1991～2004年GPS觀測(cè)到的中國(guó)大陸地殼動(dòng)態(tài)變形特征

曹建玲 王輝 武艷強(qiáng) 劉曉霞 張晶

1)中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市海淀區(qū)復(fù)興路63號(hào) 100036

2)中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京市海淀區(qū)復(fù)興路63號(hào) 100036

0 引言

以GPS為代表的空間大地測(cè)量是監(jiān)測(cè)現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)的基本手段之一。從20世紀(jì)80年代以來，我國(guó)首先在川滇地區(qū)開展了GPS觀測(cè)實(shí)驗(yàn)(King et al，1997)。隨后，在新疆、青藏高原、華北等區(qū)域也陸續(xù)建立了區(qū)域GPS觀測(cè)網(wǎng)，為研究區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)及變形特征提供了基本觀測(cè)資料(楊少敏等，2008;喬學(xué)軍等，2008;Zhang et al，2004)。“九五”期間，中國(guó)完成了覆蓋中國(guó)大陸的“中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”這一重大科學(xué)工程，包括27個(gè)連續(xù)站，55個(gè)基本站和近1000個(gè)流動(dòng)站，并開始了統(tǒng)一的GPS觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理。從1998年開始觀測(cè)以來，中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)獲取了大量的地殼形變GPS觀測(cè)資料，獲得了大量對(duì)中國(guó)大陸現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)變形的新認(rèn)識(shí)，推動(dòng)了地球科學(xué)進(jìn)展。

研究人員利用不同方法分析了GPS資料顯示的中國(guó)大陸現(xiàn)今運(yùn)動(dòng)變形特征(楊少敏等，2005;陳小斌，2007;Zhu et al，2006;Wu et al，2011;王輝等，2005;江在森等，2010)，但是其中大部分是針對(duì)單個(gè)時(shí)間段的靜態(tài)觀測(cè)進(jìn)行的分析，缺乏對(duì)不同時(shí)間段GPS資料反映的地殼變形的動(dòng)態(tài)演化特征的研究。而且，中國(guó)大陸地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)開始運(yùn)行以來，中國(guó)大陸內(nèi)部發(fā)生了2001年昆侖山口西Ms8.1地震和2008年汶川Ms8.0地震等兩次特大地震，還發(fā)生了多次7級(jí)以上地震。雖然GPS觀測(cè)給出了這些地震所造成的地表同震變形特征等，但對(duì)這些地震給中國(guó)大陸現(xiàn)今地殼變形造成的影響仍缺乏整體的認(rèn)識(shí)(任金衛(wèi)等，2005;Wang et al，2011)。本文利用2001、2003及2004年中國(guó)大陸GPS觀測(cè)資料，研究了不同時(shí)段間中國(guó)大陸現(xiàn)今地殼變形動(dòng)態(tài)特征及其與中國(guó)大陸強(qiáng)震活動(dòng)的關(guān)系。

1 資料與方法

1.1 中國(guó)大陸GPS觀測(cè)資料

中國(guó)大陸地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)自建成以來，基準(zhǔn)站為連續(xù)觀測(cè)，區(qū)域站分別于1999、2001、2004和2007年進(jìn)行觀測(cè)，獲得了4期的觀測(cè)數(shù)據(jù)。通過整合中美兩國(guó)10個(gè)不同機(jī)構(gòu)得到的GPS觀測(cè)資料，Wang等(2001)給出了1991～2001年中國(guó)大陸354個(gè)GPS站點(diǎn)的地殼運(yùn)動(dòng)圖像，平均誤差為2.2～2.4 mm/a。王敏等(2003)利用中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)特別是區(qū)域網(wǎng)1998～2001年的數(shù)據(jù)，得到了中國(guó)大陸1000多個(gè)GPS站點(diǎn)的地殼運(yùn)動(dòng)圖像。牛之俊等(2005)根據(jù)1998～2004年的觀測(cè)資料給出了中國(guó)大陸1199個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的速度場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上，Gan等(2007)整合了其他人的3組GPS資料，給出了中國(guó)大陸約1300個(gè)站點(diǎn)的地殼運(yùn)動(dòng)圖像。在中國(guó)大陸地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的基礎(chǔ)上，“中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)”新建了233個(gè)連續(xù)觀測(cè)基準(zhǔn)站和1000個(gè)定期觀測(cè)區(qū)域站。李強(qiáng)等(2012)根據(jù)“網(wǎng)絡(luò)工程”1056個(gè)區(qū)域站1998～2007年觀測(cè)資料及“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”共計(jì)2056個(gè)區(qū)域站2009年 和2011年兩期觀測(cè)資料給出了中國(guó)大陸新變形圖像。

