基于GPS觀測數據的云南地區地殼形變特征研究

孫云梅，李金平,2

(1.云南師范大學 旅游與地理科學學院，云南 昆明 650500；2.西部資源環境地理信息技術教育部工程研究中心，云南 昆明 650500)

基于GPS觀測數據的云南地區地殼形變特征研究

孫云梅1，李金平1,2

(1.云南師范大學 旅游與地理科學學院，云南 昆明 650500；2.西部資源環境地理信息技術教育部工程研究中心，云南 昆明 650500)

利用1999～2013年間多期GPS觀測數據，將云南地區分為5個活動塊體，研究區域現今水平運動特征、應變特征以及各塊體的運動特征，反演主要活動斷裂帶的走滑速率。結果表明，區域水平運動具有北強南弱的特征，小江斷裂帶、紅河斷裂帶對云南地區構造活動具有明顯控制作用，改變了斷裂帶兩側的運動特征；區域應變具有明顯的差異，西部以拉張應變為主，東部小江斷裂帶周邊地區拉張和擠壓應變均衡且為強應變區，滇東地區應變較小；各塊體運動方向與速率存在差異，滇東塊體為逆時針旋轉，其余塊體順時針旋轉；基于塊體模型反演的主要斷裂帶的走滑速率與地質方法獲取的走滑速率具有較好的一致性。

GPS；活動塊體；地殼形變；走滑速率；歐拉旋轉

云南地區位于青藏高原東南緣，地處喜馬拉雅弧形構造帶的東段轉折處，是甘孜褶皺系和三江褶皺系的發育區，北東向構造和北西向構造非常發育，存在著數條長斷裂帶[1]，如紅河斷裂、小江斷裂、曲江斷裂帶、程海斷裂帶、麗江—小金河斷裂帶、瀾滄江斷裂帶、怒江斷裂帶、南汀河斷裂帶等。這些斷裂帶控制著云南地區的構造活動，使地殼形變和地震活動十分強烈，成為地殼形變研究的熱點地區。洪敏等[2]分析云南省的GNSS連續觀測資料，得到云南地區最大剪應變變化速率存在西強東弱、北強南弱的特征；喬學軍等[3]根據1998～2002年間的GPS結果表明安寧河-則木河斷裂、小江斷裂及紅河斷裂對活動塊體的運動和旋轉起到明顯的吸收作用；程佳等[4]利用分布在塊體內部的GPS資料計算出各次級塊體的運動特征和邊界斷裂帶的活動習性；丁開華[5]等利用1998～2004年間的GPS觀測成果為約束，認為川滇地區的地殼運動由西向東、由北向南逐漸減弱，且以川滇菱形塊體順時針旋轉；楊國華等[6]利用1999～2001年100余個測站的GPS資料得到云南地區水平運動與形變特征，認為云南地區的構造活動具有雙重性和分群性，通常條件下，連續形變的活動模式比較突出。劉耀輝等[7]采用DEFNODE程序反演紅河斷裂帶走滑速率、三維閉鎖程度和滑動虧損分布,得到紅河斷裂帶閉鎖程度和應變積累程度都比較低；劉耀輝等[8]利用塊體模型研究小江斷裂帶地殼運動特征，結果表明小江斷裂帶閉鎖程度較高，應變率積累較大；施發奇[9]等以區域重心基準為參考，從大地測量變形角度研究了小江斷裂帶各段的地殼形變，得到小江斷裂帶具有明顯的左旋運動特征，并具有一定的張扭性；李煜航等[9]建立三維塊體幾何模型，利用1999～2007年的GPS數據反演得到青藏高原東緣中南部主要活動斷裂滑動速率，使用反演得到的滑動速率和最優斷層閉鎖深度估算了川滇菱形塊體主要邊界和其內部斷裂的地震矩積累；Loveless等[10]將青藏高原分為24個塊體，并利用塊體模型反演了青藏高原主要斷裂帶的走滑速率(含紅河斷裂帶)。

本文利用1999～2013年間的GPS觀測數據，結合地質及地球物理資料，研究云南地區的水平運動特征、應變特征以及各塊體運動特征，反演了主要活動斷裂帶走滑速率。

1 云南地區水平運動特征和應變特征

1.1 水平運動特征

云南地區的GPS觀測數據主要來自中國地殼運動監測網絡1999～2013年間的水平速度場。數據處理主要步驟：①采用GIPSY軟件，按標準流程進行嚴密的數據處理，獲得各站點坐標的單日松弛約束解；②用QOCA軟件，把所有單日松弛約束解進行聯合平差，獲得各站點在穩定歐亞參考框架下的坐標及水平速度矢量，如圖1所示。

