渭河盆地及邻区现今地壳形变及构造特征研究

张永奇, 韩美涛, 曹建平, 郑增记, 宋普伟

(1. 陕西省地震局, 陕西 西安 710068; 2. 中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室, 北京 100029)

0 引言

渭河盆地西起陕西宝鸡,东至潼关;西部窄,东部宽,被青藏块体、华北块体、华南块体等三大构造单元所围限,地理位置特殊。其北部是稳定的鄂尔多斯地块,南部是秦岭造山带,西缘是西秦岭—六盘山构造区,东部与山西断陷盆地相接。该地区地质构造复杂,区内发育多条北西向、近东西向和北东向断裂[1](图1)。渭河盆地及邻区受到印度板块、太平洋板块、菲律宾板块以不同角度向欧亚板块俯冲以及西伯利亚南向运动的远程效应影响,同时受到秦岭造山带和鄂尔多斯地块构造演化的综合影响,表现出复杂的构造特征和地震活动性。作为我国东西部构造单元的过渡地带,渭河盆地及邻区起到我国东、西部物质通道的作用,此外该地区还处在我国著名的汾渭地震带和南北地震带的北段,历史地震频发,尤以1556年华县8级地震为最[2]。

图1 渭河盆地及邻区地质构造及断裂分布Fig.1 Geological structure and fault distribution in the Weihe Basin and adjacent areas

针对渭河盆地及邻区的地质构造、断裂活动及地壳形变特征,众多学者开展了大量工作,基于不同学科从深、浅部不同角度进行了研究,为认识渭河盆地及邻区的构造特征及地壳形变特征奠定了良好的基础[3-14]。随着GPS技术的不断发展,其在区域地壳形变、断裂活动性及地震孕育周期特征方面发挥了非常积极的作用[8-13,15-16]。渭河盆地及邻区特殊的地理位置以及复杂的构造背景,加之近些年常年处于5级地震平静期,其区域动力学环境及变形机制如何？现今地壳形变特征如何？地震危险性程度如何？这些问题亟需我们回答。因此,本文基于Zhao等[17]计算的2009—2014年GPS水平运动速度场数据,利用Shen等[18]提出的连续形变场和应变场计算方法,开展渭河盆地及邻区连续形变场及应变率场计算与分析,并结合地质、地震资料对渭河盆地及邻区现今地壳形变及构造特征进行研究,对于进一步深化认识渭河盆地的孕震环境具有重要意义,并可为该地区的地震危险性分析提供参考依据。

1 GPS速度场与应变率场计算

1.1 GPS速度场计算

Zhao等[17]计算了全国陆态网1998—2014年连续GPS站和2009—2014年流动GPS站数据,本文选取渭河盆地及邻区的2009—2014年流动GPS站点数据,具体范围为:106°～111°E,33°～36°N。文献[17]给出的是相对于稳定欧亚板块的GPS地壳运动速度场,其东西向、南北向精度大部分在1 mm/a以内,极个别在1～2 mm/a(图2)。为了突出区域构造特征,我们对相对于欧亚参考框架的GPS速度场根据式(1)进行整体无净旋转扣除[19],获得相对于渭河盆地及邻区的整体无净旋转速度场,如图3所示。

图2 渭河盆地及邻区GPS速度场(欧亚参考框架;95%置信度)Fig.2 The GPS velocity field of the Weihe Basin and adjacent areas (After the Eurasian reference frame; Confidence:95%)

(1)

式中:ve、vn分别表示测站的东西向和南北向速率;λ、φ分别表示测站的经度和纬度;r表示地球半径,本文取平均半径6 374 km;wx、wy、wz分别表示欧拉运动矢量的三个分量,通常欧拉运动矢量以式(2)表示。

(2)

式中:Φ、Λ分别表示欧拉极的纬度和经度;Ω表示欧拉旋转量。

1.2 GPS应变率场计算

目前已经发展了多种基于GPS数据计算应变率的方法[20-24],Shen等[18,25-26]提出了一种对于离散的空间大地测量观测数据进行内插的最佳方法,该方法依赖于具有先验约束的权重平滑因子来获得对观测数据的最佳拟合。对于任一站点,在它附近区域内插点的水平位移场通过双线性函数插值方法来实现,在球面上需要反演的模型参数包括块体平移、旋转及应变率。借助最小二乘方法,采用相邻区域加权GPS速度场来估计待求站点模型参数,并使得速度场拟合残差最小。对于最佳权重的选择,采用距离相关权重:

