基于GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的云南地區(qū)地殼形變特征研究

孫云梅，李金平,2

(1.云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500；2.西部資源環(huán)境地理信息技術(shù)教育部工程研究中心，云南 昆明 650500)

基于GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的云南地區(qū)地殼形變特征研究

孫云梅1，李金平1,2

(1.云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500；2.西部資源環(huán)境地理信息技術(shù)教育部工程研究中心，云南 昆明 650500)

利用1999～2013年間多期GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，將云南地區(qū)分為5個(gè)活動(dòng)塊體，研究區(qū)域現(xiàn)今水平運(yùn)動(dòng)特征、應(yīng)變特征以及各塊體的運(yùn)動(dòng)特征，反演主要活動(dòng)斷裂帶的走滑速率。結(jié)果表明，區(qū)域水平運(yùn)動(dòng)具有北強(qiáng)南弱的特征，小江斷裂帶、紅河斷裂帶對(duì)云南地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)具有明顯控制作用，改變了斷裂帶兩側(cè)的運(yùn)動(dòng)特征；區(qū)域應(yīng)變具有明顯的差異，西部以拉張應(yīng)變?yōu)橹?，東部小江斷裂帶周邊地區(qū)拉張和擠壓應(yīng)變均衡且為強(qiáng)應(yīng)變區(qū)，滇東地區(qū)應(yīng)變較小；各塊體運(yùn)動(dòng)方向與速率存在差異，滇東塊體為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，其余塊體順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；基于塊體模型反演的主要斷裂帶的走滑速率與地質(zhì)方法獲取的走滑速率具有較好的一致性。

GPS；活動(dòng)塊體；地殼形變；走滑速率；歐拉旋轉(zhuǎn)

云南地區(qū)位于青藏高原東南緣，地處喜馬拉雅弧形構(gòu)造帶的東段轉(zhuǎn)折處，是甘孜褶皺系和三江褶皺系的發(fā)育區(qū)，北東向構(gòu)造和北西向構(gòu)造非常發(fā)育，存在著數(shù)條長(zhǎng)斷裂帶[1]，如紅河斷裂、小江斷裂、曲江斷裂帶、程海斷裂帶、麗江—小金河斷裂帶、瀾滄江斷裂帶、怒江斷裂帶、南汀河斷裂帶等。這些斷裂帶控制著云南地區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)，使地殼形變和地震活動(dòng)十分強(qiáng)烈，成為地殼形變研究的熱點(diǎn)地區(qū)。洪敏等[2]分析云南省的GNSS連續(xù)觀測(cè)資料，得到云南地區(qū)最大剪應(yīng)變變化速率存在西強(qiáng)東弱、北強(qiáng)南弱的特征；喬學(xué)軍等[3]根據(jù)1998～2002年間的GPS結(jié)果表明安寧河-則木河斷裂、小江斷裂及紅河斷裂對(duì)活動(dòng)塊體的運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)起到明顯的吸收作用；程佳等[4]利用分布在塊體內(nèi)部的GPS資料計(jì)算出各次級(jí)塊體的運(yùn)動(dòng)特征和邊界斷裂帶的活動(dòng)習(xí)性；丁開(kāi)華[5]等利用1998～2004年間的GPS觀測(cè)成果為約束，認(rèn)為川滇地區(qū)的地殼運(yùn)動(dòng)由西向東、由北向南逐漸減弱，且以川滇菱形塊體順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；楊國(guó)華等[6]利用1999～2001年100余個(gè)測(cè)站的GPS資料得到云南地區(qū)水平運(yùn)動(dòng)與形變特征，認(rèn)為云南地區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)具有雙重性和分群性，通常條件下，連續(xù)形變的活動(dòng)模式比較突出。劉耀輝等[7]采用DEFNODE程序反演紅河斷裂帶走滑速率、三維閉鎖程度和滑動(dòng)虧損分布,得到紅河斷裂帶閉鎖程度和應(yīng)變積累程度都比較低；劉耀輝等[8]利用塊體模型研究小江斷裂帶地殼運(yùn)動(dòng)特征，結(jié)果表明小江斷裂帶閉鎖程度較高，應(yīng)變率積累較大；施發(fā)奇[9]等以區(qū)域重心基準(zhǔn)為參考，從大地測(cè)量變形角度研究了小江斷裂帶各段的地殼形變，得到小江斷裂帶具有明顯的左旋運(yùn)動(dòng)特征，并具有一定的張扭性；李煜航等[9]建立三維塊體幾何模型，利用1999～2007年的GPS數(shù)據(jù)反演得到青藏高原東緣中南部主要活動(dòng)斷裂滑動(dòng)速率，使用反演得到的滑動(dòng)速率和最優(yōu)斷層閉鎖深度估算了川滇菱形塊體主要邊界和其內(nèi)部斷裂的地震矩積累；Loveless等[10]將青藏高原分為24個(gè)塊體，并利用塊體模型反演了青藏高原主要斷裂帶的走滑速率(含紅河斷裂帶)。

