青藏高原東北緣近期地殼水平運動研究*

郝 明 秦姍蘭 李煜航 王文萍 周 琳

(中國地震局第二監(jiān)測中心，西安 710054)

青藏高原東北緣近期地殼水平運動研究*

郝 明 秦姍蘭 李煜航 王文萍 周 琳

(中國地震局第二監(jiān)測中心，西安 710054)

對2011～2013年7月的3期流動GPS最新觀測資料進行處理，獲取青藏高原東北緣地區(qū)近期地殼水平運動速度場圖像。水平運動速率、跨主要活動斷裂GPS運動剖面以及應變率場結果表明:1)祁連山北緣斷裂東段-榆木山斷裂、六盤山斷裂地殼縮短較為明顯，但在斷裂兩側鄰近區(qū)域差異性運動并不明顯，說明這兩條斷裂處于應變積累階段，閉鎖程度高;2)岷縣-宕昌斷裂處于剪切應變積累的強閉鎖階段，2013-07-22在該斷裂帶上發(fā)生了Ms6.6地震;3)受2008年汶川地震震后影響的龍門山震區(qū)已基本調整恢復到震前的運動態(tài)勢，龍門山斷裂帶擠壓縮短率為1～3 mm/a。

青藏高原東北緣;地殼運動;水平速度場;岷縣地震;地殼縮短

作為青藏高原北東向擴展的前緣地帶，青藏高原東北緣地區(qū)正經歷著地殼縮短和走滑剪切變形。研究本區(qū)的運動與變形對研究整個青藏高原的運動與變形以及強震預測具有重要科學意義。對該區(qū)域的地殼水平運動也已取得了許多重要進展［1－3］。本文利用最新GPS觀測資料，探討和分析了青藏高原東北緣地區(qū)近期地殼水平運動特征和應變率場分布情況。

1 資料和處理方法

資料主要來源于2011年和2013年“中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網絡”項目(簡稱“陸態(tài)網絡”)在青藏高原東北緣觀測的GPS數(shù)據(jù)以及地震行業(yè)專項“中國綜合地球物理場觀測鄂爾多斯地塊及周緣地區(qū)”于2012年在鄂爾多斯地塊西緣及龍門山地區(qū)觀測的GPS數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理采用 GAMIT/GLOBK軟件［4］，按以下3 步完成:

1)首先利用GAMIT獲得GPS測站坐標、衛(wèi)星軌道及臺站對流層天頂延遲等參數(shù)及其方差-協(xié)方差矩陣的單日松弛解。解算時采用SOPAC數(shù)據(jù)中心提供的精密星歷文件，并將中國大陸及周邊的IGS測站觀測數(shù)據(jù)加入?yún)^(qū)域網站的分析處理。為保證最終結果的自洽性，同時獲取了全球100多個IGS測站的單日松弛解。

2)利用GLOBK軟件(卡爾曼濾波)進行多時段綜合解算，以獲得網平差結果。在進行GLOBK綜合解算時，把區(qū)域站單日松弛解和全球IGS站單日松弛解捆綁在一起，并選取全球均勻分布的90多個穩(wěn)定站(GAMIT/GLOBK軟件提供)為基準點，將區(qū)域站速度場固定到ITRF2008框架下。

3)利用 Altamimi等［5］提供的 ITRF2008 框架下歐亞板塊歐拉極，獲取青藏高原東北緣及鄰區(qū)相對穩(wěn)定歐亞板塊的水平運動速度場圖像(圖1，橢圓代表2倍中誤差;紅色矩形框為圖2中剖面位置;灰色線條表示主要活動斷裂)。

2 水平運動速度場與應變率場

2.1 水平運動特征

青藏高原東北緣2011～2013期間地殼水平運動與1998～2009長期運動趨勢總體一致［6］。印度板塊向歐亞板塊俯沖，造成青藏高原北東向擴展，由于受到阿拉善、鄂爾多斯、華南等穩(wěn)定地塊的阻擋，被高原東緣的地殼縮短和走滑剪切所調整吸收［7］。圖1清晰地反映出東北緣地區(qū)GPS速度場由北向南的變化特征，即由祁連山地區(qū)的北東方向，變?yōu)闁|昆侖與海原-六盤山斷裂之間的北東東方向，再到龍門山地區(qū)的東方向或南東東方向。在祁連山地區(qū)，GPS運動速率由柴達木盆地的11 mm/a減小到阿拉善地塊的2～3 mm/a，地殼水平擠壓比較明顯。

