全球板塊運動的相對運動中歐矢量

全球板塊運動的相對運動中歐矢量

高精度空間大數(shù)據(jù)技術的發(fā)展允許人們精確地測量當前板塊運動的愿望。經(jīng)過十幾年連續(xù)觀測的積累,目前幾種主要空間大地測量技術(VLBI,SLR,GPS)已能以優(yōu)于5mm/a的精度測定現(xiàn)時板塊運動。對這些實測數(shù)據(jù)進行分析處理,可以建立一個完全基于空間大地測量實測的現(xiàn)時板塊運動模型。地學板塊運動模型(如NUIVEL-1A)是根據(jù)地球物理和地質(zhì)資料導出的,它是最近幾百萬年內(nèi)板塊運動的平均效果,而不是正在發(fā)生的現(xiàn)時板塊運動?，F(xiàn)時模型與地學模型的比較,可以對板塊的剛性、板塊運動的穩(wěn)定性等重大地學問題的解決提供證據(jù),具有重要的科學意義。本文作者采用3個國際最著名的數(shù)據(jù)處理中心(GSFC,CSR,JPL)對所有VLBI和SLR觀測數(shù)據(jù)(1979.0～1994.0)以及GPS觀測數(shù)據(jù)(1991.0～1994.0)進行處理后得到的3種技術觀測站的站速度,解算了北美(NOAM)、歐亞(EURA)、太平洋(PCFC),澳大利亞(AUST)、非洲(AFRC)、南美(SOAM)、南極(ANTA)共7個板塊之間相對運動歐拉矢量,建立了一個新的包括7個板塊的現(xiàn)時板塊運動模型,稱為SGPMM2。與以前建立的SGPMM1相比,SGPMM2新增加了非洲、南極洲、南美板塊,并從原歐亞板塊內(nèi)分出了南中國板塊。通過新建模型SGPMM2與地學板塊運動模型NUVEL-1A的相互比較,分析了板塊運動的穩(wěn)定性,得出了幾點初步結論。此外,本文還首次導出了南中國板塊相對于歐亞大板塊的運動參數(shù),并分析了其構造學意義。1數(shù)據(jù)和方法1.1遲和延遲率觀測數(shù)據(jù)VLBI板塊運動實測數(shù)據(jù)來自美國宇航局(NASA)哥達德航空飛行中心(GSFC)提交給國際地球自轉(zhuǎn)服務機構(IERS)的GSFC94R01ˉ收稿日期∶1998-07-08解。這次解算處理了從1979.0至1994.0約15年的全球MarkⅢVLBI時間延遲和延遲率觀測數(shù)據(jù),給出了127個VLBI觀測站的地心坐標和其中近100個測站的站速度。這些站速度的精度大部分好于3mm/a。SLR板塊運動實測數(shù)據(jù)選自美國德克薩斯大學空間研究中心(CSR)提交給IERS的CSR94L01解。這次解算處理了從1976.0至1994.0約18年的全球主要激光站對LAGEOS衛(wèi)星的測距數(shù)據(jù),得到了116個地面觀測站的地心坐標和其中60多個測站的站速度,這些站速度的精度大部分優(yōu)于5mm/a。GPS板塊運動實測數(shù)據(jù)選自美國加州技術研究院噴氣推進實驗室(JPL)提交給IERS的JPL94P01解。因GPS高精度大地測量觀測在90年代初才獲得成功,這次解算僅處理了從1991.0～1994.0約3年的GPS相位觀測數(shù)據(jù),估計了全球41個GPS核心站的地心坐標和站速度。因觀測時間尚短,GPS站速度的精度較差,大都在5mm/a左右。1.2不同參考架間轉(zhuǎn)換因為VLBI、SLR、GPS站速度是由不同國際空間數(shù)據(jù)分析中心解算的,其各自運動學參考架的約定會有所不同。要綜合利用3種數(shù)據(jù),必須使其統(tǒng)一在一個特定的運動學參考架中。可采用如下模型進行參考架統(tǒng)一:[V′XV′YV′Ζ]=[VXVYVΖ]+[ΤVXΤVYΤVΖ]+[0X-Y-X0ΖY-Ζ0][RVXRVYRVΖ](1)式中,V′X、V′Y、V′Z和VX、VY、VZ分別是同一測站在不同參考架中的站速度;TVX、TVY、TVZ、RVX、RVY、RVZ是兩個參考架間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。由(1)式可估計出任意兩種參考架相對于第三種參考架的轉(zhuǎn)換參數(shù),由這些轉(zhuǎn)換參數(shù)即可把前兩種站速度轉(zhuǎn)換至第三種參考架中。