gps记录的中国地壳运动形变速度场

gps记录的中国地壳运动形变速度场

1对中国大陆地壳变形的研究中国位于欧亚大陆板块的东南端，周围被印度板块、菲律宾海板块、太平洋板块、西伯利亚和蒙古板块包围。受印度板块的影响，菲律宾海板块的弯曲。这是世界板块地壳构造活动最激烈的领域。在这些不同板块的碰撞和弯曲以及中国各块体之间的相互作用下，中国大陆及其周边地区的地壳变形具有特殊的、相互制约、规律的构造特征。这是国内外地学界最热点的研究领域。水平和垂直运动非常突出。它上升到喜马拉雅，形成了青藏高原，创造了几种大规模的滑动断裂构造。中国北部高山和巨大盆地的再生，以及中国北方地壳和大陆运动的强烈伸展。因此，中国大陆及其周边地区是研究板内变形和大陆动力学的理想地区。地质学是提供地壳和地幔运动特征的百万年平均。要研究和监测当前的地壳运动及其过程，必须依靠空间大地测量技术。gps和其他空间大地测量技术的全球板块运动是成功的，但中国大陆目前的地壳变形研究始于地壳。一些科学家已经对中国一些地区的地壳进行了一些研究。例如，zhu等人和周学武人使用22个站在中国大陆、中国北部、燕山、青藏高原、布莱尔湖和其他物种在尼玛性和阿拉德冯等地震源。根据nnr-nuvea板块运动模型的平均值，对一些地区或性质特征进行了研究。2itrf97的速度场三类网的观测情况列于表1,其中攀登网的平均边长为1000km,分布于中国大陆的各个主要断裂带和构造块体上,共进行了4期观测.由于当时的条件,第1期仅在青藏高原的部分地区进行了观测,后面几期扩展到整个中国大陆20多个站.网络工程开始于1997年,主要依靠GPS技术,以VLBI和SLR作为辅助手段,包括一个25个站连续观测的GPS基准网、一个56个站经常观测的基本网和一个约1000个站重复测量的区域网.第1期观测是自1998年8月26日到9月6日,基准网从1999年1月开始连续观测.这些GPS数据与周边IGS站一起通过GAMIT形成单天解,再通过GLOBK与全球GPS数据处理的h文件一起来确定框架,求取ITRF97框架下的速度场.数据处理中同时估计轨道和站坐标,IGS站的约束取为2—3倍中误差.估计精度:攀登网为1.2mm/a,基准网为1.8mm/a.区域性GPS监测网包括西藏、喜马拉雅网,川滇网,阿尔金、祁连山网,天山、塔里木网和福建沿海网.这些数据是通过GIPSY/OASIS-Ⅱ处理,对1995年前的数据采用全球解,同时估计轨道、卫星钟差、地球定向参数EOP和站坐标等,对1995年及以后的数据采用精密单点定位PPP技术,不估计轨道、地球定向参数EOP及卫星钟参数,它们的值来自美国喷汽式实验室JPL,模糊度解为实数,通过7参数转换,将所有单天解转到一个统一的参考框架里,获得坐标、速度和它们的方差与协方差.亚太地区GPS网已进行了3期联测,数据处理也是用GIPSY/OASIS-Ⅱ通过PPP处理的,再通过QOCA得到ITRF97的速度场.为了获得中国地壳运动的一个统一速度场,本文对不同网的速度解进行了一些比较,发现全国性网与APRGP网有较好的一致性,而区域网和全国性网的速度解之间有一个系统差,这个差可能来自定义参考框架的站的不同,处理的方法、模型和软件的不同.这个系统差呈现为各个区域网的速度场相对全国网有一个欧拉旋转运动,因此可用下面方程组来实现区域网与全国网之间速度场的统一:(Vn1-Vn2Ve1-Ve2⋮)=(rsinλ-rcosλ0-rsinφcosλ-rsinφsinλrcosφ⋮⋮⋮)Ω,(1)这里Ω是各个区域网相对全国网的三维旋转矢量;r是地球的半径;λ,φ分别是公共站的经纬度;(Vn1,Ve1)和(Vn2,Ve2)分别是公共站在全国网和在区域网的速度,n代表南北向,e代表东西向.一般情况全国网和区域网至少有2个公共站,所以可以通过最小二乘求得两者的旋转参数.这里选择攀登网的解作为基准解,因为它覆盖整个中国且有最长的观测时段.