利用GPS數據探討鄂爾多斯地塊南緣地殼形變特征

鄒娟茹，李 昱，梁朝鋼，章武英，趙曉紅

（1.楊凌職業技術學院，陜西 楊凌 712100；2.國際關系學院，北京 海淀區 100090；3.河南省地質礦產勘查開發局第一地質礦產調查院，河南 洛陽 471023；4.甘肅林業職業技術學院，甘肅 天水 741020；5.寶雞市勘察測繪院，陜西 寶雞 721000）

鄂爾多斯盆地北起陰山、大青山，南抵秦嶺，西至賀蘭山、六盤山，東達呂梁山、太行山，是中國第二大沉積盆地。鄂爾多斯盆地是地質學上的名稱，也稱陜甘寧盆地，行政區域橫跨陜、甘、寧、蒙、晉5省（區）。鄂爾多斯塊體在中生代時期是一個大型坳陷盆地，新生代以來逐漸抬升[1-2]。鄂爾多斯塊體四周被斷裂和斷陷盆地帶所圍限[3]，從鄂爾多斯地塊周緣地震活動分布可以看出（如圖1所示），近些年來（1970年至今），地塊周邊斷裂活動頻繁，中小地震時有發生。我國史載8級以上地震有17次，在鄂爾多斯塊體周緣就發生了5次，圖1分布了1970年以來4.0級以上地震，其時空分布是不均勻的，主要分布于鄂爾多斯地塊西緣、北緣及東緣，而南緣地區近50 a基本形成一個地震空區[4,5]，發震頻次較其他周邊地區明顯偏低。

許多學者的研究工作對鄂爾多斯地塊周緣地區應力場都有所涉及，并且取得了一些重要成果[1,6-12]。本文則是針對鄂爾多斯地塊南緣的地震空區，利用2010～2012年觀測的GPS大地測量數據，計算并探討了該區域的應變場（包括主應變率、面膨脹率、最大剪應變率）及其變化特征，獲取了一些關于鄂爾多斯地塊南緣尤其是關中盆地中主要斷裂的展布對地殼應變特征的初步認識。

圖1 鄂爾多斯地塊周緣斷裂、地震分布圖

1 GPS數據

GPS原始觀測文件的數據采樣間隔30 s，24 h為一時段，一次觀測不少于4個時段。我們所用數據為2010～2012年的資料，數據為剔除個別非構造作用導致運動方向及觀測誤差與周圍測站差異較大的GPS站點后的速度場結果（相對于歐亞板塊）。如圖2所示，整個鄂爾多斯地塊南緣地區運動方向較為一致（EES），站點分布集中于關中盆地，自西六盤山斷裂帶向東，絕大部分GPS速率有遞減趨勢，然而在鄂爾多斯地塊內部及秦嶺地區點位分布較為稀疏，因此，有必要對該區域進行GPS網格化插值，以便進一步分析各局部運動特征，見圖3a。

圖2 2010～2012周期GPS水平運動矢量圖（相對于歐亞板塊，誤差橢圓為95%置信度）

2 地殼形變特征分析

由2010～2012年GPS水平運動速度場數據，計算獲取了鄂爾多斯地塊南緣地區的地殼形變應變場圖，包括網格化插值的GPS速度場、面膨脹率分布、主應變率特征以及最大剪應變率分布，如圖3所示。

2.1 網格內插GPS速度場分析

網格化插值GPS速度場（圖3a）較原始矢量圖更能展現區域各細微部分的運動特征以及整體的變化規律。根據GPS原始解算結果，對研究區域進行了網格化等間隔內插處理，插值間隔為0.3°。鄂爾多斯地塊南緣整體上呈EES的運動方向，但在關中的羅云山斷裂處，出現了NNE的運動轉向，以及竹山斷裂以東，轉為SE方向。運動速率在關中及其以北地區，自西六盤山斷裂帶向東，由大逐漸遞減，至乾縣-蒲城斷裂處減到最小，且方向發生N向偏轉，地殼內部物質在自西向東的遷移推擠過程中，碰到乾縣-蒲城斷裂東側的堅硬巖體發生了N向物質逃逸現象；而關中以南地殼運動速率自西向東則為遞增。

