中國大陸現時地殼水平運動特征及其驅動機制*

敬少群 王佳衛 吳 云

(1)湖南省地震局，長沙 410004

2)中國地震局地震研究所，武漢430071)

中國大陸現時地殼水平運動特征及其驅動機制*

敬少群1)王佳衛1)吳 云2)

(1)湖南省地震局，長沙 410004

2)中國地震局地震研究所，武漢430071)

利用1999—2007年中國大陸及鄰區在ITRF2007參考框架下的1 068個GPS觀測成果，以地統計分析為基礎，應用運動學研究方法，分析了中國大陸及鄰區地殼表層速度場的分布特征，以及印度、歐亞、菲律賓、太平洋4大板塊在相互作用過程中，對中國大陸及其鄰區地殼表層運動與變形分布的影響范圍和程度以及驅動機制進行了分析。

GPS速度場;中國大陸及鄰區;巖石圈;地殼表層;地統計分析

1 前言

大陸巖石圈構造變形與演化的地球動力學理論一直是國際地球科學研究的前沿領域。中國大陸在與周緣板塊的相互作用過程中，大陸地殼在廣闊的時空域不間斷地進行著不同層次的構造變動，使其成為地學研究的熱點地區。而揭開中國大陸新生代地球動力學之謎的關鍵之一是具有完整可靠的地殼構造變形速度場來對構造變形進行定量描述。

傳統的地質學對此運動、動力過程的認識基本來自第四紀以來主要活動斷層的大量觀測調查，其結果實質上體現的是百萬年以來的地殼表層相對運動的平均狀態［1］。現今，盡管以GPS為主的現代測量成果，為研究中國大陸及鄰區塊體的劃分、大尺度運動與變形特征等問題提供了許多有價值的基礎資料，然而，由于資料空間分布的不均勻，加上已有認識水平的限制，使得不同研究者采用不同方法給出的無論是中國大陸整體還是局部地區的變形場的分布都有明顯差異［2-7］，迫切需要引入更為清晰的物理模型來分析資料。

2 資料來源及地統計分析

地統計學(地質統計學)是研究具有空間坐標變量(或特征)的空間分布特性并對其進行最優估計，或模擬所研究對象的離散性、波動性或其他性質的理論和方法［8］。

研究采用的中國大陸及鄰區1999—2007年1 068個GPS觀測點的速度數據，比較完整地給出了研究區在ITRF2007參考框架下的地殼運動速度場。從所得測站速度精度看，絕大多數測站速度分量的估值精度優于2.8 mm/a，占總數的99.8%，而估值精度優于1.7 mm/a的測站占總數的92.7%。

利用該GPS速度場，分別以速度的大小和方向(正北為正)作為統計量進行空間統計。考慮到GPS測站速度的估值精度、速度大小和方向計算時的誤差傳播，在統計分組(將統計樣本的取值區間，分割成若干等間距的子區間)時，取速度值間距2.8 mm/a作為組距，這樣得到的統計分組數為12，以此得到的速度方向的組距為0.137弧度(約7.85°)。

3 GPS速度場的空間統計分布特征

為表述方便，將位于同一統計分組內的各GPS站用同一種顏色標示在地圖上(圖1、2)。在速度方向的空間統計分組分布圖上，研究區整體向東運動，并在向東運動過程中，由西向東逐漸向南發生偏轉。而速度值的空間統計分布則顯示，可以根據速度值空間分組分布特征的差異，大體將研究區分成5個區，即：1)青藏地區(中間速率相對較大，四周速率相對較小);2)滇緬地區(速率由北向南逐漸減小); 3)新疆-東北地區(速率由南向北逐漸減小);4)華南地區(相對穩定);5)華北地區(過渡區)。

4 地殼表層相對巖石圈運動的計算

為解釋圖1與圖2之間的矛盾，假設在地表觀測到的年平均位移，由巖石圈整體運動的剛性位移與地殼表層因相對巖石圈運動及局部變形所產生的位移組成。由于還不能將地殼表層相對巖石圈的運動與地殼表層因變形所產生的運動分開，討論中，我們將其產生的位移統稱為地殼表層位移，即

式(1)中，如果地殼表層相對巖石圈的運動為零，且地殼表層變形運動微弱到可以忽略不計的話，則

又假設，圖1顯示的研究區整體的向東運動代表了研究區所在巖石圈整體的剛性運動，且該運動是勻速率的，即只有方向的變化，沒有大小的變化，那么將研究區地表觀測速度減去其所在巖石圈的剛性運動速度，就可得到地殼表層相對于巖石圈的運動及變形速度。即

