用GPS资料分析陇县-宝鸡断裂带构造应力场特征

戴洪宝 唐红涛

1 宿州学院环境与测绘工程学院，安徽省宿州市汴河中路49号，234000 2 中国地震局第二监测中心，西安市西影路316号，710054

陇县-宝鸡断裂带地处鄂尔多斯块体西南缘弧形断裂束的最南段，是我国大陆东西向和南北向巨型构造带的交界地带。该断裂带为我国区域构造运动强烈的地区之一，其根源是西南方向印度板块的不断挤压，通过青藏高原隆升的吸收作用与北部阿拉善坚硬地块的阻隔作用，地壳物质流偏转为NEE或近E方向，其中一部分经陇县-宝鸡断裂带沿渭河地堑盆地、秦岭造山带转向山西断陷带[1-2]。而在构造上位于鄂尔多斯块体与青藏块体东北部祁连断褶带之间构造转换部位的陇县-宝鸡断裂带，其地壳形变及内部应力场的状况和分布特征还需进一步分析与研究。孙昭民等[3]对六盘山东麓断裂与陇县-宝鸡断裂带的相互关系进行了阐述；陇县-宝鸡断裂带的相关地质条件、地质地貌也已有概述性介绍[4]。但上述研究并未针对该断裂带作出系统性研究，特别是在该地区内部构造应力场的计算与分析方面；同时，从深部系统剖析相应地区构造应力场分布特征的研究也较少。因此，为了分析鄂尔多斯地块西南缘陇县-宝鸡断裂带在受到青藏块体推挤作用下各断层的应力场分布特征，本文运用有限元软件ANSYS建立三维地质模型，将2011～2015年GPS观测资料作为位移边界，分析研究区位移场、应力场特征。

1 断裂活动构造

陇县-宝鸡断裂带位于鄂尔多斯地块西南缘弧形断裂束，地处3大地块的接壤地带，西侧为甘青地块，东部和北部为鄂尔多斯地块，南部为华南地块。该断裂带由4条NW-SE走向断层组成，自西向东分别为桃园-龟川寺断裂、固关-虢镇断裂、千阳-彪角断裂以及岐山-马昭断裂，其中固关-虢镇断裂与岐山-马昭断裂为主断裂(图1)。整个陇县-宝鸡断裂带还处于海原-六盘山-宝鸡断裂带南段，其北部较窄，约15 km，南端宽70 km。4条断层在地貌上呈现断隆与断陷相间排列的格局，现今构造格局基本继承早白垩纪时期形成的“两堑夹一垒”的特点[5-6]。

图1 鄂尔多斯地块西南缘断裂分布Fig.1 Distribution of fracture in the southwestern margin of the Ordos block

2 有限元模型的建立

2.1 块体划分

基于既能客观体现出鄂尔多斯地块西南缘弧形构造带主要断裂在三维模型中的分布特征，又不过于简化现实情况的原则，同时顾及地壳岩体物理、力学性质差异，本文将模型划分为4个部分(6个小块)，具体分隔特征线为岐山-马昭断裂、千阳-彪角断裂、六盘山-固关-虢镇断裂、桃园-龟川寺断裂与西秦岭北缘断裂，共分为4个主要区域：东部鄂尔多斯地块、西部陇西块体、南部西秦岭构造区及中部陇县-宝鸡断裂带(图2)。模型整体边长约220 km，地壳垂直厚度为20 km。将桃园-龟川寺断层倾角设为70°；六盘山-固关-虢镇断层倾角设为80°；千阳-彪角断层由于出露不明显，本文设定其为直立断层；岐山-马昭断层倾角设为60°；西秦岭北缘断裂为东西向区域性长期活动的大型断裂，断面显示为波状，总体北倾，断层倾角设为70°。模型单元采用四面体结构，地表网格划分均匀，弧形构造带部分的网格划分较密，共建立49 200个单元、74 630个节点。

图2 数值模拟网格划分与接触面设置Fig.2 The grid division of numerical simulation and contact surface setting

2.2 接触面设置

接触为一种非线性行为，接触过程中易发生穿透、分离及不收敛等现象，本次建模将各断裂两侧的块体接触面均定义为接触对(共15个)，如图2(b)所示。为了确保计算中结果的可靠与收敛，同时降低计算成本，本文针对接触行为进行如下处理：1)采用点对面的接触对离散方法；2)在力学问题的跟踪模拟中选用有限滑动的跟踪方法；3)在接触模拟中确保从属面应处于主控面法方向所指一侧；4)为避免主控面法线的不连续现象及收敛问题，对主控面进行光滑处理。此外，在定义接触对的切向与法向过程中，采用罚函数的摩擦模型，鉴于鄂尔多斯地块西南缘北段逆冲压性、南段走滑拉张的主要活动特点，将陇县-宝鸡断裂带以北的接触摩擦系数设为0.6，以南设为0.2。

