瞿伟，王运生，张勤，王庆良，薛康

1 长安大学地质工程与测绘学院，西安　710054　2　地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都理工大学，成都　610059　3 中国地震局第二监测中心，西安　710054



空间大地测量GPS揭示的汾渭盆地及其邻域现今地壳应变场变化特征

瞿伟1,2，王运生2，张勤1*，王庆良3，薛康1

1 长安大学地质工程与测绘学院，西安7100542地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都理工大学，成都6100593 中国地震局第二监测中心，西安710054

摘要利用汾渭盆地及其邻域2001—2007年与2009—2011年高精度GPS监测资料，基于区域构造特点，采用块体运动应变模型结合数理统计假设检验法，建立了区域合理的地壳运动应变模型，基于此定量研究了区域现今地壳应变场及其变化特征，特别是2008年汶川强震对汾渭盆地区域变形特征的作用影响，同时从盆地整体上分析了盆地内多发的地裂缝灾害与区域整体构造变形特征之间的内在关系.研究结果表明：经统计检验判断，选择合理的区域地壳运动应变模型，对获取真实反映区域实际构造变形特性的应变参数具有重要的作用；2008年汶川强震对青藏东边缘地块及渭河盆地西侧局部地区应变场造成一定的影响，但是震后上述区域并没有出现显著的应变积累而是呈现出应变量值较震前减小的特征，分析其原因可能是因为此区域并不是强震造成的库仑应力显著增加区，在震后2009—2011年时间段内处于构造应力场的松弛调整期；汶川强震没有显著改变研究域现今整体的构造变形背景特征，区域地壳构造活动特征仍具有较好的继承性；基于研究域构造块体具有各向同性连续弹性变形的前提，初步推断整个汾渭盆地内多发的地裂缝灾害可能是区域NW—SE向拉张应力场作用下的地表破裂响应.

关键词汾渭盆地； GPS； 块体运动应变模型； 数理统计假设检验； 地壳应变特征； 地裂缝灾害

Using high-precision GPS data for the periods of 2001—2007 and 2009—2011 from the projects “Crustal Movement Observation Network of China” and “Chinese Continental Tectonic Environment Monitoring Network”,we have constructed reasonable crustal deformation models of the Fenwei basin and its surrounding areas based on the strain theory of the block movement combined with mathematical statistical hypothesis testing method.We then established the crustal deformation models of the Datong,Xinzhou-Taiyuan,Linfen-Yuncheng and Weihe basins,as well as the eastern Qinghai-Tibet and the northern edge of the South China blocks.Based on the strain results solved by these deformation models,the current crustal strain fields and their distribution characteristics were obtained,and the intrinsic relationship between the principal strain vectors of the overall Fenwei basin and the multiple ground fissures within the basin were discussed in detail.

The results are as follows: (1) The deformation models after selection by hypothesis statistical testing can better describe the strain distribution characteristics,especially the inherent differences in the interiors of the basins or blocks.(2) During the periods of 2001—2007 and 2009—2011,the principal strain vectors of the eastern Qinghai-Tibet block are all mainly of compressional strains in the nearly E—W direction,with a value higher than -3.8×10-8/a and -3.2×10-8/a,respectively.And the principal strain vectors of the west part of the Weihe basin are all also of compressional strains in the nearly NNW—SSE direction,but with a value higher than -2.8×10-8/a and -1.6×10-8/a,respectively.(3) The whole strain distribution characteristics of the Fenwei basin and its surrounding areas have no significant change before and after the Wenchuan earthquake.The eastern Qinghai-Tibet and west part of the Weihe basin remain compressional strains.The Yinchuan basin and the North China block are still of tensional strains.And the overall Fenwei basin including Datong,Xinzhou-Taiyuan,Linfen-Yuncheng basins and most parts of the middle east of the Weihe basin are all of tensional strains in the nearly NW—SE direction.(4) The strain vector fields of the whole Fenwei basin mainly show extension strains in NW—SE direction,which are nearly vertical to the direction of the ground fissures (NE—SW direction).It indicates that the regional tensional stress fields with NW—SE direction is the power source mechanism of numerous ground fissures developed within the Fenwei basin.

We obtained following conclusions: (1) Judging by the statistical test,the choice of reasonable crustal movement and strain models plays an important role in obtaining the strain parameters which can truly reflect the real regional tectonic deformation characteristics.(2) The 2008 Wenchuan earthquake has affected the strain fields in the eastern edge of the Qinghai-Tibet block and west part of the Weihe basin.However,after this earthquake these above-mentioned regions did not experience significant strain accumulation but showing lower magnitude of strain.The reasons may be that these areas were not the zones with significant increase of Coulomb stress caused by the earthquake,but in a tectonic stress relaxation adjustment period during 2009 to 2011.Furthermore,the Wenchuan earthquake did not significantly alter the overall current tectonic deformation background characteristics of the Fenwei basin and its surrounding areas,and regional tectonic activity characteristics still have good inheritance.(3) We preliminary infer that the multiple ground fissures within the Fenwei basin were the response of surface rupture under the role of tensile stress fields with NW—SE direction,based on that the tectonic blocks (or basins) have the deformation nature of continuous isotropic elastic characteristics.

1引言

汾渭盆地是中国大陆周边板块陆-陆碰撞挤压作用下形成的大陆裂谷体系，是中国大陆现今构造活动较为强烈的区域，已成为我国大陆动力学研究领域逐渐被关注的热点地区之一(张培震等，2005；彭建兵等，2008；张勤，2012).

