利用GPS数据探讨鄂尔多斯地块南缘地壳形变特征

邹娟茹，李 昱，梁朝钢，章武英，赵晓红

（1.杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100；2.国际关系学院，北京 海淀区 100090；3.河南省地质矿产勘查开发局第一地质矿产调查院，河南 洛阳 471023；4.甘肃林业职业技术学院，甘肃 天水 741020；5.宝鸡市勘察测绘院，陕西 宝鸡 721000）

鄂尔多斯盆地北起阴山、大青山，南抵秦岭，西至贺兰山、六盘山，东达吕梁山、太行山，是中国第二大沉积盆地。鄂尔多斯盆地是地质学上的名称，也称陕甘宁盆地，行政区域横跨陕、甘、宁、蒙、晋5省（区）。鄂尔多斯块体在中生代时期是一个大型坳陷盆地，新生代以来逐渐抬升[1-2]。鄂尔多斯块体四周被断裂和断陷盆地带所围限[3]，从鄂尔多斯地块周缘地震活动分布可以看出（如图1所示），近些年来（1970年至今），地块周边断裂活动频繁，中小地震时有发生。我国史载8级以上地震有17次，在鄂尔多斯块体周缘就发生了5次，图1分布了1970年以来4.0级以上地震，其时空分布是不均匀的，主要分布于鄂尔多斯地块西缘、北缘及东缘，而南缘地区近50 a基本形成一个地震空区[4,5]，发震频次较其他周边地区明显偏低。

许多学者的研究工作对鄂尔多斯地块周缘地区应力场都有所涉及，并且取得了一些重要成果[1,6-12]。本文则是针对鄂尔多斯地块南缘的地震空区，利用2010～2012年观测的GPS大地测量数据，计算并探讨了该区域的应变场（包括主应变率、面膨胀率、最大剪应变率）及其变化特征，获取了一些关于鄂尔多斯地块南缘尤其是关中盆地中主要断裂的展布对地壳应变特征的初步认识。

图1 鄂尔多斯地块周缘断裂、地震分布图

1 GPS数据

GPS原始观测文件的数据采样间隔30 s，24 h为一时段，一次观测不少于4个时段。我们所用数据为2010～2012年的资料，数据为剔除个别非构造作用导致运动方向及观测误差与周围测站差异较大的GPS站点后的速度场结果（相对于欧亚板块）。如图2所示，整个鄂尔多斯地块南缘地区运动方向较为一致（EES），站点分布集中于关中盆地，自西六盘山断裂带向东，绝大部分GPS速率有递减趋势，然而在鄂尔多斯地块内部及秦岭地区点位分布较为稀疏，因此，有必要对该区域进行GPS网格化插值，以便进一步分析各局部运动特征，见图3a。

图2 2010～2012周期GPS水平运动矢量图（相对于欧亚板块，误差椭圆为95%置信度）

2 地壳形变特征分析

由2010～2012年GPS水平运动速度场数据，计算获取了鄂尔多斯地块南缘地区的地壳形变应变场图，包括网格化插值的GPS速度场、面膨胀率分布、主应变率特征以及最大剪应变率分布，如图3所示。

2.1 网格内插GPS速度场分析

网格化插值GPS速度场（图3a）较原始矢量图更能展现区域各细微部分的运动特征以及整体的变化规律。根据GPS原始解算结果，对研究区域进行了网格化等间隔内插处理，插值间隔为0.3°。鄂尔多斯地块南缘整体上呈EES的运动方向，但在关中的罗云山断裂处，出现了NNE的运动转向，以及竹山断裂以东，转为SE方向。运动速率在关中及其以北地区，自西六盘山断裂带向东，由大逐渐递减，至乾县-蒲城断裂处减到最小，且方向发生N向偏转，地壳内部物质在自西向东的迁移推挤过程中，碰到乾县-蒲城断裂东侧的坚硬岩体发生了N向物质逃逸现象；而关中以南地壳运动速率自西向东则为递增。