2.3 地质介质参数

依据前人关于鄂尔多斯地块西南缘、陇西地块及西秦岭构造区的块体划分与地壳介质相关资料，设定鄂尔多斯地块西南缘块体划分与介质物理-力学参数[7-8]，详见表1。

表1 鄂尔多斯地块西南缘块体介质参数

2.4 边界条件的选取与施加

将2011～2015年的GPS水平运动速度场资料(陆态网络观测资料)作为数值模拟的边界约束条件。由于前期GPS资料是相对欧亚板块的速度场数据(图3(a))，为了能更加清晰地认识陇县-宝鸡断裂带构造区相对鄂尔多斯地块的运动特征，将相对欧亚板块的GPS数据转换为相对于鄂尔多斯地块的GPS速度场，将鄂尔多斯地块视为稳定的不变场。如图3(b)所示，鄂尔多斯地块内部GPS观测点速率值基本已被消除，其余GPS站点速度均被转换。对其进行网格均匀内插(图3(c))，内插间隔为0.2°。由于我国大陆地壳运动的动力源来自印度板块对青藏高原NE向的挤压，在给模型施加位移边界时，本文仅考虑模型北侧、西侧以及南侧的GPS速度值，东侧岐山-马昭断裂不施加位移边界。

此外，鄂尔多斯地块北侧在U2方向(Y方向)固定，东侧在U1方向(X方向)固定，地壳底面在U3方向(Z方向)约束，模型顶部为自由表面。考虑到时间步长，在计算模拟速度场时，施加的为年平均运动速率；若需要获得2011～2015年期间5 a尺度的应力场，则应施加GPS位移总量。

3 模拟结果分析

3.1 位移场模拟结果

图4(a)为GPS模拟位移场，图中每个网格积分点均可显示速度值，箭头颜色、长短均表示该积分点处速率值。从图中可以看出，模拟结果与图3(c)中GPS实测值运动方向一致。陇县-宝鸡断裂带以北的六盘山断裂速度场方向为近E或SEE，指向鄂尔多斯地块内部；陇县-宝鸡断裂带，尤其是与鄂尔多斯地块接触的岐山-马昭断裂处的GPS运动方向平行于断裂走向，并未向东指向鄂尔多斯地块内部，在岐山-马昭断裂南端其模拟值向SEE方向运动，较好地反映出鄂尔多斯地块西南缘北段六盘山断裂向E逆冲挤压、南段陇县-宝鸡断裂带以SE向走滑为主兼顾压性的运动迹象，且陇西地块地壳物质流在岐山-马昭断裂南端向东逃逸。如图4(b)所示，在陇县-宝鸡断裂带的主断裂岐山-马昭断裂北段与中段分别选取1对记录点，将其作为断层面两侧的活动监测点，并将断层位移的模拟结果与相关研究成果进行对比。通过有限元模拟分别获取上述2个监测点处的左旋走滑速率，北段监测点为0.83 mm/a，中段监测点为0.36 mm/a，该结果与前人研究成果接近[9-10]，且表现出岐山-马昭断裂左旋走滑量由北向南逐渐减小的特点。图4(c)为模拟GPS速度场与实测值的对比结果，除个别点差别较大外，整体模拟位移场与实测值较为一致，清晰地显示出陇县-宝鸡断裂带由西向东受鄂尔多斯地块西南缘阻挡的格局。图4(d)为GPS速度场模拟值残差结果，从残差方向来看，E、N方向的模拟值与观测值基本保持一致；从量值上看，E方向残差最大为1.91 mm，最小为0.02 mm，平均值为0.56 mm，N方向残差最大为2.72 mm，最小为0.01 mm，平均值为0.55 mm。

图3 鄂尔多斯地块西南缘GPS速度场及位移边界Fig.3 GPS velocity field and displacement boundary in the southwestern margin of the Ordos block

