西秦岭北缘断裂分段运动变形特征分析

陈长云　贺建明

1　中国地震局第一监测中心，天津市耐火路7号，300180



西秦岭北缘断裂分段运动变形特征分析

陈长云1贺建明1

1中国地震局第一监测中心，天津市耐火路7号，300180

利用1999～2007年和2009～2013年西秦岭北缘断裂及其邻区的GPS观测数据，基于跨断层速度剖面，结合断裂带邻区应变率场的分布，综合分析断裂带的分段运动变形特征。1999～2007年观测结果表明，西秦岭北缘断裂各次级断裂段均表现出左旋走滑兼挤压的运动特征，其中锅麻滩段的活动性明显高于其他3条次级断裂；GPS主应变率场显示，沿西秦岭北缘断裂，各次级断裂所受主压应变的方向基本一致，均为NE向，但是各分段主压应变的量值变化较为明显，锅麻滩段和鸳凤段所受主压应变明显大于漳县段和天水-宝鸡段；主压应变所表现出的分段特征与跨断裂GPS站点剖面反映的结果比较一致。2009～2013年观测结果表明，漳县段滑动速率增加，主张应变率增大，可能与岷县漳县地震的发生有关。综合分析跨断层剖面和主应变率场反映的断裂带远场和近场变形特征认为，西秦岭北缘断裂4条次级断裂已处于闭锁状态，并且存在一定的应变积累，其中天水-宝鸡段平行断裂滑动速率和垂直断裂的挤压速率均较低，可能表明其在西秦岭北缘断裂4条次级断裂中闭锁程度最高。

西秦岭北缘断裂；地壳形变；速度场；应变率场；闭锁深度

西秦岭北缘断裂带走向北西西，位于海原断裂和东昆仑断裂之间，长约300 km，第四纪晚期以来以左旋滑动为主(图1)。该断裂是我国西部地理、地貌、地质构造及地壳结构的重要分界线，也是我国主要的地震带之一[1-2]。断裂带自西北向南东可以分为锅麻滩段、漳县段、鸳凤段和天水-宝鸡段等4条次级断裂[3]。

图1　西秦岭北缘断裂带及邻区主要活动构造与地震活动性Fig.1　Main active fault and historical strong earthquakes along the west Qinling fault

西秦岭北缘断裂属于地震发生强度和频度均较高的地区。有史料记载以来，沿着西秦岭北缘断裂发生了8次强震事件，其中7级以上强震事件2次[4]，强震主要发生在断裂带的中段。学者们利用地震地质资料在西秦岭北缘断裂及其周边地区获得了大量研究成果[5-6]。利用GPS资料进行西秦岭北缘断裂带所在青藏高原东北缘地区的水平运动、应变特征等的研究也较多[7-8]，但大部分是从宏观角度描述区域大尺度变形特征，定性或定量分析西秦岭北缘断裂整体的运动变形。本文利用1999～2007年和2009～2013年中国地壳运动观测网络的基本站和区域站的流动观测GPS数据，在分析西秦岭北缘断裂所在青藏高原东北缘现今水平运动和变形特征的基础上，重点分析西秦岭北缘断裂的分段运动变形特征，同时结合地震学和地质学结果探讨各分段之间的相互关系及其构造意义。

1　数据与分析

研究使用的GPS数据主要来自中国地壳运动观测网络位于西秦岭断裂所在青藏高原东北缘地区的GPS连续站和流动站(图2)。流动站点共观测7个期次(1999年、2001年、2004年、2007年、2009年、2011年、2013年)，每次至少连续观测72 h。使用GAMIT/GLOBK/QOCA软件对数据进行处理，具体处理流程见文献[9-10]。为方便描述，把ITRF框架中的速率转换为相对于欧亚板块的运动速率，通过把ITRF中的速率与欧亚板块的旋转进行差分，定义欧亚参考框架。通常通过反演一组测站的坐标得到稳定的欧亚板块参考基准，这组点要分布于欧亚板块上，且位于稳定的大陆内部。据此，本文在进行参考框架转换时，利用Altamimi等[11]由GPS、VLBI和SRL数据反演得到的欧亚板块的欧拉矢量(56.330°±0.549°、-95.979°±0.969°)、旋转速率(0.261°±0.003°/Ma)，从ITRF2005框架的坐标中去掉欧亚板块的整体旋转，得到相对欧亚板块参考框架下的速度场(图2)。

图2　西秦岭北缘断裂及周边相对于欧亚框架的GPS速度场Fig.2　The GPS velocities filed around the west Qinling fault relative to Eurasia plate