图1　中国大陆构造体系中汾渭盆地与周边地块构造位置示意图(据邓启东)

汾渭盆地在大地构造上位于中国南北地震带上，是分割中国大陆东西和南北巨型构造单元的交接枢纽地带，具体位于鄂尔多斯、青藏地块东缘、华南、华北四大构造地块之间，起着这些地块之间构造活动的传递与协调作用，汾渭盆地整体构造运动受上述地块构造差异运动影响显著(范俊喜等，2003；彭建兵等，2007)(图1所示，粗线框内所示为汾渭盆地区域).受青藏高原东向挤出动力学环境控制作用，汾渭盆地区域地质构造结构复杂(江娃利，2000；冯希杰和戴王强，2004)、地形地貌反差明显、整个盆地带呈现出小盆地与构造隆起带相间隔的“S”型展布(李树德，1997；任隽等，2012)、盆地现代深部与浅部地壳构造活动强烈(Lu et al.,2011；常利军等，2011；李自红等，2014)、地质灾害频发，不仅小震活动频繁(宋美琴等，2012；蔡妍等，2014)，近些年更是以构造地裂缝灾害最为典型和严重，地裂缝灾害几乎遍布了整个盆地区域，且地裂缝均分布在盆地内深大断裂及其附近区域，具有强烈的构造属性特征，目前已严重危害着人民生命财产安全及城市基础发展建设，地裂缝灾害防灾减灾意义明确(彭建兵，2013；张勤等，2012).

汾渭盆地地壳构造运动与地质灾害受区域构造动力学环境作用显著.而大的构造事件的发生，如强震的发生往往会对区域动力学环境产生一定的影响，相关学者对此方面已开展了工作，如研究了2008年汶川8.0级强震对发震断层周边断裂地震活动性(邵志刚等，2010)，及对发震断层邻近区域产生的应力场变化空间分布特征(解朝娣等，2010；温扬茂等，2014)等影响，这些研究多是分析强震活动对于近发震断层及其邻近区域的影响.然而值得关注的是，在地理位置中汶川大震发震区域位于汾渭盆地的西南方位并与之近乎相毗邻的位置，且强震发生在对汾渭盆地构造变形起主控动力学作用的青藏高原东缘地带，因此强震的发生可能会对汾渭盆地及其邻域构造活动造成一定的影响，针对此已有学者从获取的地壳水平运动速度场，定性地讨论了汶川大震对与汾渭盆地西邻的西秦岭地块地壳应变场产生的影响(王双绪等，2013)，但如何以定量的形式量化强震对汾渭盆地及其邻域地壳构造运动变形产生的影响？该影响是否会改变整个汾渭盆地及其邻域的现代构造变形背景场?此外，在汾渭盆地这一构造带上，整个构造带内发生如此广泛的地裂缝灾害，除与盆地自身的地质构造有关外，是否与盆地现今整体构造变形特征有关？

目前为止，对于上述问题的研究甚少，已开展的研究也多是集中在利用数字地震台网或地震序列目录，分析汶川大震对汾渭盆地区域的影响烈度及对盆地地震活动性的影响(徐扬等，2009；张宇翔和袁志祥，2010)，或是从盆地内单个地震台站独立地研究台站应变对汶川大震的响应异常(邱泽华等，2012；崔青发等，2014)，亦或是仅讨论了汾渭盆地内局部区域的地裂缝灾害与地壳构造变形之间的关系(张勤等，2012)，缺乏从包含整个汾渭盆地及其邻域的整体域上、特别是利用不同时间段内现代空间监测技术获取的高精度大范围地壳运动变形监测数据，深入开展汶川大震前后汾渭盆地及其邻域现代地壳构造动力学机制变化特征的定量研究，以及探究整个汾渭盆地区域内多发地裂缝灾害的构造动力学成因机理.

为此，本文将汾渭盆地及其邻域作为研究对象，借助于现代空间大地测量GPS监测手段在地壳构造运动变形及动力学研究方面的优势，利用中国地壳运动观测网络与陆态网络在2001—2007年与2009—2011年高精度GPS监测资料，采用块体运动应变模型并结合数理统计假设检验法，研究建立研究域合理的地壳运动形变应变模型，依据模型求解结果，定量研究汶川强震对于汾渭盆地及其邻域地壳构造运动变形产生的影响，以及强震前后整个汾渭盆地及其邻域的现代构造变形背景场变化特征，并进一步探究汾渭盆地现今整体构造变形特征与盆地内多发的地裂缝灾害之间的内在关系，以期为了解汾渭盆地及其邻域现今地壳构造动力学机制特征及地裂缝灾害动力学成因机理，提供一定的参考信息.

2GPS监测资料及区域内活动块体划分

2.1GPS监测资料

本文采用的研究域2001—2007年与2009—2011年GPS监测资料来源于中国地壳运动观测网络与陆态网络，两时间段GPS基线与速率估计解算策略如下(Shen et al.,2005；王敏，2009；王庆良，2012)：利用GAMIT单日松弛解处理了基线，卫星星历采用IGS (International GNSS service，国际GNSS服务组织)精密星历，卫星轨道约束为10-8，IGS站选用中国大陆及周边地区且IGS05下速率水平分量中误差小于0.5 mm·a-1的16个IGS跟踪站资料(如，GUAO、ULAB、SUWN、WUHN等)，并对这些IGS站东西、南北、垂向速率以2、2 mm·a-1和4 mm·a-1的不定性约束于其IGS05值，在获得了单日解H结果文件之后，再利用GLOBK结合QOCA软件统一整体平差计算出各GPS站点水平运动速率，由此获得了ITRF2005全球框架下GPS站点速率，为更好展示出中国大陆内部的地壳运动变形情况，进一步计算获得了研究域相对于欧亚板块的GPS运动速率场，各站点东、西向速度分量中误差均不大于1.2 mm·a-1，南、北向速度分量中误差均不大于1.0 mm·a-1，如图2、3所示.需要说明的是，陆态网络2011年大部分GPS观测是在日本2011年3月11日大震后进行的，文中图3所示研究域2009—2011年速度场已扣除该次地震的同震影响(王敏等，2011).

图2　汾渭盆地及其邻域地壳运动速率图(相对于欧亚板块，2001—2007)

图3　汾渭盆地及其邻域地壳运动速率图(相对于欧亚板块，2009—2011)

从图2、3可看出，GPS监测结果揭示出的研究域相对于欧亚板块地壳运动的总趋势，在2001—2007年与2009—2011年两个时间段内运动态势大体一致，整个研究域均呈现出整体朝SE向运动的趋势.

