用GPS資料分析隴縣-寶雞斷裂帶構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征

戴洪寶 唐紅濤

1 宿州學(xué)院環(huán)境與測(cè)繪工程學(xué)院，安徽省宿州市汴河中路49號(hào)，234000 2 中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心，西安市西影路316號(hào)，710054

隴縣-寶雞斷裂帶地處鄂爾多斯塊體西南緣弧形斷裂束的最南段，是我國(guó)大陸東西向和南北向巨型構(gòu)造帶的交界地帶。該斷裂帶為我國(guó)區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈的地區(qū)之一，其根源是西南方向印度板塊的不斷擠壓，通過青藏高原隆升的吸收作用與北部阿拉善堅(jiān)硬地塊的阻隔作用，地殼物質(zhì)流偏轉(zhuǎn)為NEE或近E方向，其中一部分經(jīng)隴縣-寶雞斷裂帶沿渭河地塹盆地、秦嶺造山帶轉(zhuǎn)向山西斷陷帶[1-2]。而在構(gòu)造上位于鄂爾多斯塊體與青藏塊體東北部祁連斷褶帶之間構(gòu)造轉(zhuǎn)換部位的隴縣-寶雞斷裂帶，其地殼形變及內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)的狀況和分布特征還需進(jìn)一步分析與研究。孫昭民等[3]對(duì)六盤山東麓斷裂與隴縣-寶雞斷裂帶的相互關(guān)系進(jìn)行了闡述；隴縣-寶雞斷裂帶的相關(guān)地質(zhì)條件、地質(zhì)地貌也已有概述性介紹[4]。但上述研究并未針對(duì)該斷裂帶作出系統(tǒng)性研究，特別是在該地區(qū)內(nèi)部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算與分析方面；同時(shí)，從深部系統(tǒng)剖析相應(yīng)地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分布特征的研究也較少。因此，為了分析鄂爾多斯地塊西南緣隴縣-寶雞斷裂帶在受到青藏塊體推擠作用下各斷層的應(yīng)力場(chǎng)分布特征，本文運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立三維地質(zhì)模型，將2011～2015年GPS觀測(cè)資料作為位移邊界，分析研究區(qū)位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)特征。

1 斷裂活動(dòng)構(gòu)造

隴縣-寶雞斷裂帶位于鄂爾多斯地塊西南緣弧形斷裂束，地處3大地塊的接壤地帶，西側(cè)為甘青地塊，東部和北部為鄂爾多斯地塊，南部為華南地塊。該斷裂帶由4條NW-SE走向斷層組成，自西向東分別為桃園-龜川寺斷裂、固關(guān)-虢鎮(zhèn)斷裂、千陽(yáng)-彪角斷裂以及岐山-馬昭斷裂，其中固關(guān)-虢鎮(zhèn)斷裂與岐山-馬昭斷裂為主斷裂(圖1)。整個(gè)隴縣-寶雞斷裂帶還處于海原-六盤山-寶雞斷裂帶南段，其北部較窄，約15 km，南端寬70 km。4條斷層在地貌上呈現(xiàn)斷隆與斷陷相間排列的格局，現(xiàn)今構(gòu)造格局基本繼承早白堊紀(jì)時(shí)期形成的“兩塹夾一壘”的特點(diǎn)[5-6]。

圖1 鄂爾多斯地塊西南緣斷裂分布Fig.1 Distribution of fracture in the southwestern margin of the Ordos block

2 有限元模型的建立

2.1 塊體劃分

基于既能客觀體現(xiàn)出鄂爾多斯地塊西南緣弧形構(gòu)造帶主要斷裂在三維模型中的分布特征，又不過于簡(jiǎn)化現(xiàn)實(shí)情況的原則，同時(shí)顧及地殼巖體物理、力學(xué)性質(zhì)差異，本文將模型劃分為4個(gè)部分(6個(gè)小塊)，具體分隔特征線為岐山-馬昭斷裂、千陽(yáng)-彪角斷裂、六盤山-固關(guān)-虢鎮(zhèn)斷裂、桃園-龜川寺斷裂與西秦嶺北緣斷裂，共分為4個(gè)主要區(qū)域：東部鄂爾多斯地塊、西部隴西塊體、南部西秦嶺構(gòu)造區(qū)及中部隴縣-寶雞斷裂帶(圖2)。模型整體邊長(zhǎng)約220 km，地殼垂直厚度為20 km。將桃園-龜川寺斷層傾角設(shè)為70°；六盤山-固關(guān)-虢鎮(zhèn)斷層傾角設(shè)為80°；千陽(yáng)-彪角斷層由于出露不明顯，本文設(shè)定其為直立斷層；岐山-馬昭斷層傾角設(shè)為60°；西秦嶺北緣斷裂為東西向區(qū)域性長(zhǎng)期活動(dòng)的大型斷裂，斷面顯示為波狀，總體北傾，斷層傾角設(shè)為70°。模型單元采用四面體結(jié)構(gòu)，地表網(wǎng)格劃分均勻，弧形構(gòu)造帶部分的網(wǎng)格劃分較密，共建立49 200個(gè)單元、74 630個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分與接觸面設(shè)置Fig.2 The grid division of numerical simulation and contact surface setting

