渭河盆地地形变观测结果分析①

高好林，丁晓光，赵 韬，苏利娜，古云鹤，关 昕，张永奇

（陕西省地震局，陕西 西安 710068）

0 引言

在渭河盆地开展地震流动重力和跨断层形变测量已有三十多年，区域GPS网络也积累了十几年观测资料。这三个观测项目同属于地形变监测，其观测结果是否能共同解释区域应力场变化和相关构造活动，进而为地震监测预报提供科学依据，是我们开展这些观测项目的最终目的。

对于任何一种地震监测项目在研究其变化量和变化趋势时，不同时间长度的选取所得观测结果会有很大差别。时间越长，短期波动被抑制，长期变化和趋势性变化得到显现。

为此本文选取有GPS观测结果以来较长时间段内以上各手段观测结果进行对比分析，并结合其他资料和研究成果，探讨渭河盆地地形变变化特征及其相互关系。

1 地质构造背景

位于鄂尔多斯块体与秦岭褶皱带之间的渭河盆地位于秦岭地背斜与鄂尔多斯地向斜之间，盆地南北两侧均为高角度正断层所围限，陇西旋卷构造体系东南撒开部分从西北边插入，新华夏系的次级构造在盆地东部叠加复合，其相互穿插、干扰、迁就和利用构成盆地现今活动断裂分布格局（图1）。

在陇宝地区，陇西旋卷构造从陇县向东南撒开插入秦岭，该旋褶带南端自西向东由桃园—龟川寺、固关—八渡、千阳—彪角和陇县—岐山—马召等四条断裂带组成。

据布设在宝鸡市东侧NS向穿越渭河盆地的地震流动观测剖面资料，其接收函数偏移成像结果显示，在鄂尔多斯西南缘的宝鸡附近莫霍面存在间断而不连续，表明青藏块体对整体相对稳定的鄂尔多斯地块具有持续而巨大的推挤作用力①陕西省地震局.2011年度陕西省地震趋势研究报告.2010.。

在眉县至岐山县布设的一条近NS向深地震反射测线探测发现了10条断裂。其中除相对应的秦岭北侧大断裂、渭河断裂和陇县—岐山—马召断裂外，其余6条断裂是新发现的，规模较小。这些断裂根据各断裂所错断的上部地层TE的形态都是正断层，但是根据Tg及其下面的波组形态来看，岐山－马召断裂在浅部为正断层，在深部可能为逆断层，这表明该地区地层在古生代时期受压应力作用，形成了一系列逆断层；到新生代时期应力方向发生了变化，地层又受张应力作用形成了一系列的正断层，老断层也在张应力作用下形成了下逆上正的断层性质［1］。

在长安区—咸阳市—礼泉县布设的另一条深地震反射测线，也探测到规模大小不等的11条断层，有的断层深达康拉德界面。整个剖面反映出盆地南缘即秦岭褶皱带莫霍面呈俯冲形态伸展至渭河盆地下方莫霍面以下，而盆地下方即鄂尔多斯块体南缘的莫霍面呈近似水平形态。同样显示出渭河盆地莫霍面南北向的不连续性［2］。

图1 地形变监测网与活动断裂分布图Fig.1 Distribution of crustal deformation monitoring network and faults

以上探测结果表明渭河盆地西部断层十分发育，尤其是岐山—马召断裂下逆上正的断层性质，表明该断裂深部构造的复杂性。在陇西旋卷构造南端，由于发育了一组NW向或NNW向的断层，且该区域莫霍面间断而不连续。于是在陇县—宝鸡—眉县—周至—户县一带布格重力异常等值线密集分布，形成一条布格重力异常高梯度带，布格重力等值线呈NW展布，其中分别在宝鸡和周至附近形成两个中心区量值约－205×10－8m·s－2和－180×10－8m·s－2的布格重力异常凹陷区（图2）。

布格重力异常梯度带的存在反映了地壳中质量分布的不均匀性，从而使岩石圈因不同部位上所承受的负载不均一而发生弹性弯曲，导致它以下的上地幔所受到的静压力的不均衡，结果产生了垂直方向的作用力，造成了上地幔的下沉和上隆这种重力的均衡调整过程，而这种调整过程又必然引起地壳中物质的重新分布，结果又在地壳中造成了水平方向的作用力，这种横向上的作用力在布格重力异常梯级带或莫霍面的斜坡地带为最大，这有可能是中强地震发生的动力来源之一。因此，布格重力异常梯级带应该是我们识别中强地震潜在震源区的一个重要标志［3］。

