由GPS觀測結(jié)果推導中國大陸現(xiàn)今水平應(yīng)變場

1、文章編號：0253-3782(2002)04-0337-11由 gps 觀測結(jié)果推導中國大陸現(xiàn)今水平應(yīng)變場*楊國華李延興韓月萍胡新康鞏曰沐(中國天津 300180 中國地震局第一地形變監(jiān)測中心)摘要 以中國大陸及周邊近 400 個 gps 測站的水平運動速率為基礎(chǔ)，給出了現(xiàn)今地殼水平應(yīng)變場結(jié)果表明：中國大陸水平應(yīng)變?yōu)椤拔鲝姈|弱”，剪應(yīng)變數(shù)值大于正應(yīng)變數(shù)值(絕對值)，應(yīng) 變量級一般為 108/a，局部區(qū)域達到 107/a，但應(yīng)變分布不均勻；南北向應(yīng)變最突出的部位 為中國西南部西段的喜馬拉雅條帶、西北部的 36 n42 n 段及柴達木斷塊的北緣；東西向應(yīng) 變西邊緣變化最大此外，由西向東還具有正負交

2、替的變化特征；ren(東-北向剪切應(yīng)變)與 rmax(最大剪切應(yīng)變)數(shù)值較大的區(qū)域分別是喜馬拉雅條帶、西北部的 36 n42 n 段、柴達木斷 塊的西部、川滇菱形塊體，以及阿拉善、祁連及塔里木斷塊的交界區(qū)；青藏塊體周邊以面收 縮為主，內(nèi)部則以面膨脹為主其以北的地區(qū)以面收縮為主西界數(shù)值最大，東部數(shù)值最小(除 燕山構(gòu)造帶外)；西部西區(qū)主壓應(yīng)變?yōu)槟媳毕?，主張?yīng)變?yōu)闁|西向西部東緣區(qū)主壓應(yīng)變?yōu)?近東西向，主張應(yīng)變?yōu)榻媳毕虼ǖ崃庑螇K體主應(yīng)變的方向發(fā)生了很大的變化，北部地區(qū)為 東西壓南北張，南部地區(qū)則恰好相反；中國大陸的應(yīng)變模式可能是“斷塊模式”與“連續(xù)模 式”的組合此外，小尺度優(yōu)勢應(yīng)變可能是剪切應(yīng)變造成

3、上述結(jié)果除與印度板塊的碰撞及邊 界耦合有關(guān)外，還與深部物質(zhì)的活動及地殼介質(zhì)的物性有密切的關(guān)系必須指出，由于 gps 測 站在空間上分布的不均勻性，那么，由此而來的應(yīng)變場，其應(yīng)變尺度也不一樣關(guān)鍵詞 gps 中國大陸 現(xiàn)今應(yīng)變場 應(yīng)變機制中圖分類號：p315.72+5文獻標識碼: 引言在未獲得有效觀測資料以前，人們在分析歷史上的應(yīng)變性質(zhì)和大小等問題時，主要是 依據(jù)地表形跡累積的幾何學特征(尤其是斷層)與巖石學特征來推斷應(yīng)變場的強弱、性質(zhì)及活動方式(謝富仁等，1994；molnar，tapponnier，1975，1977；tapponnier，molnar，1977；傅容珊等，2000)但這樣的結(jié)

4、果畢竟是歷史上累計下來的平均結(jié)果，對于現(xiàn)今來說，只能作為背景資料來使用 傳統(tǒng)的大地測量在我國雖然有一定的歷史，但由于其觀測精度低、具有復(fù)測資料的觀測規(guī)模小等原因，所以我們幾乎不能獲得有價值的應(yīng)變信息然而，gps 技術(shù)的發(fā)展、復(fù) 測的實施以及測站密度的增加，為精細分辨板塊運動和板內(nèi)變形提供了基本保證；同時，網(wǎng)格化計算由于步長的選擇與產(chǎn)生的結(jié)果有一定的關(guān)系，步長過長會丟失短波應(yīng)變信息但節(jié)省計算量；步長過短雖不會丟失信息，但計算量較大.由于相鄰測站間的距離基本上都在數(shù)十公里以上(極個別點除外)，為了不損失現(xiàn)有數(shù)據(jù)所包含的信息，我們選擇了 30 的步長最后，按這樣的尺度計算每個網(wǎng)格單元的應(yīng)變參量，詳細

