李萬能，金平偉，向家平，張自軍，李嵐斌

（珠江水利委員會(huì)珠江流域水土保持監(jiān)測(cè)中心站，廣東 廣州510611）

0 引 言

中國(guó)大陸位于歐亞板塊塊體上，被夾持在印度板塊、菲律賓板塊、太平洋板塊以及西伯利亞－蒙古板塊之間，是亞洲東部新構(gòu)造變形極其強(qiáng)烈的區(qū)域，特別是南部地震帶以西的青藏高原和西北地區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)更為強(qiáng)烈、復(fù)雜［1］。關(guān)于中國(guó)大陸板塊體構(gòu)造及其運(yùn)動(dòng)已有很多研究，文獻(xiàn)［2］與文獻(xiàn)［3］給出了中國(guó)及鄰區(qū)活動(dòng)板塊、亞板塊與塊體劃分和板內(nèi)塊體的現(xiàn)今運(yùn)動(dòng)圖像。

對(duì)于中國(guó)大陸周邊板塊的作用已有大量的研究，但絕大部分都是定性描述，GPS技術(shù)的應(yīng)用為有效解決這個(gè)問題奠定了基礎(chǔ)［4］。我國(guó)開展GPS空間大地測(cè)量已有20多年，結(jié)合全球?qū)W者對(duì)青藏高原地區(qū)20年的研究成果，可利用數(shù)據(jù)融合得到統(tǒng)一ITRF2005下的GPS的速度場(chǎng)，通過得到的速度場(chǎng)結(jié)果探討中國(guó)大陸各個(gè)塊體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

1 剛性板塊運(yùn)動(dòng)的基本理論

如果將板塊當(dāng)作剛性體，則板塊運(yùn)動(dòng)歐拉矢量w與測(cè)站地心速度V之間有

式中r是測(cè)站地心位置矢量。

因板塊運(yùn)動(dòng)主要反映在水平站速度之中，目前VLBI、SLR、GPS三種技術(shù)確定垂直站速度還不夠精確［5］，直接采用地心站速度V可能會(huì)使板塊運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)受到垂向站速度誤差的影響。實(shí)際應(yīng)用中，常把測(cè)站地心速度轉(zhuǎn)換為站心速度，并采用水平分量（東向速度Ve和北向速度Vn）求解板塊歐拉矢量w.

由于板塊運(yùn)動(dòng)主要沿水平方向，而ITRF2005速度場(chǎng)是地心直角坐標(biāo)速度，通過式（2）轉(zhuǎn)換為地面坐標(biāo)，并將水平速度分離出來。

式中：λ和φ分別是測(cè)站的經(jīng)度和緯度；r為每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的矢徑；［VnVe］為測(cè)站站心速度；［VxVyVz］為測(cè)站地心速度。

式中：［X，Y，Z］為站點(diǎn)站心三維坐標(biāo)；［wx，wy，wz］為角速度分量。

需要注意的是，由于測(cè)站高程變化對(duì)Ve、Vn影響很小，故許多文獻(xiàn)將式（3）近似表示為

如果已知一定數(shù)量的點(diǎn)的位置坐標(biāo)及其速度，可以按照式（4）求出歐拉矢量的分量wx，wy，wz，其歐拉矢量表示的球面坐標(biāo)為（Ω，λ，φ）。

其中：

按誤差傳播率可得（Ω，λ，φ）的中誤差

式中 ［σΩσλσφ］為球面坐標(biāo)誤差分量。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 GPS數(shù)據(jù)融合

對(duì)速度場(chǎng)進(jìn)行融合，必須將不同參考框架下的速度轉(zhuǎn)到同一參考框架下。選用ITRF2005作為統(tǒng)一參考框架，經(jīng)速度場(chǎng)數(shù)據(jù)融合，得到統(tǒng)一框架下的全球地殼運(yùn)動(dòng)水平速度場(chǎng)。具體分為三個(gè)步驟：①空間坐標(biāo)框架轉(zhuǎn)到ITRF2005參考框架；②區(qū)域參考框架轉(zhuǎn)到ITRF2005參考框架；③用多組數(shù)據(jù)公共點(diǎn)融合速度場(chǎng)［6］。

