GPS地殼形變觀測(cè)及其在中亞大三角地震構(gòu)造域的應(yīng)用

肖根如

（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

GPS地殼形變觀測(cè)及其在中亞大三角地震構(gòu)造域的應(yīng)用

肖根如

（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

縱觀全球中強(qiáng)地震的空間分布，除一系列的洋脊、裂谷、海溝、轉(zhuǎn)換斷層和大陸內(nèi)部的古板塊邊緣等大型構(gòu)造活動(dòng)帶被清晰地勾畫和顯示外，在亞洲大陸東部地區(qū)相對(duì)密集的地震還清楚地勾畫了一個(gè)面狀的三角形區(qū)域。自1898年以來(lái)，該區(qū)域記錄到的6級(jí)及以上地震占到全球地震的4.4%。在如此小的范圍內(nèi)發(fā)生如此多的強(qiáng)地震，前人將這一特殊區(qū)域稱之為“中亞大三角地震構(gòu)造域”。中亞大三角地震構(gòu)造域位于亞洲的中東部地區(qū)，地處60°E～120°E，10°N～60°N的矩形范圍內(nèi)，總體形態(tài)大致呈正三角形，其西南邊界為平行于喜馬拉雅山脈的區(qū)域，是大三角形的底邊；東邊界大致沿東經(jīng)105°線，即從中國(guó)境內(nèi)的南北地震帶沿華南地塊、鄂爾多斯地塊西邊緣向北延伸至貝加爾湖；西北邊界則從帕米爾高原開始，穿越天山、阿爾泰山至貝加爾湖地區(qū)。

自1900年以來(lái)，中亞大三角地震構(gòu)造域內(nèi)共發(fā)生過121次7級(jí)以上大地震。其中8級(jí)以上大地震有22次，這些大地震主要發(fā)生在青藏高原、天山造山帶以及貝加爾斷裂帶上。最近十多年來(lái)發(fā)生的破壞性地震有：1997年11月8日瑪尼MS7.9地震、2001年11月14日昆侖山MS8.1地震、2008年3月21日于田MS7.3地震、2008年5月12日汶川MS8.0地震、2010年4月14日玉樹MS7.1地震等。

中亞大三角地震構(gòu)造域是一個(gè)由密集的中強(qiáng)地震所自然呈現(xiàn)出的特殊區(qū)域，其內(nèi)部跌宕起伏的高原、山脈、山間盆地和地塹，以及錯(cuò)綜復(fù)雜的活動(dòng)斷裂直接反映了該區(qū)域強(qiáng)烈的地殼運(yùn)動(dòng)和構(gòu)造形變。中亞大三角地震構(gòu)造域主要包含青藏高原和西域兩大構(gòu)造區(qū)域。其中，青藏高原構(gòu)造區(qū)域內(nèi)部發(fā)育有一系列規(guī)模宏大、活動(dòng)性強(qiáng)的弧形斷裂帶，主要的大型斷裂帶有：喜馬拉雅主中央斷裂帶、西昆侖斷裂帶、喀喇昆侖—嘉黎斷裂帶、鮮水河斷裂帶、東昆侖斷裂帶、阿爾金斷裂帶和紅河斷裂帶；西域構(gòu)造區(qū)內(nèi)部發(fā)育有天山斷裂帶、戈壁阿爾泰斷裂帶、蒙古—阿爾泰斷裂帶、Bolnay斷裂帶等。

本論文以高精度、高密度、大范圍的GPS觀測(cè)資料為主，并結(jié)合活動(dòng)斷裂資料和最近百余年的中強(qiáng)地震資料，對(duì)中亞大三角地震構(gòu)造域的現(xiàn)今地殼形變特征以及地殼形變與地震活動(dòng)性的關(guān)系進(jìn)行探討。具體研究方法與成果包括：

