鄂尔多斯的逆时针旋转与动力学

第25卷第3期大地测量与地球动力学Vol 25, No. 32005年8月JOURNAL OF GEODESY AND GEODYNAMICSAug.,2005文章编号:1671-5942(2005)03-0050-07鄂尔多斯的逆时针旋转与动力学李延兴张静华郭良迁张中伏张俊青(中国地震局第一监测中心,天津300180)摘要根据鄂尔多斯块体及周围地区的GPS数据,计算了鄂尔多斯相对于蒙古地台和欧亚板块的旋转参数表明鄂尔多斯相对于蒙古地台和欧亚板块存在逆时针旋转。用GPS方法与地质学方法得到的鄂尔多斯相对于蒙古地台的旋转参数相同,证明鄂尔多斯自晚新生代以来的运动是稳定的。分析周围地区相对于鄂尔多斯的运动以及鄂尔多斯周围边界断裂带两侧的相对运动,发现鄂尔多斯主要受两对力作用:鄂尔多斯北部北西向拉张与南部北东向推挤形成的力矩作用,以及燕山块体对鄂尔多斯的NW向拉张作用力与华南块体对鄂尔多斯SE向拉张作用力。这两对作用力是促使鄂尔多斯发生逆时针旋转的驱动力关键词鄂尔多斯速度矢量逆时针旋转相对运动驱动力中图分类号:P227文献标识码:ACOUNTERCLOCK WISE ROTATION AND GEODYNAMICS OF ORDOS BLOCKLi Yanxing, Zhang Jinghua, Guo Liangqian, Zhang Zhongfu and Zhang Junqing(First Crust Monitoring and Application Center, CEA, Tianjin 300180)Abstract On the basis of the GPS data observed on Ordos block and its peripheral regions, the rotation parameters of Ordos block relative to Mongolia platform and Eurasia plate are calculated, which provethe counterclockwise rotation of Ordos block relative to Mongolia platform and Eurasia plate. The rotationparameters of Ordos block relative to Mongolia platform obtained by gPs method are the same as those acquired by geological method, which indicate that the motion of Ordos block has been stable since late Kainozoic. We have discovered from the motion in the peripheral regions of Ordos block relative to the block itIf and the relative motion between the boundary fault zones around Ordos block that Ordos block is main-ly subject to two pairs of forces: (1) the moment of force formed by the nw-trending tension to the northern Ordos and the NE-trending pushing to the southern Ordos;(2) NW-trending tension of Ordos by Yan-shan block and SE-trending tension of Ordos by South China block. These are the two driving forces forthe counterclockwise rotation of ordos blockKey words: Ordos, velocity vector, counterclockwise rotation, relative motion, driving force1引言YHE面中国煤化藏高原东北缘的眼山秦CNMH面是燕山块体,东面鄂尔多斯块体位于华北西部(图1),它的西北为华,阳田八半用块体。