2 地形变监测网络概况与重力网平差方法

本文涉及到的渭河盆地地形变监测网络由三部分组成：即陕西流动GPS网、关中地区流动重力网和跨断层形变场地（图1）。

2.1 陕西流动GPS监测网

2001年投入观测的陕西流动GPS网西起陇县，东至韩城，北达榆林，南抵留坝，由38个站点组成，主要站点分布在渭河盆地。每年第三季度观测一期。由于陕北3个GPS点距本研究区域较远，为了突出渭河盆地点网分布及相关构造，在图1中将其舍去。

2.2 关中地区流动重力网及平差方法

图2 渭河盆腔布格重力异常图（据陕西省地质局）Fig.2 Bouguer gravity anomaly map of Weihe basin，Shannxi province（from Geological butrau of Shannxi province）

1992年投入观测的关中地区高精度流动重力网覆盖范围东西与上相同，南至太白，北到黄龙，由11个闭合环、10条支线和116个测点组成。每期使用两台拉科斯特重力仪观测，2008年以前每年观测一期，其后每年两期，至今已积累了二十余期观测资料。

根据近十余年渭河盆地重力场分布图像，笔者采用中国地震局地震研究所最新升级的流动重力资料处理软件对近二十年的观测资料进行拟稳平差处理。拟稳点的选取原则是：其一，拟稳点所在区域地质构造相对稳定；其二，在研究时间段内，点位没有变动，观测资料连续；其三，点位稳定可靠，观测期间内没有出现段差变化超限和测点重力变化异常，点值变化曲线平稳；其四，根据本文研究时段重力场变化分布特征，西部是重点关注区域，因此拟稳点应在东部选取；其五，大致位于研究区的中部，以减小传递误差的影响。经反复比较分析所选拟稳点的组合方式以及所得重力变化图像达到的最佳显示效果。最终渭南附近位于断层同一盘的几个测点符合作为拟稳点的基本条件。

2.3 跨断层形变场地

为了监测渭河盆地及邻区的地震活动，1982年以后陕西省地震局先后布设了6处形变场地9条测线（包括口镇定点形变1处两条测线）。其后跨断裂形变场地增至14处18条测线，其中王庄、康村、石堤峪、马峪和广济等5个场地2000年投入观测；沣峪口场地有3条测线分别布设在3条断裂上；口镇和大原场地各有两条相连的测线跨过同一断裂，其余场地均为一条测线。

跨断裂形变测量每年复测三期以上，所得跨断裂垂直形变资料均经尺长改正。

3 GPS观测资料处理方法与应变场分布特征

3.1 GPS数据处理

GPS数据处理采用GAMIT10.4软件。处理时联合周边15个IGS国际站，并进行了相应的各项误差改正，得到精度量级在10－8的基线解协因数阵，最后融合全球IGS站的协因数阵，平差得到各站点在ITRF全球参考框架下的坐标。

利用GLOBK的GLRED命令可以处理多期数据并得到区域网站点的速率，此时的速率仍为全球框架下的速度。为了得到相对于欧亚板块的站点运动，需要扣除欧亚板块的整体旋转，即公式（1）。

式中Vn、Ve为欧亚板块旋转引起的北分量、东分量线速率；λ、φ 和＝（Ωx，Ωy，Ωz）分别为欧亚板块旋转中心位置和旋转角速度，（x，y，z）为GPS站点地心直角坐标；Ω为测站所处板块的欧拉矢量。

3.2 GPS应变计算

利用上一步得到的相对于欧亚板块的速度，就可以利用位移偏导与应变的关系式（3）计算应变值［4］：

式中，Δui为两点间位移之差；Δxj为相应点间的经纬度之差。利用该式可得到主应变，面应变，最大剪应变，第一剪应变和第二剪应变。

求解位移之差可以有多种方法，比如三角形法，二次曲面法，最小二乘配置等，本文采用的是最小二乘配置法求解［5］。

3.3 GPS应变场分布特征

渭河盆地位于鄂尔多斯块体与秦岭褶皱带之间，盆地内构造活动不但受到南北两大块体的牵制作用，而且来自青藏块体东北缘NE向挤压是鄂尔多斯地块运动的主要驱动力，从而使鄂尔多斯地块逆时针旋转［6］。