這些不同時(shí)間發(fā)布的GPS資料給出了1991～2011年間不同時(shí)間窗內(nèi)的中國(guó)大陸地殼運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。其中，1998～2001年和1998～2004年由網(wǎng)絡(luò)工程產(chǎn)出的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理遵循了統(tǒng)一的原則(王敏等，2003;Gan et al，2007)，因此可以用來分析中國(guó)大陸地殼現(xiàn)今應(yīng)變場(chǎng)的動(dòng)態(tài)特征。而1991～2001年GPS資料和1998～2001年、1998～2004年的資料中同樣都包含了中國(guó)大陸周邊 GPS觀測(cè)資料(圖1)，速度場(chǎng)融合誤差為2mm/a(Wang et al，2001;王敏等，2003;Gan et al，2007)。這 3期資料中，1998～2004年的 GPS資料包含了2001年昆侖山口西地震造成的同震位移，Gan等(2007)利用靜態(tài)位錯(cuò)模型估計(jì)了地表同震位移，在速度場(chǎng)解算中予以扣除。因此1991～2001年和1998～2001年資料可為研究中國(guó)大陸現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)與變形動(dòng)態(tài)提供參考。

1.2 最小二乘配置球面應(yīng)變解算方法

利用GPS資料計(jì)算現(xiàn)今地殼應(yīng)變場(chǎng)的方法很多，包括三角剖分法、球諧函數(shù)法(石耀霖等，2004)、多面函數(shù)法(劉經(jīng)南等，2001)、雙三次樣條函數(shù)法(楊少敏等，2005)和最小二乘配置法(江在森等，2010)等。Wu等(2011)通過比較這些方法，認(rèn)為最小二乘配置方法的精度和穩(wěn)定性最好，并且受GPS觀測(cè)站幾何分布影響較小。因此，本文采用最小二乘配置方法(江在森等，2010)計(jì)算現(xiàn)今地殼應(yīng)變場(chǎng)。

最小二乘配置求解中必須首先確定協(xié)方差矩陣，而協(xié)方差矩陣可以根據(jù)觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)特征獲取的經(jīng)驗(yàn)協(xié)方差分布函數(shù)確定。通常，經(jīng)驗(yàn)協(xié)方差分布函數(shù)可采高斯經(jīng)驗(yàn)協(xié)方差函數(shù)(C(d)=C(0)e-k2d2)表示，其中d代表觀測(cè)點(diǎn)之間距離，C(0)為觀測(cè)信號(hào)的方差，k為待定參數(shù)。應(yīng)用最小二乘配置方法分析球面坐標(biāo)系下的地殼水平變形場(chǎng)時(shí)，根據(jù)最小二乘配置方法求解得到球面上的位移場(chǎng)后，可以進(jìn)一步求得球面上的應(yīng)變場(chǎng)(Wu et al，2011)。

圖1 (a)、(b)、(c)分別為 1991～2001年、1998～2001年、1998～2004年中國(guó)大陸GPS速度場(chǎng)(相對(duì)于歐亞大陸)圖