鄂尔多斯位于*收稿日期:2005-02-16基金项目:国家自然科学基金(40174029)作者简介:李延兴,男,研究员,博士生导师,长期从事地壳运动与形变监测研究第3期李延兴等:鄂尔多斯的逆时针旋转与动力学中国大陆西部与东部过渡带的东侧,它的西南边界 Peltzer与 Zhang认为鄂尔多斯存在逆时针转是青藏高原的东北边界,直接受到青藏高原运动的动;而汪素云等认为:如果没有块体下部的动力影响。它的南边界是华北与华南两大块体的边界。原因,只靠周边块体的作用是难以产生该块体的逆如果把燕山块体视为东北与华北两大块体之间的过时针转动的。外部作用在东西两侧,若该块体存在渡带鄂尔多斯的北边界则是东北与华北块体之间剪力矩作用的话,则这种力矩只能是顺时针的4的边界带。鄂尔多斯块体内部稳定,但四周边界断鄂尔多斯是否存在旋转?若有旋转是顺时针还是逆裂带活动强烈,是中国东部活动强度最高的地震带。时针?另外,从地质学和地球物理学角度,鄂尔多斯鄂尔多斯在中国大陆构造格架中所处的位置对于研块体现今的运动状态怎样?这些都是需要进一步研究中国大陆地壳的运动学与动力学是非常重要的。究解决的问题。自1992年以来,在鄂尔多斯及周围因此,鄂尔多斯是国际地学界研究的重点地区之地区先后建立了华北GPS网、西北GPS网和中国许多研究者对鄂尔多斯进行过深入研究,取得了许地壳运动观测网络GPS网161。本文将根据这些多研究成果-1。但是,在过去的研究中还有一些GPS网的观测成果研究鄂尔多斯块体的运动学和问题没有解决。例如,关于鄂尔多斯的旋转问题,动力学,同时探讨上述问题。燕山鄂尔多期图1鄂尔多斯及周边地区的地质构造与震中分布Fig. 1 Geological structures and epicenter distribution in Ordos block and its peripheral regions2鄂尔多斯块体的旋转的运动与应变状态”时,将这些GPS网融合为Gilles peltzer等在用地质断层速率研究亚洲的1TRF2000框架下由159个站速度组成的统一速度现今运动时,发现鄂尔多斯块体相对于西伯利亚块体场。这个速度场包括了鄂尔多斯及周围地区的200存在逆时针旋转,其旋转参数为=108.5E,g=多个PS站,站速度矢量绘于图2。图2的速度4.4N,2=0.77Ma。Zhg等也发现鄂尔多场是相对于欧亚板块参考框架的速度场。欧亚板块斯块体存在逆时针旋转,相对于蒙古块体的旋转参参考框架是由文献[19]定义的。从图2可以看出,在数为x=11°30+2E,g=4230±30N,a=0.1°华北地区内部,地壳存在比较一致的SE方向运动,~0.3°/Ma16,与 Peltzer的结果有较大差别。 Peltz但从西向东地壳运动的方向按顺时针呈旋转变化,在er和 Zhang的结果都是用地质学方法得到的。地质华北西部的鄂尔多斯地块上,地壳的平均运动方向为学方法得到的一般是在一个较长的历史时期的平均N128中国煤化工0°。同时,地壳运动的结果。现今鄂尔多块体的运动状态怎样?是否仍然速率CNMHG在鄂尔多斯,地壳的平存在逆时针旋转呢?根据近10年来华北地区观测的均运动速率为4.8mm/a,到华北平原增加到5.0GpS站速度可以估计鄂尔多斯块体的现今运动。mm/a。这个结果与王琪等得到的华北地区速度近10多年来,中国大陆及周边地区先后建立了场的运动速率2~8mm/a和方向N120°~140°E是批高精度GPS网,我们在研究“中国大陆活动地块一致的。由于该文所用的站速度是2001年以前的观大地测量与地球动力学测成果,其参考框架为ITRF97,而我们的站速度包mm/a的只有4个站,其余的11个站绝对值都小于括了“中国地壳运动观测网络”的观测成果,采用了更1.0mm/a,可见计算值与观测值是非常接近的,模型多的资料,采用的参考框架是ITRF2000,因此二者参数的精度是高的。的结果也存在一些差别。我们选择鄂尔多斯块体上35个GPS站(表2)估Calais等报告了贝加尔-蒙古地区GPS网的速度计了鄂尔多斯块体的旋转参数(λ:135.69±6.30°W,场(1994-1998年),在这个速度场中共有47个g:68.79±2.27N,2:0.347±0.015°/Ma)。从表2GPS站,其中在蒙古地台上有25个,我们选择蒙古可以看出,在35个站中,计算的站速度分量相对于观地台上的15个站(见表1)定义了蒙古地台参考框测值,速度残差的绝对值都很小,大于1.0mm/a而架,估计了旋转参数(:90.87±0.89°W,g:7.65±小于1.5mm/a的只有10个站,其余29个站的绝对4.34°N;g:0.314±0.020°Ma)。从表1可以看出,值都小于1.0mm/a。