基于GPS数据分析渭河盆地现今地壳形变特征

基于2001—2015年流动及连续GPS观测资料,借助多面函数拟合法建立渭河盆地水平速度场模型,并计算球面坐标下的应变特征参数。结合陕西地区地质构造背景,分析渭河盆地水平速度场及应变场分布特征。结果表明:(1)渭河盆地西部GPS速度场受青藏块体及鄂尔多斯块体共同作用明显,西部GPS速度场大于中东部,且GPS速度场有顺时针旋转的运动特征。(2)渭河盆地西部主应力场变化复杂,中部的西安地区主应变差异变化明显,与2009年11月5日高陵M_S4.4地震对应;渭河盆地西部出现最大剪应变及面应变高值区及差异变化高梯度带,在西安附近出现最大剪应变及面应变差异变化梯度带,高陵地震震中位于零值线附近。(3)2001—2010年的主应变、最大剪应变、面应变变化比2011—2015年显著,表明高陵地震发生后,应力场进行了释放调整,近期渭河盆地地震紧迫性相对较低。     

渭河盆地及邻区现今地壳形变及构造特征研究

基于2009—2014年渭河盆地及邻区GPS资料,利用Shen提出的连续形变场与应变场计算方法,获得渭河盆地及邻区的水平形变场及应变率场,结合构造地质、地震目录等资料对渭河盆地及邻区的现今地壳形变及构造特征进行研究,并得到如下结论:(1)鄂尔多斯地块南缘西段和东段GPS形变场变化差异明显,六盘山—陇县—宝鸡断裂带形变场以挤压变形为主,渭河盆地中部西安—咸阳地区的形变场呈现EW向挤压、SN向拉张特征;(2)主应变率、剪应变率、面应变率变化明显的区域位于鄂尔多斯地块西南缘的六盘山—陇县—宝鸡断裂带、渭河盆地中部的长安—临潼断裂与渭南塬前断裂以及韩城断裂与双泉—临猗断裂附近;(3)未来需要警惕六盘山—陇县—宝鸡断裂带、长安—临潼断裂与渭南塬前断裂以及韩城断裂与双泉—临猗断裂附近的地震危险性。     

基于最小二乘配置的板块边界地壳形变应变特征分析

北美板块边界属于地震高风险区域,为了更好地了解该区域地壳形变及应变的变化特征,本文利用北美板块边界PBO网络1997-2008年的GNSS高精度速度场信息,基于欧拉旋转矢量扣除背景场刚性运动后,顾及区域速度场的统计学原理,利用球面最小二乘配置算法拟合推估该区域地壳连续速度场,最后基于速度场与应变场的微分关系在球面上解算面膨胀,剪应变及主应变等地壳应变特征参数.研究结果表明:指数函数作为该区域的协方差基本函数较为合适,其东向及北向相关系数平方达0.94和0.95;通过球面最小二乘配置算法解得该区域压缩应变的最大值约-11×10-7/yr,位于圣安德列斯断裂周缘地带,圣马利亚北部;剪应变最大值约6×10-7/yr,位于弗朗西斯科东南、圣马利亚西北.由于太平洋板块向东运动导致与北美板块边界产生挤压,造成该区域地壳形变特征明显,地质灾害频发.     