圖1 青藏高原東北緣GPS水平運動速度場Fig.1 Horizontal velocity field for the northeastern Tibetan plateau with respect to Eurasia block

為估計某斷層的活動情況，可以選取斷層兩側一定范圍內的GPS測站，投影得到平行于垂直斷層走向的速度分量隨斷層距離的分布。假定塊體為剛性，分別求得兩塊體速度分量的統(tǒng)計平均值，它們的差分別是沿斷層的滑動速率和跨斷層的拉張或擠壓速率［8］。由橫跨祁連山北緣斷裂西段的GPS運動速率剖面(圖2(a))可得出，該斷裂存在5～6 mm/a的擠壓縮短，同時兼具約4 mm/a的左旋走滑速率。跨祁連山北緣斷裂東段-榆木山斷裂的GPS速率剖面(圖2(b))表明，在該段斷裂南北兩側300 km范圍內，有明顯的水平擠壓和左旋走滑剪切運動，但在斷裂兩側各50 km范圍內的鄰近區(qū)域差異性運動并不明顯，反映出祁連山北緣斷裂東段正經歷著應變積累的強閉鎖階段。由圖2(b)還可以獲取榆木山斷裂分別具有約8和4 mm/a的水平縮短和左旋走滑速率。因此祁連山北緣斷裂具有明顯的地殼縮短和左旋剪切變形［2，9］。

將圖1與長期運動速度場［6］作對比可以發(fā)現(xiàn)，莊浪河斷裂東西兩側的差異性運動增強，海原斷裂帶左旋走滑狀態(tài)持續(xù)。

圖2 跨青藏高原東北緣及鄰區(qū)主要斷裂帶的GPS運動剖面Fig.2 GPS profiles across major active faults in northeastern Tibetan plateau

由橫跨六盤山斷裂的GPS水平運動剖面(圖2(c))可以看出，六盤山的地殼縮短速率為5～6 mm/a。地殼縮短并不存在于六盤山斷裂附近，而是在其以西寬達300 km的范圍內［2］。與垂直于榆木山斷裂的GPS速率剖面相似，六盤山兩側的鄰近區(qū)域內垂直斷層的運動速率基本沒有差異，由此認為六盤山斷裂現(xiàn)處于強閉鎖狀態(tài)。

從橫跨銀川盆地的垂直和平行斷層的速度剖面中(圖2(d))可以看出，銀川盆地現(xiàn)處于東西向拉張狀態(tài)［10］，同時兼具微弱的右旋走滑。

根據(jù)橫跨迭部-白龍江斷裂、岷縣-宕昌斷裂和西秦嶺斷裂三大斷裂系的平行斷層GPS速度場剖面(圖2(e))可以發(fā)現(xiàn)，迭部-白龍江斷裂以南相對西秦嶺斷裂以北存在約6 mm/a的右旋走滑運動，而夾在這兩條斷裂之間的岷縣-宕昌斷裂則位于形變梯度帶內，處于應變積累的強閉鎖階段。2013-07-22甘肅岷縣6.6級地震的發(fā)生應該與岷縣-宕昌斷裂強閉鎖狀態(tài)有關。

跨龍門山斷裂的GPS運動剖面(圖2(f))揭示出龍門山斷裂帶存在1～3 mm/a的水平擠壓，與2008年 Ms8.0級汶川地震前的地殼縮短率一致［11］。龍門山西側200 km處的龍日壩斷裂具有約7 mm/a的右旋走滑和1 mm/a水平縮短，與全新世期間長期平均滑動速率相當［12］。以上分析表明，受汶川地震影響的龍門山地區(qū)的構造運動已基本調整恢復到地震前的運動形態(tài)。

