渭河盆地及鄰區現今地殼形變及構造特征研究

張永奇, 韓美濤, 曹建平, 鄭增記, 宋普偉

(1. 陜西省地震局, 陜西 西安 710068; 2. 中國地震局地質研究所地震動力學國家重點實驗室, 北京 100029)

0 引言

渭河盆地西起陜西寶雞,東至潼關;西部窄,東部寬,被青藏塊體、華北塊體、華南塊體等三大構造單元所圍限,地理位置特殊。其北部是穩定的鄂爾多斯地塊,南部是秦嶺造山帶,西緣是西秦嶺—六盤山構造區,東部與山西斷陷盆地相接。該地區地質構造復雜,區內發育多條北西向、近東西向和北東向斷裂[1](圖1)。渭河盆地及鄰區受到印度板塊、太平洋板塊、菲律賓板塊以不同角度向歐亞板塊俯沖以及西伯利亞南向運動的遠程效應影響,同時受到秦嶺造山帶和鄂爾多斯地塊構造演化的綜合影響,表現出復雜的構造特征和地震活動性。作為我國東西部構造單元的過渡地帶,渭河盆地及鄰區起到我國東、西部物質通道的作用,此外該地區還處在我國著名的汾渭地震帶和南北地震帶的北段,歷史地震頻發,尤以1556年華縣8級地震為最[2]。

圖1 渭河盆地及鄰區地質構造及斷裂分布Fig.1 Geological structure and fault distribution in the Weihe Basin and adjacent areas

針對渭河盆地及鄰區的地質構造、斷裂活動及地殼形變特征,眾多學者開展了大量工作,基于不同學科從深、淺部不同角度進行了研究,為認識渭河盆地及鄰區的構造特征及地殼形變特征奠定了良好的基礎[3-14]。隨著GPS技術的不斷發展,其在區域地殼形變、斷裂活動性及地震孕育周期特征方面發揮了非常積極的作用[8-13,15-16]。渭河盆地及鄰區特殊的地理位置以及復雜的構造背景,加之近些年常年處于5級地震平靜期,其區域動力學環境及變形機制如何？現今地殼形變特征如何？地震危險性程度如何？這些問題亟需我們回答。因此,本文基于Zhao等[17]計算的2009—2014年GPS水平運動速度場數據,利用Shen等[18]提出的連續形變場和應變場計算方法,開展渭河盆地及鄰區連續形變場及應變率場計算與分析,并結合地質、地震資料對渭河盆地及鄰區現今地殼形變及構造特征進行研究,對于進一步深化認識渭河盆地的孕震環境具有重要意義,并可為該地區的地震危險性分析提供參考依據。

1 GPS速度場與應變率場計算

1.1 GPS速度場計算

Zhao等[17]計算了全國陸態網1998—2014年連續GPS站和2009—2014年流動GPS站數據,本文選取渭河盆地及鄰區的2009—2014年流動GPS站點數據,具體范圍為:106°～111°E,33°～36°N。文獻[17]給出的是相對于穩定歐亞板塊的GPS地殼運動速度場,其東西向、南北向精度大部分在1 mm/a以內,極個別在1～2 mm/a(圖2)。為了突出區域構造特征,我們對相對于歐亞參考框架的GPS速度場根據式(1)進行整體無凈旋轉扣除[19],獲得相對于渭河盆地及鄰區的整體無凈旋轉速度場,如圖3所示。

圖2 渭河盆地及鄰區GPS速度場(歐亞參考框架;95%置信度)Fig.2 The GPS velocity field of the Weihe Basin and adjacent areas (After the Eurasian reference frame; Confidence:95%)

(1)

式中:ve、vn分別表示測站的東西向和南北向速率;λ、φ分別表示測站的經度和緯度;r表示地球半徑,本文取平均半徑6 374 km;wx、wy、wz分別表示歐拉運動矢量的三個分量,通常歐拉運動矢量以式(2)表示。

