鄂爾多斯塊體東北緣近期地殼垂直形變監測

張占陽，許明元，何慶龍，于　鵬

(中國地震局第一監測中心，天津 300180)

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鄂爾多斯塊體東北緣近期地殼垂直形變監測

張占陽，許明元，何慶龍，于鵬

(中國地震局第一監測中心，天津 300180)

摘要：為深入分析并研究鄂爾多斯塊體東北緣近期的地殼垂直形變趨勢，基于區域中10條國家一等水準測量路線的共用水準點，通過分段平差計算其相應的高程平差值及垂直形變量，進而利用三角網法提取該地區的垂直形變速率等值線。通過效果圖對比可知，近期鄂爾多斯塊體東北緣呈現下沉的趨勢，兩個V型漏斗區分布于整個研究區域中部的南北兩側，南側漏斗區的下沉速率較北側偏大，這在一定程度上與該地區北高南低的地形走向大體一致。但對于V型漏斗區形成的具體原因還有待進一步研究并確認。

關鍵詞：鄂爾多斯塊體；水準網平差；三角網；地殼垂直形變；等值線

從測繪學與地質構造學角度可知，鄂爾多斯塊體東起山西呂梁山脈，西抵內蒙古桌子山與陜甘寧的云霧山，南起渭北山地，北達黃河之畔，是中朝準地臺上一個較為穩定、完整的次級構造單元[1-2]。喜馬拉雅運動以來，塊體內部運動相對穩定，但其周緣地殼卻環繞著一系列活動劇烈的斷陷帶與斷裂帶，尤其自公元前780年以來，其周緣地區共記錄到Ms≥6.0級地震51次，其中Ms≥8.0級地震5次，7.0≤Ms≤8.0級地震10次[3-6]，如攻守文基于精密水準復測數據對鄂爾多斯塊體西緣與南緣的垂直形變演化特征與塊體運動進行探討[7]，胡斌與祝意青等利用分段線性速率動態平差法對鄂爾多斯塊體南緣的垂直形變場及其動態演化進行了分析[8]，李楊又在此基礎上利用地理信息系統(GIS)空間分析手段對鄂爾多斯塊體中南部的垂直運動特征進行了二維平面分析[9]，此外，張四新與張希基于若干跨斷裂水準資料對鄂爾多斯塊體東緣的垂直形變特征也進行了研究[10]，而對位于鄂爾多斯塊體東北緣的山西中北部及其與內蒙古交界區域有關地殼垂直形變的研究卻較少，因為自2008年以來，對該區域進行精密水準復測時多次出現閉合差與高差不符值超限，并導致多次返工重測的情況出現，這也間接說明近期該區域地殼存在一定的垂直形變運動。地質構造學中一般用垂直形變速率等值線來表示并分析地殼的垂直形變運動，且目前國內外主要利用網格通過插值生成垂直形變速率等值線[11-12]，然而，從測繪學角度來看，垂直形變速率等值線作為等值線的一種形式，其除了利用網格生成外，亦可基于三角網生成，所以，本文以該區域中10條一等水準路線的測量控制點為基礎，試圖通過構建三角網來提取該區域的地殼垂直形變速率等值線，進而基于此對該區域的地殼垂直形變進行了研究與分析。

1鄂爾多斯塊體東北緣水準路線平差

鄂爾多斯塊體東北緣整體地勢較高，大體呈北高南低的趨勢，區域覆蓋河北省西北部、山西中北部與內蒙古部分地區，囊括集寧、團結、張北、張家口、宣化、豐鎮、大同、花稍營與懷安等諸多地區，對該區域進行垂直形變研究，首先對區域內沿水準路線復測的精密水準點進行平差處理以求出其前后兩期的高程平差值與垂直形變量(也稱高程變化量)[13-14]。

1.1水準路線分布信息

研究區域共分布10條國家一等水準測量路線，區域面積約為18 000 km2，雖然這些水準路線于2008年與2013年全部施測過，但因間隔時間較長，其中某些水準點由于外界因素丟失并被新點代替，所以導致前后兩期共用水準點有所減少，共計提取出171個共用水準點，區域內水準路線的相關信息如表1所示。

表1　研究區域水準路線表

需要說明的是，表1中所列水準路線，除了團化線團懷段與團化線懷化段這兩條水準路線，其余8條先后銜接構成一條閉合完整的水準路線，但從整個研究區域來看，這些水準路線測量控制點的分布也具有一定的離散性。

