基于GNSS的西秦嶺北緣斷裂帶現今活動特征研究

瞿 偉 崔 耀 郝 明 李久元

1 長安大學地質工程與測繪學院,西安市雁塔路126號,710054 2 西部礦產資源與地質工程教育部重點實驗室,西安市雁塔路126號,710054 3 中國地震局第二監測中心,西安市西影路316號,710054

西秦嶺北緣斷裂帶位于南北地震帶北段,地處秦嶺造山帶與青藏高原東北緣交界處,由西至東分別由鍋麻灘段、漳縣段、鴛鳳段、天水-寶雞段4個次級斷裂組成[1-4]。斷裂走向呈NWW向,傾角為65°～80°,全長約400 km[5],如圖1所示。西秦嶺北緣斷裂帶及鄰域曾發生過多次強震,如公元143年甘谷西7級地震、734年天水7級地震和1936年康樂6級地震等[6]。因此,開展西秦嶺北緣斷裂帶現今構造活動特征研究,對于及時掌握秦嶺造山帶與青藏高原東北緣交界處現今地殼構造活動特征具有重要參考價值[7-8]。

圖1 西秦嶺北緣斷裂帶及鄰域活動構造

邵延秀等[9]利用地震潛勢概率法評估西秦嶺北緣斷裂帶各次級斷裂地震危險性;李瑞莎等[10]分析西秦嶺跨斷裂形變異常特征;秦姍蘭等[11]利用1970～2006年水準資料分析西秦嶺地殼長期垂直運動特征;文獻[12-13]利用1999～2007年和2009～2013年GNSS觀測資料分析隴西塊體周邊斷裂閉鎖程度和滑動虧損分布以及斷裂分段運動變形與應變特征;劉雷等[2]利用2009～2015年GNSS水平速度場和1975～2011年垂直速度場分析西秦嶺北緣斷裂帶各次級斷裂活動特性;Hao等[14]利用1999～2019年GNSS速度場分析西秦嶺地殼應變率分布特征;郝明等[15]結合GPS與GRACE數據分析西秦嶺現今地殼垂直運動特征;戴洪寶等[16]基于GPS數據結合有限元法研究西秦嶺斷裂帶現今地殼應力場;譚友恒等[17]基于連續波形數據進行反演,結果表明,青藏高原東緣下方的低速體在東北方向跨越東昆侖斷裂帶進入柴達木地塊并達到西秦嶺北緣斷裂帶附近。上述研究為深入了解西秦嶺斷裂帶及鄰域現今地殼構造活動特征提供了重要參考。

以往研究多圍繞地震、地質資料或單個時間段GNSS監測成果,缺乏利用更長期且不同時段GNSS監測成果研究西秦嶺北緣斷裂帶現今長期與階段性活動特征,特別是各次級斷裂現今閉鎖程度及滑動虧損變化特征。基于此,本文利用1999～2007年、2009～2013年、2013～2017年和2017～2021年共4期GNSS速度場構建GNSS速度剖面,分析西秦嶺北緣斷裂帶現今差異活動特征,并進一步構建負位錯模型,反演獲得西秦嶺北緣斷裂帶各次級斷裂現今閉鎖程度和滑動虧損分布變化特征。

1 GNSS地殼運動速度場與西秦嶺北緣斷裂帶現今活動特征

1.1 GNSS地殼運動速度場

本文GNSS數據來源于1999～2021年“中國大陸構造環境監測網絡”一期和二期項目針對西秦嶺北緣斷裂帶及周邊地區開展的多期觀測成果。首先使用GAMIT/GLOBK軟件進行GNSS數據高精度處理[18],獲得ITRF2014全球參考框架下的GNSS運動速度場,然后通過歐拉旋轉將其轉換為相對穩定的歐亞板塊GNSS速度場[19],如圖2所示。需要說明的是,在GNSS觀測時間跨度內,研究區曾發生過多次7.0級以上強震,在進行數據處理時需綜合考慮研究區距震源距離、震級大小和數據可用性等因素,依照文獻[19-20]中方法消除強震同震效應,扣除相應強震同震形變場,并進一步對研究區內方向和大小明顯偏離區域運動背景的GNSS測站進行剔除,最終獲得1999～2007年(144個)、2009～2013年(187個)、2013～2017年(243個)及2017～2021年(187個)GNSS站點地殼運動速度場。

