六盘山及其邻区位于鄂尔多斯地块西南缘, 在大地构造上属于青藏块体、阿拉善地块、鄂尔多斯块体和华南地块的汇聚部位, 区域地质构造复杂。在青藏块体的北东向挤压和阿拉善、鄂尔多斯块体的阻挡之下, 区域内主要发育着北西西、北西、北北西以及近南北向的全新世活动断裂(祁连山东段-海原断裂、六盘山汇聚构造断裂、西秦岭北缘断裂等), 构成了3个构造变形组合系统:海原-六盘山走滑-挤压缩短转换系统、陇山-宝鸡局部拉张系统和西秦岭构造系挤压旋转系统^[1-2]。受青藏高原大的挤压动力环境和本区构造变形组合作用控制, 区域及附近历史地震活动强烈, 曾发生7级以上地震6次、6级以上地震10余次, 是青藏高原东北部强震主要活动地区之一^[3]。地震是地壳运动变形过程中能量长期积累和突然释放的结果, 反映强震孕育的直接证据来自地壳形变与地震活动性^[4]。本文以研究区较长时间尺度水准网监测及跨断裂水准测量资料为主, 结合GPS水平形变应变背景以及构造活动动力环境, 研究本区域现今地壳构造活动与应变积累状态, 以期为未来强震活动研究提供参考依据。

1 区域水准资料及处理概况

六盘山及其邻区精密水准测量网属于青藏高原东北缘地壳形变监测网的一部分, 该网是20世纪60~70年代在国家大地测量控制网基础上, 以服务于区域现代地壳运动和地震活动监测研究为目的进行改建和扩建而成的^[5]。本文使用的历史水准测量资料为国家精密水准网和地震水准监测网(图 1) 1970~2014年的监测结果。资料空间范围为33°~38°N、103°~108°E, 基本上覆盖了六盘山及其邻近的主要断裂构造。水准网线复测周期为数年至十数年不等, 各期观测范围也不严格相同(尤其是1990年以前各期观测的水准网线差异较大), 但每条水准路线均保证有2期以上资料积累。2008年汶川8级地震以来, 对横跨六盘山构造带的水准测线复测期数要相对多一些。

针对研究区水准网线不同年份施测范围差异较大的特点, 考虑各期水准观测网线的重合率以及研究问题的需要, 采用水准网整体平差模型^[5-6]进行数据处理。以位于鄂尔多斯地块上(泾川附近)相对稳定的水准点为起算基准, 计算获得了1975~2012年(起止年份均指中心年代)各水准点垂直运动速率, 建立了研究区较长时间尺度的垂直形变速度场图像。此外, 根据横跨六盘山构造带的水准测线多期复测资料, 计算、绘制了跨断裂水准垂直形变剖面图。将这些结果作为研究本区域现代地壳垂直形变的依据。

2 区域现今大地垂直形变特征 2.1 区域性垂直形变速度场分布特征

基于精密水准监测网得到的区域性地壳垂直形变场, 能够较为客观、全面地反映构造区域现代地壳垂直运动的总貌和趋势特征。由前述资料处理获得的六盘山及邻近地区垂直形变速度场分布图(图 2)显示:首先, 研究区现今山、盆垂直构造活动分异显著, 西秦岭、六盘山、祁连山东段以及贺兰山等山地上升, 盆地(包括河川、平原)相对下降, 反映了本区现代地壳垂直运动所呈现的继承性总貌和总体趋势特征。其次, 各构造分区垂直升降幅度存在差异, 其中区域南部的西秦岭构造上升速率最大达5 mm/a以上, 六盘山上升速率也达4~5 mm/a, 祁连山东段和海原附近的南-西华山上升速率约为3 mm/a, 区域最北部的贺兰山南段上升速率只有1~3 mm/a; 而阿拉善地块东南至黄河流域、渭河盆地西部为不同程度的相对下降地区, 速率大多为-1~-3 mm/a(中卫、宝鸡等地达-4 mm/a左右)。最后, 从更大范围的运动状态看, 研究区中部的陇西地块呈南升北降的掀斜运动态势, 地块边缘的海原-六盘山断裂、西秦岭北缘断裂、庄浪河断裂等两侧差异运动明显, 尤其是六盘山、西秦岭北缘断裂两侧垂直差异形变梯度较高, 其值分别达0.104 mm/a ·km和0.093 mm/a ·km; 研究区北部的阿拉善地块东南部以相对下降为主, 东部的鄂尔多斯地块则呈缓慢的抬升运动状态。这些均与上述构造单元所处的大区域构造结构和动力环境有关。

