中國大陸應(yīng)變應(yīng)力場研究

郭良遷，周海濤，杜雪松，塔拉

（中國地震局第一監(jiān)測中心，天津 300180）

中國大陸應(yīng)變應(yīng)力場研究

郭良遷，周海濤，杜雪松，塔拉

（中國地震局第一監(jiān)測中心，天津 300180）

根據(jù)1999～2009年網(wǎng)絡(luò)工程GPS觀測資料計(jì)算得到的應(yīng)變率參數(shù)，研究了中國大陸地殼的應(yīng)變應(yīng)力場及其地殼現(xiàn)今的水平活動(dòng)特征。結(jié)果表明，中國大陸地殼西部青藏亞板塊的壓應(yīng)力主方向圍繞藏南和阿薩姆構(gòu)造結(jié)向北、東、南依次輻射撒開。新疆亞板塊自西向東由近SN向變?yōu)镹E向。中國大陸東部地殼的壓應(yīng)力主方向自北向南由NEE變?yōu)榻麰W向，再變?yōu)镾EE向。中國大陸主壓應(yīng)力作用強(qiáng)度西部顯著大于東部。中國大陸地殼西部強(qiáng)于東部，南部強(qiáng)于北部，現(xiàn)今西部地殼以擠壓、走滑為主，東部地殼既有擠壓、走滑，也有拉張。

應(yīng)變應(yīng)力場；主應(yīng)變率；最大剪應(yīng)變率；地殼活動(dòng)性

0 引言

研究表明地殼中上部應(yīng)力場以水平應(yīng)力作用為主導(dǎo)[1～3]。全球定位系統(tǒng)引入地形變觀測，為研究地殼的水平應(yīng)變應(yīng)力場變化，提供了有利條件。根據(jù)2007年及其以前的GPS觀測資料計(jì)算研究中國大陸應(yīng)變場，已經(jīng)做過這方面的工作，給出了中國大陸地殼的應(yīng)變應(yīng)力狀態(tài)[4～8]。本文增加了2009年新觀測資料，計(jì)算1999～2009年最近10年來的地殼應(yīng)變率，研究中國大陸的應(yīng)變應(yīng)力特征，分析地殼在現(xiàn)今應(yīng)力場作用下的活動(dòng)特征和地殼的現(xiàn)今水平應(yīng)變應(yīng)力場對工程建設(shè)和地震預(yù)測等有重要的意義。

計(jì)算時(shí)將GPS站點(diǎn)速度進(jìn)行插值，使其均勻分布。然后把每個(gè)點(diǎn)與相鄰近的點(diǎn)組成一組 （每組點(diǎn)范圍：2°×2°，每組步長為1°），計(jì)算應(yīng)變率參數(shù)。這樣解算得到的中國大陸應(yīng)變率是一種連續(xù)的應(yīng)變場 （與以塊體為單位的應(yīng)變率相區(qū)別）。在此基礎(chǔ)上，對應(yīng)變應(yīng)力場進(jìn)行研究。

1 主壓應(yīng)變軸

在均質(zhì)橢球體的應(yīng)變應(yīng)力分析中，最大主應(yīng)變軸 （一般為張性）和最大主應(yīng)力軸 （T軸）對應(yīng)一致，最小主應(yīng)變軸 （一般為壓性）和最小主應(yīng)力軸 （P軸）對應(yīng)一致。它們在橢球體中的位置、方向分別對應(yīng)一致[9、10]。應(yīng)變和應(yīng)力大小分別成正比。從GPS站點(diǎn)速度獲得地殼的應(yīng)變應(yīng)力信息是較為方便的方法。每點(diǎn)的主應(yīng)變軸代表了局部主應(yīng)力作用的方向，應(yīng)變率大小代表了應(yīng)力作用的強(qiáng)弱。

圖1～圖6是由網(wǎng)絡(luò)工程自1999年運(yùn)行以來到2009年的多期復(fù)測資料計(jì)算的應(yīng)變率結(jié)果，它代表了1999～2009年中國大陸10年來的應(yīng)變狀態(tài)。