速度残差一般都小于相对应在15个站中,计算的站速度分量相对于观测值,速度的方差,这表明模型参数的精度是较高的残差的绝对值都很小,大于1.0mm/a而小于1.5燕山阿拉善8解东多斯华南图2鄂尔多斯及邻区相对于欧亚板块整体旋转框架的水平速度场(水平形变场,误差椭圆代表95%置信水平)Velocity vector of Ordos block and its peripheral regions relative to Eurasia plate表1定义蒙古地台运动模型使用的GPS站Tab. I GPS stations used for defining the motion model of Mongolia platform测站纬度经度VAV△V( (mm/a)(mm/a)(mm/a)(mm/a)(mm/a)(mm/a)(mm/a)(mm/a)(mm/a)BOL149.2198.0528BOL249.0897,9829,63.928,95,30,71.4BULG48.80103.5227.5BZUR50.1898.9828.56.829.15.9-0.6-0.90.02IKUL48.7198.8029.1-5.928.7-5.80.4-0.1KIAT50.74106.4928.1-10.828.5-10.3-0.4MAND45.80106.2228.2-10.326.9-10.21.2-0.10.4MURN49,66100.1028.76.328.96.6-0.10.30.40.4-0.04SSEL49,29102.9627.60,00SUKG50.23106.2527.3-11.628.4-10UDUN51.17106.0128.0-10.928.7-10.中国煤化工2-0.0447,6196,7829.7HCNMHGUNDE 47.260,5926,313.126.812.60.07UNDUZAKM50.38103.2829.1-7.628.8-8.40.30.80.50.60.06表示观测的东向与北向运动速率;V、Vn表示计算的东向与北向运动速率,△V、△V表示V、Vm是相对于V、Vm的残差;、n、om表示V、Vm的方差与协方差第3期李延兴等:鄂尔多斯的逆时针旋转与动力学53根据鄂尔多斯和蒙古地台的旋转参数,计算得析以上结果,可以看出 Peltzer、 Zhang的结果与本到了鄂尔多斯相对于蒙古地台的旋转参数:λ为文用GPS得到的鄂尔多斯相对于它北面旳块体的110.9士3.0°E,φ为49.7士6.6°N,为0.369±旋转方向是一致的,都为逆时针旋转。因此,我们可0.027°/Ma。该结果表明,现今鄂尔多斯相对于蒙以得出结论:鄂尔多斯相对于欧亚板块(或者相对于古地台的运动仍然为逆时针,而且由GPS测定的鄂蒙古地台与相对于西伯利亚)存在逆时针旋转。如尔多斯相对于蒙古地台的旋转极位置和旋转角度速果都以蒙古地台为参考基准,用GPS方法与地质学度与 Zhang等用地质学方法得到的结果相同6(在方法得到的鄂尔多斯相对于蒙古的旋转参数相同。误差范围内)。同样,计算得到了鄂尔多斯相对于欧由此我们可以得到第二个结论:鄂尔多斯维持了晚亚板块的旋转参数:A为142.7±5.2E,g为57.6新生代以来的继承性运动,而且自晚新生代以来,鄂士4.6N,为0.128±0.021°/Ma。其结果表明,鄂尔多斯的运动是稳定的尔多斯相对于欧亚板块的运动也为逆时针旋转。分表2定义鄂尔多斯块体运动模型使用的GPS站Tab 2 GPS stations used for defining the motion model of Ordos block测站纬度经度V△V。△Vn/a)(mm/a)(mm/a)(mm/a)(mm/a)(mm/a)(mm/a)(mm/a)(mm/a)A02539.36112.8130.2-12.631.0-13.1-0.80.51.041.03A02638.99112.8430.413.831.1-13.1-0.7-0.81.12A031113.2831.7-13.93013.10,620,01A03639.53113.6429.5-13.030.8-13.1-1.30.21.011.000.01BXIN34.88108.0934.032.96D01239.42112.2631.1-13.531.1-13.00.0-0.50.840,745232.0-13.331.2-12D01737.81112.6030.6-14.031.5-13.0-0.9-0.91.071.0113.0D03035,91110.6832.30,01.07D03635.09110