空间大地测量GPS揭示的汾渭盆地及其邻域现今地壳应变场变化特征

利用汾渭盆地及其邻域2001—2007年与2009—2011年高精度GPS监测资料,基于区域构造特点,采用块体运动应变模型结合数理统计假设检验法,建立了区域合理的地壳运动应变模型,基于此定量研究了区域现今地壳应变场及其变化特征,特别是2008年汶川强震对汾渭盆地区域变形特征的作用影响,同时从盆地整体上分析了盆地内多发的地裂缝灾害与区域整体构造变形特征之间的内在关系.研究结果表明:经统计检验判断,选择合理的区域地壳运动应变模型,对获取真实反映区域实际构造变形特性的应变参数具有重要的作用;2008年汶川强震对青藏东边缘地块及渭河盆地西侧局部地区应变场造成一定的影响,但是震后上述区域并没有出现显著的应变积累而是呈现出应变量值较震前减小的特征,分析其原因可能是因为此区域并不是强震造成的库仑应力显著增加区,在震后2009—2011年时间段内处于构造应力场的松弛调整期;汶川强震没有显著改变研究域现今整体的构造变形背景特征,区域地壳构造活动特征仍具有较好的继承性;基于研究域构造块体具有各向同性连续弹性变形的前提,初步推断整个汾渭盆地内多发的地裂缝灾害可能是区域NW—SE向拉张应力场作用下的地表破裂响应.     

渭河盆地地裂缝群发机理及东、西部地裂缝分布不均衡构造成因研究

利用渭河盆地2001—2008年高精度GPS监测资料,结合区域构造特点建立了渭河盆地有限元动力学模型,基于此研究了区域现今地壳应力场特征,深入分析了构造应力场与盆地内地裂缝群发之间的内在关系,首次基于空间大地测量定量的揭示出了区域构造应力场与盆地内地裂缝群发的内在动力学联系,及盆地东、西部地裂缝分布不均衡的根本成因.研究结果表明:渭河盆地现今地壳应力场差异性显著,主要呈现出中、东部以NW-SE向拉张为主,西部则以NW-SE向压缩应力为主,整体具有相对左旋运动趋势,与区域以往长期构造变形具有较好的继承性;分析揭示出区域NW-SE向拉张构造应力正是盆地内中、东部地裂缝群发的力源机制,而盆地内差异性构造应力场也正是导致盆地东、西部地裂缝发育不均衡的根本原因所在,由此进一步证实了渭河盆地地裂缝的强构造属性,其是由活断层在上述力源机制作用下,以蠕滑形式错断地层使土层破裂而形成的.本文研究结果为盆地地裂缝灾害防治、城市安全建设提供了重要信息.     

基于最小二乘预估法计算渭河盆地地壳水平应变

本文采用最小二乘预估法探讨了渭河盆地地壳水平应变分布问题,该方法首先是把GPS的位移当作为随机信号,然后利用计算点与观测点之间的距离来构建协方差与自协方差矩阵,从而通过求导计算区域水平应变.结合2004-2007年的GPS观测资料,对渭河盆地水平应变进行计算,结果表明渭河盆地主应变呈现出空间分布不均匀性,山区和盆地应变性质相反,山区处于挤压状态,盆地处于拉张状态.宝鸡西部位于最大剪应变的高梯度区,其挤压应变起主导作用.     

基于最小二乘配置在椭球面上解算喜马拉雅地区GPS应变分布

随着空间大地测量技术不断发展,GPS观测的地壳水平形变速度场精度也在不断提高,更加严密的GPS应变分析模型将有助于促进更高精度的地壳运动模型的构建.大地线长度与对应球面弧长之间的差异与纬度、经度变化均有关,并且与纬度变化影响最为显著,纬度越低,相应的椭球面效应约显著.本文在最小二乘配置模型的基础上进一步研究并推导了基于椭球坐标系的GPS应变分析模型,通过该模型进一步计算了青藏高原南部喜马拉雅构造带及阿萨姆构造结地区现今GPS应变分布.最大、最小主应变的显示喜马拉雅山脉中部的南北向压缩变形最强,西部次之,东部最弱.在印度板块的俯冲推挤作用下,喜马拉雅构造带内部地壳的变形过程并不统一.本文研究发现雅鲁藏布江缝合带与亚东—古鲁断裂带是该区域地壳水平形变的两条重要分界构造,雅鲁藏布江缝合带南部、亚东—古鲁断裂西侧的条带状地区可能是青藏南部吸收来自印度板块俯冲挤压作用的主要区域,最大剪应变分布及面膨胀值分布均表明亚东—古鲁断裂带是喜马拉雅构造带东西向拉伸变形过程中的一条重要的分界构造.沿喜马拉雅构造带分布的地壳剧烈变形区域集中分布在断裂以西,向东跨过该断裂的GPS应变场大幅减弱.青藏高原东南缘以阿萨姆构造结为中心的顺时针旋转变形存在旋转内、外圈层速度不一致现象,旋转速率由内向外逐渐增强.     