圖1表示中國大陸地殼最小主應(yīng)變軸的方向，圖2是分地塊以每10°為單位對最小主應(yīng)變軸方向的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，二者結(jié)合，給出中國大陸地殼的壓應(yīng)力作用主方向的變化。在青藏亞板塊的西部95°E以西地區(qū)，主壓應(yīng)力軸呈NNE～SSW向，集中分布區(qū)間是NE10°～20°，數(shù)量占53%，優(yōu)勢方向?yàn)镹E20°，壓應(yīng)力主方向比較集中統(tǒng)一。在95°E以東到龍門山構(gòu)造帶，南起阿薩姆構(gòu)造結(jié)-康定一線，北到祁連山-六盤山的廣大地區(qū)壓應(yīng)力主方向?yàn)镹E-SW向，集中于NE50°～60°區(qū)間，數(shù)量占39%，優(yōu)勢方向?yàn)镹E50°。該區(qū)壓應(yīng)力主方向也相對集中。

在阿薩姆構(gòu)造結(jié)-康定一線以南的川滇地區(qū)壓應(yīng)力作用優(yōu)勢方向有3個(gè)：NW300°、NW340°和SN向。三個(gè)方向數(shù)量共占45%。對照圖1，SN方向的壓應(yīng)力軸主要分布在滇西南地區(qū)，NW340°方向的主壓應(yīng)力軸分布在川滇交界地區(qū)，NW300°的主壓應(yīng)力軸分布在川南地區(qū)。壓應(yīng)力軸的多個(gè)優(yōu)勢方向出現(xiàn)于不同的區(qū)域。

上述表明，青藏亞板塊由西到東、到東南部，壓應(yīng)力主方向?yàn)?NNE→NE→EW→SE→SN向，逐步偏轉(zhuǎn)，圍繞藏南和阿薩姆構(gòu)造結(jié)向北、東、南輻射撒開 （圖1）。

新疆亞板塊的塔里木、天山和準(zhǔn)噶爾地區(qū)的壓應(yīng)力主方向總體為NNE-SSW向，集中區(qū)間為NE0°～50°，數(shù)量占65%，優(yōu)勢方向?yàn)镹E20°。壓應(yīng)力主方向區(qū)間相對寬泛，局部變化明顯。在西昆侖、西天山主壓應(yīng)力軸為近SN向，塔里木、東天山和準(zhǔn)噶爾東部為NNENE向。

圖1 主壓應(yīng)變軸 （P）Fig.1 The primary compressive strain axis(P)

阿拉善地區(qū)的主壓應(yīng)變軸方向?yàn)镹NE-SSW向，優(yōu)勢方向?yàn)镹E30°和NE40°，數(shù)量分別占26%。

上述表明，新疆亞板塊的主壓應(yīng)力軸也是由西向東偏轉(zhuǎn)。從0°變到50°。

華南亞板塊的壓應(yīng)力主方向?yàn)镹WW-SEE向，主要集中于NE80°～120°區(qū)間，數(shù)量占50%。優(yōu)勢方向有兩個(gè)：NE80°和SE110°。NWW-SEE向的主壓應(yīng)變軸分布在華南亞板塊的西部、北部和中南部，中部和南部的主壓應(yīng)變軸為近SN向，而NEE向的零散分布于它們之間。華南亞板塊的主壓應(yīng)變軸方向變化較大，統(tǒng)一性相對較差。

華北亞板塊的主壓應(yīng)變軸集中于NE80°～100°區(qū)間，其數(shù)量占40%，優(yōu)勢方向?yàn)镹E90°。該亞板塊上還有一個(gè)次優(yōu)勢方向，為NE50°。近EW向的主壓應(yīng)變軸主要分布于太行塊體西部、冀魯塊體、膠東塊體、豫晥塊體和蘇北塊體南部，NE向主壓應(yīng)變軸分布于鄂爾多斯塊體、太行塊體東部和蘇北塊體北部。