因目前3種技術的并置測站較少,轉(zhuǎn)換參數(shù)可能估計不準,因此本文采用另一種方法?？紤]到歐亞板塊上3種技術測站都比較多,通過分別剔除3種技術在歐亞板塊穩(wěn)定地區(qū)測站的整體運動(假定歐亞板塊是不動的),即可把3種站速度歸算到一個統(tǒng)一的歐亞固定參考架之中。1.3垂向站速度v原理上,板塊運動歐拉矢量?Ω與測站地心速度?V之間有如下關系:?V=?Ω×?r(2)式中,?r是測站地心位置矢量。如果已知?V和?r就可估計出?Ω。因板塊運動主要反映在水平站速度之中,況且目前VLBI、SLR、GPS這3種技術確定垂向站速度還不夠精確,直接采用地心站速度?V可能會使板塊運動參數(shù)估計受到垂向站速度誤差的影響。所以實用中常把測站地心速度轉(zhuǎn)換為站心速度,并采用其水平分量(東向Vei和北向Vni)來求解板塊運動歐拉矢量?Ω。即采用下式[VniVei]=[Rsinλi-Rcosλi0-Rsinφicosλi-RsinφisinλiRcosφi][ΩXΩYΩΖ](3)式中,R為地球平均半徑;φi、λi為第i站的地心緯度和經(jīng)度;ΩX、ΩY、ΩZ為?Ω的3個分量。如果已測得全球各板塊上穩(wěn)定測站的水平站速度,則可由(3)式估計出其中某一板塊的“絕對”歐拉矢量和各板塊之間的相對運動歐拉矢量。測站越多且分布合理,站速度精度越高,則估計的板塊歐拉矢量越準確。1.4穩(wěn)定測站的選取板塊并不是嚴格意義上的剛體,板塊內(nèi)局部地區(qū)和邊界地區(qū)都存在著形變。在建立板塊運動模型時,必須選擇那些位于板塊穩(wěn)定主體內(nèi)的臺站,這樣其站速度才能完全反映板塊的主體運動。穩(wěn)定臺站的選擇:1)主要根據(jù)測站所處地區(qū)的構造形變特征來判定;2)也可依據(jù)空間技術測定的站間基線變化率(如果有的話)是否接近于零來判定;3)還可由同一板塊上各測站速度的一致性來判定,即剔除測站的整體性運動之后,穩(wěn)定測站的殘差站速度應很小。采用上述方法,在歐亞板塊上我們選擇了34個穩(wěn)定測站(18個VLBI站,7個SLR站,9個GPS站),這些臺站大都位于西歐地區(qū)。位于南中國板塊上的上海VLBI和SLR站及臺灣GPS站被單獨用于求解南中國板塊的運動參數(shù)。在北美板塊上我們選擇了52個穩(wěn)定測站(40個VLBI站,6個SLR站,6個GPS站)。這些站大都分布在北美板塊中部穩(wěn)定地區(qū)。在太平洋板塊上我們選擇了5個VLBI站,4個SLR站和5個GPS站,這些站都位于太平洋板塊中部。接近于北美板塊邊界的FORTORD和VNDNBERG兩站,因可能受形變影響而沒有采用。因澳大利亞板塊內(nèi)無明顯的形變,我們選擇了位于該板塊上的所有7個測站(2個VLBI站,2個SLR站,3個GPS站)。南美板塊上選擇了3個VLBI站,2個SLR站和3個GPS站。非洲板塊上選擇了2個VLBI站,1個SLR站和2個GPS站。在南美與非洲板塊上因測站少,選擇余地小,入選的少數(shù)幾個站的構造穩(wěn)定性還有待商榷。南極洲板塊上僅有2個測站(1個VLBI、1個GPS),且觀測時間都不長,站速度誤差較大。對南極洲板塊的相對運動估計會產(chǎn)生較大影響。但作為嘗試,我們?nèi)赃x這兩個站參加估計。2sdpm2相對運動的特征隨著觀測時間的積累,測站站速度的估計精度有了明顯提高,具有實測站速度的測站在各板塊上的分布也漸趨合理。這就使新建SGPMM2模型比以前的SGPMM1有了明顯改善:1)板塊間相對運動歐拉矢量的估計精度提高了,與地學估計值也更為接近;2)增加了新的板塊。如非洲和南極洲板塊相對于其它板塊的運動參數(shù)是首次導出。還將南中國板塊從歐亞板塊中分離出來,首次估計出兩者的相對運動參數(shù)。SGPMM2與地學板塊運動模型NUVEL-1A的比較在表1中給出。NUVEL-1A是由NUVEL-1經(jīng)地磁倒轉(zhuǎn)時間尺度修正后的新模型。最近DeMets等指出,NUVEL-1所用的地磁倒轉(zhuǎn)時間尺度使得它所估計的板塊運動速率比新尺度快了4.58%。