基于GPS 數(shù)據(jù)的閩臺地區(qū)地殼運動與應(yīng)變場特征*

李 強，袁麗文，王紫燕

（福建省地震局，福建 福州 350003）

隨著空間大地測量GPS 定位精度的提高，其觀測結(jié)果已得到了廣泛應(yīng)用（如板塊運動、地面沉降、火山活動、冰后回彈等），同時也為從地殼形變來研究地震提供了廣闊的空間[1]。我國在“九五”和“十一五”期間，以地震監(jiān)測為主要目標(biāo)先后實施了重大科學(xué)工程“中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)”和“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”，揭示了中國大陸地殼運動的一些基本特征，如印度板塊與亞歐板塊相對運動的90%以上由青藏高原及周邊斷裂帶所吸收，川滇地塊順時針旋轉(zhuǎn)等[2]。各省也逐漸建立區(qū)域GPS 觀測臺網(wǎng)，極大地推動了各區(qū)域地殼形變及地震科學(xué)的相關(guān)研究工作。

閩臺地區(qū)（含福建、臺灣海峽和臺灣地區(qū)）地處亞歐板塊與菲律賓海板塊擠壓碰撞的前沿地帶，區(qū)域動力背景復(fù)雜。區(qū)域內(nèi)地殼運動與變形差異較大，福建地區(qū)地殼形變相對穩(wěn)定，而臺灣地區(qū)地殼變形劇烈。以往，相關(guān)學(xué)者在閩臺地區(qū)利用各自區(qū)域的GPS 觀測資料，進行地殼運動及變形研究。如林樹等[3]研究福建地區(qū)地殼運動與變形，結(jié)果顯示：福建沿海地區(qū)以北西向擠壓變形為主，在福建東南沿海應(yīng)變率量值最大，向內(nèi)陸地區(qū)量值逐漸減小。Yu 等[4]表明了在我國臺灣地區(qū)，菲律賓海板塊以約80mm/a 的高速率向亞歐板塊運動，其中花東縱谷斷裂帶處地殼運動發(fā)生劇烈變化，吸收了三分之一以上的板塊相對運動量。

由于目前福建地區(qū)和我國臺灣地區(qū)沒有共同開展GPS 聯(lián)測工作，兩地GPS 數(shù)據(jù)處于各自觀測，各自應(yīng)用的現(xiàn)狀，同時，由于臺灣海峽內(nèi)被海水覆蓋，除澎湖群島上有個別GPS 觀測點外，臺灣海峽大部分地區(qū)沒有觀測點。這使得無法從整體上認(rèn)識地殼運動是如何從形變劇烈的臺灣地區(qū)，逐漸過渡到形變較為穩(wěn)定的福建地區(qū)。針對這一問題，本文同時利用我國臺灣省和福建省兩地的GPS 速度場數(shù)據(jù)，推估出臺灣海峽地殼運動場，形成福建-臺灣海峽-臺灣的連續(xù)地殼運動及應(yīng)變場，該結(jié)果對于研究該區(qū)域的地震及其他地球動力學(xué)問題具有重要意義。

1 閩臺兩地GPS 速度場融合

福建地區(qū)GPS 數(shù)據(jù)由福建地震局GPS 數(shù)據(jù)中心獲取，臺灣地區(qū)GPS 數(shù)據(jù)由臺灣地震科學(xué)中心網(wǎng)站獲取，數(shù)據(jù)選取時段為2013 年，速度場如圖1 所示。由于閩臺兩地GPS 數(shù)據(jù)速度場采用的框架不同（福建為ITRF2005框架，臺灣為ITRF2000 框架），要融合這兩區(qū)域速度場，先要將參考框架統(tǒng)一。