2.2 接觸面設(shè)置

接觸為一種非線性行為，接觸過程中易發(fā)生穿透、分離及不收斂等現(xiàn)象，本次建模將各斷裂兩側(cè)的塊體接觸面均定義為接觸對(duì)(共15個(gè))，如圖2(b)所示。為了確保計(jì)算中結(jié)果的可靠與收斂，同時(shí)降低計(jì)算成本，本文針對(duì)接觸行為進(jìn)行如下處理：1)采用點(diǎn)對(duì)面的接觸對(duì)離散方法；2)在力學(xué)問題的跟蹤模擬中選用有限滑動(dòng)的跟蹤方法；3)在接觸模擬中確保從屬面應(yīng)處于主控面法方向所指一側(cè)；4)為避免主控面法線的不連續(xù)現(xiàn)象及收斂問題，對(duì)主控面進(jìn)行光滑處理。此外，在定義接觸對(duì)的切向與法向過程中，采用罰函數(shù)的摩擦模型，鑒于鄂爾多斯地塊西南緣北段逆沖壓性、南段走滑拉張的主要活動(dòng)特點(diǎn)，將隴縣-寶雞斷裂帶以北的接觸摩擦系數(shù)設(shè)為0.6，以南設(shè)為0.2。

2.3 地質(zhì)介質(zhì)參數(shù)

依據(jù)前人關(guān)于鄂爾多斯地塊西南緣、隴西地塊及西秦嶺構(gòu)造區(qū)的塊體劃分與地殼介質(zhì)相關(guān)資料，設(shè)定鄂爾多斯地塊西南緣塊體劃分與介質(zhì)物理-力學(xué)參數(shù)[7-8]，詳見表1。

表1 鄂爾多斯地塊西南緣塊體介質(zhì)參數(shù)

2.4 邊界條件的選取與施加

將2011～2015年的GPS水平運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)資料(陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)資料)作為數(shù)值模擬的邊界約束條件。由于前期GPS資料是相對(duì)歐亞板塊的速度場(chǎng)數(shù)據(jù)(圖3(a))，為了能更加清晰地認(rèn)識(shí)隴縣-寶雞斷裂帶構(gòu)造區(qū)相對(duì)鄂爾多斯地塊的運(yùn)動(dòng)特征，將相對(duì)歐亞板塊的GPS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相對(duì)于鄂爾多斯地塊的GPS速度場(chǎng)，將鄂爾多斯地塊視為穩(wěn)定的不變場(chǎng)。如圖3(b)所示，鄂爾多斯地塊內(nèi)部GPS觀測(cè)點(diǎn)速率值基本已被消除，其余GPS站點(diǎn)速度均被轉(zhuǎn)換。對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格均勻內(nèi)插(圖3(c))，內(nèi)插間隔為0.2°。由于我國(guó)大陸地殼運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源來(lái)自印度板塊對(duì)青藏高原NE向的擠壓，在給模型施加位移邊界時(shí)，本文僅考慮模型北側(cè)、西側(cè)以及南側(cè)的GPS速度值，東側(cè)岐山-馬昭斷裂不施加位移邊界。

此外，鄂爾多斯地塊北側(cè)在U2方向(Y方向)固定，東側(cè)在U1方向(X方向)固定，地殼底面在U3方向(Z方向)約束，模型頂部為自由表面。考慮到時(shí)間步長(zhǎng)，在計(jì)算模擬速度場(chǎng)時(shí)，施加的為年平均運(yùn)動(dòng)速率；若需要獲得2011～2015年期間5 a尺度的應(yīng)力場(chǎng)，則應(yīng)施加GPS位移總量。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 位移場(chǎng)模擬結(jié)果

