利用水準(zhǔn)資料研究西秦嶺地區(qū)的垂直形變*

秦姍蘭 王慶良 季靈運(yùn) 李煜航

(中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心，西安 710054)

利用水準(zhǔn)資料研究西秦嶺地區(qū)的垂直形變*

秦姍蘭 王慶良 季靈運(yùn) 李煜航

(中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心，西安 710054)

基于1970年至2006年的水準(zhǔn)觀測(cè)資料，以高差變化速率為觀測(cè)值、觀測(cè)點(diǎn)速率為未知參數(shù)的最小二乘整體網(wǎng)平差方法獲取了西秦嶺地區(qū)長(zhǎng)期地殼垂直運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)圖像。結(jié)果表明:相對(duì)寶雞基巖點(diǎn)(隴褒17)，六盤山周圍地區(qū)表現(xiàn)為明顯的隆升態(tài)勢(shì)，隆升速率達(dá)2～3 mm/a;蘭州地區(qū)整體呈現(xiàn)下沉趨勢(shì)，下沉速率為1.5 mm/a。

西秦嶺;水準(zhǔn)資料;垂直形變場(chǎng);最小二乘;速度場(chǎng)圖像

1 引言

利用精密水準(zhǔn)資料獲取垂直形變場(chǎng)是研究地殼垂直運(yùn)動(dòng)特征的重要方法之一。文獻(xiàn)［1，2］利用多期精密水準(zhǔn)資料研究了鮮水河、安寧河斷裂帶數(shù)年時(shí)間段內(nèi)的垂直形變，取得了鮮水河與安寧河斷層的活動(dòng)速率;文獻(xiàn)［3］則利用長(zhǎng)時(shí)間尺度內(nèi)多期高精度水準(zhǔn)資料對(duì)川西地區(qū)現(xiàn)今垂直形變進(jìn)行了研究，得到了川西地區(qū)地殼變形速率。秦嶺造山帶是中國(guó)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(shí)也是青藏高原東北緣的重要組成部分［4］。對(duì)西秦嶺地殼運(yùn)動(dòng)特征的研究不僅對(duì)該地區(qū)有著十分重要的意義，同時(shí)也對(duì)研究青藏高原東北緣的形變特征具有一定的參考價(jià)值。

基于此，本文將利用西秦嶺地區(qū)近40年的精密水準(zhǔn)資料，研究該區(qū)數(shù)十年尺度內(nèi)的垂直形變特征。

2 資料概況

20世紀(jì)70年代以來，為監(jiān)測(cè)西秦嶺地區(qū)的地殼運(yùn)動(dòng)，中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心對(duì)西秦嶺地區(qū)的水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行了改、擴(kuò)建。改、擴(kuò)建后的水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)由5個(gè)水準(zhǔn)環(huán)組成，路線總長(zhǎng)3 000多千米，點(diǎn)距3～5 km。測(cè)線基本沿構(gòu)造或橫穿構(gòu)造帶布設(shè)［5］。絕大部分水準(zhǔn)線路先后進(jìn)行了多期一等水準(zhǔn)測(cè)量，測(cè)量中誤差為0.4 mm/km。

為獲取較為穩(wěn)定的區(qū)域地殼垂直運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)，利用的水準(zhǔn)資料一般間隔在十年以上，盡量避開區(qū)內(nèi)中強(qiáng)震的影響。經(jīng)整理，利用的水準(zhǔn)資料及年份如表1所示。

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

3 數(shù)據(jù)處理

結(jié)合研究區(qū)域水準(zhǔn)網(wǎng)的實(shí)際情況，采用以高差變化速率為觀測(cè)值、觀測(cè)點(diǎn)速率為未知參數(shù)的最小二乘整體網(wǎng)平差方法［3，6］。函數(shù)模型為:

式中Sij為第i、j點(diǎn)的高差變化速率和分別為第i、j點(diǎn)的速率，Δij為隨機(jī)誤差。

誤差方程為:

平差準(zhǔn)則為:

權(quán)值P由

確定。式中T1和T2分別為觀測(cè)時(shí)間，d為兩點(diǎn)間的距離。由于西秦嶺地區(qū)水準(zhǔn)網(wǎng)的觀測(cè)時(shí)間較為分散，因此在定權(quán)時(shí)主要考慮了資料的間隔時(shí)間和點(diǎn)間距。

為確保所用水準(zhǔn)資料的精度，在進(jìn)行整體網(wǎng)平差處理前，利用高差和觀測(cè)時(shí)間對(duì)水準(zhǔn)環(huán)進(jìn)行了垂直形變速率環(huán)閉合差檢驗(yàn)，以寶雞(隴褒17)為參考點(diǎn)，分別沿順時(shí)針和逆時(shí)針方向計(jì)算出水準(zhǔn)環(huán)中每個(gè)點(diǎn)的垂直形變速率，然后計(jì)算出垂直形變速率環(huán)閉合差，計(jì)算結(jié)果顯示大水準(zhǔn)環(huán)(環(huán)長(zhǎng)度1 836 km)的垂直形變速率環(huán)閉合差為 -0.65 mm/a，各小水準(zhǔn)環(huán)的垂直形變速率環(huán)閉合差小于0.8 mm/a。

4 西秦嶺長(zhǎng)期垂直形變速度場(chǎng)

