青藏高原及邻区现今地应变率场的计算及其结果的地球动力学意义

许多研究人员利用GPS测量的速度资料计算了地应变率场，但其结果差异较大. 本文将地质统计学中的Kriging方法引入到GPS观测的速度场研究中, 通过Kriging插值得到青藏高原及邻区均匀网格节点上的速度值，然后运用有限单元中形函数(Lagrange插值函数)的求导方法，计算每个网格单元积分点处的地应变率分量，从而获得青藏高原及邻区的地应变率场的分布. 计算结果显示，青藏高原主体处在南北向受挤压、东西向被拉张的应变状态之中，但高原东部地区则正好相反，即南北向拉张、东西向出现挤压. 青藏高原及邻区主应变率的方位与震源机制解中P轴、T轴的方向基本一致；最大主压应变率的高值区分布在喜马拉雅主边界冲断带及附近地区，高原内部出现主张应变率大于压应变率的现象，且高原内部处在拉张应变状态. 面膨胀率结果也表明，喜马拉雅山及附近地区为面收缩区，而高原内部其他地区主要为膨胀区；最大剪应变率分布清晰地显示出青藏高原周边的主要断裂带轮廓. 文中的应变率计算结果预示青藏高原及周边地区现今的地应变与较长期的地质活动之间有一定的继承关系.     

利用多种地震学参数研究中国大陆地壳应变场

地壳应变场研究是地球动力学研究的一个基础性领域, 以往文献的探索大多集中在地壳形变的测量和研究上, 包括大面积水准测量和GPS观测等。 文中利用多种地震学参数研究中国大陆地壳应变场, 利用哈佛CMT目录和现代中国地震目录得到了中国大陆不同区域面波震级与标量地震矩的统计关系, 进而采用中国大陆历史地震资料研究中国大陆地壳应变场, 给出地震最大剪切应变率场的分布。 研究结果显示, 青藏高原及其周边地区是最大剪切应变率的高值区, 帕米尔和阿萨姆地区的应变率值最大。 与GPS得到的应变场结果进行比较, 两者的结果存在一致趋势。 利用NEIC宽频带地震辐射能量目录研究了中国大陆的地震视应变分布, 显示地震的视应变分布与地壳应变水平存在一定相关关系, 且发生在青藏高原周边地区地震的视应变水平较高。 这些研究结果为地球动力学研究的进一步深入探讨提供了新的科学资料。     

利用GPS数据估算川滇南部地震(M_S≥6.5)平均复发间隔

利用川滇南部GPS站点速度资料,采用Kriging插值和有限单元中形函数(拉格朗日差值函数)求导原则,计算了川滇南部主应变速率.在此基础上,引入Kostrov地震矩率计算方法,由主应变速率求得了研究区的地震矩率,进而借助于Ward地震平均复发间隔公式计算了研究区地震(MS≥6.5)平均复发间隔.计算结果表明,川滇南部不同震级档地震复发间隔空间分布总体上与区内主要活动断裂展布基本吻合;地震复发间隔低值区主要分布在地震活动水平和滑动速率较高的安宁河—则木河—小江断裂带、丽江—小金河断裂西南段、红河断裂西北段.所得的结果与利用历史地震资料获得的结果基本一致.该方法对于历史地震资料缺乏或不完整地区和活动断层定量研究程度较低的地区有着潜在的应用价值.     

利用GPS数据估算川滇南部地震（MSge;6.5）平均复发间隔

利用川滇南部GPS站点速度资料,采用Kriging插值和有限单元中形函数（拉格朗日差值函数）求导原则,计算了川滇南部主应变速率.在此基础上,引入Kostrov地震矩率计算方法,由主应变速率求得了研究区的地震矩率,进而借助于Ward地震平均复发间隔公式计算了研究区地震（MSge;6.5）平均复发间隔.计算结果表明,川滇南部不同震级档地震复发间隔空间分布总体上与区内主要活动断裂展布基本吻合;地震复发间隔低值区主要分布在地震活动水平和滑动速率较高的安宁河——则木河——小江断裂带、丽江——小金河断裂西南段、红河断裂西北段.所得的结果与利用历史地震资料获得的结果基本一致.该方法对于历史地震资料缺乏或不完整地区和活动断层定量研究程度较低的地区有着潜在的应用价值.      

