基于GPS和水準資料的拉脊山斷裂帶西段地殼形變研究

周 琳 王慶良 李長軍 郝 明 宋尚武

1 中國地震局第二監(jiān)測中心，西安市西影路316號，710054 2 防災(zāi)科技學院學科與研究生處，北京市東燕郊學院街465號，101601

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基于GPS和水準資料的拉脊山斷裂帶西段地殼形變研究

周 琳1王慶良1李長軍1郝 明1宋尚武2

1 中國地震局第二監(jiān)測中心，西安市西影路316號，710054 2 防災(zāi)科技學院學科與研究生處，北京市東燕郊學院街465號，101601

利用拉脊山地區(qū)1983～1995年水準資料，結(jié)合1999～2007年、2009～2014年GPS數(shù)據(jù)對拉脊山斷裂帶西段進行三維地殼形變分析。拉脊山斷裂帶西段垂直運動速率約為1±0.5 mm/a，表明該段處于隆升狀態(tài)；與GPS數(shù)據(jù)顯示出的水平擠壓一致，拉脊山地區(qū)仍處于地殼水平擠壓縮短狀態(tài)，2008年之后斷層兩側(cè)差異運動更加明顯，地殼縮短速率增加并表現(xiàn)出明顯的左旋走滑分量，與衛(wèi)星影像解譯和野外地質(zhì)地貌調(diào)查結(jié)果一致。拉脊山斷裂西段受擠壓環(huán)境控制下的構(gòu)造變形現(xiàn)今仍在持續(xù)進行，同時受全新世活動的日月山斷裂右旋擠壓應(yīng)力影響。該地段是地震孕育的敏感部位，應(yīng)該引起關(guān)注。

拉脊山斷裂帶；GPS；水準測量

拉脊山西起日月山，東至民和龔?fù)ぃL200 多km，寬10～20 km，呈NNW-SSE向并向NE凸出[1]，是青藏高原腹地與黃土高原之間地貌梯級帶的分界線。拉脊山斷裂以晚更新世活動為主，僅局部段活動時代可能為全新世早期。拉脊山南北兩側(cè)有歷史記載的 5 級左右中等破壞性地震 20余次[2]。地質(zhì)考察未發(fā)現(xiàn)該地區(qū)存在大范圍發(fā)震的區(qū)域性斷裂，這些地震可能表明拉脊山斷裂帶的全新世活動已經(jīng)擴展到兩側(cè)的盆地，公元138年的金城-隴西6.75級地震可能與拉脊山斷裂活動在盆地內(nèi)的擴展相關(guān)[3]。拉脊山南北兩條邊界斷裂作用顯著，巖石地球化學非常復(fù)雜，剝露歷史存在爭議，一直是中外地質(zhì)學家的研究熱點。本文在前人研究基礎(chǔ)上，通過水準資料和GPS數(shù)據(jù)資料，進一步綜合探討該地區(qū)的三維地殼形變特征。

1 資料概況

本文使用覆蓋該區(qū)內(nèi)主要活動斷裂的陜甘寧青地震水準監(jiān)測網(wǎng)[4]西寧環(huán)1983～1995年水準數(shù)據(jù)(圖1中實心圓所示)，測線橫跨拉脊山斷裂帶西段，拉脊山與日月山相接地區(qū)東側(cè)，總長近100 km。本文在“中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)”1999、2001、2004、2007、2009、2011和2013年7期GPS區(qū)域站高精度觀測資料的基礎(chǔ)上[5-6]，結(jié)合中國地震行業(yè)重大科研專項“中國綜合地球物理場觀測”2010～2011年、2012～2014年GPS新測資料進行研究。

實心三角形代表GPS點，實心圓代表水準點，左下角插圖為研究區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造背景圖1 研究區(qū)域數(shù)據(jù)點位分布圖Fig.1 Distribution of data points in study area

2 數(shù)據(jù)處理

選取西寧附近(西寧環(huán)55)作為基點，利用1983和1995年兩期水準數(shù)據(jù)，計算每期數(shù)據(jù)的相對高差值，并與兩期數(shù)據(jù)時間差值相除得到研究區(qū)域相對于基點的垂直形變速率，見圖2。

圖2 拉脊山斷裂帶西段垂直形變速率圖Fig.2 Vertical deformation velocity in the west section of Lajishan fault

GPS觀測數(shù)據(jù)采用GAMIT/GLOBK軟件進行精化處理。首先利用GAMIT軟件計算單日松弛解，解算時采用SOPAC數(shù)據(jù)中心提供的精密星歷，加入中國大陸及周邊IGS測站的觀測數(shù)據(jù)進行處理；之后通過 GLOBK軟件計算多時段綜合解，結(jié)合單日松弛解和全球IGS站單日松弛解，選取全球均勻分布的90多個穩(wěn)定站為基準點，將區(qū)域站速度場固定到ITRF2008框架下；最后利用ITRF2008框架下歐亞板塊歐拉極，獲取研究區(qū)域相對于穩(wěn)定歐亞板塊的水平運動速度場圖像，結(jié)果見圖3。