本文利用1999～2013年間的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合地質(zhì)及地球物理資料，研究云南地區(qū)的水平運(yùn)動(dòng)特征、應(yīng)變特征以及各塊體運(yùn)動(dòng)特征，反演了主要活動(dòng)斷裂帶走滑速率。

1 云南地區(qū)水平運(yùn)動(dòng)特征和應(yīng)變特征

1.1 水平運(yùn)動(dòng)特征

云南地區(qū)的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)主要來(lái)自中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)1999～2013年間的水平速度場(chǎng)。數(shù)據(jù)處理主要步驟：①采用GIPSY軟件，按標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行嚴(yán)密的數(shù)據(jù)處理，獲得各站點(diǎn)坐標(biāo)的單日松弛約束解；②用QOCA軟件，把所有單日松弛約束解進(jìn)行聯(lián)合平差，獲得各站點(diǎn)在穩(wěn)定歐亞參考框架下的坐標(biāo)及水平速度矢量，如圖1所示。

圖1 云南地區(qū)GPS水平速度場(chǎng)(相對(duì)穩(wěn)定歐亞參考框架)

從圖1可以看出：歐亞參考框架下云南地區(qū)水平運(yùn)動(dòng)特征是北強(qiáng)南弱，麗江小金河以北運(yùn)動(dòng)速率約為15.65mm/a，小江斷裂帶與紅河斷裂帶之間的滇中地區(qū)運(yùn)動(dòng)速率約為14.04 mm/a，安寧河-則木河-小江斷裂帶以東運(yùn)動(dòng)速率約為7.67 mm/a，紅河斷裂帶南部地區(qū)的運(yùn)動(dòng)速率約為8.3 mm/a，水平運(yùn)動(dòng)特征差異性是由于青藏高原地下物質(zhì)在向東南移動(dòng)時(shí)受到麗江-小金河斷裂帶、紅河斷裂帶和安寧河-則木河-小江斷裂帶的控制調(diào)節(jié)作用產(chǎn)生的。其中，麗江-小金河斷裂帶的控制調(diào)節(jié)作用弱，而作為川滇塊體邊界的紅河斷裂帶和小江斷裂帶具有較強(qiáng)的控制作用，使得運(yùn)動(dòng)速率減弱了45%左右。

1.2 應(yīng)變特征

以塊體運(yùn)動(dòng)為主的地區(qū)，由于塊體間相互作用，不僅會(huì)產(chǎn)生平移和旋轉(zhuǎn)，同時(shí)其內(nèi)部也會(huì)發(fā)生形變[5]。采用GPS速度場(chǎng)來(lái)計(jì)算應(yīng)變率場(chǎng)可以很好的反映區(qū)域形變特征，但GPS站點(diǎn)一般沿主要斷裂帶布設(shè)，分布不均勻，因此采用文獻(xiàn)[12]的應(yīng)變計(jì)算方法, 對(duì)非均勻分布的速度場(chǎng)進(jìn)行0.5°×0.5°內(nèi)插得到網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的速度矢量，進(jìn)而計(jì)算出云南地區(qū)連續(xù)變化的應(yīng)變率場(chǎng)和歐拉旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖2和圖3所示。

