滇中引水工程區形變場特征分析

付平 陸進彬 李志榮 董志宏 吳榮琴 尹健民

摘要：

為分析滇中引水工程區的形變場特征，基于多期次GNSS觀測及跨斷層監測資料，借助速度場聚類與最小二乘配置算法，以及斷層剛體運動等模型，推求了該區域主要斷裂的現今活動速率和區域應變率分布，解算了活動斷裂三維運動變化過程。研究表明：小金河-麗江斷裂南段和小江斷裂南段是兩個強烈的地表變形區，楚雄段所在區域的構造運動相對穩定；建水盆地東緣斷裂一帶的剪應力積累水平較高；麗江-劍川斷裂南段在2011年前后由張扭逐漸轉變為壓扭運動性質；2018年后，麗江-劍川斷裂南段走滑速率較低，曲江斷裂南東段的拉張活動強烈。研究成果可為穿越活動斷裂的長線工程場地穩定性分析和結構抗錯斷設計提供參考依據。

關 鍵 詞：

活動斷裂； 斷裂活動速率； 應變率場； 活動特征； 滇中引水工程

中圖法分類號： P541

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.020

0 引 言

隨著國民經濟和社會發展，為構建國家水網主骨架和大動脈、提升水資源優化配置能力，一批重點水源和重大引調水工程建設正在加快推進。滇中引水工程新建輸水隧洞62 座，總長610.49 km，全線隧洞占比超過92%，其中香爐山隧洞長達62.6 km，新建倒虹吸25座，總長42.66 km［1］。中國西南地區內外動力地質作用強烈，活動性斷裂密集發育，這些長線隧洞和倒虹吸等地下或地表建筑物不可避免地穿越不同的地質構造單元與不同尺度的活動斷裂。因此，開展工程區形變場特征研究、準確定量獲得活動斷裂區的運動和變形參數，對穿越活動斷裂的工程結構抗錯斷設計、保障工程施工和運維安全具有重要意義［2-3］。

大地測量是研究活動斷裂區形變特征最直接有效的方法，其原理是通過觀測地面上離散站點的空間坐標變化，經解譯處理后給出地表的運動和變形量，主要有GNSS、InSAR和跨斷層測量等觀測手段［4-6］。過去幾十年，GNSS技術的觀測精度和網絡密度均得到了大幅提升。跨斷層測量作為一種觀測物理意義明確、測量精度高的地震前兆監測方法，能夠準確記錄斷層的活動狀態。川滇地區是中國地殼運動觀測網絡GNSS連續站和流動站布設最密集的區域，且云南地區十余個跨斷層監測場地有近40 a的連續觀測數據產出，這些都為該地區的活動斷裂形變場研究提供了豐富的基礎資料。

目前，已有不少關于云南地區地殼形變、運動學特征及其動力學機制的研究工作。李延興、楊國華等根據云南地區1999～2001年不同期GPS 觀測資料求解水平運動和應變圖像，研究了云南不同活動構造單元的形變特征，揭示了滇中塊體周邊的活動斷裂位移較大、活動性較強的特點［7-8］。王伶俐等［9］以云南地區2009～2011年多期GPS速度場為約束，建立塊體的運動-應變模型，對主要塊體活動性進行了分析。孫云梅等［10］利用1999～2013年多期GPS數據，研究了云南地區應變特征的分區性，并借助位錯模型反演了主要斷裂帶的走滑速率。周海濤等［11］利用1982～2009年云南地區跨斷層短基線觀測資料，基于活動斷裂及周邊均勻應變場假設，研究了該地區應變的年變化特征。蘇廣利等［12］利用1993～2017 年多期精密水準觀測資料，計算了云南不同區域在不同時期的垂直形變場，揭示了主要斷層的垂向運動特性。徐東卓等［13］基于云南地區跨斷層監測資料，利用斷層活動協調比方法分析了區域斷層活動和應力應變累積狀態。

然而，現有研究大多基于云南地區2013年以前的早期大地測量資料，針對次級塊體特別是活動斷裂的運動和形變特征研究并不充分，且不同學者存在不同認識。本文在前人工作的基礎上，以滇中引水工程區為研究對象，利用不同期次GNSS 觀測數據和最新的跨斷層場地連續監測資料，基于速度場聚類算法估算主要斷裂帶活動速率，分析區域應變率場的動態演化特征，