2.2 應變率場分析

GPS速度場可給出直觀的板塊或地塊的運動狀態(tài)，應變率場能夠表達變形的性質與強度。速度場與選取的參考框架有關，應變率場則與基準無關，因此可能是一種更好的解決方法。很多學者提出了由GPS速度場計算應變率場的方法［13－14］。本文采用Shen等［13］提出的臺站至計算點距離加權的方法計算應變率場圖像(圖3、4)。

由圖3可見，最大壓應變率位于鮮水河斷裂附近，中心處達到5×10－8/a，這個地區(qū)的剪應變率也最大，為4×10－8/a。僅次于鮮水河斷裂帶的高構造壓應變率區(qū)為祁連山斷裂帶，約3×10－8/a。該區(qū)域水平擴容率為負，代表擠壓縮短比較明顯，中心處達到2.5×10－8/a。海原斷裂表現(xiàn)出明顯的剪切變形特征，西段跨斷層最大剪應變率大于東段，并且以壓應變率為主，其方向由北東向變?yōu)楸睎|東向。

圖3 主應變率和面膨脹率分布(單位:10－9/a)Fig.3 Principle strain rates and dilation rate

3 結論

利用2011～2013年期間的3期流動GPS觀測資料，對青藏高原東北緣地區(qū)的最新運動學特征進行分析。近期青藏高原東北緣水平運動速率與1998～2009年的長期運動總體一致。祁連山北緣斷裂具有水平擠壓和左旋剪切變形，水平擠壓速率大于走滑速率。該斷裂東段的地殼縮短速率明顯高于西段，GPS運動剖面圖揭示出東段現(xiàn)處于應變積累的強閉鎖階段。六盤山地區(qū)的擠壓縮短存在其以西300 km的范圍內，而兩側鄰近區(qū)域基本沒有差異性運動，說明六盤山斷裂閉鎖程度高。橫跨迭部-白龍江斷裂和西秦嶺斷裂的GPS運動剖面表明，位于這兩條斷裂之間的岷縣-宕昌斷裂處于剪切變形的形變速率梯度帶內，2013年甘肅岷縣地震應該與震前岷縣-宕昌斷裂強閉鎖狀態(tài)有關。龍門山斷裂帶及周圍的構造運動速率已基本調整恢復到2008年汶川地震前的運動態(tài)勢。

圖4 最大剪應變率分布(單位:10－9/a)Fig.4 Maximum shear strain rate

1 江在森，等.青藏塊體東北緣近期水平運動與變形［J］.地球物理學報，2001，41(5):636 –644.(Jiang Zaisen，et al.Recent horizontal movement and deformation in the Northeast margin of Qinghai-Tibet block［J］Chinese J Geophys，2001，41(5):636－644)

2 Zhang P Z，et al.Continuous deformation of the Tibetan plateau from global positioning system data［J］.Geology，2004，32(9):809－812.

3 崔篤信，等.青藏高原東北緣巖石圈變形及其機理［J］.地球物理學報，2009，52(6):1 490 －1 499.(Cui Duxin，et al.Lithosphere deformation and deformation mechanism in northeastern margin of Qinghai-Tibet plateau ［J］.Chinese J Geophys，2009，52(6):1 490 －1 499)

4 Herring T A，King R W，McClusky S C.GAMIT reference manual，Release 10.35 ［M］.Massachusetts Institute of Technology，2009.

5 Altamimi Z Collilieux X Métivier L.ITRF2008:an improved solution of the international terrestrial reference frame［J］.J Geod，2011，85:457 －473.

6 李強，等.中國大陸構造變形高精度大密度GPS監(jiān)測現(xiàn)今速度場［J］.中國科學:地球科學，2012，42(5):629 –632.(Li Qiang，et al.A precise velocity field of tectonic deformation in China as inferred from intensive GPS observations［J］.Science China Earth Sciences，2012，42(5):629－632)

7 Tapponnier P，et al.Oblique stepwise rise and growth of the Tibet plateau［J］.Science，2001，294:1 671 －1 677.

8 呂江寧，沈正康，王敏.川滇地區(qū)現(xiàn)代地殼運動速度場和活動塊體模型研究［J］.地震地質，2003，25(4):543－554.(Lü Jiangning，Shen Zhengkang，Wang Min.Contemporary crustal deformation and active tectonic block model of the Sichuan-Yunnan region in China［J］.Seismology and Geology，2003，25(4):543 －554)

9 Lease R，et al.Cenozoic shortening budget for the northeastern edge of the Tibetan Plateau:Is lower crustal flow necessary?［J］Tectonics，2012，31，TC3011.