圖1 閩臺地區(qū)GPS 速度場

圖2 閩臺地區(qū)連續(xù)地殼速度場與最大剪應(yīng)變場

由于臺灣地區(qū)處于板塊邊界處，閩臺兩地地殼變形程度差別懸殊，若采用全球框架轉(zhuǎn)換方法進行這兩個局部地區(qū)的速度場轉(zhuǎn)換時，可能會使參考框架框動影響帶到轉(zhuǎn)換后的速度場中，本文不采用這種方式?？紤]到我國臺灣省的金門島GPS 速度站點距離福建省的漳州和廈門地區(qū)的站點較近，將金門島的4 個GPS點速度取均值，用來代表金門及鄰近小區(qū)域地殼運動速度。將福建漳州及廈門靠近金門的3 個GPS 點速度取均值，也用來代表該小區(qū)域的地殼運動速度。將福建和臺灣地區(qū)速度場分別各自扣除上述2 個均值后，都表示相對于這2 個小區(qū)域的運動速度。上述2 個小區(qū)域十分接近，區(qū)域跨度也很小，可看出同一區(qū)域（以下將該小區(qū)域范圍稱為金廈地區(qū)）。扣除均值后的福建和臺灣地區(qū)速度場，都是相對于金廈地區(qū)的運動速度場，可視為同基準(zhǔn)，此處稱為金廈基準(zhǔn)，而這時得到的速度場可視為相同基準(zhǔn)。

2 閩臺地殼運動連續(xù)速度場推估

金廈地區(qū)基準(zhǔn)下的GPS 速度場包含了福建及臺灣地區(qū)，但缺少臺灣海峽地區(qū)速度場，因此，需要對臺灣海峽地區(qū)速度場進行推估。本文采用最小二乘配置推估臺灣海峽地區(qū)速度場[5]。其原理如下：

式中，Vo為GPS 站水平運動觀測速度向量；Ω 為歐拉剛性運動模型參數(shù)向量（非隨機參數(shù)）；A 是其經(jīng)典平差中系數(shù)矩陣（由GPS 觀測站坐標(biāo)信息組成），Vs表示有效信號部分（從Vo中扣除剛性運動后的殘余部分），為隨機參數(shù)，其在空間域連續(xù)分布的；n 為GPS 觀測速度中包含的隨機誤差。

利用公式（1）即可推估出臺灣海峽地區(qū)地殼運動速度場，然后融合金廈地區(qū)基準(zhǔn)下的福建和臺灣地區(qū)GPS速度場，構(gòu)建了福建-臺灣海峽-臺灣連續(xù)地殼運動速度場，結(jié)果如圖2（a）所示。在得到上述連續(xù)地殼運動場的基礎(chǔ)上，采用球面應(yīng)變場計算方法[6]，計算區(qū)域最大剪應(yīng)變場，結(jié)果如圖2（b）所示。

在全球框架下不利于識別局部變形，而采用局部基準(zhǔn)更有利于分析，圖2 顯示，在金廈地區(qū)基準(zhǔn)下，可以看出閩臺地區(qū)整體地殼運動的一些顯著基本特征：（1）閩臺區(qū)域地殼運動速度場由臺灣東部沿海較大量值開始，向西逐步減弱，進入臺灣海峽后，臺灣海峽北部地殼運動依然是北西向，而臺灣海峽南部和中部的地殼運動量值非常小，且沒有優(yōu)勢方向。而在福建近海，地殼運動量值依然較小，方向性不明顯。進入福建中西部，地殼運動量值雖小，方向存在一定的東向優(yōu)勢。上述特征說明，雖然海峽東部區(qū)域?qū)儆趤啔W板塊，但其在地殼運動上，更多受到菲律賓海板塊的影響，而該影響在臺灣海峽西部至福建沿海已經(jīng)不明顯。由此可知，菲律賓海板塊北西向與亞歐板塊在臺灣花東縱谷碰撞后，其對區(qū)域地殼運動影響從臺灣東部地區(qū)開始，一直到臺灣海峽東部地區(qū)，而臺灣海峽西部及福建近海地區(qū)，正是菲律賓海板塊與亞歐板塊對地殼運動影響強弱的分界區(qū)。在該分界區(qū)東部，菲律賓海板塊起主導(dǎo)作用，而分界區(qū)西部，亞歐板塊起主導(dǎo)作用。（2）臺灣海峽地區(qū)北部地殼運動速度強于中部和南部，且大于福建地區(qū)地殼運動速度，略小于臺灣西部平原地區(qū)，但量值差別不大。（3）臺灣地區(qū)地殼運動速度與福建地區(qū)差別巨大，量值相差可達數(shù)十倍。而這種巨大差別主要并不是通過臺灣海峽地區(qū)逐漸過渡完成的，而是由花東縱谷斷裂帶吸收了超三分之一的地殼相對運動量，在經(jīng)過臺灣島中部逐漸衰減，至臺灣西部平原時，速度場量值僅為原來的10%左右。