圖1 云南地區GPS水平速度場(相對穩定歐亞參考框架)

從圖1可以看出：歐亞參考框架下云南地區水平運動特征是北強南弱，麗江小金河以北運動速率約為15.65mm/a，小江斷裂帶與紅河斷裂帶之間的滇中地區運動速率約為14.04 mm/a，安寧河-則木河-小江斷裂帶以東運動速率約為7.67 mm/a，紅河斷裂帶南部地區的運動速率約為8.3 mm/a，水平運動特征差異性是由于青藏高原地下物質在向東南移動時受到麗江-小金河斷裂帶、紅河斷裂帶和安寧河-則木河-小江斷裂帶的控制調節作用產生的。其中，麗江-小金河斷裂帶的控制調節作用弱，而作為川滇塊體邊界的紅河斷裂帶和小江斷裂帶具有較強的控制作用，使得運動速率減弱了45%左右。

1.2 應變特征

以塊體運動為主的地區，由于塊體間相互作用，不僅會產生平移和旋轉，同時其內部也會發生形變[5]。采用GPS速度場來計算應變率場可以很好的反映區域形變特征，但GPS站點一般沿主要斷裂帶布設，分布不均勻，因此采用文獻[12]的應變計算方法, 對非均勻分布的速度場進行0.5°×0.5°內插得到網格節點的速度矢量，進而計算出云南地區連續變化的應變率場和歐拉旋轉運動，如圖2和圖3所示。

圖2 云南地區現今主應變率圖

圖3 云南地區歐拉旋轉運動注：順時針旋轉 逆時針旋轉

圖2看出，云南地區應變特征具有分區性，具有明顯的弧形分區過渡帶(小應變值)。102°以西地區以拉張應變為主，拉張應變值為(20～40)×10-9/a；102°以東地區拉張應變與擠壓應變具有較好的均衡性，作為青藏高原東邊界的小江斷裂帶周邊區域為強應變區，拉張應變值為(30～60)×10-9/a,擠壓應變值為(40～70)×10-9/a，104°以東地區應變值為(2～16)×10-9/a，應變較弱。圖3看出，區域歐拉旋轉也具有分區性，102.25°以西區域為順時針旋轉，以東區域逆時針旋轉，小江斷裂帶旋轉速率相對較大，達(15～30)×10-9rad/a。

2 云南地區活動塊體及運動特征

2.1 活動塊體劃分

依據文獻[3-4，13]對川滇地區的塊體劃分結果，結合云南地區內發育的大型斷裂帶如紅河斷裂帶、麗江-小金河斷裂帶、小江斷裂帶、瀾滄江斷裂帶、怒江斷裂帶等和GPS數據揭示的速度場結果，將云南地區分為滇東塊體(Ⅰ)、滇中塊體(Ⅱ)、景谷-西盟塊體(Ⅲ)、騰沖-保山塊體(Ⅳ)、香格里拉塊體(Ⅴ)，如圖4所示。

圖4 云南地區活動塊體劃分及運動特征

2.2 活動塊體運動特征

將活動塊體視為剛體，運用剛體運動學中的歐拉定理求出轉動矢量。地殼GPS速度與歐拉矢量之間的關系[5，14]為

(1)

式中：vE和vN分別表示測站的東向速率和北向速率；λ和φ分別表示測站的經度和緯度；r為地球半徑；ωx，ωy，ωz分別表示歐拉運動矢量的三分量。利用ωx，ωy，ωz計算出歐拉矢量參數，其中Λ和φ分別為歐拉極的經度和緯度，Ω為角速率。

(2)

依據式(1)和式(2)計算出云南地區各活動塊體的歐拉運動參數，如表1所示，空間展布特征如圖4所示。

表1 云南地區各塊體的歐拉參數和運動矢量

注：歐拉矢量為正表示順時針旋轉，為負表示逆時針旋轉

從表1和圖4可以看出，滇東塊體歐拉旋轉為逆時針，其余塊體歐拉旋轉為順時針，其中各塊體的旋轉角速率、運動方向各異。各活動塊體的運動特征為：

1)滇東塊體。滇東塊體位于小江斷裂帶以東地區，地處華南構造區，該塊體沒有受到青藏高原側東向滑移變形的影響[3]。受小江斷裂帶的影響，滇東塊體與滇中塊體間的水平運動速度衰減了近45%，塊體水平運動速度為7.67 mm/a，運動方向為128.55°，歐拉旋轉速率為0.13°/Ma，是歐拉旋轉最小的區域。說明小江斷裂帶對滇中塊體的運動具有吸收作用，而且改變了運動方向，使滇東塊體成逆時針旋轉。