5、計算參照陳健和陶本藻(1980)所給出的方法，這里不再重復(fù)此外，文中之所以沒有考慮地質(zhì)構(gòu)造因素，是因為測點的密度不足以表達更多這方面的信息計算結(jié)果如圖 27 所示具體的處理流程為：1)對 gps 測站的運動結(jié)果進行預(yù)處理，刪除個別與周圍運動明顯不一致或不能作為“以點代面”的“不健康點”，以避免在數(shù)據(jù)逼近時導致問題的擴散.測點越稀疏的區(qū)域，其中“不健康點”的影響空間就越大2)利用三維的核函數(shù)逼近方法獲取中國大陸地殼運動的解析式；核函數(shù)的選擇及具體求解等主要參照楊國華(1992)所給出的方法和思路3)中國大陸上按 30 的間隔獲取 wgs84 系統(tǒng)下插值點的三維坐標，然后利用上述該函數(shù)計算每個插值

6、點的水平運動速率4)將三維插值點的坐標轉(zhuǎn)算為橢球面上的二維坐標(緯度和經(jīng)度)5)將每個步長為 30 的網(wǎng)格單元的緯度和經(jīng)度(共 4 個點)，以其單元中心的經(jīng)度為中央子午線，換算到高斯平面的坐標然后在平面上計算該單元整體的各個應(yīng)變參量，并以單元中心緯度和經(jīng)度作為該單元的空間位置代表.這樣就可獲得中國大陸在球面上的應(yīng)變結(jié)4 期楊國華等：由 gps 觀測結(jié)果推導中國大陸現(xiàn)今水平應(yīng)變場339必須指出，應(yīng)變的大小原本是一個客觀而又唯一不變的物理參量，但由于受到 gps 測站數(shù)量的限制、分布的不均勻、點的空間尺度大小不一、計算時單元尺度的不同及測量誤 差等影響，使得應(yīng)變量的大小變得似乎不唯一了其實不然，這

7、是由于介質(zhì)物性的差異等 導致了應(yīng)變波長的多樣性所以，為了保持應(yīng)變唯一不變的物理性質(zhì)，我們應(yīng)把應(yīng)變的理論結(jié)果理解為具有全波段的綜合結(jié)果這一點必須引起我們的警覺和注意實際計算表明，不同尺度應(yīng)變的差異不僅表現(xiàn)在數(shù)值大小上(江在森等，2000)，甚至會出現(xiàn)性質(zhì)上的差別此外，也不利于我們的正確理解和使用由圖 1 可以看到測點的分布是相當不均勻的，青藏地區(qū)內(nèi)部幾乎沒有測點，也就是說文中所給出該區(qū)域的應(yīng)變僅是長波應(yīng)變，因此,在看應(yīng)變結(jié)果時首先要了解測點的分布與密度，不然會導致分析與應(yīng)用時的混亂與錯誤圖 中國大陸及周邊地區(qū)相對歐亞板塊的水平運動速率2應(yīng)變特征圖 1 中，我們可清楚地看到 gps 測站的空間分布

8、及相對于歐亞板塊中國大陸水平運動的趨勢(了解這一點對于我們正確理解和分析應(yīng)變的尺度及其成因是必不可少的)中國大陸水平運動既有分區(qū)特征又有漸變特征，存在著某種有序的變化以中國中部的南北地震 帶(約 105 e)為界，可將中國分成兩大區(qū)域東部地區(qū)和西部地區(qū)東部地區(qū)基本上向 東運動，運動的整體性較好，但也存在有序的差異變化，表現(xiàn)為“南強北弱”，并致使東部地區(qū)出現(xiàn)了較弱的左旋活動跡象；西部地區(qū)的運動稍復(fù)雜些，該區(qū)西部以北向運動為優(yōu)勢，也表現(xiàn)為“南強北弱”的特征該區(qū)東部由西部的北向運動為優(yōu)勢逐漸轉(zhuǎn)為以東向運動為107/a這一結(jié)果的形成也與以上所述的同一個別點關(guān)系密切該點所造成的影響可達 4108/a，若