以西岷11為基準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)西秦嶺水準(zhǔn)資料進(jìn)行整體平差(整體平差精度為每千米權(quán)中誤差0.03 mm/ a)，得到各水準(zhǔn)點(diǎn)相對(duì)西岷11(蘭州)基準(zhǔn)點(diǎn)的長(zhǎng)期垂直形變速率(圖1)，從圖1可以看出:整個(gè)西秦嶺地區(qū)相對(duì)于西岷11(蘭州)呈現(xiàn)整體隆升，平均隆升速率為2～3 mm/a，上升最快的區(qū)域?yàn)榱P山周圍地區(qū)，上升速率達(dá)3～4.5 mm/a;定漳段，望子關(guān)及漢中附近的隆升速率在2 mm/a左右。以西岷11作為基準(zhǔn)點(diǎn)，西秦嶺處于整體隆升趨勢(shì)，這不易看出西秦嶺內(nèi)各次級(jí)塊體間的相對(duì)變化，為此又以隴褒17(寶雞)為基準(zhǔn)點(diǎn)獲取該地區(qū)的垂直形變速率(圖2)，從圖2可以看出:漢中相對(duì)于寶雞的隆升速率在1.5 mm/a左右;漢中-望子關(guān)-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(shì)，合作-蘭州呈現(xiàn)下沉趨勢(shì)，速率為-1.5 mm/a，蘭州附近整體基本屬于下沉的趨勢(shì)。

為更好地研究區(qū)域內(nèi)形變特征，針對(duì)研究區(qū)域內(nèi)主要的跨斷裂測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)于寶雞呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，隆升趨勢(shì)與地質(zhì)研究結(jié)果大體一致(圖3 (a));2)岷縣-蘭州段呈現(xiàn)下沉趨勢(shì)，其速率為-1.5 mm/a(圖3(b));3)望子關(guān)-秦安段，在望子關(guān)和秦安處垂直形變不明顯，但中間部分有明顯的隆升趨勢(shì)，隆升速率達(dá)2.5 mm/a，推測(cè)可能與該測(cè)段通過多條斷裂帶有關(guān)(圖3(c))。

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

為進(jìn)一步分析區(qū)域的形變特征，采用多面函數(shù)對(duì)區(qū)域整體形變特征進(jìn)行擬合［7］，擬合結(jié)果如圖5 (擬合的核函數(shù)為倒雙曲面)。

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

圖5的擬合結(jié)果與圖2中趨勢(shì)大體一致，沉降區(qū)域在臨夏-蘭州一帶，下沉速率為-1.5 mm/a，隆升區(qū)域在六盤山、天水和岷縣附近，從圖中可以看出趨勢(shì)轉(zhuǎn)換區(qū)大都在區(qū)域內(nèi)的主要斷裂帶如六盤山、西秦嶺北緣斷裂等的附近，這應(yīng)該與該區(qū)域所處的大的運(yùn)動(dòng)背景及特殊地理位置有關(guān)，在青藏高原東北緣大的運(yùn)動(dòng)背景下，運(yùn)動(dòng)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(qū)域抬升則可能是斷裂帶吸收了部分青藏高原內(nèi)部的擠壓形變?cè)斐傻摹?/p>

5 結(jié)論

采用以高差變化速率為觀測(cè)值、觀測(cè)點(diǎn)速率為未知參數(shù)的最小二乘整體網(wǎng)平差方法對(duì)西秦嶺地區(qū)長(zhǎng)期的水準(zhǔn)資料進(jìn)行處理，結(jié)合其垂直速率圖和多面函數(shù)擬合結(jié)果得出:基于寶雞基巖點(diǎn)，整個(gè)區(qū)域運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)轉(zhuǎn)換區(qū)在主要斷裂帶的周圍，形變量最大的區(qū)域在六盤山附近，隆升速率為2～3 mm/a;蘭州附近表現(xiàn)為平均速率1.5 mm/a的下沉趨勢(shì)，該區(qū)域垂直形變表現(xiàn)出其繼承性構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的特征［8，9］，關(guān)于其形變機(jī)制還需進(jìn)行深入研究。

1 王雙緒.川西地區(qū)近期大地垂直形變場(chǎng)演化與地殼運(yùn)動(dòng)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(xiàn)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(qū)現(xiàn)今垂直地殼運(yùn)動(dòng)研究［J］.中國(guó)科學(xué)D輯:地球科學(xué)，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(jìn)京，韓文峰，李雪峰.西秦嶺新生代以來地質(zhì)構(gòu)造過程對(duì)青藏高原隆升和變形的約束［J］.地學(xué)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(gòu)造格局和性質(zhì)［J］.西北地質(zhì)，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(wǎng)平差與變形分析［M］.武漢:武漢測(cè)繪科技大學(xué)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(shù)擬合在地殼垂直運(yùn)動(dòng)研究中的應(yīng)用［J］.測(cè)繪學(xué)報(bào)，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(guó)西部大型盆地分析及地球動(dòng)力學(xué)［M］.北京:地質(zhì)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(guó)偉，等.秦嶺造山帶與大陸動(dòng)力學(xué)［M］.北京:科學(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金(40974062)

秦姍蘭，女，1984年生，碩士，主要研究方向?yàn)榈匦巫冑Y料、GNSS數(shù)據(jù)處理分析.E-mail:shanlan_qin@hotmail.com

P315.72+5

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