帶的兩側相對錯動速度為1.44 mm/a。

圖 11 2006—2009年山西斷陷帶位移矢量速度Fig.11 Displacement vector speed of the Shanxi rift zone during 2006-2009

由山西斷陷帶的差異錯動速度計算得到的主壓應變軸平均為北西 270°,最小方位角為南西237.6°,最大為北西 278.6°。方位角從南向北由南西西變為北西西向。主壓應變軸分布反映出現今山西斷陷帶的主壓應力作用方向總體上為近東西向。山西斷陷帶的主壓應變率平均為 -9.98×10-9/a,最大值為 -17.25×10-9/a,主壓應變率自南而北逐漸增大 (圖 13),臨汾盆地主壓應變率為 -7.19× 10-9/a,太原盆地為 -10.75×10-9/a,忻代盆地為-12.40×10-9/a,大同盆地為 -15.03×10-9/a。

圖 12 2007—2009年山西斷陷帶的活動速率Fig.12 Displacement vector speed of the Shanxi rift zone during 2007-2009

5 討論和認識

根據山西 GPS局域網2006年和2009年的觀測結果計算的大同、忻代、太原和臨汾各盆地的主應變率和位移速率矢量,是局部地段的變化,屬于中小空間范圍的變化。以山西斷陷帶為整體計算的應變率和位移場是相對的連續變化,屬于中大空間尺度的相對均勻的形變應變場。利用鄂爾多斯塊體和太行山塊體的運動參數反算的山西斷陷帶兩側的相對差異變化(運動速度和應變率)屬于較大空間尺度的塊體差異變化。前述不同空間尺度的應變率和運動場存在顯著差別。利用山西局域網計算的山西斷陷帶的位移場和應變場是構造帶作為連續介質的變化,反映了構造帶的均勻連續的應變狀態。利用各個盆地分布的 GPS站點資料分別計算的盆地應變率和位移矢量,是盆地局部的運動和應變率。上述兩者都屬于連續場的變化。利用塊體參數計算得到的山西帶活動速度和應變率,是相鄰接的不同塊體在運動中整體相互作用產生的錯動和應變,是不連

山西斷陷帶的差異運動和應變反映出在鄂爾多斯塊體與太行山塊體的相互作用下,作為塊體邊界的山西斷陷帶受到一定的擠壓應力作用。續的差異變化。

圖 13 2007—2009年山西斷陷帶的主應變率Fig.13 Principal strain rate of the Shanxi rift zone during 2007-2009

計算的不同空間尺度的不同含義的參數結果在地震預測分析中的意義不同。各個盆地的小尺度范圍的位移矢量和應變率是分析局部中小地震孕育發生的依據,而根據塊體整體活動參數計算的邊界帶活動速率和應變率是分析大震孕育發生的依據。因為小范圍的地殼相對變化涉及的地塊規模小,主要為地殼淺部的變化,或者局部一定深度的變化,它的變化所形成的應變多與中小地震孕育有關。小震的分布范圍廣,發生的隨機性大,也正是局部地段應變積累釋放的結果。

現今世界上的大震活動主要集中在板塊邊界帶上。中國大陸的大震絕大多數也都發生在Ⅰ級或Ⅱ級塊體的邊界構造帶上[6,7]。這些都說明大震主要受板塊或者塊體構造的控制,大震孕育的能量來自板塊或塊體的相互作用。塊體邊界的地震能量是由整個塊體在運動中轉遞和提供的。大震的能量大,影響的范圍也大。板塊或者Ⅰ、Ⅱ級塊體在三維空間上規模大,可達到中、下地殼,甚至上地幔,在整體上具有一定的剛性,所以,在塊體邊界的深大斷裂帶上能夠積聚大震所需要的能量。因此,從形變應變場中提取大震孕育信息,應注重整個塊體的作用[8],若從局部形變應變中就較難把握大震孕育情況。因此,分析大震形變應變場時,應以塊體的形變應變參數的計算結果來評估其邊界帶的大震孕育發生的危險性。

塊體和構造帶的相對均勻形變應變場反映了塊體的總體情況,在不同時段上,能夠顯示塊體的整體變化趨勢。

2006—2009年的盆地的應變特征顯示,大同盆地和忻代盆地是“南部壓北部張”,太原盆地主應變率“中間小外部大”,臨汾盆地“北部壓南部張”。運動場表明,大同盆地和太原盆地東西兩側山區相對盆地向南運動,忻代盆地和臨汾盆地的南北兩段相對右旋,忻代盆地為張扭,臨汾盆地為壓扭。