1）空間坐標(biāo)框架轉(zhuǎn)到ITRF2005參考框架

國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織（IERS）給出了多數(shù)ITRF參考框架之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，利用這些轉(zhuǎn)換參數(shù)可將相對(duì)某框架的速度轉(zhuǎn)到目標(biāo)框架下。但大多數(shù)情況下，參考框架間的轉(zhuǎn)換參數(shù)是未知的，需要知道它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，通過對(duì)應(yīng)的IGS站的數(shù)據(jù)求轉(zhuǎn)換參數(shù)，通常采用七參數(shù)的布爾沙（Bursa）模型。

2）區(qū)域參考框架轉(zhuǎn)到ITRF2005參考框架

目前，研究地殼運(yùn)動(dòng)的速度場(chǎng)框架既有全球框架，如ITRF、WGS84等，也有區(qū)域參考框架，如相對(duì)歐亞參考框架、相對(duì)北美參考框架等。在研究區(qū)域問題時(shí)，區(qū)域框架比全球框架更能直觀地反映地殼的運(yùn)動(dòng)情況。全球參考框架和區(qū)域參考框架都可用七參數(shù)轉(zhuǎn)換方法轉(zhuǎn)到統(tǒng)一的參考框架系統(tǒng)。

3）用多組數(shù)據(jù)的公共點(diǎn)進(jìn)行速度場(chǎng)融合

經(jīng)過以上兩步處理，利用各組數(shù)據(jù)中的公共點(diǎn)，由最小二乘法求解出參考框架之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，從而把不同框架下的速度轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的ITRF2005參考框架下。多期觀測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一參考框架下后，數(shù)據(jù)可能存在重復(fù)與誤差比較大的點(diǎn)。為了得到統(tǒng)一、自洽的速度場(chǎng)，還需進(jìn)行數(shù)據(jù)融合工作。對(duì)于重復(fù)的測(cè)站，用加權(quán)平均方法得到最后的速度；對(duì)于后者，一般用2倍中誤差進(jìn)行篩選后刪除［7］。

2.2 基于ITRF2005中國(guó)大陸水平運(yùn)動(dòng)場(chǎng)結(jié)果

選取從1990－2009年間研究中國(guó)大陸板塊的速度場(chǎng)結(jié)果，通過數(shù)據(jù)融合得到中國(guó)大陸的水平運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)的結(jié)果，如圖1所示。

從圖中可以明顯看出中國(guó)大陸整體運(yùn)動(dòng)基本特征，在全球ITRF2005框架下，中國(guó)大陸存在明顯的向東運(yùn)動(dòng)。向東運(yùn)動(dòng)速率各個(gè)地塊有所不同。其中，青藏地區(qū)東南和南北地震帶的中南部最大，最大可以達(dá)到91.3mm／a，最小31.6mm／a，一般為40～60mm／a.其次為東南地區(qū)，最大可以達(dá)到65mm／a，最小為24.6mm／a，一般為30～40mm／a.最小的為東北地區(qū)，最大可以達(dá)到30.9mm／a，最小為18.2mm／a，平均大概在20～30mm／a.這個(gè)結(jié)果與李延興結(jié)果從整體上有很好的一致性［8］，只是數(shù)值略大一些。

2.3 最新ITRF2005基準(zhǔn)下的中國(guó)大陸板塊趨勢(shì)結(jié)果

對(duì)中國(guó)大陸進(jìn)行板塊劃分的結(jié)果比較多［1，8－11］，采用石耀 霖結(jié)論 將中國(guó) 大 陸 劃 分為9個(gè)塊體，分別為東北塊體（DB）、華北塊體（HB）、華南塊體（HN）、鄂爾多斯塊體（EED）、川滇塊體（CD）、準(zhǔn)格爾－阿拉善塊體（ZGE）、柴達(dá)木塊體（CDM）、西藏塊體（XZ）與塔里木塊體（CLM）。

采用金雙根對(duì)各個(gè)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行臺(tái)站剛體檢驗(yàn)［12］，通過得到的GPS的數(shù)據(jù)利用式（1）～式（5）計(jì)算以上9個(gè)塊體的歐拉極位置以及轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，如表1所示。

表1 中國(guó)大陸9個(gè)塊體的絕對(duì)歐拉矢量（相對(duì)于ITRF2005）

圖1 1990－2009年基于ITRF2005框架下中國(guó)大陸GPS水平速度場(chǎng)