本文利用1999～2007年和2009～2013年GPS水平速度场资料,研究西秦岭北缘及其邻区的地壳运动变形特征。数据观测期间发生2001年昆仑山8.1级地震和2008年汶川8.0级强震。昆仑山地震后，利用GPS开展的相对密集的地壳形变观测获得的同震位移和震后断层蠕动变形表明，GPS观测得到的断层蠕变等同震变形在地震2周后迅速衰减，在半年内衰减近90%;震后地壳形变的影响范围大致为88°～97°E[12]，距离本文研究区域较远，对研究区地壳形变的影响可以忽略。为尽可能减少汶川地震对研究区域变形的影响，选用汶川地震后2009～2013年数据进行分析。图2为西秦岭北缘断裂及周边地区相对于欧亚框架的GPS速度场，显示出研究区在整体上有沿顺时针方向转动的趋势。

2　西秦岭北缘断裂各分段运动变形特征

利用跨断层剖面，通过投影得到的GPS站点速度分量剖面能够直观反映由断层走滑(挤压/拉张)造成的站点速率随站点与断层之间距离的变化情况。为了分析西秦岭北缘断裂各分段运动变形特征，更加清晰地获取西秦岭北缘断裂两侧GPS站点速度所表现出的空间特征，对不同断裂段进行GPS剖面分析，GPS剖面范围及GPS站点分布情况见图2。对断裂带两侧站点速度分别进行沿剖面方向投影和沿垂直剖面方向投影，由剖面两侧站点速度平均值之差估算断层的滑动或张/压速率，并且利用误差传播定律计算速率误差。自北西向南东分别计算1999～2007年和2009～2013年西秦岭北缘断裂4条次级断裂(图1)的运动特征。平行断层的GPS速度(图3)表明，各分段断裂均以左旋走滑运动为主；垂直断层的GPS速度(图3)表明，各分段断裂均表现为挤压运动特征。各次级断裂的走滑/张压速率见表1。本文计算结果中，左旋走滑速率小于利用地震地质资料获取的断裂滑动速率(2.1～2.8 mm/a)，垂直断裂运动速率与已有研究结果(0.2～0.7 mm/a)基本一致[1-2]。地震地质结果反映的是数千a乃至上万a尺度的平均运动，GPS反映的是近10 a尺度的运动特征，其相对于地震地质结果偏小可能是因为断裂带在长期构造运动作用下闭锁程度增强所致。

跨西秦岭北缘断裂的GPS站速度(1999～2007年)剖面(图3、表1)显示，该断裂受到垂直于断裂走向的近南北向挤压缩短作用和平行于断裂的水平左旋剪切作用。其中，锅麻滩段南西侧约160 km为东昆仑断裂带，跨断层GPS剖面(图3(a))显示，该东昆仑断裂段滑动速率约为2 mm/a, 而对应的西秦岭北缘断裂的滑动速率明显偏小，这一特征与汶川地震前跨龙门山断裂的GPS站速度剖面[13]相符，可能表明西秦岭北缘断裂锅麻滩段已经处于闭锁状态。同锅麻滩段相比，漳县段、鸳凤段和天水-宝鸡段的滑动速率明显偏小，其中鸳凤段的运动速率略高于漳县段和天水-宝鸡段。

表1　西秦岭北缘断裂各分段断裂活动特征

图3　横跨西秦岭北缘断裂带次级断裂的GPS速度剖面Fig.3　GPS velocity profile across the secondary faults along the west Qinling fault zone

综合考虑平行和垂直于西秦岭北缘各次级断裂的GPS站点速度剖面认为，漳县段和天水-宝鸡段的活动性低于鸳凤段和锅麻滩段，可能具有较高的闭锁程度。同1999～2007年结果相比，2009～2013年的GPS速度剖面中，除漳县段左旋走滑速率明显增加之外，其他各次级断裂段的运动速率与1999～2007年的结果基本一致。2013-07-22甘肃省发生岷县漳县6.6级地震，漳县段滑动速率的明显增加可能与岷县漳县地震导致的漳县段闭锁程度降低有关。尽管2009～2013年漳县段滑动速率有所增加，但仍然低于利用地震地质资料获取的断裂滑动速率(2.1～2.8 mm/a[1-2]),这可能是由于岷县漳县地震震级较小，尚不足以使西秦岭北缘断裂漳县段解锁。

