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利用GPS研究当前鄂尔多斯地块周缘地壳变形状态 周军1, 李文超2    1. 中国北京 100042 61206部队;
2. 中国山西 037000 大同中心地震台  本文收到日期:2016-03-30 基金项目:北京市哲学社会科学北京学研究基地项目(项目编号:BJXJD-KT2015-YB06)  作者简介:周军 (1982-), 男, 山西应县人, 2004年毕业于中国人民解放军后勤工程学院, 工程师, 硕士, 现主要从大地测量与遥感研究工作。E-mail:737879642@qq.com            摘要:利用陆态网络GPS基准站资料,计算鄂尔多斯地块周缘24条GPS基线时间序列,并基于均匀应变模型获得3个变形显著区域的6类应变参数时间序列,结果表明:① 陆态网络基准站观测数据质量较高,能够在一定程度上反映鄂尔多斯周缘的地壳微动态变化特征;② 利用GPS连续观测资料获得的区域应变状态与地质研究给出的区域构造应力状态一致性较好;③ 2011年以来,鄂尔多斯东北缘的晋冀蒙交界区域呈现一种压应力作用下的右旋剪切状态,鄂尔多斯西北缘处于右旋剪切应变状态,与2015年4月该区域发生的阿拉善M 5.8地震的震源机制较为一致。关键词GPS连续站    鄂尔多斯地块周缘    地壳形变    应变参数    阿拉善M 5.8地震    Research on recent deformation characteristics around Ordos massif using CMONOC GPS reference station data Zhou Jun1, Li Wenchao2    1. 61026 forces, Beijing 100043, China;
2. Datong Central Seismic Station, Shanxi Province 037000, ChinaAbstract: We calculated twenty-four baseline time sequences around Ordos massif margin using twenty-four CMONOC GPS reference station observation data, and calculated six kinds of strain parameter time series in three significant deformation area base on block uniform strain model. The results show:① The observation data of CMONOC is of high quality, it is able to monitor the crustal micro dynamic deformation of Ordos massif margin in some degree. ② The area strain state obtained from GPS continuous observation data is consistent with the regional tectonic stress state from geological research. ③ Since 2011, it is in dextral shear state under the action of compressive stress in Jin-Ji-Meng junction region in eastern margin of Ordos, it is also in dextral shear state in northwestern margin of Ordos, which is consistent with the mechanism of Alashan M 5.8 earthquake which is dominated dextral shear and slightly thrust component.GPS reference station    Ordos massif margin    crustal deformation    strain parameters    Alashan M 5.8 earthquake     0 引言

鄂尔多斯地块位于欧亚板块内华北亚板块西部,其周缘发育一系列断陷盆地和褶皱山系,新构造运动强烈 (邓起东等,1999)。鄂尔多斯周缘断裂系分属2个不同的大地构造单元,西南弧形断裂束属祁连褶皱系,其余断陷带均属中朝准地台。各断裂系形成时代亦不相同,山西断陷带于上新世开始形成,形成较晚;其余断陷带渐新世已经形成。此外,断裂系的运动方式也不相同,银川-吉兰泰河山西断陷带为右旋剪拉张带,河套和渭河断陷带是左旋剪切拉张带。

鄂尔多斯周缘是中国重要的强震危险带之一,4个大型活动断裂系均具有发生大地震的活动构造条件,公元前780年至今,共记录到6级以上地震59次,7级以上地震11次,8级以上地震4次。已有研究表明 (徐伟进等,2008高立新等,2012),鄂尔多斯周缘强震活动水平存在显著差异,活动最弱的是北缘的河套地震带,历史上仅记录到1次7级地震,东缘、西缘和南缘均发生过8级或数次7级强震。

本文系统收集了鄂尔多斯周缘陆态网络GPS连续站观测资料,通过计算鄂尔多斯地块周缘具有明确物理意义和较低噪声水平的GPS基线时间序列,分析鄂尔多斯周缘断裂系的现今受力状态,并基于块体均匀应变模型,计算鄂尔多斯周缘3个变形显著区域的6类应变参数,综合研究鄂尔多斯地块周缘的现今变形特征。

1 GPS数据处理

选取2011年初至2016年2月分布于鄂尔多斯周缘的陆态网络GPS基准站 (图 1) 以及周边IGS站相应时间段的观测资料,采用GAMIT/GLOBK进行处理。单天解算策略为:截止高度角15°,基线处理模式为RELAX,卫星钟差模型为精密星历误差的钟差参数,接收机钟差改正模型为伪距计算出的钟差,电离层延迟模型为LC-HELP,对流层模型为Saastamoinen模型,光压模型为BERNE,固体潮改正为IERS03,测站坐标约束为 (0.01 m,0.01 m,0.01 m),对流层参数设置为13。