(2)

式中:Φ、Λ分別表示歐拉極的緯度和經度;Ω表示歐拉旋轉量。

1.2 GPS應變率場計算

目前已經發展了多種基于GPS數據計算應變率的方法[20-24],Shen等[18,25-26]提出了一種對于離散的空間大地測量觀測數據進行內插的最佳方法,該方法依賴于具有先驗約束的權重平滑因子來獲得對觀測數據的最佳擬合。對于任一站點,在它附近區域內插點的水平位移場通過雙線性函數插值方法來實現,在球面上需要反演的模型參數包括塊體平移、旋轉及應變率。借助最小二乘方法,采用相鄰區域加權GPS速度場來估計待求站點模型參數,并使得速度場擬合殘差最小。對于最佳權重的選擇,采用距離相關權重:

圖3 渭河盆地及鄰區整體無旋轉GPS速度場Fig.3 The entire non-rotating GPS velocity field in the Weihe Basin and adjacent areas

(3)

(4)

式中:Li是高斯函數;Vi是依賴于Voronoi單元的面積;ΔRi為計算點與GPS站點的距離;D為空間距離參數,對不同站點采用不同的數值[18],為了確定最佳平滑距離D,引入一個參數來表示重定權系數和的閾值,并設置W(D)=Wt,隨著Wt增大,更多的站點數據被包括進來;反之,Wt越小,所涉及的站點越少。參考已有的研究結果[18,27-29],以解算精度作為約束,經過反復計算,最終確定Wt=12,獲得的研究區平滑距離的空間分布如圖4。從圖中可以看出,渭河盆地西部寶雞地區平滑距離約為40～50 km,渭河盆地中東部平滑距離約為60～70 km。秦嶺造山帶以南及鄂爾多斯地塊南緣平滑距離約為80～90 km。按照上述參數設置,采用形變場和應變率場內插程序的更新代碼,計算了研究區0.1°×0.1°連續的應變率場,如圖5所示。

2 渭河盆地及鄰區水平形變場分析

渭河盆地及鄰區的GPS速度場(圖2,相對于歐亞參考框架)整體上以SE或SEE向運動,差異運動不明顯,運動速率基本在5～8 mm/a之間變動。總體來看,渭河盆地西部及六盤山構造區運動速率相比渭河盆地中東部稍大,渭河盆地中部運動速率變化差異較明顯,尤其是以近東西向展布的渭河斷裂為界,其南北兩側的GPS速度場不論從運動速率還是方向都有較大差異。為了更加凸顯渭河盆地及鄰區的運動特征,對圖2獲取的速度場進行0.1°×0.1°插值,在此基礎上計算了研究區的歐拉矢量,歐拉極的經度和緯度分別為-45.806°、68.414°,歐拉旋轉量為0.102 2°·Ma-1,扣除歐拉旋轉之后,渭河盆地及鄰區GPS速度場量值很小,基本在0 ～1 mm·a-1之間,說明渭河盆地及鄰區相對比較穩定,如圖3所示。

由圖3可以更加明顯地看出渭河盆地及鄰區內部的差異運動,具體表現出以下幾個特征:(1)鄂爾多斯地塊南緣以銅川—黃陵一線(子午嶺)為界,東、西側差異運動明顯:西段以涇川為中心GPS速度場有逆時針旋轉的特征,在六盤山—隴縣—寶雞斷裂帶附近呈現明顯的擠壓變形特征,研究區西北端的運動速率沿SE向逐漸減小,表明能量在六盤山—隴縣—寶雞斷裂帶附近集聚。東段以黃龍為中心GPS速度場有順時針旋轉的特征,在韓城斷裂東北段運動速率突然增大,然而在韓城斷裂與峨眉臺地北緣斷裂之間運動速率快速衰減為零。渭河盆地東、西部GPS速度場呈現相反的運動特征,西部寶雞地區GPS速度場以近E向運動為主,東部渭南地區GPS速度場以近W向運動為主,在中部咸陽—西安地區運動速率幾乎為零,表現為明顯的東西向擠壓、南北向拉張特征。秦嶺造山帶基本以108.5°為界,西秦嶺GPS速度場由西往東呈現近N向-NE向-近E向運動特征;東秦嶺速度場呈現SW向運動特征,且自東往西運動速率逐漸減小;沿長安—臨潼斷裂以SW向延伸與略陽斷裂、山陽斷裂交接部位形成右旋擠壓變形狀態。

