引用本文
苏广利, 畅柳, 许明元. 基于精密水准的云南地区垂直运动特征分析[J]. 地震地质, 2018,40(6): 1380-1389.
SU Guang-li, CHANG Liu, XU Ming-yuan. THE ANALYSIS OF VERTICAL MOTION CHARACTERISTICS IN YUNNAN AREA BASED ON PRECISE LEVELING[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2018,40(6): 1380-1389.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2018.06.013
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基于精密水准的云南地区垂直运动特征分析
苏广利, 畅柳, 许明元
中国地震局第一监测中心, 天津 300180

〔作者简介〕苏广利, 男, 1989年生, 工程师, 主要从事大地形变测量与工程形变监测技术与应用, E-mail: 0suguangli@163.com。

收稿日期: 2017-11-01
基金项目: 中国地震局监测、 预测、 科研三结合课题(CEA-JC/3JH173707)和中国地震局第一监测中心科技创新主任基金资助项目(FMC2016005)共同资助
摘要

文中利用1993-2017年多期精密水准观测资料获取了云南不同区域1993-2013年、 2001-2016年、 2011-2017年的垂直形变场。结果表明云南地区整体表现为滇东压缩区隆升、 滇中南拉分区下沉的运动形态, 与GPS水平速度场吻合较好。红河断裂和小江断裂是2条重要的地壳垂向运动分割线, 其中小江断裂两侧差异运动速率达5mm/a; 红河断裂南西盘下沉, 北东盘隆升; 从水准剖面和垂直形变场来看, 红河断裂仍具有块体边界断裂的意义, 仍存在较强的活动性。滇西北地区以继承性运动为主, 其中沿程海断裂分布的程海盆地、 期纳盆地、 宾川盆地, 沿红河断裂分布的大理盆地、 弥渡盆地均为下沉状态; 丽江-剑川断裂所控制的丽江盆地、 剑川盆地垂向运动不明显, 附近山区表现为隆升。值得注意的是在曲江断裂、 小江断裂交会处形变梯度较大, 等值线有四象限分布特征, 有孕育地震的可能。

关键词: 精密水准; 云南; 断裂; 垂直运动速率
中图分类号:P228.41 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2018)06-1380-10
THE ANALYSIS OF VERTICAL MOTION CHARACTERISTICS IN YUNNAN AREA BASED ON PRECISE LEVELING
SU Guang-li, CHANG Liu, XU Ming-yuan
First Crust Deformation Monitoring and Application Center, China Earthquake Administration, Tianjin 300180, China
Abstract

In this study, vertical deformation of different regions of Yunnan area in 1993-2013, 2001-2006, 2011-2017 is obtained using observational data of precise leveling. The results show that: 1) In the whole, Yunnan area exhibits uplifting in the east of Yunnan and subsiding in the south of Yunnan, which is well consistent with the current horizontal velocity field obtained by GPS. In the east of Yunnan, southeastward horizontal velocity at the east boundary of Sichuan-Yunnan block is significantly decreased, which indicates extrusion deformation. This result is in accordance with the result that there is uplift in the east of Yunnan with precise leveling data. GPS velocity field rotates clockwise at Eastern Himalayan Syntaxis, therefore east-west extension is formed in central and southern Yunnan, which coincides with crustal subsidence observed by precise leveling. 2)The vertical movement in the northwest of Yunnan mainly exhibits the succession movement of basin subsidence and mountain uplift, in which, in the rift zone, Chenghai Basin, Qina Basin, Binchuan Basin and Midu Basin distributed along Chenghai Fault are all in the sinking state and the sinking velocity of Binchuan Basin located in the end of the sinistral strike-slip Chenghai Fault is the maximum. The sinking velocity of Dali Basin distributed along Honghe Fault is approximately 0.5mm/a and the sinking velocity of Midu Basin is approximately 1mm/a under the comprehensive action of right-lateral Honghe Fault and left-lateral Chenghai Fault. On the northwest boundary of the fault zone, the vertical movement of the basins(Lijiang Basin, Jiangchuan Basin)under the control of the nearby Lijiang-Jianchuan Fault is not obvious and the nearby mountain area exhibits uplift. 3)In the Honghe Fault, the southern region still possesses strong activity. Seeing from the leveling profile and vertical deformation field, the Honghe Fault still possesses the significance of block boundary fault and strong activity. GPS velocity field reveals that the southeast movement velocity of the Sichuan-Yunnan rhombic block is rapidly decreased near Xiaojiang Fault and the earth’s crust is shortened and deformed. In the vertical deformation field, the uplift is formed near Xiaojiang Fault and there is obvious vertical deformation gradient. 4)Notably, deformation contour in the junction of Qujiang Fault and Xiaojiang Fault is characterized by four quadrant distribution, which indicates the possibility of earthquake.