.1833.1-12.032.6-12.8D0440.45109.4830.211.431.112.70.91.308050.00D04940.67108,6430.6D05040.60107.9531.212.531.312.5-0.20.0030.02D05240.12109.9431.9-12.5D05439.63110.0132.7-13.331.3-12.81.3-0.5131.090.00D05539.66108.7232.4D05639.1710932.312.231.50.80.8.09108.0032.0-11.931.80.112.7D06535.11107.3933.212.833.012.50.30.00D06834.81109.6334.1-13.532.8-12.71.3-0.80.870.7D08439.49106.81301112.40,7151.140.0D08639.30106.723212.4D09038.60106.6932.8-11.632.1-12.40.781.031.11D09338,36106.5631.2-12.032.2-12.4-1.00,41.171.110,01D09837.27106.683213.32.51201G01635.92106.6532.311.932.90.0312.30.2111.14G02735.06106.5331.9-12.433.1071.020.013234.71106.8234.00.8G11034.77106.6833.8-12.033.2-12.40.60.30.810.750.01GI7138.12109.5331.50.4JB0738.30111.0331.41.6121.121.01B0738.30111.03H中国煤化工0.81-0.01JB0738.30111.0331.413.331.61.010.00JB0738.30111.0331.4CNMHGYANC37.59107.412.632.0.11.041020,00YANC37.59107.4431.7注:V、V表示观测的东向与北向运动速率;Vκ、V表示计算的东向与北向运动速率,△V、△Vn表示V。、Vm相对于V。、Vm的残差;σ。、σ、σ表示V。、Vm的方差与协方差54大地测量与地球动力学3鄂尔多斯周围地区相对于鄂尔多斯燕山块体上,GPS站相对于鄂尔多斯具有一致的的运动NNW向运动,运动速率平均为(2.0±1.4)mm/a在鄂尔多斯南部边界带和南面的华南块体上,GPS鄂尔多斯的运动是周围块体对其作用力的直接站相对于鄂尔多斯具有一致的SSE向运动运动速反映。反过来,我们可根据周围块体相对于鄂尔多率平均为(2.5±1.4)mm/a。燕山与华南块体相对斯运动的速率和方向,分析周围块体对鄂尔多斯的于鄂尔多斯块体呈明显的NNW-SE方向的拉张运作用力。根据鄂尔多斯的运动模型可求出鄂尔多动。鄂尔多斯块体西边界带的北段及其西面的阿拉斯及周围各块体上GPS站相对于鄂尔多斯的运动善块体相对于鄂尔多斯块体具有明显的NNW向运速度由此可绘出鄂尔多斯及周围地区相对于鄂尔动,运动速率平均为(3.4±1.5)mm/a。在岷秦带多斯的速度场(图3)。从图3可以看出,在鄂尔多斯上,GPS站相对于鄂尔多斯具有明显的 NNE-NE向块体内部,GPS站速度残差都很小而且没有统一的运动运动速率平均为(4.1±1.4)mm/a,从北向南取向,其空间分布是随机的,这表明鄂尔多斯内部的运动方向按顺时针方向逐渐转变,到岷秦带的南运动具有较好的一致性。只有在鄂尔多斯的东南部段鄂尔多斯西南角的外侧,GPS站转变为NE向运(36.0°N以北,38.8°N以南)和东边界中段的断裂动。在华北块体北部SSE方向运动的GPS站占多带上GPS站向NNE方向运动的占多数。在鄂尔多数,而南部SSW方向运动的GPS站占多数。运动斯周围各块体上,GPS站相对于鄂尔多斯的运动具速率平均为(3.0±1.4)mm/a有明显的一致性。在鄂尔多斯北部边界带和北面的阿拉善鄂尔多15图3鄂尔多斯块体及相邻地区GPS站相对于鄂尔多斯块体的运动矢量(误差椭圆代表95%的置信水平)Fig 3 Motion vector of GPS station located in Ordos block and adjacent regions relative to Ordosmm/a,中段稍大一点为1.2mm/a,西段为1.1mm/↓鄂尔多斯周围边界带两侧的相对运a。边界两侧的拉张速率从东向西逐渐增加,在东段动拉张速率很小,接近于零,中段增加到0.8mm/a,到西段增加到1.4mm/a。