付平 陆进彬 李志荣 董志宏 吴荣琴 尹健民

摘要：

为分析滇中引水工程区的形变场特征，基于多期次GNSS观测及跨断层监测资料，借助速度场聚类与最小二乘配置算法，以及断层刚体运动等模型，推求了该区域主要断裂的现今活动速率和区域应变率分布，解算了活动断裂三维运动变化过程。研究表明：小金河-丽江断裂南段和小江断裂南段是两个强烈的地表变形区，楚雄段所在区域的构造运动相对稳定；建水盆地东缘断裂一带的剪应力积累水平较高；丽江-剑川断裂南段在2011年前后由张扭逐渐转变为压扭运动性质；2018年后，丽江-剑川断裂南段走滑速率较低，曲江断裂南东段的拉张活动强烈。研究成果可为穿越活动断裂的长线工程场地稳定性分析和结构抗错断设计提供参考依据。

关 键 词：

活动断裂； 断裂活动速率； 应变率场； 活动特征； 滇中引水工程

中图法分类号： P541

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.020

0 引 言

随着国民经济和社会发展，为构建国家水网主骨架和大动脉、提升水资源优化配置能力，一批重点水源和重大引调水工程建设正在加快推进。滇中引水工程新建输水隧洞62 座，总长610.49 km，全线隧洞占比超过92%，其中香炉山隧洞长达62.6 km，新建倒虹吸25座，总长42.66 km［1］。中国西南地区内外动力地质作用强烈，活动性断裂密集发育，这些长线隧洞和倒虹吸等地下或地表建筑物不可避免地穿越不同的地质构造单元与不同尺度的活动断裂。因此，开展工程区形变场特征研究、准确定量获得活动断裂区的运动和变形参数，对穿越活动断裂的工程结构抗错断设计、保障工程施工和运维安全具有重要意义［2-3］。

大地测量是研究活动断裂区形变特征最直接有效的方法，其原理是通过观测地面上离散站点的空间坐标变化，经解译处理后给出地表的运动和变形量，主要有GNSS、InSAR和跨断层测量等观测手段［4-6］。过去几十年，GNSS技术的观测精度和网络密度均得到了大幅提升。跨断层测量作为一种观测物理意义明确、测量精度高的地震前兆监测方法，能够准确记录断层的活动状态。川滇地区是中国地壳运动观测网络GNSS连续站和流动站布设最密集的区域，且云南地区十余个跨断层监测场地有近40 a的连续观测数据产出，这些都为该地区的活动断裂形变场研究提供了丰富的基础资料。

目前，已有不少关于云南地区地壳形变、运动学特征及其动力学机制的研究工作。李延兴、杨国华等根据云南地区1999～2001年不同期GPS 观测资料求解水平运动和应变图像，研究了云南不同活动构造单元的形变特征，揭示了滇中块体周边的活动断裂位移较大、活动性较强的特点［7-8］。王伶俐等［9］以云南地区2009～2011年多期GPS速度场为约束，建立块体的运动-应变模型，对主要块体活动性进行了分析。孙云梅等［10］利用1999～2013年多期GPS数据，研究了云南地区应变特征的分区性，并借助位错模型反演了主要断裂带的走滑速率。周海涛等［11］利用1982～2009年云南地区跨断层短基线观测资料，基于活动断裂及周边均匀应变场假设，研究了该地区应变的年变化特征。苏广利等［12］利用1993～2017 年多期精密水準观测资料，计算了云南不同区域在不同时期的垂直形变场，揭示了主要断层的垂向运动特性。徐东卓等［13］基于云南地区跨断层监测资料，利用断层活动协调比方法分析了区域断层活动和应力应变累积状态。

然而，现有研究大多基于云南地区2013年以前的早期大地测量资料，针对次级块体特别是活动断裂的运动和形变特征研究并不充分，且不同学者存在不同认识。本文在前人工作的基础上，以滇中引水工程区为研究对象，利用不同期次GNSS 观测数据和最新的跨断层场地连续监测资料，基于速度场聚类算法估算主要断裂带活动速率，分析区域应变率场的动态演化特征，

1 区域地质构造背景

滇中引水工程所在的云南地区位于欧亚板块与印度板块中国大陆碰撞带，是喜马拉雅构造域东南弧形转折的一部分［14］。引水线路全长约663 km，穿越区大致被澜沧江、丽江-小金河、金沙江-红河、弥勒-师宗等区域性活动断裂所围限，由北向南依次涉及松潘-甘孜褶皱系、扬子准地台和华南褶皱系3个一级构造单元，各个一级构造单元又被次级断裂进一步划分为二级和三级构造单元。

