基于統(tǒng)計檢驗法研究Amurian板塊相對獨立性

郭東美，許厚澤

1中國科學(xué)院測量與地球物理研究所，武漢 430077

2大地測量與地球動力學(xué)國家重點實驗室，武漢 430077

1 引 言

活動構(gòu)造塊體分區(qū)是地殼構(gòu)造運動及地震活動性研究的重要基礎(chǔ)，受到廣泛的關(guān)注［1］.自20世紀(jì)60年代板塊構(gòu)造理論提出以來，許多研究者致力于板塊、尤其是板內(nèi)塊體及構(gòu)造亞板塊的劃分，而東北亞地區(qū)一直是大家普遍關(guān)注的熱點地區(qū)之一［2］.

根據(jù)地震活動性及地表構(gòu)造特征，Zonenshain和Savostin［3］提出在歐亞板塊內(nèi)部的東北亞地區(qū)存在一個活躍的構(gòu)造塊體—Amurian板塊，其西部和北部邊界分別為貝加爾裂谷和斯坦諾夫山地，向東沿日本島以西一系列的正斷層南下，在日本本州中部與沖繩海槽相連，而后向西經(jīng)朝鮮半島南端由渤海進入中國，經(jīng)山西地塹北部、鄂爾多斯北端向西北與貝加爾裂谷相接，形成一個覆蓋中國東北及華北部分地區(qū)、朝鮮半島、日本西南部、俄羅斯東南部及蒙古西部的巨大構(gòu)造單元［4］（圖1）.Amurian板塊的提出受到地學(xué)界的廣泛重視.它到底是歐亞大陸的一部分，還是獨立于歐亞大陸之外的一個獨立次級構(gòu)造塊體？這個問題一直是東亞，乃至歐亞大陸構(gòu)造動力學(xué)研究的核心問題之一［5－8］.許多學(xué)者［9－12］從地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)的角度研究了Amurian板塊存在的可能性.但是，復(fù)雜的構(gòu)造特征和稀少且彌散的地震活動性分布使Amurian板塊的問題充滿了爭議.

圖1 相對歐亞速度場、Amurian邊界、板塊分區(qū)Fig.1 Velocity relative to EURA、the boundary of Amurian、subarea

大地測量學(xué)為構(gòu)造塊體分區(qū)提供了一類獨立的觀測和研究手段.一個直觀設(shè)想是，如果足夠精細地確定了地殼塊體的運動狀態(tài)，并從中甄別出一個區(qū)域，其運動狀態(tài)與周邊區(qū)域存在明顯差異，而其內(nèi)部幾乎不存在相對運動，根據(jù)大陸內(nèi)部地殼運動的分塊特征，那么就可以基本斷定這是一個獨立的構(gòu)造塊體，并依據(jù)運動的差異性圈定這個塊體與周邊塊體的邊界.而現(xiàn)代空間大地測量技術(shù)的發(fā)展使這一設(shè)想的實現(xiàn)成為可能.

隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）觀測技術(shù)的不斷進步，GPS觀測結(jié)果提供高精度、大范圍和準(zhǔn)實時的地殼運動定量數(shù)據(jù)，使得在短時間內(nèi)獲取大范圍地殼運動速度場成為可能.因此，本文從地殼運動學(xué)的角度，用統(tǒng)計檢驗方法對該問題進行深入的研究［13］.

Miyazaki等［5］利用日本和韓國的GPS觀測結(jié)果及貝加爾裂谷和斯坦諾夫山地的地震滑移矢量證實了Amurian板塊的存在，他們的結(jié)果表明Amurian板塊與歐亞板塊間存在幾個毫米的運動.Takahashi等［7］的新的GPS解算結(jié)果支持了Miyazaki得到的Amurian板塊和歐亞板塊間的相互運動，比魏東平等［14］的結(jié)果大5倍.