5 地殼表層相對巖石圈運動速度計算的合理性分析

在對地殼表層相對巖石圈運動速度的計算中，我們假設地表觀測到的運動由巖石圈板塊的剛性運動與地殼表層因相對巖石圈運動及局部變形產生的運動兩部分組成;且假設研究區巖石圈板塊作為一個整體以均一速率運動。

考慮到研究區中華南地塊是具有較好剛性的穩定陸塊，故按式(2)可取華南地塊的平均運動速率作為巖石圈板塊的剛性運動速率;而巖石圈板塊剛性運動轉動分量引起的角度變化，由GPS觀測的地表年位移的地統計分析確定。這樣做的好處主要有：

1)基于GPS解算的位移場，僅采用簡單的統計平均，避免了地塊劃分、模型選擇等人為因素對研究區整體運動與地殼表層運動結果的影響，其結果更加客觀。

2)在ITRF2007參考框架下，直接采用地表相對地心在全球板塊運動背景下的絕對運動，不僅避免了在尋求合適的參考基準時，給人們帶來的困惑，也避免了在轉換參考基準時，形變信息的損失、納偽和變形成分對參考框架的干擾［9，10］。

3)直接在球面上進行運算，雖然不同GPS測點的海拔高程對其結果可能會有些影響，但相對地球半徑而言，這點差異微不足道。相比其他方法，本法可能更接近實際。

表1為采用不同方法，剔除研究區整體運動后獲取的研究區整體或局部地區位移場的分布特征。可以看出，采用本方法所獲取的研究區地殼表層速度場與前人研究得到的相對本底的運動變化場具有可比性。

圖1 GPS速度場方向的空間統計分布Fig.1 Spatial-statistics distribution of GPS velocity direction

圖2 GPS速度場大小的空間統計分布Fig.2 Spatial-statistics distribution of GPS velocity amplitude

表1 不同研究者給出的研究區的運動與變形特征與本研究結果的對比Tab.1 Comparison among this work and other works

6 地殼表層相對巖石圈運動速度的空間分布

仔細觀察圖3我們注意到：1)青藏高原及滇緬地塊地殼表層的運動十分顯著，它以流變方式圍繞喜馬拉雅東構造結順時針旋轉，與滇緬地塊物質的西向運動一起構成漩渦流;2)華南地塊相對巖石圈的地殼表層位移呈隨機狀零散分布，僅在其東部的福建沿海存在局部一致的指向海峽的速度分布;3)華北、東北地區相對巖石圈的地殼表層運動分為3個區，40°N以北地區，以西向運動為主，其運動幅度在東北斷塊區明顯大于華北斷塊區。40°N以南地區，西向運動僅發生在120°E以東地區，而華北斷塊區的其他地區不存在明顯的優勢運動方向;4)新疆斷塊區(含塔里木盆地)及青藏塊體北部相對巖石圈的地殼表層運動，除喜馬拉雅西構造結及其周圍較為復雜外，其他地區以西向運動為主。

7 地殼表層相對巖石圈運動的動力學意義

中國大陸地殼表層相對巖石圈運動速度場，不僅直觀地從大尺度刻畫了中國大陸構造運動與變形運動的特征，也清晰地展示了中國大陸在與周緣板塊的相互作用過程中，所受到的動力作用及其影響程度。

印度板塊持續向北的推擠對青藏地塊的影響十分明顯。但這種北向的推擠，隨著高原的隆升，高原物質自身平衡的調節及一系列深部構造活動等過程，已逐漸演變為與深部構造密切相關的向東“流動”［13-18］。由于受到華南地塊的阻擋，東向“流動”又逐漸轉變為向東北和東南方向的運動。

而印度板塊在興都庫什地區的深部俯沖、印度板塊持續向北推擠的遠程效應及北部西伯利亞地體的阻擋可能是新疆斷塊區(含塔里木盆地)及青藏塊體東北緣整體向西運動的原因。

菲律賓板塊向西俯沖對華南地塊的影響，只限于福建沿海地區，表現為局部一致的指向海峽的運動。

太平洋板塊向西俯沖對中國大陸的影響，在東北地塊、華北地塊的40°N以北地區和120°E以東地區明顯，表現為整體一致的NWW向的運動。而華北地塊的其他地區，由于受到印度板塊持續向北推擠的遠程效應、太平洋板塊俯沖及深部構造活動等的共同作用，使得該地區不存在明顯的優勢運動方向。