9、刪除該點的影響，則壓應(yīng)變約為6108/a，上述的張應(yīng)變也只有 2108/a左右西北部(36 n42 n)是一個很突出區(qū)段，由于點位密集，所以包含的高頻應(yīng)變信息也相當豐富該區(qū)段的應(yīng)變特征為有張有壓、張壓交替，應(yīng)變絕對值最大達 2107/a除此之外，川滇地區(qū)的應(yīng)變分布比較有序,表現(xiàn)為北張南壓,北端數(shù)值(最大)為 4108/a，南端數(shù)值(最小)為2108/a總的來說，中國西部地區(qū)以壓性為主，顯著的壓性只反映在上述局部區(qū)域內(nèi)；但青藏高原由南向北則表現(xiàn)為壓張壓的應(yīng)變特征2)中國東部華南塊體 gps 測站的分布比較稀疏，所以，從中我們只能獲得中等尺度的應(yīng)變信息.由圖 2 的結(jié)果可知，該區(qū)不存在顯著的南北向

10、應(yīng)變，應(yīng)變絕對值均在 2108/a以內(nèi)東北地區(qū) gps 測站分布的稀疏程度與華南地區(qū)基本相同，也未發(fā)現(xiàn)顯著的南北向應(yīng)變，絕對值約在 109/a 量級上鄂爾多斯斷塊上的 gps 測站分布較為密集，可獲得中小尺度的應(yīng)變信息結(jié)果表明，該區(qū)同樣不存在顯著的南北向應(yīng)變?nèi)A北和燕山斷塊測點分布最為密集(華北斷塊北部和燕山斷塊南部)，可以發(fā)現(xiàn)較小尺度應(yīng)變信息，而且測點位于中國東部最為活躍的地區(qū)(燕山構(gòu)造帶及其兩側(cè))，但我們只在很有限的區(qū)域上發(fā)現(xiàn) 4108/a量級的應(yīng)變，除此之外的其它地區(qū)沒有出現(xiàn)可信的應(yīng)變 從性質(zhì)上看，該區(qū)燕山構(gòu)造帶為張性綜上所述，中國西部雖以壓應(yīng)變?yōu)橹?，但顯著的壓應(yīng)變只分布在有限的空間；中國

11、東4 期楊國華等：由 gps 觀測結(jié)果推導中國大陸現(xiàn)今水平應(yīng)變場341較突出的特征；除此之外，等值線的走向基本上呈南北方向；而且應(yīng)變性質(zhì)由西向東表現(xiàn)圖 中國大陸及鄰區(qū)應(yīng)變等值線a.準噶爾; b.天山; c.塔里木; d.柴達木; e.阿拉善; f.祁連; g. 昆侖; h. 羌塘; i. 拉薩; j. 川滇; k.東北; l. 華北; m.華南;n.燕山; o.鄂爾多斯; p.膠遼9緣的中段)，整體應(yīng)變強度似乎更高一些從應(yīng)變數(shù)值的空間分布來看似乎有些雜亂，但從4 期楊國華等：由 gps 觀測結(jié)果推導中國大陸現(xiàn)今水平應(yīng)變場343中我們也不難發(fā)現(xiàn)一些有價值的應(yīng)變現(xiàn)象青藏塊體以南的條帶不僅是北向運動