用活断层资料分析中国大陆及其邻区晚更新世以来的构造应变特征

根据活断层资料,利用贝塞尔双三次样条模型对中国大陆及其邻区晚更新世以来的平均水平应变率场进行了计算。结果显示,中国大陆的构造膨胀率、构造剪切应变率、构造矩率和旋转角速度的分布都与地震的分布相似,呈条带状,并与活动地块的边界和主要断裂位置一致。另外,中国大陆的地壳变形具有西强东弱的整体特征。     

利用活断层资料模拟中国大陆及其邻区晚第四纪地壳变形场

活动构造是现今大陆地壳变形的重要反映。文中对发育于中国大陆及其邻区的活断层资料进行了系统的收集和分析整理 ,并结合活断层定量研究对主要活断层做出了较为粗略的分类。在此基础上 ,借助改进的Haines方法 (即双三次样条函数 ) ,根据中国大陆及其邻区的主要活断层资料 ,推算得出将地壳变形看作连续变形情况下的中国大陆现今地壳变形的应变率场和速度场模型。模型与现今GPS观测结果可以较好地吻合。文中还针对模型计算结果对中国大陆各区的运动矢量变化特征进行了分析 ,并通过与GPS观测结果的比较 ,定量估算出次级断裂在地壳变形中所产生的影响     

大震前区域地震活动应变场的时空异常特征

本文基于自然正交函数展开方法, 以地震应变为变量, 计算1980年以来中国大陆7级以上大震前的地震应变, 提取出大震前区域地震活动应变场的时空异常。 结果表明大震前时间因子在平稳背景上会出现突跳上升或突跳下降异常变化。 一般情况下, 前4个应变场中至少有3个出现异常变化, 异常分布具有多分量特点, 出现的最早时间大约在震前3年, 少数出现在震前1~6个月。 对比应变场时间因子异常与研究区域每个网格单元(0.5°×0.5°)内的地震能量时间因子异常形态的相似性、 时间的一致性, 找出地震应变场空间异常位置。 结果表明, 多数大震前的空间异常分布在主震震中周围; 少数大震的空间异常远离主震震中。 产生这种现象的原因是大震前与主震不同距离的单元网格内发生中短期或者临震的震群、 显著地震等地震活动性异常。     

汶川地震前后区域地壳形变场及孕震特征研究

利用中国地壳运动观测网络GPS区域网1999、2001、2004、2007年观测资料及中国大陆构造环境监测网络区域网2009、2011年观测资料,解算了南北地震带相对华南地块的GPS速度场,并用最小二乘配置方法解算了南北地震带南、北部地区应变率场的多期次结果,通过分析汶川地震前、后地壳运动速度场和应变率场的动态变化,进一步研究了汶川地震前区域地壳形变和应变积累背景与孕震异常的形变场主要特征及其形成机制.     

中国现今地壳运动GPS速度场的连续变形分析

利用中国大陆以及蒙古、 缅甸、 印度、 尼泊尔和喜马拉雅等周边地区多年的GPS观测资料, 基于连续介质假设, 采用双三次样条函数模拟方法, 给出中国大陆整体水平位移速度, 拟合精度优于3 mm/a, 获得了中国大陆的水平应变率场, 并分析了中国大陆现今构造变形、 水平应变率场的空间分布特征. 结果表明: 对大范围、 密集的GPS速度场的连续变形分析, 既能揭示中国大陆现今构造变形的总体特征, 又能显示局部地区现今的构造活动特征. 总体上, 中国大陆构造的水平变形强度和变形速度在南北地震带产生突变, 呈西强东弱、 南强北弱态势. 而昆仑山地块中部、 鲜水河断裂带和云南中部地区, 其应变速率最大, 速度变化最快; 阿尔金断裂带现今处于其构造活动的平静期, 中天山东部地区具有拉张环境.      