1.2水準路線分段平差

測繪學中一般以某一相對穩定的控制點為基準來研究鄰近區域的相對形變運動，因集團1基前后兩期垂直形變量較小，將其作為參考基準點。同時為盡量減小遠距離閉合水準路線平差帶來的誤差影響，此處假設集團1基與包京115甲為高程已知的水準點，并基于此將閉合水準路線分成兩段進行平差，如表1所示，其中集團線、團張線、哈宣線張張段與張宣段為A段，集豐線、呼大線豐大段、大宣線大化段與化宣段為B段，最后的2條水準路線團化線團懷段與懷化段作為C段進行平差。

包京115甲的高程可由集團1基經A、B段方向通過單結點水準網平差法求得，而后將集團1基與包京115甲作為已知點，利用單一附合水準路線平差法分別求出A、B段2008年與2013年兩期施測中各個待定點的高程平差值，最后將兩期共用水準點的高程平差值相減即可得到相應的垂直形變量。C段的兩端結點集團30S與Ⅰ大宣36基各包含于A、B段中，故可將其在A、B段平差后的高程值視為已知值，進而用單一附合水準路線平差法依次求出待定點前后兩期的高程平差值及垂直形變量，C段原始數據與平差數據如圖1、圖2所示，單結點水準網平差法與單一附合水準路線平差法原理見文獻[15]～[16]。

圖1　C段原始數據文件

圖2　C段平差數據文件

圖1為C段的原始數據文件，內含前后兩期起始點與終止點高程和待定點緯度N、經度E及其與前一點的距離與兩期高差，圖2為經平差后求得的待定點前后兩期的高程平差值及垂直形變量。此處需要說明，A、B段中共用水準點通過兩期平差所求得的垂直形變量均為負值，由于其原始數據與平差結果數據量較大。

2鄂爾多斯塊體東北緣地殼垂直形變

水準路線經分段平差可求得前后兩期所有共用水準點的高程平差值及其垂直形變量，再以此為基礎編繪地殼垂直形變速率圖[17]，已有研究成果表明，國內外等值線的生成方式包括兩種：網格法與三角網法[18-21]。地質構造學中多以網格法來生成垂直形變速率等值線，本文則采用三角網法來提取地殼垂直形變速率等值線，由此可知，對鄂爾多斯塊體東北緣進行地殼垂直形變分析與研究，還需通過共用水準點構建研究區域的垂直形變三角網，再根據其垂直形變信息提取垂直形變速率等值線。

2.1基于共用點構建垂直形變三角網

研究區域的水準路線于2008年與2013年施測時共有171個共用水準點，考慮到內插雖可加密水準點數量，但在一定程度上會降低數據質量與精度，這勢必會對后期垂直形變分析結果的可靠性帶來一些影響，可直接基于這些相對離散的水準測量控制點構建覆蓋鄂爾多斯塊體東北緣部分地區的三角網，常見的三角網建網方法有分割合并算法、三角網生長算法與逐點插入算法等[22-25]，生成的三角網如圖3所示。

圖3　鄂爾多斯塊體東北緣垂直形變三角網

圖3為內含垂直形變信息的三角網，即構網的共用水準點高程都已經過平差且含垂直形變量，經光照模型處理后可看出，三角網中部與西北部光色較暗，該區域形變可能較大，由于形變信息隱含，需提取垂直形變速率等值線進一步分析。

2.2基于垂直形變三角網提取垂直形變速率等值線

圖4　垂直形變速率等值線(等值距=20 mm)

圖5　垂直形變速率等值線(等值距=10 mm)

圖6　垂直形變速率等值線(等值距=5 mm)

圖7　垂直形變速率等值線(等值距=2.5 mm)

從三角建網角度來看，垂直形變速率等值線的提取過程與傳統的等高線提取原理大同小異，不同之處在于傳統等高線的基礎數據是內含高程值的地形三角網，而垂直形變速率等值線的基礎數據是內含高程變化量的垂直形變三角網。一般根據垂直形變三角網提取垂直形變速率等值線大體分為三步：三角形邊上等值線點平面位置的確定、三角形網上等值線點的追蹤、等值線的光滑與連接，文獻[12]中進行過相關闡述與研究，這里不做過多介紹，如圖4～圖7所示為基于鄂爾多斯塊體東北緣垂直形變三角網所提取的該區域的地殼垂直形變速率等值線，由于用于生成垂直形變三角網的共用水準點為一等水準測量控制點，其測量數據精度要求較高且本文討論的垂直形變監測屬于精密水準測量，故此處采用4種等值距用以描述并分析該區域的地殼垂直形變趨勢。

