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GNSS揭示的汾渭盆地及周缘现今地壳运动与应变差异

高源 瞿伟 张勤 王庆良 郝明

高源, 瞿伟, 张勤, 王庆良, 郝明. GNSS揭示的汾渭盆地及周缘现今地壳运动与应变差异[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2021, 46(7): 1063-1070. doi: 10.13203/j.whugis20190365
引用本文: 高源, 瞿伟, 张勤, 王庆良, 郝明. GNSS揭示的汾渭盆地及周缘现今地壳运动与应变差异[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2021, 46(7): 1063-1070. doi: 10.13203/j.whugis20190365
GAO Yuan, QU Wei, ZHANG Qin, WANG Qingliang, HAO Ming. Differential Characteristics of Present-Day Crustal Movement and Strain Field in the Fenwei Basin and Its Surrounding Regions Revealed by GNSS Observations[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2021, 46(7): 1063-1070. doi: 10.13203/j.whugis20190365
Citation: GAO Yuan, QU Wei, ZHANG Qin, WANG Qingliang, HAO Ming. Differential Characteristics of Present-Day Crustal Movement and Strain Field in the Fenwei Basin and Its Surrounding Regions Revealed by GNSS Observations[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2021, 46(7): 1063-1070. doi: 10.13203/j.whugis20190365

GNSS揭示的汾渭盆地及周缘现今地壳运动与应变差异

doi: 10.13203/j.whugis20190365
基金项目: 

国家自然科学基金 41674001

国家重点研发计划 2018YFC1503604

陕西省自然科学基础研究计划 2019JM-202

地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室开放基金 SKLGP2021K022

陕西省留学人员科技活动择优资助项目 13

长安大学中央高校基本科研业务费专项资金 CHD300102261404

陕西测绘地理信息局科技创新项目 SCK2020-03

详细信息
    作者简介:

    高源,博士生,主要从事地壳形变与应力场建模反演分析研究。2019026020@chd.edu.cn

    通讯作者: 瞿伟,博士,教授。maikerqq@163.com
  • 中图分类号: P227

Differential Characteristics of Present-Day Crustal Movement and Strain Field in the Fenwei Basin and Its Surrounding Regions Revealed by GNSS Observations

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 41674001

the National Key Research and Development Program of China 2018YFC1503604

the Natural Science Basic Research Plan in Shaanxi Province of China 2019JM-202

the Open Fund of State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection of Chengdu University of Technology SKLGP2021K022

Selection Research Projects of Scientific and Technological Activities for overseas students in Shaanxi Province 13

the Special Fund for Basic Scientific Research of Central Universities CHD300102261404

Science and Technology Innovation Project of Shaanxi Bureau of Surveying, Mapping and Geographic Information SCK2020-03

More Information
    Author Bio:

    GAO Yuan, PhD candidate, specializes in the crustal deformation and stress field modeling inversion analysis. E-mail: 2019026020@chd.edu.cn

    Corresponding author: QU Wei, PhD, professor. E-mail: maikerqq@163.com
  • 摘要: 利用汾渭盆地及周缘地块2011—2017年高精度GNSS (global navigation satellite system)监测资料,分析了区域现今地壳运动差异性与形变特征,并基于球面最小二乘配置法构建了区域运动变形模型,反演获得了区域应变场,定量解译了不同区块间的应变差异特征。结果表明,区域地块间现今拉张或压缩速度约为1~2 mm/a; 区域整体表现出北西-南东向拉张应变特征,且典型域应变剖面定量揭示出汾渭盆地在周边地块差异性变形中的“调节带”作用; 2008年汶川地震与2011年日本宫城地震后,汾渭盆地的地震活动率在短时期内有所下降,且最大剪应变呈减小趋势,其原因可能与同震及震后效应减缓区域的应变积累有关。
  • 图  1  汾渭盆地及周缘地块地理位置示意图

    Figure  1.  Diagram of Geographical Location of the Fenwei Basin and Its Surrounding Regions

    图  2  GNSS速度场结果及残差分布直方图

    Figure  2.  Results of GNSS Velocities and Histograms of the Residual Error Distributions

    图  3  典型构造区域GNSS速度剖面结果

    Figure  3.  GNSS Velocity Profiles Across Typical Tectonic Faults

    图  4  GNSS速度高斯型方差-协方差函数统计结果

    Figure  4.  Statistics of Gaussian Variance-Covariance Functions Calculated by GNSS Velocity

    图  5  研究区域主应变张量分布图

    Figure  5.  Principal Strain Tensor Distribution of the Study Area

    图  6  研究区域最大剪应变等值线图

    Figure  6.  Contour Map of the Maximum Shear Strain of the Study Area

    图  7  典型区域应变剖面结果

    Figure  7.  Results of Principal Strain Profiles Across Specific Areas

    图  8  华南基准下的GNSS速度场结果

    Figure  8.  GNSS Velocities with Reference to South China Block

    图  9  欧亚基准与华南基准对应的GNSS速度场剖面结果

    Figure  9.  GNSS Velocity Profiles with Reference to Eurasian Plate and South China Block

