西秦嶺北緣斷裂分段運動變形特征分析

陳長云　賀建明

1　中國地震局第一監(jiān)測中心，天津市耐火路7號，300180

?

西秦嶺北緣斷裂分段運動變形特征分析

陳長云1賀建明1

1中國地震局第一監(jiān)測中心，天津市耐火路7號，300180

利用1999～2007年和2009～2013年西秦嶺北緣斷裂及其鄰區(qū)的GPS觀測數(shù)據(jù)，基于跨斷層速度剖面，結(jié)合斷裂帶鄰區(qū)應(yīng)變率場的分布，綜合分析斷裂帶的分段運動變形特征。1999～2007年觀測結(jié)果表明，西秦嶺北緣斷裂各次級斷裂段均表現(xiàn)出左旋走滑兼擠壓的運動特征，其中鍋麻灘段的活動性明顯高于其他3條次級斷裂；GPS主應(yīng)變率場顯示，沿西秦嶺北緣斷裂，各次級斷裂所受主壓應(yīng)變的方向基本一致，均為NE向，但是各分段主壓應(yīng)變的量值變化較為明顯，鍋麻灘段和鴛鳳段所受主壓應(yīng)變明顯大于漳縣段和天水-寶雞段；主壓應(yīng)變所表現(xiàn)出的分段特征與跨斷裂GPS站點剖面反映的結(jié)果比較一致。2009～2013年觀測結(jié)果表明，漳縣段滑動速率增加，主張應(yīng)變率增大，可能與岷縣漳縣地震的發(fā)生有關(guān)。綜合分析跨斷層剖面和主應(yīng)變率場反映的斷裂帶遠(yuǎn)場和近場變形特征認(rèn)為，西秦嶺北緣斷裂4條次級斷裂已處于閉鎖狀態(tài)，并且存在一定的應(yīng)變積累，其中天水-寶雞段平行斷裂滑動速率和垂直斷裂的擠壓速率均較低，可能表明其在西秦嶺北緣斷裂4條次級斷裂中閉鎖程度最高。

西秦嶺北緣斷裂；地殼形變；速度場；應(yīng)變率場；閉鎖深度

西秦嶺北緣斷裂帶走向北西西，位于海原斷裂和東昆侖斷裂之間，長約300 km，第四紀(jì)晚期以來以左旋滑動為主(圖1)。該斷裂是我國西部地理、地貌、地質(zhì)構(gòu)造及地殼結(jié)構(gòu)的重要分界線，也是我國主要的地震帶之一[1-2]。斷裂帶自西北向南東可以分為鍋麻灘段、漳縣段、鴛鳳段和天水-寶雞段等4條次級斷裂[3]。

圖1　西秦嶺北緣斷裂帶及鄰區(qū)主要活動構(gòu)造與地震活動性Fig.1　Main active fault and historical strong earthquakes along the west Qinling fault

西秦嶺北緣斷裂屬于地震發(fā)生強度和頻度均較高的地區(qū)。有史料記載以來，沿著西秦嶺北緣斷裂發(fā)生了8次強震事件，其中7級以上強震事件2次[4]，強震主要發(fā)生在斷裂帶的中段。學(xué)者們利用地震地質(zhì)資料在西秦嶺北緣斷裂及其周邊地區(qū)獲得了大量研究成果[5-6]。利用GPS資料進(jìn)行西秦嶺北緣斷裂帶所在青藏高原東北緣地區(qū)的水平運動、應(yīng)變特征等的研究也較多[7-8]，但大部分是從宏觀角度描述區(qū)域大尺度變形特征，定性或定量分析西秦嶺北緣斷裂整體的運動變形。本文利用1999～2007年和2009～2013年中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)的基本站和區(qū)域站的流動觀測GPS數(shù)據(jù)，在分析西秦嶺北緣斷裂所在青藏高原東北緣現(xiàn)今水平運動和變形特征的基礎(chǔ)上，重點分析西秦嶺北緣斷裂的分段運動變形特征，同時結(jié)合地震學(xué)和地質(zhì)學(xué)結(jié)果探討各分段之間的相互關(guān)系及其構(gòu)造意義。