關(guān)于Amurian板塊運動最新的GPS觀測結(jié)果來自Heki等［8］的研究.1999年，Heki等利用日本、中國和韓國等國家15個IGS站1年以上的GPS連續(xù)觀測資料研究了Amurian板塊的運動學(xué)問題.他們的結(jié)果顯示，所設(shè)想的Amurian板塊相對穩(wěn)定的歐亞大陸參考架存在約9～10mm/a的相對運動，而板塊內(nèi)部各點的相對運動不超過1mm/a.因此，他們認為，大地測量資料證實了Amurian板塊的存在，并且他們樂觀地表示，Amurian板塊的存在及其運動參數(shù)的確定為研究日本西南部的地震活動性鋪平了道路.但是，Heki等也意識到，一些地區(qū)資料的缺乏在一定程度影響了其結(jié)果的確定性.

本文基于統(tǒng)計假設(shè)檢驗方法，利用大地測量的數(shù)據(jù)對Amurian板塊是否存在、其覆蓋范圍以及其爭議性的南部邊界的精確位置進行研究，以期為目前正處在熱點之中的東北亞地殼運動研究起到一定作用.

2 東北亞地區(qū)地殼運動速度場

中日韓國際合作項目處理收集了包括中國、日本、韓國、俄羅斯、蒙古等國的東北亞地區(qū)77個GPS臺站2000年至2005年6年的觀測資料，采用GAMIT/GLOBK軟件進行統(tǒng)一處理，得到該區(qū)77個GPS站點的位移速度值.作為補充，我們還收集了研究區(qū)鄰區(qū)已發(fā)表的速度場結(jié)果［15－18］，采用速度場融合方法［18－19］，將測站坐標(biāo)和位移速率與ITRF2000框架差異最小化作為約束條件，通過估計平移、旋轉(zhuǎn)和尺度比七參數(shù)轉(zhuǎn)換，把速度場歸算到ITRF2000參考框架，得到統(tǒng)一、自洽的速度場.

為了獲得相對歐亞大陸的速度場，我們首先需要選取穩(wěn)定的觀測站定義歐亞板塊的參考框架.通常，選取穩(wěn)定 觀 測 站 的 原 則［1－11，20－25］有 兩 個，首 先 根據(jù)先驗的信息選取位于構(gòu)造活動性弱、地殼變形小的地區(qū)觀測連續(xù)的測站；然后根據(jù)后驗的擬合殘差排除那些殘差大的測站.本文采用加權(quán)最小二乘方法計算歐亞板塊相對ITRF2000的歐拉矢量，以降低誤差較大的測站位移速率對計算精度的影響，同時采用迭代的方法排除那些擬合殘差大的測站，直到所有測站的后驗殘差都在1mm/a之內(nèi)［9］.由于采用不同的測站，定義的參考框架也不盡相同，本文采用多組測站定義相對歐亞大陸的參考框架（表1）.鑒于測站遠離變形區(qū)及后驗殘差較小這兩條原則，最終我們采用全球框架方案①15個測站（圖2）的運動速度場，計算得到歐亞板塊相對ITRF2000框架運動的歐拉極位于－105.1255°E、54.1435°N，歐拉旋轉(zhuǎn)量為0.2483°/Ma（逆時針方向）.利用此歐拉矢量將ITRF2000下的速度場轉(zhuǎn)到歐亞板塊參考架下（圖1），并基于此進行東北亞地區(qū)地殼運動學(xué)和構(gòu)造塊體分區(qū)的統(tǒng)計檢驗分析.

圖2 定義框架所用測站示意圖（五角星號為歐拉極的位置）Fig.2 The stations used for defining the reference frame（asterisk is Euler polar）

3 構(gòu)造塊體獨立性的統(tǒng)計檢驗

3.1 檢驗方案

根據(jù)如下的思路進行構(gòu)造快體分區(qū)的統(tǒng)計檢驗.

表1 采用多組測站定義歐亞大陸參考框架Table 1 The stations used for defining the reference frame of Eurasia

首先，選取沒有爭議的屬于Amurian板塊內(nèi)部站點，檢驗其與歐亞大陸的相對運動，以澄清Amurian板塊是否是獨立于歐亞大陸之外的獨立的構(gòu)造塊體.