圖2 云南地區(qū)現(xiàn)今主應(yīng)變率圖

圖3 云南地區(qū)歐拉旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)注：順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)

圖2看出，云南地區(qū)應(yīng)變特征具有分區(qū)性，具有明顯的弧形分區(qū)過(guò)渡帶(小應(yīng)變值)。102°以西地區(qū)以拉張應(yīng)變?yōu)橹?，拉張?yīng)變值為(20～40)×10-9/a；102°以東地區(qū)拉張應(yīng)變與擠壓應(yīng)變具有較好的均衡性，作為青藏高原東邊界的小江斷裂帶周邊區(qū)域?yàn)閺?qiáng)應(yīng)變區(qū)，拉張應(yīng)變值為(30～60)×10-9/a,擠壓應(yīng)變值為(40～70)×10-9/a，104°以東地區(qū)應(yīng)變值為(2～16)×10-9/a，應(yīng)變較弱。圖3看出，區(qū)域歐拉旋轉(zhuǎn)也具有分區(qū)性，102.25°以西區(qū)域?yàn)轫槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)，以東區(qū)域逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，小江斷裂帶旋轉(zhuǎn)速率相對(duì)較大，達(dá)(15～30)×10-9rad/a。

2 云南地區(qū)活動(dòng)塊體及運(yùn)動(dòng)特征

2.1 活動(dòng)塊體劃分

依據(jù)文獻(xiàn)[3-4，13]對(duì)川滇地區(qū)的塊體劃分結(jié)果，結(jié)合云南地區(qū)內(nèi)發(fā)育的大型斷裂帶如紅河斷裂帶、麗江-小金河斷裂帶、小江斷裂帶、瀾滄江斷裂帶、怒江斷裂帶等和GPS數(shù)據(jù)揭示的速度場(chǎng)結(jié)果，將云南地區(qū)分為滇東塊體(Ⅰ)、滇中塊體(Ⅱ)、景谷-西盟塊體(Ⅲ)、騰沖-保山塊體(Ⅳ)、香格里拉塊體(Ⅴ)，如圖4所示。

圖4 云南地區(qū)活動(dòng)塊體劃分及運(yùn)動(dòng)特征

2.2 活動(dòng)塊體運(yùn)動(dòng)特征

將活動(dòng)塊體視為剛體，運(yùn)用剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)中的歐拉定理求出轉(zhuǎn)動(dòng)矢量。地殼GPS速度與歐拉矢量之間的關(guān)系[5，14]為

(1)

式中：vE和vN分別表示測(cè)站的東向速率和北向速率；λ和φ分別表示測(cè)站的經(jīng)度和緯度；r為地球半徑；ωx，ωy，ωz分別表示歐拉運(yùn)動(dòng)矢量的三分量。利用ωx，ωy，ωz計(jì)算出歐拉矢量參數(shù)，其中Λ和φ分別為歐拉極的經(jīng)度和緯度，Ω為角速率。

(2)

依據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算出云南地區(qū)各活動(dòng)塊體的歐拉運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如表1所示，空間展布特征如圖4所示。

表1 云南地區(qū)各塊體的歐拉參數(shù)和運(yùn)動(dòng)矢量

注：歐拉矢量為正表示順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，為負(fù)表示逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)

從表1和圖4可以看出，滇東塊體歐拉旋轉(zhuǎn)為逆時(shí)針，其余塊體歐拉旋轉(zhuǎn)為順時(shí)針，其中各塊體的旋轉(zhuǎn)角速率、運(yùn)動(dòng)方向各異。各活動(dòng)塊體的運(yùn)動(dòng)特征為：