2.2 跨断裂水准测线垂直形变分析

作为区域性垂直形变速度场所反映的现今垂直运动总体状态的必要补充, 跨断裂水准测线垂直形变剖面对断裂两侧升降差异变化的反映更直观一些。为此, 收集和利用位于六盘山构造区及附近跨断裂的2条水准测线(平凉-隆德-静宁和秦安-陇县-宝鸡, 具体位置见图 3)多期复测资料, 绘制跨断裂垂直形变剖面图(图 4、图 5)。需要说明的是, 由于水准测量是沿公路进行的, 因而图上水准测点与断裂的相对位置不完全取决于测线的长短, 而取决于水准点与断裂正交方向上的投影。图中纵坐标为水准点高程变化量(单位mm), 横坐标为水准点与断裂正交方向上的投影至断裂的距离(单位km), 阴影部分为地形示意。此外, 不同水准测线复测期数不同, 同一条测线不同年份观测的长短不同, 相邻2期资料组成的各时间段水准点重复率也不尽相同(资料积累时间较长, 尤其是20世纪90年代以后国家高等级公路、地下资源开采、地面建筑物等大规模基础设施建设对水准点位损毁严重)。以跨过六盘山主构造断裂的平凉-隆德-静宁水准测线垂直形变剖面为主, 结合位于六盘山构造区南部的秦安-陇县-宝鸡跨断裂水准测线, 对跨断裂垂直差异运动状态进行比较分析。

2.2.1 平凉-隆德-静宁水准测线垂直形变剖面

该剖面近乎直交跨过六盘山主构造断裂, 水准复测期数相对较多(1985年、1994年、2006年、2010年、2012年、2014年)。分别取断裂两侧一定范围内(断裂两侧的水准点个数或距离基本相近)水准点高程变化的平均值, 计算断裂一侧相对另一侧的差异变化量, 分析断裂两侧升、降差异活动状况。1)1985~1994年观测的水准路线最长、2期重合的水准点最多, 垂直形变呈现为六盘山断裂以西(山地)相对断裂以东(鄂尔多斯西南部台地)的继承性升、降差异运动(图 4(a)), 断裂两侧的西升东降平均差异幅度为11.82 mm, 速率为1.31 mm/a; 2)1994~2006年断裂两侧的平均升、降差异幅度为16.34 mm, 速率为1.36 mm/a, 差异运动速率与上一时段相当, 但断裂两侧运动方向与前期相反(图 4(b)); 3)2006~2010年断裂两侧的平均升、降差异幅度为4.98 mm, 速率为1.25 mm/a, 运动速率与上一时段接近, 运动方向也与前期相同(图 4(c)); 4)2010~2012年断裂两侧的平均升、降差异幅度为3.32 mm, 速率为1.66 mm/a, 运动方向与前期相同, 但运动速率有所增大(图 4(d)); 5)2012~2014年断裂两侧的平均升、降差异幅度为8.70 mm, 速率达4.35 mm/a, 运动速率显著增大, 且表现为强烈的西升东降继承性运动态势(图 4(e))。初步分析认为, 上述各个资料时间段内, 断裂两侧升、降差异运动呈现为运动幅度和性质(继承性或反继承性)的波动变化过程, 但近期处于显著的继承性运动加速状态。