圖2 水平主壓應(yīng)變方向統(tǒng)計(jì)圖Fig.2 The statistical chart of principal direction of the horizontal compressive strain

東北亞板塊的主壓應(yīng)變軸集中于 NE50°～SE120°，出現(xiàn)兩個(gè)優(yōu)勢方向：NE70°和SE100°。統(tǒng)計(jì)圖上分為兩群，其中NEE向主壓應(yīng)變軸分布在松遼盆地東部和依蘭-伊通斷裂帶以東地塊；NWW向主壓應(yīng)變軸分布在小興安嶺、大興安嶺和陰山地區(qū)。

中國大陸東部華南、華北和東北亞板塊的主壓應(yīng)變軸方向的統(tǒng)一性相對較差，每個(gè)亞板塊都出現(xiàn)兩個(gè)及以上的優(yōu)勢方向，或者主壓應(yīng)變軸方向的分布區(qū)間相對較寬，反映了壓應(yīng)力主方向不同地區(qū)變化較大。

2 最小主應(yīng)變率

最小主應(yīng)變率是在主壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生的變化，其大小和主壓應(yīng)力的大小成比例。圖3是忽略每個(gè)點(diǎn)的主壓應(yīng)變軸方向，只用主壓應(yīng)變率值繪制的等值線圖。它表現(xiàn)了不同地區(qū)主壓應(yīng)變率的大小。

由圖3可見，大致以南北地震構(gòu)造帶為界，中國大陸西部地區(qū)主壓應(yīng)變率明顯大于東部地區(qū)。西部青藏亞板塊的主應(yīng)變率最大，普遍在-15×10-9/a以下 （圖3），最大量值達(dá)到-60×10-9/a。較大的主壓應(yīng)變率值分布在巴顏喀拉塊體東段和川滇塊體北部。新疆亞板塊的主壓應(yīng)變率在西昆侖和西天山地段較大，最大量值為-30×10-9/a。塔里木地塊和準(zhǔn)噶爾地塊主壓應(yīng)變率較小，塔里木地塊上的主壓應(yīng)變率局部為0×10-9/a。總體上，中國大陸西部的主壓應(yīng)變率較大的量值呈帶狀，一是沿天山分布，二是沿巴顏喀拉山和龍門山分布。

中國大陸東部的主壓應(yīng)變率相對較小，一般在-10×10-9/a以內(nèi)。其中華南亞板塊的西邊部相對大些，為-25×10-9/a，其余部分多為-5×10-9/a。華北亞板塊的主壓應(yīng)變率在0～-5×10-9/a。東北亞板塊的北部略大，局部為-10×10-9/a，中南部在-5×10-9/a以內(nèi)。

圖3 最小主應(yīng)變率Fig.3 Minimum principal strain rate

中國大陸主壓應(yīng)變率在西部由北向南增大，從47°N的0.5×10-9/a到27°N增加為-25×10-9/a（圖4 d）。在南北地震構(gòu)造帶上中段汶川震區(qū)的主壓應(yīng)變率最大，在-45×10-9/a以下（圖4 e，f）。中國大陸東部地區(qū)在華北亞板塊與華南亞板塊交界處相對變化較大，為-14×10-9/a（圖4 h）。而在120°E （圖4 g）總體趨勢表現(xiàn)為從南向北增大，由0×10-9/a增加到-3×10-9/a。

中國大陸中部南北地震構(gòu)造帶的壓應(yīng)變率較東西兩側(cè)地區(qū)顯著增大，尤其是中南段更為突出 （圖 4 a， b， c）。

綜上所述，中國大陸的西部主壓應(yīng)變率較大，平均值為-13.53×10-9/a，東部較小，平均值為-3.89×10-9/a，相差3.5倍。西部主壓應(yīng)變率等值線較密集，東部較稀疏。它們反映出主壓應(yīng)力西部大，東部小，西部應(yīng)力場變化劇烈，東部較為平緩。中國大陸南北地震構(gòu)造帶的東邊界是主壓應(yīng)變率的分界線。