2)滇中塊體。滇中塊體是川滇菱形塊體的次級活動塊體，由麗江-小金河斷裂帶、安寧河-則木河斷裂帶、小江斷裂帶和紅河斷裂帶圍成，塊體內部以南北向構造帶為主，塊體的水平運動速度為14.04 mm/a，運動方向為154.67°，以東南側向滑移為主要特點，歐拉旋轉速率為0.67°/Ma，是歐拉旋轉最大的區域。滇中塊體的運動速率由北往南逐漸減弱，表明滇中塊體的旋轉運動受到景谷-西盟塊體的抑制。

3)香格里拉塊體。香格里拉塊體由金沙江斷裂帶與麗江-小金河斷裂帶圍成，塊體的水平運動速率為15.65 mm/a,運動方向為142.44°，歐拉旋轉速率為0.4°/Ma。該塊體在云南地區的運動速率最大，受到云南地區斷裂帶、華南塊體的影響微弱。

4)騰沖-保山塊體。騰沖-保山塊體位于南汀河斷裂帶、紅河斷裂帶北段與金沙江斷裂帶之間，該塊體內包含怒江斷裂帶、瀾滄江斷裂帶北段,塊體的水平運動速度為8.93 mm/a,運動方向為204.34°，歐拉旋轉速率0.32°/Ma。塊體的運動速率明顯減弱，是云南地區中運動速率最小、運動方向變化最大的塊體，說明紅河斷裂帶對塊體運動具有吸收作用并改變了塊體運動方向，。

5)景谷-西盟塊體。景谷-西盟塊體位于紅河斷裂帶南段與瀾滄江斷裂帶南段之間,該塊體內構造復雜，既有南北向的活動斷裂帶，又有北東向的活動斷裂帶[3]，整個塊體的水平運動速度為7.72 mm/a，運動方向為152.54°，歐拉旋轉速率為0.19°/Ma。對比滇中塊體，運動速度衰減了近55%，說明紅河斷裂帶對滇中塊體的運動具有吸收作用，向東南運動時受到緬甸塊體的阻擋。

3 主要活動斷裂帶的運動特征

利用DEFNODE位錯模型程序反演云南地區主要斷裂帶走滑速率[14]，如圖5所示(圖中右旋走滑速率和拉張速率為正，左旋走滑速率和擠壓速率為負)。

圖5 云南地區主要斷裂帶運動速率

分析表明，本文位錯模型反演的斷裂帶走滑速率與地質測定或其他學者利用GPS數據反演的走滑速率具有很好的一致性，見表2。其中瀾滄江斷裂帶與小江斷裂帶的走滑速率與其他學者通過GPS數據反演結果有一些差異，可能是塊體劃分及選擇的位錯模型存在一定差異。

表2 云南主要斷裂帶走滑滑動速率 mm/a

續表2

注：表2中滑動速率為正表示右旋，為負表示左旋

4 結束語

云南地區的水平運動特征表現為北強南弱，而小江斷裂帶和紅河斷裂帶兩側運動速率存在明顯差異，表明小江斷裂帶和紅河斷裂帶對云南地區的運動特征起到明顯的調節控制作用。云南地區的應變特征空間展布呈現分區性，有一條明顯的弧形過度轉換帶，西部地區以拉張應變為主，東部地區擠壓應變值與拉張應變值基本一致，高應變率區域位于小江斷裂帶周邊地區，且與歐拉旋轉特征具有較好的對應性。將云南地區劃分為5個活動塊體，各塊體的歐拉旋轉矢量和運動速率存在明顯差異，利用DEFNODE位錯模型反演斷裂帶走滑速率，小江斷裂帶為左旋走滑運動，紅河斷裂帶、怒江斷裂帶、瀾滄江斷裂帶為右旋走滑運動，與地質方法得到的走滑速率具有較好的一致性。

[1] 韓月萍,楊國華,高艷龍.云南中部及周圍地區近期地殼形變特征[J].大地測量與地球動力學,2009,29(6):64-67.

