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渭河盆地深大断裂处构造应力特征及其活动特性

瞿伟 王运生 徐超 张勤 王庆良

瞿伟, 王运生, 徐超, 张勤, 王庆良. 渭河盆地深大断裂处构造应力特征及其活动特性[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(6): 825-830. doi: 10.13203/j.whugis20140744
引用本文: 瞿伟, 王运生, 徐超, 张勤, 王庆良. 渭河盆地深大断裂处构造应力特征及其活动特性[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(6): 825-830. doi: 10.13203/j.whugis20140744
QU Wei, WANG Yunsheng, XU Chao, ZHANG Qin, WANG Qingliang. Current Tectonic Stress and Activities Characteristics of the Deep Faults Within Weihe Basin[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(6): 825-830. doi: 10.13203/j.whugis20140744
Citation: QU Wei, WANG Yunsheng, XU Chao, ZHANG Qin, WANG Qingliang. Current Tectonic Stress and Activities Characteristics of the Deep Faults Within Weihe Basin[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(6): 825-830. doi: 10.13203/j.whugis20140744

渭河盆地深大断裂处构造应力特征及其活动特性

doi: 10.13203/j.whugis20140744
基金项目: 

国家自然科学基金 41674001

国家自然科学基金 41202189

国家自然科学基金 41274005

国家自然科学基金 41504005

陕西省自然科学基础研究计划 2016JM4005

地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室开放基金 SKLGP2014K009

中国博士后基金 2013M530412

中央高校基本科研业务费专项资金 2014G1261050

中央高校基本科研业务费专项资金 2014G3263014

详细信息
    作者简介:

    瞿伟, 博士, 副教授, 主要从事大地测量地壳形变研究。maikerqq@163.com

  • 中图分类号: P227;P228

Current Tectonic Stress and Activities Characteristics of the Deep Faults Within Weihe Basin

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 41674001

The National Natural Science Foundation of China 41202189

The National Natural Science Foundation of China 41274005

The National Natural Science Foundation of China 41504005

thev Natural Science Basic Research Plan in Shanxi Province of China 2016JM4005

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the China Science Foundation for Postdoctor 2013M530412

the Special Fund for Basic Scientific Research of Central Universities 2014G1261050

the Special Fund for Basic Scientific Research of Central Universities 2014G3263014

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    Author Bio:

    QU Wei, PhD, associate professor, specializes in geodesy and crustal deformation. E-mail: maikerqq@163.com

图(4)
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-04-17
  • 刊出日期:  2017-06-05

渭河盆地深大断裂处构造应力特征及其活动特性

doi: 10.13203/j.whugis20140744
    基金项目:

    国家自然科学基金 41674001

    国家自然科学基金 41202189

    国家自然科学基金 41274005

    国家自然科学基金 41504005

    陕西省自然科学基础研究计划 2016JM4005

    地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室开放基金 SKLGP2014K009

    中国博士后基金 2013M530412

    中央高校基本科研业务费专项资金 2014G1261050

    中央高校基本科研业务费专项资金 2014G3263014

    作者简介:

    瞿伟, 博士, 副教授, 主要从事大地测量地壳形变研究。maikerqq@163.com

  • 中图分类号: P227;P228

摘要: 利用渭河盆地2001~2010年高精度GPS监测资料,采用有限元数值分析法,分析了渭河盆地内深大断裂处的构造应力特征及断裂活动特性。结果表明,盆地西部断裂处均呈现出明显的近E-W(east-west)向挤压应力特征,而盆地中部断裂处则均呈现出显著的NW-SE(northwest-southeast)向拉张应力特征,东部断裂处呈现出一定的NW-SE向拉张应力,但该部量值较中部断裂处小;走向各异的同一条深大断裂不同区段,呈现出的应力特征、量值以及活动速率也存在差异性;跨断裂剖线显示沿断裂走向的速度分量在断裂两侧均发生了一定量值的变化,构造断裂具有一定的扭动特性。模拟计算结果进一步显示盆地中部较东、西部受NW-SE向拉张应力作用显著,且在中部这些具有拉张应力特征的深大断裂交汇处,特别是断裂活动速率较大的区段,正是盆地内地裂缝灾害最为集中发育的区域。