2.2.2 秦安-陇县-宝鸡水准测线垂直形变剖面

该剖面位于六盘山构造东南部的陇山-宝鸡局部拉张单元, 测线跨固关-县功断裂、桃园-龟川寺断裂等, 水准复测期数相对较少(1981年、1985年、2006年、2014年, 其中1981年资料在桃园-龟川寺断裂附近有粗差存在, 未参与分析)。由于测线所跨的是2条断裂, 且测线从陇县到宝鸡段基本上沿第四纪河谷地带展布, 因而主要分析断裂以西至秦安的山区相对东侧的陇-宝地区的升降差异运动。1)1985~2006年观测的水准路线较长, 2期重合的水准点较多, 垂直形变主要呈现为断裂西部山地相对于东部河谷-盆地的继承性升、降差异运动(图 5(a)), 其西升东降平均差异幅度为12.67 mm, 速率为0.60 mm/a; 2)2006~2014年东、西两侧的平均升、降差异幅度为43.27 mm, 速率达5.41 mm/a, 运动速率较上一时段显著增大, 但升、降运动方向与前期相反, 呈反继承性运动(图 5(b))。

综上分析认为, 由于活动构造单元的相对运动和变形, 其边界断裂带构造活动往往相对强烈, 不仅存在着不同构造地段断裂活动的差异性, 也存在着时间过程的非均匀性(不同资料时间段升、降差异运动有强有弱, 又有反向), 这与已有的研究结果较一致^[7-8]。但近年来这些跨断裂垂直形变的加速, 可能与2008年汶川8级地震、龙门山发震断裂剧烈逆冲-右旋走滑错动、断裂西侧向北运动的动力作用影响^[9]及区域应力应变积累变化有关。

3 区域地壳构造活动与应变积累状态分析 3.1 现今地壳形变、应变积累状态分析

由于六盘山及邻区处于青藏块体北东缘和阿拉善、鄂尔多斯块体的构造汇聚部位, 受青藏高原大的北东向挤压动力环境和研究区构造变形组合作用控制, 新构造活动以挤压缩短及走滑扭动为主要特征。前述本研究区垂直形变场反映的六盘山、西秦岭等受挤压隆升、盆地相对下降的运动趋势, 体现了研究区域现代地壳垂直运动具有新构造活动的继承性(尤其是陇西地块南升北降的掀斜运动态势, 西秦岭构造上升速率最大达5 mm/a以上, 六盘山上升速率也达4~5 mm/a, 六盘山断裂、西秦岭北缘断裂两侧差异运动较显著), 反映了青藏高原北东向挤压动力对本区域现代地壳运动的控制作用。进一步结合已有的区域性GPS水平运动变形研究结果^[10-11]分析认为, 研究区六盘山、西秦岭等山区抬升主要以地壳水平挤压缩短的形式实现, 因而形成了GPS观测反映的地壳挤压缩短强烈地带, 水准观测反映的垂直隆升也相对显著的共生性特征。特别是近年来区域性GPS水平运动速度场在六盘山断裂两侧西强、东弱和面应变西侧强压性、东侧微张性的显著差异所反映的水平运动受阻闭锁状态(图 6), 与跨断裂垂直形变反映的近期断裂两侧垂直差异活动加剧相配合, 体现了六盘山构造带应变积累程度较高。

