利用水準資料研究西秦嶺地區的垂直形變*

秦姍蘭 王慶良 季靈運 李煜航

(中國地震局第二監測中心，西安 710054)

利用水準資料研究西秦嶺地區的垂直形變*

秦姍蘭 王慶良 季靈運 李煜航

(中國地震局第二監測中心，西安 710054)

基于1970年至2006年的水準觀測資料，以高差變化速率為觀測值、觀測點速率為未知參數的最小二乘整體網平差方法獲取了西秦嶺地區長期地殼垂直運動速度場圖像。結果表明:相對寶雞基巖點(隴褒17)，六盤山周圍地區表現為明顯的隆升態勢，隆升速率達2～3 mm/a;蘭州地區整體呈現下沉趨勢，下沉速率為1.5 mm/a。

西秦嶺;水準資料;垂直形變場;最小二乘;速度場圖像

1 引言

利用精密水準資料獲取垂直形變場是研究地殼垂直運動特征的重要方法之一。文獻［1，2］利用多期精密水準資料研究了鮮水河、安寧河斷裂帶數年時間段內的垂直形變，取得了鮮水河與安寧河斷層的活動速率;文獻［3］則利用長時間尺度內多期高精度水準資料對川西地區現今垂直形變進行了研究，得到了川西地區地殼變形速率。秦嶺造山帶是中國大陸少有的東西走向的大型山脈，西秦嶺地處秦嶺造山帶的西延部分，同時也是青藏高原東北緣的重要組成部分［4］。對西秦嶺地殼運動特征的研究不僅對該地區有著十分重要的意義，同時也對研究青藏高原東北緣的形變特征具有一定的參考價值。

基于此，本文將利用西秦嶺地區近40年的精密水準資料，研究該區數十年尺度內的垂直形變特征。

2 資料概況

20世紀70年代以來，為監測西秦嶺地區的地殼運動，中國地震局第二監測中心對西秦嶺地區的水準監測網進行了改、擴建。改、擴建后的水準監測網由5個水準環組成，路線總長3 000多千米，點距3～5 km。測線基本沿構造或橫穿構造帶布設［5］。絕大部分水準線路先后進行了多期一等水準測量，測量中誤差為0.4 mm/km。

為獲取較為穩定的區域地殼垂直運動速度場，利用的水準資料一般間隔在十年以上，盡量避開區內中強震的影響。經整理，利用的水準資料及年份如表1所示。

表1 西秦嶺水準資料利用表Tab.1 Selected leveling data in west Qinling tectonic belt

3 數據處理

結合研究區域水準網的實際情況，采用以高差變化速率為觀測值、觀測點速率為未知參數的最小二乘整體網平差方法［3，6］。函數模型為:

式中Sij為第i、j點的高差變化速率和分別為第i、j點的速率，Δij為隨機誤差。

誤差方程為:

平差準則為:

權值P由

確定。式中T1和T2分別為觀測時間，d為兩點間的距離。由于西秦嶺地區水準網的觀測時間較為分散，因此在定權時主要考慮了資料的間隔時間和點間距。

為確保所用水準資料的精度，在進行整體網平差處理前，利用高差和觀測時間對水準環進行了垂直形變速率環閉合差檢驗，以寶雞(隴褒17)為參考點，分別沿順時針和逆時針方向計算出水準環中每個點的垂直形變速率，然后計算出垂直形變速率環閉合差，計算結果顯示大水準環(環長度1 836 km)的垂直形變速率環閉合差為 -0.65 mm/a，各小水準環的垂直形變速率環閉合差小于0.8 mm/a。