每个区域网的水平速度根据它的旋转参数Ω被旋转到由全国网水平速度场所定义的参考架,从而获得一个自恰的、统一的ITRF97框架下的中国地壳水平运动速度场.3背景场计算的地壳形变量为了研究中国现时地壳运动在欧亚板块内形变的特征,基于现代空间大地测量技术的实测资料获得的ITRF97速度场建立了一个独立于板块构造运动假设的现时板块运动模型ITRF97VEL,建立的方法、准则参见文献,本文涉及的板块运动模型列于表2.ITRF97是目前精度、数量和质量最好的参考架,它是由20年空间大地测量资料确定的参考架,它的速度场代表20年跨度的平均地壳运动,所以基于ITRF97速度场的板块运动模型ITRF97VEL代表真实的现时板块运动,它比地质模型NNR-NUVEL1A能更好更精确地反映当今全球板块运动的特征.从表2,可以看到ITRF97VEL与NNR-NUVEL1A在总的方面是一致的,但两者欧拉矢量有10%的大小之差和15°的方位之差,这个差对mm/a级现时地壳形变的研究是很有意义的,ITRF97VEL比百万年的NNR-NUVEL1A更适合作为短时段形变测量的背景,表3给出了以ITRF97VEL和NNR-NUVEL1A作为背景计算形变量的差别.从表中可看出以前者作为背景场计算的地壳形变量无论是在南北向还是东西向均比后者的要小.产生这一情况也是必然的,因为以后者作为背景场计算的地壳形变量实际上包含了两个部分:一是真正的现时地壳形变量;另一部分是其背景板块(如欧亚板块)现时运动与过去几百万年平均运动之差,这一部分显然不是真正的地壳形变量.所以,一个可靠、合适的几十年跨度的板块运动模型对现时板内或区域地壳形变和地球动力学研究是很重要的.例如上海(SHAO)站的形变速度方向基于NNR-NUVEL1A几乎是东向的(表2),但基于ITRF97VEL是东南向的.ITRF97VEL预报拉萨(LHAS)以29.20mm/a和2.30mm/a分别朝东和朝南运动;而NNR-NUVEL1A预报它以24.6mm/a和6.5mm/a分别朝东和朝南运动,从而使得基于它们的地壳形变分别是(24.10±0.31)mm/a(N48.06°±1.94°E)和29.80mm/a(N49.13°E).Shen等基于NNR-NUVEL1A在ITRF96框架下得到拉萨相对欧亚板块以(29.4±1.2mm/a)(N43.8°E)运动.这些说明不同时间尺度的板块运动模型影响地壳形变速度估计,形变速度的不同不仅反映由于参考架、不同数据、不同处理方法和不同软件处理而引起的速度解的不同,而且反映了板块运动的时间变化和定义的欧亚板块稳定部分的差异.另外,地质结果显示拉萨以28mm/a的速度相对西伯利亚板块运动,这似乎与基于NNR-NUVEL1A的结果更接近,这一方面说明地质测量的百万年结果之间是有共同点的,也反映了现在的GPS实测速度是正确的,同时也说明了板块运动和地壳形变的速率的确存在细微而重要的时变部分.现时地壳水平形变的结果示于图1,这些速度是ITRF97框架下GPS的实测速度相对于ITRF97VEL欧亚板块运动模型的残差速度,来自ITRF97VEL的这个欧亚板块与NNR-NUVEL1A不同,不仅包括西欧,它还包括中亚和稳定的西伯利亚地区,从而以它为背景运动的地壳形变反映了当今真实的变形情况,基于此模型,本文获得了中国全国性网、区域性网及亚太网的260多个站的高精度的现时地壳形变速度场.4gps结果与地质、地球物理的关系中国大陆新生代以来构造形变的最主要特点是晚第四纪活动断裂特别发育,它们将中国大陆分成了很多活动块体,如图2所示(图2结果由国家地震局地质研究所张培震提供).从图1和2我们可以清楚看到GPS形变速度场与块体的划分特别一致,这说明GPS结果与地质、地球物理的结果在总的方面是相互符合的.由于用欧亚板块的ITRF97VEL运动作为背景运动,所以结果反映了现时地壳形变.KIT3、POL2和IRKT形变速度很小,意味着尽管它们毗邻帕米尔—贝加尔强震带,但仍然属于欧亚板块的较稳定部分,这些站对提高欧亚板块欧拉矢量的估计有着重要的作用.另外还可以看到中国地壳运动有明显的非均匀性,以南北地震带为界,东部的地壳形变远远弱于西部的地壳形变.4.1西藏块体运动特征喜马拉雅是全球大陆形变的最活跃地区,图1显示了喜马拉雅块体一个主要的北向运动,速度从喜马拉雅到冈底斯山沿着NNE从36mm/a逐渐减少到21mm/a.重力场中连续介质的数值计算和实验室试验都显示这一地区沿NNE方向缩短.喜马拉雅块体的15mm/a的缩短速率与Bilham等的(17.52±2)mm/a的估计很一致.