Keyword: precise leveling; Yunnan; fault; vertical movement rate
0 引言

云南地区受印度欧亚板块碰撞、 青藏高原隆升效应影响, 发育了一系列活动断裂, 新构造活动强烈, 是中国强震重点监视区。区内断裂主要为NE向、 NW向和SN向, 如NE向的丽江-小金河断裂、 龙蟠-乔后断裂、 南汀河断裂, NW向的怒江断裂、 澜沧江断裂、 金沙江断裂、 红河断裂和近SN向的小江断裂、 程海断裂等。20世纪以来, 云南地区共发生5级以上破坏性地震370多次, 其中7级以上大地震13次(皇甫岗等, 2007)。云南地区强烈的地震活动与其所处的地质区位密切相关。 一方面, 作为欧亚地震带的一个组成部分, 云南西部地区受印度板块的侧向俯冲影响; 另一方面, 在大陆内部, 云南东部地区处于中国南北地震带上, 地震活动频繁。地壳应力积累和变化会使地壳产生垂直运动, 且大地震前这种运动往往会发生异常。 精密水准观测始于20世纪60年代, 至今已经积累了长时间尺度的高精度观测成果, 在地壳垂直形变的延续性研究中有不可替代的重要意义。本文搜集了该区域1993-2017年多期精密水准观测资料, 以获取云南地区近期垂直形变特征、 主要断层活动状况和地震危险性等。

1 资料概况与数据处理

云南地区高低起伏、 地形复杂, 水准施测难度极大。 目前搜集到的云南地区20世纪90年代以来的水准观测资料(图1)包括: 1)1993年、 2013年沿一等水准网复测的资料, 范围较广, 但是路线稀疏; 2)2011年中国地震局喜马拉雅物理场项目复测成果, 为全网复测, 资料较为丰富; 3)地震监测系统运维2001年、 2006年、 2016年、 2017年区域精密水准测量任务观测资料, 覆盖了滇西北地区和滇东地区。

图1 水准观测路线及主要断裂分布Fig. 1 The distribution of leveling lines and main faults.

由于观测资料较为零散, 测网衔接处时间跨度大, 给处理分析带来了一定的困难。本文处理策略为将时间跨度< 3a的水准路线拼接成环, 作为整网平差处理, 时间跨度> 3a的分区域处理。这样就获取了云南地区不同区域1993-2013年、 2001-2016年、 2011-2017年的垂直形变场。平差时采用分段动态线性速率模型(黄立人, 2012; 郝明, 2013; Hao et al., 2016; 苏广利等, 2017), 并以下关、 昆明2个GPS连续站的垂向速率作为约束。平差结果单位权中误差约1mm(表1), 说明本区域的数据内附精度满足要求。平差后删除速率量级过大或与相邻点差异过大的突变点, 采用多面函数法对结果进行格网化, 得到该区域的2期垂直形变矢量图、 等值线图。

表1 平差统计 Table1 The statistics of adjustment
2 区域垂直形变特征
2.1 云南地区垂直形变背景场

1993、 2013年 2期精密水准观测资料时间跨度近20a, 数据处理时利用下关、 昆明2个GPS测站作为约束, 平差后单位权中误差0.87mm, 精度较高, 获取的速率场能反映云南地区的地壳整体背景性运动。结果显示云南地区整体表现为滇东压缩区隆升、 滇中南拉分区下沉的运动形态(图2)。滇东压缩区(川滇菱形块体东边界-小江断裂)隆升速率为2~3mm/a; 小江断裂与曲江断裂交会处隆升速率达到2mm/a。另外下关、 昆明附近垂直运动速率为1~2mm/a, 略高于王敏(2009)利用GPS连续数据得到的该地区0~1mm/a的隆升速率。从图2中可以看出, 红河断裂作为一个重要的分割线, 北东盘表现为隆升, 南西盘相对稳定, 与红河断裂北东盘为断裂活动主动盘的认识一致(虢顺民等, 1996; 向宏发等, 2004)。滇西南地区垂直运动不明显。 耿马附近有一个1.5mm/a的隆升区, 略低于郝明等(2013)利用1988年和1993年精密水准资料得到的3mm/a隆升速率; 其余地区垂向速率均为-1~1mm/a。滇南地区(无量山断裂、 澜沧江断裂南段)明显下沉, 速率为-3~-1mm/a。