2.2 面膨脹率分析

面膨脹率等值線見圖3 b，整個關中盆地顯示了顯著的面壓縮特征，西安、渭南等地面應變率約－4.0×10-8/a；自渭南沿韓城斷裂朝NE方向至韓城，壓縮率增至－8.0×10-8/a；而面壓縮在渭南東部與山西交界處達到最大值，約－14.0×10-8/a。南部的略陽-洋縣斷裂與竹山斷裂附近地區也表現為壓縮特性，壓應變率分別約－10.0×10-8/a、－6.0×10-8/a；而在鄂爾多斯地塊南緣邊界區域普遍存在面膨脹的應變特征，如六盤山斷裂帶以東（約14.0×10-8/a）、六盤山斷裂帶南段（寶雞附近，約8.0×10-8/a）、乾縣-蒲城斷裂以北（10.0×10-8/a）、韓城斷裂西北地區（8.0×10-8/a），關中盆地以南即渭南、臨汾東南附近顯示了大范圍的面膨脹特征。此外，在韓城斷裂兩側由西向東存在由正向負、由膨脹向壓縮過渡以及繼續向東由負轉正、由壓變拉過渡的兩個等值線高梯度帶，預示著該地區地殼內部的應變變化增強。總體上可以得知，在鄂爾多斯地塊南緣的關中盆地內部顯示了顯著的面壓縮特性，平均壓應變率約－4.0×10-8/a，而在盆地北部鄂爾多斯地塊內邊緣及盆地以南的秦嶺區域則表現為面膨脹特征。

圖3 鄂爾多斯地塊南緣2010～2012周期應變場計算結果

2.3 主應變率分析

主應變分布（圖3c）除了可以展示各網格點的主拉、主壓應變特征外，還能彌補面膨脹在方向上不可識別的問題。關中盆地內部，面膨脹率顯示了擠壓狀態，在主應變率同樣為壓性變化特征，但其主壓應變的方向為NW、NWW，在盆地北邊緣及韓城地區的壓性方向主要為NEE；六盤山斷裂東側的主拉應變方向為NNW，鄂爾多斯地塊內部的主應變率變化較小；秦嶺北麓地區主拉應變較為明顯，方向由NWW轉為NW。從主應變尤其是主壓應變的方向上可以獲知，主應變從另一個角度反映了地殼移動、應變方向及其源動力的走向。

2.4 最大剪應變率分析

剪應變反映了上地殼在空間直角坐標系統下地表一點角度物理量的相對改變程度。最大剪應變等值線分布如圖3d所示，主要高值區有5處，分別為六盤山斷裂帶以東附近地區，約16.0×10-8/a；乾縣-蒲城斷裂中段以北區域，約14.0×10-8/a；乾縣-蒲城斷裂東段與韓城斷裂之間，約14.0×10-8/a；秦嶺北麓斷裂東段以南，約16.0×10-8/a；以及略陽-洋縣斷裂以南、龍門山山前斷裂以東區域，約14.0×10-8/a。上述最大剪應變高值區主要分布陜西關中盆地周圍，該地區錯綜復雜地展布著若干條主要斷裂，如乾縣-蒲城斷裂、韓城斷裂、秦嶺北麓斷裂、渭河斷裂等，其走向為EW與NEE，與GPS水平運動方向接近，因此出現了若干個剪應變高值區。

3 結 語

本文針對鄂爾多斯地塊周緣中地殼、斷裂活動較少的南緣地區，利用2010～2012年GPS水平運動矢量數據，計算并探討了該區域的主應變率、最大剪應變率、面膨脹率等應變場變化特征，初步獲取了如下3點認識：

1）鄂爾多斯地塊南緣的關中盆地內部顯示了顯著的面壓縮特性，平均壓應變率約－4.0×10-8/a，而在盆地北部鄂爾多斯地塊內邊緣及盆地以南的秦嶺區域則表現為面膨脹特征；

2）關中盆地內部主應變率變化幅度較小，但盆地周邊主應變強度較大，如六盤山斷裂東部、韓城斷裂、略陽-洋縣斷裂等附近地區；

3）當地殼斷裂走向與GPS水平運動矢量方向接近時，可能會出現最大剪應變高值區，如關中周邊的乾縣-蒲城斷裂中段以北、乾縣-蒲城斷裂東段與韓城斷裂之間、秦嶺北麓斷裂東段以南等地區。