利用GPS研究汾渭断陷带现今变形

曾亚光，李 伟，2，刘 韶

（1.中国地震局第二监测中心，陕西 西安 710054；2.中国地震局地质研究所，北京 100029；3.四川省地震局，四川 成都 610041）

汾渭断陷带包括渭河地堑和山西地堑系统，是中国大陆东部地区地震活动最强烈的地震带之一，在华北地区构造活动格局中举足轻重，在一定程度上反映出华北地区地震活动的强弱和动态变化。汾渭断陷带因其高地震危险性而闻名，自有记载和记录以来，已发生6级以上地震21次，其中有2次大于8级的地震，即1303年山西赵城—洪洞间8级和1556年陕西华县8⅟4级特大地震。汾渭断陷带复杂地质构造和频繁地震活动引起地学界学者们的广泛关注。汾渭断陷带位于鄂尔多斯、华北平原和华南三个主要块体之间的交叠处，是一个新生代活动断陷带。汾渭断陷带的走向从南到北为北东东—北北东，其特征是东边界为张性右旋剪切断裂，南边界为左旋剪切伸展断裂。在过去的三十年中，已有人发展出不同的模型来描述鄂尔多斯块体周围的地堑系统的构造演化（Molnar P.et al，1975；Tapponnier P.et al，1977；Northrup CJ.et al，1995；Yin A.2010；Liu M.et al，2007）。一些研究者认为，鄂尔多斯地区的构造变形和演化是印度与亚洲远距离碰撞的结果（Molnar P.et al，1975；Tapponnier P.et al，1977）。另外有人解释华北地壳变薄和火山活动可能与欧亚大陆下方的太平洋板块向西俯冲和后退机制密切相关（Northrup C J.et al，1995）。

1992年至2002年的GPS观测结果表明，整个山西地堑系几乎没有变形，既没有伸展也没有走滑（He J.et al，2003；Shen Z K.et al，2000；Wang Q.et al，2001）。Zhang等（2018）使用最新GPS数据研究结果认为，山西地堑和整个华北平原都没有明显的东西向伸展。一个地区发生如此频繁的历史大地震，而现今却没有变形是不可能的，一定存在尚未观察到的地壳变形。与以前的GPS研究相反，现代地震活动表明活跃的裂谷作用。Wesnousky等（1984）根据地震矩数据估计同震拉张速率约为1.0 mm/a，这个结果接近上新世至第四纪晚期平均0.5～1.6 mm/a的拉张速率。与历史性大地震有关的地表破裂显示出明显的正断层性质，并伴有右旋走滑分量，例如1556年的陕西华县8⅟4级特大地震（Rao G.et al，2014），1303年的山西洪洞地震（Xu Y.，2014；Xu Y.et al，2018；Jiang W.et al，2004）。最近地震的震源机制解也显示了明显以倾滑和走滑运动为主的特征（He J.et al，2003；Xu Y.，2014；Xu Y.et al，2018；Chen W P.et al，1988；高彬等，2016）。Hao等（2016）使用在鄂尔多斯块体周围1970～2014年期间观测到的精密水准数据得出结论，相对于稳定的鄂尔多斯块体，渭河地堑和山西地堑南部以4～6 mm/a的速率沉降，山西地堑的下陷表明该地堑长期处于伸展运动中。最近，Zheng等（2017）发表了覆盖整个中国及周边地区的GPS速度场。

本研究使用的数据主要来自1998年至2015年收集的中国地壳运动观测网络，数据收集和处理程序的详细描述见Zheng等（2017）文献。研究者使用了整个中国东部地区跨越三个地壳块体的GPS数据，而不是将研究内容的分析仅限于一个块体或一个断层，以了解汾渭断陷带的现代构造变形和地震危险性的模式，为解决中国东部新生代变形问题提供参考依据。