图3 渭河盆地及邻区整体无旋转GPS速度场Fig.3 The entire non-rotating GPS velocity field in the Weihe Basin and adjacent areas

(3)

(4)

式中:Li是高斯函数;Vi是依赖于Voronoi单元的面积;ΔRi为计算点与GPS站点的距离;D为空间距离参数,对不同站点采用不同的数值[18],为了确定最佳平滑距离D,引入一个参数来表示重定权系数和的阈值,并设置W(D)=Wt,随着Wt增大,更多的站点数据被包括进来;反之,Wt越小,所涉及的站点越少。参考已有的研究结果[18,27-29],以解算精度作为约束,经过反复计算,最终确定Wt=12,获得的研究区平滑距离的空间分布如图4。从图中可以看出,渭河盆地西部宝鸡地区平滑距离约为40～50 km,渭河盆地中东部平滑距离约为60～70 km。秦岭造山带以南及鄂尔多斯地块南缘平滑距离约为80～90 km。按照上述参数设置,采用形变场和应变率场内插程序的更新代码,计算了研究区0.1°×0.1°连续的应变率场,如图5所示。

2 渭河盆地及邻区水平形变场分析

渭河盆地及邻区的GPS速度场(图2,相对于欧亚参考框架)整体上以SE或SEE向运动,差异运动不明显,运动速率基本在5～8 mm/a之间变动。总体来看,渭河盆地西部及六盘山构造区运动速率相比渭河盆地中东部稍大,渭河盆地中部运动速率变化差异较明显,尤其是以近东西向展布的渭河断裂为界,其南北两侧的GPS速度场不论从运动速率还是方向都有较大差异。为了更加凸显渭河盆地及邻区的运动特征,对图2获取的速度场进行0.1°×0.1°插值,在此基础上计算了研究区的欧拉矢量,欧拉极的经度和纬度分别为-45.806°、68.414°,欧拉旋转量为0.102 2°·Ma-1,扣除欧拉旋转之后,渭河盆地及邻区GPS速度场量值很小,基本在0 ～1 mm·a-1之间,说明渭河盆地及邻区相对比较稳定,如图3所示。

由图3可以更加明显地看出渭河盆地及邻区内部的差异运动,具体表现出以下几个特征:(1)鄂尔多斯地块南缘以铜川—黄陵一线(子午岭)为界,东、西侧差异运动明显:西段以泾川为中心GPS速度场有逆时针旋转的特征,在六盘山—陇县—宝鸡断裂带附近呈现明显的挤压变形特征,研究区西北端的运动速率沿SE向逐渐减小,表明能量在六盘山—陇县—宝鸡断裂带附近集聚。东段以黄龙为中心GPS速度场有顺时针旋转的特征,在韩城断裂东北段运动速率突然增大,然而在韩城断裂与峨眉台地北缘断裂之间运动速率快速衰减为零。渭河盆地东、西部GPS速度场呈现相反的运动特征,西部宝鸡地区GPS速度场以近E向运动为主,东部渭南地区GPS速度场以近W向运动为主,在中部咸阳—西安地区运动速率几乎为零,表现为明显的东西向挤压、南北向拉张特征。秦岭造山带基本以108.5°为界,西秦岭GPS速度场由西往东呈现近N向-NE向-近E向运动特征;东秦岭速度场呈现SW向运动特征,且自东往西运动速率逐渐减小;沿长安—临潼断裂以SW向延伸与略阳断裂、山阳断裂交接部位形成右旋挤压变形状态。

图4 渭河盆地及邻区平滑距离分布图Fig.4 Smooth distance distribution of Weihe Basin and adjacent areas

图5 渭河盆地及邻区主应变率场图Fig.5 The principal strain rate field of Weihe Basin and adjacent areas