圖4 渭河盆地及鄰區平滑距離分布圖Fig.4 Smooth distance distribution of Weihe Basin and adjacent areas

圖5 渭河盆地及鄰區主應變率場圖Fig.5 The principal strain rate field of Weihe Basin and adjacent areas

3 渭河盆地及鄰區水平應變率場分析

對比鄂爾多斯地塊南緣、渭河盆地及秦嶺造山帶的主應變率場特征,不同區域呈現出明顯差異變化(圖5)。整體而言,研究區的主張應變和主壓應變率變化幅度不大,基本在15×10-9·a-1以內。鄂爾多斯地塊西南緣的六盤山斷裂帶附近應變率場以擠壓為主,方向為NE-SW,與六盤山斷裂幾乎垂直,主壓應變率量值最大約為15×10-9·a-1,主張應變率最大約為10×10-9·a-1,方向為NW-SE。六盤山斷裂帶往東進入鄂爾多斯地塊西南緣的平涼、涇川地區,主要以擠壓應變率為主,幾乎沒有主張應變率分量。鄂爾多斯地塊南部的中段地區以主張應變率為主,方向由NE-SW轉為近EW向;鄂爾多斯地塊東南緣以主壓應變率為主,方向為NWW-SEE,量值最大約為20×10-9·a-1。隴縣—寶雞斷裂帶應變率場以擠壓為主,只是方向由六盤山斷裂帶附近的NE-SW向轉變為NW-SE向,量值相比六盤山斷裂帶附近略微減小,變化在(5～10)×10-9·a-1之間。西秦嶺北緣斷裂南、北兩側應變率幾乎為零,而在岐山—馬召斷裂和北山山前斷裂圍限的北側局部地區主張、主壓應變率相對較大。渭河盆地西部的寶雞地區和東部的渭南地區應變率相對較小,量值在5×10-9·a-1左右變化,中部的咸陽—西安地區應變率相對較大,基本在10×10-9·a-1左右變化,主壓應變率和主張應變率的方向分別為NE-SW和NW-SE。對圖5進行細致觀察還可發現,不同斷裂圍限的應變率特征具有明顯差異,以渭河斷裂為界,北側、南側的應變率變化分別與鄂爾多斯南緣地區和秦嶺造山帶以及往南延伸地區的應變率變化具有比較一致的特征。秦嶺造山帶及其南延地區應變率相對平緩,其中兩個地區擠壓應變率偏大,一個是長安—臨潼斷裂向南延伸與略陽斷裂匯聚地區;另一個是山陽斷裂、商縣—丹鳳斷裂、鐵爐子—欒川—南召斷裂圍限的地區,方向為NW-SW,量值在10×10-9·a-1左右變化。