[2] 洪敏,張勇,邵德盛,等.云南地區近期地殼活動特征[J].地震研究所,2014,37(3):367-372.

[3] 喬學軍,王琪,杜瑞林,等.川滇地區活動地塊現今地殼形變特征[J].地球物理學報,2004,47(5):805-811.

[4] 程佳,徐錫偉,甘衛軍,等.青藏高原東南緣地震活動與地殼運動所反映的塊體特征及其動力來源[J].地球物理學報,2012,55(4):1198-1212.

[5] 丁開華,許才軍,鄒蓉,等.利用GPS分析川滇地區活動地塊運動與應變模型[J].武漢大學學報,2013,38(7):822-827.

[6] 楊國華,王琪,王敏,等.云南地區現今地殼水平運動與變形特征[J].大地測量與地球動力學,2003,23(2):7-14.

[7] 劉耀輝,李金平,王劉偉,等.小江斷裂帶地殼運動特征及地震危險性研究[J].測繪工程,2015,24(7):58-64.

[8] 劉耀輝,李金平,王劉偉,等.紅河斷裂帶閉鎖程度和滑動虧損分布[J].測繪工程,2015,24(8):20-24.

[9] 施發奇,尤偉,付云文,等.GPS資料揭示的小江斷裂近期運動特征[J].地震研究,2012,35(2):207-212.

[10] LOVELESS J P,MEADE B J. Partitioning localized and diffuse deformation in the Tibetan Plateau from joint inversions of geologic and geodetic observation[J].Earth and Planetary Science Letter, 2011, (303) :11-24.

[11] 李煜航,郝明,季靈運,等.青藏高原東緣中南部主要活動斷裂滑動速率及其地震矩虧損[J].地球物理學報, 2014,57(4):1062-1078.

[12] 李金平.基于GPS位移資料的地殼現今形變特征研究[J].測繪通報,2008(1):16-19.

[13] 駱佳驥,崔效鋒,胡幸平.川滇地區活動塊體劃分與現代構造應力場分區研究綜述[J].地震研究,2012,35(3):309-317.

[14] MCCAFFREY R.DEFNODE User’s Manual Version 2007.10. 25[J]. .http://web. pdx. edu/ mccaf/www/defnode/defnode_071025. Html,2007.

[15] 虢順民,計鳳桔,向宏發,等.紅河活動斷裂帶[M].北京：海洋出版社,2001:124.

[16] 唐方頭,宋鍵,曹忠權,等.最新GPS數據揭示的東構造結周邊主要斷裂帶的運動特征[J].地球物理學報,2010,53(9):2119-2128.

[17] 徐錫偉，聞學澤,鄧榮章,等.川滇地區活動塊體最新構造變動樣式及其動力來源[J].中國科學(D輯)，2003,33(增):151-162.

[責任編輯：張德福]

Research on crustal deformation characteristics in Yunnan area based on GPS observation data

SUN Yunmei1, LI Jinping1,2

(1.School of Tourism and Geographic Science, Yunnan Normal University, Kunming 650500, China;2. GIS Technology Engineering Research Centre for West-China Resources and Environment of Educational Ministry, Kunming 650500, China)

Yunnan area are divided into five active blocks based on GPS velocity field during 1999～2013. Horizontal motion characteristics of the Yunnan region, the vectors of five active blocks, the strain field of area are calculated and analyzed and the slip velocities of main faults are presented. The result indicates that the regional horizontal movement has the characteristics of north strong south. The Red River fault and Xiaojiang fault have obvious control effect on Yunnan region activities, changing the movement characteristics of the fault both sides. The regional strain is obviously different. The west is dominated by tensile strain. The tension and compress strain is equilibrium and strong of the eastern Xiaojiang fault zone. The minimum strain is located in east area of Yunnan. The calculation of each block motion direction and velocity has been inconsistent. Yunnan east area goes by anti-clockwise rotation and other blocks clockwise rotation. The slip rate of the main fault zone based on block model inversion is consistent with the geological method.

GPS; active block; crustal deformation; slip rate; Euler rotation

著錄：孫云梅，李金平.基于GPS觀測數據的云南地區地殼形變特征研究[J].測繪工程，2017，26(11)：32-36.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.11.007

2017-03-20

國家自然科學基金資助項目(41461087)

孫云梅(1992-),女,碩士研究生.

P228

A

1006-7949(2017)11-0032-05