由于中國大陸周緣邊界動力條件的差異，使得中國大陸的運動與變形顯示出明顯的分區性。具體表現在地殼表層速度場的空間分布上，就是可以根據地殼表層速度場的空間分布差異將中國大陸分為5個運動與變形方式截然不同的區，這與鄧起東等［19］給出的中國大陸的Ⅰ級分區的結果是一致的。

8 結論與討論

1)在經典的地殼形變分析中，參考基準的選擇一直備受重視，其選擇恰當與否對于突出變形運動信息非常重要。有研究顯示，用歐亞板塊整體剛性運動為參考基準來研究中國大陸及鄰區相對變化時就顯得很不直觀，甚至還有可能損失形變信息或在某種程度上有納偽的嫌疑［20］。一些用模型擬合方法來剔除中國大陸及鄰區整體運動參數的做法，也存在模型選擇不恰當或因觀測點空間分布不均勻、變形成分干擾參考基準的問題。本研究所用的方法，避免了這類問題。它利用運動學原理，基于構造研究成果，直接采用ITRF2007參考框架下地表相對地心在全球板塊運動背景下的分組統計結果，更接近實際。而且，所獲得的相對巖石圈的地殼表層速度與其他作者獲取的研究區相對本底的速度具有可比性，但概念更清楚、物理意義更明確。

圖3 中國大陸及鄰區相對巖石圈的地殼表層速度場的空間分布Fig.3 Spacial distribution of surface movement related to lithosphere in Chinese mainland and its adjacent region

2)仔細觀察圖1，我們注意到，中國大陸及鄰區以105°E為界，西部在31°(74°—105°E)的空間范圍內，巖石圈整體運動的角度平均變化了56.03°，東部在25°(105°—130°E)范圍內變化了5.27°，若取1°≈111 km，那么西部每100 km的角度變化是1.6°，而東部只有0.19°。這意味著以105°E為界，從底部驅動著上覆地塊運動的扭力在西部明顯大于東部，這不僅可為西部地區活躍的構造活動提供深部動力環境，也可為地震活動性在西部明顯大于東部提供合理的力源。

致謝 衷心感謝王敏研究員提供GPS數據!

1 丁國瑜.中國的活斷層［A］.大陸地震活動和地震預報國際學術討論會論文集［C］.北京，地震出版社，1984，149 -163.(Ding Guoyu.Active faults in China［A］.Mainland seismic activity and earthquake prediction international symposium［C］.Beijing：Seismological Press，1984，149-163)

2 吳云，等.用GPS觀測結果對中國大陸及鄰區現今地殼運動和形變的初步探討［J］.地震學報，1999，21(5)，545 -553.(Wu Yun，et al.Current crustal motion and deformation in the China continent and its surrounding area determined form GPS data［J］.Acta Seismologica Sinica，1999，21 (5)：545-553)

3 任金衛.利用GPS觀測結果反演中國大陸及鄰區現代構造變形運動［J］.地球物理學報，2002，(增刊)：123-135.(Ren Jinwei.Deformation kinematics of China mainland determined from GPS observations［J］.Chinese Journal of Geophysics，2002，45(supp.)：123-135)

4 李延興，等.中國大陸活動地塊的運動與應變狀態［J］.中國科學(D輯)，2003，23(增刊)：65-81.(Li Yanxing，et al.The movement and strain for active tectonic block of Chinese mainland［J］.Science in China(Series D)，2003，3 (Supp.)：65-81)

5 王敏，等.現今中國大陸地殼運動與活動塊體模型［J］.中國科學(D輯)，2003，23(增刊)：21-32.(Wang Min，et al.Present crustal movement and active tectonic block model［J］.Science in China(Series D)，2003，23(Supp.)：21-32)

6 王 偉 ，王琪.GPS觀測約束下的中國大陸活動地塊運動學模型［J］.大地測量與地球動力學，2008，(4)：75-88.(Wang Wei and Wang Qi.Kinematical model of crustal blocks of china continent revealed by GPS measurements［J］.Journal of Geodesy and Geodynaics，2008，(4)：75-88)

7 游新兆，等.中國大陸地殼現今運動的GPS測量結果與初步分析［J］.地殼形變與地震，2001，(3)：1-8.(You Xinzhao，et al.GPS results of current crustal movement of china continent and primary analysis［J］.Crustal Deformation and Earthquake，2001，(3)：1-8)