    图  10  研究区域Mw > 3.0级地震时间序列

    Figure  10.  Time Seies of Mw > 3.0 Earthquakes of the Study Area

  • [1] 彭建兵, 范文, 李喜安, 等. 汾渭盆地地裂缝成因研究中的若干关键问题[J]. 工程地质学报, 2007, 15(4): 433-440 doi:  10.3969/j.issn.1004-9665.2007.04.001

    Peng Jianbing, Fan Wen, Li Xi'an, et al. Some Key Questions in the Formation of Ground Fissures the Fenwei Basin[J]. Journal of Engeering Geology, 2007, 15(4): 433-440 doi:  10.3969/j.issn.1004-9665.2007.04.001
    [2] 崔笃信, 郝明, 李煜航, 等. 鄂尔多斯块体周缘地区现今地壳水平运动与应变[J]. 地球物理学报, 2016, 59(10): 3 646-3 661 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX201610012.htm

    Cui Duxin, Hao Ming, Li Yuhang, et al. Present-Day Crustal Movement and Strain of the Surrounding Area of Ordos Block Derived from Repeated GPS Observations[J]. Chinese J Geophys, 2016, 59(10): 3 646-3 661 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX201610012.htm
    [3] Zhao B, Zhang C H, Wang D Z, et al. Contemporary Kinematics of the Ordos Block, North China and Its Adjacent Rift Systems Constrained by Dense GPS Observstions[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2017, 135: 257-267 doi:  10.1016/j.jseaes.2016.12.045
    [4] 张勤, 瞿伟, 彭建兵, 等. 渭河盆地地裂缝群发机理及东、西部地裂缝分布不均衡构造成因研究[J]. 地球物理学报, 2012, 55(8): 2 589-2 597 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX201208011.htm

    Zhang Qin, Qu Wei, Peng Jianbing, et al. Research on Tectonic Causes of Numerous Ground Fissures Development Mechanism and Its Unbalance Distribution Between Eastern and Western of Weihe Basin[J]. Chinese J Geophys, 2012, 55(8): 2 589-2 597 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX201208011.htm
    [5] 瞿伟, 王运生, 徐超, 等. 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, et al. 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
    [6] Zheng G, Wang H, Wright T J, et al. Crustal Deformation in the India-Eurasia Collision Zone from 25 Years of GPS Measurements[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2017, 122: 9 290- 9 312 doi:  10.1002/2017JB014465
    [7] 王敏, 李强, 王凡, 等. 全球定位系统测定的2011年日本宫城Mw9.0级地震远场同震位移[J]. 科学通报, 2011, 56(20): 1 593-1 596 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KXTB201120003.htm

    Wang Min, Li Qiang, Wang Fan, et al. Far-Field Coseismic Displacements Associated with the 2011 Tohoku-Oki Earthquake in Japan Observed by Global Positioning System[J]. Chinese Sci Bull, 2011, 56(20): 1 593-1 596 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KXTB201120003.htm
    [8] 武艳强, 江在森, 杨国华, 等. 利用最小二乘配置在球面上整体解算GPS应变场的方法及应用[J]. 地球物理学报, 2009, 52(7): 1 707-1 714 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX200907006.htm

    Wu Yanqiang, Jiang Zaisen, Yang Guohua, et al. The Application and Method of GPS Strain Calculation in Whole Mode Using Least Square Collocation in Sphere Surface[J]. Chinese J Geophys, 2009, 52(7): 1 707-1 714 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX200907006.htm
    [9] 江在森, 刘经南. 应用最小二乘配置建立地壳运动速度场与应变场的方法[J]. 地球物理学报, 2010, 53(5): 1 109-1 117 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX201005012.htm

    Jiang Zaisen, Liu Jinnan. The Method in Establishing Strain Field and Velocity Field of Crustal Movement Using Least Squares Collocation[J]. Chinese J Geophys, 2010, 53(5): 1 109-1 117 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX201005012.htm
    [10] 吴啸龙, 杨志强, 龚云. 欧亚大陆东南缘弧-陆碰撞带现今地壳水平变形特征研究[J]. 武汉大学学报·信息科学版, 2019, 44(2): 240-245 doi:  10.13203/j.whugis20170081

    Wu Xiaolong, Yang Zhiqiang, Gong Yun. Present-Day Crustal Deformation in Arc-Continent Collision Zone of the Southeastern Eurasia Plate[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(2): 240-245 doi:  10.13203/j.whugis20170081
    [11] 张俊, 独知行. 地壳弹塑性形变反演模型及应用[M]. 北京: 测绘出版社, 2016