水平速度场空间分布的不一致性是地壳形变的直接反映，而应变场是地壳形变的主要参数，是描述区域形变的重要指标，该指标不受参考框架的影响，并且能从不同分辨率反映区域变形特征。利用GPS资料进行应变分析，可以监测研究区应变场随时间和空间变化的过程[14-15]。本文利用1999～2007年和2009～2013年的GPS数据，采用最小二乘配置获得西秦岭北缘带及其邻区的主应变率场(图4)，进一步分析应变率场反映的断裂带分段变形特征。图4(a)显示，西秦岭北缘断裂及其邻区地壳变形特征主要受NE向主压应变控制。沿西秦岭北缘断裂的主应变率场具有明显的分段性，尽管西秦岭北缘断裂各次级断裂所受主压应变的方向基本为NE向，但是主压应变的量值变化较为明显，其中锅麻滩段和鸳凤段的主压应变明显高于漳县段和宝鸡-天水段，这与跨断层GPS速度剖面垂直断层运动分量(图3、表1)的结果非常一致。2009～2013年主应变率结果表明，沿袭秦岭北缘断裂漳县段的主张应变较1999～2007年明显增加，其他3条次级断裂主应变率值仍然较小。漳县段主张应变率增加的原因可能与岷县漳县地震有关，震后累积能量的释放使得西秦岭北缘断裂漳县段活动性增强，闭锁程度有所降低。

图4　西秦岭北缘断裂及其邻区主应变率分布Fig.4　Distribution of principle strain rate near west Qinling fault zone from GPS data

3　结　语

1)西秦岭北缘断裂各分段断裂均表现出左旋走滑兼挤压的运动特征。1999～2007年GPS跨断层剖面结果表明，锅麻滩段的活动性明显高于其他3段；2009～2013年漳县段的左旋滑动速率明显增加，可能与岷县漳县地震的发生有关。

2)GPS应变场显示，沿西秦岭北缘断裂各次级断裂所受主压应变的方向基本一致，均为NE向，但各分段主压应变的量值变化较为明显。主压应变所表现出的分段特征与跨断裂GPS站点剖面反映的结果比较一致。 受岷县漳县地震的影响，2009～2013年漳县段的主张应变率增加。

3)断裂带整体表现出左旋挤压特征，但分段运动特征明显。结合跨断层剖面和主应变率场反映的断裂带远场和近场变形特征分析认为，西秦岭北缘断裂4条次级断裂已处于闭锁状态，并且存在一定的应变积累。其中天水-宝鸡段无论是平行断裂滑动速率，还是垂直断裂的挤压速率均较低，表明其可能在西秦岭北缘断裂4个次级断裂中闭锁程度最高。

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Foundation support:The Spart Program of Earthquake Technology of CEA, No.XH15062;National Natural Science Foundation of China, No.41372215,41272233.

About the first author:CHEN Changyun, PhD, engineer, majors in active tectonics and crustal deformation, E-mail:ccy_666@163.com.

Analysis of the Motion and Deformation Characteristics of Subordinary Segments of the West Qinling Fault

CHENChangyun1HEJianming1

1First Crustal Monitoring and Application Center，CEA, 7 Naihuo Road,Tianjin 300180,China

Based on GPS horizontal velocity data from 1999-2007 and 2009-2013, mainly from the crustal motion observation network of China(COMMON), using the GPS velocity profiles, and combing with the principal strain rate field near the west Qinling fault, this paper analyzes the motion and deformation along different segments of the west Qinling fault. The results show that from 1999-2007, the characteristic of the whole fault is left strike slip with compression; among all four segments, the Guomatan has the highest activity, and the Tianshui-Baoji segment has the lowest. The principal strain rate along the whole west Qinling fault derived from GPS measurements shows that the principal compression strain rates are apparently greater than the principal strain rates. However, strain rate values are obviously different: the compression strain rate of the Guomatan and Yuanfeng segments are greater than the Zhangxian and Tianshui-Baoji segments. Compared to data from 1999-2007, the results during 2009-2013 show that the Zhangxian segment becomes more active, and has a relatively large tensile strain rate. These changes in the Zhangxian segment maybe caused by the Minxian-Zhangxian MS6.6 earthquake on July 22, 2013. The characteristics of principal strain rate of all segments of the west Qinling fault are the same as the results derived from the GPS velocity profiles. After comprehensive analysis of the remote and near field deformation characteristics acquired by the GPS velocity profiles and GPS principal strain rate field, we find that the whole west Qinling fault may be in a locked state, showing strain accumulation to a certain extent; among the four segments, the Tianshui-Baoji segment has the lowest activity, and this feature may show that this segment is at the highest locked state.

west Qinling fault; crustal deformation; velocity filed; strain rate filed; locking depth

2016-01-29

陈长云，博士，工程师，主要从事活动构造与地壳形变研究，E-mail:ccy_666@163.com。

10.14075/j.jgg.2016.09.007

1671-5942(2016)09-0784-05

P315

A

项目来源：中国地震局地震科技星火计划(XH15062)；国家自然科学基金(41372215，41272233)。