大同盆地現(xiàn)今地殼形變及應(yīng)變分布特征*

瞿 偉 王慶良 張 勤 彭建兵 張 明

1)長安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安 710054

2)西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054

3)中國地震局第二監(jiān)測(cè)中心，西安710054

1 引言

大同盆地是汾渭盆地內(nèi)地殼構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的典型區(qū)域，特別是近年來以大同市地裂縫災(zāi)害最為典型和嚴(yán)重［1，2］。為了進(jìn)一步研究大同盆地現(xiàn)今地殼三維構(gòu)造活動(dòng)速率與變形特征，及其與區(qū)域長期構(gòu)造變形背景之間的關(guān)系，以及區(qū)域地殼應(yīng)變場(chǎng)與盆地內(nèi)典型地裂縫大同市地裂縫發(fā)育的構(gòu)造成因關(guān)系等問題，利用中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目在大同盆地內(nèi)的2006—2010年高精度GPS 監(jiān)測(cè)成果，通過構(gòu)建合理的形變反演模型，結(jié)合參數(shù)顯著性檢驗(yàn)方法，獲取了大同盆地現(xiàn)今地殼三維運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)、應(yīng)變特征參數(shù)及其分布特征，并結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造，分析了區(qū)域構(gòu)造應(yīng)變場(chǎng)與大同市地裂縫群發(fā)育的構(gòu)造成因關(guān)系。

2 大同盆地現(xiàn)今地殼三維形變場(chǎng)

GPS 數(shù)據(jù)來源于中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目在大同盆地的14 個(gè)地殼運(yùn)動(dòng)GPS 站點(diǎn)的觀測(cè)資料。基于上述高精度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用GAMIT/GLOBK軟件對(duì)2006—2010年GPS 監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行了統(tǒng)一解算平差處理，獲得了ITRF2005 參考框架下相對(duì)于歐亞板塊的速度場(chǎng)，同時(shí)為最大限度地凸顯出盆地內(nèi)部構(gòu)造變形差異特征，進(jìn)一步獲得了盆地地殼水平差異運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)。各站點(diǎn)水平與垂直速度場(chǎng)如圖1、2 所示，其中各GPS 站點(diǎn)南北、東西向點(diǎn)位中誤差均小于1.0 mm/a。

圖1 大同盆地地殼相對(duì)水平運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)(2006—2010年)Fig.1 Crustal relative velocity field of horizontal movement of Datong basin from 2006 to 2010

從圖1 可見，盆地西北部地殼呈明顯的水平拉張伸展?fàn)顟B(tài)，特別是在大同市南部地區(qū)，其水平拉張量明顯大于盆地內(nèi)其他區(qū)域。

圖2 顯示出大同盆地內(nèi)的GPS 站均呈下沉狀態(tài)，其中DK03 站的最大沉降量達(dá)－10.79 mm/a，而盆地的邊緣山區(qū)相反均呈上升趨勢(shì)。同時(shí)從圖2 還可以看出，口泉斷裂帶現(xiàn)今具有較明顯的“正斷型”活動(dòng)特征。

圖2 大同盆地地殼垂直運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)(2006—2010年)Fig.2 Crustal velocity field of vertical movement of Datong basin from 2006 to 2010

3 大同盆地現(xiàn)今地殼應(yīng)變特征參數(shù)及其分布特征

由于大同盆地內(nèi)GPS 站構(gòu)成的三角形形狀因子整體性較好［3］，據(jù)此，本文采用三角形圖形單元法建立區(qū)域應(yīng)變分析模型，求解區(qū)域地殼應(yīng)變特征參數(shù)。

3.1 應(yīng)變參數(shù)求解模型的建立

設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)間相對(duì)形變量與地殼應(yīng)變張量的線性關(guān)系式為

其中U是相對(duì)形變量向量，T 為應(yīng)變張量，A 為轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣。

根據(jù)式(1)，在橢球面上利用GPS 觀測(cè)量計(jì)算二維應(yīng)變的公式為［4］:

可將式(2)寫成:

式中［UE，UN］T代表三角形點(diǎn)的速率值，［UE0，UN0］T代表三角形重心點(diǎn)的速率值，ε'與dR'是橢球面上的應(yīng)變張量和旋轉(zhuǎn)張量，其中ε'=(εe，εn，εen)分別代表東西、南北方向的線應(yīng)變及剪應(yīng)變，ΔP'=

據(jù)此，建立的大同盆地圖形單元應(yīng)變模型如圖3 所示。需要說明的是，在構(gòu)建大同盆地三角形圖形單元模型時(shí)，并沒有將A013、SX04 點(diǎn)納入，這是因?yàn)樯鲜鰞蓚€(gè)點(diǎn)與MPSH、GC06、SX02 點(diǎn)組成的三角形圖形單元均位于大同盆地內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)很弱的區(qū)域，而分析這些圖形單元應(yīng)變對(duì)于研究區(qū)域構(gòu)造應(yīng)變場(chǎng)意義不大，此外，這些三角形圖形單元與其他三角形單元尺度差異較大［5］。