剪切應變率的大小反映了地殼水平形變的程度,該值的大小表征了局部區域構造活動的強弱。總體上研究區剪應變率分布特征規律性明顯(圖6),基本與研究區的主要斷裂展布具有較好對應關系。具體而言,在鄂爾多斯地塊西南緣以六盤山—隴縣—寶雞斷裂帶為界,北東側地區剪切應變率量值相對較大,西南側地區剪切應變率變化明顯減弱,最大、最小量值分別為20×10-9·a-1、6×10-9·a-1。鄂爾多斯地塊南緣中段地區剪切應變率變化相對較弱,基本在5×10-9·a-1之內變化。鄂爾多斯地塊東南緣的韓城斷裂附近存在剪切應變率的局部高值區,最大量值約25×10-9·a-1。渭河盆地西部寶雞地區和中部的西安—咸陽地區最大剪應變率相比東部渭南地區稍大,其中西安—咸陽地區的剪切應變最大變化量值約15×10-9·a-1。以秦嶺北緣斷裂為界,秦嶺造山帶剪切應變率與渭河盆地相比明顯減弱,但也存在兩個比較明顯的剪切應變率局部高值區,一個是長安—臨潼斷裂南向延伸與略陽斷裂相交地區;另一個局部剪切應變率高值區位于山陽斷裂、商縣—丹鳳斷裂、鐵爐子—欒川—南召斷裂圍限匯集的地區,最大量值分別為7×10-9·a-1、10×10-9·a-1。值得注意的是,從圖6還可以發現兩個明顯的剪切應變率梯度帶,一個位于秦嶺北緣斷裂西段,另一個與華山—西麓斷裂及韓城斷裂走向基本一致。

圖6 渭河盆地及鄰區最大剪切應變率場圖Fig.6 The maximum shear strain rate field of Weihe Basin and adjacent areas

面應變率的大小反映了地殼中應變能的狀態及大小,在區域變形機制分析中具有重要的作用。渭河盆地及鄰區面應變率特征相對比較復雜(圖7),具體而言,鄂爾多斯地塊西南緣的六盤山斷裂帶附近以壓縮應變為主,最大變化量值約-20×10-9·a-1,鄂爾多斯地塊南緣中段以膨脹應變為主,最大變化量值約為20×10-9·a-1,鄂爾多斯地塊東南緣的韓城斷裂附近同樣以壓縮應變為主,最大量值約為-25×10-9·a-1。渭河盆地面應變率整體變化不大,基本在(-5～5)×10-9·a-1之間變化,沿渭河斷裂一線展布面應變率基本為零,渭河斷裂的周至—咸陽段與秦嶺北緣斷裂之間出現局部壓縮應變高值區,最大變化量值約-12×10-9·a-1;秦嶺造山帶及其以南地區,從西往東呈現膨脹應變與壓縮應變交替出現的變化特征,尤其是以秦嶺造山帶109°為界,西部、東部各150 km范圍內出現一個壓縮應變高值區和膨脹應變高值區,最大變化值分別為-12×10-9·a-1和10×10-9·a-1。進一步觀察發現,研究區西部六盤山—隴縣—寶雞斷裂帶與西秦嶺北緣斷裂之間形成面應變正負變化梯度帶,差異變化約為30×10-9·a-1;渭河盆地中部以長安—臨潼斷裂、渭南塬前斷裂為界,形成NE、SW向負值變化,NW、SE向正值變化的四象限分布格局;在研究區東部的韓城斷裂、雙泉—臨猗斷裂附近同樣出現一個面應變正負變化梯度帶,差異變化約為35×10-9·a-1。結合渭河盆地及鄰區近年來中小地震分布特征(圖8),發現地震分布與應變率高值區及差異變化梯度帶有比較好的對應關系。

圖7 渭河盆地及鄰區面應變率場圖Fig.7 Surface strain rate field of the Weihe Basin and its adjacent areas

