王敏

(中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029)

GPS觀測結(jié)果的精化分析與中國大陸現(xiàn)今地殼形變場研究

王敏

(中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029)

20世紀(jì)60年代以來板塊構(gòu)造理論解釋海洋地殼構(gòu)造與形變?nèi)〉脴O大成功并被全球地球科學(xué)家所接受。但是人們也意識到，大陸內(nèi)部構(gòu)造形變并不能完全被板塊構(gòu)造理論所解釋，因此板內(nèi)構(gòu)造與形變的研究一直是地球科學(xué)探索的熱點(diǎn)之一。在過去20多年的大陸動(dòng)力學(xué)研究過程中，人們提出了多種理論和假設(shè)。針對中國大陸內(nèi)部的形變模式，這些理論和假設(shè)基本上可以歸結(jié)為“大陸逃逸”和“地殼增厚”兩大理論。兩大理論的長期并存與爭議，重要的原因之一是缺乏現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)資料的實(shí)際驗(yàn)證。隨著GPS觀測手段的出現(xiàn)，這種狀況得到了很大的改觀。本文在精化分析GPS觀測資料的基礎(chǔ)上，對中國大陸現(xiàn)今地殼形變場進(jìn)行研究。

以中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測網(wǎng)絡(luò)的GPS觀測資料為主，輔以區(qū)域性的加密觀測資料及中國周邊地區(qū)的觀測資料，借助GAMIT軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理采用衛(wèi)星軌道的松弛模式，在處理中國大陸區(qū)域數(shù)據(jù)的同時(shí)，還處理了同期全球IGS站的數(shù)據(jù)，確保模型和方法的統(tǒng)一，并避免不同時(shí)期IGS精密星歷的偏差。在模型方面，采用了目前國際上最新的研究成果，例如天線的絕對相位中心模型、全球氣象模型和映射函數(shù)、長基線的載波相位模糊度解算技術(shù)等，確保后續(xù)研究的可靠性和嚴(yán)密性。

GPS觀測得到的地殼形變場通常包含有構(gòu)造形變與非構(gòu)造形變兩類信息，認(rèn)知非構(gòu)造形變對GPS定位結(jié)果的影響，探尋消除和修正非構(gòu)造形變的方法是非常必要的。本文運(yùn)用國際衛(wèi)星對地觀測資料及各類地球物理模型，定量計(jì)算海潮、大氣、積雪和土壤水、海洋非潮汐4項(xiàng)負(fù)荷效應(yīng)造成的地殼非構(gòu)造形變，并以此研究和修正這些非構(gòu)造形變對中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測網(wǎng)絡(luò)GPS基準(zhǔn)站位置時(shí)間序列的影響。研究發(fā)現(xiàn)此4項(xiàng)負(fù)荷效應(yīng)，特別是大氣、積雪和土壤水，對于測站垂向位置的影響顯著;通過地球物理模型改正可以使測站垂向位置的RMS降低～1 mm，占其總量的～11%;對于垂向時(shí)間序列的周年項(xiàng)部分，這一改正可降低其振幅的～37%。研究還表明，經(jīng)過地球物理模型改正和周年、半周年諧波擬合改正的時(shí)間序列，比僅經(jīng)過周年、半周年諧波擬合改正的時(shí)間序列更為平滑，表明地球物理模型改正對于消除非構(gòu)造形變的作用不是周年、半周年諧波擬合改正所能替代的。

在精化分析GPS數(shù)據(jù)、分析各類因素所導(dǎo)致的地殼非構(gòu)造形變對GPS定位結(jié)果影響的基礎(chǔ)上，采用多年來在工作實(shí)踐中逐步探索和發(fā)展起來的一套高精度GPS數(shù)據(jù)處理模式，借助QOCA軟件，在地震地表破裂模型約束下估計(jì)地震的同震和震后形變，并同時(shí)導(dǎo)出中國大陸地殼運(yùn)動(dòng)速度場。GPS點(diǎn)的垂直運(yùn)動(dòng)速率結(jié)果顯示，除東北和華南外，中國大陸大部分區(qū)域都存在上升趨勢，特別是華北地區(qū)和青藏高原的上升速率最大達(dá)到了5 mm/a。

以剛性塊體運(yùn)動(dòng)模型為基礎(chǔ)，發(fā)展可形變塊體模型。在綜合地質(zhì)、地震和大地測量多方面研究成果的基礎(chǔ)上初步將中國大陸及周邊地區(qū)劃分為27個(gè)塊體，然后通過F檢驗(yàn)判定塊體的性質(zhì)(剛性或可均勻形變)和剛性塊體的相對獨(dú)立性，最終得到22個(gè)獨(dú)立的活動(dòng)塊體。研究結(jié)果表明中國大陸形變場可分為3類地區(qū):第一類地區(qū)是中國大陸東部(南北帶以東)及準(zhǔn)噶爾和塔里木盆地塊體。這些區(qū)域內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整，不發(fā)生內(nèi)部形變，相鄰GPS點(diǎn)不發(fā)生相對位移，地震活動(dòng)性較弱，塊體的空間尺度很大，均在上千公里以上。第二類地區(qū)處于青藏高原的邊緣帶，如阿拉善、西寧及西南龍門山塊體。這類地區(qū)的地殼形變表現(xiàn)出塊體運(yùn)動(dòng)特征，形變主要集中在塊體邊界，但內(nèi)部仍然具有一定的構(gòu)造活動(dòng)性，塊體的空間尺度也有限。第三類地區(qū)包括青藏高原內(nèi)部、天山造山帶和川滇地區(qū)。各類形變在全區(qū)域內(nèi)廣泛分布，包括擠壓、剪切和拉張，形變很難用具有相當(dāng)規(guī)模的塊體運(yùn)動(dòng)來描述。