2.2 面膨胀率分析

面膨胀率等值线见图3 b，整个关中盆地显示了显著的面压缩特征，西安、渭南等地面应变率约－4.0×10-8/a；自渭南沿韩城断裂朝NE方向至韩城，压缩率增至－8.0×10-8/a；而面压缩在渭南东部与山西交界处达到最大值，约－14.0×10-8/a。南部的略阳-洋县断裂与竹山断裂附近地区也表现为压缩特性，压应变率分别约－10.0×10-8/a、－6.0×10-8/a；而在鄂尔多斯地块南缘边界区域普遍存在面膨胀的应变特征，如六盘山断裂带以东（约14.0×10-8/a）、六盘山断裂带南段（宝鸡附近，约8.0×10-8/a）、乾县-蒲城断裂以北（10.0×10-8/a）、韩城断裂西北地区（8.0×10-8/a），关中盆地以南即渭南、临汾东南附近显示了大范围的面膨胀特征。此外，在韩城断裂两侧由西向东存在由正向负、由膨胀向压缩过渡以及继续向东由负转正、由压变拉过渡的两个等值线高梯度带，预示着该地区地壳内部的应变变化增强。总体上可以得知，在鄂尔多斯地块南缘的关中盆地内部显示了显著的面压缩特性，平均压应变率约－4.0×10-8/a，而在盆地北部鄂尔多斯地块内边缘及盆地以南的秦岭区域则表现为面膨胀特征。

图3 鄂尔多斯地块南缘2010～2012周期应变场计算结果

2.3 主应变率分析

主应变分布（图3c）除了可以展示各网格点的主拉、主压应变特征外，还能弥补面膨胀在方向上不可识别的问题。关中盆地内部，面膨胀率显示了挤压状态，在主应变率同样为压性变化特征，但其主压应变的方向为NW、NWW，在盆地北边缘及韩城地区的压性方向主要为NEE；六盘山断裂东侧的主拉应变方向为NNW，鄂尔多斯地块内部的主应变率变化较小；秦岭北麓地区主拉应变较为明显，方向由NWW转为NW。从主应变尤其是主压应变的方向上可以获知，主应变从另一个角度反映了地壳移动、应变方向及其源动力的走向。

2.4 最大剪应变率分析

剪应变反映了上地壳在空间直角坐标系统下地表一点角度物理量的相对改变程度。最大剪应变等值线分布如图3d所示，主要高值区有5处，分别为六盘山断裂带以东附近地区，约16.0×10-8/a；乾县-蒲城断裂中段以北区域，约14.0×10-8/a；乾县-蒲城断裂东段与韩城断裂之间，约14.0×10-8/a；秦岭北麓断裂东段以南，约16.0×10-8/a；以及略阳-洋县断裂以南、龙门山山前断裂以东区域，约14.0×10-8/a。上述最大剪应变高值区主要分布陕西关中盆地周围，该地区错综复杂地展布着若干条主要断裂，如乾县-蒲城断裂、韩城断裂、秦岭北麓断裂、渭河断裂等，其走向为EW与NEE，与GPS水平运动方向接近，因此出现了若干个剪应变高值区。

3 结 语

本文针对鄂尔多斯地块周缘中地壳、断裂活动较少的南缘地区，利用2010～2012年GPS水平运动矢量数据，计算并探讨了该区域的主应变率、最大剪应变率、面膨胀率等应变场变化特征，初步获取了如下3点认识：

1）鄂尔多斯地块南缘的关中盆地内部显示了显著的面压缩特性，平均压应变率约－4.0×10-8/a，而在盆地北部鄂尔多斯地块内边缘及盆地以南的秦岭区域则表现为面膨胀特征；

2）关中盆地内部主应变率变化幅度较小，但盆地周边主应变强度较大，如六盘山断裂东部、韩城断裂、略阳-洋县断裂等附近地区；

3）当地壳断裂走向与GPS水平运动矢量方向接近时，可能会出现最大剪应变高值区，如关中周边的乾县-蒲城断裂中段以北、乾县-蒲城断裂东段与韩城断裂之间、秦岭北麓断裂东段以南等地区。