2.2研究域活动块体划分

图2、3显示研究域地壳水平运动速度场存在一些差异，然而，地壳水平速度场空间分布的不一致性只是地壳形变的直接反映，与参考基准选择有关，而应变场是地壳形变的主要参数，是描述区域形变的重要指标，该指标不受参考框架的影响，并且反映的是地壳变形的力学响应，能够反映出地壳应力及其变化的基本特征(孟国杰等，2009；武艳强等，2009).

图2、3显示出研究域被多条深大构造断裂分割成了多个活动构造块体，且各构造块体以及汾渭盆地内部各区域间，地壳运动变形也存在差异性(范俊喜等，2003；张培震等，2005).因此，本文将整个研究域看成是由这些具有不同活动特性的块体(小盆地)组成的统一构造活动体系.

针对研究域上述地质构造特点及地壳应变参数在动力学研究方面的重要性，本文采用块体运动应变模型开展区域地壳构造应变特征的研究，该模型可以描述构造块体的整体活动状态，能够反映出块体的形变应变特征，其计算结果不仅能够反映平面较大尺度的应变应力状态，还可体现出块体构造运动变形相当深度的动力学信息(郭良迁，2011).

本文在利用块体应变模型求解研究域应变量时，首先在顾及研究域GPS点整体分布的基础上，参考中国大陆一二级活动地块的划分结果(张培震等，2005)，对汾渭盆地周边大的构造地块，如华北地块西边缘、青藏地块东边缘、银川盆地区域进行了块体划分；其次，顾及汾渭盆地地质构造特点及其内部小盆地各自的实际地理构造属性特征(彭建兵，2007)，由南至北将整个汾渭盆地划分成由大同、忻州、太原、临汾、运城及渭河盆地组成的构造体系，再结合汾渭盆地内主干断裂分布所反映出的边界区域变形差异性(范俊喜等，2003)、小盆地间构造隆起带分布及构造活动差异性特征(李树德，1997)、以及各小盆地内部及其邻近GPS测点分布状况，进一步将汾渭盆地划分成由大同、忻州—太原、临汾—运城及渭河盆地组成的活动构造体系.最终将整个研究域划分成了由7个活动块体组成的构造活动体系(图2、3所示，其中没有包括稳定的鄂尔多斯地块)，分别为：大同盆地、忻州—太原盆地、临汾—运城盆地、渭河盆地、青藏东边缘地块、银川盆地、华北西边缘地块.

3块体运动应变模型

利用GPS监测资料研究区域地壳运动变形时，由于GPS监测数据所反映的是地壳在几年至十几年时间尺度内的变形，构造块体在此时间尺度内发生的形变主要是弹性形变，因此可将块体视为各向同性弹性介质体处理(Reynolds et al.，2002；滕吉文，2003；李延兴等，2007).

传统的块体构造理论中，块体一般被视为刚体，如对于鄂尔多斯块体而言，其具有明显的刚性活动属性(张培震等，2005)，可用下述模型表述(李延兴等，2007a,2007b)：

(1)式中Ve,Vn是由于块体刚体运动造成块体中任一点东向速度与北向速度，r为地球半径，(λ,φ)是正交曲线坐标系下块体上任一点经度、纬度，ωx,ωy,ωz为块体欧拉矢量.

然而，实际中绝大多数块体变形为非刚性变形，并假设该块体的应变是均匀的，块体内任一点的地壳运动是块体旋转运动与内部均匀形变的复合运动(李延兴等，2007a,2007b)：

(2)

式中εe,εen,εn分别表示块体东西向的线应变、东西南北向的剪应变、南北向的线应变，(x,y)为球面正交曲线坐标系坐标(李延兴等，2007a,2007b).

进一步，如果块体内应变是非均匀的，假设块体上任一点的应变是与位置有关的线性函数，则可进一步得到描述块体上任一点的由整体旋转产生的运动和块体内部非均匀变形产生的线性应变模型(李延兴等，2007a,2007b)：

(3)式中A0,B0,C0、ξ1～ξ3、ζ1～ζ3为块体应变参数.式(3)即为描述块体整体旋转与线性应变的线性应变模型，模型右边第一项代表了块体的整体旋转运动，第二到第四项代表了块体内部的连续变形.

4汾渭盆地及其邻域地壳应变模型的建立与应变特征分析

4.1块体运动应变模型的建立及检验

汾渭盆地及其邻域地质构造较复杂且现今地壳构造活动较强烈.因此，本文考虑采用模型(3)研究区域地壳构造应变特征.

由于GPS测量以及模型计算参数不可避免的会包含各种误差的影响.因此，为有效避免误差对应变结果的影响，以获取研究域更加真实的地壳应变特征参数，有必要利用数理统计学理论对由式(3)求解出的应变分量二次项进行参数显著性假设检验，从统计角度判断参数的真假性.

式(3)可改写为下列矩阵形式：

(4)

其中：

(5)

(6)

(7)

式(4)可视为附加系统参数的平差模型，X为欧拉矢量与应变参数一次项，为模型的主参数，A X为块体刚性转动与均匀变形引起的速度分量，Y为应变参数二次项，是非随机附加参数，B Y为块体线性变形引起的速度分量.

采用线性假设检验法(Koch,1980；陶本藻，2007).线性假设为H0∶Y=0，当H0成立时，构造F统计量：

(8)

拒绝域为：

(9)

在给定显著水平α下，如拒绝H0，认为应变参数显著，认为模型(3)中应变参数二次项能合理有效反映出块体的线性应变特性；如接受H0，则认为应变参数不显著，此时应考虑块体内部是否具有均匀变形特性.因此，利用研究域2001—2007、2009—2011年GPS站点速度值及其精度信息，对利用式(3)求解出的各块体应变参数二次项进行线性模型的显著性检验，并将检验结果列入表1中.

表1　汾渭盆地及其邻域各构造块体应变参数二次项显著性检验结果

表1显示，大同盆地、忻州—太原盆地、渭河盆地、青藏东边缘地块、华北西边缘地块，应变参数二次项在显著性水平α=0.1下检验结果均为拒绝，应变参数二次项整体均显著，同时在对每个应变参数二次项检验结果也均为显著.由此表明，在显著水平α=0.1下模型(3)能较好地描述上述构造块体具有的线性应变特性.