1 區域地質構造背景

滇中引水工程所在的云南地區位于歐亞板塊與印度板塊中國大陸碰撞帶，是喜馬拉雅構造域東南弧形轉折的一部分［14］。引水線路全長約663 km，穿越區大致被瀾滄江、麗江-小金河、金沙江-紅河、彌勒-師宗等區域性活動斷裂所圍限，由北向南依次涉及松潘-甘孜褶皺系、揚子準地臺和華南褶皺系3個一級構造單元，各個一級構造單元又被次級斷裂進一步劃分為二級和三級構造單元。

工程區西北部主要屬青藏高原橫斷山脈，東南部主要屬云貴高原，地勢總體西高東低、北高南低，呈階梯式下降，由西北向東南掀斜。區內北東向及北西向斷裂成束發育，新構造運動活躍，歷史地震頻發。與引水線路直接相交的有麗江-小金河斷裂、鶴慶-洱源斷裂、龍蟠-喬后斷裂、曲江斷裂、建水盆地東緣斷裂共5條全新世活動斷裂，有程海-賓川斷裂、綠汁江斷裂、普渡河斷裂、湯郎-易門斷裂、李浩寨斷裂等共11條晚更新世活動斷裂，如圖1所示。

2 主要斷裂帶現今活動速率估算

2.1 GNSS速度場聚類分析

基于大地測量數據研究活動地塊的運動狀態時，宜采用塊體模型。然而，對于此類分片計算方法，不同的塊體幾何模型會得到不同的斷裂帶運動速度。造成這種差異的原因是塊體邊界選擇時存在不確定性，因此合理的活動塊體劃分是進行構造運動和斷裂活動性分析的重要前提。GNSS速度場是地殼運動的直接體現，對GNSS速度矢量進行聚類分析進而映射到地理空間上，可以在數學意義上保證局部塊體劃分的準確性。

由于垂直方向上的GNSS坐標時間序列觀測數據可靠度相對較低［15］，本節僅從水平運動的角度開展分析。對云南地區及周緣270個GNSS區域站和基準站2013～2015年的坐標時間序列數據進行線性回歸，獲得ITRF2008框架下的各站點年平均速度，利用歐拉算法消除歐亞大陸整體剛性旋轉分量后，得到各站點的相對速度，作為聚類分析的源數據，如圖2所示。

動態聚類方法中的K中心點算法噪聲敏感度低且魯棒性高［16-17］，具有良好的聚類效果。本文提出了GNSS速度場的中心點聚類算法，具體實施步驟如下：① 讀入速度場數據集D，設定目標聚類簇數k和訓練輪數T；② 在D中隨機選擇k個速度樣本作為初始均值向量；③ 計算其余速度樣本與各均值向量的距離，并將該速度樣本劃歸到距離最小的一簇中；④ 在每一簇中依次選取速度樣本作為均值向量，計算該速度樣本與當前簇中各速度樣本的距離之和，將取得最小值的速度樣本視為新的均值向量；⑤ 重復步驟③～④，直至各簇的均值向量即中心點不再變化。

對所有站點速度矢量進行初次聚類，聚類數為5時的結果如圖3所示，圖3（a）中不同顏色代表不同的速度聚類簇，圖3（b）為各簇速度對應的站點在地理空間上的映射。可以看到，騰沖-保山塊體（TB）、蘭坪-思茅弧后盆地（LS）和川滇菱形塊體南部（CD）能夠被清晰地識別出來，但在引水線路經過的揚子板塊和華南板塊內部二級活動塊體未被識別，一些深大活動斷裂如小金河-麗江、小江等塊體邊界斷裂未被檢測到。因此，對這兩個區域的速度場分別進行二次聚類，聚類數分別設置為3和2，圖4所示的聚類結果顯示：揚子板塊被進一步劃分為鹽源-麗江塊體（YL）、滇中塊體（DZ）、康滇塊體（KD），原華南板塊北部被劃分成滇東塊體（DD），其中，小金河-麗江-劍川斷裂位于鹽源-麗江塊體和滇中塊體的邊界，元謀-綠汁江斷裂位于滇中塊體和康滇塊體的邊界，小江斷裂位于康滇塊體和滇東塊體的邊界，彌勒-師宗、李浩寨和建水東緣盆地斷裂位于滇東塊體與華南塊體的邊界。

3 區域應變率場及變化特征分析

3.1 基于多期GNSS數據的應變率場解算

不同于地殼運動速度場，應變描述的是觀測點之間的相對運動，對參考基準沒有依賴性，能夠更加全面地體現地殼變形的不同性質與強度。

以云南地區及周緣1999～2007年、2009～2013年、2013～2015年共3期GNSS觀測水平速度數據作為約束條件，基于最小二乘配置理論和球面應變計算方法，解算滇中引水線路近場區域的應變率分布，從應變率場動態變化角度研究活動斷裂區的地表形變特征。2013～2015年的速度場如圖2所示，1999～2007年、2009～2013年兩期速度場如圖5所示。