圖2 西秦嶺北緣斷裂及周邊區域不同時段GNSS速度場

1.2 西秦嶺北緣斷裂帶各次級斷裂現今差異活動特征

基于地質與大地測量資料可將西秦嶺北緣斷裂帶及周邊區域劃分為甘南塊體、隴西塊體和西寧塊體,將隴西塊體屬性設置為剛性塊體,將甘南塊體和西寧塊體設置為內部均勻應變塊體[2](圖1)。為精細分析西秦嶺北緣斷裂帶各次級斷裂現今差異運動特征,對各次級斷裂進行GNSS速度剖面分析(圖2),沿4條次級斷裂依次選取4條橫跨次級斷裂的GNSS速度剖面,每個速度剖面均覆蓋相應次級斷裂上、下盤約200 km范圍,并將GNSS速度場分別投影至平行及垂直于次級斷裂方向上,獲得各次級斷裂走滑和傾滑量。進一步利用速度剖面兩側GNSS站點速率平均值之差估算各次級斷裂滑動或張/壓速率,結果見表1(單位mm/a),依據誤差傳播定律計算的相應精度信息[2]見圖3,其中紅色豎線表示各次級斷裂。

表1 西秦嶺北緣斷裂帶各次級斷裂現今差異活動特征

圖3 橫跨西秦嶺北緣斷裂帶各次級斷裂GNSS速度剖面

分別計算1999～2007年、2009～2013年、2013～2017年和2017～2021年4個時段西秦嶺北緣斷裂帶4條次級斷裂差異運動特征。圖3中平行于各次級斷裂結果顯示,西秦嶺北緣斷裂帶現今整體呈現出以左旋走滑為主的運動特征;而垂直于各次級斷裂結果則顯示,西秦嶺北緣斷裂帶現今整體表現出以擠壓為主的運動特征。

由表1可見,GNSS速度場剖面揭示的各次級斷裂左旋走滑平均速率總體小于地質資料揭示的斷裂滑動速率(2.1～2.8 mm/a),剖面揭示的垂直于斷裂擠壓運動的平均速率與已有研究結果基本一致(0.2～0.7 mm/a)[6]。本文計算的斷裂活動速率與地質資料結果之間存在差異,可能是因為地質結果反映的是數千年甚至上萬年尺度的平均運動,而GNSS反映的則是斷裂帶現今運動特征,表征的是各次級斷裂在現今應力場作用下處于較強閉鎖與應變積累狀態[21]。

2 反演模型

2.1 負位錯模型

本文采用TDEFNODE模型建立區域構造活動模型,以GNSS速度場作為地表約束,反演獲得研究區塊體剛性運動參數、塊體內部應變率及塊體邊界斷裂帶閉鎖程度。斷裂閉鎖系數Φ數學表達式為:

Φ=1-Vc/V

(1)

(2)

式中,n為觀測值數量,dof為自由度,r為觀測值殘差,s為觀測值中誤差,F為觀測值權重。

2.2 斷裂幾何模型

本文在構建斷裂幾何模型時假設斷裂傾角不隨深度改變,不考慮鏟形斷裂及斷裂在地表是否閉鎖的情況,反演時不對斷裂閉鎖施加強約束。同時,鑒于研究區內觀測數量相對較少,為減少自由參數數量,沿斷裂帶走向設置0 km和30 km兩條等深線[2]。在對西秦嶺斷裂帶進行建模時,依據地質資料對各次級斷裂依次進行設置,模型中各次級斷裂由一系列節點組成斷裂面。本文沿斷裂走向共設置20個節點(平均間距20 km),基于TDEFNODE模型可反演計算出每個節點處的斷裂閉鎖程度,進而通過雙線性插值計算獲得相鄰節點間斷裂網格區域的閉鎖程度(本文采用8×4節點模型)。

2.3 最優模型結果

為進一步檢驗模型的合理性,本文將模型模擬結果與實測GNSS速度場進行對比分析,得到擬合殘差分布圖(圖4)及其統計直方圖(圖5)。從圖4、5可以看出,西秦嶺北緣斷裂帶4期模型模擬與實測結果的擬合殘差分布均符合正態分布特征(僅個別測站速度殘差值較大),其中1999～2007年、2009～2013年、2013～2017年和2017～2021年速度殘差擬合中誤差分別為1.8 mm/a、2.0 mm/a、1.8 mm/a和1.7 mm/a,表明本文構建的模型具有較好的無偏性。