12、的消減帶(圖 2，圖 5)，而且也是面收縮帶，尤其 是西段的喜馬拉雅山脈表現(xiàn)得更加突出，達6108/a8108/a；而東段的面收縮 應(yīng)變只占西段的 1/3實際上，面收縮不僅表現(xiàn)在青藏塊體的南緣，在該塊體的周邊也幾 乎均為面收縮塊體北緣中、東段也是面收縮較為顯著的地段，局部區(qū)域達6108/a， 一般為2108/a4108/a塊體東緣的面收縮則不太顯著，一般在2108/a 以 內(nèi)，變化也比較平緩然而，塊體內(nèi)部盡管面應(yīng)變數(shù)值相對較小，變化也相對平緩，但卻 表現(xiàn)為以膨脹為主的面應(yīng)變特性，這一結(jié)果讓人們感到有些意外這些是青藏塊體面應(yīng)變 的基本輪廓與特征昆侖、塔里木和天山斷塊的西緣面應(yīng)變變化較大，不但體現(xiàn)

13、在既有收縮也有膨脹上， 而且數(shù)值也最大，達 2107/a這是一個比較特殊的區(qū)段除此之外，塔里木、天山和準 噶爾斷塊整體均表現(xiàn)為面收縮，但并不太顯著中國東部的燕山構(gòu)造帶附近出現(xiàn)了區(qū)域不大但應(yīng)變值較突出的現(xiàn)象(達 2107/a)，這 也是以上所述的理由所造成的除此之外的整個東部地區(qū)的面應(yīng)變量級都比較小(02108/a)“東弱西強”的特征在此表現(xiàn)得更加突出2.4主應(yīng)變及其方向主應(yīng)變方向及其變化也會給我們一些啟示或提供一點證據(jù)從圖 5 中不難看出,西部主應(yīng)變的張、壓方向在空間上確實存在著比較有序的變化中國圖 中國大陸地殼最大-最小主應(yīng)變率圖 中國大陸及鄰區(qū) r 剪應(yīng)變率等值線4 期楊國華等：由 gps

14、 觀測結(jié)果推導中國大陸現(xiàn)今水平應(yīng)變場3457從最大剪切應(yīng)變結(jié)果來看，中國西邊緣的 rmax 值最大，達 810 /a；柴達木斷塊的西7部及臨近的南部地區(qū)的 rmax 值最大,為 410 /a，這與上述的個別點有一定的關(guān)系；喜馬拉雅帶最大為 2107/a；川滇地區(qū)最大為 1107/a2107/a；祁連斷塊北緣及東部地 區(qū)燕山構(gòu)造帶和福建沿海局部區(qū)域的最大剪切應(yīng)變也都達到了 107/a 量級這一結(jié)果表明了最大剪切應(yīng)變可達到的水平然而，華南和東北地區(qū)最大剪切應(yīng)變與上述相比卻相差一個數(shù)量級(只有 2108/a)這一方面可能說明這兩個地區(qū)的應(yīng)變確實很小，另一方面也不 能不認為與尺度大小有一定的關(guān)系因為測

15、點密集的地方應(yīng)變幾乎均較大當然，圖中測 點密集的區(qū)域一般認為也恰好是構(gòu)造活動比較強烈的地區(qū)所以，我們暫時還無法準確地 確定應(yīng)變區(qū)域差的具體結(jié)果(以上分析結(jié)果也存在同樣的問題)圖 中國大陸及鄰區(qū) rmax 剪應(yīng)變率等值線a.準噶爾; b.天山; c.塔里木; d.柴達木; e.阿拉善; f.祁連; g. 昆侖; h. 羌塘; i. 拉薩; j. 川滇; k.東北; l. 華北; m.華南;n.燕山; o.鄂爾多斯; p.膠遼ren 雖不能代表 rmax，但可體現(xiàn)某一方位(東西-南北)剪切應(yīng)變的大小，而且也能在某種程度上表現(xiàn)出地質(zhì)構(gòu)造活動的性質(zhì)(尤其是近東西和南北斷裂帶的活動性質(zhì))ren 值為負則