一般認為，貝加爾裂谷以東的蒙古東部以及中國大陸東北地區(qū)屬于Amurian板塊，這一點在各種塊體劃分模型［3－4］中幾乎不存在爭議，因此，我們暫且認為蒙古東部以及中國大陸東北地區(qū)是Amurian板塊的核心部分，這構(gòu)成了本文統(tǒng)計檢驗的出發(fā)點.我們選取蒙古東部以及中國大陸東北地區(qū)GPS站點確定Amurian板塊的歐拉運動矢量，并檢驗其與歐亞大陸的差異運動.

其次，我們檢驗Amurian板塊核心部分與周邊塊體的相對運動和塊體間的相對獨立性，以確定Amurian板塊的覆蓋范圍.如果某一塊體與Amurian板塊核心部分無明顯差異運動，我們就可認為它是Amurian的一部分.反之，則為獨立于Amurian板塊之外獨立塊體.事實上，這也是確定Amurian板塊的大致邊界.依據(jù)地質(zhì)學(xué)研究結(jié)果，將周邊塊體劃分為蒙古西部、韓國、中國華北、中國華南、日本西南部等五個塊體［26－28］（圖1）.

最后，由于Amurian板塊一個主要的爭議來自其南部邊界的確定，所以，本文嘗試用統(tǒng)計方法較精細地確定Amurian板塊的南部邊界.

由于部分塊體（如華北）上站點較多，先對塊體內(nèi)的點進行篩選，盡量考慮地理分布均勻、觀測質(zhì)量高、速度誤差小的站點.最終，選取59個站點速度用于本文的統(tǒng)計檢驗分析（表2）.

表2 統(tǒng)計檢驗所用到的點Table 2 The stations used for statistic test

3.2 統(tǒng)計檢驗數(shù)學(xué)模型

統(tǒng)計檢驗，又稱假設(shè)檢驗或顯著性檢驗，是數(shù)理統(tǒng)計學(xué)中推斷統(tǒng)計的重要內(nèi)容，也是地殼運動學(xué)和構(gòu)造塊體分區(qū)研究經(jīng)常使用的工具和手段［29－31］.本文所研究板塊相對運動問題是以速度殘差（residual）為基礎(chǔ).即

F檢驗數(shù)學(xué)模型為

采用95%的置信區(qū)間，查分布表得到臨界值，若其計算值大于臨界值，認為兩板塊之間存在顯著的相對運動；否則，認為兩板塊相對運動不顯著.

對于多板塊系統(tǒng)檢驗，先假設(shè)所檢驗區(qū)域?qū)儆谕话鍓K，然后將各細部塊體作為獨立塊體依次分出，每步求AIC值.根據(jù)AIC最小值對應(yīng)的塊體分化情況可確定Amurian板塊的范圍.AIC準(zhǔn)則數(shù)學(xué)模型如下：

4 結(jié)果和分析

4.1 Amurian板塊相對獨立性的顯著性檢驗

在此前提下，利用上文介紹的幾種統(tǒng)計假設(shè)檢驗研究Amurian板塊與其周圍活動塊體的相對運動情況.分別用相鄰板塊檢驗和多板塊檢驗兩種方法檢驗.相鄰板塊檢驗中采用2檢驗和F檢驗，多板塊檢驗采用AIC準(zhǔn)則.

4.2 Amurian板塊和相鄰板塊的差異運動

表3 2檢驗結(jié)果Table 3 The results of 2－test

表3 2檢驗結(jié)果Table 3 The results of 2－test

表4 F檢驗結(jié)果Table 4 The results of F－test

4.3 塊體相對獨立性的多板塊系統(tǒng)統(tǒng)計檢驗

研究Amurian是否存在，除用上面介紹的相鄰板塊之間兩兩檢驗，也可做多板塊統(tǒng)計檢驗.首先假定這6個地塊屬于同一塊體，求AIC值；然后把華南塊體分離出來，求AIC值；接著依次把華北、日本西南部、蒙古西部、韓國分離出來，分別求AIC值.統(tǒng)計結(jié)果見圖3.從圖3結(jié)果可以看出，五個板塊時，即韓國與Amurian板塊屬于同一塊體時，AIC值最小.因此多板塊檢驗的結(jié)果也表明Amurian板塊包括韓國在內(nèi).