3.2 区域构造动力环境与未来地震活动分析

首先, 六盘山及邻区为青藏、阿拉善和鄂尔多斯等大构造块体的汇聚地带, 是印度板块北推碰撞作用下青藏块体北东向挤压和挤出运动强烈的构造区域; 新构造活动以水平挤压为主、垂直升降与之相伴生, 形成山地隆起、盆地坳陷的继承性运动总趋势; 印度板块北推碰撞作用下青藏块体北东向挤压、逆冲、旋转扭动作用, 是本区运动变形和强震活动的主控应力^[1]。在此环境下, 从地壳介质运动变形导致应力应变积累与释放的角度分析认为, 当构造区域活动地块边界断裂相对水平运动比较平稳和顺畅时, 不容易发生具有趋势积累的显著垂直差异运动; 而当地块边界水平运动受阻(闭锁)时, 就会引起有趋势积累性的显著垂直运动(异常隆起和高梯度带), 形成GPS观测反映的地壳挤压缩短强烈地带, 水准观测反映的垂直差异也相对显著这样的共生性特征。因而, 地块边界活动受阻闭锁地带容易形成应力相对集中、高应变积累而可能蕴育强震。

其次, 从近20 a中国西部强震活动时空分布来看, 自1997年西藏玛尼7.5级地震开始, 青藏块体内部的巴颜喀拉地块边界连续发生了2001年昆仑山口西8.1级、2008年新疆于田7.3级和四川汶川8.0级、2010年青海玉树7.1级、2013年四川芦山7.0级、2014年新疆于田7.3级等强烈地震, 表明青藏块体尤其是中北部大区域构造活动和应力场很强。与此同时, 这种大区域构造应力状态的变化, 可能会在青藏块体东北缘及其附近引起构造活动响应(前述位于六盘山构造区的跨断裂水准垂直形变近些年来显著增强, 青藏块体东北缘6级以上地震平静近10 a后于2013-07-22发生了岷县-漳县6.6级地震、2016-01-21青海门源6.4级地震), 加速应变积累程度较高的构造部位发生强震。

最后, 根据六盘山及邻近地区较长时间尺度的垂直运动变形场背景、跨断裂水准垂直形变动态变化, 结合GPS水平运动变形反映的应力应变积累状态分析认为, 六盘山构造带中南段的挤压-拉张构造转换部位, 尤其是M7项目给出的历史强震破裂空段^[12]未来存在发震背景。

4 结语

1) 六盘山及其邻近地区较长时间尺度精密水准监测获得的区域性地壳垂直形变速度场, 反映了研究区现今山、盆垂直构造活动分异。其中, 西秦岭、六盘山、祁连山(东段)以及贺兰山等山地相对上升, 盆地(包括河川、平原)相对下降, 体现了现代地壳垂直运动的继承性趋势特征; 各构造分区垂直升降存在差异, 陇西地块呈南升北降的掀斜运动态势, 地块边缘的海原-六盘山断裂、西秦岭北缘断裂等两侧差异运动明显; 阿拉善地块(东南部)以相对下降为主, 而鄂尔多斯地块则呈缓慢的抬升运动状态。

2) 跨断裂水准测线垂直形变剖面对断裂两侧升降差异变化的反映更加直观, 能够作为区域性垂直形变速度场所反映的现今垂直运动总体状态的必要补充。本区活动构造边界断裂现今活动仍较强烈, 不仅存在着不同构造地段断裂活动的差异性, 也存在着时间过程的非均匀性(不同资料时间段升、降差异运动有强有弱, 又有反向), 可能与大的构造动力环境影响和本区域应力应变积累变化有关。

3) 区域性水准垂直形变与GPS水平运动变形综合反映, 六盘山、西秦岭等山区现今地壳挤压缩短强烈地带, 水准观测反映的垂直隆升也相对显著, 2者具有一定的共生性特征。这在一定程度上反映了这些构造地带应变积累程度较高, 尤其是六盘山构造带中南段的挤压-拉张构造转换部位, 未来可能存在发生强震的背景。

在取得上述初步结果和认识的同时, 我们也清楚地认识到研究中还存在不少问题。尤其是区域精密水准观测周期较长, 水准网线沿公路布设对不同活动方式的断裂, 特别对细部断层获得的控制能力有限, GPS观测与水准观测空间布局和观测周期还不同步等。