图  1(Fig. 1)

图 1 鄂尔多斯周缘GPS站点与基线分布Fig.1 The GPS stations and baselines distribution map around Ordos massif margin

2 鄂尔多斯周缘近期地壳变形状态2.1 GPS基线时间序列

通过任意2个GPS站间的同步观测值可构成基线向量,根据GPS站位移时间序列可以建立GPS基线向量的时间序列。本文中基线时间序列通过计算椭球面两点间大地线的长度变化来实现 (孔祥元等,2001武艳强等,2007)。

首先,从提取地壳运动微动态异常信息要求的角度对GPS测站进行选取,对于那些变化没有规律或噪声水平太高,或经常出现不规则变化,难以获取地壳微动态信息异常的基线时间序列进行剔除,共选出24个具有较为稳定动态变化的台站,其站点时间序列具有较好的线性变化趋势或噪声水平较低,符合对基线时间序列进行下一步计算和分析的要求 (中国地震局监测预报司,2006)。

其次,依据站点所处构造部位选取所要计算的GPS基线时间序列,根据鄂尔多斯周缘变形背景差异,通过分析GPS基线所表示的构造变形物理意义选取部分基线进行计算,并且使其尽量跨越主要断裂带,通过站点之间的两两组合构成24条基线,将各基线的背景变化速率列于表 1,同时标注于图 1

表 1(Tab. 1  

       表 1 区域GPS基线变化量Tab. 1 Variation of area GPS baselines          序号基线名称变化率/mm ·a-11SXDT-HEZJ-2.02SXDT-BJYQ-1.83SXDT-SXLQ04SXLQ-SXKL05SXKL-SXTY06SXTY-SXYC07SXYC-SXGX08SXGX-SXLF-1.09SXLF-HAJY-0.310SXLF-SXXX-0.811SXXX-SNHY012NMTK-SXDT0.8813SNHY-SNXY0.214SNXY-SNTB015SNTB-GSPL0.516GSPL-NXHY1.517NXHY-YANC-2.418YANC-NXZW-0.919YANC-NMAZ2.120NMAZ-NMWH-1.121NMWH-NMWT6.522NMWT-NMWJ0.8523NMWJ-NMBT0.2524NMBT-NMTK1.0表 1  区域GPS基线变化量  Tab.1 Variation of area GPS baselines

2.1.1 鄂尔多斯东缘GPS基线变化。

在鄂尔多斯东缘,共计算12条GPS基线 (图 2),覆盖山西断陷带及晋冀蒙交界和晋陕交界地区。由图 2可见:① 3条基线--SXDT-HEZJ (山西大同-河北张家口)、SXDT-BJYQ (山西大同-北京延庆) 及SXDT-NMTK (山西大同-内蒙托克托),在一定程度上反映出与地质构造相关的趋势性变化,空间上集中在晋冀蒙交界地区,其中:SXDT-HEZJ (山西大同-河北张家口) 和SXDT-BJYQ (山西大同-北京延庆) 基线自观测以来表现为持续负值变化的缩短状态,速率约未-2.0 mm/a和-1.8 mm/a,表明该区域受到北东东向压应力的持续作用,该区域断裂基本为NE走向,可能表明其存在持续的走滑运动;东西方向的SXDT-NMTK (山西大同-内蒙托克托) 基线表现为持续正值变化的拉张状态,拉张速率约0.88 mm/a,小于NEE向基线的压缩速率,见图 2中 (a)、(b)、(c) 图;② 其余9条基线均在零值附近波动,未监测到具有构造动力学意义的趋势性变化。

图  2(Fig. 2)

图 2 鄂尔多斯东缘GPS基线时间序列(a) 山西大同-河北张家口;(b) 山西大同-北京延庆;(c) 山西大同-内蒙古托克托;(d) 山西灵丘-山西大同;(e) 山西灵丘-山西苛岚;(f) 山西苛岚-山西太原;(g) 山西太原-山西榆次;(h) 山西榆次-山西古县;(i) 山西临汾-山西古县;(j) 山西临汾-河南济源;(k) 山西临汾-山西夏县;(l) 山西夏县-山西华阴Fig.2 The GPS baseline time series around eastern margin of Ordos block