English Abstract

瞿伟, 王运生, 徐超, 张勤, 王庆良. 渭河盆地深大断裂处构造应力特征及其活动特性[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(6): 825-830. doi: 10.13203/j.whugis20140744
引用本文: 瞿伟, 王运生, 徐超, 张勤, 王庆良. 渭河盆地深大断裂处构造应力特征及其活动特性[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(6): 825-830. doi: 10.13203/j.whugis20140744
QU Wei, WANG Yunsheng, XU Chao, ZHANG Qin, WANG Qingliang. Current Tectonic Stress and Activities Characteristics of the Deep Faults Within Weihe Basin[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(6): 825-830. doi: 10.13203/j.whugis20140744
Citation: QU Wei, WANG Yunsheng, XU Chao, ZHANG Qin, WANG Qingliang. Current Tectonic Stress and Activities Characteristics of the Deep Faults Within Weihe Basin[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(6): 825-830. doi: 10.13203/j.whugis20140744
  • 渭河盆地地处我国特殊的大陆构造位置,位于鄂尔多斯、华南、华北、青藏地块东缘之间。该盆地整体地壳形变受其周边地块构造运动影响显著,现今地壳构造活动活跃,盆地内地质构造较复杂,发育有多条深大断裂且地质灾害频发[1-3]。许多学者针对该区域活跃的构造形变及地质灾害进行了分析研究[4-9],获得了该区域地壳形变及区域整体构造应力场特征,并指出了盆地区域性构造应力场差异性与盆地内近年来严重地裂缝灾害发育不均衡之间的关系[7]

    为进一步探究区域性构造应力场的差异性会导致盆地内深大断裂处呈现出什么样的构造应力特征,同一条深大断裂的不同区段又具有什么样的应力量值,盆地中东部多发的地裂缝灾害在空间分布上与深大断裂不同区段的活动强度是否有关等问题,本文借助GPS监测手段在地壳构造变形及动力学研究方面的优势,利用渭河盆地2001~2010年高精度GPS监测资料,采用有限元数值分析法,对上述问题进行了分析。

    • 本文采用中国地壳运动监测网络与陕西省地震局观测网络的渭河盆地2001~2010年高精度GPS监测资料,采用GAMIT/GLOBK软件进行数据处理,并解算出在ITRF2000参考框架下渭河盆地相对于稳定欧亚板块的水平运动速度场[7],其中各GPS站点东西、南北向速度分量中误差均不大于0.6 mm·5a-1,如图 1速度矢量所示。

      图  1  渭河盆地地壳运动GPS速度矢量及构造断裂分布(相对于稳定欧亚板块)

      Figure 1.  Crustal Movement GPS Velocities and Fault Distribution of the Weihe Basin (Compared with Stable Eurasian Plate)

      图 1显示渭河盆地内发育有多条深大断裂,它们走向各异且大致可分为EW(east-west)、NE(north east)、NW(north west)三类走向;断裂活动以走滑与倾滑为主,同时具有张裂的运动趋势。主干断裂由以下14条组成[2]:固关-龟川寺断裂(F1)、固关东-虢镇断裂(F2)、陇县-马召断裂(F3)、渭河断裂(F4)、秦岭北缘断裂(F5)、岐山-乾县断裂(F6)、礼泉-蒲城-合阳断裂(F7)、余下-铁炉子断裂(F8)、泾阳-蓝田断裂(F9)、长安-临潼-白水断裂(F10)、白水-合阳断裂(F11)、口镇-关山断裂(F12)、华山山前断裂(F13)、韩城-华县断裂(F14)。

      图 1可知,渭河盆地在2001~2010年间整体上朝SE(sorth east)向运动(相对于稳定欧亚板块);且对比前期GPS监测成果可发现[5, 7],渭河盆地地壳构造运动具有较好的继承性发展特征。GPS监测均揭示出渭河盆地中部区域的地壳运动速率较其东、西两侧要大,由此反映出盆地中部区域地壳构造活动较活跃的特征。同时,盆地中部区域也正是地裂缝灾害的多发地带。

    • 本文采用2001~2010年间约10年尺度的GPS监测资料,在此时间尺度内,地壳变形发生的主要是弹性变形[10]。因此,在建立有限元模型时,将地壳视为均匀各向同性弹性体,并满足泊松假设。

      构造模型主要由青藏地块东缘、鄂尔多斯地块、华南地块北缘、华北地块西缘、渭河盆地五部分组成,并将渭河盆地内的深大断裂带考虑成以一定宽度镶嵌在周边硬地壳中的软弱带[7];结合不同块体的地质构造特点,对各构造块体赋予不同的力学参数[7]。模型对其周边也做了特殊处理,以防止边界载荷不连续所造成的应力集中、局部变形过大等边界效应[11]。在充分顾及测区内GPS测点分布及数值计算精度的前提下,对模型采用6节点三角形单元进行剖分,共将模型剖分成33 824个单元,如图 2所示。