1　數(shù)據(jù)與分析

研究使用的GPS數(shù)據(jù)主要來自中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)位于西秦嶺斷裂所在青藏高原東北緣地區(qū)的GPS連續(xù)站和流動站(圖2)。流動站點共觀測7個期次(1999年、2001年、2004年、2007年、2009年、2011年、2013年)，每次至少連續(xù)觀測72 h。使用GAMIT/GLOBK/QOCA軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具體處理流程見文獻(xiàn)[9-10]。為方便描述，把ITRF框架中的速率轉(zhuǎn)換為相對于歐亞板塊的運動速率，通過把ITRF中的速率與歐亞板塊的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行差分，定義歐亞參考框架。通常通過反演一組測站的坐標(biāo)得到穩(wěn)定的歐亞板塊參考基準(zhǔn)，這組點要分布于歐亞板塊上，且位于穩(wěn)定的大陸內(nèi)部。據(jù)此，本文在進(jìn)行參考框架轉(zhuǎn)換時，利用Altamimi等[11]由GPS、VLBI和SRL數(shù)據(jù)反演得到的歐亞板塊的歐拉矢量(56.330°±0.549°、-95.979°±0.969°)、旋轉(zhuǎn)速率(0.261°±0.003°/Ma)，從ITRF2005框架的坐標(biāo)中去掉歐亞板塊的整體旋轉(zhuǎn)，得到相對歐亞板塊參考框架下的速度場(圖2)。

圖2　西秦嶺北緣斷裂及周邊相對于歐亞框架的GPS速度場Fig.2　The GPS velocities filed around the west Qinling fault relative to Eurasia plate

本文利用1999～2007年和2009～2013年GPS水平速度場資料,研究西秦嶺北緣及其鄰區(qū)的地殼運動變形特征。數(shù)據(jù)觀測期間發(fā)生2001年昆侖山8.1級地震和2008年汶川8.0級強震。昆侖山地震后，利用GPS開展的相對密集的地殼形變觀測獲得的同震位移和震后斷層蠕動變形表明，GPS觀測得到的斷層蠕變等同震變形在地震2周后迅速衰減，在半年內(nèi)衰減近90%;震后地殼形變的影響范圍大致為88°～97°E[12]，距離本文研究區(qū)域較遠(yuǎn)，對研究區(qū)地殼形變的影響可以忽略。為盡可能減少汶川地震對研究區(qū)域變形的影響，選用汶川地震后2009～2013年數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖2為西秦嶺北緣斷裂及周邊地區(qū)相對于歐亞框架的GPS速度場，顯示出研究區(qū)在整體上有沿順時針方向轉(zhuǎn)動的趨勢。

2　西秦嶺北緣斷裂各分段運動變形特征

利用跨斷層剖面，通過投影得到的GPS站點速度分量剖面能夠直觀反映由斷層走滑(擠壓/拉張)造成的站點速率隨站點與斷層之間距離的變化情況。為了分析西秦嶺北緣斷裂各分段運動變形特征，更加清晰地獲取西秦嶺北緣斷裂兩側(cè)GPS站點速度所表現(xiàn)出的空間特征，對不同斷裂段進(jìn)行GPS剖面分析，GPS剖面范圍及GPS站點分布情況見圖2。對斷裂帶兩側(cè)站點速度分別進(jìn)行沿剖面方向投影和沿垂直剖面方向投影，由剖面兩側(cè)站點速度平均值之差估算斷層的滑動或張/壓速率，并且利用誤差傳播定律計算速率誤差。自北西向南東分別計算1999～2007年和2009～2013年西秦嶺北緣斷裂4條次級斷裂(圖1)的運動特征。平行斷層的GPS速度(圖3)表明，各分段斷裂均以左旋走滑運動為主；垂直斷層的GPS速度(圖3)表明，各分段斷裂均表現(xiàn)為擠壓運動特征。各次級斷裂的走滑/張壓速率見表1。本文計算結(jié)果中，左旋走滑速率小于利用地震地質(zhì)資料獲取的斷裂滑動速率(2.1～2.8 mm/a)，垂直斷裂運動速率與已有研究結(jié)果(0.2～0.7 mm/a)基本一致[1-2]。地震地質(zhì)結(jié)果反映的是數(shù)千a乃至上萬a尺度的平均運動，GPS反映的是近10 a尺度的運動特征，其相對于地震地質(zhì)結(jié)果偏小可能是因為斷裂帶在長期構(gòu)造運動作用下閉鎖程度增強所致。

跨西秦嶺北緣斷裂的GPS站速度(1999～2007年)剖面(圖3、表1)顯示，該斷裂受到垂直于斷裂走向的近南北向擠壓縮短作用和平行于斷裂的水平左旋剪切作用。其中，鍋麻灘段南西側(cè)約160 km為東昆侖斷裂帶，跨斷層GPS剖面(圖3(a))顯示，該東昆侖斷裂段滑動速率約為2 mm/a, 而對應(yīng)的西秦嶺北緣斷裂的滑動速率明顯偏小，這一特征與汶川地震前跨龍門山斷裂的GPS站速度剖面[13]相符，可能表明西秦嶺北緣斷裂鍋麻灘段已經(jīng)處于閉鎖狀態(tài)。同鍋麻灘段相比，漳縣段、鴛鳳段和天水-寶雞段的滑動速率明顯偏小，其中鴛鳳段的運動速率略高于漳縣段和天水-寶雞段。