圖3 大同盆地圖形單元示意圖Fig.3 Graphical elements of Datong basin

將大同盆地GPS 站點(diǎn)橢球坐標(biāo)及速率值代入式(3)，求解獲取所有的三角形圖形單元的應(yīng)變分量，并由位移速率差值的誤差矩陣得到應(yīng)變分量的誤差矩陣。

3.2 應(yīng)變參數(shù)顯著性檢驗(yàn)

從圖3 可以看出，17 個(gè)三角形圖形單元的位置不盡相同，如果圖形單元位于穩(wěn)定構(gòu)造塊體的內(nèi)部，單元的運(yùn)動(dòng)應(yīng)該表現(xiàn)為剛體旋轉(zhuǎn)歐拉運(yùn)動(dòng)，而此時(shí)利用圖形單元法計(jì)算獲得的單元地應(yīng)變參數(shù)在統(tǒng)計(jì)意義上應(yīng)該為零，但是由于誤差的影響，此時(shí)應(yīng)變參數(shù)往往不等于零。

因此，為了判斷大同盆地所有三角形圖形單元獲得的應(yīng)變參數(shù)有效性，以及是否存在由地殼構(gòu)造活動(dòng)引起的應(yīng)變，本文采用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)所有三角形圖形單元應(yīng)變參數(shù)估值進(jìn)行檢驗(yàn);參數(shù)估值的顯著性進(jìn)行采用χ2分布進(jìn)行檢驗(yàn)［6］。根據(jù)誤差傳播定律可知，用X 代表圖形單元法計(jì)算得到的單元水平地應(yīng)變張量的3 個(gè)分量εe、εn、εen，用∑x 代表應(yīng)變張量對(duì)應(yīng)的方差-協(xié)方差陣，分別表示為:

如前所述，如果圖形單元位于穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)(屬剛性運(yùn)動(dòng))，則應(yīng)變估值均值應(yīng)該為零，即E(X)=0，并將其作為χ2檢驗(yàn)的零假設(shè)，即:

取置信度α=0.01，采用χ2單尾檢驗(yàn)法進(jìn)行檢驗(yàn)，如果:

則接受原假設(shè)，即圖形單元的地應(yīng)變估值不顯著，認(rèn)為應(yīng)變估值是由于測(cè)量誤差引起的;否則，拒絕原假設(shè)，即圖形單元的地應(yīng)變估值是顯著的，此時(shí)可以認(rèn)為在α 置信水平下，應(yīng)變特征參數(shù)估值是由地殼構(gòu)造活動(dòng)變形所引起的。

3.3 顯著應(yīng)變特征參數(shù)及其分布特征

利用參數(shù)顯著假設(shè)檢驗(yàn)方法對(duì)獲得的大同盆地17 個(gè)圖形單元應(yīng)變參數(shù)進(jìn)行顯著性假設(shè)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表1。

從表1 可以看出，參與檢驗(yàn)的17 個(gè)圖形單元應(yīng)變特征參數(shù)，在顯著性水平α=0.01 下有5 個(gè)圖形單元檢驗(yàn)結(jié)果為接受，而這5 個(gè)圖形單元均位于較穩(wěn)定的山區(qū)內(nèi)及盆地內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)較弱的平原區(qū)域(XYSHGYTA-SX01、XYSH-MPSH-SX01、DK02-MPSH-SX01、SECU-SX02-GC06、DK06-DK03-SECU)。因此，上述5個(gè)圖形單元內(nèi)部不存在顯著的構(gòu)造活動(dòng)變形。

而在顯著性水平α=0.01 下，有12 個(gè)圖形單元檢驗(yàn)結(jié)果為拒絕。而這12 個(gè)圖形單元均位于盆地內(nèi)深大斷裂(地裂縫)及其附近區(qū)域，而這些區(qū)域也正是盆地內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)較強(qiáng)烈的地區(qū)。因此，上述12個(gè)圖形單元內(nèi)部存在顯著的構(gòu)造活動(dòng)變形，其單元應(yīng)變是由地殼構(gòu)造活動(dòng)變形引起的。

基于顯著的應(yīng)變分量，獲得的最大、最小主應(yīng)變及最大主應(yīng)變方向等應(yīng)變特征參數(shù)及其分布特征如圖4 所示。

圖4 顯示出大同盆地顯著主應(yīng)變主要集中在大同盆地內(nèi)部地區(qū)，且集中分布在盆地的西北部區(qū)域;盆地內(nèi)顯著主應(yīng)變以拉張應(yīng)變?yōu)橹鳎较驗(yàn)镹W-SE向，表明盆地現(xiàn)今整體受NW-SE 向拉張力源作用顯著，且顯著主張應(yīng)變最大量值出現(xiàn)在盆地內(nèi)地裂縫最為群發(fā)的西北部，位于大同市的西南區(qū)域內(nèi)，其量值達(dá)到1.9 ×10－6/a;在靠近口泉斷裂邊緣局部區(qū)域則呈現(xiàn)出一定的擠壓性質(zhì)，主壓應(yīng)變率約為－1.0×10－6/a，在靠近盆地東部的山邊帶局部也呈現(xiàn)一定的擠壓性質(zhì)，主壓應(yīng)變方向?yàn)镹E-SW 向。