1 地质背景

鄂尔多斯块体的特点是低的应变速率和地震活动性。相反，自新生代以来该稳定块体边缘的地震一直比较活跃。鄂尔多斯块体被四个地堑系统包围：沿其西边缘的银川地堑，沿其北边缘的河套地堑，沿其东边缘的山西地堑，以及沿其南部边缘的渭河地堑（Yin，2010；Zhao B.et al，2017；图1）。在燕山运动期间，鄂尔多斯块体表现出间歇性的抬升和沉陷运动，其外围发生了强烈的构造活动。在河套和渭河盆地，形成了近东西向的挤压构造带，山西盆地和银川盆地形成了NE—NNE向的挤压构造带。中生代特别是燕山运动形成的基本构造背景为该地区新生代的地质演化奠定了基础。在新生代时期，鄂尔多斯西南缘及其邻近地区最突出的特征是在其外围形成了一系列伸展的断陷盆地和在其西南缘形成了逆冲断层带。根据鄂尔多斯块体的沉积物分布和断裂带的发育特征，将该地区的构造活动大致分为三个主要阶段：1）在始新世，渭河盆地、银川盆地和吉兰泰盆地开始发育，它基本上是在渐新世末期形成的；2）中新世末期，鄂尔多斯块体继续隆升，外围断陷带继续发展；此外，渭河断陷盆地向东延伸进入山西形成运城盆地；3）在上新世末期，受NE—NNE走向断裂控制，山西断陷带基本形成（Deng Q.et al，1996；Zhao B.et al，2017；国家地震局《鄂尔多斯周缘活动断裂》课题组，1988）。

图1 华北构造与地震分布

鄂尔多斯块体和华北平原北部边界由东西走向的河套地堑和张家口—渤海断裂带组成，该边界将华北块体与阿穆尔块体分隔开（Zhang Y G.et al，2018；图1）。鄂尔多斯块体和华北平原的南边界是大约为东西走向的秦岭—大别山山脉前缘断裂带（Zhang Y G.et al，2018；图1），地貌和地震学研究表明，该断裂带的第四纪构造活动有限（Deng Q.et al，2003；邓起东等，2003；张培震等，2003）。华北平原的西边界是山西地堑系统，重大历史地震主要发生在沉积盆地内部，说明该边界存在强烈的构造活动。鄂尔多斯块体的西边界是近南北走向的吉兰泰—银川地堑和六盘山逆冲褶皱带，两者都具有强烈的构造活动和地震活动性。

2 根据GPS分析的变形速率和模式

2.1 GPS数据和中国东部地壳块体之间的相对运动

图2描绘了不同地壳块体相对于固定欧亚大陆的运动。鄂尔多斯块体的台站相对于固定的欧亚大陆以4～7 mm/a的速度沿N100°～130°E的方向移动（见图2），表明鄂尔多斯块体与欧亚大陆之间的相对运动基本稳定。华北平原中的大多数GPS速度矢量都在5.0±1.5 mm/a的速度范围内，并且在N100°～120°E的方向内（见图2），局部存在较大的变化。值得注意的是，速度从阿穆尔块体内部的1～2 mm/a逐渐增加到华北平原内部的5～6 mm/a（见图2；Zhang Y G.et al，2018）。依据活动断层探查和历史强地震的记载和记录，华南块体被认为是构造相对稳定的块体（邓起东等，2003；张培震等，2003）。GPS速度矢量显示了华南块体沿N100°～120°E方向的一致运动，速率为7～8 mm/a，在整个的华南块体内部区域没有发现明显的速度梯度带。与华北平原的北缘相似，华北平原的南缘附近5～6 mm/a的相对运动逐渐变化为华南块体内部的7～8 mm/a的速度（Zhang Y G.et al，2018）。

2.2 N0°E、N160°E和N110°E方向速率剖面分析

构造N0°E方向速度剖面（图2中的蓝色四边形）是为了探索华南块体与鄂尔多斯块体之间的运动差异。从N0°E速度剖面方向上的N90°E速度分量（图3a）可以看出，华南块体与鄂尔多斯块体之间存在明显的左旋走滑速率差异，差值为2.27±0.52 mm/a，该速率差横跨渭河地堑的长度约为200 km。图3b显示，华南块体和鄂尔多斯块体分别都以-2.78±0.98 mm/a和-2.27±0.80 mm/a的速度向南移动，两者之间存在-0.51 mm/a的速率差，表明渭河地堑在南北方向上的拉张速率相对较小。Wang等（2011）报道了渭河裂谷的断层滑移速率，认为渭河裂谷的左旋走滑速率为1.4±0.5 mm/a，拉张速率为0.5±0.3 mm/a，本研究的结果与Wang等（2011）的结果比较一致。