表1　西秦嶺北緣斷裂各分段斷裂活動特征

圖3　橫跨西秦嶺北緣斷裂帶次級斷裂的GPS速度剖面Fig.3　GPS velocity profile across the secondary faults along the west Qinling fault zone

綜合考慮平行和垂直于西秦嶺北緣各次級斷裂的GPS站點速度剖面認(rèn)為，漳縣段和天水-寶雞段的活動性低于鴛鳳段和鍋麻灘段，可能具有較高的閉鎖程度。同1999～2007年結(jié)果相比，2009～2013年的GPS速度剖面中，除漳縣段左旋走滑速率明顯增加之外，其他各次級斷裂段的運動速率與1999～2007年的結(jié)果基本一致。2013-07-22甘肅省發(fā)生岷縣漳縣6.6級地震，漳縣段滑動速率的明顯增加可能與岷縣漳縣地震導(dǎo)致的漳縣段閉鎖程度降低有關(guān)。盡管2009～2013年漳縣段滑動速率有所增加，但仍然低于利用地震地質(zhì)資料獲取的斷裂滑動速率(2.1～2.8 mm/a[1-2]),這可能是由于岷縣漳縣地震震級較小，尚不足以使西秦嶺北緣斷裂漳縣段解鎖。

水平速度場空間分布的不一致性是地殼形變的直接反映，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，并且能從不同分辨率反映區(qū)域變形特征。利用GPS資料進(jìn)行應(yīng)變分析，可以監(jiān)測研究區(qū)應(yīng)變場隨時間和空間變化的過程[14-15]。本文利用1999～2007年和2009～2013年的GPS數(shù)據(jù)，采用最小二乘配置獲得西秦嶺北緣帶及其鄰區(qū)的主應(yīng)變率場(圖4)，進(jìn)一步分析應(yīng)變率場反映的斷裂帶分段變形特征。圖4(a)顯示，西秦嶺北緣斷裂及其鄰區(qū)地殼變形特征主要受NE向主壓應(yīng)變控制。沿西秦嶺北緣斷裂的主應(yīng)變率場具有明顯的分段性，盡管西秦嶺北緣斷裂各次級斷裂所受主壓應(yīng)變的方向基本為NE向，但是主壓應(yīng)變的量值變化較為明顯，其中鍋麻灘段和鴛鳳段的主壓應(yīng)變明顯高于漳縣段和寶雞-天水段，這與跨斷層GPS速度剖面垂直斷層運動分量(圖3、表1)的結(jié)果非常一致。2009～2013年主應(yīng)變率結(jié)果表明，沿襲秦嶺北緣斷裂漳縣段的主張應(yīng)變較1999～2007年明顯增加，其他3條次級斷裂主應(yīng)變率值仍然較小。漳縣段主張應(yīng)變率增加的原因可能與岷縣漳縣地震有關(guān)，震后累積能量的釋放使得西秦嶺北緣斷裂漳縣段活動性增強，閉鎖程度有所降低。

圖4　西秦嶺北緣斷裂及其鄰區(qū)主應(yīng)變率分布Fig.4　Distribution of principle strain rate near west Qinling fault zone from GPS data

3　結(jié)　語

1)西秦嶺北緣斷裂各分段斷裂均表現(xiàn)出左旋走滑兼擠壓的運動特征。1999～2007年GPS跨斷層剖面結(jié)果表明，鍋麻灘段的活動性明顯高于其他3段；2009～2013年漳縣段的左旋滑動速率明顯增加，可能與岷縣漳縣地震的發(fā)生有關(guān)。

2)GPS應(yīng)變場顯示，沿西秦嶺北緣斷裂各次級斷裂所受主壓應(yīng)變的方向基本一致，均為NE向，但各分段主壓應(yīng)變的量值變化較為明顯。主壓應(yīng)變所表現(xiàn)出的分段特征與跨斷裂GPS站點剖面反映的結(jié)果比較一致。 受岷縣漳縣地震的影響，2009～2013年漳縣段的主張應(yīng)變率增加。