      图  2  渭河盆地有限元模型

      Figure 2.  Finite Element Model of Weihe Basin

      对于构建二维有限元模型而言,合理的边界条件对于模型模拟结果及结果解译至关重要。以本文研究区域渭河盆地为例,渭河盆地具有特殊的区域构造动力学背景[7],盆地北部是较稳定的鄂尔多斯地块[12],如将其设定成固定位移约束也是不合理的,应考虑鄂尔多斯地块存在的长期缓慢逆时针旋转运趋势;而且应充分考虑到盆地地壳构造运动变形的主要动力源是来自于其西部青藏地块的东向挤出作用;同时盆地南部和东部的华南、华北地块每年也均以一定的运动速率在活动[12],即还需要考虑华南地块内部相比华南地块与青藏地块东缘的交界带要稳定,以及华南与华北块体的耦合交界处应具有较大的位移量等因素。因此,将模型东、西、南、北边界均设置为自由面,并通过将模型模拟获得的渭河盆地内部节点速度值与节点处实测GPS速度值作对比分析及调整,最终确定出模型的具有分段性特征的边界位移约束,如图 2中矢量箭头所示。

    • 通过对渭河盆地有限元模型进行求解,可获得盆地内深大断裂处的应力特征值,其应力矢量分布如图 3所示。

      图  3  渭河盆地深大断裂处构造应力矢量分布与地裂缝叠加效果

      Figure 3.  Overlay Map of Ground Fissures and Tectonic Stress Vector Distribution of Deep Faults in Weihe Basin

      图 3显示出,盆地西部断裂处与盆地中、东部断裂处呈现出的构造应力特征具有明显的差异性,整体表现为西部断裂均呈明显的挤压应力特征,中部断裂处则呈显著的拉张应力特征,东部断裂处呈一定的拉张应力特征但量值较中部断裂处小。具体表现为:渭河盆地西部的(F1) 固关-龟川寺、(F2) 固关-虢镇、(F3) 陇县-马召断裂处均呈现出显著的近E-W向挤压应力特征;盆地北缘的(F11) 白水-合阳、(F6) 岐山-乾县断裂处,南缘的(F5) 秦岭北缘、(F13) 华山山前断裂处、东缘的(F14) 韩城-华县断裂处均呈现出以NW-SE向拉张应力特征为主的特征;盆地中、东部的(F4) 渭河断裂、(F8) 余下-铁炉子断裂、(F7) 礼泉-蒲城-合阳断裂、(F10) 长安-临潼-白水断裂、(F12) 口镇-关山断裂处均主要呈现出较为明显的NW-SE向拉张应力特征;盆地中部NW走向的(F9) 泾阳-蓝田断裂处的应力量值均较其周边深大断裂小,且呈现出拉张应力与挤压应力近似相等的特征。盆地内深大断裂处呈现出的上述构造应力特征与区域整体性构造应力场特征(由震源机制解[13]及钻孔应力测量结果[14]揭示)较为一致。

      图 3还可看出,对于走向各异的同一条深大断裂而言,断裂的不同区段呈现出的应力特征及应力量值也存在差异性。例如,对于盆地中部EW走向的(F4) 渭河断裂,其西段呈现出明显的挤压应力特征,量值约为2.0×10-3 kPa·5a-1;而中段则呈显著的拉张应力特征,拉张应力量值约为3.3×10-3 kPa·5a-1;东段也呈拉张应力特征,但拉张应力较中段小,量值约为2.2×10-3 kPa·5a-1。(F5) 秦岭北缘断裂与渭河断裂具有类似的特征,该断裂东段呈显著的拉张应力特征,量值约为3.0×10-3 kPa·5a-1;而西部则呈较明显的挤压应力特征,量值约为2.0×10-3 kPa·5a-1。(F12) 口镇-关山断裂的东、西段应力特征也具有显著的差异性,西段拉张应力明显大于东段。NE走向的(F10) 长安-临潼-白水断裂整体均以拉张应力为主,但南段拉张应力明显大于北段,南段拉张应力量值约为3.0×10-3 kPa·5a-1,高于约2.3×10-3 kPa·5a-1的北段拉张应力量值。(F13) 华山山前断裂南、北段呈显著的拉张应力特征,而中段则呈现出一定的挤压应力特征。NW走向的(F3) 陇县-马召断裂整体均呈现出挤压应力特征,但北、中段挤压应力量值略高于南段,中北段挤压应力量值约为3.1×10-3 kPa·5a-1,南段挤压应力量值约为2.6×10-3 kPa·5a-1

    • 为进一步研究盆地内深大断裂的活动特性,在有限元模型中选取地壳活动较活跃的盆地中部区域,并在断裂的不同部位、横跨断裂并与断裂走向垂直处分别作两条剖线(如图 2中(F4) 渭河断裂上的A1-A1′与A2-A2′剖线、(F7) 礼泉-蒲城-合阳断裂上的B1-B1′与B2-B2′剖线、(F10) 长安-临潼-白水断裂上的C1-C1′与C2-C2′剖线),进而可获得剖线上各点沿断裂走向的速度分量(如图 4所示),据此可分析断裂上、下两盘的相对活动状况。