3.2 應變率場變化特征分析

從圖7中的應變率場演變過程可以看出，在整個引水線路上，小金河-麗江斷裂南段（與大理Ⅰ段相交）和小江斷裂南段始終是兩個較強烈的地表變形區，楚雄段所在區域變形微弱，屬于構造運動相對穩定區。

龍蟠-喬后、麗江-劍川、程海-賓川斷裂一帶的東西向拉張變形有所增強，南北向變形性質則由壓縮變形轉換為拉張變形，小江斷裂南部、石屏-建水斷裂和曲江斷裂一帶的東西向拉張變形逐漸減弱。此區域為南北向壓縮變形的高值區，且高值區有向北遷移和縮小的趨勢。從面應變率來看，拉張變形主要集中在麗江-劍川和程海-賓川斷裂附近。2013年以后，研究區整體呈現出以麗江為中心的中部拉張、四周擠壓的變形特征，小江斷裂沿線的壓縮變形性質與川滇塊體東邊界南段形成構造擠壓區的地質背景一致。從最大剪應變率來看，小江斷裂中段和南段、普渡河斷裂南段、一朵云-龍潭山斷裂及麗江-劍川斷裂、鶴慶-洱源斷裂一帶為局部的最大剪應變高值區，這與小江斷裂、麗江-劍川斷裂現今走滑速率相對較高的事實一致，但高值區分布長度和面積有所減小，表明剪切變形存在弱化現象。此外，與紅河段相交的建水盆地東緣斷裂，以及維西-喬后、挖色-賓居斷裂處在最大剪應變率高值與低值的過渡區域，即該地區的剪切應力積累水平較高，結合最大剪應變率高值區及邊緣易發生地震的規律特性［27］，如“5·21”漾濞6.4級地震，建議加強對此活動斷裂的跨斷層監測，尤其是引水線路與斷裂交匯區的加密觀測。

4 基于跨斷層監測的主要斷裂活動性分析

4.1 跨斷層場地三維運動參數計算

跨斷層形變測量是一種測量精度高、便于組織實施、數據穩定可靠的斷裂活動性監測方法。通過多期次、短距離的跨斷層水準和基線測量，準確記錄斷層上盤與下盤之間的相對位移，監測活動斷裂的三維運動過程，能夠反映斷裂帶及其所在區域長、中、短期的地表變形性質與強度。

圖1所示滇中引水工程近場區域內有峨山、建水、劍川、麗江、石屏、通海、永勝、宜良和尋甸共9處跨斷層觀測場地，分布在小江斷裂、曲江斷裂、麗江-劍川斷裂及其次級斷裂上。以上每個場地均至少包括2條短水準和2條短基線測線，分別各有1條與斷層直交和斜交的測線，以流動觀測為主。針對與引水線路直接相交的全新世及晚更新世活動斷裂，收集了該區域1982年2月至2021年1月間麗江、劍川、永勝、峨山、通海等5個場地的跨斷層監測數據，觀測周期多為1月/期，個別年份為2月/期，數據連續且完整，質量良好。監測場地信息如表3所列。

跨斷層位移監測的目的在于了解斷層的運動學特征。對一些實測資料的分析表明：在斷層附近的一定范圍內，其跨斷層點位間的相對位移主要由斷層上下兩盤間的相對運動造成，而巖體介質應變在這一局部區域的影響可以忽略不計［28］。所以，通過測量資料分析斷層的運動時，一般可把兩盤視為不變形的剛體處理。根據如圖8所示的斷層剛體運動模型［29］，考慮測線兩端點存在的水準高差，斷層兩盤的三維活動引起的基線旋轉量和張壓量應同時包含水平和垂直變化引起的部分，由此推導出斷層水平走滑位移量ΔS、水平壓張位移量ΔR以及垂直方向上錯動量ΔH的計算式如下：