而临汾—运城盆地、银川盆地检验结果均为不显著.则应采用模型(2)对其进行应变参数求解，并对模型应变均匀性进行检验(明锋和柴洪洲，2009)，检验结果如表2所示.如检验结果为接受，则可认为在显著性水平α=0.1下，块体内部形变具有均匀变形特性，如拒绝，则表明应考虑块体内部是否具有线性应变特性.

表2　应变均匀性检验结果(1×10-9) (以应变参数2倍中误差作为参考)

表2显示，银川盆地应变均匀性检验结果均为接受，表明在显著性水平α=0.1下可认为模型(2)能较好描述该盆地内部具有的均匀应变特性.对于临汾—运城盆地检验结果则均为拒绝，表明需在模型(2)基础上考虑再引入相应的应变参数二次项，以描述该盆地内部具有的线性应变特性，但从模型最优性及合理性角度考虑，模型所引入的参数应尽可能少且能够有效反映出块体实际运动变形特性为宜.

因此，利用与上述相同的线性模型假设检验方法，对模型(3)表征的临汾—运城盆地地壳运动应变模型中的应变参数二次项ξ2,ζ2，ξ3,ζ3再分别进行参数显著性检验，在显著水平α=0.1下，上述应变参数二次项检验结果均为不显著.因此，最终可由(10)式来描述临汾—运城盆地构造运动变形特性：

(10)

综上，在显著水平α=0.1下，块体运动应变模型(3)可较好描述大同盆地、忻州—太原盆地、渭河盆地、青藏东边缘地块、华北西边缘地块具有的线性应变特性；模型(2)可较好描述银川盆地地壳均匀应变特性；模型(10)则可较好描述临汾—运城盆地地壳运动变形特性.

4.2汾渭盆地及其邻域现今地壳应变特征分析与讨论

利用研究域2001—2007、2009—2011年高精度GPS速率场，依据4.1节中各块体运动应变模型的建立思路，可求解出各块体相应的地壳应变率分量及最大、最小主应变率、主张应变率方位角等应变特征参数.求解所得两时间段研究域地壳主应变率矢量图，如图4、5所示.

同时，为验证4.1节中对区域地壳运动应变模型参数合理选择的重要性，以临汾—运城盆地为例(2009—2011年时间段)，如直接采用模型(3)与模型(2)对盆地应变参数进行求解，结果分别如图5b、5c所示.

对比利用经统计检验判断选择参数后的模型(10)对临汾—运城盆地应变求解结果图5a可看出，图5a揭示出的临汾—运城盆地南部与北部应变矢量具有一定的差异性，这也与临汾—运城盆地南部位于华南与华北地块的交界耦合带较其北部地质构造要复杂这一特殊地质构造背景相一致，而图5b则不能有效反映出运城—临汾盆地南北部具有的构造差异性特征，图5c反映出的临汾—运城盆地应变特性则与盆地自身构造动力学背景特征不符.因此，合理的区域地壳运动应变模型及应变参数，对于有效反映出区域实际构造变形特性至关重要.

对比图4、5可发现，在2001—2007年与2009— 2011年不同时间段内汾渭盆地及其邻域地壳应变特征存在一定的差异性，较显著的区域是位于研究域西部的青藏东边缘地块、渭河盆地西侧局部地区及银川盆地：

(1) 青藏东边缘地块挤压应变量值在2009—2011年间较2001—2007年间有整体变小的趋势性特征，且该区域南、北端应变特征也呈现出不同的变化特征，区域北端在2001—2007年间呈现出较明显的近NEE—SWW向挤压应变特征，同时伴有小量值的NW—SE向张性应变，南端则呈现出显著的近E—W向挤压应变特征，量值达约-3.8×10-8/a以上；在2009—2011年间，区域北端挤压应变量值有所减小且主要以近E—W向挤压应变为主，南端挤压应变率量值也较2001—2007年要小，量值约为-3.2×10-8/a；

(2) 渭河盆地西侧局部区域在2001—2007年间较盆地中东部呈较明显的挤压应变特征，压应变主轴为近NEE—SWW向，量值约-2.8×10-8/a， 同时伴随与挤压应变量值相当的NW—SE向张性应变，但在2009—2011年间，渭河盆地西部区域较盆地中东部虽然还是呈现出以挤压应变为主的特征，但挤压应变量值较2001—2007年要小，量值约为-1.6×10-8/a，且压应变主轴也由近NEE—SWW向转变为近E—W向；

图4　汾渭盆地及其邻域主应变率矢量分布图(2001—2007年)

(3) 银川盆地在2001—2007年间，呈现出明显的近NW—SE向拉张应变特征，量值约为3.0×10-8/a，同时伴随小量值的NE—SW向挤压应变，而在2009—2011年间，盆地拉张应变量值较2001—2007年有所减小，且呈现出以NWW—SEE向拉张应变为主的特征.

从上述研究域西部地壳应变场存在的差异性可看出，汶川强震后2009—2011年期间研究域西部并没有呈现出显著的应变积累状态，而是呈现出应变量值较震前小的特征，但从理论上来讲发生在研究域西南部的汶川强震可能会造成研究域西部地区的应力应变积累.分析其原因，一方面可能是因为汾渭盆地及其邻域并不是汶川大震造成的库仑应力显著增加区(单斌等，2012；解朝娣等，2010)，另一方面可能是强震虽然在短时间段内会对汾渭盆地及其邻域产生较强烈的应力扰动，急剧的应力增加会伴随着区域地震活动性增强，但这些地震强度均不高主要表现为频繁的小震活动，而频繁的小震活动实际上也起到了释放前期积累的应力应变能作用，且小震活动表现出的这种高频次活动状态，会随着汶川大震余震序列的起伏衰减，频次也在逐渐降低，研究域受大震应力扰动恢复时间较短(解朝娣等，2010；石军，2008).