3 渭河盆地及邻区水平应变率场分析

对比鄂尔多斯地块南缘、渭河盆地及秦岭造山带的主应变率场特征,不同区域呈现出明显差异变化(图5)。整体而言,研究区的主张应变和主压应变率变化幅度不大,基本在15×10-9·a-1以内。鄂尔多斯地块西南缘的六盘山断裂带附近应变率场以挤压为主,方向为NE-SW,与六盘山断裂几乎垂直,主压应变率量值最大约为15×10-9·a-1,主张应变率最大约为10×10-9·a-1,方向为NW-SE。六盘山断裂带往东进入鄂尔多斯地块西南缘的平凉、泾川地区,主要以挤压应变率为主,几乎没有主张应变率分量。鄂尔多斯地块南部的中段地区以主张应变率为主,方向由NE-SW转为近EW向;鄂尔多斯地块东南缘以主压应变率为主,方向为NWW-SEE,量值最大约为20×10-9·a-1。陇县—宝鸡断裂带应变率场以挤压为主,只是方向由六盘山断裂带附近的NE-SW向转变为NW-SE向,量值相比六盘山断裂带附近略微减小,变化在(5～10)×10-9·a-1之间。西秦岭北缘断裂南、北两侧应变率几乎为零,而在岐山—马召断裂和北山山前断裂围限的北侧局部地区主张、主压应变率相对较大。渭河盆地西部的宝鸡地区和东部的渭南地区应变率相对较小,量值在5×10-9·a-1左右变化,中部的咸阳—西安地区应变率相对较大,基本在10×10-9·a-1左右变化,主压应变率和主张应变率的方向分别为NE-SW和NW-SE。对图5进行细致观察还可发现,不同断裂围限的应变率特征具有明显差异,以渭河断裂为界,北侧、南侧的应变率变化分别与鄂尔多斯南缘地区和秦岭造山带以及往南延伸地区的应变率变化具有比较一致的特征。秦岭造山带及其南延地区应变率相对平缓,其中两个地区挤压应变率偏大,一个是长安—临潼断裂向南延伸与略阳断裂汇聚地区;另一个是山阳断裂、商县—丹凤断裂、铁炉子—栾川—南召断裂围限的地区,方向为NW-SW,量值在10×10-9·a-1左右变化。

剪切应变率的大小反映了地壳水平形变的程度,该值的大小表征了局部区域构造活动的强弱。总体上研究区剪应变率分布特征规律性明显(图6),基本与研究区的主要断裂展布具有较好对应关系。具体而言,在鄂尔多斯地块西南缘以六盘山—陇县—宝鸡断裂带为界,北东侧地区剪切应变率量值相对较大,西南侧地区剪切应变率变化明显减弱,最大、最小量值分别为20×10-9·a-1、6×10-9·a-1。鄂尔多斯地块南缘中段地区剪切应变率变化相对较弱,基本在5×10-9·a-1之内变化。鄂尔多斯地块东南缘的韩城断裂附近存在剪切应变率的局部高值区,最大量值约25×10-9·a-1。渭河盆地西部宝鸡地区和中部的西安—咸阳地区最大剪应变率相比东部渭南地区稍大,其中西安—咸阳地区的剪切应变最大变化量值约15×10-9·a-1。以秦岭北缘断裂为界,秦岭造山带剪切应变率与渭河盆地相比明显减弱,但也存在两个比较明显的剪切应变率局部高值区,一个是长安—临潼断裂南向延伸与略阳断裂相交地区;另一个局部剪切应变率高值区位于山阳断裂、商县—丹凤断裂、铁炉子—栾川—南召断裂围限汇集的地区,最大量值分别为7×10-9·a-1、10×10-9·a-1。值得注意的是,从图6还可以发现两个明显的剪切应变率梯度带,一个位于秦岭北缘断裂西段,另一个与华山—西麓断裂及韩城断裂走向基本一致。

图6 渭河盆地及邻区最大剪切应变率场图Fig.6 The maximum shear strain rate field of Weihe Basin and adjacent areas

面应变率的大小反映了地壳中应变能的状态及大小,在区域变形机制分析中具有重要的作用。渭河盆地及邻区面应变率特征相对比较复杂(图7),具体而言,鄂尔多斯地块西南缘的六盘山断裂带附近以压缩应变为主,最大变化量值约-20×10-9·a-1,鄂尔多斯地块南缘中段以膨胀应变为主,最大变化量值约为20×10-9·a-1,鄂尔多斯地块东南缘的韩城断裂附近同样以压缩应变为主,最大量值约为-25×10-9·a-1。渭河盆地面应变率整体变化不大,基本在(-5～5)×10-9·a-1之间变化,沿渭河断裂一线展布面应变率基本为零,渭河断裂的周至—咸阳段与秦岭北缘断裂之间出现局部压缩应变高值区,最大变化量值约-12×10-9·a-1;秦岭造山带及其以南地区,从西往东呈现膨胀应变与压缩应变交替出现的变化特征,尤其是以秦岭造山带109°为界,西部、东部各150 km范围内出现一个压缩应变高值区和膨胀应变高值区,最大变化值分别为-12×10-9·a-1和10×10-9·a-1。进一步观察发现,研究区西部六盘山—陇县—宝鸡断裂带与西秦岭北缘断裂之间形成面应变正负变化梯度带,差异变化约为30×10-9·a-1;渭河盆地中部以长安—临潼断裂、渭南塬前断裂为界,形成NE、SW向负值变化,NW、SE向正值变化的四象限分布格局;在研究区东部的韩城断裂、双泉—临猗断裂附近同样出现一个面应变正负变化梯度带,差异变化约为35×10-9·a-1。结合渭河盆地及邻区近年来中小地震分布特征(图8),发现地震分布与应变率高值区及差异变化梯度带有比较好的对应关系。