4.2 主要斷裂活動特性分析

從圖9所示的結果曲線可以看出：① 麗江-劍川斷裂南段在2011年之前主要表現為張扭活動性質。值得注意的是，麗江-劍川斷裂斷層泥剪切面上的微-納米級顆粒觀測研究［30］表明斷層面發育大量微米級顆粒，而納米級顆粒較少，可能的原因是在麗江-劍川斷裂活動的過程中，斷層面上應力作用較小，不足以使巖石形成納米顆粒，這也從側面證明麗江-劍川斷裂歷史上曾經以張扭活動為主。② 麗江-劍川斷裂南段在2011年之后逐漸轉變為壓性右旋走滑運動性質，但整體上擠壓變形強度較弱，2018年后走滑活動速率處在較低水平。③ 麗江-劍川斷裂北段主要表現為壓扭性質，且右旋走滑活動強度較南段強烈，跨斷層監測數據揭示麗江-劍川斷裂表現出的運動學特征與地質背景不一致，需加以關注和進一步研究。④ 程海-賓川斷裂北段表現出明顯的張性右旋走滑活動，近5 a的走滑速率約3 mm/a，不同于南段的左旋走滑運動性質。⑤ 曲江斷裂南東段從2003年開始表現出強烈的正斷拉張性質，走滑活動強度不高，但有增強趨勢，北西段則表現出明顯的右旋走滑運動，2019年之后走滑活動強度有所減弱。

跨斷層研究結果表明，活動斷裂不同區段以及在不同時期的活動性質和活動強度可能存在顯著差異。因此，有必要針對性地開展斷裂活動期次和活動性分帶研究，以更好地指導工程實際。

5 結 論

本文采用GNSS速度場聚類分析方法估算了斷裂帶現今活動速率，根據速度場最小二乘配置理論和球面應變計算方法解算了區域應變率場分布，利用活動斷裂剛體運動模型和跨斷層基線、水準資料求解活動斷裂三維運動變化過程，較全面地揭示了滇中引水工程沿線典型活動斷裂區域的運動及形變場特征。所得認識如下。

（1） 通過對GNSS速度場的聚類分析進而映射到地理空間上，能夠在數學意義上保證研究區次級活動塊體劃分的合理性。基于塊體整體旋轉與均勻應變模型估算，與引水線路相交的麗江-劍川、鶴慶-洱源、元謀-綠汁江、李浩寨斷裂的左旋走滑速率約1.6～2.1 mm/a，壓張速率較低。

（2） 與大理Ⅰ段相交的小金河-麗江斷裂南段和近昆明玉溪段的小江斷裂南段始終是兩個強烈的地表變形區，楚雄段所在區域變形微弱，構造運動相對穩定，麗江-劍川和鶴慶-洱源斷裂一帶的剪切變形有所減弱，與紅河段相交的建水盆地東緣斷裂處在最大剪應變率高值向低值的過渡區域，剪切應力累積水平較高。

（3） 與引水線路直接相交的麗江-劍川斷裂及程海-賓川斷裂北段在2011年后的活動性質表現出了異于地質背景的現象，2013年后，麗江-劍川斷裂北段和程海-賓川斷裂北段走滑活動速率較高，麗江-劍川斷裂南段走滑速率較低，曲江斷裂南東段的拉張活動強烈。

（4） 活動斷裂不同區段以及在不同時期的活動性質和活動強度存在顯著差異，為了更好地指導工程實際，有必要針對性地開展斷裂活動期次、活動性分帶及其活動模式研究。

基于高精度大地測量數據的計算數學方法是研究活動斷裂區形變運動場的有效手段，然而活動構造本身極為復雜，其復雜性的表現之一是構造運動在深淺部存在一定差異。目前，滇中引水工程已經全線開工建設，穿越活動斷裂隧洞段的陸續開挖為探究活動斷裂深部的長期形變運動特征提供了絕佳窗口。開展地表運動觀測的同時進行地下圍巖形變監測，能夠更加系統深入地研究深大活動斷裂的活動特性及其對深埋隧洞工程的影響。

致 謝

感謝中國地震局第一監測中心提供的GNSS觀測和跨斷層監測數據。

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（編輯：高小雲）

Abstract：

In order to analyze the characteristics of deformation field in central Yunnan water diversion project area，based on multistage GNSS observation data，cross-fault monitoring data，and by means of velocity field clustering，least squares collocation algorithm and with fault rigid-body motion model，current movement rates and strain rates of main active faults in this area were deduced，the processes of three dimensional movement of active faults were also resolved.The results indicated that the southern segment of Xiaojinhe-Lijiang fault and Xiaojiang fault had always been two strong deformation zones，the recent regional tectonic movement of Chuxiong segment of the water diversion route was relatively stable.The eastern margin fault of Jianshui basin was characterized as high level of shear stress accumulation.The active mode of southern segment of Lijiang-Jianchuan fault had converted from tensile strike-slip to compressive strike-slip since 2011.After 2018，the southern segment of Lijiang-Jianchuan fault had a lower strike-slip rate，while the extension of southeast segment of Qujiang fault was strong.The research results can provide reference for stability analysis of cross-fault long line project sites and faults movement resistance design of engineering structures.

Key words：

active fault；movement rate；strain rate field；active characteristics；central Yunnan water diversion project