工程区西北部主要属青藏高原横断山脉，东南部主要属云贵高原，地势总体西高东低、北高南低，呈阶梯式下降，由西北向东南掀斜。区内北东向及北西向断裂成束发育，新构造运动活跃，历史地震频发。与引水线路直接相交的有丽江-小金河断裂、鹤庆-洱源断裂、龙蟠-乔后断裂、曲江断裂、建水盆地东缘断裂共5条全新世活动断裂，有程海-宾川断裂、绿汁江断裂、普渡河断裂、汤郎-易门断裂、李浩寨断裂等共11条晚更新世活动断裂，如图1所示。

2 主要断裂带现今活动速率估算

2.1 GNSS速度场聚类分析

基于大地测量数据研究活动地块的运动状态时，宜采用块体模型。然而，对于此类分片计算方法，不同的块体几何模型会得到不同的断裂带运动速度。造成这种差异的原因是块体边界选择时存在不确定性，因此合理的活动块体划分是进行构造运动和断裂活动性分析的重要前提。GNSS速度场是地壳运动的直接体现，对GNSS速度矢量进行聚类分析进而映射到地理空间上，可以在数学意义上保证局部块体划分的准确性。

由于垂直方向上的GNSS坐标时间序列观测数据可靠度相对较低［15］，本节仅从水平运动的角度开展分析。对云南地区及周缘270个GNSS区域站和基准站2013～2015年的坐标时间序列数据进行线性回归，获得ITRF2008框架下的各站点年平均速度，利用欧拉算法消除欧亚大陆整体刚性旋转分量后，得到各站点的相对速度，作为聚类分析的源数据，如图2所示。

动态聚类方法中的K中心点算法噪声敏感度低且鲁棒性高［16-17］，具有良好的聚类效果。本文提出了GNSS速度场的中心点聚类算法，具体实施步骤如下：① 读入速度场数据集D，设定目标聚类簇数k和训练轮数T；② 在D中随机选择k个速度样本作为初始均值向量；③ 计算其余速度样本与各均值向量的距离，并将该速度样本划归到距离最小的一簇中；④ 在每一簇中依次选取速度样本作为均值向量，计算该速度样本与当前簇中各速度样本的距离之和，将取得最小值的速度样本视为新的均值向量；⑤ 重复步骤③～④，直至各簇的均值向量即中心点不再变化。

对所有站点速度矢量进行初次聚类，聚类数为5时的结果如图3所示，图3（a）中不同颜色代表不同的速度聚类簇，图3（b）为各簇速度对应的站点在地理空间上的映射。可以看到，腾冲-保山块体（TB）、兰坪-思茅弧后盆地（LS）和川滇菱形块体南部（CD）能够被清晰地识别出来，但在引水线路经过的扬子板块和华南板块内部二级活动块体未被识别，一些深大活动断裂如小金河-丽江、小江等块体边界断裂未被检测到。因此，对这两个区域的速度场分别进行二次聚类，聚类数分别设置为3和2，图4所示的聚类结果显示：扬子板块被进一步划分为盐源-丽江块体（YL）、滇中块体（DZ）、康滇塊体（KD），原华南板块北部被划分成滇东块体（DD），其中，小金河-丽江-剑川断裂位于盐源-丽江块体和滇中块体的边界，元谋-绿汁江断裂位于滇中块体和康滇块体的边界，小江断裂位于康滇块体和滇东块体的边界，弥勒-师宗、李浩寨和建水东缘盆地断裂位于滇东块体与华南块体的边界。

3 区域应变率场及变化特征分析

3.1 基于多期GNSS数据的应变率场解算

不同于地壳运动速度场，应变描述的是观测点之间的相对运动，对参考基准没有依赖性，能够更加全面地体现地壳变形的不同性质与强度。

以云南地区及周缘1999～2007年、2009～2013年、2013～2015年共3期GNSS观测水平速度数据作为约束条件，基于最小二乘配置理论和球面应变计算方法，解算滇中引水线路近场区域的应变率分布，从应变率场动态变化角度研究活动断裂区的地表形变特征。2013～2015年的速度场如图2所示，1999～2007年、2009～2013年两期速度场如图5所示。