图7 渭河盆地及邻区面应变率场图Fig.7 Surface strain rate field of the Weihe Basin and its adjacent areas

4 讨论与结论

4.1 讨论

(1) 传统观念认为鄂尔多斯地块是具有刚性基底的稳定克拉通地块,李煜航等[30]研究发现鄂尔多斯地块南部子午岭小震丛集现象是青藏高原东北部沿鄂尔多斯地块南部及渭河盆地发生横向扩展的地震活动响应,说明青藏高原东北部的横向扩展运动已经影响到鄂尔多斯地块南部并使其内部出现差异变形,说明完整的鄂尔多斯地块存在“活化”的特征。GPS研究揭示的渭河盆地和鄂尔多斯地块南部现今沿子午岭方向存在的左旋剪切运动,有利于应变能的积累,因此沿子午岭出现的小震丛集现象就是构造薄弱带在地壳左旋剪切作用下,使得应变能积累而形成弥散型的小震群[30]。本文研究获得的速度场(图2～3)在鄂尔多斯地块南部呈现的东、西段运动差异,同时在子午岭区域存在左旋剪切运动,与上述研究结果有较好的一致性。韩忠东等[31]研究发现在鄂尔多斯地台南部边缘存在一个环形构造,进一步表明处于稳定克拉通构造中的鄂尔多斯地台存在相对活跃的部分,本文图3显示在鄂尔多斯地块南缘西段确实存在一个逆时针旋转运动的区域。海原—六盘山断裂带作为青藏块体和鄂尔多斯地块的重要边界带,在鄂尔多斯西南缘构造变形转换过程中发挥了重要的作用,这个区域的变形特征以NE-SW向挤压左旋走滑为主[30,32],与本文图3揭示的运动特征基本一致。渭河盆地中部渭河断裂以南区域的运动特征与秦岭造山带的运动特征基本一致,这和渭河断裂是秦岭造山带及鄂尔多斯地块的分界线有关[1,33-34]。从区域动力学角度来看,渭河盆地西段受青藏高原北东向运动与鄂尔多斯块体阻挡的综合效应影响,东段受到太平洋板块及菲律宾板块与华北和华南地块的综合效应影响,因此渭河盆地现今内部变形及构造特征相对复杂。

图8 渭河盆地及邻区中小地震分布图Fig.8 Distribution of small and medium earthquakes in the Weihe Basin and adjacent areas

(2) 鄂尔多斯地块在不同时期表现出不同的构造应力特征,燕山期主要呈NW-SE向,地块西南缘呈NE-SW向;喜马拉雅期呈NNE-SSW向,主要与太平洋板块和印度板块与欧亚板块俯冲碰撞有关[35]。在始新世时期,印度板块向北漂移并与欧亚大陆发生碰撞,造成青藏高原大规模隆起及地壳加厚,并对鄂尔多斯块体产生一定的影响,主要表现为青藏高原对鄂尔多斯块体NE-NNE方向的推挤,在其南北两侧和东西两侧形成以拉张为主的断陷带和右旋剪切拉张带[36]。石卫[32]研究发现渭河盆地西段的陇县—宝鸡断裂带深部处于挤压环境、浅部处于伸展环境,深部以NE向挤压、SSE向拉张的构造应力场特征为主,浅部与此刚好相反。此外崔笃信等[9]对鄂尔多斯周缘地壳形变及应变特征进行研究,在六盘山断裂带的东部区域应变率为-20.0×10-9·a-1,反映了该区域存在较强的挤压形变,渭南以西的关中盆地整体应变较小,面膨胀率为0～10×10-9,主压应变为近EW向,主张应变为SN向,本文得到的研究结果与崔笃信等[9]基本一致,只是在一些细节上还存在差别。鄂尔多斯地块中新世以来的构造运动仍然活跃,地块南部发育有庆阳—富县—宜川等东西向断裂带,北东向基底大断裂主要位于盆地的中南部区域,如庆阳—大同断裂带和铜川—宜川—文水断裂带[37],这对于鄂尔多斯地块南缘应变率场的分布特征具有较强的控制作用。宁陕—柞水之间地区作为秦岭造山带的商丹缝合带最强的变形区,发育多条深层次不同级别的逆冲韧性剪切带,岩层和地壳收缩幅度最大,本文研究结果表明在上述地区的确存在较强的剪切应变率和面应变率(图6～7)。张国伟等[33-34]以108°E 为界,将秦岭造山带分为东秦岭和西秦岭,中秦岭的范围为108°～109°E,作为东秦岭、西秦岭造山带中间衔接过渡的中秦岭造山带,其地壳结构的特征、断裂构造的分布与东秦岭、西秦岭造山带迥异[38],这也造成了秦岭造山带不同地区的应变率特征存在明显差异(图5～7)。