    Zhang Jun, Du Zhixing. Crustal Elsatic-Plastic Model and Application[M]. Beijing: Surveying and Mapping Publishing House, 2016
    [12] 王双绪, 蒋锋云, 郝明, 等. 青藏高原东缘现今三维地壳运动特征研究[J]. 地球物理学报, 2013, 56(10): 3 334-3 345 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX201310010.htm

    Wang Shuangxu, Jiang Fengyun, Hao Ming, et al. Investigation of Features of Present 3D Crustal Movement in Eastern Edge of Tibet Plateau[J]. Chinese J Geophys, 2013, 56(10): 3 334-3 345 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX201310010.htm
    [13] Li B, Atakan K, Sørensen M B, et al. Stress Pattern of the Shanxi Rift System, North China, Inferred from the Inversion of New Focal Mechanisms[J]. Geophysical Journal International, 2015, 201(2): 505-527 doi:  10.1093/gji/ggv025
    [14] 徐文, 许才军, 肖卓辉, 等. 利用GPS数据反演中国红河断裂带活动特性[J]. 武汉大学学报·信息科学版, 2019, 44(5): 706-713 doi:  10.13203/j.whugis20170186

    Xu Wen, Xu Caijun, Xiao Zhuohui, et al. Inversion of the Activity Charecteristics of the Red River Fault Zone Using GPS Data[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(5): 706-713 doi:  10.13203/j.whugis20170186
    [15] 邹镇宇, 江在森, 武艳强, 等. 基于GPS速度场变化结果研究汶川地震前后南北地震带地壳运动动态特征[J]. 地球物理学报, 2015, 58(5): 1 597-1 609 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX201505012.htm

    Zou Zhengyu, Jiang Zaisen, Wu Yanqiang, et al. Dynamic Characteristics of Crustal Movement in North-South Seismic Belt from GPS Velocity Field Before and After the Wenchuan Earthquake[J]. Chinese J Geophys, 2015, 58(5): 1 597-1 609 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX201505012.htm
    [16] Qu W, Gao Y, Zhang Q, et al., Present Crustal Deformation and Stress-Strain Fields of North China Revealed from GPS Observations and Finite Element Modelling[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2019, 183: 103959 doi:  10.1016/j.jseaes.2019.103959
    [17] Qu W, Lu Z, Zhang M, et al. Crustal Strain Fields in the Surrounding Areas of the Ordos Block, Central China, Estimated by the Least-Squares Collocation Technique[J]. Journal of Geodynamics, 2017, 106: 1-11 doi:  10.1016/j.jog.2017.01.005
    [18] Toda S, Lin J, Meghraoui M, et al. 12 May 2008 M=7.9 Wenchuan, China, Earthquake Calculated to Increase Failure Stress and Seismicity Rate on Three Major Fault Systems[J]. Geophys Res Lett, 2008, 35(17): L17305 doi:  10.1029/2008GL034903
    [19] Wang L F, Liu J, Zhao J, et al. Tempo-Spatial Impact of the 2011 M9 Tohoku-Oki Earthquake on Eastern China[J]. Pure & Applied Geophysics, 2016, 173(1): 35-47 doi:  10.1007/s00024-015-1121-y
  • [1] 顾国华, 王武星.  GPS测得的2018年夏威夷6.9级地震与火山喷发地壳运动 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(8): 1191-1197, 1204. doi: 10.13203/j.whugis20180463
    [2] 赵齐乐, 许小龙, 马宏阳, 刘经南.  GNSS实时精密轨道快速计算方法及服务 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(12): 2157-2166. doi: 10.13203/j.whugis20180374
    [3] 刘帅, 贾小林, 孙大伟.  GNSS星载原子钟性能评估 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(2): 277-284. doi: 10.13203/j.whugis20150344
    [4] 陈俊平, 周建华, 严宇, 陈倩, 王彬.  GNSS数据处理时空参数的相关性 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(11): 1649-1657. doi: 10.13203/j.whugis20170278
    [5] 吴啸龙, 杨志强, 党永超.  基于球面最小二乘配置的福建省地壳水平形变研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2015, 40(3): 401-405.
    [6] 魏二虎, 万丽华, 金双根, 刘经南.  联合GNSS和SLR观测对地球自转参数的解算与分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2014, 39(5): 581-585. doi: 10.13203/j.whugis20120213
    [7] 陈俊平, 张益泽, 谢益炳, 周旭华.  超大观测网络及多GNSS系统的快速数据处理 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2014, 39(3): 253-257. doi: 10.13203/j.whugis20120712
    [8] 杨元喜, 曾安敏, 景一帆.  函数模型和随机模型双约束的GNSS数据融合及其性质 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2014, 39(2): 127-131. doi: 10.13203/j.whugis20130378
    [9] 丁开华, 许才军, 邹蓉, 胡友健.  利用GPS分析川滇地区活动地块运动与应变模型 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2013, 38(7): 822-827.
    [10] 章红平, 韩文慧, 黄玲, 耿长江.  地基GNSS全球电离层延迟建模 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2012, 37(10): 1186-1189.
    [11] 李英冰, 闫景仙, 熊程波, 陈中新.  GNSS观测值的压缩方法研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2012, 37(7): 818-822.
    [12] 卢鋆, 杨强文.  960MHz至1610MHz频段全球业务及GNSS频谱兼容分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2011, 36(10): 1172-1176.
    [13] 李伟强, 杨东凯, 李明里, 张其善.  面向遥感的GNSS反射信号接收处理系统及实验 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2011, 36(10): 1204-1208.
    [14] 刘志平, 何秀凤, 郭广礼, 查剑锋.  GNSS模糊度降相关算法及其评价指标研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2011, 36(3): 257-261.
    [15] 蔡华, 赵齐乐, 孙汉荣, 胡志刚.  GNSS实时数据质量控制 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2011, 36(7): 820-824.
    [16] 刘经南, 赵莹, 张小红.  GNSS无线电掩星电离层反演技术现状与展望 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2010, 35(6): 631-635.
    [17] 张飞舟, 杨东凯, 陈嘉, 杨伯钢.  GNSS软件接收机的实现与测试分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2009, 34(5): 577-580.
    [18] 郭东美, 李军, 熊熊, 刁法启.  地壳运动速度场的数据融合研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2008, 33(2): 212-215.
    [19] 李征航, 陈锴, 刘万科, 王文丽.  GNSS电离层延迟模型的数学统一与方法扩展 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2007, 32(8): 699-703.
    [20] 王啸, 邹蓉, 李瑜, 王琪.  北斗二代导航卫星系统地壳运动监测能力 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 0, 0(0): 0-0. doi: 10.13203/j.whugis20210316
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-10-07
  • 刊出日期:  2021-07-10