构造N160°E方向速度剖面（图2中的黄色四边形）是为了研究渭河地堑内部是否存在垂直于主要构造走向的差异运动。N160°E速度剖面中的N70°E速度分量（图3c）基本平行于渭河地堑的主要构造线走向，由图3c可以看出，穿过渭河地堑的剪切走滑速率没有发生明显变化，表明渭河地堑的形成与其内部断层的走滑运动基本无关。由图3d可知，鄂尔多斯块体和华南块体都发生了向东南方向的移动，且渭河地堑内部（即华山断裂两侧）的速率差异显著，在剖面0～400 km的速率约为4.0 mm/a；进入华南块体后，速率明显快速增长，在剖面600～1 000 km的速率约为5 mm/a；华南块体与鄂尔多斯块体在N160°E方向上的速率差约为1 mm/a，是N0°E速度剖面方向上拉张速率的两倍，这意味着渭河地堑的主要拉张方向是NW—SE方向。1556年陕西华县81/4级特大地震造成80万人丧生，其地震发生断层被认为是NE—NEE走向的华山断裂，该断层是全新世活动断层，控制着渭河盆地第四纪沉降中心和最高地形。本研究观察到约1 mm/a的拉张速率与已有研究结果中中华山断裂的约1 mm/a倾滑速率相当（徐伟等，2017；杨源源等，2012；Li D.et al，2015；李祥根等，1983；Rao G.et al，2014），表明华山断裂吸收了鄂尔多斯块体的主要伸展变形。

构造N110°E方向速度剖面（图2中的黑色四边形）是为了探测山西地堑系统的变形，并在该剖面上绘制了鄂尔多斯块体和华北平原中测站的N20°E（图3e）和N110°E（图3f）的速度分量。通过N20°E速度可以检测鄂尔多斯块体与华北平原之间在大致南北方向上是否有走滑运动。由图3e可知，鄂尔多斯块体和华北平原都略微向南移动，而穿过山西地堑系统和华北平原的剖面却显示出与鄂尔多斯块体不同的运动学模式，针对该现象可以提出两种解释：一种是，穿过山西地堑系统的速率差存在阶梯式变化，这种变化导致地堑系统发生约0.8 mm/a的右旋走滑；另一种是，山西地堑系统的速率沿东南方向逐渐增加，并在一个更宽范围内形成了右侧走滑，而鄂尔多斯块体的速度却保持在一个稳定范围内。通过N110°E速度可以检测鄂尔多斯块体与华北平原之间在大致东西方向上是否存在拉张或挤压。由图3f可知，鄂尔多斯块体和华北平原都向东移动，而穿过山西地堑系统和华北平原的剖面却显示出与鄂尔多斯块体不同的运动学模式，针对该现象也可以提出两种解释：一种是，穿过山西地堑系统的速率差存在阶梯式变化，山西地堑系统的拉张速率约为0.7 mm/a；另一种是，华北平原内的速率沿东南方向逐渐增加，而鄂尔多斯块体的速度却保持在稳定范围内。Wang等（2011）报道了山西裂谷的断层滑移速率，山西裂谷的右旋走滑速率为0.6±0.5 mm/a，拉张速率为0.8±0.3 mm/a，本研究的结果与Wang等（2011）的结果比较一致。

图2 以欧亚大陆为固定参考系的华北GPS速度场

图3 GPS速度剖面和地形剖面

3 变形模型和地震活动性

汾渭断陷带的变形模式与华北平原和西藏东部有很大的不同，华北平原受到其南北边界上的左旋剪切作用在其内部形成了一系列近南北向右旋断裂，这些内部的右旋走滑断裂调节和吸收了华北平原现今的构造变形（Zhang Y G.et al，2018）；而西藏东部在南北向的右旋剪切作用下在该区域内形成了一系列东西向的左旋断裂（England P.et al，1990；Savage JC.，2000）。