圖3 多板塊檢驗結(jié)果Fig.3 The resultes of multi－plates test

4.4 Amurian板塊南部邊界的確定

盡管在貝加爾湖和外興安嶺地區(qū)地震條帶比較明顯，具備板塊邊界特征，但是Amurian板塊的西、南部邊界卻不易確定.Zonenshain和Savostion［3］最早對西、南部邊界的確定設(shè)定為：穿過渤海，經(jīng)過山西地塹北部和鄂爾多斯北端，再通過蒙古東部Bogdo斷層的東端與貝加爾裂谷相連.魏東平和Seno［14］延續(xù)了Zonenshain和Savostion的劃分，而Heki等［8］認為其南部邊界可能向南達到處于左旋活動狀態(tài)的EW走向的秦嶺斷層，其它研究大多回避了如何劃分西南段.最近，利用GPS對南部邊界的研究也有一些成果，Calais等［10］根據(jù)統(tǒng)計檢驗的方法認為南中國塊體和Amurian板塊應(yīng)為同一個構(gòu)造單元；中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)最新的觀測結(jié)果顯示出可能為華南和華北塊體相對于歐亞板塊具有整體向SEE方向逆時針旋轉(zhuǎn)的剛體運動［34］，再次對Amurian板塊南部邊界提出了質(zhì)疑.鑒于目前根據(jù)地震活動性及地質(zhì)學(xué)證據(jù)無法給出其明確的南部邊界，本文從統(tǒng)計方法出發(fā)，用2最小法確定Amurian的南部邊界的位置.

為了確定Amurian南部與華北的邊界，我們選取110°E—135°E 、36°N—50°N范圍內(nèi)的一組數(shù)據(jù).每隔15′劃一條邊界，求2值，見圖4.結(jié)果表明在41.5°N附近的2值最小，故我們可以認為Amurian板塊與華北板塊的邊界在此位置附近.

圖4 南部邊界位于不同緯度時的2值Fig.4 The 2 values when the boundary locates at different latitudes

5 結(jié) 論

本文利用東北亞地區(qū)GPS觀測得到的現(xiàn)今地殼運動速度場結(jié)果，采用統(tǒng)計分析方法，研究了東北亞地區(qū)Amurian板塊相對與歐亞大陸?yīng)毩⑿詥栴}，以及Amurian板塊的范圍和邊界問題，通過數(shù)值結(jié)果，我們得到如下結(jié)論：

（1）在95%置信度下，Amurian板塊與歐亞大陸存在顯著的相對運動，這表明Amurian板塊獨立于歐亞大陸存在，其運動可由L＝－105.1255°N、B＝54.1435°E，歐拉旋轉(zhuǎn)量為0.2483°/Ma（逆時針方向）的歐拉矢量描述；

（2）Amurian板塊涵蓋蒙古東部、中國大陸的東北地區(qū)、韓國（朝鮮半島）等構(gòu)造塊體，其北邊界為斯坦諾夫山地、西北邊界為貝加爾裂谷，西邊界為自貝加爾裂谷南端向南經(jīng)Hangay高原的現(xiàn)今活動構(gòu)造帶、南邊界為大約位于41.5°N的陰山、燕山構(gòu)造帶，東邊界則為沿日本島以西的一系列地塹；

（References）

［1］ Stein S，Gordon R G.Statistical tests of additional plate boundaries from plate motion inversions.Earth and Planetary Science Letters，1984，69（2）：401－412.