图4 GPS位移场对比结果及残差Fig.4 Comparison results and residuals of GPS displacement field

3.2 应变场模拟结果

图5(a)为研究区模拟应变场结果，利用GPS数据计算该地区的主应变率(图5(b))。从图中可以看出，在六盘山断裂南段固原以南形成弧形拉张应变场；陇县-宝鸡断裂带内部以NW-SE向拉应变为主，同时具有NE或NNE向压应变；在宝鸡以东的西秦岭构造区，则表现为NS向拉张应变。上述各局部应变场的模拟结果均与GPS计算所得到的应变场方向结果一致。

图5 应变场模拟对比结果Fig.5 Comparison results of strain field simulation

3.3 应力场模拟结果

活动断层实际上为现今构造应力场中应力集中程度较高的区域，会导致附近一定区域内的应力场重新分布，通过应力场研究可进一步认识地壳构造运动的本质与变化规律。从图6(a)和6(b)可知，鄂尔多斯地块西南缘应力场存在以下分布特征：1)鄂尔多斯块体内部较为稳定，张性应力较小；2)陇县-宝鸡断裂带与岐山-马昭断裂南端向东的渭河盆地张应力较弱，表明来自陇西地块的物质向SE向流动，并进入渭河盆地，符合陇县-宝鸡断裂带正断左旋走滑的地壳运动特征；3)陇西地块及秦岭构造区显示出强度较高的张性应力特征。图6(c)为陇县-宝鸡断裂带最大主应力矢量结果，从图中可以看出该断裂区域地表与深部的应力场特征，其表面以NW-SN向拉应力为主，深部则主要表现为NE向压应力，即深部为NE向挤压应力环境，浅部为SSE向拉张应力环境，局部存在多方向的伸展格局。图6(d)为陇县-宝鸡断裂带第二主应力矢量结果，该区域浅部为垂直于断裂带走向的NE向挤压应力环境，即垂直于其浅部最大主应力(拉张应力)方向，该结果与前人研究成果相近[4, 11]。

图6(e)为最大主应力矢量结果，某点的最大拉应力数值即为该点的最大主应力值。鄂尔多斯地块内部各节点应力值较弱，且方向杂乱，但其西南缘与陇县-宝鸡断裂带接壤的SE向条带的节点应力性质、方向与陇县-宝鸡断裂带一致，显示出平行于SE向断裂带走向的张性活动特征。由于SSE走向的六盘山断裂的存在，陇西地块北部表现出与陇县-宝鸡断裂带走向相切的弧形张性应力状态，表明E向运动物质受鄂尔多斯地块阻挡向南逃逸，该过程同时伴有近E向或SEE向的压性运动，与六盘山断裂的逆断活动特征并不矛盾。图6(f)为第二主应力矢量结果，根据各项同性的物理基础，其方向与最大主应力在U1-U2(X-Y)平面内相互垂直，且除鄂尔多斯地块内部显示张性应力外，其他地区均显示压性应力状态。尤其在陇西地块北段，其压应力方向基本与六盘山断裂相互垂直。此外，陇县-宝鸡断裂带最南端与秦岭构造区接壤地带以南地区，其SEE向压性应力尤为显著，将作为重点关注区域。

4 结 语

本文将GPS位移场数据作为边界条件，运用有限元对陇县-宝鸡断裂带及其邻区进行位移场、应变场与应力场数值模拟，并进一步探讨该地区地壳现今活动与构造应力场的分布特征，初步获得以下认识：

1)陇县-宝鸡断裂带与岐山-马昭断裂南端向东的渭河盆地表现为弱化的张性特征，表明来自陇西地块的物质向SE向流动，并进入渭河盆地，符合陇县-宝鸡断裂带正断左旋走滑的地壳运动特征。

2)陇西地块及秦岭构造区显示出强度较高的张性活动特征。

3)鄂尔多斯地块西南缘与陇县-宝鸡断裂带接壤的SE向条带的节点应力性质、方向与陇县-宝鸡断裂带一致，显示出平行于断裂带走向的张性活动特征。

4)陇县-宝鸡断裂带南端与秦岭构造区接壤地带以南地区的SEE向压性应力显著，后期将作为重点关注区域。

本研究也存在一些不足，如在断裂带模型划分上还不够细，应根据现有的地质调查结果来划分断裂带，分段研究各段接触面的运动状况；其次，本文虽然已关注断层面的水平移动速率，但未考虑断层在垂直方向的正断运动效果；此外，在边界条件约束时，本文仅固定了模型西北边界与东边界(鄂尔多斯地块内部)，这会导致鄂尔多斯地块内部无序的应力场分布。