GNSS揭示的汾渭盆地及周缘现今地壳运动与应变差异

doi: 10.13203/j.whugis20190365
    基金项目:

    国家自然科学基金 41674001

    国家重点研发计划 2018YFC1503604

    陕西省自然科学基础研究计划 2019JM-202

    地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室开放基金 SKLGP2021K022

    陕西省留学人员科技活动择优资助项目 13

    长安大学中央高校基本科研业务费专项资金 CHD300102261404

    陕西测绘地理信息局科技创新项目 SCK2020-03

    作者简介:

    高源,博士生,主要从事地壳形变与应力场建模反演分析研究。2019026020@chd.edu.cn

    通讯作者: 瞿伟,博士,教授。maikerqq@163.com
  • 中图分类号: P227

摘要: 利用汾渭盆地及周缘地块2011—2017年高精度GNSS (global navigation satellite system)监测资料,分析了区域现今地壳运动差异性与形变特征,并基于球面最小二乘配置法构建了区域运动变形模型,反演获得了区域应变场,定量解译了不同区块间的应变差异特征。结果表明,区域地块间现今拉张或压缩速度约为1~2 mm/a; 区域整体表现出北西-南东向拉张应变特征,且典型域应变剖面定量揭示出汾渭盆地在周边地块差异性变形中的“调节带”作用; 2008年汶川地震与2011年日本宫城地震后,汾渭盆地的地震活动率在短时期内有所下降,且最大剪应变呈减小趋势,其原因可能与同震及震后效应减缓区域的应变积累有关。

English Abstract

高源, 瞿伟, 张勤, 王庆良, 郝明. GNSS揭示的汾渭盆地及周缘现今地壳运动与应变差异[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2021, 46(7): 1063-1070. doi: 10.13203/j.whugis20190365
引用本文: 高源, 瞿伟, 张勤, 王庆良, 郝明. GNSS揭示的汾渭盆地及周缘现今地壳运动与应变差异[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2021, 46(7): 1063-1070. doi: 10.13203/j.whugis20190365
GAO Yuan, QU Wei, ZHANG Qin, WANG Qingliang, HAO Ming. Differential Characteristics of Present-Day Crustal Movement and Strain Field in the Fenwei Basin and Its Surrounding Regions Revealed by GNSS Observations[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2021, 46(7): 1063-1070. doi: 10.13203/j.whugis20190365
Citation: GAO Yuan, QU Wei, ZHANG Qin, WANG Qingliang, HAO Ming. Differential Characteristics of Present-Day Crustal Movement and Strain Field in the Fenwei Basin and Its Surrounding Regions Revealed by GNSS Observations[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2021, 46(7): 1063-1070. doi: 10.13203/j.whugis20190365
  • 汾渭盆地地理构造位置十分特殊,其位于鄂尔多斯地块、青藏地块、华南地块与华北地块四大地块之间,盆地内地质构造复杂,断裂带分布密集,地质灾害频发[1-2]。针对该区域强烈的构造活动,许多学者利用全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)观测资料研究了汾渭盆地与周缘地块间的相对运动特征[2-3],反演了渭河盆地断裂的构造应力与活动特征[4-5],获得了渭河盆地东部拉张、西部挤压应力为主的差异性构造特征[4],以及山西断陷带强烈的拉张构造变形特征[2],并分析了汾渭盆地地震与地裂缝灾害的成因机制[2, 4]