圖4 模型模擬與實測GNSS速度場殘差空間分布

圖5 模型模擬與實測GNSS速度場殘差統計直方圖

3 斷裂帶閉鎖程度與滑動虧損速率分布

3.1 斷裂帶閉鎖程度

基于構建的最優模型可反演獲得西秦嶺北緣斷裂帶閉鎖程度(圖6)。由圖可見:1)1999～2007年鍋麻灘段和天水-寶雞段基本處于強閉鎖狀態,閉鎖深度約30 km,閉鎖系數為0.7～0.99。漳縣段和鴛鳳段僅部分區域呈現出強閉鎖狀態,且強閉鎖深度較淺,閉鎖深度在5 km以內,閉鎖系數為0.8～0.9,在5～10 km深度閉鎖系數為0.6～0.8,10 km以下閉鎖程度逐漸減弱。2)2009～2013年(汶川地震發生后)西秦嶺北緣斷裂帶中段閉鎖程度有所減弱,閉鎖深度為5～10 km,鴛鳳段東部與天水-寶雞段東部由較強閉鎖狀態轉變為蠕滑狀態,鍋麻灘段和天水-寶雞段中西部依然保持較強閉鎖狀態,閉鎖深度約30 km,閉鎖系數為0.7～0.99,該結果與劉雷等[2]的研究結論一致。3)2013～2017年西秦嶺北緣斷裂帶整體呈現出較強的閉鎖狀態,可能與2013-07-22岷縣漳縣6.6級地震震后效應有關,閉鎖深度約30 km,閉鎖系數為0.8～0.99,而天水-寶雞段東部局部區域仍表現為蠕滑狀態,閉鎖深度在5 km以內。4)2017～2021年鍋麻灘段中西部、漳縣段、鴛鳳段東部和天水-寶雞段中部處于較強閉鎖狀態,閉鎖深度約30 km,閉鎖系數為0.7～0.99,鴛鳳段中西部與天水-寶雞段西部則呈現出較為顯著的蠕滑狀態,閉鎖深度為5～10 km。

圖6 西秦嶺北緣斷裂帶閉鎖程度空間分布

綜上可知,西秦嶺北緣斷裂帶鍋麻灘段和天水-寶雞段中部現今整體處于較強閉鎖狀態,具有較強的應變能累積背景。

3.2 斷裂帶滑動虧損速率分布

圖7為基于最優模型反演獲得的西秦嶺北緣斷裂帶滑動虧損速率分布。對比圖6與圖7可以看出,西秦嶺北緣斷裂帶滑動虧損速率整體分布特征與斷裂閉鎖程度基本一致:1)1999～2007年鍋麻灘段強閉鎖部分滑動虧損速率約為2.57 mm/a,漳縣段閉鎖部分滑動虧損速率約為1.21 mm/a,鴛鳳段閉鎖部分滑動虧損速率約為1.16 mm/a,天水-寶雞段強閉鎖部分滑動虧損速率約為1.04 mm/a。趙靜等[12]計算獲得該時間段內西秦嶺北緣斷裂帶中西段閉鎖部分滑動虧損速率在汶川地震前約為1.7 mm/a,與本文計算結果的量級基本一致。2)2009～2013年鍋麻灘段強閉鎖部分滑動虧損速率約為2.32 mm/a,漳縣段閉鎖部分滑動虧損速率約為1.21 mm/a,鴛鳳段閉鎖部分滑動虧損速率約為0.69 mm/a,天水-寶雞段強閉鎖部分滑動虧損速率約為0.57 mm/a。趙靜等[12]計算獲得該時間段內西秦嶺北緣斷裂帶東段強閉鎖部分滑動虧損速率在汶川地震后約為0.4 mm/a,與本文計算結果的量級基本一致。3)2013～2017年西秦嶺北緣斷裂帶整體處于較強閉鎖狀態,自南東端向北西端滑動虧損速率由約0.12 mm/a逐漸增大至約3.0 mm/a,尤其是鍋麻灘段強閉鎖部分滑動虧損速率達到約3.07 mm/a。4)2017～2021年鍋麻灘段中西部、漳縣段、鴛鳳段東部和天水-寶雞段中部閉鎖部分滑動虧損速率較大,平均滑動虧損速率約為1.0 mm/a;鴛鳳段中西部與天水-寶雞段西部滑動虧損速率均較小,平均滑動虧損速率約為0.12 mm/a。

圖7 西秦嶺北緣斷裂帶滑動虧損速率空間分布

4 結 語

1)GNSS跨斷裂速度剖面顯示,西秦嶺北緣斷裂帶現今整體呈現出以左旋走滑為主、兼逆沖擠壓的活動特征。

2)西秦嶺北緣斷裂帶各次級斷裂在不同時段內表現出不同的閉鎖程度,各次級斷裂滑動虧損速率整體分布特征與斷層閉鎖程度基本一致。

3)西秦嶺北緣斷裂帶鍋麻灘段和天水-寶雞段在4個時段內均具有較高的閉鎖系數和較大的滑動虧損速率,表明上述區段現今整體處于較強閉鎖狀態,具有較強的應變能累積背景。