其中5mm/a缩短速率是被喜马拉雅主边界断裂带所吸收,这与Molnar等的1—5mm/a的推测一致.它们反映了穿过喜马拉雅的汇聚速率为14—18mm/a,是印度板块和欧亚板块碰撞的汇聚速率的30%.这种运动模式反映了印度板块和欧亚板块碰撞后的继续挤压作用.西藏块体有明显不同的块体运动特征.西藏南部的拉萨子块中的喀喇昆仑—嘉黎断裂区(KJFZ)右旋走滑断裂提供了西藏南部和中部的相对运动分量,从本文的结果得到它的走滑速率为2—3mm/a.GPS结果显示拉萨子块的东部以24—26mm/aN48.06°E速度作相对稳定的欧亚板块运动,其中拉萨有(17.93±0.37)mm/a的东向运动;它的西部狮泉河(SQ22)站正以(14.81±0.48)mm/a和(2.29±1.11)mm/a的速度朝北和西运动,显然这里有一个东西向的拉伸.利用GPS实测到的拉萨和狮泉河之间的东西伸长为(20.2±1.2)mm/a,这与20年的地震记录所得的(18±9)mm/a的伸长一致.穿过这个子块,南北向缩短速率为4mm/a,所以该子块以北向的地堑提供的东西伸长为主.西藏北部的羌塘子块以(19.14±0.63)mm/a(N59.76°E±5°)相对欧亚板块运动,从拉萨到温泉(WQ15)的南北向缩短速率为(6.5±0.4)mm/a,从拉萨到格尔木(GM14)的南北向缩短速率为(8.7±0.4)mm/a.4.2nne的速度运动甘青块体在南部以可可西里断裂带和鲜水河断裂带分别与西藏块体、川滇菱形块体为界,在北部以两个特别的断裂与塔里木块体为界,一个是阿尔金断裂,它沿着阿尔金断裂由西到东以9—4mm/a的速度从NNW到NNE运动;另一个是祁连山断裂,它沿着祁连山断裂由西到东以5—10mm/a的速度从NE到E运动.结果表明在92°E是沿着NNE以(9±3)mm/a的速度运动.穿过阿尔金断裂有2—3mm/a的缩短速率,不到印度和欧亚板块的汇聚速率的5%.这个估计与Chen等依据GPS估计的(5±2)mm/a和Bendick等估计的(3±1)mm/a的缩短速率一致,但这里仅有4—6mm/a的左旋走滑运动,大约是印度和欧亚板块汇聚速率的10%,这与分析“逃逸构造”假说时认为的青藏高原主体沿北侧阿尔金—祁连山断裂和南侧喀喇昆仑—嘉黎断裂向东挤出、挤出量的大小达到印度板块向北推挤量的50%以上(即20—30mm/a)的结论相差很大,而与“地壳增厚”假说认为的大陆变形以地壳的缩短和增厚为主、走滑运动是发生在变形后期的次生现象、青藏高原东部和华南块体向东运动不超过印度和欧亚板块的汇聚速率的20%(即10mm/a)相符.沿着阿尔金断裂和柴达木子块的西边界的交汇处有一个速度方向的明显变化,是惟一可以从本文结果直接看到速度方向从NNW到NNE变化的分界.事实上,由地质和地球物理研究发现从贝加尔裂谷到喜马拉雅主边界断裂区可能存在一个弥散边界.本文结果似乎支持这一结论.4.3nnw和ws-qp的速度演化塔里木块体的南边是阿尔金、西昆仑断裂,北边是天山断裂南峰.在这个块体里,一方面西部的北向运动远远大于东部(RJ17);另一方面这个块体像一个楔子一样插入邻近的块体,它的运动与附近的块体的东向运动不同,是中国惟一没有东向运动的块体,它的西部和东部分别以12—16mm/a和8mm/a的速度沿NNW运动.值得注意的是塔里木盆地西部以10—15mm/a的速度朝北运动,和田和狮泉河之间有1—3mm/a的伸长,这也许是由于帕米尔的北向推挤引起的.与印度、欧亚板块碰撞相关的形变没有局限在青藏高原,而是延伸到更北面的天山.天山南边的库尔勒(KL19)以(8±1)mm/a速度向NNE运动,北边的乌鲁木齐(UL18)以4.8mm/a(20°N3°E)速度运动,沿着库尔勒到乌鲁木齐,有3—5mm/a的缩短,穿过天山从乌恰(WUQO)到POL2,汇聚速率为9—13mm/a.这与天山南边的地质测量结果4—14mm/a的第四纪平均缩短速率一致,与Avouac等得出的沿天山北缘Manas附近的约3mm/a的汇聚速率相符.9—13mm/a的汇聚速率不到印度和欧亚板块碰撞汇聚速率的30%,与穿过喜马拉雅块体的汇聚速率相比,两者有相同的南北收缩,即天山也是一个大的汇聚提供带.4.4西藏地方分区川滇菱形块体位于四川西部、云南省北部,是一个特殊而复杂的块体,有复杂多样的断裂带.