图2 1993-2013年云南垂直形变速率图
a 垂直形变矢量图; b 垂直形变等值线图Fig. 2 The vertical deformation rate diagram of Yunnan area of 1993-2013.

2.2 滇西北地区垂直形变场

覆盖滇西北的精密水准观测资料分别施测于2001年、 2006年和2016年, 路线主要位于程海断裂带、 红河断裂带北段、 丽江-剑川断裂和龙蟠-乔后断裂等控制的滇西北断陷区, 区内发育了诸多沿走滑断裂或伸展断裂分布的晚新生代(上新世以来)盆地, 如沿程海断裂分布的金官、 永胜、 期纳、 宾川盆地; 沿鹤庆-洱源断裂分布的丽江、 鹤庆、 洱源盆地; 沿红河断裂带北部分布的大理、 弥渡盆地等。

数据处理时以下关GPS点和1993-2013年中公共水准点的速率作为先验值进行平差计算, 综合得到2001-2016年滇西北地区地壳垂直形变速率(图3)。结果显示滇西北地区整体表现为山区隆升、 盆地下沉的继承性运动。其中程海断裂带、 红河断裂带、 丽江-剑川断裂所围限的滇西北裂陷带内升降交替, 形变复杂。裂陷带内沿程海断裂分布的程海盆地、 期纳盆地、 宾川盆地、 弥渡盆地均为下沉状态, 其中位于程海断裂左旋走滑末端的宾川盆地下沉速率最大, 沉降中心速率可达1mm/a; 沿红河断裂分布的大理盆地下沉速率约0.5mm/a; 弥渡盆地受右旋走滑的红河断裂和左旋走滑的程海断裂综合作用, 下沉速率约1mm/a。断陷带的西北边界--丽江-剑川断裂附近, 断裂所控制的丽江盆地和剑川盆地垂向运动不明显, 附近山区表现为隆升, 速率为0.5~1mm/a。位于川滇交界的攀枝花、 姚安、 南华等地区处于隆升状态, 速率为1~2mm/a, 与利用1993-2013年、 2011-2017年2期精密水准资料获取该地区的垂直形变速率一致。

图3 2001-2016年垂直形变速率图
a 垂直形变矢量图; b 垂直形变等值线图Fig. 3 The vertical deformation rate diagram of 2001-2016.

2.3 滇东地区垂直形变场

2011年、 2017年2期形变场覆盖了云南姚安、 元谋、 昆明、 楚雄、 弥勒、 墨江地区, 区内展布有小江断裂南段、 曲江断裂、 元谋-绿汁江断裂、 红河断裂等。处理数据时, 以昆明GPS连续站和1993-2013年中公共水准点速率作为先验值, 获取了该区域的垂直形变场。结果表明, 小江断裂两侧存在明显的差异性运动, 以东为隆升, 速率为3~5mm/a, 与1993-2013年中的结果一致; 红河断裂同样是一条垂向运动的分割线, 红河断裂南西盘表现为快速下沉, 北东盘表现为隆升, 垂向速度差异近5mm/a。小江断裂与曲江断裂交会处有一速率为3mm/a的隆升区, 滇南地区的下沉与该区域水平速度场EW向拉张较为吻合, 测区北部元谋附近存在3mm/a的沉降区。另外, 垂直形变速率图显示小江断裂、 曲江断裂交会处形变疑似有四象限分布特征, 是值得注意的区域。

图4 2011-2017年垂直形变图Fig. 4 The vertical deformation rate diagram of 2011-2017.

