利用水准资料研究西秦岭地区的垂直形变*

秦姗兰 王庆良 季灵运 李煜航

(中国地震局第二监测中心，西安 710054)

利用水准资料研究西秦岭地区的垂直形变*

秦姗兰 王庆良 季灵运 李煜航

(中国地震局第二监测中心，西安 710054)

基于1970年至2006年的水准观测资料，以高差变化速率为观测值、观测点速率为未知参数的最小二乘整体网平差方法获取了西秦岭地区长期地壳垂直运动速度场图像。结果表明:相对宝鸡基岩点(陇褒17)，六盘山周围地区表现为明显的隆升态势，隆升速率达2～3 mm/a;兰州地区整体呈现下沉趋势，下沉速率为1.5 mm/a。

西秦岭;水准资料;垂直形变场;最小二乘;速度场图像

1 引言

利用精密水准资料获取垂直形变场是研究地壳垂直运动特征的重要方法之一。文献［1，2］利用多期精密水准资料研究了鲜水河、安宁河断裂带数年时间段内的垂直形变，取得了鲜水河与安宁河断层的活动速率;文献［3］则利用长时间尺度内多期高精度水准资料对川西地区现今垂直形变进行了研究，得到了川西地区地壳变形速率。秦岭造山带是中国大陆少有的东西走向的大型山脉，西秦岭地处秦岭造山带的西延部分，同时也是青藏高原东北缘的重要组成部分［4］。对西秦岭地壳运动特征的研究不仅对该地区有着十分重要的意义，同时也对研究青藏高原东北缘的形变特征具有一定的参考价值。

基于此，本文将利用西秦岭地区近40年的精密水准资料，研究该区数十年尺度内的垂直形变特征。

2 资料概况

20世纪70年代以来，为监测西秦岭地区的地壳运动，中国地震局第二监测中心对西秦岭地区的水准监测网进行了改、扩建。改、扩建后的水准监测网由5个水准环组成，路线总长3 000多千米，点距3～5 km。测线基本沿构造或横穿构造带布设［5］。绝大部分水准线路先后进行了多期一等水准测量，测量中误差为0.4 mm/km。

为获取较为稳定的区域地壳垂直运动速度场，利用的水准资料一般间隔在十年以上，尽量避开区内中强震的影响。经整理，利用的水准资料及年份如表1所示。

表1 西秦岭水准资料利用表Tab.1 Selected leveling data in west Qinling tectonic belt

3 数据处理

结合研究区域水准网的实际情况，采用以高差变化速率为观测值、观测点速率为未知参数的最小二乘整体网平差方法［3，6］。函数模型为:

式中Sij为第i、j点的高差变化速率和分别为第i、j点的速率，Δij为随机误差。

误差方程为:

平差准则为:

权值P由

确定。式中T1和T2分别为观测时间，d为两点间的距离。由于西秦岭地区水准网的观测时间较为分散，因此在定权时主要考虑了资料的间隔时间和点间距。

为确保所用水准资料的精度，在进行整体网平差处理前，利用高差和观测时间对水准环进行了垂直形变速率环闭合差检验，以宝鸡(陇褒17)为参考点，分别沿顺时针和逆时针方向计算出水准环中每个点的垂直形变速率，然后计算出垂直形变速率环闭合差，计算结果显示大水准环(环长度1 836 km)的垂直形变速率环闭合差为 -0.65 mm/a，各小水准环的垂直形变速率环闭合差小于0.8 mm/a。

4 西秦岭长期垂直形变速度场

以西岷11为基准点，对西秦岭水准资料进行整体平差(整体平差精度为每千米权中误差0.03 mm/ a)，得到各水准点相对西岷11(兰州)基准点的长期垂直形变速率(图1)，从图1可以看出:整个西秦岭地区相对于西岷11(兰州)呈现整体隆升，平均隆升速率为2～3 mm/a，上升最快的区域为六盘山周围地区，上升速率达3～4.5 mm/a;定漳段，望子关及汉中附近的隆升速率在2 mm/a左右。以西岷11作为基准点，西秦岭处于整体隆升趋势，这不易看出西秦岭内各次级块体间的相对变化，为此又以陇褒17(宝鸡)为基准点获取该地区的垂直形变速率(图2)，从图2可以看出:汉中相对于宝鸡的隆升速率在1.5 mm/a左右;汉中-望子关-岷县段上升幅度不大约为0.5 mm/a;岷县-合作段呈隆升趋势，合作-兰州呈现下沉趋势，速率为-1.5 mm/a，兰州附近整体基本属于下沉的趋势。

为更好地研究区域内形变特征，针对研究区域内主要的跨断裂测段绘制了如图3、4所示的垂直形变剖面图。

图1 西秦岭垂直形变速率图(相对于兰州)Fig.1 Vertical deformation velocity in west Qinling tectonic belt(Relative to Lanzhou)

图2 西秦岭垂直形变速率图(相对于宝鸡)Fig.2 Vertical deformation velocity in west Qinling tectonic belt(Relative to Baoji)

图3 近南北向的地形和垂直形变剖面图Fig.3 Profiles of the NS-trending terrain and vertical deformation

图4 近东西向的地形和垂直形变剖面图Fig.4 Profiles of the EW-trending terrain and vertical deformation

从图3可以看出:1)汉中相对于宝鸡呈现上升趋势，隆升趋势与地质研究结果大体一致(图3 (a));2)岷县-兰州段呈现下沉趋势，其速率为-1.5 mm/a(图3(b));3)望子关-秦安段，在望子关和秦安处垂直形变不明显，但中间部分有明显的隆升趋势，隆升速率达2.5 mm/a，推测可能与该测段通过多条断裂带有关(图3(c))。