10 柴熾章，等.銀川市活動斷層探測與地震危險性評價［M］.北京:科學出版社，2011.(Chai Zhizhang，et al.Active faults exploration and seismic hazard assessment of Yinchuan city［M］.Beijing:Science Press，2011)

11 張培震，等.2008年汶川8.0級地震發(fā)震斷裂的滑動速率、復發(fā)周期和構造成因［J］.地球物理學報，2008，51(4):1 066 － 1 073.(Zhang Peizhen，et al.Slip rates and recurrence intervals of the Longmenshan active fault zone，and tectonic implications for the mechanism of the May 12 Wenchuan earthquake，2008，Sichuan，China［J］.Chinese J Geophys，2008，51(4):1 066 －1 073)

12 徐錫偉，等.巴顏喀拉地塊東部龍日壩斷裂帶的發(fā)現(xiàn)及其大地構造意義［J］.中國科學(D輯):地球科學，2008，38(5):529 －542.(Xu Xiwei，et al.Discovery of the Longriba fault zone in eastern Bayan Har block，China and its tectonic implication ［J］.Science China Earth Sciences，2008，51(9):1 209 －1 223)

13 Shen Z K，Jackson D D，Ge B X.Crustal deformation across and beyond the Los Angeles basin from geodetic measurements［J］.J Geophys Res，1996，101:27 957 －27 980.

14 江在森，劉經南.應用最小二乘配置建立地殼運動速度場與應變場的方法［J］.地球物理學報，2010，53(5):1 109 －1 117.(Jiang Zaisen，Liu Jingnan.The method in establishing strain field velocity of crustal movement using least squares collocation ［J］.Chinese J Geophys，2010，53(5):1 109－1 117)

致謝 感謝“中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網絡”項目提供的部分GPS觀測數(shù)據(jù)!

RECENT HORIZONTANL VELOCITY FIELD OF NORTHEASTERN TIBETAN PLATEAU

Hao Ming，Qin Shanlan，Li Yuhang，Wang Wenping and Zhou Lin
(Second Crustal Monitoring and Application Centre，Xi’an 710054)

The horizontal velocity field of the northeastern Qinghai-Tibet plateau is acquired by using the GPS data observed between 2011 and 2013.The current crustal movement in the northeastern margin of the Tibetan plateau is consistent with the long term motion.The north Qilianshan fault is experiencing the deformation of contraction and left-lateral shear，and the shortening rate is larger than the strike slip rate.The horizontal shortening rate of west part of north Qilianshan fault is larger than that of the east part.The GPS velocity profile across the west part of north Qilianshan fault shows that the strain is accumulating while the underneath of this fault is locking.The profile perpendicular to the Liupanshan fault demonstrates that the shortening is distributed at the west of Liupanshan with a range of 300 km.There is no differential movement in the vicinity of both sides of Liupanshan.Therefore，Liupanshan fault is locked deeply.The profile parallel to Diebu-Bailongjiang fault and west Qinling shows that there is a strike-slip deformation gradient between them.Linxia-Tanchang fault is located at this gradient and the shear strain is accumulating.The 2013 Minxian Ms 6.6 earthquake might be associated with this elastic strain accumulation due to locking.The tectonic motion of Longmenshan fault and surrounding area has been basically restored to horizontal movement before the 2008 Wenchuan earthquake.

northeastern Qinghai-Tibetan plateau;crustal movement;horizontal velocity field;Minxian earthquake;crustal convergence

P227

A

1671-5942(2014)03-0099-05

2013-10-16

國家自然科學基金項目(41174083);地震行業(yè)科研專項(201208009);陜西省科技計劃項目(2012SF2-17)。

郝明，男，1982年生，博士，研究方向:GPS數(shù)據(jù)處理及其在地形監(jiān)測中的應用。E－mail:ha_mg@163.com。