從SGPMM2與NUVEL-1A的比較可以看出,對于EURA、NOAM、PCFC、AUST、AFRC和SOAM這6個主要板塊,兩種模型有較好的一致性。說明全球板塊運動在最近300萬年內(nèi)總體上是穩(wěn)定的。但也發(fā)現(xiàn)了不太一致的情況,例如太平洋板塊相對于歐亞、北美和南極板塊的相對運動速率稍大于NUVEL-1A給出值;一些板塊之間相對運動歐拉極與NUVEL-1A給出極稍有偏離。這些不一致的原因部分是因為有些板塊上可用的穩(wěn)定測站較少或分布不合理,觀測時間較短(如南極洲板塊);而對于臺站較多且觀測時間較長的板塊(如太平洋與北美和歐亞板塊),也可能表明這些板塊之間的相對運動發(fā)生了微小的變化。由于新增加的位于歐亞板塊東北部的兩個VLBI站的約束,使SGPMM2的EURA-NOAM歐拉極比SGPMM1更為接近NUVEL-1A,精度也有明顯改善。但SGPMM2的極仍比NUVEL-1A的極偏西北約7°。這可能起因于測站大都位于西歐一小塊地區(qū),而巨大歐亞板塊的東部和中部測站卻較少,對歐拉極約束較差。但也不排除兩板塊相對運動方向產(chǎn)生微小改變的可能性。兩者旋轉(zhuǎn)速率的不一致主要起因于歐拉極的偏差,如使兩者歐拉極一致,并考慮到兩板塊上一些測站會受到冰期后地殼回彈的影響,則實測的兩板塊相對運動速率與地學估計值有極好的一致,說明兩板塊相對運動速率是穩(wěn)定的?？绱笪餮蟮腣LBI基線測量結果也證明了這一點。SGPMM2的PCFC-NOAM和PCFC-EURA歐拉極與NUVEL-1A有極好的一致,但旋轉(zhuǎn)速率在統(tǒng)計意義上明顯地偏大約4.5%和6%,量級為0.03±001°/Ma和0.06±0.01°/Ma。最近DeMets等也指出,VLBI數(shù)據(jù)估計的太平洋到北美板塊基線變化率也比NUVEL-1A估計值一致性地偏大約5±4mm/a。這可能說明太平洋板塊相對這兩個板塊的運動速率在最近300萬年里稍微地加快了。在SGPMM2中,澳大利亞與北美、歐亞、太平洋、非洲和南美諸板塊的相對運動歐拉極都較接近于NUVEL-1A給出值,且兩模型的旋轉(zhuǎn)速率也有極好的一致(差值均不超過0.01°/Ma)。表明在最近300萬年內(nèi)澳大利亞相對于其他幾個板塊的運動是很穩(wěn)定的。關于非洲和南美板塊相對于歐亞、北美和澳大利亞板塊的相對運動,本文作者首次給出了較為可靠的估計結果。從表1可以看出,SGPMM2的估計值都與NUVEL-1A相應值比較接近,只是估計誤差還比較大。表明最近300萬年里非洲和南美兩板塊相對于其它3個板塊的運動基本上是穩(wěn)定的。因這兩個板塊上穩(wěn)定測站尚少,且站速度誤差還比較大,我們還不能根據(jù)SGPMM2與NUVEL-1A的一些差別來判定某個板塊對的相互運動是否發(fā)生了微小變化。南極洲板塊上僅有兩個站,且站速度誤差較大,這使得南極洲板塊與其它板塊的歐拉矢量估計值誤差較大,與NUVEL-1A的偏離比較明顯。只有南極洲與太平洋和澳大利亞的歐拉矢量估計值比較好。未來的改進取決于在南極板塊上布設更多的站并進行連續(xù)不斷的觀測。印度板塊高速插入歐亞板塊之下,使青藏高原顯著隆起,并產(chǎn)生了幾條巨大的東西向滑動斷裂帶,位于兩條主要滑動斷裂帶之間的北西藏塊體,受南北兩塊體的擠壓轉(zhuǎn)而向東運動,在龍門山斷裂帶與南中國板塊相接。Armijo等根據(jù)北西藏塊體與周圍塊體的斷層走向和滑動速率,估計出北西藏塊體相對于歐亞板塊主體的歐拉矢量為-17.0°S,61.4°W,0.458°/Ma,證明了北西藏塊體的東向運動。根據(jù)構造學推斷,北西藏塊體的東向運動將推動南中國板塊向東偏南運動。本文作者采用位于南中國板塊上上海和臺灣兩站的實測站速度,在全球地殼運動場中首次估計出南中國板塊相對于歐亞板塊的運動參數(shù)(見表1)。這個結果與Armijo等利用地學數(shù)據(jù)估計的北西藏塊體的運動方向基本一致,量級稍小一些,說明在龍門山斷裂帶可能有速率損失。作為對印度板塊高速插入歐亞板塊之下的響應,這個結果證實了南中國板塊受北西藏塊體東向擠壓而向東偏南運動的構造學推斷。3中國板塊、澳大利亞板塊相對運動的基本情況根據(jù)上述分析,可得出如下