如果觀測(cè)值包含了整體剛性運(yùn)動(dòng)，對(duì)球面應(yīng)變計(jì)算結(jié)果可能有影響，因此，在利用上述公式求解應(yīng)變場(chǎng)時(shí)，需首先扣除整體運(yùn)動(dòng)部分。也就是說，在計(jì)算協(xié)方差與高斯型函數(shù)擬合結(jié)果時(shí)，以觀測(cè)速度場(chǎng)減去研究區(qū)的整體運(yùn)動(dòng)作為輸入信號(hào)。

2 中國(guó)大陸應(yīng)變率場(chǎng)

利用中國(guó)大陸1991～2001年、1998～2001年和1998～2004年的GPS觀測(cè)資料，首先反演了中國(guó)大陸地殼的整體剛性運(yùn)動(dòng)，并確定了高斯經(jīng)驗(yàn)協(xié)方差函數(shù)的參數(shù)(表1)。從表1可以看出，雖然這3期觀測(cè)資料的觀測(cè)時(shí)間不同，GPS觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量也存在差異，但反演得到的歐拉矢量差異并不大。歐拉運(yùn)動(dòng)是中國(guó)大陸現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)的一階近似，穩(wěn)定的歐拉運(yùn)動(dòng)說明中國(guó)大陸地殼運(yùn)動(dòng)在這10余年時(shí)間內(nèi)基本保持穩(wěn)定。

表1 中國(guó)大陸的整體剛性運(yùn)動(dòng)參數(shù)和高斯經(jīng)驗(yàn)協(xié)方差函數(shù)參數(shù)

在扣除中國(guó)大陸整體剛性運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)表1中的高斯經(jīng)驗(yàn)協(xié)方差系數(shù)及3期GPS資料計(jì)算得到了中國(guó)大陸水平應(yīng)變場(chǎng)及其誤差分布(圖2)。從總體上看，應(yīng)變率的誤差隨著GPS臺(tái)站密度的增加和臺(tái)網(wǎng)覆蓋面的擴(kuò)張而減小。中國(guó)大陸內(nèi)部GPS觀測(cè)點(diǎn)分布較密，應(yīng)變率誤差較小;中國(guó)大陸周邊的GPS觀測(cè)點(diǎn)分布較稀疏，應(yīng)變誤差相對(duì)較大。其中，1991～2001年間的GPS觀測(cè)點(diǎn)較少，觀測(cè)誤差相對(duì)較大，由此計(jì)算的地殼應(yīng)變率誤差相對(duì)較大，一般為0.2×10-8/a～0.3×10-8/a;誤差最大的區(qū)域位于中國(guó)大陸邊境地區(qū)，達(dá)1.0×10-8/a(圖2(d))。而“中國(guó)大陸地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”建成并觀測(cè)以來，GPS觀測(cè)精度大大提高，計(jì)算的地殼應(yīng)變率誤差小于0.2×10-8/a，邊境地區(qū)的誤差也在0.2×10-8/a～0.3×10-8/a之間(圖 2(e)、(f))。

中國(guó)大陸現(xiàn)今(1991～2004年)地殼東西向應(yīng)變率總體分布特征差異不大，西部地區(qū)的數(shù)值明顯高于東部地區(qū)，呈現(xiàn)顯著的分區(qū)特征，尤其在青藏高原地區(qū)。在青藏高原西部表現(xiàn)為東西向引張，而其東部則轉(zhuǎn)變?yōu)閿D壓，這一現(xiàn)象與青藏高原物質(zhì)東向擠出相關(guān)，青藏高原東部物質(zhì)在擠出過程中遇到華南地塊阻擋使擠壓變形集中在高原東部，且隨時(shí)間推進(jìn)高原東部的擠壓變形不斷增強(qiáng)。