（1）在吸納國(guó)內(nèi)外關(guān)于高精度GPS數(shù)據(jù)處理方法和策略的基礎(chǔ)上，完善了一套基于GIPSY和QOCA的高精度、高效率的自動(dòng)化GPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。在USGS（United States Geological Survey）的自動(dòng)化GPS處理軟件包GP的基礎(chǔ)上，吸收和采納目前國(guó)際上GPS數(shù)據(jù)處理的最新模型與方法，利用TEQC、GIPSY、Ambizap以及QOCA等軟件，完善出一套實(shí)用化的GPS前期數(shù)據(jù)處理與后期數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從GPS數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、GPS數(shù)據(jù)處理、聯(lián)合平差及結(jié)果可視化展示等一系列步驟的自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)了高效的GPS數(shù)據(jù)處理。

（2）融合國(guó)內(nèi)外多渠道GPS資料，獲得中亞大三角地震構(gòu)造域的綜合GPS速度場(chǎng)。主要通過兩種方式獲得中亞大三角地震構(gòu)造域的GPS速度場(chǎng)：①野外流動(dòng)加密觀測(cè)；②將不同機(jī)構(gòu)、不同區(qū)域、不同時(shí)期、不同參考框架下的GPS速度場(chǎng)資料，以不同數(shù)據(jù)的公共點(diǎn)為“橋梁”，通過球面歐拉旋轉(zhuǎn)變換，融合、歸化至相同的參考框架。通過一致性檢核和粗差剔除等環(huán)節(jié)，最后得到1 647個(gè)GPS站點(diǎn)的速率。首次給出中亞大三角地震構(gòu)造域及其周緣的GPS速度場(chǎng)。

（3）基于高精度、高密度的GPS速度場(chǎng)結(jié)果，并結(jié)合中亞大三角地震構(gòu)造域的活動(dòng)構(gòu)造概要，總結(jié)出中亞大三角地震構(gòu)造域GPS速度場(chǎng)的主要特征和區(qū)域內(nèi)部的差異運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：

①相對(duì)于穩(wěn)定的歐亞板塊，中亞大三角地震構(gòu)造域的北東向水平地殼運(yùn)動(dòng)速度的大小，從南部喜馬拉雅地區(qū)的約40 mm／a向北依次梯度變小至北部貝加爾地區(qū)約3 mm／a。反映出中亞大三角在印度板塊北東向俯沖、推擠作用下的縮短、隆升。

②在整個(gè)中亞大三角地震構(gòu)造域，青藏高原表現(xiàn)出了最強(qiáng)烈的水平向地殼差異運(yùn)動(dòng)。由于塔里木塊體、阿拉善塊體和鄂爾多斯塊體的“準(zhǔn)剛性”阻擋，以及高原北部區(qū)域?qū)δ喜繀^(qū)域的自然阻擋作用，青藏高原在發(fā)生北東向強(qiáng)烈擠壓縮短的同時(shí)，產(chǎn)生了明顯的東向擠出式“逃逸”。

③在青藏高原的東南部，由于“阿薩姆犄角”的北東向強(qiáng)烈插入，再加之華南“準(zhǔn)剛性”塊體在東部的阻擋，使該區(qū)域的高塑性地殼物質(zhì)圍繞喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)產(chǎn)生強(qiáng)烈的順時(shí)針流滑式擠出逃逸。

④塔里木地塊在整個(gè)中亞大三角地震構(gòu)造域的現(xiàn)今地殼變形中扮演著重要的角色：由于塔里木地塊的調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)化作用，使中亞大三角地震構(gòu)造域中部的水平地殼運(yùn)動(dòng)，呈現(xiàn)出從NNE到NE方向的扇狀發(fā)散特征。在塔里木盆地內(nèi)部，速度大小比較均勻，反映出較小的內(nèi)部形變。

⑤天山地區(qū)是中亞大三角地震構(gòu)造域僅次于青藏高原的強(qiáng)烈擠壓變形區(qū)。在跨越天山前后，GPS速度場(chǎng)從15～20 mm／a迅速變小到1～5 mm／a。

⑥在蒙古中西部及貝加爾湖地區(qū)，站點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度普遍在2～5 mm／a之間，且運(yùn)動(dòng)方向無(wú)明顯規(guī)律性，反映出該區(qū)域相對(duì)比較微弱的地殼形變背景。