16、 反映東西走向的活動為左旋活動、南北走向的活動為右旋活動；ren 值為正則恰好相反中國大陸的 ren 值基本為負，應(yīng)變強度較高的地區(qū)與上述情況相同，ren 的絕對值與 rmax 值接近或略小一點3討論j545553謝富仁，祝景忠，梁海慶，等1994中國西南地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場基本特征j地震學報，16 (2)：160166 楊國華1992水平形變場的函數(shù)描述及其實現(xiàn)方法j地殼形變與地震, 12 (1)：4651楊國華，黃立人，韓月萍2001a中國大陸當前水平應(yīng)變的基本特征a見: 李克主編中國八級大震研究與防震減災(zāi)學術(shù)會議論文集c北京：地震出版社，9097楊國華，韓月萍，張鳳蘭2001b利用 gps

17、 復(fù)測結(jié)果確定華北不同運動性質(zhì)單元及活動方式j(luò)地震學報，23 (1)：110朱文耀，程宗頤，王小亞，等1999中國大陸地殼運動的背景場j科學通報，44 (14)：1 5371 539朱文耀，程宗頤,熊永清，等.1997利用 gps 技術(shù)監(jiān)測中國大陸地殼運動的初步結(jié)果j中國科學(d 輯)，27 (5)：385389周碩愚，張躍剛，丁國瑜，等1998依據(jù) gps 數(shù)據(jù)建立中國大陸板內(nèi)塊體現(xiàn)時運動模型的初步研究j地震學報，20 (4)：347355molnar p，tapponnier p1975cenozoic tectonics of asia: effects of a continental

18、 collectionjscience，189 ：419426molnar p，tapponnier p1977relation of the tectonics of eastern china to the indian-eurasia collection: application of ship- line fieldtheory to large-scale continental tectonicjgeology，5 ：212216shen zhengkang，zhao chengkun，yin an，et al2000contemporary crustal deformatio

19、n in east asia constrained by globalpositioning system measurementsjj geophys res，105 ：5 7215 734tapponnier p，molnar p1977faulting and tectonics in chinajj geophys res，82 ：2 9052 931tapponnier p，molnar p1979active faulting along cenozoic tectonics of tian shan，mongolia and baykal regionjj geophys re

20、s,84 ：3 4252 4594 期楊國華等：由 gps 觀測結(jié)果推導中國大陸現(xiàn)今水平應(yīng)變場347current horizontal strain field in chinesemainland derived from gps datayang guohua li yanxing han yuepinghu xinkanggong yuemu(first crustal deformation monitoring center, china seismological bureau, tianjin 300180, china)abstract: the current crusta

21、l horizontal strain field is given in the paper based on the horizontal movement rates obtained from about 400 gps stations located in chinese mainland and its surrounding areas. the results show: the horizontal strain in chinese mainland is strong in thewest and weak in the east and the shear strai

22、n is larger than the normal strain (absolute magnitude). the general strain magnitude is 10 8/a and in local regions is 107/a, but the strain distribution is not homogeneous; the regions with the most significant ns-trending strains arethe himalayas belt along the western segment of chinese southern

23、 boundary, the segment of36 n42 n along the western boundary and the northern margin of qaidam block; theew-trending strain variation along the western margin is the maximum and it is characterized by the alternatively positive and negative variations from the west to the east; the regions withlarge

24、r magnitudes ofren(ne-trending shear strain) andrmax(maximum shear strain) arehimalayas belt, the segment of 36 n42 n along the western boundary, the western part ofqaidam block, sichuan-yunnan (chuan-dian) rhombic block and the border area of alxa, qilian and tarim blocks; the surrounding area of q

25、inghai-xizang (qingzang) block is mainlysuperfacial contraction and its interior is basically superfacial expansion. the area to its north is mainly superfacial contraction with the maximum magnitude along the western boundary and theminimum magnitude in the eastern part (except yanshan tectonic zone); in the west of the western part, the principal compressive strain is in the sn direction and the principal tensile strain is in the ew direction, while in the eastern margin area of the western part, the principal compressive strain is proximate ew and the principal tensile s