2006—2009年山西斷陷帶的整體位移特征為順時針旋轉運動,應變場顯示,大致以山西斷陷帶的中軸線為界“東側壓西側張”,該帶的東西兩部分應變存在一定的差異。

由塊體運動參數得到的山西斷陷帶的差異活動表明,以走滑-擠壓為特征,大部分地段的主壓應變率在 -1.11×10-8/a,擠壓速率為 -1.57 mm/a,顯示有一定的應變積累,但是量值不大。山西斷陷帶與龍門山構造帶相比,龍門山斷裂帶的壓應變率為-1.47×10-7/a,壓縮速率為 -8.8 mm/a,二者相比,相差甚遠[9]。

1 國家地震局《鄂爾多斯周緣活動斷裂系》課題組.鄂爾多斯周緣活動斷裂系[M].北京:地震出版社,1988.(Studying Group of“Peripheral Active Fault System of Ordos Block”of State SeismologicalBureau.Peripheral active fault system of Ordos block[M].Beijing:Seismological Press, 1988)

2 汪良謀.華北強震時-空變化某些特點與近期強震活動趨勢[J].地震地質,1987,9(2):39-47.(Wang Liangmou. Some features of strong earthquake activity in space and time variation and recent seismically active trend in North China [J].Seismology and Geology,1987,9(2):39-47)

3 張國民,等.華北強震規律的研究 [J].中國地震,1988, 4(3):66-70.(Zhang Guomin,et al.A study on the regularity of strong earthquakes in North China[J].Earthquake Research in China,1988,4(3):66-70)

4 郭良遷,等.山西斷陷帶的形變應變特征及地震活動[J].大地測量與地球動力學,2004,(4):64-71.(Guo Liangqian,et al.Characteistics of crust deform ation and strain of shanxi rift zone and seis m icity[J].Journalof Geodesy and Geodynamics,2004,(4):64-71)

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9 郭良遷.汶川Ms8.0地震前龍門山斷裂帶的水平形變和應變特征[J].國際地震動態,2009,(4):37.(Guo Liangqian.The characteristicsof horizontal deformation and strain in longmenshan fault zone befor WenchuanMs 8.0 earthquake[J]. Recent Developments in World Seis mology, 2009,(4):37)

SHORT-TERM D ISPLACEM ENT AND CHARACTERISTICS OF STRA IN RATE OF SHANXI FAULT SUBSI DENCE ZONE

Guo Liangqian,ZhanWei,Yang Guohua and BoWanju
(First CrustM onitoring and Application Center,CEA,Tianjin 300180)

On the basis of the results of the strain displacement field and the principal strain rate calculated from the data observed from Shanxi GPS local area net,the s mall-scale defor mation and strain of the various basins are researched,aswell as the overall changes of Shanxi fault subsidence zone.Meanwhile,from the observational data of the area network of network engineering,the differential activities and the strain rate resulted from the interaction of the Ordos block with the TaihangMountains block,within Shanxi fault subsidence zone are calculated, which is a spatial large-scale change.There are significant differences in different scales of strain field and displacement field,which are also different in the implications of earthquake prediction.Small and moderate earthquakes are more random,which are associated with the spatial s mall-scale defor mation-strain field,the large earthquakes occurmainly in the boundary zones of block,which are associated with block movement as a whole,so the spatial s mall-scale deformation-strain field is the basis for assessing the activities of small and moderate earthquakes,block movement and strain fields are the basis for assessing the activities of the large earthquake.The strain during 2006-2009 shows“south compressing and north tensing”of theDatong basin and Xindai basin,“inner low and outer high”of the main strain rate of Taiyuan basin,“north compressing and south tensing”ofLinfen basin.Horizontal movement of each basin has the tenso-shear or compresso-shear activity.Large-scale changesshow a certain amount of strain in Shanxi fault subsidence zone.

Shanxi rift zone;horizontal movement;principal strain rate;spatial scale differences;movement and strain

P315.72+5

A

1671-5942(2010)04-0036-07

2010-01-23

中國地震局“全國地震區劃圖編制項目”;天津市應用基礎研究項目(08JCZDJC18900)

郭良遷,男,1950年生,研究員,主要從事地形變、構造活動和地震預測研究.E-mail:guoliangqian@163.com