基于GPS观测数据的甘青交界地壳形变特征研究

马进全，李玉忠，徐仲军

（1. 青海省测绘产品质量监督检验站，青海 西宁 810000；2. 青海省第二测绘院，青海 西宁 810000；3. 国家测绘地理信息局 第一大地测量队，陕西 西安 710054）

0 引 言

青藏块体东北缘作为青海、甘肃两省的交界地带，也是青藏地块、阿拉善地块以及鄂尔多斯地块三大地质块体的接壤部位，在来自西南印度板块驱动力的挤压作用下，形成了断裂交错、构造活动强烈、地貌复杂的区域[1-7]。该地区也是硏究青藏高原纵向挤压隆起和横向扩伸的重要窗口与块体间相互作用的理想地带[8-9]。

国内较多学者对该地区进行过诸多研究，但多数是只针对某一主要断裂或某个二级断裂进行走滑、张压分析，并未对青藏块体东北缘甘青交界的整个祁连山断裂带进行地壳运动形变分析，因此，本文主要针对青藏块体东北缘地区的各大活动断裂，进行了具体细化，分区域探讨了各断裂剖面的走滑与张压特性。此外，在地壳运动与形变的研究中，GPS大地测量是最为有效与合适的观测手段，它通过精密定位与各种分析方法，来研究地壳板块间的相对位移与形变特征，具体体现在GPS在监测大陆地壳水平运动方向有其高精度、技术成熟以及利于后期计算分析的优势，其观测时段较长，定位精度高，解算后精度可达亚毫米级，适用于工程形变测量与大陆地壳运动监测项目，目前各国均用于高等级的大陆监测网，跟踪地壳运动与形变信息。本文通过运用2011～2013年的GPS观测数据，以青藏块体东北缘为研究区域，解算了7个GPS运动剖面，给出了相关大型断裂上、下盘的相对位移，并获取了甘青交界、甘肃、宁夏等区域的应变场结果。从位移场与应变场的角度，探讨了整个青藏块体东北缘地区的地壳运动与形变特征。

1 GPS数据与研究区域概况

本文采用的GPS观测资料主要来自“中国地壳运动监测网络”。该项目每两年观测一期，GPS数据采集时间间隔为30 s，24 h为一个观测时段[10-12]，每期观测4个时段，中间不断电连续观测。数据处理环节，采用美国JPL的GIPSY软件，解算了各站点坐标的松弛约束解，最后运用QOCA软件进行联合平差，在剔除误差大的站点后，获取了各站点相对欧亚框架下GPS速度场，如图1所示。

图1 GPS水平运动速度场Fig.1 GPS horizontal motion velocity fi eld

本文重点探讨的地理范围为青海、甘肃的交界地区，此外，还有陕、甘、宁三省接壤区，如图2所示。该区域分布着SEE走向的众多大型断裂带，青藏高原的松软地质与阿拉善、鄂尔多斯坚硬地块的碰撞，导致这些断裂的运动特征错综复杂，相对位移大小不均。本文重点探讨了河西走廊相关断裂带的走滑与相对活动状况，不但定性地分析了各关键断层剖面的运动性质，而且定量地给出了各断层上、下盘的相对位移量。

2 主要断裂运动特征分析

地质松软的青藏高原，在来自其西南方向印度板块NE向挤压（动力源）以及河西走廊东北方向阿拉善坚硬块体阻挡的共同作用下，致使青藏地区地表隆升，形成大区域造山带。而在青藏高原与阿拉善块体的接壤地带——河西走廊，是许多学者重点探讨的研究对象，在其两侧展布着三条重要的断裂带,如图2所示，自南向北依次是：昌马-俄博断裂、祁连山北缘断裂、龙首山南缘断裂。因此，依据上述三条断裂及河西走廊以东海原断裂的分布情况，可自西向东划分7个GPS剖面，如图2所示，针对以上4处断裂，分析了断层在与其走向平行及垂直两个方向上的运动特征。

图2 青藏块体东北缘地区断裂及形变监测站点分布Fig.2 Distribution of fault and deformation monitoring stations in the northeastern margin of the Qinghai Tibet block

在定性分析方面，如图3所示，每个GPS观测剖面的上图为平行于断层走向，揭示断层两侧的相对走滑运动特征（以目标断层为中心，或为左旋走滑，或右旋走滑），横坐标的正值为断层上盘，负值为下盘，上盘对比下盘分析，上盘平均值在高于下盘平均值为左旋走滑，反则为右旋走滑；下图为垂直于断层走向的相对运动（挤压或拉张），正值为挤压，负值为拉张。剖面S1，平行于玉门断裂方向（上图），横坐标正值区（以下称为“上盘”）的曲线点位平均值较其左侧负值区的大，则为左旋走滑，在垂直于玉门断裂方向上，上盘较下盘平均值大，则为挤压；剖面S2，平行于祁连山北缘断裂方向，上盘较下盘点位平均值高，则为左旋走滑，垂直方向，上、下两盘为相对挤压运动；剖面S3，平行于祁连山北缘断裂方向上，显示了断层两侧上、下盘的左旋走滑运动，且走滑量较高，定量分析如图4所示部分，垂直方向为挤压运动；同样，剖面S4～S7，均为左旋走滑，兼顾压性的相对运动特征。因此，在青藏高原北侧与河西走廊的接触边界带上，均显示了一致的左旋走滑兼顾压性的断裂相对运动特征。

图3 地壳断裂相对位移计算结果Fig.3 Calculation results of relative displacement of crustal fracture