4 討論與結論

4.1 討論

(1) 傳統觀念認為鄂爾多斯地塊是具有剛性基底的穩定克拉通地塊,李煜航等[30]研究發現鄂爾多斯地塊南部子午嶺小震叢集現象是青藏高原東北部沿鄂爾多斯地塊南部及渭河盆地發生橫向擴展的地震活動響應,說明青藏高原東北部的橫向擴展運動已經影響到鄂爾多斯地塊南部并使其內部出現差異變形,說明完整的鄂爾多斯地塊存在“活化”的特征。GPS研究揭示的渭河盆地和鄂爾多斯地塊南部現今沿子午嶺方向存在的左旋剪切運動,有利于應變能的積累,因此沿子午嶺出現的小震叢集現象就是構造薄弱帶在地殼左旋剪切作用下,使得應變能積累而形成彌散型的小震群[30]。本文研究獲得的速度場(圖2～3)在鄂爾多斯地塊南部呈現的東、西段運動差異,同時在子午嶺區域存在左旋剪切運動,與上述研究結果有較好的一致性。韓忠東等[31]研究發現在鄂爾多斯地臺南部邊緣存在一個環形構造,進一步表明處于穩定克拉通構造中的鄂爾多斯地臺存在相對活躍的部分,本文圖3顯示在鄂爾多斯地塊南緣西段確實存在一個逆時針旋轉運動的區域。海原—六盤山斷裂帶作為青藏塊體和鄂爾多斯地塊的重要邊界帶,在鄂爾多斯西南緣構造變形轉換過程中發揮了重要的作用,這個區域的變形特征以NE-SW向擠壓左旋走滑為主[30,32],與本文圖3揭示的運動特征基本一致。渭河盆地中部渭河斷裂以南區域的運動特征與秦嶺造山帶的運動特征基本一致,這和渭河斷裂是秦嶺造山帶及鄂爾多斯地塊的分界線有關[1,33-34]。從區域動力學角度來看,渭河盆地西段受青藏高原北東向運動與鄂爾多斯塊體阻擋的綜合效應影響,東段受到太平洋板塊及菲律賓板塊與華北和華南地塊的綜合效應影響,因此渭河盆地現今內部變形及構造特征相對復雜。

圖8 渭河盆地及鄰區中小地震分布圖Fig.8 Distribution of small and medium earthquakes in the Weihe Basin and adjacent areas

(2) 鄂爾多斯地塊在不同時期表現出不同的構造應力特征,燕山期主要呈NW-SE向,地塊西南緣呈NE-SW向;喜馬拉雅期呈NNE-SSW向,主要與太平洋板塊和印度板塊與歐亞板塊俯沖碰撞有關[35]。在始新世時期,印度板塊向北漂移并與歐亞大陸發生碰撞,造成青藏高原大規模隆起及地殼加厚,并對鄂爾多斯塊體產生一定的影響,主要表現為青藏高原對鄂爾多斯塊體NE-NNE方向的推擠,在其南北兩側和東西兩側形成以拉張為主的斷陷帶和右旋剪切拉張帶[36]。石衛[32]研究發現渭河盆地西段的隴縣—寶雞斷裂帶深部處于擠壓環境、淺部處于伸展環境,深部以NE向擠壓、SSE向拉張的構造應力場特征為主,淺部與此剛好相反。此外崔篤信等[9]對鄂爾多斯周緣地殼形變及應變特征進行研究,在六盤山斷裂帶的東部區域應變率為-20.0×10-9·a-1,反映了該區域存在較強的擠壓形變,渭南以西的關中盆地整體應變較小,面膨脹率為0～10×10-9,主壓應變為近EW向,主張應變為SN向,本文得到的研究結果與崔篤信等[9]基本一致,只是在一些細節上還存在差別。鄂爾多斯地塊中新世以來的構造運動仍然活躍,地塊南部發育有慶陽—富縣—宜川等東西向斷裂帶,北東向基底大斷裂主要位于盆地的中南部區域,如慶陽—大同斷裂帶和銅川—宜川—文水斷裂帶[37],這對于鄂爾多斯地塊南緣應變率場的分布特征具有較強的控制作用。寧陜—柞水之間地區作為秦嶺造山帶的商丹縫合帶最強的變形區,發育多條深層次不同級別的逆沖韌性剪切帶,巖層和地殼收縮幅度最大,本文研究結果表明在上述地區的確存在較強的剪切應變率和面應變率(圖6～7)。張國偉等[33-34]以108°E 為界,將秦嶺造山帶分為東秦嶺和西秦嶺,中秦嶺的范圍為108°～109°E,作為東秦嶺、西秦嶺造山帶中間銜接過渡的中秦嶺造山帶,其地殼結構的特征、斷裂構造的分布與東秦嶺、西秦嶺造山帶迥異[38],這也造成了秦嶺造山帶不同地區的應變率特征存在明顯差異(圖5～7)。