圖3表明中國(guó)大陸現(xiàn)今(1991～2004年)地殼水平面應(yīng)變率的分布總體上差異不大，從南到北大致可以分為2個(gè)壓縮區(qū)和2個(gè)拉張區(qū)，壓縮區(qū)和拉張區(qū)總體上呈東西條帶狀交替出現(xiàn)。

中國(guó)大陸地殼面應(yīng)變率壓縮區(qū)主要是喜馬拉雅地區(qū)和天山-祁連山地區(qū)。其中，喜馬拉雅地區(qū)是中國(guó)大陸地殼壓縮率最大的地區(qū)，大部分地區(qū)大于2.0×10-8/a，壓縮面應(yīng)變率的分布較均勻。該地區(qū)從南到北分布著主邊界斷裂(main boundary thrust)和主中央逆沖(main central thrust)，是印度板塊與歐亞板塊陸-陸碰撞的主要吸收帶(Meade，2007)。天山-祁連山地區(qū)的壓縮面應(yīng)變率由西向東遞減，西天山地區(qū)壓縮面應(yīng)變率達(dá)2.0×10-8/a，而東天山和祁連山地區(qū)的壓縮面應(yīng)變率約為1.0×10-8/a。這兩個(gè)地殼壓縮面應(yīng)變率高的地區(qū)逆斷層廣泛分布，是印度板塊和歐亞板塊陸-陸碰撞的次要吸收帶(Zhang et al，2004;Yin et al，2000)。

圖2 據(jù)GPS資料計(jì)算得到的中國(guó)大陸東西向應(yīng)變率及誤差分布圖

中國(guó)大陸地殼面應(yīng)變率拉張的地區(qū)主要是青藏高原中部和華北地區(qū)。青藏高原中部膨脹區(qū)位于喜馬拉雅壓縮帶和天山-祁連山壓縮帶之間，面應(yīng)變率大約為1.0×10-8/a～2.0×10-8/a。印度板塊的碰撞導(dǎo)致青藏高原地殼抬升，地殼厚度增大。受到青藏高原抬升所造成的巨大重力勢(shì)能作用，該地區(qū)中下地殼發(fā)生部分熔融，黏滯系數(shù)較低(石耀霖等，2008)。這些物質(zhì)在青藏高原抬升過程中向側(cè)向運(yùn)移，并在川滇地區(qū)和青藏高原東北隅地區(qū)形成側(cè)向擠出的通道(Royden et al，2008;Bai et al，2010)。從地表看，青藏高原中部廣泛分布著南北向的拉張地塹，地表運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為東向擠出(Zhang et al，2004;Liu et al，2003;曹建玲等，2009)。受到中生代發(fā)生的華北塊體-華南塊體碰撞所導(dǎo)致巖石圈拆沉和熱侵蝕(Bryant et al，2004;Xu，2001)，以及西太平洋板塊的俯沖導(dǎo)致的華北塊體地幔上涌(Huang et al，2006)的影響，華北克拉通在新生代受到破壞，導(dǎo)致該地區(qū)廣泛分布拉張盆地。GPS資料所反映的地表變形表明該地區(qū)的張性面應(yīng)變水平相對(duì)較低，面應(yīng)變率平均為0.5×10-8/a。

圖3 (a)、(b)、(c)分別為1991～2001年、1998～2001年和1998～2004年中國(guó)大陸面應(yīng)變率分布圖

1991～2004年間不同時(shí)期的最大剪切應(yīng)變率分布圖像(圖4)顯示，剪切應(yīng)變率高值區(qū)主要集中在青藏高原及其周邊地區(qū)和天山地區(qū)，這些地區(qū)最大剪應(yīng)變率達(dá)到3.0×10-8/a。而中國(guó)大陸東部最大剪切應(yīng)變率平均為0.5×10-8/a，比青藏高原地區(qū)的最大剪切應(yīng)變率大約小1個(gè)量級(jí)。青藏高原及周邊地區(qū)則形成最大剪切應(yīng)變率變化的高梯度帶。中國(guó)大陸地殼最大剪切應(yīng)變率分布與強(qiáng)震活動(dòng)分布一致。青藏高原及其周邊地區(qū)吸收了印度板塊大約50mm/a的向北推擠運(yùn)動(dòng)，地殼變形劇烈，而中國(guó)東部地區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)變形主要受到西太平洋板塊和菲律賓板塊共同作用，構(gòu)造活動(dòng)水平相對(duì)較低。