圖4～圖7所示的垂直形變速率等值線基值均為-181 mm，圖4等值距為20 mm，圖5等值距為10 mm，圖6與圖7等值距分別為5 mm和2.5 mm，通過圖4與圖5可知，鄂爾多斯塊體東北緣總體呈現下沉趨勢，該地區中部南北兩側各有一個環形區域，這兩個環形區域中垂直形變速率等值線的密度相對較大且成閉合狀，而且隨著等值距由圖6的5 mm縮小到圖7的2.5 mm，環形閉合區域中垂直形變速率等值線的密度逐漸增大。

除此之外，光照模型的處理致使這兩處區域色澤暗淡，說明臨近環形區域中心，區域地殼垂直形變量較大，最終導致兩個V型漏斗沉降區域的形成，這里所說的漏斗區域并不是傳統意義上的地形區域，因為本文所指的三角網為垂直形變三角網，所以漏斗區域指垂直形變速率較大的區域，越靠近環形區域中心位置，地殼下沉的垂直形變速率就越大，垂直形變速率等值線分布也越密集。另外，相對于北側的漏斗沉降區域，南側漏斗區域的垂直形變速率等值線更為密集，說明此區域下沉速率更大，地殼垂直形變更為明顯，值得進一步分析與研究。不過總體來看，鄂爾多斯塊體東北緣的垂直形變速率值呈現北大南小的分布趨勢，這與該地區北高南低的地形走向大體一致，符合傳統的地殼形變與板塊繼承性運動理論。

3結論與討論

本文以鄂爾多斯塊體東北緣為實例進行研究，提取區域中10條水準路線共計171個共用水準點并進行分段平差，進而基于內含垂直形變量的共用水準點，利用三角網法生成該區域的地殼垂直形變速率等值線，最后嘗試性分析鄂爾多斯塊體東北緣地區近期的地殼垂直形變趨勢，概括為以下幾方面：

1)鄂爾多斯塊體東北緣的垂直形變量為負值，說明此區域地殼整體呈現下沉趨勢；

2)整個研究區域中部的南北兩側各分布著一個環狀的V型漏斗沉降區，這兩個區域下沉的垂直形變量較大，考慮可能是由于地下資源過度開采所致；

3)南側V型漏斗區域下沉速率較北部偏大，一方面可能由于地下資源開采過度，另外考慮是由于南側漏斗區域地勢偏低，這符合該地區北高南低的繼承性運動；

4)鄂爾多斯塊體東北緣垂直形變速率呈現北大南小的趨勢，這與該區域地形走向一致，個別共用水準點垂直形變量過大考慮為外界因素導致點位非常規移動。

綜上，三角網法可直接基于相對離散的測量控制點構成鄰接三角網，其最大限度的保持了原始數據點的精度，提取的垂直形變速率等值線也符合基本的垂直形變分析要求，但仍有幾個問題需要注意或有待進一步研究：

1)研究區域中的共用水準點數量較少，需適當增加測量控制點數量以提高成果精度；

2)需進一步增加對同一區域不同方法(如網格法)的實例對比分析；

3)文中單以鄂爾多斯塊體東北緣為例進行研究，缺少該方法在多地帶、多區域的應用與實例分析。

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[責任編輯：李銘娜]

Current vertical crustal deformation monitoring in northeastern edge of Erdos blockZHANG Zhanyang，XU Mingyuan，HE Qinglong，YU Peng

(First Crust Monitoring and Application Center，CEA，Tianjin 300180,China)

Abstract：In order to make deep analysis and research on trends of vertical crustal deformation in the northeastern edge of Erdos block，this paper adoptes segmented adjustment to calculate the elevation value of adjustment and the amount of vertical deformation of the shared leveling points which belong to the 10 first leveling lines of the researched area，and then uses triangulated irregular network method to extract the vertical deformation rate isolines.As a result，the two consequent maps prove the northeastern edge of Erdos block reveals a trend of sinking currently，and two V funnel-shaped regions are located on north side and south side of the central part of the researched area.Moreover，sinking rate of southern V funnel-shaped region is higher than that of northern side，which conforms to the terrain trend of high north to low south of the researched area to a certain extent.However，the specific reason for the formation of the two V funnel-shaped regions still needs to be further studied and confirmed.

Key words：surveying and mapping；Erdos block；adjustment of leveling network；triangulated irregular network；vertical crustal deformation；isoline

中圖分類號：P234

文獻標識碼：A

文章編號：1006-7949(2016)05-0069-05

作者簡介：張占陽(1986-)，男，助理工程師，碩士.

基金項目：一測中心科技創新主任基金資助項目(FMC2014011);地震行業專項基金資助項目(201308009)

收稿日期：2015-03-31；修回日期：2015-07-30