［2］ Bird P.An updated digital model of plate boundaries.Geochemistry，Geophysics，Geosystems，2003，4（3），doi：10.1029/2001GC000252.

［3］ Zonenshain L P，Savostin L A.Geodynamics of the Baikal rift zone and plate tectonics of Asia.Tectonophysics，1981，76（1－2）：1－45.

［4］ 許厚澤，熊熊.東北亞大陸地殼運動的GPS研究.大地測量與地球動力學(xué)，2004，24（4）：1－6.Xu H Z，Xiong X.Study on continental crust movement of Northeast Asia by GPS.Journal of Geodesy and Geodynamics（in Chinese），2004，24（4）：1－6.

［5］ Miyazaki S，Heki K，Hatanaka Y，et al.Determination of the Euler vector between the Amurian and the Eurasian.plates with GPS data.∥Paper presented at 86th Meeting of the Geodetic Society of Japan.Geod.Soc.of Jpn.，Kochi.，1996.

［6］ Calais E，Lesne O，Déverchère J，et al.Crustal deformation in the Baikal rift from GPS measurements.Geophys.Res.Lett.，1998，25（21）：4003－4006.

［7］ Takahashi H，Kasahara M，Kimata F，et al.Velocity field of around the Sea of Okhotsk and Sea of Japan regions determined from a new continuous GPS network data.Geophys.Res.Lett.，1999，26（16）：2533－2536.

［8］ Heki K，Miyazaki S，Takahashi H，et al.The Amurian Plate motion and current plate kinematics in eastern Asia.J.Geophys.Res.，1999，104（B12）：29147－29155.

［9］ 孟國杰，申旭輝.阿穆爾板塊相對歐亞板塊的歐拉運動.大地測量與地球動力學(xué)，2006，26（3）：23－27.Meng G J，Shen X H.Euler movement of Amurian plate related to Eurasia plate.Journal of Geodesy and Geodynamics（in Chinese），2006，26（3）：23－27.

［10］ Calais E， Vergnolle M， San′kov V， et al. GPS measurements of crustal deformation in the Baikal－Mongolia area（1994—2002）：Implications for current kinematics of Asia.J Geophys.Res.，2003，108（B10）：2501，doi：10.1029/2002JB002373.

［11］ Sella G F，Dixon T H，Mao A L.A model for recent plate velocities from space geodesy.J.Geophys.Res.，2000，107（B4）：2081，doi：10.1029/2000JB000033.

［12］ Kreemer C，Holt W E，Haines A J.An integrated global model of present－day plate motions and plate boundary deformation.Geophys.J.Int.，2003，154（1）：8－34.

［13］ 郭東美，李軍，熊熊等.地殼運動速度場的數(shù)據(jù)融合研究.武漢大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），2008（2）：212－215.Guo D M，Li J，Xiong X，et al.Data combination of Crustal movement velocity fields.Geomatics and Information Science of Wuhan University （in Chinese），2008（2）：212－215.

［14］ 魏東平，Tetsuzo S.東亞北部地區(qū)現(xiàn)代板塊構(gòu)造的運動學(xué)分析.地球物理學(xué)報，2000，43（1）：53－63.Wei D P，Tetsuzo S.Kinematic analysis of modern plate tectonics in Northeastern Asia.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2000，43（1）：53－63.

［15］ Calais E.Global Positioning System measurements of active crustal deformation in Western Mongolia.1997—2002report.

［16］ Calais E，Vergnolle M，Déverchère J，et al.Are post－seismic effects of the M＝8.4Bolnay earthquake（1905July 23）still influencing GPS velocities in the Mongolia－Baikal area？Geophys.J.Int.，2002，149（1）：157－168.

［17］ Shen Z K，Zhao C K，Yin A，et al.Contemporary crustal deformation in east Asia constrained by Global positioning System measurements.Journal of Geophysical Research，2000，105（B3）：5721－5734.