8 牛之俊，等.中國大陸現今地殼運動速度場的最新觀測結果［J］.科學通報，2005，50(8)：839-840.(Niu Zhijun，et al.A latest observations of current crustal movement of china continent［J］.Chinese Science Bulletin，2005，50 (8)：839-840)

9 楊國華，等.中國大陸整體無凈旋轉基準及其應用［J］.大地測量與地球動力學，2005，(4)：6-10.(Yang Guohua，et al.No-net-rotation on crustal movement of china mainland and its application［J］.Journal of Geodesy and Geodynaics，2005，(4)：6-10)

10 江在森，等.利用GPS觀測結果研究地殼運動分布動態及其與強震的關系［J］.國際地震動態，2007，343，32-42.(Jiang Zaisen，et al.Study on the relations between distribution of crustal movement and strong earthquakes using GPS survey［J］.Recent Developments in World Seismolog，2007，343：32-42)

11 李延興，等.太平洋板塊俯沖對中國大陸的影響［J］.測繪學報，2006，35(2)：99-105.(Li Yanxing，et al.The underthrust of pacific plate to eurasian plate and its effect on chinese mainland［J］.Acta Geodaetica et Cartographica Sinica，2006，35(2)：99-105)

12 楊國華，等.中國大陸幾個主要地震活動區的水平形變［J］.大地測量與地球動力學，2003，(3)：42-49.(Yang Guohua，et al.Horizontal deformation in several major seismically active areas in chinese mainland［J］.Journal of Geodesy and Geodynaics，2003，(3)：42-49)

13 Rorden L H，et al.Surfac de formation and lower crustal flow in eastern Tibet［J］.Science，1997，276：788-790.

14 張培震.青藏高原東緣川西地區的現今構造變形、應變分配與深部過程［J］.中國科學(D輯)，2008，38(9)：1 041-1 056.(Zhang Peizhen.The present-day tectonic deformation and strain distribution and deep processes in the eastern edge of Qinghai-Tibet Plateau［J］.Science in China(Series D)，2008，38(9)：1 041-1 056)

15 王椿鏞，等.青藏高原東部殼幔速度結構和地幔變形場的研究［J］.地學前緣，2006，13(5)：349-359.(Wang Chunyong，et al.Study of crustal and upper mantle’s structure and mantle deformation field beneath the eastern Tibetan plateau［J］.Earth Science Frontiers，2006，13 (5)：349-359)

16 Bai et al.Crustal deformation of the eastern Tibetan plateau revealed by magnetotelluric imaging［J］.Nature Geoscience，2010，doi：10.1038/NGEO830.

17 熊熊，滕吉文.青藏高原東緣地殼運動與深部過程的研究［J］.地球物理學報，2002，45(4)：507-515.(Xiong Xiong and Teng Jiwen.Study on crustal movement and deep process in eastern Qinghai-Xizang plateau［J］.Chinese Journal of Geophysics，2002，45(4)：507-515)

18 Clark M K and Royden L H.Topographic ooze：building the eastern margin of Tibet by lower crustal flow［J］.Geology，2000，28(8)：703-706.

19 Deng Qidong，et al.Basic characteristics of active tectonics of China［J］.Science China Earth Sciences，2003，46(4)：356-372.

20 楊國華.水平形變場的函數描述及其實現方法［J］.地殼形變與地震，1992，(1)：46-51.(Yang Guohua.A description and realization of horizontal deformation field by the multi-kernel function［J］.Crustal Deformation and Earthquake，1992，(1)：46-51)

PRESENT-DAY HORIZONTAL SURFACE MOVEMENT AND ITS DRIVING MECHANISM OF CHINESE MAINLAND AND ITS ADJACENT REGION

Jing Shaoqun1)，Wang Jiawei1)and Wu Yun2)

(1)Earthquake Administration of Hunan，Changsha 410004 2)Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071)

In the work，on the basis of geo-statistics analysis，with the kinematics method and by use of the 1 068 results of GPS observation in the China continent and its adjacent under the ITRF2007 reference fromwork the distribution characteristics of the horizontal crustal velocity field and the driving mechanism are studied.The influence range and degree of relative action betwen the India，Eurosia，Philippines and Pacific Ocean Plates on the movement and deformation of the China continent and its adjacent region are analyzed as well.

GPS velocity field;Chinese mainland and its adjacent region;lithosphere;surface velocity field;geostatistics analysis

1671-5942(2011)06-0020-06

2011-09-06

敬少群，女，1967年生，碩士，高級工程師，主要從事地下流體、地殼形變和地震預測等方面的研究.E-mail：jingshq@yahoo.com.cn

P315.72+5

A