基于Monte Carlo方法的由GPS观测计算地应变率的误差分析

在利用GPS观测计算地应变率中，应变率的误差分布在地球动力学研究中非常重要. 为解决这一问题，文中提出基于Monte Carlo技术，利用GPS观测的速度计算地应变率进行误差分析的方法；以青藏高原地区为例，利用带有误差的GPS观测数据进行了大量、独立的应变率重复计算，然后运用统计方法给出了应变率分量及其误差的分布. 结果显示青藏高原的喜马拉雅及中东部地区地应变率的东西向、南北向及剪应变率分量的误差相对较大，但整个青藏高原及附近地区应变率结果稳定可靠；研究结果进一步表明，由GPS观测计算应变率的误差主要决定于GPS观测速度的误差， 在变形小的区域（如中国东部地区），目前GPS的观测精度还不能完全满足地应变率计算的要求.     

利用GPS观测研究新疆伽师地区的水平变形特征

推导了利用位移场计算主应变、面膨胀、最大剪应变的公式，通过1998—2000年间的两次重复GPS观测结果，计算了新疆伽师强震活动区在1998～2000年间的水平主应变、面膨胀、最大剪应变等水平变形特征量的分布，分析了2003年发生在该地区的Ms6．8级地震与GPS观测计算的变形场特征量之间的分布关系。并从力学理论的角度对该地区的地质构造运动、局部形变特征与地震活动的关系进行了讨论，得出了一些有意义的结论和认识。     

GPS水平形变面应变率梯度与强震危险区关系探讨

全球定位系统(GPS)观测和信息处理技术的发展, 为获取高精度地壳水平运动和相关的应用研究提供了良好的基础． 应用中国地壳运动观测网络中心提供的1999—2007年GPS水平形变速率观测结果, 研究了地壳水平形变面应变率梯度与强震发生的关系, 探索了地震中长期预测对强震危险区的判识方法． 结果表明, 中国大陆2001—2011年发生的大部分M_S6.8以上强震, 地震地点均位于面应变梯度高-低值过渡区与块体边界带相交汇的部位; GPS面应变率梯度可以作为中长期强震危险区判识的一种方法, 与最大剪应变率分布相比, 缩小了强震孕育地点的判识范围． 文章最后给出了中国大陆地区未来10年或稍长时间的强震危险区.      

汶川8.0级地震前区域地壳运动与应变场动态特征

利用中国地壳运动观测网络GPS资料, 通过获取水平相对运动、 水平应变场分布变化等, 研究了汶川8.0级地震前的区域水平运动与应变率场变化, 以及大尺度地壳运动动态特征等。 研究结果表明, 发生汶川8.0级地震的龙门山断裂带, 由于受到其西侧巴颜喀拉地块向东运动的构造动力作用, 处于缓慢的应变积累状态。 在汶川地震前龙门山断裂带相对华南地块的差异运动小于GPS观测误差。 川滇地区应变场图像显示2004-2007年面应变率负值最高区出现在汶川8.0级地震震中区及其附近, 可能反应了局部挤压增强。 GPS基准站资料反映的大尺度北东向地壳缩短的相对运动增强, 也形成了促进龙门山断裂带发生大破裂的区域构造动力增强的背景条件。     