⑦在帕米爾高原地區(qū)，由于缺少足夠的GPS觀測(cè)站點(diǎn)，我們尚無(wú)法直觀判定其內(nèi)部的地殼運(yùn)動(dòng)差異性，但根據(jù)其周緣的GPS速度場(chǎng)狀況，可推測(cè)其可能存在塔里木剛性塊體阻擋下強(qiáng)烈的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

（4）基于優(yōu)選的空間內(nèi)插算法，給出中亞大三角地震構(gòu)造域連續(xù)分布的GPS應(yīng)變率場(chǎng)。采用二維“高張力樣條”（τ＝0.95）內(nèi)插算法，對(duì)非均勻的GPS速度場(chǎng)進(jìn)行了0.5°×0.5°的均勻預(yù)測(cè)加密，然后根據(jù)每個(gè)1°×1°網(wǎng)格邊界及內(nèi)部的9個(gè)內(nèi)插速度矢量，計(jì)算出相應(yīng)1°×1°網(wǎng)格內(nèi)的均勻應(yīng)變率。由此得出中亞大三角地震構(gòu)造域各個(gè)區(qū)域定量、直觀的地殼形變狀況。

①整個(gè)喜馬拉雅弧形地塊，在沿印度板塊與歐亞板塊會(huì)聚的方向上承受著強(qiáng)烈的擠壓縮短，典型的壓縮應(yīng)變率為（30～60）nanostrain／a，局部量值高達(dá)（80～90）nanostrain／a。其中，喜馬拉雅地塊西部擠壓應(yīng)變比東部更強(qiáng)烈。同時(shí)，在大致垂直于板塊會(huì)聚的方向上，喜馬拉雅地塊還承受著輕微的橫向拉張。

②拉薩地塊沿印度板塊與歐亞板塊會(huì)聚的方向上，擠壓縮短的典型應(yīng)變率明顯地減小為（20～30）nanostrain／a。但是，在該地塊的中部，橫向拉伸應(yīng)變率變得非常明顯，典型量值為（20～30）nanostrain／a，局部高達(dá)（40～60）nanostrain／a。這種明顯拉張應(yīng)變與該地區(qū)廣泛發(fā)育的南北向正斷層相一致。

③羌塘地塊的中西部典型的應(yīng)變是近南北向的擠壓和東西向的拉伸，量值在（15～25）nanostrain／a。而在青藏高原的東部，應(yīng)變場(chǎng)表現(xiàn)出明顯的近南北向拉伸，典型量值為（20～30）nanostrain／a。

④祁連地塊東邊的四川盆地及其以北區(qū)域，并無(wú)顯著的應(yīng)變，典型量值在10 nanostrain／a以下。整個(gè)祁連地塊和柴達(dá)木地塊的應(yīng)變狀況比較均勻，主要表現(xiàn)為NE－SW向擠壓和NWSE向拉伸，擠壓應(yīng)變的典型量值為（15～25）nanostrain／a，拉張應(yīng)變的典型量值為（10～15）nanostrain／a。

⑤青藏高原東南角的川滇地區(qū)，應(yīng)變強(qiáng)烈且方向變化較復(fù)雜，不過，大致東西向的擴(kuò)散拉張和南北向的擠出式壓縮特征非常清晰。

⑥天山地區(qū)主要以天山南北向擠壓縮短變形為主，擠壓縮短呈現(xiàn)非均勻分布特征。擠壓的最大量值為30 nanostrain／a；

⑦貝加爾地區(qū)整體上處于NW－SE向的拉張狀態(tài)，拉張的最大量值為40 nanostrain／a，在東部地區(qū)存在少量NNW向和NNE向的壓縮狀態(tài)，壓縮的最大量值為10 nanostrain／a，面膨脹應(yīng)變的結(jié)果表明，貝加爾地區(qū)整體上呈膨脹狀態(tài)。