從表中可以看出，不同塊體轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度大小差異比較明顯，歐拉極的位置差異也比較明顯。一般來說，西部地區(qū)最大，其次為東南地區(qū)，最小的為東北地區(qū)。文中結(jié)果與張強(qiáng)得到的華南塊體、塔里木塊體結(jié)果基本上一致［13］，與華北塊體、川滇塊體、西藏塊體存在一定差異。本文結(jié)果與石耀霖結(jié)果存在明顯的差別［1］，主要原因有幾條：

1）收集的GPS數(shù)據(jù)量不同；

2）收集數(shù)據(jù)具有平均性；

3）臺(tái)站選取方法不同。

基于以上原因，導(dǎo)致結(jié)果存在一定差異性，然而文中通過多組數(shù)據(jù)計(jì)算得出的歐拉矢量具有一定的可靠性。由于目前GPS數(shù)據(jù)的收集以及測(cè)站的增加，對(duì)于各個(gè)板塊的趨勢(shì)精度具有很大的提高。

3 結(jié) 論

確定的中國(guó)地殼各個(gè)構(gòu)造塊體的歐拉矢量與丁國(guó)瑜建立的中國(guó)各個(gè)構(gòu)造板塊運(yùn)動(dòng)的地質(zhì)學(xué)模型呈現(xiàn)較好的一致性［2］，驗(yàn)證了丁國(guó)瑜所建立的地質(zhì)學(xué)模型的可靠性和合理性。得出各個(gè)塊體的運(yùn)動(dòng)速率明顯大于丁國(guó)瑜的地質(zhì)模型的值，對(duì)于其產(chǎn)生原因是一個(gè)值得進(jìn)一步研究的重要課題。

通過多年的GPS成果分析中國(guó)各個(gè)構(gòu)造塊體的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，是目前地學(xué)研究中一個(gè)比較新的領(lǐng)域，結(jié)合目前大地測(cè)量中的數(shù)據(jù)融合技術(shù)方法，分析中國(guó)大陸的1990－2009年間平均的趨勢(shì)，其結(jié)果具有明顯的平均效果，雖然結(jié)果與多位學(xué)者結(jié)果存在一定差距，但是整體趨勢(shì)具有一致性。

［1］ 石耀霖，朱守彪.利用GPS觀測(cè)資料劃分現(xiàn)今活動(dòng)塊體的方法［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2004，24（2）：1－5.

［2］ 丁國(guó)瑜.中國(guó)巖石圈動(dòng)力學(xué)概論［M］.北京：地震出版社，1991.

［3］ 馬杏垣，丁國(guó)瑜.中國(guó)巖石圈動(dòng)力學(xué)地圖集［M］.北京：中國(guó)地震出版社，1979.

［4］ 楊國(guó)華，江在森，武艷強(qiáng)，等.中國(guó)大陸整體無凈旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)及其應(yīng)用［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2005，25（4）：6－10.

［5］ PETER B.An updated digital model of plate boundaries［J］.Geochem.Geophys.Geosysr，2003，4（3）：1027－1030.

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［7］ 朱文耀，韓繼龍，馬文章.基于ITRF96和ITRF97板塊運(yùn)動(dòng)模型［J］.天文學(xué)報(bào)，2000，41（3）.312－319.

［8］ 李延興，張靜華，李 智，等.由GPS網(wǎng)融合得到的中國(guó)大陸及周邊地區(qū)的地殼水平運(yùn)動(dòng)［J］.測(cè)繪學(xué)報(bào)，2003，32（3）：301－307.

［9］ 黃立人，馬 青.GPS測(cè)站所處構(gòu)造位置的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)［J］.地殼形變與地震，1999，19（4）：27－31.

［10］ 黃立人.用于相對(duì)穩(wěn)定點(diǎn)組判別的QUAD法［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2002，22（2）：10－15.

［11］ 伍吉倉(cāng)，鄧康偉，陳永奇.用邊長(zhǎng)變化結(jié)果計(jì)算地應(yīng)變及塊體劃分［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2002，22（4）：35－38.

［12］ 金雙根，朱文耀.確定板塊運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的臺(tái)站選?。跩］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2003，23（3）：56－60.

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