    前人研究结果表明,自中晚更新世以来,由于青藏高原地块持续东向运动,导致华北地块向南东东方向逸出,华南地块向东南南方向运动,以及鄂尔多斯地块逆时针刚性旋转运动,这四大地块间构造运动造就了汾渭盆地拉张伸展变形、盆地内断裂与地质灾害群发的现代地质构造格局[1]。然而,如何进一步定量展示汾渭盆地与周围地块间现今地壳运动与应变差异,特别是汾渭盆地在不同地块间所起到的“调节带”作用?此外,汾渭盆地受周边区域动力学作用显著,在2008年汶川地震与2011年日本宫城大震后,该区域地壳构造活动特征会发生怎样变化?针对上述问题,本文利用汾渭盆地及周缘地块2011—2017年较新高精度GNSS监测成果,采用球面最小二乘配置法建立了区域运动与形变模型,反演获得了区域地壳运动与应变场,定量分析了汾渭盆地与周边地块现今地壳运动与应变差异性特征,讨论了参考基准的差异对研究结果的影响,进一步探讨了两次大地震前后研究区域地壳构造活动的变化特征。

    • 汾渭盆地及周缘地块地理位置如图 1所示。本文采用研究区域2011—2017年GNSS监测资料(来源于中国地壳运动观测网络与陆态网络),采用GAMIT(Global Positioning System Analysis at Massachusetts Institute of Technology)软件单日松弛解方法处理基线,引入周边16个国际GNSS服务(International GNSS Service,IGS)跟踪站(如BJFS、WUHN、ULAB与GUAM等)进行联合平差解算,对每个IGS站北、东方向给予2.5 mm的坐标约束,竖直方向给予5 mm的坐标约束,采用IGS提供的SP3精密卫星星历。在获取单日松弛解H文件后,利用GLOBK (global Kalman filter)软件平差计算得到ITRF2008(International Terrestrial Reference Frame)参考框架下各站点2011—2017年的速度场,并获得了研究区域相对于欧亚板块的速度场,结果如图 2所示,其中各站点在北向与东向速度分量的中误差均不超过0.5 mm/a。此外,本文也对研究时段内的主要地震(2011年日本宫城地震与2017年四川九寨沟地震)的同震影响进行了处理[6-7]

      图  1  汾渭盆地及周缘地块地理位置示意图

      Figure 1.  Diagram of Geographical Location of the Fenwei Basin and Its Surrounding Regions

      图 2显示出研究区域相对于欧亚板块整体呈南东东向运动趋势,其中东向平均运动速度约为5.18 mm/a,北向平均运动速度约为1.54 mm/a,但在空间分布上仍存在一定的差异性。西部青藏地块东缘GNSS平均速度约为6.91 mm/a,大于东部华北地块西缘及山西地堑的平均速度(约5.77 mm/a),南部渭河地堑GNSS平均速度约为6.46 mm/a,大于北部河套地堑的平均速度(约3.91 mm/a)。

      图  2  GNSS速度场结果及残差分布直方图

      Figure 2.  Results of GNSS Velocities and Histograms of the Residual Error Distributions

      为进一步分析汾渭盆地与周边地块地壳差异性运动特征,在研究区域内选取5个典型构造区域(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ,见图 1)进行GNSS速度场剖面分析,研究两侧地块的相对运动特征,结果如图 3所示。图 3显示出渭河盆地两侧差异性运动主要表现为左旋拉张运动,滑动速度为(1.2±0.5) mm/a,拉张速度为(0.9±0.3) mm/a(图 3(a)3(b)); 山西断陷带两侧差异性运动以右旋拉张为主,滑动与拉张速度分别为(1.1±0.7) mm/a与(1.1±0.2) mm/a(图 3(c)3(d)); 河套地堑主要表现为(1.2±0.4) mm/a的左旋走滑运动,其拉张或压缩运动特征不明显(图 3(e)3(f)); 银川地堑两侧差异性运动以右旋拉张为主,滑动与拉张速度分别为(1.4±0.6) mm/a与(1.5±0.3) mm/a(图 3(g)3(h)); 青藏地块东缘断裂的运动特征主要表现为左旋压缩运动,其滑动及压缩速度分别为(0.8±0.3) mm/a与(1.8±0.5) mm/a(图 3(i)3(j))。崔笃信等[2]与Zhao等[3]均采用不同期的GNSS速度场数据分析了区域典型地块间相对运动特征,结果表明断裂相对运动速度为1~3 mm/a,断裂的走滑与拉张或压缩特性与本文研究结果有较好的一致性。