圖4 (a)、(b)、(c)分別為 1991～2001年、1998～2001年、1998～2004年中國(guó)大陸最大剪切應(yīng)變率分布圖

雖然最近20余年以來的GPS觀測(cè)結(jié)果表明中國(guó)大陸地殼水平運(yùn)動(dòng)變形的總體趨勢(shì)保持穩(wěn)定，但是不同期的觀測(cè)資料所反映的地殼運(yùn)動(dòng)變形趨勢(shì)仍然存在一些差異。2001～2004年間，華北平原地區(qū)面應(yīng)變率增加，而在青藏高原東部，雖然面應(yīng)變率仍然表現(xiàn)為膨脹，但是2001～2004年間的面膨脹速率在下降。同時(shí)，作為最大剪切應(yīng)變率高值區(qū)，青藏高原地區(qū)的最大剪切應(yīng)變率變化也是最大的，且一直在增加，最大剪切應(yīng)變率變化最大的地區(qū)位于青藏高原中部。青藏高原地區(qū)持續(xù)增加的最大剪切應(yīng)變率和面應(yīng)變率表明，印度板塊和歐亞板塊陸-陸碰撞對(duì)青藏高原及其周邊地區(qū)現(xiàn)今地殼變形的影響還在持續(xù)增強(qiáng)(Yang et al，2009)。在中國(guó)大陸東部，最大剪切應(yīng)變率變化較大的區(qū)域位于渤海盆地周圍以及東南沿海地區(qū)，表明這些地區(qū)的現(xiàn)今地殼變形可能還在增強(qiáng)。

3 中國(guó)大陸現(xiàn)今地殼變形與強(qiáng)震活動(dòng)的關(guān)系

地震活動(dòng)反映了地殼彈性能量的釋放過程，而根據(jù)兩次大地震之間的GPS觀測(cè)得到的中國(guó)大陸最大剪切應(yīng)變率在一定程度上反映了地殼能量的積累，兩者在大尺度空間范圍的分布圖像相對(duì)應(yīng)。青藏高原及其周邊地區(qū)是中國(guó)大陸強(qiáng)震頻發(fā)的地區(qū)，這些區(qū)域的最大剪切應(yīng)變率也很高。中國(guó)大陸東部地區(qū)的地震活動(dòng)水平相對(duì)較低，區(qū)域最大剪切應(yīng)變率也較低(Zhu et al，2006)。

1991年至今，青藏高原及其周邊發(fā)生了2次8級(jí)以上特大地震。2001年的昆侖山口西8.1級(jí)地震發(fā)生在青藏高原內(nèi)部的東昆侖斷裂帶上，此次地震為剪切破裂型地震，造成了超過400 km長(zhǎng)的地表破裂帶。該地震的震中區(qū)位于1991～1998年間青藏高原內(nèi)部大范圍最大剪應(yīng)變率的高值區(qū)。此次地震后，震中區(qū)附近的最大剪切應(yīng)變率較震前有所降低。除此之外，2008年的汶川8.0地震發(fā)生在青藏高原東邊緣的龍門山斷裂帶上，此次地震為帶走滑分量的逆沖型地震，其震中同樣位于發(fā)生在震前東西向應(yīng)變率大范圍高值區(qū)的東邊緣。