2001－2010年渭河盆地GPS速度场显示，鄂尔多斯块体南缘所有站点运动方向为SE或SEE向。利用陕西地区流动GPS站的速度（或位移），可以得到2001－2010和2001－2012年主应变率、最大剪应变率和面应变率。

3.3.1 最大剪应变率

最大剪应变率的大小反映了构造活动的强烈程度。2001－2010年最大剪应变率空间分布显示：在眉县以北形成一个高值区，中心区在麟游与长武之间，约为3.0×10－8／a；其次，在黄陵以北和蓝田以东分别形成两个量值约为1.5×10－8／a和1.2×10－8／a的次高值区。盆地中东部腹地变化量在0.3×10－8／a～0.9×10－8／a之间。显然西部活动水平明显高于东部，东部南北两侧高于中间地带（图3（a））。

图3 渭河盆地最大剪应变率与面应变率等值线图Fig.3 Isogram of maximum shear strain rate and plane strain rate in Weihe basin

2001－2012年变化图像显示：西部高值区位置不变，量值仅为2.4×10－8／a，东部分别在宜君、三原和商洛附近各有一个中心量值约为1.8×10－8／a～2.1×10－8／a次高值区，似有东部增强西北减弱的迹象（图3（b））。

3.3.2 面应变率

面应变率的正负值反映了局部地区的挤压与拉张作用的相对大小，若为负值则以压性活动为主，若为正则以张性活动为主［7］。

从2001－2010年分布图像可以看出：除蓝田－三原－旬邑一线两侧和 蓝田至韩城一线以东为正值区外，渭河盆地面应变率以负值变化为主，并分别在岐山和蒲城形成两个量值约为－1.9×10－8／a和－1.3×10－8／a的负值凹陷区（图（3（c））。

2001－2012年图显示：前述东西部两个面应变压缩区已经贯通，并分别在凤翔、户县和蒲城形成三个中心量值约为－1.5×10－8／a、－2.1×10－8／a和－0.9×10－8／a的强压缩区。显然户县附近压缩变形较显著（图3（d））。

4 地形变观测结果分析

4.1 GPS应变场与重力场变化

在相同时间段内，渭河盆地重力场变化图像分析如下。

2001年5月－2010年11月，除乾县、武功和三原所围区域为小幅负向变化外，其余大部分区域为正向变化，西部重力变化明显强于东部。陇县－岐山－周至一线重力变化显著，最大可达55×10－8m·s－2，并形成重力变化梯度带。其次，蒲城附近也有一小范围的正向变化区（图4（a））。

图4 重力场累积变化图Fig.4 Accumulation changes in the gravitational field

2001年5月－2012年4月，虽然前述负值区仍存在，正值区范围也有所扩大，但西部正值中心区位于周至以南，最大值仅为40×10－8m·s－2。重力场变化有减弱之势（图4（b））。

位于面应变压缩区的重力点值变化曲线显示，2001年以来处于波动上升变化中，累积变化幅度都在40×10－8m·s－2以上。其中位于面应变率强压缩中心区的横水测点累积重力变化量高达近80×10－8m·s－2（图5）。显然在面应变压缩区强弱不同的区域重力变化量也存在明显差异。

对比分析渭河盆地GPS应变场与重力场变化特征可以看出：GPS应变场和重力场空间分布有很好地相关性，尤其是面应变率与重力场变化相关性更好。即在剪应变率高值区和面应变率压缩区重力场呈高梯度带的正向变化；反之重力场则呈负向变化或微量变化。

在2001－2010年，以岐山为中心的面应变率负值区呈NW向展布，涵盖渭河盆地中西部以及商洛地区。这一NW向负值区中心地带在凤翔－扶风—周至—户县一线，与区域重力场变化梯度带基本重合。在此区域内，布格重力异常等值线也呈NW展布，等值线密集收缩在一个狭长的区域内（图2）。显然，由于这一时期该区域受到以挤压为主的应力场作用，地壳介质表现为以挤压变形为主，介质密度增加。于是在面应变收缩区重力场表现为正向变化，并形成一定规模的重力变化梯度带［8］。

同样，以蒲城为中心的面应变率负值区附近重力场也出现相应地正向变化。

以乾县、武功和三原所围区域的重力负值区位于东西两大面应变率负值区的中间地带，主要在面应变率的正值区。在面应变率正值区地壳处于拉张状态，介质密度减小，于是重力场呈负向变化。