      图  3  典型构造区域GNSS速度剖面结果

      Figure 3.  GNSS Velocity Profiles Across Typical Tectonic Faults

    • 球面最小二乘配置法顾及了GNSS数据中信号与噪声的统计信息,可推估区域内任意点的速度信号值,从而获得速度场模型,基本原理如下[8-10]

      $$ \boldsymbol{L}=\boldsymbol{A}\boldsymbol{\varOmega }+\boldsymbol{B}{\boldsymbol{V}}_{S}+\boldsymbol{n} $$ (1)

      式中,$ \boldsymbol{L} $为GNSS水平观测速度向量; $ \boldsymbol{\varOmega } $为欧拉矢量参数向量; $ \boldsymbol{A} $为欧拉矢量系数矩阵; $ {\boldsymbol{V}}_{S} $表示观测点与推估点信号矩阵; $ \boldsymbol{B} $为系数矩阵; $ \boldsymbol{n} $为观测误差向量。非随机参数矩阵$ \boldsymbol{\varOmega } $和信号矩阵$ {\boldsymbol{V}}_{S} $的解可表示为:

      $$ \left\{\begin{array}{l}\dot{\boldsymbol{\varOmega }}=({\boldsymbol{A}}^{\mathrm{T}}{\boldsymbol{C}}_{\boldsymbol{L}}^{-1}{\boldsymbol{A})}^{-1}{\boldsymbol{A}}^{\mathrm{T}}{\boldsymbol{C}}_{\boldsymbol{L}}^{-1}\boldsymbol{L}\\ {\dot{\boldsymbol{V}}}_{S}={\boldsymbol{C}}_{Ss}{\boldsymbol{C}}_{\boldsymbol{L}}^{-1}(\boldsymbol{L}-\boldsymbol{A}\dot{\boldsymbol{\varOmega }})\end{array}\right. $$ (2)

      式中,$ {\boldsymbol{C}}_{\boldsymbol{L}} $为观测速度向量协方差阵与误差协方差阵之和; $ {\boldsymbol{C}}_{Ss} $是推估点与已测点信号的协方差阵。高斯型函数的单调递减性可较好描述两点间的距离协方差关系,因此$ {\boldsymbol{C}}_{S} $与$ {\boldsymbol{C}}_{Ss} $可利用高斯型函数进行构建,其函数形式为:

      $$ C\left(d\right)=C\left(0\right){\mathrm{e}}^{-{k}^{2}{d}^{2}} $$ (3)

      式中,$ d $为两点间距离; $ k $为模型参数; $ C\left(0\right) $为观测点方差; $ C\left(d\right) $表示不同距离对应的协方差。利用GNSS速度场可获得高斯方差-协方差函数拟合结果,如图 4所示。

      图  4  GNSS速度高斯型方差-协方差函数统计结果

      Figure 4.  Statistics of Gaussian Variance-Covariance Functions Calculated by GNSS Velocity

      将模拟与实测的GNSS速度值进行对比,统计两者在东、北方向的残差,用于检验模型的合理性。残差均方根误差为0.72 mm/a,残差统计直方图符合标准正态分布(图 2),表明球面最小二乘配置拟合区域速度场模型的合理性。

    • 鉴于应变独立于参考框架,它可以反映地壳运动的内在动力特征,是描述地壳形变特征的重要参数。因此,本文利用推估得到的信号值可解算出格网点(0.27°×0.27°)在东方向、东北方向、北东方向与北方向的应变参数$ {\varepsilon }_{\mathrm{E}\mathrm{E}}\mathrm{、}{\varepsilon }_{\mathrm{E}\mathrm{N}}\mathrm{、}{\varepsilon }_{\mathrm{N}\mathrm{E}}\mathrm{、}{\varepsilon }_{\mathrm{N}\mathrm{N}} $,并进一步计算第一主应变$ {\omega }_{1} $和第三主应变$ {\omega }_{2} $、第三主应变轴的方位角$ A $、剪应变$ {\gamma }_{\mathrm{E}\mathrm{N}} $、最大剪应变$ {\gamma }_{\mathrm{M}\mathrm{A}\mathrm{X}} $[11],分别为:

      $$ {\omega }_{1}=\frac{1}{2}({\varepsilon }_{\mathrm{E}\mathrm{E}}+{\varepsilon }_{\mathrm{N}\mathrm{N}})-\frac{1}{2}\sqrt{{\gamma }_{\mathrm{E}\mathrm{N}}^{2}+({\varepsilon }_{\mathrm{E}\mathrm{E}}-{\varepsilon }_{\mathrm{N}\mathrm{N}}{)}^{2}} $$ (4)
      $$ {\omega }_{2}=\frac{1}{2}({\varepsilon }_{\mathrm{E}\mathrm{E}}+{\varepsilon }_{\mathrm{N}\mathrm{N}})+\frac{1}{2}\sqrt{{\gamma }_{\mathrm{E}\mathrm{N}}^{2}+({\varepsilon }_{\mathrm{E}\mathrm{E}}-{\varepsilon }_{\mathrm{N}\mathrm{N}}{)}^{2}} $$ (5)
      $$ \mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}A=\frac{{\gamma }_{\mathrm{E}\mathrm{N}}}{2({\omega }_{1}-{\varepsilon }_{\mathrm{E}\mathrm{E}})} $$ (6)
      $$ {\gamma }_{\mathrm{E}\mathrm{N}}={\varepsilon }_{\mathrm{E}\mathrm{N}}+{\varepsilon }_{\mathrm{N}\mathrm{E}} $$ (7)
      $$ {\gamma }_{\mathrm{M}\mathrm{A}\mathrm{X}}={\omega }_{1}-{\omega }_{2} $$ (8)