圖4 東西方向和南北方向主壓應(yīng)變率剖面線圖Fig.4 The profile chart of principal compressive strain rate at east-west direction and north-south direction

3 最大主應(yīng)變率

最大主應(yīng)變率即主張應(yīng)變率，同樣忽略主張應(yīng)變方向，僅用每個(gè)點(diǎn)的主張應(yīng)變率值繪制成等值線圖 （圖5）。

中國大陸五個(gè)亞板塊中，青藏亞板塊的主張應(yīng)變率最大，一般在15×10-9/a以上，最大值為45×10-9/a，位于青藏亞板塊中北部可可西里-巴顏喀拉塊體的中段。其次是華南亞板塊西邊部，在10×10-9/a以上。它們的主張應(yīng)變率等值線也較密集。華北亞板塊的主張應(yīng)變率最小，大部分地區(qū)在5×10-9/a以下。

華南亞板塊中東部、新疆亞板塊和東北亞板塊的主張應(yīng)變率普遍在0～10×10-9/a之間，等值線也較稀疏。

主張應(yīng)變率表明：青藏亞板塊的主張應(yīng)力作用較強(qiáng)，其它亞板塊相對較弱。

4 最大剪應(yīng)變率

圖5 最大主應(yīng)變率Fig.5 Maximum principal strain rate

圖6 最大剪應(yīng)變率等直線圖Fig.6 Contour map of maximum shear strain rate

中國大陸地殼最大剪應(yīng)變率顯示 （圖6），與主壓應(yīng)變率相似，同樣是西部顯著大于東部，西部最大剪應(yīng)變率值平均為26.82×10-9/a，東部為9.93×10-9/a。西部的青藏亞板塊上平均為35.29×10-9/a，差異變化量達(dá)70.43×10-9/a，新疆亞板塊上為13.93×10-9/a，差異變化量為36.67×10-9/a。東部的華南亞板塊上為12.17×10-9/a，差異變化量為31.94×10-9/a，華北亞板塊上為10.14×10-9/a，差異變化量為16.19×10-9/a，東北亞板塊上為7.87×10-9/a，差異變化量為20.25×10-9/a。最大剪應(yīng)變率出現(xiàn)在青藏亞板塊中部的可可西里-巴顏喀拉塊體東南部，為90×10-9/a。可可西里-巴顏喀拉塊體中東段的是也是剪應(yīng)變率相對最大的地段，在50×10-9/a以上。青藏亞板塊的其它部分在20×10-9/a以上。新疆亞板塊上最大剪應(yīng)變率相對較大的地區(qū)在西天山，量值20～30×10-9/a，其它地段在0～20×10-9/a之間。華南亞板塊上西部的最大剪應(yīng)變率值相對較大，在20×10-9/a以上，其它地段多在10×10-9/a以下。華北亞板塊的最大剪應(yīng)變率普遍在10×10-9/a以下。東北亞板塊大部分地區(qū)的站點(diǎn)剪應(yīng)變率在10×10-9/a以下，局部相對較大，達(dá)到20×10-9/a。

上述表明，中國大陸地殼的最大剪應(yīng)變率青藏亞板塊最大，東北亞板塊最小，差異變化量也是青藏亞板塊最大，而差異變化量最小的是華北亞板塊，總體是西部大，東部小。它反映出中國大陸地殼西部活動(dòng)強(qiáng)烈，東部活動(dòng)較弱。