尽管2001－2012年面应变压缩区连贯东西，与重力变化正值区仍然有较好地相关性。而且NW向的面应变率压缩条带与重力变化梯度带依然存在，面应变强压缩区与重力变化极值区也十分吻合。但与上期相比，最大剪应变率呈西部减弱东部增强的态势，面应变强压缩区转移到周至、户县一带，重力场变化也出现一定程度的回落。另外盆地西部主应变率方向由NE向转为NEE向挤压变形，东部北部为近EW向挤压变形，南部为近EW向拉张变形。这些现象可能表明渭河盆地构造应力场目前处于调整阶段，应变能仍有可能在渭河盆地西部或邻区逐渐积累。

图5 压缩区重力点值变化曲线Fig.5 The change curves of gravity value in the compressed areas

4.2 GPS应变场与跨断层形变

在图3中，渭河盆地西部凤翔—岐山—周至—户县一线形成面应变压缩区，该区域西端最大剪应变率较大，主应变率和面应变率都表现为挤压性质。陇西旋卷构造主旋带南端的陇县—岐山—马召断裂就在这一区域内。在此断裂上有大塬、南大同和广济等三处跨断层形变场地，图6是其中两个场地3个形变测段变化曲线（测段增量方向：自断层上盘至下盘）。

位于凤翔县境内大塬2－3测段，2号点深埋于耕地中，无干扰破坏；3号点位于山坡基岩上，点位稳定可靠。两点之间无过渡测点。2001－2013年，曲线经历两升两降，最大波动幅度在7.3～－7.89 mm之间；2004年7月－2006年3月下降7.12 mm；于2007年7月恢复到高点位置以后，在此高点附近窄幅波动长达3年；2010年7月以后下盘相对上盘再次快速持续下降：2010年7月－2013年3月下降15.19mm，2001年3月－2013年3月下降7.89mm。在近三年时间内，断裂活动表现为挤压变形特征，逆继承性构造运动显著。

大塬4－1是该场地另一条跨断层测线上的一个测段，两个测点都是基岩点，其变化形态与前者基本同步，说明该场地跨断层形变确实监测到了断层的垂直形变信息。只是4号点2011年11月以后被破坏，该测段无法继续观测。

位于扶风县境内南大同3－5测段，变化幅度在0.69～－3.1mm之间，比前者小很多，2011年3月－2013年3月下降2.15mm。广济场地相关测段2010年7月以后也急转直下。可见断裂活动性质与前者相同。至于这两个场地变幅明显小于大塬，可能有两个原因：其一，大塬2－3和大塬4－1测段有关测点基本都在基岩上，能直接测得断层的垂直形变；而后者是数百米厚的黄土沉积层测点，断层微小的变化量被黄土层“淹没”了。其二，岐山—马召断裂在凤翔与扶风之间，断层倾向发生了转变，其西北段为SW65°，东南段为NE70°。由于断层倾向相反，变化幅度也会存在差异。尤其是在青藏块体北东向推挤和鄂尔多斯地块逆时针旋转的共同作用下，断层在凤翔以东运动受阻，大塬场地垂直形变加剧，更易聚集应变能。这或许就是该区域附近出现地形变异常的根源。

与此形成鲜明对比的是，主应变率和面应变率都表现为压缩拉张性质兼具的渭河盆地东部，其主要活动断裂上的垂直形变则表现为继承性构造运动，甚至有的断裂近两年出现加速变化现象②陕西省地震局.2013年度陕西省地震趋势研究报告.2012.。

由此可见，穿越面应变率强压缩区的活动断裂表现为逆继承性构造运动，挤压变形特征显著；而在面应变膨胀区断裂活动表现为继承性构造运动，拉张变形特征明显。

4.3 岐山—马召断裂逆继承性构造运动分析

前文叙及，跨陇县—岐山—马召断裂的大塬2－3和大塬4－1测段垂直形变曲线在2001年以后经历过两次较大幅度的下降变化，即断裂表现为逆继承性构造运动特征（图6）。

在2004年7月－2006年3月的下降变化过程中，陕西省境内及邻近区发生的最大地震分别为2006年7月26日镇安3.6级和2004年8月10日甘肃迭部4.9级地震，形变场地距震中分别为212和323km；在2010年7月－2013年3月下降变化前后，2009年11月5日渭河盆地发生了高陵4.4级地震，邻省发生了2013年7月22日甘肃岷县6.6级地震，形变场地距震中分别为150和300km。