另外，由于GPS觀測(cè)的時(shí)間較短，此觀測(cè)的地殼變形包括彈性變形和非彈性變形兩部分(Shen et al，2007)。彈性變形主要與強(qiáng)震活動(dòng)有關(guān)，非彈性變形則主要與其他的構(gòu)造活動(dòng)相關(guān)。中國(guó)大陸不同時(shí)間段內(nèi)的GPS觀測(cè)結(jié)果明顯反映了強(qiáng)震造成的震后變形效應(yīng)。為調(diào)查昆侖山口西地震前后應(yīng)變場(chǎng)變化，將1991～2001年的應(yīng)變減去1998～2001年的應(yīng)變得到1991～1998年的累積應(yīng)變;同樣，將1998～2004年的應(yīng)變減去1998～2001年的應(yīng)變，得到2001～2004年累積應(yīng)變，對(duì)照同期發(fā)生的強(qiáng)震，可見最大剪應(yīng)變與同期強(qiáng)震活動(dòng)對(duì)應(yīng)很好(圖5)。雖然2004年的GPS資料在處理時(shí)直接扣除了2001年昆侖山地震的同震效應(yīng)，但是受到震源區(qū)下地殼黏性松弛的影響，大地震附近的地殼發(fā)生震后變形，這些震后變形仍然能夠被GPS觀測(cè)到(任金衛(wèi)等，2005;Ryder et al，2011;郭良遷等，2004)。

圖5 中國(guó)大陸不同時(shí)期最大剪應(yīng)變(a)1991～1998年;(b)2001～2004年

4 結(jié)論與討論

本文利用“中國(guó)大陸地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”1998～2004年的GPS觀測(cè)資料研究了中國(guó)大陸現(xiàn)今地殼水平應(yīng)變率的動(dòng)態(tài)變化，不同時(shí)間段內(nèi)的面應(yīng)變率和最大水平應(yīng)變率變化幅度均大于計(jì)算誤差，說明這些動(dòng)態(tài)變化反映了中國(guó)大陸現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)在不同時(shí)間段內(nèi)的變化。雖然1991～2001年的GPS觀測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)少于1998～2004年的觀測(cè)點(diǎn)，但整體分布趨勢(shì)基本一致，說明這些觀測(cè)獲得的地殼變形動(dòng)態(tài)可信度較高。

中國(guó)大陸1991～2004年的GPS觀測(cè)資料顯示中國(guó)大陸現(xiàn)今地殼變形整體運(yùn)動(dòng)非常穩(wěn)定，體現(xiàn)在不同期歐拉速度沒有顯著變化，這一特征也反映了中國(guó)大陸構(gòu)造活動(dòng)動(dòng)力學(xué)背景在10年內(nèi)的一致性。利用最小二乘配置法計(jì)算的應(yīng)變場(chǎng)分布顯示：在1991～2004年間，中國(guó)大陸不同期的應(yīng)變速率存在繼承性;由于西部地震強(qiáng)度高，地殼變形強(qiáng)烈，在應(yīng)變速率分布圖中為顯著高值區(qū)，這些總體特征與現(xiàn)有認(rèn)識(shí)相符(江在森等，2003);青藏高原東南部及川滇地區(qū)的面應(yīng)變率和最大剪切應(yīng)變率都高于中國(guó)大陸其他地區(qū)，可能是由于這個(gè)區(qū)域廣泛分布大型走滑斷層，且川滇地區(qū)又是青藏高原物質(zhì)東向擠出的重要通道所致(曹建玲等，2009)。在2004年GPS資料中扣除2001年昆侖山口西大地震的同震變形后，與2001年資料的顯著差異體現(xiàn)在青藏高原中部，可能反映了這次大地震的震后變形特征。對(duì)比不同時(shí)期的強(qiáng)震活動(dòng)及累積的應(yīng)變，其中最大剪切應(yīng)變高值區(qū)與同期強(qiáng)震活動(dòng)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

致謝：甘衛(wèi)軍、王敏和王琪教授提供了不同時(shí)期的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，審稿專家的建設(shè)性意見使得本文得到改進(jìn)，在此致謝!