5 地殼活動(dòng)性

相互垂直的兩個(gè)水平主應(yīng)力作用于一點(diǎn)，當(dāng)它們的絕對值大小相等，一個(gè)為拉張應(yīng)力，另一個(gè)為擠壓應(yīng)力時(shí)，地殼活動(dòng)則主要表現(xiàn)為與兩個(gè)主應(yīng)力軸斜交方向上的剪切走滑活動(dòng)。當(dāng)兩個(gè)水平主應(yīng)力大小差異顯著時(shí)，若壓應(yīng)力較大，張應(yīng)力較小或者為0，地殼活動(dòng)則表現(xiàn)為與主壓應(yīng)力軸垂直方向上的逆斷、逆沖、逆掩、褶皺等變形；若張應(yīng)力較大，壓應(yīng)力較小或者為0，地殼活動(dòng)則表現(xiàn)為與主張應(yīng)力軸垂直方向上的伸展裂陷和正斷活動(dòng)。根據(jù)兩個(gè)水平主應(yīng)力相對應(yīng)的主應(yīng)變大小，可以判定地殼的現(xiàn)今活動(dòng)性質(zhì)，將地殼活動(dòng)劃分為剪切、拉張、擠壓等不同性質(zhì)的區(qū)域。按照上述思路，基于應(yīng)變率參數(shù)計(jì)算結(jié)果，可以將地殼現(xiàn)今活動(dòng)分為不同的性質(zhì)的地區(qū) （圖7）。

由圖7可見，中國大陸西部大部分地區(qū)為剪切活動(dòng)區(qū)域，尤其是青藏亞板塊上更為突出。其次是壓性活動(dòng)區(qū)，主要集中于天山地帶和南北地震構(gòu)造帶中段的龍門山-西秦嶺地帶。張性活動(dòng)區(qū)所占面積較小，僅限于局部地段。中國大陸東部地區(qū)，華南亞板塊和華北亞板塊張性活動(dòng)區(qū)占主導(dǎo)地位，其次是剪切活動(dòng)區(qū)穿插于張性活動(dòng)區(qū)之間，局部鑲嵌有壓性活動(dòng)區(qū)。東北亞板塊則壓性活動(dòng)區(qū)、剪切活動(dòng)區(qū)和張性活動(dòng)區(qū)相互鑲嵌，呈條塊分布。

6 結(jié)論

中國大陸地殼主壓應(yīng)變場表明壓應(yīng)力主方向在青藏亞板塊上自西向東，至東南部，壓應(yīng)力主方向由NNE逐漸變?yōu)镹E→EW→SE→SN向，圍繞藏南和阿薩姆構(gòu)造節(jié)向北、東、南輻射撒開。新疆亞板塊自西向東由近SN向逐漸變?yōu)镹E向。中國大陸西部壓應(yīng)力主方向的變化與印度板塊向北碰撞俯沖有關(guān)，與印度板塊和歐亞板塊從阿薩姆構(gòu)造結(jié)到帕米爾伊斯蘭堡構(gòu)造結(jié)的邊界條件有關(guān)。中國大陸地殼東部東北、華北和華南三個(gè)亞板塊的壓應(yīng)力主方向分別為NEE-SWW、EW、NWW-SEE向，從北部到南部由NEE向變?yōu)镾EE向。說明該區(qū)應(yīng)力場既受西部印度板塊與歐亞板塊的碰撞作用力影響，又受東部北美板塊、太平洋板塊和菲律賓板塊作用的影響，是東西兩側(cè)塊體共同作用產(chǎn)生的。

圖7 中國大陸活動(dòng)性質(zhì)分區(qū)Fig.7 The partition of activity characteristics in mainland China

中國大陸西部的主壓應(yīng)變率總體上由北向南增大 （圖4d），而東部則由南向北增大 （圖4g）。中部南北地震構(gòu)造帶上中段汶川震區(qū)相對較大 （圖4f）。中國大陸東部的中西區(qū)地帶在華南亞板塊與華北亞板塊交界區(qū)域也相對較大，這可能與汶川地震影響有關(guān)。

中國大陸西部主壓應(yīng)變率南部大北部小，和印度板塊與歐亞板塊的碰撞俯沖有直接關(guān)系，南部處于兩個(gè)板塊碰撞的前部，受到強(qiáng)大的壓力作用。中國大陸總體主壓應(yīng)變率西部顯著大于東部，同樣也與板塊的作用有關(guān)，西部靠近板塊邊界帶，東部遠(yuǎn)離板塊邊界帶，受到的作用力影響較小。