鄂尔多斯块体的南边界也根据鄂尔多斯和周围各块体的运动模型可以计是一条左旋走滑张性断裂,走滑速率很小,平均为0.2算鄂尔多斯周边每一条断裂不同位置边界外侧(离鄂mm中国煤化工句东逐渐增大,西段为尔多斯块体远的一侧)相对于内侧(离鄂尔多斯块体1.1CNMHGI/a。鄂尔多斯的西边近的一侧平行于断裂带走向和垂直于断裂带走向的界为右旋走滑断裂走滑速率明显地分为南北两段。运动方向和速率,其计算结果绘于图4。从图4可以在南段,眠秦带相对于鄂尔多斯的走滑速率很小看出鄂尔多斯的北边界是一条左旋走滑张性断裂,(0.1mm/a)。在北段,阿拉善相对于鄂尔多斯的走走滑速率从东向西变化不大,东段走滑速率为1.1滑速率较大平均为2.2m/a。西边界南段与北段第3期李延兴等:鄂尔多斯的逆时针旋转与动力学断裂的性质也是不同的。在南段,岷-秦带与鄂尔多的南部受到一个向东的推挤力。鄂尔多斯中北部向斯之间呈压性,缩短速率为2.1mm/a。在北段,阿西的拉张力与南部向东的推挤力形成一对力矩,这对拉善与鄂尔多斯之间呈张性,北段南端的拉张速率为力矩也促使鄂尔多斯发生逆时针旋转。上述分析表1.6mm/a,北端为0.4mm/a。鄂尔多斯的东边界也明,鄂尔多斯受到两对力的作用,这两对力都促使鄂是一条右旋走滑断裂,华北平原相对于鄂尔多斯块体尔多斯发生逆时针方向旋转。分析这两对作用力可的走滑速率比较大而且具有较好的一致性,平均为以看出,鄂尔多斯北部受到的北西向拉张与南部受到5mm/a。东边界各段的性质是不同的,北段与中的北东向推挤这对力矩的作用力最大。这对力矩的段呈张性,北段的拉张速率为0.6mm/a,中段为0.1驱动力来自印度板块对欧亚板块NE向的推挤力。mm/a,而南段呈压性,压缩速率为0.3mm/aReferences5鄂尔多斯运动的动力学1 Peter Molnar and Deng Qidong, Faulting associated with分析图3中周围各块体GPS站相对于鄂尔多斯 large earthquakes and the average rate of deformation in的运动方向和图4中鄂尔多斯周边各断裂带两侧的 central and eastern Asia[J.J. Geophy.Res.,194,89相对运动状态可以看到燕山块体相对于鄂尔多斯作B7):6203-622NW向运动,而华南块体相对于鄂尔多斯为SE向运2马杏垣.中国岩石圈动力学地图集[M].北京:中国地图出动,燕山与华南相对于鄂尔多斯呈NWSE方向的拉版社,1989,2~68张状态,在鄂尔多斯的北边界从东向西拉张作用逐渐2 Ma Xingyuan. Lithospheric dynamic atlas of China[MIBeijing CartographicIng House增大,而在南边界从西向东拉张作用逐渐增大,在鄂尔多斯的南北两侧形成了一对NW-SE方向的拉张3丁国瑜.中国岩石圈动力学概论[M].北京:地震出版社力,这对作用力促使鄂尔多斯逆时针方向旋转。在鄂1991,445~450尔多斯东西两侧北部和中部都受到向外的拉张力,3 Ding guoyu. An introduction of lithospheric dynamics in但西侧向外的拉张速率(平均为1.1mm/a)比东侧 Chinas]. Beijing: Seismological Press,1991,445-450.(平均为0.5mm/a)大1倍,这表明西侧的拉张力大 (in Chinese)于东侧,其合力表现为鄂尔多斯的中北部受到一个向4汪素云,马宗晋,等.华北强震断层面解和震源深度特征西的拉张力。在鄂尔多斯南部的东西两侧都受到向J.地球物理学报,191,34(1):42~54内的挤压力,但西侧向内的推挤速率(2.1mm/a)是4 wang Suyun, Ma zongjin,eta. Fault plane solution and东侧(0.3mm/a)的7倍,这表明西侧向东的挤压力features of focal deptl远大于东侧向西的挤压力,其合力表现为鄂尔多斯Chinalj. Chinese Journal of Geophysics, 1991. 34(1): 425 Gilles Peltzer and Francois Saucier. Presont-day kinematicsof Asia derived from geologic fault rates[J]. 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