［18］ 賴錫安，黃立人，徐菊生等.中國大陸現(xiàn)今地殼運動.北京：地震出版社，2004.Lai X A，Huang L R，Xu J S，et al.Contemporary Crust Motion of China（in Chinese）.Beijing：Seismological Press，2004.

［19］ Soler T.A compendium of transformation formulas useful in GPS work.Journal of Geodesy，1998，72（7－8）：482－490.

［20］ Steblov G M，Kogan M G，King R W，et al.Imprint of the North American plate in Siberia revealed by GPS.Geophys.Res.Lett.，2003，30（18），doi：10.1029/2003GL017805.

［21］ 石耀霖，朱守彪.利用GPS觀測資料劃分現(xiàn)今地殼活動塊體的方法.大地測量與地球動力學(xué)，2004，24（2）：1－5.Shi Y L，Zhu S B.Method for division of present active crustal blocks by GPS survey data.Journal of Geodesy and Geodynamics（in Chinese），2004，24（2）：1－5.

［22］ 王敏，沈正康，牛之俊等.現(xiàn)今中國大陸地殼運動與活動塊體模型.中國科學(xué)（D輯），2003，33（增刊）：21－32.Wang M，Shen Z K，Niu Z J，et al.Contemporary crustal movement in Chinese mainland and active block model.Science in China （Ser.D）（in Chinese），2003，33（Supp）：21－32.

［23］ Wang Q，Zhang P Z，F(xiàn)reymuller J T，et al.Present－day crustal deformation in China constrained by global positioning system measurements.Science，2001，294（5542）：574－577.

［24］ Shen Z K，Wang M，Li Y X，et al.Crustal deformation along the Altyn Tagh fault system，western China，from GPS.J.Geophys.Res.，2001，106（B12）：30607－30621.

［25］ Altamimi Z，Sillard P，Boucher C.ITRF2000：a new release of the International Terrestrial Reference Frame for earth science applications.J.Geophys.Res.，2002，107（B10）：2214－2222.

［26］ 丁國瑜，盧演儔.對我國現(xiàn)代板內(nèi)運動狀態(tài)的初步探討.科學(xué)通報，1986，31（18）：1412－1413.Ding G Y，Lu Y C.A preliminary research on the current intraplate motion in China.Chinese Science Bulletin （in Chinese），1986，31（18）：1412－1413.

［27］ 丁國瑜，盧演儔.中國巖石圈動力學(xué)概論.北京：地震出版社，1991.Ding G Y，Lu Y C.Introduction of the Lithospheric Geodynanics of China（in Chinese）.Beijing：Seismological Press，1991.

［28］ 張培震，鄧起東，張國民等.中國大陸的強震活動與活動地塊.中國科學(xué)，2003，33（B04）：12－20.Zhang P Z，Deng Q D，Zhang G M，et al.Strong earthquake activity and active blocks in China mainland.Science in China（in Chinese），2003，33（Suppl）：12－20.

［29］ Iwakuni M， Kato T， Takiguchi H， et al. Crustal deformation in Thailand and tectonics of Indochina peninsula as seen from GPS observations.Geophys.Res.Lett.，2004，31（L11612）：1－4.

［30］ Jin S G.A dense GPS observation（1998—2005）in NE Asia：defining Amurian plate and its kinematics.report.

［31］ Gordon R G，Stein S，DeMets C，et al.Statistical tests for closure of plate motion circuits.Geophys.Res.Lett.，1987，14（6）：587－590.

［32］ 盛驟等.概率論與數(shù)理統(tǒng)計.北京：高等教育出版社，1989.Sheng Z，et al.Probability and Statistics （in Chinese）.Beijing：Higher Education Press，1989.

［33］ Wagenmakers E J，F(xiàn)arrell S.AIC model selection using Akaike weights.Psychonomic Bulletin and Review，2004，11（1）：192－196.

［34］ Niu Z J，Wang M，Sun H R，et al.Contemporary velocity field of crustal movement of Chinese mainland from Global Positioning System measurements.Chinese Science Bulletin，2005，50（9）：939－941.