表1 大同盆地圖形單元應(yīng)變參數(shù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Significant test results of strain parameter of graphical elements of Datong basin

4 地殼形變應(yīng)變場(chǎng)與地裂縫發(fā)育構(gòu)造成因分析

圖4 顯示出盆地西北部局部區(qū)域NW-SE 向水平拉張應(yīng)變明顯大于盆地內(nèi)其他地區(qū)，而此區(qū)域也正是大同盆地內(nèi)地裂縫災(zāi)害最為典型和嚴(yán)重的地區(qū)，且觀察此區(qū)域拉張應(yīng)變方向，可發(fā)現(xiàn)其與地裂縫的走向呈近似垂直關(guān)系(圖5)，而大同市北部區(qū)域NW-SE 向主應(yīng)變則以壓應(yīng)變?yōu)橹鳎诖藚^(qū)域內(nèi)地裂縫較少。由此揭示出大同市南部區(qū)域NW-SE 向拉張應(yīng)力是大同市南部區(qū)域地裂縫群發(fā)的構(gòu)造力源。

圖4 大同盆地現(xiàn)今地殼顯著應(yīng)變特征分布圖(2006—2010)(單位:10 －6/a)Fig.4 Distribution of present crustal strain rate of Datongbasin from 2006 to 2010(unit:10 －6/a)

圖5 大同市地裂縫與區(qū)域拉張應(yīng)變關(guān)系示意圖Fig.5 Relationship between ground fissures and regional extension stain in Datong city

由大同盆地構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)背景及大陸動(dòng)力學(xué)環(huán)境可知，鄂爾多斯塊體逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與華北塊體順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)聯(lián)合作用［8］，會(huì)在兩個(gè)地塊之間的斷陷盆地內(nèi)形成右旋剪切的NW-SE 向拉張環(huán)境，而本文基于大地測(cè)量GPS 反演結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)(圖4)，同時(shí)利用更大區(qū)域(整個(gè)山西盆地)的GPS 數(shù)據(jù)反演獲得的大同盆地構(gòu)造應(yīng)變場(chǎng)，也呈現(xiàn)出以NWSE 向拉張應(yīng)變?yōu)橹鞯奶卣鳎?］。因此，在周圍板塊運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的NW-SE 向拉張應(yīng)力的主導(dǎo)及附加盆地深部動(dòng)力的共同作用下［10］，會(huì)造成盆地內(nèi)地殼減薄拉張變形明顯、基底斷裂，從而引起斷裂不均勻蠕動(dòng)，而深部斷層的不均勻蠕動(dòng)會(huì)在淺部地層中誘發(fā)形成一系列的錯(cuò)斷面，這些錯(cuò)斷面就形成了地裂縫的原型，附加其他因素的影響，如抽取地下水、地表水滲透、地震活動(dòng)等，也會(huì)加速淺部地層中這些錯(cuò)斷面的活動(dòng)，發(fā)展至地表形成出露地表的地裂縫災(zāi)害。

地裂縫實(shí)地鉆孔及地質(zhì)探槽資料結(jié)果更加直觀地揭示出大同市地裂縫與地下隱伏斷裂活動(dòng)有著很強(qiáng)的相關(guān)性［9］，從圖5 也可以看出，大同市地裂縫的發(fā)育方向與位置與其區(qū)域內(nèi)的水峪隱伏構(gòu)造斷層有近乎一致的走向(NE 走向)，由此進(jìn)一步表明大同市地裂縫發(fā)育及活動(dòng)與深部斷層活動(dòng)有密切關(guān)系。

5 結(jié)論與討論

1)大同盆地現(xiàn)今整體處于較明顯的水平拉張且內(nèi)部斷陷下沉的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其地殼應(yīng)變特征主要以NW-SE 向拉張應(yīng)變?yōu)橹鳎私Y(jié)論與盆地現(xiàn)今地質(zhì)構(gòu)造發(fā)展模式相一致，與盆地以往較長期構(gòu)造變形背景具有較好的繼承性特點(diǎn)［11，12］;

2)大同地裂縫實(shí)質(zhì)是盆地下伏活斷層在NWSE 向區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下，以蠕滑形式錯(cuò)斷地層使土層破裂而發(fā)育形成的。

致謝感謝王敏、崔篤信研究員，王文萍、胡亞軒、張曉亮高級(jí)工程師為本文提供數(shù)據(jù)及給予的幫助!

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