从图4、5总体来看，汾渭盆地及其邻域在2001—2007年与2009—2011年间呈现出的地壳应变特征整体保持了较好的一致性：

(1) 青藏东边缘地块及渭河盆地西侧局部区域整体均呈现出较显著的挤压应变特征.这一结果也较好地反映出青藏高原东缘与东构造结交界处的长期构造动力学环境，即青藏高原东缘不同构造带水平运动强度及方式的差异，受控于青藏高原NE向挤压、向E挤出和绕东构造结旋转作用(王双绪等， 2013)，在上述构造环境作用下青藏高原东缘与东构造结交界处受挤压动力学作用显著；

图5　汾渭盆地及其邻域主应变率矢量分布图(2009—2011年)

(2) 银川盆地与华北西边缘地块整体也均表现出以NW—SE向拉张应变为主的特性.整个汾渭盆地区域，包括渭河盆地中东部、临汾—运城盆地、忻州—太原盆地、大同盆地处，也均呈现出显著的拉张应变特征，拉张应变主轴为近NW—SE向，此特征也是区域大陆动力学作用的演化结果(张岳桥等，2006)，且本文计算所得汾渭盆地现今具有的应变场特征与前人利用陕西地震局GPS观测网络所得渭河盆地构造应力场具有类似的特征，已有的研究发现渭河盆地中、东部显著的NW—SE向拉张构造应力矢量近乎与地裂缝展布呈近似垂直特性，由此揭示出此NW—SE向拉张构造应力场是渭河盆地中、东部地裂缝灾害群发的力源机制(张勤等，2012).然而，相对于整个汾渭盆地而言，其地裂缝灾害无论在分布规律、活动性质、以及具有的强烈构造属性等方面均与渭河盆地内地裂缝灾害具有极为相近的特点，而且两者均属于同一构造活动体系下发育的特殊地质灾害，进一步观察图6所示汾渭盆地地裂缝展布(彭建兵，2013)与整个汾渭盆地构造应变矢量叠加图可发现，汾渭盆地内现今具有的整体显著NW—SE向拉张应变矢量，也几乎均与汾渭盆地内的渭河盆地中东部、临汾—运城盆地、忻州—太原盆地、大同盆地内地裂缝走向呈近似垂直关系.

图6　汾渭盆地拉张型构造地裂缝与区域构造应变矢量叠加图(区域构造据彭建兵(2013))

本文将研究域内构造块体视为各向同性弹性薄板处理，由广义胡克定律可得，各向同性弹性体内任一点发生连续弹性变形时，应力应变呈线性关系，各点处主应变轴与主应力轴重合(毕令斯，1959；郭良迁等，2011；李延兴等，2007a,2007b).据此前提下可初步推断，本文计算所得整个汾渭盆地内各GPS监测点处呈现出的近NW—SE向拉张应变矢量特征，表明各GPS监测点处拉张应力主轴方向也呈NW—SE向，由此预示着整个汾渭盆地受近NW—SE向拉张应力场作用显著，而该因素可能是整个汾渭盆地内拉张型构造地裂缝灾害群发的动力学成因所在.

5结论

本文利用汾渭盆地及其邻域高精度GPS监测成果，基于区域地质构造特点，采用块体运动应变模型结合数理统计假设检验法建立了研究域合理的地壳运动应变模型，基于模型求解结果获得了以下初步认识：

(1) 研究域内不同块体由于自身构造及外部条件的不同，其运动状况与应变状态并不完全一致.因此，在利用块体运动应变模型求解应变参数分析区域应变特性时，需要对模型参数进行合理的选择，以获取能够真实反映出区域实际构造变形特性的应变参数.本文采用线性模型假设检验法有效地获取了能够合理描述各个块体实际运动变形特性的地壳应变参数，定量地揭示出了研究域现今具有的构造形变应变特征，且所得结果与区域现今构造动力学背景特征相一致；

(2) 根据2001—2007年与2009—2011年研究域在汶川强震前后应变场变化特征揭示出，汶川强震会对研究域西部的青藏地块东边缘、渭河盆地西侧局部地区及银川盆地应变场造成一定的影响，但在震后2009—2011年时间段内，并没有造成上述区域应变的积累，可能与该区域并不是强震造成的库仑应力显著增加区，及研究域受大震应力扰动恢复时间较短有关，可初步推断青藏高原东缘与东构造结交界处在该时间段内处于构造应力的松弛调整期.同时，汶川强震没有改变研究域现代整体的构造变形背景特征，区域地壳构造活动具有较好的继承性发展特征；

(3) 汾渭盆地特殊的地质构造孕育了地裂缝灾害发生的基础条件，外在因素如抽取地下水、强降雨冲蚀或灌溉侵水等会导致局部地裂缝的超常活动，而造成在汾渭盆地这一狭长构造地堑带内近年发生如此广泛的地裂缝灾害，和盆地现今具有的整体与地裂缝走向呈近似垂直关系的NW—SE向拉张构造应变场作用密切相关.基于研究域构造块体具有各向同性连续弹性变形的前提上，初步推断整个汾渭盆地内多发的地裂缝灾害可能是区域NW—SE向拉张应力场作用下的地表破裂响应.

需要说明的是，GPS观测结果能够提供高精度、大范围和准实时的地壳运动定量信息，这一信息实际上反映了构造变形的现今活动水平，但GPS观测反映出的现今地壳运动观测资料积累时间尺度有限，与地质学时间尺度相比只是短暂的一瞬.因此，对研究域动力学演化过程的深入认识，还需更长时间尺度的观测资料及联合多类型数据资料的支持.本文对研究域内构造块体视为各向同性连续弹性形变的假设，是对块体实际介质和变形的近似，当研究较为复杂问题时，需进一步考虑介质的各向异性、非完全弹性变形以及块体内介质非连续等性质.同时，在利用块体运动应变模型求解块体应变参数时，还应注意块体图形条件及块体内监测点数目，在对构造块体划分时应尽可能的使构造块体图形条件较好且块体内部监测点数目足够多.此外，由于本文采用的台站分布密度不大、数据相对较少，得到的结果仅是大尺度的应变结果，要获得更精细的局部应变状态有赖于对块体的进一步细分及监测台站的加密.