圖4(a)為GPS模擬位移場(chǎng)，圖中每個(gè)網(wǎng)格積分點(diǎn)均可顯示速度值，箭頭顏色、長(zhǎng)短均表示該積分點(diǎn)處速率值。從圖中可以看出，模擬結(jié)果與圖3(c)中GPS實(shí)測(cè)值運(yùn)動(dòng)方向一致。隴縣-寶雞斷裂帶以北的六盤山斷裂速度場(chǎng)方向?yàn)榻麰或SEE，指向鄂爾多斯地塊內(nèi)部；隴縣-寶雞斷裂帶，尤其是與鄂爾多斯地塊接觸的岐山-馬昭斷裂處的GPS運(yùn)動(dòng)方向平行于斷裂走向，并未向東指向鄂爾多斯地塊內(nèi)部，在岐山-馬昭斷裂南端其模擬值向SEE方向運(yùn)動(dòng)，較好地反映出鄂爾多斯地塊西南緣北段六盤山斷裂向E逆沖擠壓、南段隴縣-寶雞斷裂帶以SE向走滑為主兼顧壓性的運(yùn)動(dòng)跡象，且隴西地塊地殼物質(zhì)流在岐山-馬昭斷裂南端向東逃逸。如圖4(b)所示，在隴縣-寶雞斷裂帶的主斷裂岐山-馬昭斷裂北段與中段分別選取1對(duì)記錄點(diǎn)，將其作為斷層面兩側(cè)的活動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并將斷層位移的模擬結(jié)果與相關(guān)研究成果進(jìn)行對(duì)比。通過有限元模擬分別獲取上述2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的左旋走滑速率，北段監(jiān)測(cè)點(diǎn)為0.83 mm/a，中段監(jiān)測(cè)點(diǎn)為0.36 mm/a，該結(jié)果與前人研究成果接近[9-10]，且表現(xiàn)出岐山-馬昭斷裂左旋走滑量由北向南逐漸減小的特點(diǎn)。圖4(c)為模擬GPS速度場(chǎng)與實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果，除個(gè)別點(diǎn)差別較大外，整體模擬位移場(chǎng)與實(shí)測(cè)值較為一致，清晰地顯示出隴縣-寶雞斷裂帶由西向東受鄂爾多斯地塊西南緣阻擋的格局。圖4(d)為GPS速度場(chǎng)模擬值殘差結(jié)果，從殘差方向來(lái)看，E、N方向的模擬值與觀測(cè)值基本保持一致；從量值上看，E方向殘差最大為1.91 mm，最小為0.02 mm，平均值為0.56 mm，N方向殘差最大為2.72 mm，最小為0.01 mm，平均值為0.55 mm。

圖3 鄂爾多斯地塊西南緣GPS速度場(chǎng)及位移邊界Fig.3 GPS velocity field and displacement boundary in the southwestern margin of the Ordos block

圖4 GPS位移場(chǎng)對(duì)比結(jié)果及殘差Fig.4 Comparison results and residuals of GPS displacement field

3.2 應(yīng)變場(chǎng)模擬結(jié)果

圖5(a)為研究區(qū)模擬應(yīng)變場(chǎng)結(jié)果，利用GPS數(shù)據(jù)計(jì)算該地區(qū)的主應(yīng)變率(圖5(b))。從圖中可以看出，在六盤山斷裂南段固原以南形成弧形拉張應(yīng)變場(chǎng)；隴縣-寶雞斷裂帶內(nèi)部以NW-SE向拉應(yīng)變?yōu)橹?，同時(shí)具有NE或NNE向壓應(yīng)變；在寶雞以東的西秦嶺構(gòu)造區(qū)，則表現(xiàn)為NS向拉張應(yīng)變。上述各局部應(yīng)變場(chǎng)的模擬結(jié)果均與GPS計(jì)算所得到的應(yīng)變場(chǎng)方向結(jié)果一致。

圖5 應(yīng)變場(chǎng)模擬對(duì)比結(jié)果Fig.5 Comparison results of strain field simulation

3.3 應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果

活動(dòng)斷層實(shí)際上為現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中應(yīng)力集中程度較高的區(qū)域，會(huì)導(dǎo)致附近一定區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)重新分布，通過應(yīng)力場(chǎng)研究可進(jìn)一步認(rèn)識(shí)地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)與變化規(guī)律。從圖6(a)和6(b)可知，鄂爾多斯地塊西南緣應(yīng)力場(chǎng)存在以下分布特征：1)鄂爾多斯塊體內(nèi)部較為穩(wěn)定，張性應(yīng)力較??；2)隴縣-寶雞斷裂帶與岐山-馬昭斷裂南端向東的渭河盆地張應(yīng)力較弱，表明來(lái)自隴西地塊的物質(zhì)向SE向流動(dòng)，并進(jìn)入渭河盆地，符合隴縣-寶雞斷裂帶正斷左旋走滑的地殼運(yùn)動(dòng)特征；3)隴西地塊及秦嶺構(gòu)造區(qū)顯示出強(qiáng)度較高的張性應(yīng)力特征。圖6(c)為隴縣-寶雞斷裂帶最大主應(yīng)力矢量結(jié)果，從圖中可以看出該斷裂區(qū)域地表與深部的應(yīng)力場(chǎng)特征，其表面以NW-SN向拉應(yīng)力為主，深部則主要表現(xiàn)為NE向壓應(yīng)力，即深部為NE向擠壓應(yīng)力環(huán)境，淺部為SSE向拉張應(yīng)力環(huán)境，局部存在多方向的伸展格局。圖6(d)為隴縣-寶雞斷裂帶第二主應(yīng)力矢量結(jié)果，該區(qū)域淺部為垂直于斷裂帶走向的NE向擠壓應(yīng)力環(huán)境，即垂直于其淺部最大主應(yīng)力(拉張應(yīng)力)方向，該結(jié)果與前人研究成果相近[4, 11]。