2.1.2 鄂尔多斯西缘GPS基线变化。

在鄂尔多斯西缘,共计算6条GPS基线 (图 3),区域覆盖银川-吉兰泰断陷带。由图 3可见,有3条基线在一定程度上反映出与地质构造相关的趋势性变化。其中:① 位于鄂尔多斯西北缘的YANC-NMAZ (宁夏盐池-内蒙阿拉善左旗) 基线变化较为显著,2011-2013年表现为持续正值变化的拉张状态,2013年后拉张速率明显减缓,2015年4月15日阿拉善5.8级地震后,该基线转平,之后基本在零值线附近波动,反映出地震后区域应力场处于较为均衡的状态,见图 3(b);② 位于鄂尔多斯西缘南段的NXHY-YANC (宁夏海原-宁夏盐池)基线,2011年以来表现为持续负值变化的缩短状态,速率约-2.4 mm/a,见图 3(d),该基线与所跨断裂斜交,可能表明断裂存在一定程度的逆断兼走滑活动;③ GSPL-NXHY (甘肃平凉-宁夏海原) 基线处于持续正值变化的拉张状态,速率约1.5 mm/a,该基线与断裂近似平行,主要反映断裂的走滑活动,见图 3(e)

图  3(Fig. 3)

图 3 鄂尔多斯西缘GPS基线时间序列(a) 内蒙古阿拉善左旗-内蒙古乌海;(b) 宁夏盐池-内蒙古阿拉善左旗;(c) 宁夏盐池-宁夏中卫;(d) 宁夏海原-宁夏盐池;(e) 甘肃平凉-宁夏海原;(f) 陕西太白-甘肃平凉Fig.3 The GPS baseline time series around western margin of Ordos block

2.1.3 鄂尔多斯南缘GPS基线变化。

鄂尔多斯南缘共计算2条GPS基线,区域覆盖渭河断陷带,未监测到与地质构造相关的趋势性变化。其中,陕西旬邑站 (SNXY) 自观测以来断记较多,但仍能显示出较为平稳的变化趋势,见图 4

图  4(Fig. 4)

图 4 鄂尔多斯南缘GPS基线时间序列(a) 陕西旬邑-陕西华阴;(b) 陕西旬邑-陕西太白Fig.4 The GPS baseline time series around southern margin of Ordos block

2.1.4 鄂尔多斯北缘GPS基线变化。

在鄂尔多斯北缘共计算4条基线,区域覆盖河套断陷带。其中,有1条基线在一定程度上反映出与地质构造相关的趋势性变化。近南北向的NMWH-NMWT (内蒙古乌海-内蒙古乌拉特后旗) 基线自2011年以来表现为持续正值变化的拉张状态,2013年以来拉张速率加快,平均速率达6.5 mm/a,该基线与断裂斜交,反映断裂存在较大分量的右旋走滑活动,2015年4月在其附近发生以右旋走滑为主的阿拉善5.8级地震,见图 5(a)

图  5(Fig. 5)

图 5 鄂尔多斯北缘GPS基线时间序列(a) 内蒙古乌海-内蒙古乌拉特后旗;(b) 内蒙古乌拉特后旗-内蒙古乌家河 (c) 内蒙古乌家河-内蒙古包头;(d) 内蒙古包头-内蒙古托克托Fig.5 The GPS baseline time series around northern margin of Ordos block

2.2 区域GPS应变时间序列

为了进一步研究区域的整体变形状态,采用球面单元均匀应变模型 (王伶俐等,2015),选定区域内4个GPS站位移观测序列进行整体计算,获得上述基线变化较为显著的3个区域 (鄂尔多斯西北缘、西缘和东北缘) 的整体变形参数,包括区域最大主应变、最小主应变、第1剪应变、第2剪应变、最大剪应变和面应变时间序列,从不同角度反映区域整体变形状态。计算区域具体位置见图 6,区域应变参数值见表 1,各区域GPS基线时间序列见图 7-图 9

图  6(Fig. 6)

图 6 鄂尔多斯周缘GPS站点与应变计算区域分布Fig.6 The GPS stations and strain calculation areas distribution around Ordos massif margin

图  7(Fig. 7)

图 7 鄂尔多斯西北缘GPS应变时间序列 (NMWT-NMWJ-NMBT-NMWH)(a) 最大主应变;(b) 最小主应变;(c) 面应变;(d) 第1剪应变;(e) 第2剪应变;(f) 最大剪应变Fig.7 The GPS strain time series around Ordos northwestern margin (NMWT-NMWJ-NMBT-NMWH)

图  8(Fig. 8)