速度場給出的是地殼運動特征，其特征樣式與選取的參考基準(zhǔn)有關(guān)，而應(yīng)變場與基準(zhǔn)無關(guān)，反映的是地殼純變形特征。圖2（b）給出了閩臺地區(qū)整體區(qū)域最大剪應(yīng)變場。結(jié)果顯示，閩臺地區(qū)最大剪應(yīng)變場呈現(xiàn)由臺灣地區(qū)經(jīng)臺灣海峽向福建地區(qū)減弱的特征，臺灣地區(qū)最大剪應(yīng)變量值與福建地區(qū)相差1 個數(shù)量級。其中，臺灣西南部地殼剪切變形最大，臺灣海峽東部剪切變形程度顯著高于西部地區(qū)，而臺灣海峽西部至福建地區(qū)量值均較小，特別是福建近海及陸域，其最大剪應(yīng)變非常微弱，表明福建及其近海地殼比較穩(wěn)定。在臺灣海峽西部地區(qū)，坐標(biāo)（119°E，24°N）附近，存在一個長軸北東向，長軸長度近180km 的橢圓型區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)最大剪應(yīng)變高于海峽西部的其他區(qū)域?？傮w來看，臺灣海峽地區(qū)最大剪應(yīng)變分布具有明顯的不均勻性，且整體高于福建地區(qū)，首次可以直觀上從場分布角度展示臺灣海峽區(qū)域的地殼變形特征，這是以往僅僅使用跨臺灣海峽基線研究海峽地區(qū)地殼變形無法揭示的。

地震的發(fā)生與區(qū)域地殼變形程度密切相關(guān)，臺灣地區(qū)地殼變形劇烈，強震頻發(fā)，根據(jù)《中國強震目錄》，1900年以來，該區(qū)發(fā)生了52 次7 級以上強震，成為我國強震發(fā)生最為頻繁的區(qū)域。與其形成鮮明對比的是，在福建地區(qū)，5 級以上地震都少有發(fā)生，而臺灣海峽地區(qū)地震活動性弱于臺灣地區(qū)強于福建地區(qū)，這與圖2（b）給出的地殼變形程度由臺灣地區(qū)向福建地區(qū)遞減的特征相一致。通常從地殼形變與地震關(guān)系角度認(rèn)為，走滑型強震多發(fā)生在最大剪應(yīng)變高值區(qū)內(nèi)或其邊界處，2018 年臺灣海峽南部發(fā)生6.2 級走滑型地震，該地震震中正是位于圖2（b）描述的臺灣海峽最大剪應(yīng)變高值區(qū)邊界處。

3 結(jié)束語

通過金廈地區(qū)參考基準(zhǔn)，將福建地區(qū)和臺灣地區(qū)GPS 速度場融合，并推估了臺灣海峽地區(qū)地殼運動速度場，形成了閩臺地區(qū)連續(xù)地殼運動速度場，進而可以直觀顯示出從臺灣地區(qū)經(jīng)臺灣海峽到福建的地殼運動變化特征。閩臺地區(qū)最大剪應(yīng)變場顯示，區(qū)域地殼形變由強烈的臺灣地區(qū)，經(jīng)臺灣海峽地區(qū)過渡，再到福建減弱到極小。其中臺灣海峽地區(qū)地殼變形特征首次被揭示。在進行速度場推估時，會存在邊界效應(yīng)，對結(jié)果會有一定影響，但閩臺地區(qū)總體地殼運動與應(yīng)變場所顯示的分布特征是可靠的。通過閩臺地區(qū)地殼運動與應(yīng)變場圖像，對該區(qū)域變形特征，特別是從臺灣地區(qū)經(jīng)過臺灣海峽，再到福建地區(qū)地殼形變的變化樣式有了新的認(rèn)識，更有助于理解菲律賓海板塊在該區(qū)域的動力作用的強弱分布。