圖6(e)為最大主應(yīng)力矢量結(jié)果，某點(diǎn)的最大拉應(yīng)力數(shù)值即為該點(diǎn)的最大主應(yīng)力值。鄂爾多斯地塊內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值較弱，且方向雜亂，但其西南緣與隴縣-寶雞斷裂帶接壤的SE向條帶的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力性質(zhì)、方向與隴縣-寶雞斷裂帶一致，顯示出平行于SE向斷裂帶走向的張性活動(dòng)特征。由于SSE走向的六盤山斷裂的存在，隴西地塊北部表現(xiàn)出與隴縣-寶雞斷裂帶走向相切的弧形張性應(yīng)力狀態(tài)，表明E向運(yùn)動(dòng)物質(zhì)受鄂爾多斯地塊阻擋向南逃逸，該過程同時(shí)伴有近E向或SEE向的壓性運(yùn)動(dòng)，與六盤山斷裂的逆斷活動(dòng)特征并不矛盾。圖6(f)為第二主應(yīng)力矢量結(jié)果，根據(jù)各項(xiàng)同性的物理基礎(chǔ)，其方向與最大主應(yīng)力在U1-U2(X-Y)平面內(nèi)相互垂直，且除鄂爾多斯地塊內(nèi)部顯示張性應(yīng)力外，其他地區(qū)均顯示壓性應(yīng)力狀態(tài)。尤其在隴西地塊北段，其壓應(yīng)力方向基本與六盤山斷裂相互垂直。此外，隴縣-寶雞斷裂帶最南端與秦嶺構(gòu)造區(qū)接壤地帶以南地區(qū)，其SEE向壓性應(yīng)力尤為顯著，將作為重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文將GPS位移場(chǎng)數(shù)據(jù)作為邊界條件，運(yùn)用有限元對(duì)隴縣-寶雞斷裂帶及其鄰區(qū)進(jìn)行位移場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬，并進(jìn)一步探討該地區(qū)地殼現(xiàn)今活動(dòng)與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的分布特征，初步獲得以下認(rèn)識(shí)：

1)隴縣-寶雞斷裂帶與岐山-馬昭斷裂南端向東的渭河盆地表現(xiàn)為弱化的張性特征，表明來(lái)自隴西地塊的物質(zhì)向SE向流動(dòng)，并進(jìn)入渭河盆地，符合隴縣-寶雞斷裂帶正斷左旋走滑的地殼運(yùn)動(dòng)特征。

2)隴西地塊及秦嶺構(gòu)造區(qū)顯示出強(qiáng)度較高的張性活動(dòng)特征。

3)鄂爾多斯地塊西南緣與隴縣-寶雞斷裂帶接壤的SE向條帶的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力性質(zhì)、方向與隴縣-寶雞斷裂帶一致，顯示出平行于斷裂帶走向的張性活動(dòng)特征。

4)隴縣-寶雞斷裂帶南端與秦嶺構(gòu)造區(qū)接壤地帶以南地區(qū)的SEE向壓性應(yīng)力顯著，后期將作為重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。

本研究也存在一些不足，如在斷裂帶模型劃分上還不夠細(xì)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果來(lái)劃分?jǐn)嗔褞?，分段研究各段接觸面的運(yùn)動(dòng)狀況；其次，本文雖然已關(guān)注斷層面的水平移動(dòng)速率，但未考慮斷層在垂直方向的正斷運(yùn)動(dòng)效果；此外，在邊界條件約束時(shí)，本文僅固定了模型西北邊界與東邊界(鄂爾多斯地塊內(nèi)部)，這會(huì)導(dǎo)致鄂爾多斯地塊內(nèi)部無(wú)序的應(yīng)力場(chǎng)分布。