4 西秦嶺長期垂直形變速度場

以西岷11為基準點，對西秦嶺水準資料進行整體平差(整體平差精度為每千米權中誤差0.03 mm/ a)，得到各水準點相對西岷11(蘭州)基準點的長期垂直形變速率(圖1)，從圖1可以看出:整個西秦嶺地區相對于西岷11(蘭州)呈現整體隆升，平均隆升速率為2～3 mm/a，上升最快的區域為六盤山周圍地區，上升速率達3～4.5 mm/a;定漳段，望子關及漢中附近的隆升速率在2 mm/a左右。以西岷11作為基準點，西秦嶺處于整體隆升趨勢，這不易看出西秦嶺內各次級塊體間的相對變化，為此又以隴褒17(寶雞)為基準點獲取該地區的垂直形變速率(圖2)，從圖2可以看出:漢中相對于寶雞的隆升速率在1.5 mm/a左右;漢中-望子關-岷縣段上升幅度不大約為0.5 mm/a;岷縣-合作段呈隆升趨勢，合作-蘭州呈現下沉趨勢，速率為-1.5 mm/a，蘭州附近整體基本屬于下沉的趨勢。

為更好地研究區域內形變特征，針對研究區域內主要的跨斷裂測段繪制了如圖3、4所示的垂直形變剖面圖。

圖1 西秦嶺垂直形變速率圖(相對于蘭州)Fig.1 Vertical deformation velocity in west Qinling tectonic belt(Relative to Lanzhou)

圖2 西秦嶺垂直形變速率圖(相對于寶雞)Fig.2 Vertical deformation velocity in west Qinling tectonic belt(Relative to Baoji)

圖3 近南北向的地形和垂直形變剖面圖Fig.3 Profiles of the NS-trending terrain and vertical deformation

圖4 近東西向的地形和垂直形變剖面圖Fig.4 Profiles of the EW-trending terrain and vertical deformation

從圖3可以看出:1)漢中相對于寶雞呈現上升趨勢，隆升趨勢與地質研究結果大體一致(圖3 (a));2)岷縣-蘭州段呈現下沉趨勢，其速率為-1.5 mm/a(圖3(b));3)望子關-秦安段，在望子關和秦安處垂直形變不明顯，但中間部分有明顯的隆升趨勢，隆升速率達2.5 mm/a，推測可能與該測段通過多條斷裂帶有關(圖3(c))。

從圖4可以看出:1)岷縣-合作段呈隆升趨勢，隆升速率為1～2 mm/a(圖4(a));2)蘭州-平涼(蘭西線)段呈上升趨勢，且可明顯看出六盤山附近地區垂直形變量最大(圖4(b));3)漢中-望子關-岷縣段上升幅度不大(0.5 mm/a)(圖4(c))，望子關附近個別點呈現出下沉趨勢，下沉原因待查。

為進一步分析區域的形變特征，采用多面函數對區域整體形變特征進行擬合［7］，擬合結果如圖5 (擬合的核函數為倒雙曲面)。

圖5 西秦嶺地區垂直速率場Fig.5 The vertical deformation velocity in west Qinling tectonic belt

圖5的擬合結果與圖2中趨勢大體一致，沉降區域在臨夏-蘭州一帶，下沉速率為-1.5 mm/a，隆升區域在六盤山、天水和岷縣附近，從圖中可以看出趨勢轉換區大都在區域內的主要斷裂帶如六盤山、西秦嶺北緣斷裂等的附近，這應該與該區域所處的大的運動背景及特殊地理位置有關，在青藏高原東北緣大的運動背景下，運動過程中又受到到鄂爾多斯塊體等的阻擋，因而形成了祁連-六盤山斷裂附近的隆升和蘭州臨夏附近的沉降［8］，西秦嶺北緣斷裂附近的區域抬升則可能是斷裂帶吸收了部分青藏高原內部的擠壓形變造成的。

5 結論

采用以高差變化速率為觀測值、觀測點速率為未知參數的最小二乘整體網平差方法對西秦嶺地區長期的水準資料進行處理，結合其垂直速率圖和多面函數擬合結果得出:基于寶雞基巖點，整個區域運動趨勢轉換區在主要斷裂帶的周圍，形變量最大的區域在六盤山附近，隆升速率為2～3 mm/a;蘭州附近表現為平均速率1.5 mm/a的下沉趨勢，該區域垂直形變表現出其繼承性構造運動的特征［8，9］，關于其形變機制還需進行深入研究。