      研究区域主应变张量分布如图 5所示。可以看出,研究区域在2011—2017年的拉张应变方向主要为近北西-南东向,主应变高值区分布在青藏地块东缘及银川地堑。青藏地块东缘表现为近北东-南西向的挤压应变(兼北西-南东向拉张应变),该特征与青藏地块对其东部区域的持续挤压作用一致[12]; 银川地堑及其北部区域表现为明显的北西西-南东东向拉张应变,渭河地堑与山西断陷带表现为近南-北向与北西-南东向的拉张应变。Li等[13]利用1965—2014年山西断陷带143个地震的震源机制解,获得了山西断陷带现今北北西-南南东向的拉张应力; 崔笃信等[2]利用2009—2013年GNSS监测资料,基于均匀弹性模型获得了山西断陷带强烈的拉张构造变形特征。以上研究结果与本文结果具有较好的一致性。张勤等[4]利用有限元数值模拟的方法获得了渭河盆地东部拉张、西部挤压应力为主的差异性构造特征,但本文的研究结果表明,渭河盆地以拉张为主,造成这一差异性的原因可能是有限元数值模拟在模型四周加载GNSS速度场约束条件,即将研究区域周缘地块的动力学作用作为区域内部运动变形的主要力源,而最小二乘配置在考虑研究区域趋势性运动特征的同时,也考虑了区域内部的随机形变特征,更加突出反映区域内部观测站点间的应变差异。

      图  5  研究区域主应变张量分布图

      Figure 5.  Principal Strain Tensor Distribution of the Study Area

      最大剪应变反映了地壳水平形变的程度,年最大剪应变越大,区域地壳水平形变的程度也越大,地震发生的危险性也越大[14]。研究区域最大剪应变等值线图如图 6所示。由图 6可得,研究区域在2011—2017年平均最大剪应变约为0.7×10-8/a,最大剪应变较大的区域主要分布在银川地堑、青藏地块东缘及华北地块西缘等鄂尔多斯地块的周缘地带,平均量值约为1.3×10-8/a,地壳运动最强烈的区域位于鄂尔多斯地块与青藏地块东缘交界处,最大剪应变量值达到1.8×10-8/a,而渭河地堑与山西断陷带的平均最大剪应变仅为0.6×10-8/a。

      图  6  研究区域最大剪应变等值线图

      Figure 6.  Contour Map of the Maximum Shear Strain of the Study Area

    • 为定量分析汾渭盆地与周边地块地壳变形的差异性,在汾渭盆地内选取3处典型区域(I、II、Ⅲ,见图 5)进行应变剖面分析。其中,区域I跨鄂尔多斯地块南缘、渭河地堑中部、华南地块北缘; 区域II跨华北地块西缘、山西断陷带中部、鄂尔多斯地块中部; 区域Ⅲ跨鄂尔多斯地块北缘、山西断陷带北部,华北地块北部。典型区域主应变剖面结果如图 7所示,其中红色框线部分近似表示汾渭盆地区域。

      图  7  典型区域应变剖面结果

      Figure 7.  Results of Principal Strain Profiles Across Specific Areas

      应变剖面结果揭示出汾渭盆地两侧应变差异性分布特征。从鄂尔多斯地块南部到华南地块北部,主应变呈现出减小-增大-减小的变化趋势,转折区域为渭河地堑,表明渭河地堑拉张应变显著大于两侧地块; 从华北地块西缘到鄂尔多斯地块中部,主应变呈现出减小-增大-增大的趋势,转折区域为山西断陷带中部,表明华北地块西缘拉张应变较弱,而山西断陷带中部与鄂尔多斯地块中部拉张应变强烈; 从鄂尔多斯地块北部到华北地块北部,主应变呈现出减小-增大-减小的趋势,转折区域为山西断陷带北部,表明山西断陷带北部拉张应变较两侧地块强烈。上述应变剖面结果定量展示出汾渭盆地现今具有较强烈的拉张应变特性,且盆地两侧地块的应变差异性也清晰表明了汾渭盆地在其周边地块差异性变形中所起到的“调节带”作用。