它的北部呈现EES运动,东南呈现SSE运动,西南呈现SSW运动,显示了一个围绕喜马拉雅东结点的顺时针旋转.伴随一个小的南向滑动,这个块体北部由于西部西藏块体的推挤有明显的东向运动,越往南,这个东向的运动分量越小,而南向运动分量变大.另外,GPS结果显示穿过龙门山南段的缩短速率约为7mm/a(从XT11到NC08),表明不支持“逃逸构造”假说,而支持“地壳增厚”假说.4.5冷却稳定的“冷”而稳定的边界东北块体位于中国东北,以2—3mm/a的速度朝东南运动,它是中国最稳定的地区.华北块体包括华北地区,以3—8mm/a(SE)运动.它有3个子块,鄂尔多斯子块是华北块体的主体,它以6.3—7.4mm/a速度(SE)运动,尽管它的边界很活动,但它的内部是“冷”而稳定的;河淮子块很易形变,从本文结果可见,河淮块体的北部速度很小而南部速度相对很大,说明这里存在一个裂陷拉伸构造,这与地质探测、Shen等的结果一致.SUWN、TAEJ和SHAO在新的块体划分中被划为胶东—黄海子块,上海的东向运动为6.75mm/a.接近太平洋板块的俯冲区,两个日本站TSKB和USUD分别以(26.87±0.61)mm/a的西向、(0.98±0.55)mm/a的南向和以(23.85±0.16)mm/a的西向、(2.29±0.14)mm/a的北向速度相对欧亚板块运动,它们显示了很强的太平洋西向俯冲,但东北和华北块体都无西向运动,这反映了西向很强的俯冲被日本岛和日本海峡很快吸收,几乎没有传到中国.4.6相对欧亚板块的旋转极及与其他区域的对比华南块体位于中国南部,以15—8mm/a朝东南运动,从西到东速度逐渐减小.华北比华南块体慢0—12mm/a,这个运动差异不能说明地壳增厚是否比侧向挤出更为主要,而是说明很多模型可能是正确的.所以,不能通过这个差异下结论,要依据模型的细化,包括板块运动模型和地壳运动模型、足够密度和精度的GPS速度场和来自地质、地球物理及大地测量等综合结果,才能通过综合和重构获得正确、可靠的结论.华南块体相对欧亚板块关于旋转极“57°N,142°E,0.17°/Ma”顺时针旋转,这是由GY09、LUZH、NC08和WUHN作最小二乘估计的.当广州(GZ04)被加入估计时,参差平方和大了30倍.本文的估计与第四纪活动断层变形反演得到的华南块体的欧拉旋转极“65°N,145°E,0.1°/Ma”和任金卫等估计的“62°N,146°E,0.14°/Ma”接近,而与Holt等估计的“64.84°N,156.84°E,0.12°/Ma”相差较大.4.7澳大利亚板块与印度板块的相互作用YONG和QION属于南海块体,它们以11—15mm/a(EES)相对欧亚板块运动.东南亚块体位于菲律宾海板块、澳大利亚板块和印度板块之间,承受着这3个板块的强烈推挤.澳大利亚板块在爪哇海沟以60—70mm/a(NNE)插入欧亚板块,但没有形成东南亚块体的北向运动,最南端的接近爪哇海沟的BAKO和LABG也向南运动,这说明澳大利亚板块的插入速度很快被爪哇海沟的北面岛弧所吸收.这一特点与印度板块碰撞欧亚板块使得中国西部地壳运动从南到北逐渐减小大不一样,构成了两种显然不同的板块相互作用方式.4.8波增加对欧亚板块的推挤位于伊朗境内的6个GPS站处在阿拉伯板块和欧亚板块之间阿尔卑斯—喜马拉雅造山带中部的碰撞区,REIH属于阿拉伯板块,相对欧亚板块有一个30mm/a的NNE向运动,这显示阿拉伯板块对欧亚板块有较强的推挤,该碰撞类似于印度板块对欧亚板块的挤压.其他5个GPS站在南部阿拉伯板块和西部帕米尔楔的推挤下呈现北向或西北向运动,且它们的速度从南到北逐渐减小.5中国东部下地壳增长期的地壳运动学和动力学机制5.1不同的板块运动模型可以使地壳形变很不同.尽管新的空间大地测量现时板块运动模型ITRF97VEL在总的方面与地质模型NNR-NUVEL1A一致,但存在细小的差别,这个差别不仅反映了板块运动的时变性,而且反映了它对现时地壳形变的巨大影响.从ITRF97VEL板块运动模型得出的10年地壳形变真正反映了现时地壳形变.5.2中国地壳运动是很不均匀的,南北地震带是一个很重要的运动分界线,印度板块的强烈作用很快被中国的南北地震带所吸收.GPS