3.2 应变率场变化特征分析

从图7中的应变率场演变过程可以看出，在整个引水线路上，小金河-丽江断裂南段（与大理Ⅰ段相交）和小江断裂南段始终是两个较强烈的地表变形区，楚雄段所在区域变形微弱，属于构造运动相对稳定区。

龙蟠-乔后、丽江-剑川、程海-宾川断裂一带的东西向拉张变形有所增强，南北向变形性质则由压缩变形转换为拉张变形，小江断裂南部、石屏-建水断裂和曲江断裂一带的东西向拉张变形逐渐减弱。此区域为南北向压缩变形的高值区，且高值区有向北迁移和缩小的趋势。从面应变率来看，拉张变形主要集中在丽江-剑川和程海-宾川断裂附近。2013年以后，研究区整体呈现出以丽江为中心的中部拉张、四周挤压的变形特征，小江断裂沿线的压缩变形性质与川滇块体东边界南段形成构造挤压区的地质背景一致。从最大剪应变率来看，小江断裂中段和南段、普渡河断裂南段、一朵云-龙潭山断裂及丽江-剑川断裂、鹤庆-洱源断裂一带为局部的最大剪应变高值区，这与小江断裂、丽江-剑川断裂现今走滑速率相对较高的事实一致，但高值区分布长度和面积有所减小，表明剪切变形存在弱化现象。此外，与红河段相交的建水盆地东缘断裂，以及维西-乔后、挖色-宾居断裂处在最大剪应变率高值与低值的过渡区域，即该地区的剪切应力积累水平较高，结合最大剪应变率高值区及边缘易发生地震的规律特性［27］，如“5·21”漾濞6.4级地震，建议加强对此活动断裂的跨断层监测，尤其是引水线路与断裂交汇区的加密观测。

4 基于跨断层监测的主要断裂活动性分析

4.1 跨断层场地三维运动参数计算

跨断层形变测量是一种测量精度高、便于组织实施、数据稳定可靠的断裂活动性监测方法。通过多期次、短距离的跨断层水准和基线测量，准确记录断层上盘与下盘之间的相对位移，监测活动断裂的三维运动过程，能够反映断裂带及其所在区域长、中、短期的地表变形性质与强度。

图1所示滇中引水工程近场区域内有峨山、建水、剑川、丽江、石屏、通海、永胜、宜良和寻甸共9处跨断层观测场地，分布在小江断裂、曲江断裂、丽江-剑川断裂及其次级断裂上。以上每个场地均至少包括2条短水准和2条短基线测线，分别各有1条与断层直交和斜交的测线，以流动观测为主。针对与引水线路直接相交的全新世及晚更新世活动断裂，收集了该区域1982年2月至2021年1月间丽江、剑川、永胜、峨山、通海等5个场地的跨断层监测数据，观测周期多为1月/期，个别年份为2月/期，数据连续且完整，质量良好。监测场地信息如表3所列。

跨断层位移监测的目的在于了解断层的运动学特征。对一些实测资料的分析表明：在断层附近的一定范围内，其跨断层点位间的相对位移主要由断层上下两盘间的相对运动造成，而岩体介质应变在这一局部区域的影响可以忽略不计［28］。所以，通过测量资料分析断层的运动时，一般可把两盘视为不变形的刚体处理。根据如图8所示的断层刚体运动模型［29］，考虑测线两端点存在的水准高差，断层两盘的三维活动引起的基线旋转量和张压量应同时包含水平和垂直变化引起的部分，由此推导出断层水平走滑位移量ΔS、水平压张位移量ΔR以及垂直方向上错动量ΔH的计算式如下：

4.2 主要断裂活动特性分析

从图9所示的结果曲线可以看出：① 丽江-剑川断裂南段在2011年之前主要表现为张扭活动性质。值得注意的是，丽江-剑川断裂断层泥剪切面上的微-纳米级颗粒观测研究［30］表明断层面发育大量微米级颗粒，而纳米级颗粒较少，可能的原因是在丽江-剑川断裂活动的过程中，断层面上应力作用较小，不足以使岩石形成纳米颗粒，这也从侧面证明丽江-剑川断裂历史上曾经以张扭活动为主。② 丽江-剑川断裂南段在2011年之后逐渐转变为压性右旋走滑运动性质，但整体上挤压变形强度较弱，2018年后走滑活动速率处在较低水平。③ 丽江-剑川断裂北段主要表现为压扭性质，且右旋走滑活动强度较南段强烈，跨断层监测数据揭示丽江-剑川断裂表现出的运动学特征与地质背景不一致，需加以关注和进一步研究。④ 程海-宾川断裂北段表现出明显的张性右旋走滑活动，近5 a的走滑速率约3 mm/a，不同于南段的左旋走滑运动性质。⑤ 曲江断裂南东段从2003年开始表现出强烈的正断拉张性质，走滑活动强度不高，但有增强趋势，北西段则表现出明显的右旋走滑运动，2019年之后走滑活动强度有所减弱。