从图4可以看出:1)岷县-合作段呈隆升趋势，隆升速率为1～2 mm/a(图4(a));2)兰州-平凉(兰西线)段呈上升趋势，且可明显看出六盘山附近地区垂直形变量最大(图4(b));3)汉中-望子关-岷县段上升幅度不大(0.5 mm/a)(图4(c))，望子关附近个别点呈现出下沉趋势，下沉原因待查。

为进一步分析区域的形变特征，采用多面函数对区域整体形变特征进行拟合［7］，拟合结果如图5 (拟合的核函数为倒双曲面)。

图5 西秦岭地区垂直速率场Fig.5 The vertical deformation velocity in west Qinling tectonic belt

图5的拟合结果与图2中趋势大体一致，沉降区域在临夏-兰州一带，下沉速率为-1.5 mm/a，隆升区域在六盘山、天水和岷县附近，从图中可以看出趋势转换区大都在区域内的主要断裂带如六盘山、西秦岭北缘断裂等的附近，这应该与该区域所处的大的运动背景及特殊地理位置有关，在青藏高原东北缘大的运动背景下，运动过程中又受到到鄂尔多斯块体等的阻挡，因而形成了祁连-六盘山断裂附近的隆升和兰州临夏附近的沉降［8］，西秦岭北缘断裂附近的区域抬升则可能是断裂带吸收了部分青藏高原内部的挤压形变造成的。

5 结论

采用以高差变化速率为观测值、观测点速率为未知参数的最小二乘整体网平差方法对西秦岭地区长期的水准资料进行处理，结合其垂直速率图和多面函数拟合结果得出:基于宝鸡基岩点，整个区域运动趋势转换区在主要断裂带的周围，形变量最大的区域在六盘山附近，隆升速率为2～3 mm/a;兰州附近表现为平均速率1.5 mm/a的下沉趋势，该区域垂直形变表现出其继承性构造运动的特征［8，9］，关于其形变机制还需进行深入研究。

1 王双绪.川西地区近期大地垂直形变场演化与地壳运动特征［J］.地壳形变与地震，1992，12(2):17-22.(Wang Shuangxu.Recent vertical deformation field evolution and crustal movement characteristics in the west Sichuan［J］.Crustal Deformation and Earthquake，1992，12(2):17-22)

2 张四新，刘文义，王双绪.四川西部现今地壳形变与地震［J］.地壳形变与地震，1998，18(4):48-54.(Zhang Sixin，Liu Wenyi and Wang Shuangxu.The recent crustal deformation and earthquake in western Sichuan［J］.Crustal Deformation and Earthquake，1998，18(4):48-54)

3 王庆良，等.川西地区现今垂直地壳运动研究［J］.中国科学D辑:地球科学，2008，38(5):598-610.(Wang Qingliang，et al.The vertical crust movement today of the sichuan region［J］.Science China Press(series D)Earth science，2008，38(5):598-610)

4 郭进京，韩文峰，李雪峰.西秦岭新生代以来地质构造过程对青藏高原隆升和变形的约束［J］.地学前缘，2009，16(6):215-225.(Guo Jinjing，Han Wenfeng and Li Xuefeng.The Cenozoic tectonic evolution of the west Qinling: Constraints on the uplift and deformation of the Tibetan Plateau［J］.Earth Science Frontiers，2009，16(6):215-225)

5 冯益民，等.西秦岭造山带的演化、构造格局和性质［J］.西北地质，2003，36(1):1-10.(Feng Yimin，et al.Tectonic evolution frame work and nature of the west Qinling orogenic belt［J］.Northwestern Geology，2003，36(1):1-10)

6 陶本藻.自由网平差与变形分析［M］.武汉:武汉测绘科技大学出版社，2001.(Tao Benzao.The free netwotk adjustment and deformation analysis［M］.Wuhan:Surveying and Mapping Press of Wuhan University of Science and Technology，2001)

7 黄立人，陶本藻，赵承坤.多面函数拟合在地壳垂直运动研究中的应用［J］.测绘学报，1993，22(1):25-32.(Hang Liren，Tao Benzao and Zhao Chengkun.The research on polyhedral function fitting in the earth’s crust vertical movement［J］.Acta Geodactica et Cartographic Sinica，1993，22(1):25-32)

8 许效松，等.中国西部大型盆地分析及地球动力学［M］.北京:地质出版社，1997.(Xu Xiaosong，et al.The analysis of the large-scale basin and dynamics in western China［M］.Beijng:Geological Press，1997)

9 张国伟，等.秦岭造山带与大陆动力学［M］.北京:科学出版社，2001.(Zhang Guowei，et al.The Qinling orogenic belt and continent dynamics［M］.Beijing:Science Press，2001)

ANALYSIS OF VERTICAL DEFORMATION IN WEST QINLING ZONE BASED ON LEVELING DATA

Qin Shanlan，Wang Qingliang，Ji Lingyun and Li Yuhang
(Second Crust Monitoring and Application Center，CEA，Xi’an 710054)

On the basis of 1970—2006 leveling observations，we obtain the vertical velocity field of the west Qinling tectonic belt with the method of the least square adjustment.The results show that Liupanshan and its surrounding areas are rising with the rate 2-3 mm/a relative to Baoji benchmark(Longbao17)and the nearby Lanzhou basin area shows a subsidence trend，with the average rate 1.5 mm/a.

west Qinling tectonic belt，leveling data，vertical deformation field;least square;image of velocity field

1671-5942(2012)02-0016-04

2011-11-11

国家自然科学基金(40974062)

秦姗兰，女，1984年生，硕士，主要研究方向为地形变资料、GNSS数据处理分析.E-mail:shanlan_qin@hotmail.com

P315.72+5

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