GPS觀測結果的精化分析與中國大陸現今地殼形變場研究

王敏

(中國地震局地質研究所，北京 100029)

GPS觀測結果的精化分析與中國大陸現今地殼形變場研究

王敏

(中國地震局地質研究所，北京 100029)

20世紀60年代以來板塊構造理論解釋海洋地殼構造與形變取得極大成功并被全球地球科學家所接受。但是人們也意識到，大陸內部構造形變并不能完全被板塊構造理論所解釋，因此板內構造與形變的研究一直是地球科學探索的熱點之一。在過去20多年的大陸動力學研究過程中，人們提出了多種理論和假設。針對中國大陸內部的形變模式，這些理論和假設基本上可以歸結為“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今地殼運動資料的實際驗證。隨著GPS觀測手段的出現，這種狀況得到了很大的改觀。本文在精化分析GPS觀測資料的基礎上，對中國大陸現今地殼形變場進行研究。

以中國地殼運動觀測網絡的GPS觀測資料為主，輔以區域性的加密觀測資料及中國周邊地區的觀測資料，借助GAMIT軟件對數據進行處理。數據處理采用衛星軌道的松弛模式，在處理中國大陸區域數據的同時，還處理了同期全球IGS站的數據，確保模型和方法的統一，并避免不同時期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、長基線的載波相位模糊度解算技術等，確保后續研究的可靠性和嚴密性。

GPS觀測得到的地殼形變場通常包含有構造形變與非構造形變兩類信息，認知非構造形變對GPS定位結果的影響，探尋消除和修正非構造形變的方法是非常必要的。本文運用國際衛星對地觀測資料及各類地球物理模型，定量計算海潮、大氣、積雪和土壤水、海洋非潮汐4項負荷效應造成的地殼非構造形變，并以此研究和修正這些非構造形變對中國地殼運動觀測網絡GPS基準站位置時間序列的影響。研究發現此4項負荷效應，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%;對于垂向時間序列的周年項部分，這一改正可降低其振幅的～37%。研究還表明，經過地球物理模型改正和周年、半周年諧波擬合改正的時間序列，比僅經過周年、半周年諧波擬合改正的時間序列更為平滑，表明地球物理模型改正對于消除非構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數據、分析各類因素所導致的地殼非構造形變對GPS定位結果影響的基礎上，采用多年來在工作實踐中逐步探索和發展起來的一套高精度GPS數據處理模式，借助QOCA軟件，在地震地表破裂模型約束下估計地震的同震和震后形變，并同時導出中國大陸地殼運動速度場。GPS點的垂直運動速率結果顯示，除東北和華南外，中國大陸大部分區域都存在上升趨勢，特別是華北地區和青藏高原的上升速率最大達到了5 mm/a。

以剛性塊體運動模型為基礎，發展可形變塊體模型。在綜合地質、地震和大地測量多方面研究成果的基礎上初步將中國大陸及周邊地區劃分為27個塊體，然后通過F檢驗判定塊體的性質(剛性或可均勻形變)和剛性塊體的相對獨立性，最終得到22個獨立的活動塊體。研究結果表明中國大陸形變場可分為3類地區:第一類地區是中國大陸東部(南北帶以東)及準噶爾和塔里木盆地塊體。這些區域內部結構完整，不發生內部形變，相鄰GPS點不發生相對位移，地震活動性較弱，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。這類地區的地殼形變表現出塊體運動特征，形變主要集中在塊體邊界，但內部仍然具有一定的構造活動性，塊體的空間尺度也有限。第三類地區包括青藏高原內部、天山造山帶和川滇地區。各類形變在全區域內廣泛分布，包括擠壓、剪切和拉張，形變很難用具有相當規模的塊體運動來描述。

通過分析各類地區巖石圈結構以及形變模式推斷:中國大陸地殼形變模式主要由地殼結構所控制。中國大陸東部及準噶爾和塔里木盆地地區地殼介質具有相當強度，形變表現為剛性塊體的相對運動。印度板塊的北向擠壓造成青藏高原和天山的隆起并產生巨厚地殼，殼內溫度上升，下地殼低速高導層發育，介質呈較強粘塑性，地殼脆性層在下地殼塑性流變場作用下產生各種類型的、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構為第一、三類地區之間的過渡區，其形變特征也介于第一、三類地區之間，為強度較低的較小活動塊體在邊界作用力下的運動與形變。

綜合GPS觀測得到的水平與垂直形變場結果及上述巖石圈結構模型，對青藏高原內部及周邊地區的形變模式及其機制給出了新的解釋。(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形變表現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;下地殼內印度板塊斜向推進造成～2 mm/a的地表隆升。(3)班公—怒江以北的羌塘地區表現為強烈的南北向擠壓(應變率～25×10－9strain/a)和東西向拉張(應變率～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，推動地表～5 mm/a的快速隆升。(4)高原北部的柴達木塊體南北向主壓應變率達～25×10－9strain/a，大于東西向的主張應變率 ～4×10－9strain/a;該地區巖石圈內解耦并不充分，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，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動與形變的主要驅動力已被地學界所公認。但中國大陸東部地區地殼運動場的驅動力如何卻尚存爭議。本文的塊體模型結果顯示中國大陸東部塊體整體呈現向東偏南運動，運動量從北往南逐漸增大，同時華北和東北塊體還存在0.7×10－9～1.7×10－9radian/a的逆時針旋轉，揭示從北往南歐亞板塊東緣動力學邊界條件的變化。在此基礎上進一步結合前人地質、地震與力學模型方面的研究成果，得出中國大陸東部地區形變場動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論。

2008年5月12日發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觀測數據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。破裂斷層的錯動在南段以逆沖為主，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。破裂斷層的最大錯動量分別達到了7.9 m和7.5 m，恰好對應這次地震中地表破壞最為嚴重的映秀和北川地區。本次地震釋放的地震矩為0.678×1021N·m，對應矩震級MW=7.9。

GPS;中國大陸地殼形變場;非構造形變;可形變塊體運動模型;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