通過分析各類地區(qū)巖石圈結(jié)構(gòu)以及形變模式推斷:中國大陸地殼形變模式主要由地殼結(jié)構(gòu)所控制。中國大陸東部及準(zhǔn)噶爾和塔里木盆地地區(qū)地殼介質(zhì)具有相當(dāng)強(qiáng)度，形變表現(xiàn)為剛性塊體的相對運(yùn)動(dòng)。印度板塊的北向擠壓造成青藏高原和天山的隆起并產(chǎn)生巨厚地殼，殼內(nèi)溫度上升，下地殼低速高導(dǎo)層發(fā)育，介質(zhì)呈較強(qiáng)粘塑性，地殼脆性層在下地殼塑性流變場作用下產(chǎn)生各種類型的、多層次的形變，形變廣泛分布而不局限于少量塊體邊界。青藏高原邊緣的地殼結(jié)構(gòu)為第一、三類地區(qū)之間的過渡區(qū)，其形變特征也介于第一、三類地區(qū)之間，為強(qiáng)度較低的較小活動(dòng)塊體在邊界作用力下的運(yùn)動(dòng)與形變。

綜合GPS觀測得到的水平與垂直形變場結(jié)果及上述巖石圈結(jié)構(gòu)模型，對青藏高原內(nèi)部及周邊地區(qū)的形變模式及其機(jī)制給出了新的解釋。(1)印度板塊的北北東向推擠造成跨喜馬拉雅山脈的水平匯聚和垂向隆升，水平匯聚速率為12～15 mm/a，隆升速率超過5 mm/a。(2)喜馬拉雅以北、班公—怒江縫合線以南地區(qū)形變表現(xiàn)為近南北向壓縮和近東西向拉張，并且壓縮量與拉張量大致均衡，為15×10－9～20×10－9strain/a;下地殼內(nèi)印度板塊斜向推進(jìn)造成～2 mm/a的地表隆升。(3)班公—怒江以北的羌塘地區(qū)表現(xiàn)為強(qiáng)烈的南北向擠壓(應(yīng)變率～25×10－9strain/a)和東西向拉張(應(yīng)變率～20×10－9strain/a)，韌性的下地殼與上地幔受到下插印度板塊前緣的北向推擠而增厚，推動(dòng)地表～5 mm/a的快速隆升。(4)高原北部的柴達(dá)木塊體南北向主壓應(yīng)變率達(dá)～25×10－9strain/a，大于東西向的主張應(yīng)變率 ～4×10－9strain/a;該地區(qū)巖石圈內(nèi)解耦并不充分，南北向匯聚造成全巖石圈整體增厚，從而推動(dòng)地表隆升1～3 mm/a。

中國大陸處于歐亞、印度、太平洋和菲律賓板塊的交匯地區(qū)，印度板塊向歐亞板塊的碰撞與推擠是中國大陸西部地殼運(yùn)動(dòng)與形變的主要驅(qū)動(dòng)力已被地學(xué)界所公認(rèn)。但中國大陸東部地區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)場的驅(qū)動(dòng)力如何卻尚存爭議。本文的塊體模型結(jié)果顯示中國大陸東部塊體整體呈現(xiàn)向東偏南運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)量從北往南逐漸增大，同時(shí)華北和東北塊體還存在0.7×10－9～1.7×10－9radian/a的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，揭示從北往南歐亞板塊東緣動(dòng)力學(xué)邊界條件的變化。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步結(jié)合前人地質(zhì)、地震與力學(xué)模型方面的研究成果，得出中國大陸東部地區(qū)形變場動(dòng)力源主要在于太平洋和菲律賓板塊東向退行造成的東西向拉張、且由北向南逐步增大的結(jié)論。

2008年5月12日發(fā)生在四川汶川的大地震造成映秀—北川斷裂和灌縣—江油斷裂同時(shí)破裂，分別形成了240多公里和70多公里的地表破裂帶。分析地震前、后GPS觀測數(shù)據(jù)獲得地震同震形變場，并以該同震形變場為約束，反演地震破裂的空間分布。反演結(jié)果顯示映秀—北川主破裂帶傾向北西，沿破裂帶的走向從南到北傾角逐漸變大，破裂斷層的平均寬度在12～15 km左右。破裂斷層的錯(cuò)動(dòng)在南段以逆沖為主，在北段走滑分量逐步加大，右旋走滑成為斷層破裂的主要特征。破裂斷層的最大錯(cuò)動(dòng)量分別達(dá)到了7.9 m和7.5 m，恰好對應(yīng)這次地震中地表破壞最為嚴(yán)重的映秀和北川地區(qū)。本次地震釋放的地震矩為0.678×1021N·m，對應(yīng)矩震級MW=7.9。

GPS;中國大陸地殼形變場;非構(gòu)造形變;可形變塊體運(yùn)動(dòng)模型;汶川地震

(作者電子信箱，王 敏:mwang@gps.gov.cn)

P54，P22;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.03.011