圖3 拉脊山地區(qū)GPS水平速度場(相對于歐亞板塊)Fig.3 Horizontal velocity field for the Lajishan fault area with respect to Eurasia block

3 形變分析

受青藏高原北東向擴展的影響，拉脊山斷裂帶自西向東其走向由N60°W轉(zhuǎn)為近EW向，性質(zhì)以擠壓逆沖為主，體現(xiàn)為北東方向突出的弧形斷裂，是NWW向的西秦嶺北緣左旋走滑斷裂帶和NNW向的熱水-日月山右旋走滑斷裂帶之間的擠壓構(gòu)造區(qū)和構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶，成為北側(cè)西寧-民和盆地和南側(cè)循化-化隆盆地之間重要的邊界斷裂[6]。拉脊山及鄰區(qū)磁組構(gòu)特征研究表明，在第三紀后期到第四紀曾發(fā)生過北東至南西向的構(gòu)造應(yīng)力擠壓，為拉脊山地區(qū)的持續(xù)抬升提供了重要依據(jù)[7]。本文水準數(shù)據(jù)結(jié)果見圖4，測線橫跨拉脊山地區(qū)西段，拉脊山與日月山相接地區(qū)東側(cè)。結(jié)果表明，拉脊山地區(qū)西段仍舊處于隆升狀態(tài)，隆升速率為1±0.5 mm/a，隆升速率由拉脊山南緣斷裂到北緣斷裂不斷變大，靠近西寧盆地隆升速率變小。拉脊山地區(qū)地形起伏大，與北側(cè)西寧盆地形成明顯高差[8]。從圖4可以看出，拉脊山兩側(cè)5 km附近相對隆升速率變小。野外調(diào)查顯示，該地區(qū)地貌形態(tài)受地表流水侵蝕，山體溝谷發(fā)育，是拉脊山北緣斷裂帶和拉脊山南緣斷裂帶仍舊活動的有力證據(jù)。

拉脊山地區(qū)弱震活動基本沿拉脊山南、北緣弧形斷裂呈帶狀分布，歷史上發(fā)生過20余次5級左右的中等破壞性地震。本文研究區(qū)域在拉脊山南緣斷裂帶和北緣斷裂帶的西段，衛(wèi)星影像解譯和野外地質(zhì)地貌調(diào)查發(fā)現(xiàn)，拉脊山斷裂西段左旋走滑活動跡象明顯，兼具逆沖分量和左旋走滑分量，以擠壓逆沖為主[6]。受全新世活動的日月山斷裂右旋擠壓應(yīng)力的影響，拉脊山斷裂西段應(yīng)引起關(guān)注和重視。從圖5所示的橫跨拉脊山斷裂帶的GPS水平運動剖面可以看出，1999～2007年垂直分量表現(xiàn)出明顯的縮短分量(圖5(a))，斷層兩側(cè)相對差異運動不明顯；2009～2014年垂直分量同樣表現(xiàn)出明顯的縮短分量(圖5(b))，斷層兩側(cè)表現(xiàn)出明顯的差異運動。西寧(XININ)點所處位置與斷層不遠不近，反映斷層活動的代表性較強。從圖5(b)可以看出，斷層北側(cè)與斷層南側(cè)地殼縮短速率相差較大，約3±0.5 mm/a。1999～2007年GPS水平運動剖面左旋走滑分量不明顯(圖5(c))；2009～2014年GPS水平運動剖面表現(xiàn)出明顯的左旋走滑分量(圖5(d))。結(jié)果表明，拉脊山地區(qū)仍舊處于地殼水平擠壓縮短狀態(tài)，2008年之后斷層兩側(cè)地殼縮短速率增加并表現(xiàn)出明顯的左旋走滑分量。考慮到2008年汶川8.0級大震發(fā)生之后，又發(fā)生了若干6級左右以右旋走滑破裂為主的強余震。從機制上分析，這些強余震的效應(yīng)應(yīng)該是龍門山斷裂西側(cè)向北東向的推擠增強，從而引起拉脊山斷裂水平擠壓增強。

(a)和(c)為1999～2007年橫跨拉脊山斷裂的GPS運動速度，(b)和(d)為2009～2014年橫跨拉脊山斷裂的GPS運動速度圖5 橫跨拉脊山斷裂的GPS運動速度Fig.5 GPS velocity across the Lajishan fault

地質(zhì)考察和衛(wèi)星影像解譯表明，拉脊山斷裂西端是地震孕育的有利部位，應(yīng)關(guān)注該地區(qū)發(fā)生5～6級中等地震的危險性[6]。本文根據(jù)橫跨拉脊山斷裂的水準資料估算出拉脊山垂直運動速率為1±0.5 mm/a，表明拉脊山斷裂帶西段處于持續(xù)抬升階段。根據(jù)橫跨拉脊山斷裂的GPS水平運動速度剖面可以看出，拉脊山地區(qū)仍舊處于地殼水平擠壓縮短狀態(tài)，與衛(wèi)星影像解譯和野外地質(zhì)地貌調(diào)查結(jié)果一致；拉脊山斷裂西段左旋走滑活動跡象明顯，以擠壓逆沖為主。水準數(shù)據(jù)結(jié)果表明，拉脊山地區(qū)以抬升為主，與GPS數(shù)據(jù)顯示出的水平擠壓一致。