图4a为汾渭断陷带变形前的原始卡通示意图，变形前鄂尔多斯块体和华北平原为一个整体，华南地块是刚性的。在不同块体之间的相对运动期间，华南块体比鄂尔多斯块体更快地向ESE方向移动，从而在渭河地堑的南部边界上创造一个左旋简单剪切作用区，造成渭河地堑在NS和SES方向的构造拉张作用（图3，图4b）。左旋简单剪切作用为渭河地堑的进一步扩展提供了空间（图4b）。随着拉张的继续作用，纯剪切可能已经利用了薄弱地带主导了现今的变形，在渭河地堑中形成了一系列NEE走向的正断层。NEE走向断裂吸收了大部分的震间剪切作用，从而积累了弹性应变，当应变累积超过某个NEE走向断层的摩擦强度时，会发生大地震以释放累积的应变。地震破裂和永久变形预计将发生在NEE走向的纯剪切倾滑断裂上。

由图4b可知，华北平原比鄂尔多斯块体更快地向ESE方向移动，从而在鄂尔多斯块体的东边界上形成了一个右旋简单剪切作用，并造成了山西地堑系统在约EW方向上的构造拉张，从而形成了山西地堑系统，地堑系统受到的右旋走滑速率和拉张速率分别约为0.8 mm/a和0.7 mm/a。这种扭张变形模式使山西地堑系统从南到北形成一系列小型拉分盆地，如临汾盆地、太原盆地和大同盆地，地质和地震观测结果也验证了这种变形。山西地堑系统中几乎所有的历史性大地震都发生在兼具倾滑或走滑特征的北北东走向断裂带上，例如，1303年的山西洪洞8级地震是中国历史上最早的8级地震，也是山西地堑系统中记录的最大地震，根据地质观察和古地震探槽结果，该次地震的地表破裂以倾滑位移为主，兼具一定的水平位移（Xu Y.，2014；Xu Y.et al，2018；Jiang W.et al，2004）。山西地堑系统内大型历史地震的震源机制解（图1）也表现出明显的右旋走滑位移和倾滑位移（沈正康等，2004；He J.et al，2003）。汾渭断陷带的这种变形模式导致了地震复发间隔相对较短的大地震的发生（Xu Y.，2014）。汾渭断陷带的特征可归纳如下：1）由拉张引起的纯剪切产生的应变很容易集中在主要边界断层上；2）长期的持续拉张维持了每个断层上的应变速率不断增长导致大地震的产生；3）地震会产生次级断层，这些次级断层可以调节震间应变，反过来又会引起地震。

图4 汾渭断陷带变形模式卡通示意

4 结论与讨论

综上所述，本研究通过最新GPS数据分析发现，汾渭断陷带的现今变形主要由几乎纯剪切滑动的正断层所支配，即由鄂尔多斯块体、华北平原和华南块体之间的相对运动所驱动。构造拉张由山西地堑系统中NNE向断裂的右旋走滑以及鄂尔多斯块体与华南块体之间的左旋走滑所调节。这种变形模式对汾渭断陷带的地震发生和地球动力学具有重要意义。

渭河地堑的东部地区的地震危险性远高于西部地区的一个重要的原因是整个东部地区SES方向的拉张速率几乎是整个西部地区NS方向拉张速率的2倍。山西地堑系统的地震灾害危险性也很高，其原因是山西地堑系统的走滑速率和拉张速率基本上相等，未来的大地震可能会继续在山西地堑系统的NNE向断裂上发生，大地震的活动方式可能是倾滑或右旋走滑。汾渭断陷带作为一个新生代的拉张盆地，其形成是由于地壳伸展和岩石圈变薄，而块体移动是驱动这一地质过程的重要机制。本研究的结果表明，汾渭断陷带驱动伸展的过程将会长期持续，基于渭河地堑优势的最大拉张方向约为N160°E。