鄂尔多斯块体周缘地区现今地壳水平运动与应变

位于青藏块体和华北块体之间的鄂尔多斯块体及其周缘地区是中国大陆构造活动最活跃的地区之一,从1300年至今,在块体周边断陷盆地和西南缘断裂带上发生了五次8级以上的地震.为了了解该地区现今地壳运动、应变状态以及断裂滑动分布,我们收集了中国大陆构造环境监测网络2009—2013年、国家GPS控制网、跨断陷盆地的8个GPS剖面等共527个流动站和32个连续站GPS观测数据,获得了高空间分辨率的地壳水平运动速度场,进一步用均匀弹性模型计算了应变率分布.结果表明,块体内部GPS站点向NEE方向运动,速度变化较小,应变率大多在(-1.0~1.0)×10~(-8)/a之间;山西断陷带构造运动与变形最为强烈,盆地相对于鄂尔多斯块体为拉张变形,应变率为(1.0~3.0)×10~(-8)/a,相对于东部山地则为挤压变形,应变率为(-2.0~-3.0)×10~(-8)/a,盆地西侧断裂(如罗云山断裂、交城断裂)以拉张运动为主,拉张速率为2~3mm·a-1,盆地东侧断裂主要以右旋缩短运动为主,速率为1~3mm·a-1;河套断陷带西部的临河凹陷处于较强的张性应变状态,应变率为(2.0~3.0)×10~(-8)/a;块体西南边缘处于压缩应变状态,应变率为(-1.0~-2.0)×10~(-8)/a,六盘山断裂存在明显的地壳缩短运动,速率约为2.1mm·a-1,速率在断裂附近逐渐减小,反映了断裂处于闭锁状态;相对于鄂尔多斯块体内部渭河断裂带为左旋运动,速率为1.0mm·a-1,盆地处在弱拉张变形状态.     

中国大陆与邻区强震分区活动性及其随时间演化

根据主要构造分布、震源机制解分布及地震活动状况，将中国大陆及邻区分成20个单元，6个区。利用中国地震局地球物理研究所提供的地震目录，计算近百年来各单元和各区的6级以上强震释放应变能，做出时间滑动后的应变能—时间曲线图，分析认为：(a)中国大陆及邻区百年来的强震活动是一个复杂的时空动态过程，每个区、带有其高、低潮，然而各地区没有统一的地震释放应变能高潮与低潮；(b)强震的活动与平静只是相对而言的，没有绝对的活动或平静；(c)微动态期划分较好的体现了强震活动特征，每个微动态期内至少有一个高潮期，且强震集中在一个主体地区内发生，各搬动态期的能量可以有起伏。通过进一步的讨论和分析，提出中国大陆地壳变形主要受三方面因素的控制：(1)印度板块、太平洋板块和菲律宾板块的活动及其变化控制中国强震活动图像的总体格局；(2)大陆地壳结构的非均匀性及其变化影响了主体地区的形态结构；(3)地壳形变的继承性影响强震活动主体地区形成与变迁的过程。     

天山造山带及邻区孕震应力场及断裂带活动性特征的数值实验分析

天山造山带构造环境复杂,活动断裂带和强震分布广泛,且主要分布于阿尔泰山、天山、西昆仑—帕米尔弧形构造带上,尤以天山地区最为集中.迄今为止,天山造山带地区的主要断裂带的活动特征与孕震应力场特征之间的动力学机理尚未有清晰的认识.本文以GPS等实际观测数据为约束,建立有限元数值模型,计算了研究区域地壳形变、应力/应变积累速率、弹性应变能密度以及库仑应力变化率等关键因素.模拟计算结果显示地表速度场与研究区域实际GPS观测值基本一致,且主要断裂带上弹性应变能密度分布与实际地震活动性也基本吻合,验证了数值模型和结果的可靠性.结合最新的观测和数值模拟结果分析发现,研究区的断层和地震活动性主要受控于近南北向的主压应力,与主要观测特征相一致.同时,帕米尔高原北部边界带—塔什库尔干断裂（TKF）、天山造山带南边界的东侧—迈丹断裂（MDF）、兴地断裂（XDF）库仑应力增大明显,在未来强震发生的可能性较高,应予密切关注.     