跨断层研究结果表明，活动断裂不同区段以及在不同时期的活动性质和活动强度可能存在显著差异。因此，有必要针对性地开展断裂活动期次和活动性分带研究，以更好地指导工程实际。

5 结 论

本文采用GNSS速度场聚类分析方法估算了断裂带现今活动速率，根据速度场最小二乘配置理论和球面应变计算方法解算了区域应变率场分布，利用活动断裂刚体运动模型和跨断层基线、水准资料求解活动断裂三维运动变化过程，较全面地揭示了滇中引水工程沿线典型活动断裂区域的运动及形变场特征。所得认识如下。

（1） 通过对GNSS速度场的聚类分析进而映射到地理空间上，能够在数学意义上保证研究区次级活动块体划分的合理性。基于块体整体旋转与均匀应变模型估算，与引水线路相交的丽江-剑川、鹤庆-洱源、元谋-绿汁江、李浩寨断裂的左旋走滑速率约1.6～2.1 mm/a，压张速率较低。

（2） 与大理Ⅰ段相交的小金河-丽江断裂南段和近昆明玉溪段的小江断裂南段始终是两个强烈的地表变形区，楚雄段所在区域变形微弱，构造运动相对稳定，丽江-剑川和鹤庆-洱源断裂一带的剪切变形有所减弱，与红河段相交的建水盆地东缘断裂处在最大剪应变率高值向低值的过渡区域，剪切应力累积水平较高。

（3） 与引水线路直接相交的丽江-剑川断裂及程海-宾川断裂北段在2011年后的活动性质表现出了异于地质背景的现象，2013年后，丽江-剑川断裂北段和程海-宾川断裂北段走滑活动速率较高，丽江-剑川断裂南段走滑速率较低，曲江断裂南东段的拉张活动强烈。

（4） 活动断裂不同区段以及在不同时期的活动性质和活动强度存在显著差异，为了更好地指导工程实际，有必要针对性地开展断裂活动期次、活动性分带及其活动模式研究。

基于高精度大地测量数据的计算数学方法是研究活动断裂区形变运动场的有效手段，然而活动构造本身极为复杂，其复杂性的表现之一是构造运动在深浅部存在一定差异。目前，滇中引水工程已经全线开工建设，穿越活动断裂隧洞段的陆续开挖为探究活动断裂深部的长期形变运动特征提供了绝佳窗口。开展地表运动观测的同时进行地下围岩形变监测，能够更加系统深入地研究深大活动断裂的活动特性及其对深埋隧洞工程的影响。

致 谢

感谢中国地震局第一监测中心提供的GNSS观测和跨断层监测数据。

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（编辑：高小雲）

Abstract：

In order to analyze the characteristics of deformation field in central Yunnan water diversion project area，based on multistage GNSS observation data，cross-fault monitoring data，and by means of velocity field clustering，least squares collocation algorithm and with fault rigid-body motion model，current movement rates and strain rates of main active faults in this area were deduced，the processes of three dimensional movement of active faults were also resolved.The results indicated that the southern segment of Xiaojinhe-Lijiang fault and Xiaojiang fault had always been two strong deformation zones，the recent regional tectonic movement of Chuxiong segment of the water diversion route was relatively stable.The eastern margin fault of Jianshui basin was characterized as high level of shear stress accumulation.The active mode of southern segment of Lijiang-Jianchuan fault had converted from tensile strike-slip to compressive strike-slip since 2011.After 2018，the southern segment of Lijiang-Jianchuan fault had a lower strike-slip rate，while the extension of southeast segment of Qujiang fault was strong.The research results can provide reference for stability analysis of cross-fault long line project sites and faults movement resistance design of engineering structures.

Key words：

active fault；movement rate；strain rate field；active characteristics；central Yunnan water diversion project