据分析，大塬2－3和大塬4－1测段两次下降变化可能是甘肃迭部4.9和岷县6.6地震孕育发生过程中的远场效应（其震中相距约44km）。其实，该场地相关测段在1998年1月5日泾阳4.8级和2002年2月5日宝鸡3.5级地震前后也曾出现较大幅度的下降变化，说明该场地具有较好的映震能 力（图6和表1）［9－10］。

图6 岐山—马召断裂垂直形变与地震对应关系Fig.6 Correspondence between vertical deformation of Qishan－Mazhao faults and the earthquakes

表1 大塬场地两个测段在地震前后的下降幅度（垂直形变单位：mm）Table 1 The decline of vertical deformation of the two observation lines of Dayuan area before and after the earthquake（The unit of deformation：mm）

现以岷县6.6级地震为例说明其映震机理：其一，渭河盆地西部与青藏块体东北缘接壤，在断裂构造上，南有西秦岭北缘断裂相连，北有陇西旋卷构造主旋带——乌鞘岭—六盘山旋褶带自天祝经海原过六盘山进入本区，绵延数百公里，而陇县—岐山—马召断裂就是其南端的一条分支断裂。因此渭河盆地西部区域应力场的变化必然受制于青藏块体东北缘地球动力学运动特征的影响。其二，六盘山－西秦岭地区地形变观测结果表明②该区在岷县6.6级地震前处于显著受压应变积累状态，断裂活动呈现一定的挤压闭锁和压扭性特征。2011－2012年GPS连续站和区域站观测结果显示海原—六盘山—西秦岭构造区当前处于应变积累加速。区域水准观测资料显示西秦岭北缘地区垂直形变背景异常显著。区域流动重力场在2011年前后出现南部山区与北部盆地反向变化，在兰州—青川一线以西形成NW向重力变化梯度带。2010年10月～2011年10月该梯度带以西为正向变化，以东为负向变化，岷县6.6级地震震中区位于正值中心区附近，重力变化等值线约为40×10－8m·s－2左右；2011年10月－2012年10月正负区域反向，震中区位于负值中心区附近，重力变化等值线约为－70×10－8m·s－2左右。显然，在2011年前后震中区附近重力差异变化较大，说明该区域附近构造变形和深部介质密度变化十分显著。震中区附近重力场变化经历了正向增强－反向减弱－发震的演化过程。如果把渭河盆地地形变观测结果放在六盘山—西秦岭地区地形变空间变化大背景中分析，可能其区域应力场变化具有统一的动力学背景。因此盆地西部地形变异常变化应该是六盘山—西秦岭地区地形变空间分布的一部分，其异常变化可能是2013年7月22日甘肃岷县6.6地震孕育过程中区域构造应力场逐渐增强，并在特定构造部位以地形变变化信息表现出来。其三，岷县6.6级地震发生在岐山－马召断裂逆继承性构造运动末期，表明该时段震中区附近区域应力场增强已达到临震状态。

根据我省现有的地形变观测结果和其他地震前兆信息分析，在渭河盆地乃至陕西境内发生5.0级以上地震的条件似乎并不充分。往往某一区域存在地形变异常并不意味着该地区一定会发生强震［11］。因此岷县6.6级地震的发生可能在一定程度上降低了在渭河盆地发生较大地震的可能性，但也不排除未来在渭河盆地西部及其邻区有新的地震活动。

5 结论

（1）陇县—岐山—周至—户县一线既是面应变压缩区，又是重力变化梯度带，还是布格重力异常梯度带，说明这一区域应力场异常变化可能与深部构造有关。

（2）在主应变率以NE向挤压变形为主的盆地西部，最大剪应变率高值区和面应变率压缩区量值大范围广，且其二者的中心区基本重合。在穿越中心区附近的陇县—岐山—马召断裂上，大塬和南大同等跨断层形变场地2010年以来断层活动表现为挤压变形特征，逆继承性构造运动显著。在断裂所经之处形成重力变化梯度带，表明该时段渭河盆地西部尤其是岐山北部附近区域应力场有所增强，构造活动明显。

（3）在面应变率压缩区地壳处于压缩状态，介质密度增加，重力场呈正向变化，断裂活动表现为挤压变形特征。反之，重力场则呈负向变化或微量变化，断裂活动表现为继承性构造运动。

（4）岐山—马召断裂2004年7月以后的两次逆继承性构造运动可能是甘肃迭部4.9级和岷县6.6级地震孕育发生过程中的远场效应。

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