大同盆地現今地殼形變及應變分布特征*

瞿 偉 王慶良 張 勤 彭建兵 張 明

1)長安大學地質工程與測繪學院，西安 710054

2)西部礦產資源與地質工程教育部重點實驗室，西安 710054

3)中國地震局第二監測中心，西安710054

1 引言

大同盆地是汾渭盆地內地殼構造活動強烈、地質災害頻發的典型區域，特別是近年來以大同市地裂縫災害最為典型和嚴重［1，2］。為了進一步研究大同盆地現今地殼三維構造活動速率與變形特征，及其與區域長期構造變形背景之間的關系，以及區域地殼應變場與盆地內典型地裂縫大同市地裂縫發育的構造成因關系等問題，利用中國地殼運動觀測網絡工程項目在大同盆地內的2006—2010年高精度GPS 監測成果，通過構建合理的形變反演模型，結合參數顯著性檢驗方法，獲取了大同盆地現今地殼三維運動速度場、應變特征參數及其分布特征，并結合地質構造，分析了區域構造應變場與大同市地裂縫群發育的構造成因關系。

2 大同盆地現今地殼三維形變場

GPS 數據來源于中國地殼運動觀測網絡工程項目在大同盆地的14 個地殼運動GPS 站點的觀測資料。基于上述高精度監測數據，利用GAMIT/GLOBK軟件對2006—2010年GPS 監測資料進行了統一解算平差處理，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部構造變形差異特征，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，特別是在大同市南部地區，其水平拉張量明顯大于盆地內其他區域。

圖2 顯示出大同盆地內的GPS 站均呈下沉狀態，其中DK03 站的最大沉降量達－10.79 mm/a，而盆地的邊緣山區相反均呈上升趨勢。同時從圖2 還可以看出，口泉斷裂帶現今具有較明顯的“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 大同盆地現今地殼應變特征參數及其分布特征

由于大同盆地內GPS 站構成的三角形形狀因子整體性較好［3］，據此，本文采用三角形圖形單元法建立區域應變分析模型，求解區域地殼應變特征參數。

3.1 應變參數求解模型的建立

設監測點間相對形變量與地殼應變張量的線性關系式為

其中U是相對形變量向量，T 為應變張量，A 為轉換系數矩陣。

根據式(1)，在橢球面上利用GPS 觀測量計算二維應變的公式為［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'是橢球面上的應變張量和旋轉張量，其中ε'=(εe，εn，εen)分別代表東西、南北方向的線應變及剪應變，ΔP'=

據此，建立的大同盆地圖形單元應變模型如圖3 所示。需要說明的是，在構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構造活動很弱的區域，而分析這些圖形單元應變對于研究區域構造應變場意義不大，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變分量，并由位移速率差值的誤差矩陣得到應變分量的誤差矩陣。

3.2 應變參數顯著性檢驗

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定構造塊體的內部，單元的運動應該表現為剛體旋轉歐拉運動，而此時利用圖形單元法計算獲得的單元地應變參數在統計意義上應該為零，但是由于誤差的影響，此時應變參數往往不等于零。

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

如前所述，如果圖形單元位于穩定區域內(屬剛性運動)，則應變估值均值應該為零，即E(X)=0，并將其作為χ2檢驗的零假設，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，即圖形單元的地應變估值不顯著，認為應變估值是由于測量誤差引起的;否則，拒絕原假設，即圖形單元的地應變估值是顯著的，此時可以認為在α 置信水平下，應變特征參數估值是由地殼構造活動變形所引起的。

3.3 顯著應變特征參數及其分布特征

利用參數顯著假設檢驗方法對獲得的大同盆地17 個圖形單元應變參數進行顯著性假設檢驗，檢驗結果如表1。

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

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

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

圖4 顯示出大同盆地顯著主應變主要集中在大同盆地內部地區，且集中分布在盆地的西北部區域;盆地內顯著主應變以拉張應變為主，方向為NW-SE向，表明盆地現今整體受NW-SE 向拉張力源作用顯著，且顯著主張應變最大量值出現在盆地內地裂縫最為群發的西北部，位于大同市的西南區域內，其量值達到1.9 ×10－6/a;在靠近口泉斷裂邊緣局部區域則呈現出一定的擠壓性質，主壓應變率約為－1.0×10－6/a，在靠近盆地東部的山邊帶局部也呈現一定的擠壓性質，主壓應變方向為NE-SW 向。

表1 大同盆地圖形單元應變參數顯著性檢驗結果Tab.1 Significant test results of strain parameter of graphical elements of Datong basin

4 地殼形變應變場與地裂縫發育構造成因分析

圖4 顯示出盆地西北部局部區域NW-SE 向水平拉張應變明顯大于盆地內其他地區，而此區域也正是大同盆地內地裂縫災害最為典型和嚴重的地區，且觀察此區域拉張應變方向，可發現其與地裂縫的走向呈近似垂直關系(圖5)，而大同市北部區域NW-SE 向主應變則以壓應變為主，在此區域內地裂縫較少。由此揭示出大同市南部區域NW-SE 向拉張應力是大同市南部區域地裂縫群發的構造力源。

圖4 大同盆地現今地殼顯著應變特征分布圖(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 大同市地裂縫與區域拉張應變關系示意圖Fig.5 Relationship between ground fissures and regional extension stain in Datong city

由大同盆地構造應力場背景及大陸動力學環境可知，鄂爾多斯塊體逆時針旋轉運動與華北塊體順時針旋轉運動聯合作用［8］，會在兩個地塊之間的斷陷盆地內形成右旋剪切的NW-SE 向拉張環境，而本文基于大地測量GPS 反演結果也證實了這一點(圖4)，同時利用更大區域(整個山西盆地)的GPS 數據反演獲得的大同盆地構造應變場，也呈現出以NWSE 向拉張應變為主的特征［9］。因此，在周圍板塊運動產生的NW-SE 向拉張應力的主導及附加盆地深部動力的共同作用下［10］，會造成盆地內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，發展至地表形成出露地表的地裂縫災害。

地裂縫實地鉆孔及地質探槽資料結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性［9］，從圖5 也可以看出，大同市地裂縫的發育方向與位置與其區域內的水峪隱伏構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育及活動與深部斷層活動有密切關系。

5 結論與討論

1)大同盆地現今整體處于較明顯的水平拉張且內部斷陷下沉的運動狀態，其地殼應變特征主要以NW-SE 向拉張應變為主，此結論與盆地現今地質構造發展模式相一致，與盆地以往較長期構造變形背景具有較好的繼承性特點［11，12］;

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

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據及給予的幫助!

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