（5）中亞大三角地震構(gòu)造域地殼形變塊體的劃分和平均應(yīng)變狀況的研究。中亞大三角地震構(gòu)造域內(nèi)主要有青藏高原－喜瑪拉雅擠壓區(qū)、天山擠壓造山帶、貝加爾拉張區(qū)以及川滇剪切區(qū)。本文在前人關(guān)于活動(dòng)地塊劃分的基礎(chǔ)上，以地殼形變特征為依據(jù)，劃分出5類地殼形變塊體，包括準(zhǔn)剛性塊體、純拉張變形塊體、純擠壓變形塊體、拉張為主變形塊體、擠壓為主變形塊體等。在中亞大三角地震構(gòu)造域所劃分出的具體形變塊體包括：東塔里木塊體、西塔里木塊體、阿拉善塊體、薩彥塊體、阿穆爾塊體、準(zhǔn)噶爾塊體、天山塊體、祁連塊體、巴顏喀拉塊體、羌塘塊體、拉薩塊體、滇南塊體、川滇塊體。其中鄂爾多斯塊體、塔里木塊體、阿拉善塊體為剛性塊體。

（6）綜合采用半無(wú)限彈性空間的斷裂位錯(cuò)模型、準(zhǔn)剛性塊體歐拉旋轉(zhuǎn)模型和彈性塊體應(yīng)變與旋轉(zhuǎn)模型，對(duì)中亞大三角地震構(gòu)造域的現(xiàn)今地殼形變GPS速度場(chǎng)進(jìn)行了擬合、解釋。綜合與簡(jiǎn)化中亞大三角地震構(gòu)造域內(nèi)主要活動(dòng)斷裂帶，建立每一條斷裂在半無(wú)限空間的三維幾何模型，并賦予必要的運(yùn)動(dòng)方式先驗(yàn)信息。以中亞大三角地震構(gòu)造域的1 233個(gè)GPS速度矢量為約束，通過在合理的范圍內(nèi)約束和調(diào)整各斷層段運(yùn)動(dòng)速率的先驗(yàn)值，用半無(wú)限彈性空間的深斷裂位錯(cuò)模型最佳擬合了GPS速度場(chǎng)，并反演獲得了所有斷裂段的運(yùn)動(dòng)速率。同時(shí)對(duì)于無(wú)法利用該模型解釋的GPS速度場(chǎng)殘差，進(jìn)一步采用準(zhǔn)剛性塊體旋轉(zhuǎn)模型以及彈性塊體應(yīng)變與旋轉(zhuǎn)模型進(jìn)行了擬合、解釋。亦即，嘗試采用非連續(xù)形變模型和連續(xù)形變模型相結(jié)合的方法，初步解釋了中亞大三角地震構(gòu)造域的地殼運(yùn)動(dòng)與形變特征。

（7）分析、研究了中亞大三角地震構(gòu)造域地震活動(dòng)性與地殼形變關(guān)系，包括地震空間分布與地震矩累積率場(chǎng)、面膨脹率場(chǎng)和最大剪切應(yīng)變場(chǎng)的高值對(duì)應(yīng)關(guān)系，并首次對(duì)比了地震矩累積率與地震能量釋放量之間的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明：在中亞大三角地震構(gòu)造域內(nèi)，雖然應(yīng)變率場(chǎng)、面膨脹率以及剪切應(yīng)變率場(chǎng)與研究區(qū)域內(nèi)的地震存在一定的空間相關(guān)性，但關(guān)系復(fù)雜。而采用地震能量釋放量與地震矩累積率的空間對(duì)比發(fā)現(xiàn)，盡管兩者有著一定的相關(guān)性，但并不明顯，最可能的原因是我們的地震能量釋放計(jì)算，僅采用了100年的地震資料，與板內(nèi)地震的平均復(fù)發(fā)周期相比，這樣短時(shí)間段內(nèi)統(tǒng)計(jì)、計(jì)算的地震能量釋放分布，完全不能代表一個(gè)地震周期內(nèi)的能量釋放分布。

中亞大三角地震構(gòu)造域；GPS數(shù)據(jù)處理；準(zhǔn)剛性塊體；地殼形變；地震活動(dòng)性

P315；

A；

10.3969／j.issn.0235－4975.2012.08.007

（作者電子信箱，肖根如：xgr541＠21cn.com）