图 8 鄂尔多斯西缘GPS应变时间序列 (YANC-NMAZ-NXZW-NXHY)(a) 最大主应变;(b) 最小主应变;(c) 面应变;(d) 第1剪应变;(e) 第2剪应变;(f) 最大剪应变Fig.8 The GPS strain time series around Ordos western margin (YANC-NMAZ-NXZW-NXHY)

图  9(Fig. 9)

图 9 鄂尔多斯东北缘GPS应变时间序列 (SXDT-SXLQ-BJYQ-HEZJ)(a) 最大主应变;(b) 最小主应变;(c) 面应变;(d) 第1剪应变;(e) 第2剪应变;(f) 最大剪应变Fig.9 The GPS strain time series around Ordos northeastern margin (SXDT-SXLQ-BJYQ-HEZJ)

由鄂尔多斯西北缘 (区域1) GPS应变时间序列 (NMWT-NMWJ-NMBT-NMWH基线) 及表 2(图 7) 可知:最大主应变和面应变持续正值变化,变化量约为4.0×10-8,最小主应变无变化,表明该区域处于受张性应力为主的扩张状态;第2剪应变持续负值变化,变化量约为-1.6×10-8,代表地块北西-南东向伸长,北东-南西向压缩,该区域断层以近东西向为主,表明断层处于左旋剪切状态,区域总体处于左旋剪切拉张状态,与地质研究给出的区域构造应力状态较为一致。

表 2(Tab. 2  

       表 2 区域应变参数变化量Tab. 2 Variation of area strain parameters          区域最大主应变最小主应变最大剪应变第1剪应变第2剪应变面应变区域14.0×10-804.2×10-8-1.3×10-8-1.6×10-84.0×10-8区域21.1×10-8-1.2×10-82.3×10-80-1.1×10-8-0.1×10-8区域30.5×10-8-0.9×10-80.6×10-8-0.6×10-8-0.5×10-8-0.4×10-8注:区域1为鄂尔多斯西北缘,区域2为鄂尔多斯西缘,区域3为鄂尔多斯东北缘表 2  区域应变参数变化量  Tab.2 Variation of area strain parameters

由鄂尔多斯西缘 (区域2) GPS应变时间序列 (YANC-NMAZ-NXZW-NXHY基线)(图 8) 及表 2可知:该区域最大主应变持续正值变化,最小主应变持续负值变化,变化量分别为1.1×10-8和-1.2×10-8,表明区域主张应变和主压应变均处于持续增强的状态。剪切应变参数显示,第1剪应变无变化,第2剪应变持续负值变化,变化量约-1.1×10-8,代表地块北西-南东向伸长,北东-南西向压缩,而该区域断层以近南北向为主,表明断层处于右旋剪切状态,与地质研究给出的区域构造应力状态较为一致。2015年4月15日,该区域发生以右旋走滑为主的阿拉善左旗M 5.8地震 (中国地震局地球物理研究所,2015),表明GPS所反映的区域现今应变状态可信度较高。

由鄂尔多斯东北缘 (区域3) GPS应变时间序列 (SXDT-SXLQ-BJYQ-HEZJ基线)(图 9) 及表 2可知:最小主应变持续负值变化,变化量约为-0.9×10-8,最大主应变正值变化但变化量较小,表明区域处于受压应力为主的状态。剪应变参数中,第一剪应变持续负值变化,变化量约为-0.6×10-8,代表地块北南向伸长,东西向压缩,该区域断层以北东东向为主,表明断层处于右旋剪切状态。区域总体呈现一种压应力作用下的右旋剪切状态。

3 结论

综上所述,可以得出以下结论:① 陆态网络基准站观测站数据质量较高,能够在一定程度上反映鄂尔多斯周缘的地壳微动态变化特征;② 鄂尔多斯东北缘的晋冀蒙交界区域,处于北东东向的SXDT-HEZJ (山西大同-河北张家口) 和SXDT-BJYQ (山西大同-北京延庆) 两条基线持续缩短,区域总体呈现一种压应力作用下的右旋剪切状态;③ 鄂尔多斯北缘的近南北向的NMWH-NMWT (内蒙古乌海-内蒙古乌拉特后旗) 基线自2011年以来表现为持续拉张,2013年以后拉张速率进一步增大,区域整体处于左旋剪切拉张状态,与地质研究给出的区域构造应力状态较为一致;④ 鄂尔多斯西北缘的YANC-NMAZ (宁夏盐池-内蒙阿拉善左旗)2011-2013年持续拉张,2013年后,拉张速率有所减缓,2015年4月阿拉善M 5.8地震后基线转平在零值线附近波动,表明区域应变得到一定程度释放。

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