致谢作者首先向所有参与环鄂尔多斯艰苦环境下获取GPS观测数据的野外测量工作者致以崇高的敬意.感谢二位匿名审稿专家提出的宝贵修改意见，才使得论文不断得以完善；中国地震局第二监测中心高新技术研发室、中国地震局地质研究所王敏研究员提供了高精度GPS监测数据；感谢陶本藻、陈永奇教授提供的意见及给予的帮助.

References

Billings M P.1959.Structural Geology (in Chinese).Zhang B X Trans.Beijing: Geological Publishing House.

Cai Y,Wu J P,Fang L H,et al.2014.Relocation of the earthquakes in the eastern margin of Ordos block and their tectonic implication in the transition zones of extensional basin.Chinese J.Geophys.(in Chinese),57(4): 1079-1090,doi: 10.6038/cjg20140406.

Chang L J,Wang C Y,Ding Z F.2011.Upper mantle anisotropy in the Ordos Block and its margins.Sci.China Earth Sci.,54(6): 888-900,doi: 10.1007/s11430-010-4137-2.

Cui Q F,Han X F,Zhang L,et al.2014.Analysis of response of body strain in Xi′an Seismostation to Wenchuan earthquake.Journal of Geodesy and Geodynamics (in Chinese),34(4): 96-101.

Deng Q D,Zhang P Z,Ran Y K,et al.2002.Basic characteristics of active tectonic of China.Science in China (Series D)(in Chinese),32(12):1020-1030.

Fan J X,Ma J,Gan W J.2003.The motion integration and activity alternating of different orientation boundary of Ordos block.Science in China (Series D) (in Chinese),33(Suppl.): 119-128.

Feng X J,Dai W Q.2004.Lateral migration of fault activity in Weihe basin.Acta Seismologica Sinica (in Chinese),26(2): 174-182.

Guo L Q,Bo W J,Yang G H,et al.2011.The variation of the deformation-strain field before MS7.1 Yushu earthquake.Chinese J.Geophys.(in Chinese),54(8): 1990-1996,doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2011.08.006.

Jiang W L,Xiao Z M,Xie X S.2000.Segmentations of active normal dip-slip faults around Ordos block according to their surface ruptures in historical strong earthquakes.Acta Seismologica Sinica (in Chinese),22(5): 517-526.

Koch K R.1980.Parameterschätzung und hypothesentests in linearen Modellen.Bonn: Dümmlers Verlag.

Li S D.1997.The morphotectonics,seismicity and origin of Shanxi Graben system,East China.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis (in Chinese),33(4): 467-474.

Li Y X,Li J L,Zhang J H,et al.2007a.The research progress in elastic plate motion model.Progress in Geophysics (in Chinese),22(4): 1201-1208.

Li Y X,Zhang J H,He J K,et al.2007b.Current-day tectonic motion and intraplate deformation-strain field obtained from space geodesy in the Pacific Plate.Chinese J.Geophys.(in Chinese),50(2): 437-447.

Li Z H,Liu B J,Yuan H K,et al.2014.Fine crustal structure and tectonics of Linfen Basin-from the results of seismic reflection profile.Chinese J.Geophys.(in Chinese),57(5): 1487-1497,doi: 10.6038/cjg20140513.

Lu Y F,Xu M J,Wang L S,et al.2011.Crustal structure of the southeastern margin of the Ordos Block.Chinese Science Bulletin,56(35): 3854-3859,doi: 10.1007/s11434-011-4847-7.

Meng G J,Shen X H,Smirnov V,et al.2009.Research on characteristics of present-day crustal motion and deformation in Kamchatka area.Chinese J.Geophys.(in Chinese),52(3): 720-731.

Ming F,Chai H Z.2009.The foundation of China mainland blocks movement and strain model and its test based on the GPS data.Chinese J.Geophys.(in Chinese),52(8): 1993-2000,doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2009.08.006.

Peng J B,Fan W,Li X A,et al.2007.Some key questions in the formation of ground fissures in the Fen-Wei basin.Journal of Engineering Geology (in Chinese),15(4): 433-440.

Peng J B,Chen L W,Huang Q B,et al.2008.Large-scale physical simulative experiment on ground-fissure expansion mechanism.Chinese J.Geophys.(in Chinese),51(6): 1826-1834.

Peng J B.2013.Cause and mitigation of the ground fissures in China.∥ The Sixth National Symposium on Geological Disaster (in Chinese).Beijing.

Qiu Z H,Tang L,Zhang B H,et al.2012.Extracting anomaly of the Wenchuan Earthquake from the dilatometer recording at NSH by means of wavelet-overrun rate analysis.Chinese J.Geophys.(in Chinese),55(2): 538-546,doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.02.016.

Ren J,Peng J B,Wang F Y,et al.2012.The research of deep structural features of Weihe basin and adjacent areas.Chinese J.Geophys.(in Chinese),55(9): 2939-2947,doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.09.013.

Reynolds S D,Coblentz D D,Hillis R R.2002.Tectonic forces controlling the regional intraplate stress field in continental Australia: Results from new finite element modeling.J.Geophys.Res.,107(B7): ETG 1-1-ETG 1-15,doi: 10.1029/2001JB000408.

Shan B,Li J H,Han L B,et al.2012.Coseismic coulomb stress change caused by 2010 MS=7.1 Yushu earthquake and its influence to 2011 MS=5.2 Nangqen earthquake.Chinese J.Geophys.(in Chinese),55(9): 3028-3042,doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.09.021.Shao Z G,Zhou L Q,Jiang C S,et al.2010.The impact of Wenchuan MS8.0 earthquake on the seismic activity of surrounding faults.Chinese J.Geophys.(in Chinese),53(8): 1784-1795,doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2010.08.004.Shen Z K,Lü J N,Wang M,et al.2005.Contemporary crustal deformation around the southeast borderland of the Tibetan plateau.J.Geophys.Res.,l10:B11409,doi:10.1029/2004JB003421.Shi J.2008.Changes of seismicity in Shaanxi before and after the Wenchuan M8.0 earthquake.Journal of Catastrophology (in Chinese),23(Suppl.): 107-110.