      图  4  渭河盆地跨断裂速度测线显示的断裂上、下两盘速度差异

      Figure 4.  Differential Velocities Between Upper-and Down-Wall of Deep Faults in Weihe Basin

      图 4(a)显示出(F4) 渭河断裂北侧各点的速度分量小于南侧各点的速度分量(E为正向),即断裂北侧沿E向的运动速度小于断裂南侧,断裂做左旋运动,而且断裂中段剖线A1-A1′显示出的断裂两边界速度分量之差大于东段A2-A2′剖线,两速度剖线显示的速度分量之差平均约为1.79 mm·5a-1

      图 4(b)显示出(F7) 礼泉-蒲城-合阳断裂北侧沿NEE向(NEE为正向)的运动速度大于断裂南侧,断裂做右旋运动。断裂中段B1-B1′剖线显示出的断裂两边界速度分量之差也大于东段B2-B2′剖线,两速度剖线显示的速度分量之差平均约为1.1 mm·5a-1

      图 4(c)均显示出(F10) 长安-临潼-白水断裂西侧沿NNE向(NNE为正向)的运动速度大于断裂东侧,断裂做右旋运动,断裂南段C1-C1′剖线显示出的断裂两边界速度分量之差大于北段C2-C2′剖线,两速度剖线显示的速度分量之差平均约为1.07 mm·5a-1

      综上可知,沿断裂走向的速度分量在断裂两侧均发生了一定量值的变化,断裂具有一定的扭动特性,且在断裂的不同区段断裂上、下两盘运动速度分量也具有一定的差异性。由GPS数据反演出的断裂具有的左旋或右旋运动性质与构造地质结果在趋势上基本一致[2],但在数值上与地质学得出的结果略有差异[2],这在一定程度上也反映了数值模拟结果可能会受到实际地质结构与地质环境复杂性的影响。另外,地质方法获得的断裂滑动速率是上百万年时间尺度的平均值,而GPS反演结果只是近十年时间尺度上的断裂平均活动值,二者之间在理论上也存在一定的差异。

    • 构造因素是渭河盆地地裂缝产生的根本[2],盆地内区域构造应力场的显著差异性,也导致了盆地内地裂缝发育的不均衡性[7]。而由图 3可以看出,盆地内中、东部地裂缝灾害区(图 3中红色细线)多位于盆地中、东部这些具备NW-SE向拉张应力特征的深大断裂交汇处;同时结合图 2图 4可进一步发现,地裂缝灾害最为发育的区域也基本对应于深大断裂活动速率较大的区段,例如在(F4) 渭河断裂活动速率较大的中段(A1-A1′剖线)附近发育有咸阳地裂缝灾害带,(F7) 礼泉-蒲城-合阳断裂活动速率较大的中段(B1-B1′剖线)附近发育有泾阳地裂缝灾害群,(F10) 长安-临潼-白水断裂活动速率较大的南段(C1-C1′剖线)附近发育有西安地裂缝灾害群。

    • 本文利用高精度GPS监测成果,采用有限元数值分析方法,获得了渭河盆地深大断裂处细部的构造应力特征,即总体上西部断裂处均呈明显近E-W向挤压应力特征,(此特征与来自盆地西部青藏地块的东向挤压力源相对应[7]),盆地中部断裂处则呈显著NW-SE向拉张应力特征,东部断裂处也呈现出一定的NW-SE向拉张应力特征。上述特征与利用大范围尺度内的中国地壳运动监测网络数据、采用运动学模型获得的渭河盆地区域构造应力场特征较一致[15]。另一方面,从地质地球物理角度分析,渭河盆地地壳分异性明显,上地壳底界面形态起伏较中下地壳底界面变化较大,且上地壳是地壳运动速率较高的拉张梯度带,同时在盆地中部区域中下地壳层还存在一软弱带(低速-高导层),该处盆地深部的莫霍面则也呈显著的上隆特征[2]。渭河盆地这种上地幔上隆、中下地壳流展、上地壳拉张的深部构造格局及深部活动特征,有利于在渭河盆地中部区域形成较为显著的拉张构造应力场特征,同时也为盆地中部区域地裂缝的形成及活动提供了深部构造孕裂环境。

      此外,对于盆地内走向各异的同一条深大断裂而言,断裂不同区段的应力特征与量值及活动速率也存在一定的差异性,盆地内的深大断裂具有一定的扭动特性。本文计算结果也进一步揭示出,盆地中部具有NW-SE向拉张应力特征的深大断裂交汇处,特别是断裂活动速度较大区段,也正是盆地内地裂缝灾害最为发育区域。

参考文献 (15)

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