      从动力学角度分析,在印度洋板块的北推俯冲挤压作用下,青藏高原持续隆升变形运动与甘青地块北东向运动推挤导致华北地块朝南东东方向逃逸,稳定的华南地块向南南东方向运动趋势较弱,鄂尔多斯地块发生逆时针旋转运动,这些地块间的差异运动主要由汾渭断陷带的伸展变形所调节,整个汾渭断陷带现今强烈的伸展变形运动受控于其周边四大地块间的差异性运动。

    • GNSS速度场结果可直观反映出研究区域的地壳运动特征,但GNSS速度场依赖于参考框架的选取。为进一步探究参考基准的差异对GNSS运动特征的影响,本文去除了华南地块整体刚性旋转速度场,得到研究域相对于稳定华南基准下的速度场[15](图 8)。图 8显示,青藏地块表现为北北东向的运动特征,渭河盆地主要朝北东东向运动,而山西断陷带呈现出朝北北东向的运动特征,河套地堑运动方向为北北西向,整个鄂尔多斯地块呈现出显著的逆时针旋转特性。

      图  8  华南基准下的GNSS速度场结果

      Figure 8.  GNSS Velocities with Reference to South China Block

      此外,本文根据华南基准下的GNSS速度场结果进一步计算了典型构造区域的速度场剖面结果,并将该结果与欧亚基准下的结果进行对比,如图 9所示。两种基准对应的地块间相对运动速度存在一定差异,差异最大的区域位于山西断陷带与渭河地堑,最大差值约0.7 mm/a,其他剖面区域结果均较为接近,总体而言,两种基准下的GNSS速度场剖面结果揭示出不同地块间的走滑与拉张或压缩特征具有较好的一致性。

      图  9  欧亚基准与华南基准对应的GNSS速度场剖面结果

      Figure 9.  GNSS Velocity Profiles with Reference to Eurasian Plate and South China Block

    • 为进一步研究两次大地震对区域地壳活动的影响,本文收集了研究区域1999—2017年Mw > 3.0级地震的时间序列结果(地震数据来源于美国地质调查局网站https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/search/),如图 10所示。图 10显示,汶川地震后研究区域地震活动性与震前相比并未表现出显著的差异性,而日本宫城地震后研究区域地震活动性在短期内较震前有显著变化,即表现出地震频次的显著减少,这在一定程度上表明日本宫城地震对整个大华北地区的构造应力积累在短期内起到了释放作用[16],从而减缓了研究区域的地震活动性,但该影响作用时间较短,研究区域在2014年后再次进入了地震活动率的高频时期。

      图  10  研究区域Mw > 3.0级地震时间序列

      Figure 10.  Time Seies of Mw > 3.0 Earthquakes of the Study Area

      由于本文计算采用的是2011—2017年的GNSS监测资料,因此监测结果反映的是2008年汶川地震与2011年日本宫城地震后对研究区域地壳构造活动的影响。对比文献[17]与本文最大剪应变分布特征可以看出,最大剪应变高值区均位于环鄂尔多斯地块周缘地区(青藏地块东缘、银川地堑、河套地堑、山西断陷带、渭河地堑),最大量值约1.8×10-8/a,表明这些地块间的交界带(盆地区域)现今地壳构造活动比较强烈。但对比两期结果也可以看出,在汾渭盆地区域最大剪应变平均量值从约1.2×10-8/a(1999—2007年)下降到约0.6×10-8/a(2011—2017年)[17],分析这一差异性的原因可能是:由于汾渭盆地位于汶川地震产生的库伦应力减小区域[18],而日本宫城地震又对中国华北与东北地区造成了近东-西向的水平拉张作用,释放了部分因太平洋板块对中国大陆东部持续挤压而积累的压缩应力[19],因此导致两次大地震后汾渭盆地区域应变积累速率有所下降。

    • 本文基于汾渭盆地及周缘区域2011—2017年高精度GNSS监测资料,利用球面最小二乘配置法构建了区域运动与应变模型,并基于典型区域的速度与应变剖面结果定量揭示出整个研究区域现今北西-南东向的拉张应变特征,且区域中部的汾渭盆地拉张变形最为强烈; 汾渭盆地与其周缘地块存在显著的运动与应变差异性,进一步揭示出汾渭盆地在其周边地块差异性变形中的“调节带”作用; 在汶川地震与日本宫城地震之后,汾渭盆地区域地震活动率在短时期内有所下降,最大剪应变量值相对较小,地壳活动性减弱。

      需要指出的是,本文采用的GNSS数据时间尺度相对于地质学而言仍然较为短暂,仅能反映观测时期内研究区域现今的地壳运动特征,下一步研究需采用更长时期的GNSS观测数据并顾及其他监测手段(如InSAR(interferometric synthetic aperture radar)、水准测量、GRACE(gravity recovery and climate experiment)卫星等),构建更为精细的三维运动与动力学模型,对汾渭盆地区域现今地壳运动特征与地震活动的内在联系进行全面而深入的分析。

参考文献 (19)

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