3)斷裂帶整體表現(xiàn)出左旋擠壓特征，但分段運動特征明顯。結(jié)合跨斷層剖面和主應(yīng)變率場反映的斷裂帶遠(yuǎn)場和近場變形特征分析認(rèn)為，西秦嶺北緣斷裂4條次級斷裂已處于閉鎖狀態(tài)，并且存在一定的應(yīng)變積累。其中天水-寶雞段無論是平行斷裂滑動速率，還是垂直斷裂的擠壓速率均較低，表明其可能在西秦嶺北緣斷裂4個次級斷裂中閉鎖程度最高。

[1]袁道陽, 楊明. 西秦嶺北緣斷裂帶的位移累計滑動虧損特征及其破裂分段性研究[J]. 地震研究, 1999, 22(4): 382-389(Yuan Daoyang, Yang Ming. Research of the Features of Displacement Cumulative Slip Deficits and Segmentation in the Northern Margin Fault Zone of the Western Qinling[J]. Jounary of Seismological Research, 1999, 22(4):382-389)

[2]李傳友，張培震，張劍璽,等. 西秦嶺北緣斷裂帶黃香溝段晚第四紀(jì)活動表現(xiàn)與滑動速率[J].第四紀(jì)研究,2007, 27(1): 54-63(Li Chuanyou, Zhang Peizhen,Zhang Jianxi,et al. Late-Quaternary Activity and Slip Rate of the Western Qinling Fault Zone at Huangxianggou [J]. Quaternary Sciences, 2007, 27(1): 54-63)

[3]Deng Q D，Zhang P Z，Ran Y K,et al. Basic Characteristics of Active Tectonics of China[J]. Science in China:Series D,2003, 6(4):357-373

[4]M7專項工作組. 中國大陸大地震中-長期危險性研究[M]. 北京:地震出版社, 2012(Working Group of M7. Study on the Mid- to Long-Term Potential of Large Earthquakes on the Chinese Continent[M]. Beijing: Seismological Press, 2012)

[5]王志才，張培震，張廣良,等. 西秦嶺北緣構(gòu)造帶的新生代構(gòu)造活動——兼論對青藏高原東北緣形成過程的指示意義[J]. 地學(xué)前緣, 2006, 13(4): 119-135(Wang Zhicai, Zhang Peizhen,Zhang Guangliang,et al. Tertiary Tectonic Activities of the North Front Fault Zone of the West Qinling Mountains: Implications for the Growth of the Northeastern Margin of the Tibetan Plateau[J]. Earth Science Frontiers, 2006，13(4): 119-135)

[6]張岳橋，馬寅生，楊農(nóng),等. 西秦嶺地區(qū)東昆侖-秦嶺斷裂系晚新生代左旋走滑歷史及其向東擴展[J]. 地球?qū)W報, 2005, 26(1): 1-8(Zhang Yueqiao, Ma Yinsheng,Yang Nong,et al. Late Cenozoic Left-Slip Faulting Process of the East Kunlun-Qinling Fault System in West Qinling Region and Its Easterward Propagation[J]. Acta Geoscientica Sinca,2005, 26(1): 1-8)

[7]武艷強，江在森，楊國華，等. 南北地震帶北段近期地殼變形特征研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報:信息科學(xué)版，2012,37(9):1 045-1 048(Wu Yanqiang, Jiang Zaisen,Yang Guohua,et al. Deformation Characteristics of North Section of North-South Seismic Zone in Recent Period[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan Unniversity, 2012,37(9):1 045-1 048)

[8]李延興，康來迅. GPS測量所揭示的西秦嶺北緣斷裂帶現(xiàn)今活動特征[J]. 中國地震, 1999, 15(4):295-303(Li Yanxing, Kang Laixun. Current Activity Characteristics of the Fault Zone along the North Margin of West Qinling Mountain Revealed by GPS Measurements[J]. Earthquake Research in China, 1999, 15(4):295-303)

[9]占偉，武艷強，梁洪寶，等. GPS觀測結(jié)果反映的尼泊爾MW7.8地震孕震特征[J]. 地球物理學(xué)報，2015, 58(5)：1 818-1 826(Zhan Wei, Wu Yanqiang,Liang Hongbao,et al. Characteristics of the Seismogenic Model for the 2015 Nepal MW7.8 Earthquake Derived from GPS Data [J]. Chinese Journal of Geophysics,2015, 58(5)：1 818-1 826)

[10]梁洪寶，劉志廣，黃立人，等.非構(gòu)造形變對中國大陸GNSS基準(zhǔn)站垂向周期運動的影響[J].大地測量與地球動力學(xué)，2015,35(4):589-593(Liang Hongbao,Liu Zhiguang,Huang Liren,et al.Effects of Non-Tectonic Deformation on the Vertical Periodic Motion of GNSS Reference Stations in China[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2015,35(4):589-593)