1)滇東塊體。滇東塊體位于小江斷裂帶以東地區(qū)，地處華南構(gòu)造區(qū)，該塊體沒(méi)有受到青藏高原側(cè)東向滑移變形的影響[3]。受小江斷裂帶的影響，滇東塊體與滇中塊體間的水平運(yùn)動(dòng)速度衰減了近45%，塊體水平運(yùn)動(dòng)速度為7.67 mm/a，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)?28.55°，歐拉旋轉(zhuǎn)速率為0.13°/Ma，是歐拉旋轉(zhuǎn)最小的區(qū)域。說(shuō)明小江斷裂帶對(duì)滇中塊體的運(yùn)動(dòng)具有吸收作用，而且改變了運(yùn)動(dòng)方向，使滇東塊體成逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

2)滇中塊體。滇中塊體是川滇菱形塊體的次級(jí)活動(dòng)塊體，由麗江-小金河斷裂帶、安寧河-則木河斷裂帶、小江斷裂帶和紅河斷裂帶圍成，塊體內(nèi)部以南北向構(gòu)造帶為主，塊體的水平運(yùn)動(dòng)速度為14.04 mm/a，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)?54.67°，以東南側(cè)向滑移為主要特點(diǎn)，歐拉旋轉(zhuǎn)速率為0.67°/Ma，是歐拉旋轉(zhuǎn)最大的區(qū)域。滇中塊體的運(yùn)動(dòng)速率由北往南逐漸減弱，表明滇中塊體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)受到景谷-西盟塊體的抑制。

3)香格里拉塊體。香格里拉塊體由金沙江斷裂帶與麗江-小金河斷裂帶圍成，塊體的水平運(yùn)動(dòng)速率為15.65 mm/a,運(yùn)動(dòng)方向?yàn)?42.44°，歐拉旋轉(zhuǎn)速率為0.4°/Ma。該塊體在云南地區(qū)的運(yùn)動(dòng)速率最大，受到云南地區(qū)斷裂帶、華南塊體的影響微弱。

4)騰沖-保山塊體。騰沖-保山塊體位于南汀河斷裂帶、紅河斷裂帶北段與金沙江斷裂帶之間，該塊體內(nèi)包含怒江斷裂帶、瀾滄江斷裂帶北段,塊體的水平運(yùn)動(dòng)速度為8.93 mm/a,運(yùn)動(dòng)方向?yàn)?04.34°，歐拉旋轉(zhuǎn)速率0.32°/Ma。塊體的運(yùn)動(dòng)速率明顯減弱，是云南地區(qū)中運(yùn)動(dòng)速率最小、運(yùn)動(dòng)方向變化最大的塊體，說(shuō)明紅河斷裂帶對(duì)塊體運(yùn)動(dòng)具有吸收作用并改變了塊體運(yùn)動(dòng)方向，。

5)景谷-西盟塊體。景谷-西盟塊體位于紅河斷裂帶南段與瀾滄江斷裂帶南段之間,該塊體內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，既有南北向的活動(dòng)斷裂帶，又有北東向的活動(dòng)斷裂帶[3]，整個(gè)塊體的水平運(yùn)動(dòng)速度為7.72 mm/a，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)?52.54°，歐拉旋轉(zhuǎn)速率為0.19°/Ma。對(duì)比滇中塊體，運(yùn)動(dòng)速度衰減了近55%，說(shuō)明紅河斷裂帶對(duì)滇中塊體的運(yùn)動(dòng)具有吸收作用，向東南運(yùn)動(dòng)時(shí)受到緬甸塊體的阻擋。

3 主要活動(dòng)斷裂帶的運(yùn)動(dòng)特征

利用DEFNODE位錯(cuò)模型程序反演云南地區(qū)主要斷裂帶走滑速率[14]，如圖5所示(圖中右旋走滑速率和拉張速率為正，左旋走滑速率和擠壓速率為負(fù))。