(3) 基于区域GPS形变场及应变率场对未来潜在地震危险区域进行研判,是非常重要的技术途径[9-13,15-16]。本文研究发现GPS形变场及应变率场变化相对剧烈的区域与中小地震的分布具有非常好的对应关系(图8),研究表明剪切应变率高值区及面应变率差异变化较大的区域往往是地震易发多发的地区,本文研究结果显示在六盘山—宝鸡断裂带、长安—临潼断裂和渭南塬前断裂以及韩城断裂这几个区域应变率变化相对复杂,不仅剪切应变率出现高值,而且还存在面应变正负差异变化,表明这些区域地震潜在危险性较高。陈立春等[39]研究认为陇县—岐山—马召断裂已发展成为陇县—宝鸡断裂带的最新活动断裂,是青藏高原与华北块体主边界的重要组成之一,具有发生7 级以上地表强烈破坏型大震的构造条件,结合其剪切尾端拉张的区域构造属性,陇县—岐山—马召断裂的潜在震级为7.5级左右,杜方等[40]研究发现六盘山断裂带中—南段和陇县宝鸡断裂带最北段存在异常低b值区,表明已有相当高的应力积累,未来潜在震级为7级左右。郭秋娜[41]对汾渭地震带的地震活动性进行了研究,发现运城盆地西南部和渭河盆地东北部有显著地震空区,未来强震发生概率较大,此外在渭河盆地中部的渭南塬前断裂附近也存在一定的地震危险性,上述这些研究结果与本文研究得到的结果基本一致。

4.2 结论

本文基于2009—2014年渭河盆地及邻区GPS资料,采用Shen[18]提出的连续形变场及应变场计算方法,开展了渭河盆地及邻区现今地壳形变及构造特征研究。为了更加清晰地研究渭河盆地及邻区形变场特征,扣除了研究区整体旋转量得到区域无旋转形变场,并进一步研究了渭河盆地及邻区的应变率场,并结合研究区近年来的中小地震目录及构造地质资料,对渭河盆地及邻区进行综合性研究分析,得到如下结论:

(1) 鄂尔多斯南缘以子午岭为界,GPS形变场在西段表现为逆时针旋转,东段表现为顺时针旋转,子午岭附近存在右旋剪切变形特征;在渭河盆地西安—咸阳附近GPS形变场呈现挤压变形特征;秦岭造山带东段、中段、西段GPS形变特征存在明显差异。

(2) 鄂尔多斯西南缘六盘山—陇县—宝鸡断裂带以NE-SW向主压应变为主,渭河盆地中部的西安—咸阳地区以NW-SE向主张、NE-SW向主压应变为主,韩城断裂附近存在NW-SE向主压应变;剪应变率高值区位于鄂尔多斯西南缘的六盘山—陇县—宝鸡断裂带附近、渭河盆地中部的咸阳—西安附近以及韩城断裂;面应变率差异变化显著的地区位于六盘山—陇县—宝鸡断裂带、长安—临潼断裂与渭南塬前断裂及韩城断裂及双泉临猗断裂附近。

(3) GPS形变场与应变率场的高值区及差异变化区与中小地震分布具有高度一致性,未来潜在地震危险区域可能位于六盘山—陇县—宝鸡断裂带、长安—临潼断裂与渭南塬前断裂、韩城断裂与双泉—临猗断裂附近。