(3) 基于區域GPS形變場及應變率場對未來潛在地震危險區域進行研判,是非常重要的技術途徑[9-13,15-16]。本文研究發現GPS形變場及應變率場變化相對劇烈的區域與中小地震的分布具有非常好的對應關系(圖8),研究表明剪切應變率高值區及面應變率差異變化較大的區域往往是地震易發多發的地區,本文研究結果顯示在六盤山—寶雞斷裂帶、長安—臨潼斷裂和渭南塬前斷裂以及韓城斷裂這幾個區域應變率變化相對復雜,不僅剪切應變率出現高值,而且還存在面應變正負差異變化,表明這些區域地震潛在危險性較高。陳立春等[39]研究認為隴縣—岐山—馬召斷裂已發展成為隴縣—寶雞斷裂帶的最新活動斷裂,是青藏高原與華北塊體主邊界的重要組成之一,具有發生7 級以上地表強烈破壞型大震的構造條件,結合其剪切尾端拉張的區域構造屬性,隴縣—岐山—馬召斷裂的潛在震級為7.5級左右,杜方等[40]研究發現六盤山斷裂帶中—南段和隴縣寶雞斷裂帶最北段存在異常低b值區,表明已有相當高的應力積累,未來潛在震級為7級左右。郭秋娜[41]對汾渭地震帶的地震活動性進行了研究,發現運城盆地西南部和渭河盆地東北部有顯著地震空區,未來強震發生概率較大,此外在渭河盆地中部的渭南塬前斷裂附近也存在一定的地震危險性,上述這些研究結果與本文研究得到的結果基本一致。

4.2 結論

本文基于2009—2014年渭河盆地及鄰區GPS資料,采用Shen[18]提出的連續形變場及應變場計算方法,開展了渭河盆地及鄰區現今地殼形變及構造特征研究。為了更加清晰地研究渭河盆地及鄰區形變場特征,扣除了研究區整體旋轉量得到區域無旋轉形變場,并進一步研究了渭河盆地及鄰區的應變率場,并結合研究區近年來的中小地震目錄及構造地質資料,對渭河盆地及鄰區進行綜合性研究分析,得到如下結論:

(1) 鄂爾多斯南緣以子午嶺為界,GPS形變場在西段表現為逆時針旋轉,東段表現為順時針旋轉,子午嶺附近存在右旋剪切變形特征;在渭河盆地西安—咸陽附近GPS形變場呈現擠壓變形特征;秦嶺造山帶東段、中段、西段GPS形變特征存在明顯差異。

(2) 鄂爾多斯西南緣六盤山—隴縣—寶雞斷裂帶以NE-SW向主壓應變為主,渭河盆地中部的西安—咸陽地區以NW-SE向主張、NE-SW向主壓應變為主,韓城斷裂附近存在NW-SE向主壓應變;剪應變率高值區位于鄂爾多斯西南緣的六盤山—隴縣—寶雞斷裂帶附近、渭河盆地中部的咸陽—西安附近以及韓城斷裂;面應變率差異變化顯著的地區位于六盤山—隴縣—寶雞斷裂帶、長安—臨潼斷裂與渭南塬前斷裂及韓城斷裂及雙泉臨猗斷裂附近。

(3) GPS形變場與應變率場的高值區及差異變化區與中小地震分布具有高度一致性,未來潛在地震危險區域可能位于六盤山—隴縣—寶雞斷裂帶、長安—臨潼斷裂與渭南塬前斷裂、韓城斷裂與雙泉—臨猗斷裂附近。