依据图3各GPS观测剖面的相对运动曲线，计算并定量给出了断裂各剖面段上、下盘的相对位移，如图4所示。由于7处剖面均为左旋走滑，以下均简称为“走滑”。最南端的阴凹曹断裂西段，走滑位移达1.06 mm/a，南北挤压2.53 mm/a，中段走滑位移1.45 mm/a，压性量为4.63 mm/a，东段走滑量为5.71 mm/a（略低于文献[13]6.17±0.41 mm/a的走滑速率平均值），挤压量约4.58 mm/a；向北至昌马-俄博断裂，西段走滑量0.80 mm/a，挤压2.96 mm/a，中段两处剖面的走滑量分别为3.35 mm/a、1.29 mm/a，压性运动值分别为4.07 mm/a、2.08 mm/a；再向北为祁连山北缘断裂，西段走滑位移分别为0.21 mm/a、0.43 mm/a、1.38 mm/a（与文献[14]1.40 mm/a的研究结果相近），挤压运动量为0.92 mm/a、0.50 mm/a、3.00 mm/a，中段走滑位移量为2.16 mm/a、0.70 mm/a，挤压3.47 mm/a、1.50 mm/a（与文献[14]地质缩短速率1.0-1.5 mm/a等研究结果一致），东段走滑约1.29 mm/a、5.71 mm/a，垂直位移约达2.08 mm/a（与文献[13]的1.83±0.38 mm/a结果量值相符）、4.58 mm/a。从上述3个断裂整体分析，西部断裂段均显示了较弱的压性运动，兼顾左旋走滑的活动特征，中部断裂段从走滑量与挤压量上均有增强，东段则最为强烈，整体自西向东断裂运动逐渐增强。北部的龙首山南缘断裂东段、冷龙岭断裂、海原断裂的左旋走滑位移分别达3.48 mm/a、4.24 mm/a、3.13 mm/a，挤压位移量约2.56 mm/a、1.67 mm/a、1.11 mm/a，从走滑与挤压运动的位移上看，该三处断裂的活动特征较为一致，均以挤压运动为主，兼顾左旋走滑。

图4 祁连山-海原断裂现今运动特征Fig.4 The current movement characteristics of Qilian Mountains-Haiyuan fault

3 应变场的计算与分析

运用2011～2013年的GPS水平运动观测数据，针对该研究区域可解算大地表面在该周期的应变场结果，如图5所示，图中等值线为面膨胀（正值实线）与面压缩（负值虚线），主应变率红色十字标记为在该点处的拉张（箭头朝外）与挤压（箭头向内）。

图5 2011～2013青藏块体东北缘地区大地形变特征计算结果Fig.5 Calculation results of large terrain variation characteristics of the northeastern margin of the Qinghai Tibet block in 2011 to 2013

主应变率方面，在整个青藏高原内部来看，由西南至东北方向，表现出了一致的NE向挤压，兼顾NW方向张性的应变特点。张性区域最大应变率位于青海省内玛多县一带，其主拉应变率大小约7.8×10-8/a。省会西宁东北侧具有较强的压性应变率，值约8.8×10-8/a，其应变方向与青海内部整体NE向GPS水平运动速度方向一致；位于青海与甘肃河西走廊接壤地区，自西北至东南方向，整个祁连山构造带与昌马-俄博断裂显示了NE或NEE向的挤压，肃南与武威西南部压性较大，均约6.0×10-8/a，嘉峪关、张掖一带压性较弱，约2.0×10-8/a；河西走廊内部NE向挤压的特征并不突出，个别地区呈拉张特性；继续往北至内蒙地区，可见阿拉善地块内部以拉应变为主要变化特征，其整体拉张方向为NE，拉应变率范围为1.0×10-8/a～4.0×10-8/a；青海以东的兰州-武都地区，北部兰州西北至东南以拉张为主，南部主体显示EW向挤压的特征；此外，自天水至固原方向，EW向的挤压特征逐渐增强，绕过固原继续向北，至银川一带，显示了NE向的压性运动，且量值较弱。

面膨胀率方面（图5中虚线表示压缩，实线代表膨胀），青海湖西部及北部均显示面压缩，而青海湖内部则以面膨胀为主，西宁市位于面压缩区域，但压缩量值不高，西宁西北侧出现的面压缩高值区，值约-8.0×10-8/a；河西走廊整体显示面压缩的变化特征，范围在-2.0×10-8/a～-4.0×10-8/a，只在武威以北则以面膨胀为主；兰州位于NW、SE膨胀与NE、SW压缩的交会处，但整体处于面膨胀区域内，量值较弱；武都-天水-固原一线则表现了整体面压缩的特性，这与上述主应变率的变化特征较为一致，两者整体表明了我国在青藏块体东北缘自西南向东北方向的地壳物质流，遇到坚硬的鄂尔多斯块体，物质受阻，呈上地壳挤压、面压缩的活动特点。

4 结束语

本文通过运用2011～2013年的GPS观测数据，针对青藏块体东北缘，选择并解算了7个GPS运动剖面，给出了相关大型断裂上、下盘的相对位移，并获取了区域应变场结果。从位移场与应变场的角度，探讨了该地区的地壳运动与形变特征。初步得到以下3点结论：

1）河西走廊南侧昌马-俄博断裂、祁连山北缘断裂以逆冲挤压为主，兼顾左旋走滑。西段走滑相对最弱，约0.2 mm/a～1.4 mm/a，挤压区间0.50 mm/a～2.53 mm/a，东段最强，最大滑移量为5.71 mm/a，最大挤压位移4.60 mm/a；

2）北部及东部的龙首山南缘断裂、冷龙岭断裂、海原断裂则以左旋走滑为主，并伴有压性运动；

3）青、甘交界及宁夏地区以NE、NEE向的面压缩为主，北部阿拉善地块则为面膨胀，呈现了青藏高原松软的地壳物质流在NE向运动过程中遇到坚硬的阿拉善地块转而向NEE、E方向逃逸的整体运动特征。