[11]Altamimi Z, Collileux X, Legrand J, et al.ITRF2005: A New Release of the International Terrestrial Reference Frame Based on Time Series of Station Positions and Earth Orientation Parameters[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2007, 112(B9)

[12]任金衛(wèi)，王敏. GPS觀測的2001年昆侖山口西MS8.1級地震地殼形變[J]. 第四紀(jì)研究,2005,25(1):34-44(Ren Jinwei, Wang Min. GPS Measured Crustal Deformation of the MS8.1 Kunlun Earthquake on November 14th 2001 in Qinghai-Xizang Plateau[J]. Quaternary Sciences, 2005, 25(1):34-44)[13]陳長云，任金衛(wèi)，孟國杰，等. 巴顏喀拉塊體東部活動塊體的劃分、形變特征及構(gòu)造意義[J]. 地球物理學(xué)報，2013, 56(12)：4 125-4 141(Chen Changyun，Ren Jinwei,Meng Guojie,et al. Division,Deformation and Tectonic Implication of Active Blocks in the Eastern Segment of Bayan Har Block[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2013, 56(12)：4 125-4 141)

[14]孟國杰，申旭輝，Smirov V，等. 堪察加地區(qū)現(xiàn)今地殼運動與變形特征研究[J]. 地球物理學(xué)報, 2009,52(3): 720-731(Meng Guojie, Shen Xuhui,Smirov V,et al. Research on Characteristics of Present-Day Crustal Motion and Deformation in Kamchatka Area [J]. Chinese Journal of Geophysics, 2009,52(3): 720-731)[15]楊國華，李延興，韓月萍，等. 由GPS觀測結(jié)果推導(dǎo)中國大陸現(xiàn)今水平應(yīng)變率場[J].地震學(xué)報, 2002,24(4)：337-347(Yang Guohua, Li Yanxing, Han Yueping,et al. Current Horizontal Strain Field in Chinese Mainland Derived from GPS Data[J]. Acta Seismological Sinica, 2002,24(4):337-347)

Foundation support:The Spart Program of Earthquake Technology of CEA, No.XH15062;National Natural Science Foundation of China, No.41372215,41272233.

About the first author:CHEN Changyun, PhD, engineer, majors in active tectonics and crustal deformation, E-mail:ccy_666@163.com.

Analysis of the Motion and Deformation Characteristics of Subordinary Segments of the West Qinling Fault

CHENChangyun1HEJianming1

1First Crustal Monitoring and Application Center，CEA, 7 Naihuo Road,Tianjin 300180,China

Based on GPS horizontal velocity data from 1999-2007 and 2009-2013, mainly from the crustal motion observation network of China(COMMON), using the GPS velocity profiles, and combing with the principal strain rate field near the west Qinling fault, this paper analyzes the motion and deformation along different segments of the west Qinling fault. The results show that from 1999-2007, the characteristic of the whole fault is left strike slip with compression; among all four segments, the Guomatan has the highest activity, and the Tianshui-Baoji segment has the lowest. The principal strain rate along the whole west Qinling fault derived from GPS measurements shows that the principal compression strain rates are apparently greater than the principal strain rates. However, strain rate values are obviously different: the compression strain rate of the Guomatan and Yuanfeng segments are greater than the Zhangxian and Tianshui-Baoji segments. Compared to data from 1999-2007, the results during 2009-2013 show that the Zhangxian segment becomes more active, and has a relatively large tensile strain rate. These changes in the Zhangxian segment maybe caused by the Minxian-Zhangxian MS6.6 earthquake on July 22, 2013. The characteristics of principal strain rate of all segments of the west Qinling fault are the same as the results derived from the GPS velocity profiles. After comprehensive analysis of the remote and near field deformation characteristics acquired by the GPS velocity profiles and GPS principal strain rate field, we find that the whole west Qinling fault may be in a locked state, showing strain accumulation to a certain extent; among the four segments, the Tianshui-Baoji segment has the lowest activity, and this feature may show that this segment is at the highest locked state.

west Qinling fault; crustal deformation; velocity filed; strain rate filed; locking depth

2016-01-29

陳長云，博士，工程師，主要從事活動構(gòu)造與地殼形變研究，E-mail:ccy_666@163.com。

10.14075/j.jgg.2016.09.007

1671-5942(2016)09-0784-05

P315

A

項目來源：中國地震局地震科技星火計劃(XH15062)；國家自然科學(xué)基金(41372215，41272233)。