3 讨论
3.1 垂直形变场与水平形变场的对应关系

为分析解释云南地区的垂直形变特征, 本文收集了中国地壳运动观测网络位于川滇地区的GPS连续站和流动站资料。数据处理采用GAMIT解算得到测站坐标和卫星轨道的单日松弛解, 然后对IGS连续站、 中国大陆基准站和区域站联合平差得到ITRF2005框架下的GPS速度场; 为了更好地反映川滇地区内部形变特征, 扣除了欧亚板块整体运动, 得到相对于欧亚板块的速度场, 格网化后如图5。结果显示, 受印度欧亚板块碰撞效应影响, 水平速度场在喜马拉雅东构造结一带发生旋转, 一部分沿SE方向流向川滇菱形块体的东南边界, 受小江断裂影响, 沿断层方向的速度分量使小江断裂发生左旋走滑, 垂直于断层方向的速度分量受稳定的华南块体的阻挡, 迅速衰减, 造成地壳压缩隆升(精密水准观测结果显示该地区的隆升速率可达3mm/a); 同样, SE方向的水平运动受NE走向的红河断裂影响, 沿断层方向的速度分量使红河断裂发生右旋走滑, 垂直于断层方向的速度分量使断层的北东盘抬高, 与精密水准观测得到的结果一致。另一部分则沿中甸、 丽江、 大理一线流向滇西南地区; 而在滇中南地区形成了EW向的拉分区, 使该地区出现地壳下沉的特征, 这些特征均在垂直形变场中有所反映。

图5 2011-2016年川滇地区水平速度场(相对欧亚板块)Fig. 5 The horizontal velocity field of Sichuan-Yunnan area(2011-2016, relative to Eurasian plate).

3.2 滇东地区主要断裂的运动特征

滇东地区主要发育了近NW(红河断裂、 曲江断裂等)和SN向(小江断裂)2组活动断裂。红河断裂带作为川滇块体的西南边界断裂, 自中新世以来以大规模右旋走滑为主。在空间分布上分为北、 中、 南3个变形区, 以断裂北盘为例, 北部为伸展变形区, 中部为剪切变形区, 南部为压缩变形区(向宏发等, 2004)。从1498 年至今, 有记载的发生在红河断裂带北段的5.0 级以上破坏性地震共有27 次, 其中6.0~6.9级7次、 7.0级以上2次; 自公元886年至今, 红河断裂南段没有一次6.0级以上地震发生(李西等, 2016)。目前关于红河断裂中、 南段断裂活动性的认识还存在争议。 一种观点认为红河断裂带中南段作为一级构造边界的作用在弱化, 未来不会有大地震发生(虢顺民, 2001; 张建国等, 2009); 另一种观点认为红河断裂中南段由于地震复发周期长, 仍存在大地震危险性, 且通过详细的地形、 地貌调查发现, 红河断裂南段槽谷及水系同步位错明显, 仍有较强活动(李西等, 2016)。2011-2017年有2条水准路线穿过红河断裂中南段, 2条剖面(图6a, b)均显示断裂两侧存在明显差异性垂直运动, 红河断裂主动盘(北东盘)的隆升速率明显高于被动盘(南西盘); 而且从1993-2013年、 2011-2017年2期垂直形变图来看, 红河断裂仍是一条明显的垂直运动分界线, 北东盘上升, 南西盘下沉。因此从精密水准所反映的地壳垂直形变来看, 红河断裂中、 南段仍存在较强的活动性, 可视为红河断裂中南段仍继续活动、 孕震的证据。

图6 主要断裂垂直形变剖面图(a、 b、 c、 d剖面空间分布见图1)Fig. 6 The profile of vertical deformation of the main faults.

2011-2017年精密水准数据覆盖了小江断裂的中南段、 曲江断裂南东段。小江断裂中南段历史上于1500年、 1789年和1833年发生过宜良7级、 华宁7级和崇明8级地震, 韩竹军等(2017)开挖探槽揭示了3次古地震事件, 显示了该段具有重复孕育和发生强震的能力。2011-2017年水准剖面图显示小江断裂两侧存在明显的差异性运动(图6, 剖面c), 其东盘上升明显, 隆升速率可达4mm/a, 这与GPS速度场揭示的川滇菱形块体SE向运动速率在小江断裂附近迅速衰减, 地壳缩短变形是一致的。