圖5 云南地區(qū)主要斷裂帶運(yùn)動(dòng)速率

分析表明，本文位錯(cuò)模型反演的斷裂帶走滑速率與地質(zhì)測(cè)定或其他學(xué)者利用GPS數(shù)據(jù)反演的走滑速率具有很好的一致性，見(jiàn)表2。其中瀾滄江斷裂帶與小江斷裂帶的走滑速率與其他學(xué)者通過(guò)GPS數(shù)據(jù)反演結(jié)果有一些差異，可能是塊體劃分及選擇的位錯(cuò)模型存在一定差異。

表2 云南主要斷裂帶走滑滑動(dòng)速率 mm/a

續(xù)表2

注：表2中滑動(dòng)速率為正表示右旋，為負(fù)表示左旋

4 結(jié)束語(yǔ)

云南地區(qū)的水平運(yùn)動(dòng)特征表現(xiàn)為北強(qiáng)南弱，而小江斷裂帶和紅河斷裂帶兩側(cè)運(yùn)動(dòng)速率存在明顯差異，表明小江斷裂帶和紅河斷裂帶對(duì)云南地區(qū)的運(yùn)動(dòng)特征起到明顯的調(diào)節(jié)控制作用。云南地區(qū)的應(yīng)變特征空間展布呈現(xiàn)分區(qū)性，有一條明顯的弧形過(guò)度轉(zhuǎn)換帶，西部地區(qū)以拉張應(yīng)變?yōu)橹鳎瑬|部地區(qū)擠壓應(yīng)變值與拉張應(yīng)變值基本一致，高應(yīng)變率區(qū)域位于小江斷裂帶周邊地區(qū)，且與歐拉旋轉(zhuǎn)特征具有較好的對(duì)應(yīng)性。將云南地區(qū)劃分為5個(gè)活動(dòng)塊體，各塊體的歐拉旋轉(zhuǎn)矢量和運(yùn)動(dòng)速率存在明顯差異，利用DEFNODE位錯(cuò)模型反演斷裂帶走滑速率，小江斷裂帶為左旋走滑運(yùn)動(dòng)，紅河斷裂帶、怒江斷裂帶、瀾滄江斷裂帶為右旋走滑運(yùn)動(dòng)，與地質(zhì)方法得到的走滑速率具有較好的一致性。

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[責(zé)任編輯：張德福]

Research on crustal deformation characteristics in Yunnan area based on GPS observation data

SUN Yunmei1, LI Jinping1,2

(1.School of Tourism and Geographic Science, Yunnan Normal University, Kunming 650500, China;2. GIS Technology Engineering Research Centre for West-China Resources and Environment of Educational Ministry, Kunming 650500, China)

Yunnan area are divided into five active blocks based on GPS velocity field during 1999～2013. Horizontal motion characteristics of the Yunnan region, the vectors of five active blocks, the strain field of area are calculated and analyzed and the slip velocities of main faults are presented. The result indicates that the regional horizontal movement has the characteristics of north strong south. The Red River fault and Xiaojiang fault have obvious control effect on Yunnan region activities, changing the movement characteristics of the fault both sides. The regional strain is obviously different. The west is dominated by tensile strain. The tension and compress strain is equilibrium and strong of the eastern Xiaojiang fault zone. The minimum strain is located in east area of Yunnan. The calculation of each block motion direction and velocity has been inconsistent. Yunnan east area goes by anti-clockwise rotation and other blocks clockwise rotation. The slip rate of the main fault zone based on block model inversion is consistent with the geological method.

GPS; active block; crustal deformation; slip rate; Euler rotation

著錄：孫云梅，李金平.基于GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的云南地區(qū)地殼形變特征研究[J].測(cè)繪工程，2017，26(11)：32-36.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.11.007

2017-03-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41461087)

孫云梅(1992-),女,碩士研究生.

P228

A

1006-7949(2017)11-0032-05