中國大陸的主壓應(yīng)變率大于主張應(yīng)變率，西部比東部顯著。

中國大陸地殼的最大剪應(yīng)變率西部大，東部小，南部大，北部小，說明中國大陸活動(dòng)性西部強(qiáng)，東部弱，南部相對較強(qiáng)，北部相對較弱。這與現(xiàn)今地震活動(dòng)強(qiáng)度基本一致。

中國大陸地殼在現(xiàn)今應(yīng)變應(yīng)力場作用下，西部地殼以逆斷逆沖、走滑變形為主，東部華南華北以正斷、伸展和走滑活動(dòng)為主，東北逆斷、正斷和走滑活動(dòng)兼有。

本文的應(yīng)變率為地殼連續(xù)應(yīng)變場，由計(jì)算時(shí)的取點(diǎn)范圍決定每個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變率代表2°×2°局部范圍的變化。它與以塊體為單元計(jì)算得到的塊體應(yīng)變率不同。

使用GPS站點(diǎn)工程資料計(jì)算得到的地殼水平主應(yīng)變率與水平主應(yīng)力相對應(yīng)，它基本上代表了主應(yīng)力的作用方向。以華北亞板塊為例：由地震震源機(jī)制解得到的主壓應(yīng)力軸 （P）方向集中于NE70°～80°（圖8）， 由GPS水平應(yīng)變率得到的主壓應(yīng)變軸集中于 NE80°～90°,而震源機(jī)制解的P軸方向平均為NE79.7°，主壓應(yīng)變軸的方向平均為NE78.0°?？傮w上二者基本一致。主壓應(yīng)變軸分布均勻，地震分布不均勻，震源機(jī)制解P軸只在有地震的地方才能獲得，這可能是導(dǎo)致二者存在微小差異的原因。

圖8 震源機(jī)制解P軸方向和仰角統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.8 The statistical results of P-axis direction and elevation angle from focal mechanism solutions

震源機(jī)制解P軸的仰角以5°為單位劃分統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示0°～5°的占優(yōu)勢，小于15°的占58.4% （圖8）。也說明水平主應(yīng)力起主導(dǎo)作用。用GPS觀測數(shù)據(jù)求解的水平主應(yīng)變軸與水平主應(yīng)力軸是一致的，可信的。因此GPS地形變觀測為獲得地應(yīng)力場提供了相對便捷的方法。

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Studies on Stress-strain Field of Chinese Mainland

GUO Liangqian,ZHOU Haitao,DU Xuesong,TA La

(First Crust Monitoring and Application Center,China Earthquake Administration,Tianjin 300180,China)

Base on the strain rate calculated by the network project GPS data obtained during 1999-2009,the characteristics of crustal stress filed,strain field and the horizontal activity of the crust were studied in Chinese mainland.The results show that the primary direction of compressive stress of Qinghai-Tibet(Western part of the continental crust of China)inferior plate tended to radial lines along the southern Tibet and the Assam tectonic node.The primary direction of Xinjiang inferior plate varies from SN to NE from West to East.The primary direction of crustal compressive stress of easten China varies from NEE to almost EW,and then varies to SEE from North to South.Obviously,the strength of main compressive stress in western China is stronger than in eastern China.The crustal activity of western China was stronger than that of eastern China,while the activity of southern China is stronger than that of northern China.The crustal activity of western China is mostly strike slip and compressive movement,while the crustal activity shows not only strike slip and compressive movement,but also extended movement in eastern China.

Strain field;stress field;Primary strain rates;Maximum shear strain rate;The crustal activity

P315.727

A

1001-8662（2012）01-0001-10

2011-06-06

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)研究 （08JCZDJC18900）項(xiàng)目資助

郭良遷，男，1950年生，研究員，主要從事地形變、地震地質(zhì)和地震預(yù)測研究.E-mail：guoliangqian@163.com