Song M Q,Zheng Y,Ge C,et al.2012.Relocation of small to moderate earthquakes in Shanxi province and its relation to the seismogenic structures.Chinese J.Geophys.(in Chinese),55(2): 513-525,doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.02.014.

Tao B Z.2007.Statistic Theory and Method of Surveying Data Processing (in Chinese).Beijing: Surveying and Mapping Press.Teng J W.2003.Introduction to Solid Earth Geophysics (in Chinese).Beijing: Seismological Press.Wang M.2009.Analysis of GPS data with high precision and study on present-day crustal deformation in China [Ph.D.thesis] (in Chinese).Beijing: Institute of Geology,China Earthquake Administration.Wang M,Li Q,Wang F,et al.2011.Far-field coseismic displacements associated with the 2011 Tohoku-Oki earthquake in Japan observed by Global Positioning System.Chinese Science Bulletin,56(23): 2419-2424,doi: 10.1007/s11434-011-4588-7.

Wang Q L.2012.China comprehensive geophysical field observations—the main progress and forecast monitoring research work of the eastern margin of the Qinghai Tibet plateau.∥ The Special Introduction of the Key Scientific Research in Seismic Industry (in Chinese).Xi′an.

Wang S X,Jiang F Y,Hao M,et al.2013.Investigation of features of present 3D crustal movement in eastern edge of Tibet plateau.Chinese J.Geophys.(in Chinese),56(10): 3334-3345,doi: 10.6038/cjg20131010.

Wen Y M,Xu C J,Li Z H,et al.2014.Coseismic and postseismic deformation of the 2008 Wenchuan earthquake from InSAR.Chinese J.Geophys.(in Chinese),57(6): 1814-1824,doi: 10.6038/cjg20140613.

Wu Y Q,Jiang Z S,Yang G H,et al.2009.Application and method of GPS strain calculating in whole mode using multi-surface function.Geomatics and Information Science of Wuhan University (in Chinese),34(9): 1085-1089.

Xie C D,Zhu Y Q,Lei X L,et al.2010.Pattern of stress change and its effect on seismicity rate caused by MS8.0 Wenchuan earthquake.Sci.China Earth Sci.,53(9): 1260-1270,doi: 10.1007/s11430-010-4025-9.

Xu Y,Luo C J,Li X J,et al.2009.Analysis of digital strong motion records of the M8.0 Wenchuan Earthquake from the network of Shaanxi province.Technology for Earthquake Disaster Prevention (in Chinese),4(4): 363-372.

Zhang P Z,Gan W J,Shen Z K,et al.2005.A coupling model of rigid-block movement and continuous deformation: patterns of the present-day deformation of China′s continent and its vicinity.Acta Geologica Sinica (in Chinese),79(6): 748-756.

Zhang Q,Qu W,Peng J B,et al.2012.Research on tectonic causes of numerous ground fissures development mechanism and its unbalance distribution between eastern and western of Weihe basin.Chinese J.Geophys.(in Chinese),55(8): 2589-2597,doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.08.010.

Zhang Y Q,Liao C Z,Shi W,et al.2006.Neotectonic evolution of the peripheral zones of the Ordos basin and geodynamic setting.Geological Journal of China Universities (in Chinese),12(3): 285-297.

Zhang Y X,Yuan Z X.2010.Analysis on the characteristics of earthquake damages of the MS8.0 Wenchuan earthquake in the affected area in Shaanxi.Journal of Seismological Research (in Chinese),33(3): 329-335.

附中文参考文献

毕令斯 M P.1959.构造地质学.张炳熹译.北京: 地质出版社.

蔡妍,吴建平,房立华等.2014.鄂尔多斯东缘地震重定位及拉张盆地过渡区的地震分布特征.地球物理学报,57(4): 1079-1090,doi: 10.6038/cjg20140406.

常利军,王椿镛,丁志峰.2011.鄂尔多斯块体及周缘上地幔各向异性研究.中国科学: 地球科学,41(5): 686-699.

崔青发,韩晓飞,张璐等.2014.西安台体应变对汶川大地震的响应分析.大地测量与地球动力学,34(4): 96-101.

邓起东,张培震,冉勇康等.2002.中国大陆活动构造基本特征.中国科学(D辑),32(12):1020-1030.

范俊喜,马瑾,甘卫军.2003.鄂尔多斯地块运动的整体性与不同方向边界活动的交替性.中国科学(D辑),33(Suppl.): 119-128.

冯希杰,戴王强.2004.渭河盆地断层活动的横向迁移.地震学报,26(2): 174-182.

郭良迁,薄万举,杨国华等.2011.玉树MS7.1级地震前的形变应变场变化特征.地球物理学报,54(8): 1990-1996,doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2011.08.006.

江娃利,肖振敏,谢新生.2000.鄂尔多斯块体周边正倾滑活动断裂历史强震地表破裂分段.地震学报,22(5): 517-526.

李树德.1997.中国东部山西地堑系的形成机制及构造地貌、地震探讨.北京大学学报(自然科学版),33(4): 467-474.

李延兴,李金岭,张静华等.2007a.弹性板块运动模型研究进展.地球物理学进展,22(4): 1201-1208.

李延兴,张静华,何建坤等.2007b.由空间大地测量得到的太平洋板块现今构造运动与板内形变应变场.地球物理学报,50(2): 437-447.

李自红,刘保金,袁洪克等.2014.临汾盆地地壳精细结构和构造——地震反射剖面结果.地球物理学报,57(5): 1487-1497,doi: 10.6038/cjg20140513.

孟国杰,申旭辉,Smirnov V等.2009.堪察加地区现今地壳运动与变形特征研究.地球物理学报,52(3): 720-731.

明锋,柴洪洲.2009.由GPS资料讨论中国大陆块体运动与应变模型的建立及检验.地球物理学报,52(8): 1993-2000,doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2009.08.006.