中国大陆活动地块与强震活动关系

研究了中国大陆各Ⅰ级活动地块区强震活动特点, 包括强震活动的总体水平、地震应变能释放速率、震级频度关系、震源破裂特性和地震应力场特征等, 以及由GPS资料给出的各活动地块运动变形特征, 如各地块运动的速度、地块变形的应变速率、最大主压应变方向、地块运动变形中的张、压状态等. 在此基础上, 对中国陆区Ⅰ级活动地块区的强震活动特点和地壳运动变形性状进行对比研究, 给出各活动地块的构造动力环境及其运动变形的性状决定其地震活动的总体状况, 包括: 活动地块现今地壳运动变形的应变速率与地震应变能释放呈线性相关; 由震源机制给出的各活动地块的地震应力场与由GPS观测给出的现今地壳运动应变(应力)场的同一性, 以及震源破裂类型与地壳形变张、压状态的一致性等. 这些结果显示了中国大陆活动地块及其运动性状对强震孕育发生的控制作用.     

区域网GPS观测得到的2008年汶川MS8.0地震前的地壳水平运动

2008年5月12日汶川（31.0°N,103.4°E）MS8.0大地震发生在中国地壳运动观测网络区域网GPS观测站相当密集的地区．1000个站的GPS 非连续观测区域网分别在1999,2001,2004年和2007年作了4次观测．震前区域网GPS观测站得到的水平位移表明,汶川大地震主要力源是印度板块向北对中国大陆的挤压,但同时也受到东部与南部板块的挤压．与其它地区相比,震前震中附近水平位移最显著的特点是,汶川地震发生在南北地震带上位移分叉部位,即震中北部明显向东北位移,震中南部明显向东南位移,而震中附近的水平位移则明显小于其北面和南面的水平位移．简要讨论了应变计算结果的精度．为获取地震前的异常信息,分别采用趋势曲面拟合和统计方法研究了汶川地震前（1999—2007年）区域网的应变积累,寻找震中的大致区域．除了2001年昆仑山口西大地震震中及其周围地区外,1999—2007年震前区域网的应变积累的趋势曲面拟合表明,汶川地震发生在中国大陆第一剪应变积累大、范围最广的区域的东侧,且在此区域内积累较大的面压缩区的东北边缘．应变分量的统计分析表明,震前其分布在此区域及其附近同样有明显的异常,剪应变和面膨胀积累均增强．      

GPS初步结果揭示的中国大陆水平应变场与构造变形

根据中国大陆不同来源的多个GPS区域监测网1991～1999年间的观测资料和“中国地壳运动观测网络”基本网1998～2000年的观测资料，联合处理得到中国大陆地壳水平运动速度场结果，通过最小二乘配置法建立中国大陆水平运动速度场模型，获得了基于连续介质假设的中国大陆水平应变场（或称为视应变场）初步结果. 分析了水平运动、应变场空间分布特征及其与强震的关系，并简要分析了2001年11月14日昆仑山口西8.1级大地震的区域构造变形背景. 结果表明：中国大陆中西部构造变形强烈，应变速率值高，又以青藏块体及其边缘和新疆西部最为显著. 除川滇、新疆西部外，大部分地区的近东西向断裂存在左旋剪切变形，近南北向的断裂存在右旋剪切变形. 而东部地区构造变形相对较弱. 强震通常发生在剪切应变率的高值区及其边缘，尤其是与构造变形背景相一致的剪应变率高值区. 昆仑山口西8.1级地震发生在最显著的东西向左旋剪切应变率高值区，从该区域的应变状态分析，具备近东西向断裂产生巨型走滑破裂错动的构造变形背景.     

中国大陆活动地块变形与地震活动的关系

本文在中国大陆及邻区活动地块研究的基础上，利用球面上的非连续变形分析方法(DDA)和近10年来的GPS测量结果，对整个中国大陆及其周边地区各活动地块的运动和变形状况进行了初步研究。研究结果表明，虽然中国大陆东西部各活动地块的运动速率和应变率相差较大，但位于同一个地块区的各个活动地块之间的运动和变形具有一定的协调性。文中还计算了活动地块边界带之间的相对运动，讨论了现今地壳运动和强震活动的关系。发现1988年以来，中国陆区的7级以上地震都发生在GPS测量所给出最大剪切应变率差异大的活动地块的边界带和现今滑动速率大的活动地块的边界断裂上。