GPS水平運動剖面結(jié)果表明，2008年之后斷層兩側(cè)差異運動更加明顯，地殼縮短速率增加并表現(xiàn)出明顯的左旋走滑分量。考慮為2008年汶川8.0級大震之后若干6級左右以右旋走滑破裂為主的強余震的影響，龍門山斷裂西側(cè)向北東向的推擠增強，從而引起拉脊山斷裂水平擠壓增強。晚更新世晚期以來拉脊山斷裂主斷裂活動不明顯，斷裂活動主要以隱伏斷裂和活動褶皺的形式向兩側(cè)盆地內(nèi)部擴展。在青藏高原北東向擴展的背景下，未來拉脊山斷裂的活動將促使兩側(cè)地層發(fā)生更深刻而劇烈的褶皺和斷裂變形。拉脊山斷裂西段地區(qū)受擠壓環(huán)境控制下的構(gòu)造變形現(xiàn)今仍在持續(xù)進行，同時受全新世活動的日月山斷裂右旋擠壓應(yīng)力的影響，該地區(qū)是地震孕育的有利部位，其地震危險性應(yīng)該引起關(guān)注和重視。

4 結(jié) 語

根據(jù)拉脊山斷裂帶西段水準數(shù)據(jù)，估算出該地區(qū)垂直運動速率為1±0.5 mm/a，表明該地區(qū)以抬升為主；與GPS數(shù)據(jù)顯示出的水平擠壓一致，表明拉脊山斷裂帶西段處于隆升狀態(tài)。橫跨拉脊山斷裂帶的GPS水平運動剖面可以看出，拉脊山地區(qū)仍舊處于地殼水平擠壓縮短狀態(tài)，2008年之后斷層兩側(cè)差異運動更加明顯，地殼縮短速率增加并表現(xiàn)出明顯的左旋走滑分量，與衛(wèi)星影像解譯和野外地質(zhì)地貌調(diào)查結(jié)果一致。拉脊山斷裂西段受擠壓環(huán)境控制下的構(gòu)造變形現(xiàn)今仍在持續(xù)進行，同時受全新世活動的日月山斷裂右旋擠壓應(yīng)力的影響，是地震孕育的有利部位，應(yīng)該關(guān)注和重視該地區(qū)的地震危險性。

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About the first author:ZHOU Lin, postgraduate,assistant engineer,majors in geodesy and geodynamics, E-mail: 429zl@163.com.

The Study of Crustal Deformation on Western End of Lajishan Fault Based on GPS and Leveling Data

ZHOULin1WANGQingliang1LIZhangjun1HAOMing1SONGShangwu2

1 Second Monitoring and Application Center, CEA, 316 Xiying Road , Xi’an 710054 ,China Discipline and Graduate Management Office,Institute of Disaster Prevention, 465 Xueyuan Street, Beijing 101601, China

The Lajishan area is an earthquake tectonic window to reflect on tectonic activity and earthquake activity. The Lajishan fault has caused about 20 moderate earthquakes on the both sides of Lajishan mountain in documented history. Lajishan fault is still an active fault zone, and has structural conditions of medium-strong earthquakes in the region. The Lajishan area is at 3 500 m above sea level and is not convenient for study. It remains doubtful whether the Lajishan regional crustal deformation is still in the uplift state. This paper uses 1983-1995 leveling data, combined with 1999-2007 and 2009-2014 GPS data, to analyze the three dimensional crustal deformation of this area. Research shows that the west section of Lajishan fault has a vertical rate of 1±0.5 mm/a ,which proves that the area is still in the uplift state. GPS data also show horizontal compression in this area. The Lajishan area remains a crustal horizontal shortening deformation. The crustal shortening rate of the region has become smaller, and shows an obvious left-lateral strike-slip component after 2008. The results are corroborated by satellite imagery interpretation and field geological survey results. Under the control of extrusion environment, tectonic deformation in the area is still ongoing. This area is also influenced by the Riyueshan right-lateral strike-slip fault. We should be concerned and put attention to seismic risk at the western end of Lajishan fault.

Lajishan fault; GPS; leveling measurement

The Spark Program of Earthquake Techndogy of CEA, No.XH15064Y; Special Fund for Earthquake Research of CEA,No. 201508009.

2015-11-16

項目來源：中國地震局地震科技星火計劃(XH15064Y)；中國地震局地震行業(yè)科研專項(201508009)。

周琳，碩士，助理工程師，研究方向為大地測量與地球動力學，E-mail:429zl@163.com。

10.14075/j.jgg.2016.12.005

1671-5942(2016)012-1056-04

P315

A