彭建兵,范文,李喜安等.2007.汾渭盆地地裂缝成因研究中的若干关键问题.工程地质学报,15(4): 433-440.

彭建兵,陈立伟,黄强兵等.2008.地裂缝破裂扩展的大型物理模拟试验研究.地球物理学报,51(6): 1826-1834.

彭建兵.2013.中国地裂缝成因及减灾应对.∥ 第六届全国地质灾害与防治学术会议.北京.

邱泽华,唐磊,张宝红等.2012.用小波-超限率分析提取宁陕台汶川地震体应变异常.地球物理学报,55(2): 538-546,doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.02.016.

任隽,彭建兵,王夫运等.2012.渭河盆地及邻区地壳深部结构特征研究.地球物理学报,55(9): 2939-2947,doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.09.013.

单斌,李佳航,韩立波等.2012.2010年MS7.1级玉树地震同震库

仑应力变化以及对2011年MS5.2级囊谦地震的影响.地球物 理学报,55(9): 3028-3042,doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.09.021.

邵志刚,周龙泉,蒋长胜等.2010.2008年汶川MS8.0地震对周边断层地震活动的影响.地球物理学报,53(8): 1784-1795,doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2010.08.004.

石军.2008.汶川8.0级地震前后陕西地震活动的变化.灾害学,23(Suppl.): 107-110.

宋美琴,郑勇,葛粲等.2012.山西地震带中小震精确位置及其显示的山西地震构造特征.地球物理学报,55(2): 513-525,doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.02.014.

陶本藻.2007.测量数据处理的统计理论和方法.北京: 测绘出版社.滕吉文.2003.固体地球物理学概论.北京: 地震出版社.

王敏.2009.GPS观测结果的精化分析与中国大陆现今地壳形变场研究[博士论文].北京: 中国地震局地质研究所.

王敏,李强,王凡等.2011.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.科学通报,56(20): 1593-1596.

王庆良.2012.中国综合地球物理场观测——青藏高原东缘地区监测研究工作主要进展及预测分析应用情况.∥地震行业科研重点专项介绍.西安.

王双绪,蒋锋云,郝明等.2013.青藏高原东缘现今三维地壳运动特征研究.地球物理学报,56(10): 3334-3345,doi: 10.6038/cjg20131010.

温扬茂,许才军,李振洪等.2014.InSAR约束下的2008年汶川地震同震和震后形变分析.地球物理学报,57(6): 1814-1824,doi: 10.6038/cjg20140613.

武艳强,江在森,杨国华等.2009.利用多面函数整体求解GPS应变场的方法及应用.武汉大学学报·信息科学版,34(9): 1085-1089.

解朝娣,朱元清,Lei X L等.2010.MS8.0汶川地震产生的应力变化空间分布及其对地震活动性的影响.中国科学: 地球科学,40(6): 688-698.

徐扬,罗词建,李小军等.2009.汶川8.0级地震陕西省数字强震动记录分析.震灾防御技术,4(4): 363-372.

张培震,甘卫军,沈正康等.2005.中国大陆现今构造作用的地块运动和连续变形耦合模型.地质学报,79(6): 748-756.

张勤,瞿伟,彭建兵等.2012.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.地球物理学报,55(8): 2589-2597,doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.08.010.

张岳桥,廖昌珍,施炜等.2006.鄂尔多斯盆地周边地带新构造演化及其区域动力学背景.高校地质学报,12(3): 285-297.

张宇翔,袁志祥.2010.汶川8.0级地震陕西灾区震害特征分析.地震研究,33(3): 329-335.

(本文编辑何燕)

基金项目国家重点基础研究发展计划(973计划)(2014CB744703)；国家自然科学基金(41202189，41274005)；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、2014G3263014)；中国地震局地震行业科研重点专项(201208009)联合资助.

作者简介瞿伟，男，1982年生，副教授，硕士生导师，主要从事大地测量地壳形变与地质灾害高精度监测及机理反演研究. E-mail:maikerqq@163.com *通讯作者张勤，女，1958年生，教授，博士生导师，主要从事动态大地测量与灾害、环境监测的理论与方法、GPS与InSAR融合等方面的教学与科研工作.E-mail:zhangqinle@263.net.cn

doi:10.6038/cjg20160306 中图分类号P223

收稿日期2015-01-21，2016-01-28收修定稿

Current crustal deformation variation characteristics of the Fenwei basin and its surrounding areas revealed by GPS data

QU Wei1,2,WANG Yun-Sheng2,ZHANG Qin1*,WANG Qing-Liang3,XUE Kang1

1CollegeofGeologyEngineeringandGeomatics,Chang′anUniversity,Xi′an710054,China2StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu 610059,China3SecondMonitoringandApplicationCenter，ChinaEarthquakeAdministration，Xi′an710054,China

AbstractThe Fenwei basin is of great importance in research of tectonic activity and geological hazards (such as the ground fissures and earthquakes) in China.This basin is actually a deep rift that divides North China into eastern and western parts.Bounded by the Qinghai-Tibet,Ordos,North China and South China blocks,the Fenwei basin is a accommodation zone of differential motions of these blocks,and the boundaries and decoupled strips of tectonics between western and eastern North China.We focused on the current crustal deformation characteristics of the Fenwei basin and its surrounding areas,especially the influence of the 2008 Wenchuan earthquake.Meanwhile,we further analyzed the intrinsic relationship between the tectonic deformation features of the overall Fenwei basin and the multiple ground fissures within the basin.

KeywordsFenwei basin; GPS; Block movement strain model; Mathematical statistical hypothesis testing; Crustal strain characteristics; Ground fissures

瞿伟，王运生，张勤等.2016.空间大地测量GPS揭示的汾渭盆地及其邻域现今地壳应变场变化特征.地球物理学报，59(3):828-839,doi:10.6038/cjg20160306.

Qu W,Wang Y S,Zhang Q,et al.2016.Current crustal deformation variation characteristics of the Fenwei basin and its surrounding areas revealed by GPS data.Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(3):828-839,doi:10.6038/cjg20160306.