1 王雙緒.川西地區近期大地垂直形變場演化與地殼運動特征［J］.地殼形變與地震，1992，12(2):17-22.(Wang Shuangxu.Recent vertical deformation field evolution and crustal movement characteristics in the west Sichuan［J］.Crustal Deformation and Earthquake，1992，12(2):17-22)

2 張四新，劉文義，王雙緒.四川西部現今地殼形變與地震［J］.地殼形變與地震，1998，18(4):48-54.(Zhang Sixin，Liu Wenyi and Wang Shuangxu.The recent crustal deformation and earthquake in western Sichuan［J］.Crustal Deformation and Earthquake，1998，18(4):48-54)

3 王慶良，等.川西地區現今垂直地殼運動研究［J］.中國科學D輯:地球科學，2008，38(5):598-610.(Wang Qingliang，et al.The vertical crust movement today of the sichuan region［J］.Science China Press(series D)Earth science，2008，38(5):598-610)

4 郭進京，韓文峰，李雪峰.西秦嶺新生代以來地質構造過程對青藏高原隆升和變形的約束［J］.地學前緣，2009，16(6):215-225.(Guo Jinjing，Han Wenfeng and Li Xuefeng.The Cenozoic tectonic evolution of the west Qinling: Constraints on the uplift and deformation of the Tibetan Plateau［J］.Earth Science Frontiers，2009，16(6):215-225)

5 馮益民，等.西秦嶺造山帶的演化、構造格局和性質［J］.西北地質，2003，36(1):1-10.(Feng Yimin，et al.Tectonic evolution frame work and nature of the west Qinling orogenic belt［J］.Northwestern Geology，2003，36(1):1-10)

6 陶本藻.自由網平差與變形分析［M］.武漢:武漢測繪科技大學出版社，2001.(Tao Benzao.The free netwotk adjustment and deformation analysis［M］.Wuhan:Surveying and Mapping Press of Wuhan University of Science and Technology，2001)

7 黃立人，陶本藻，趙承坤.多面函數擬合在地殼垂直運動研究中的應用［J］.測繪學報，1993，22(1):25-32.(Hang Liren，Tao Benzao and Zhao Chengkun.The research on polyhedral function fitting in the earth’s crust vertical movement［J］.Acta Geodactica et Cartographic Sinica，1993，22(1):25-32)

8 許效松，等.中國西部大型盆地分析及地球動力學［M］.北京:地質出版社，1997.(Xu Xiaosong，et al.The analysis of the large-scale basin and dynamics in western China［M］.Beijng:Geological Press，1997)

9 張國偉，等.秦嶺造山帶與大陸動力學［M］.北京:科學出版社，2001.(Zhang Guowei，et al.The Qinling orogenic belt and continent dynamics［M］.Beijing:Science Press，2001)

ANALYSIS OF VERTICAL DEFORMATION IN WEST QINLING ZONE BASED ON LEVELING DATA

Qin Shanlan，Wang Qingliang，Ji Lingyun and Li Yuhang
(Second Crust Monitoring and Application Center，CEA，Xi’an 710054)

On the basis of 1970—2006 leveling observations，we obtain the vertical velocity field of the west Qinling tectonic belt with the method of the least square adjustment.The results show that Liupanshan and its surrounding areas are rising with the rate 2-3 mm/a relative to Baoji benchmark(Longbao17)and the nearby Lanzhou basin area shows a subsidence trend，with the average rate 1.5 mm/a.

west Qinling tectonic belt，leveling data，vertical deformation field;least square;image of velocity field

1671-5942(2012)02-0016-04

2011-11-11

國家自然科學基金(40974062)

秦姍蘭，女，1984年生，碩士，主要研究方向為地形變資料、GNSS數據處理分析.E-mail:shanlan_qin@hotmail.com

P315.72+5

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