曲江断裂位于小江断裂南段的西侧, 走向为NW-NWW, 全长约120km, 新生代以来表现为右旋走滑, Wen等(2011)分析认为曲江断裂和红河断裂通过地壳水平缩短变形和右旋走滑共同承担了小江断裂西盘向S的水平推挤作用, 构成了川滇活动块体的南边界。水准剖面显示曲江断裂南西盘隆升速率略高于北东盘(图6, 剖面d), 2011-2017年的垂直形变图显示了曲江断裂和小江断裂交会处垂直形变等值线有四象限分布特征, 存在较大的形变梯度, 有孕震可能, 应持续关注。

3.3 滇西北裂陷带垂直形变特征

新生代时期受印度板块推挤作用, 青藏高原隆升, 物质沿E向和SE向流出, 在滇西北地区发育了一系列由活动断裂及其所控制的裂陷区, 称为滇西北断陷区, 位于25° ~27° N, 99.5° ~102° E; 程海断裂带、 红河断裂带、 丽江-剑川断裂和龙蟠-乔后断裂构成了其东、 南、 西边界, 北部无清晰边界(黄小龙等, 2016)。长期以来区内地壳运动十分活跃, 发育了诸多沿走滑断裂或伸展断裂分布的晚新生代(上新世以来)盆地。目前关于滇西北裂陷盆地形成模式的主要观点有4种(黄小巾等, 2014): 1)NW向大型走滑断裂(红河断裂)尾端拉张变形效应; 2)NW向右阶斜列和NE向左阶斜列走滑断裂阶区拉分变形的结果; 3)青藏高原东南部顺时针旋转过程中端部拉张变形的结果; 4)近SN向右旋剪切背景下, 区域内的微断块顺时针旋转作用与伴生的NE向左旋走滑断裂带的尾端拉张变形相互叠加的结果。

滇西北的特殊运动模式与精密水准所反映的地壳垂直运动是吻合的, 如红河断裂右旋走滑, 其尾端大理盆地拉张下沉, 与观测到的大理盆地0.5mm/a的下沉速率是一致的; 受NW向红河断裂右旋走滑和程海断裂左旋走滑综合作用的影响, 在程海断裂尾端的弥渡盆地以1mm/a的速率下沉; 而宾川盆地是E向凸出的弧形盆地, 是区域内微地块顺时针旋转过程中端部拉张变形的结果(罗睿洁等, 2015), 精密水准观测结果显示宾川盆地的沉降中心速率可达1mm/a。

4 总结

本文利用精密水准观测资料获取了云南不同区域1993-2013年、 2001-2016年和2011-2017年的垂直形变场。结果表明: 1)云南地区整体表现为滇东压缩区隆升, 滇南拉分区下沉的运动形态。分析认为, 这种运动形态与目前GPS所获取的水平速度场有较好的一致性, 滇东地区SE向的水平速度在川滇菱形块体东边界(小江断裂带附近)明显变小, 表现为挤压变形, 与该地区垂向隆升的结果一致; GPS速度场在喜马拉雅东构造结处发生顺时针旋转, 从而在滇中南地区形成EW向拉张的态势, 与精密水准观测到的地壳下沉运动相吻合。2)滇西北地区垂直运动主要表现为盆地下沉、 山区隆升的继承性运动。其中裂陷带内沿程海断裂分布的程海盆地、 期纳盆地、 宾川盆地、 弥渡盆地均为下沉状态, 位于程海断裂左旋走滑末端的宾川盆地下沉速率最大; 沿红河断裂分布的大理盆地下沉速率约0.5mm/a; 弥渡盆地受右旋走滑的红河断裂和左旋走滑的程海断裂综合作用, 下沉速率约1mm/a。断陷带的西北边界--丽江-剑川断裂附近, 断裂所控制的盆地(丽江盆地、 剑川盆地)垂向运动不明显, 附近山区表现为隆升。3)红河断裂中南段仍存在较强的活动性。从穿过红河断裂的水准剖面和垂直形变场来看, 红河断裂仍具有块体边界断裂的意义, 存在较强的活动性。GPS速度场揭示川滇菱形块体SE向运动速率在小江断裂附近迅速衰减, 地壳缩短变形; 在垂直形变场中小江断裂附近隆升, 有明显的垂直形变梯度。4)值得注意的是, 在曲江断裂、 小江断裂交会处形变等值线有四象限分布特征, 有孕育地震的可能。

The authors have declared that no competing interests exist.

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