基于GPS的江苏南部现今地壳形变特征分析

基于2007-2009年江苏南部GPS资料,借助多面函数法及位移-应变模型求取了研究区的速度场及应变特征参数,结合地质构造背景及地震活动性对该区地壳形变特征进行分析.研究结果表明：（1）江苏南部现今地壳整体朝南东向运动,临海地区与内陆地区速度差异较大,量值在5～10 mm/a;（2）研究区域呈现面应变正负交替出现的规律,在泰州、南通、嘉定出现面膨胀、剪切应变高值区,未来发生中强地震的可能性较大;（3）江苏南部地区地壳运动受太平洋板块、菲律宾海板块和欧亚板块的共同作用,构造机理复杂.     

基于GPS资料分析银川盆地地壳运动特征

利用银川盆地及周边地区1999—2007年的GPS数据,研究了该区域现今地壳水平速度场特征,根据区域地壳主应变率、面膨胀率及最大剪应变率的空间变化以及小震分布特征,结合该地区的地质构造背景,对黄河断裂的南北段差异特征及盆地构造动力和地震危险性分析研究,结果表明:研究区内GPS测站主要运移方向为E-SE向。贺兰山东麓断裂和黄河断裂北段以拉张兼走滑运动为主,而黄河断裂南段以走滑运动为主,盆地整体处于剪切拉分断陷环境;银川盆地比周围块体的主应变率大,最大主应变方向为NW向,以张应变为主,结合面膨胀率和最大剪应变率也都显示盆地内存在较强的拉张和剪切变形,盆地内地震主要分布在南部地区;主应变率、面膨胀率、最大剪应变率和小震活动性均说明黄河断裂南段比北段活动性强;银川盆地地壳变形程度高,而周边稳定块体变形弱,黄河断裂和贺兰山东麓断裂分别位于应变强弱变化的东、西边界上,断裂具有较强的应变积累,表现出较高程度的地震危险性。     

基于GPS应变与震源机制解应力反演喜马拉雅构造带现今地壳形变特征

喜马拉雅构造带及其临近区域是印度板块与欧亚大陆板块挤压碰撞的前缘地带.本文利用GPS实测速度场与震源机制解数据分别计算了研究区域现今地壳岩石圈表面的GPS应变场及岩石圈内部的主应力分布,研究了印度板块持续挤压作用下板块边界带地壳岩石圈现今地壳形变的空间分布特征.结果显示,南北向的剧烈挤压变形与东西向的拉伸变形是现今青藏高原南缘地壳岩石圈的主要变形特征.其中南北向的地壳挤压变形主要集中在主前缘冲断带与雅鲁藏布江缝合带之间.东西方向上,南北走向的亚东—谷露断裂是区域地壳东西向伸展变形的重要分界断裂.75°E是研究区域地壳形变的另一条显著不连续边界,其西侧地壳主压应变强度低、方向弥散且最大主压应力方向一致性较差,而东侧地壳主压应变方向与主压应力方向以及地壳水平运动速度场方向均具有较好的一致性.布格重力异常的小波多尺度辨析结果显示该分界带与循喜马拉雅西构造结楔入欧亚大陆的印度板块密切相关.     

蒙古-贝加尔裂谷区地壳应变场及其地球动力学涵义

蒙古-贝加尔地区是现今构造最活跃的大陆地区之一,其地壳构造运动及变形对我们理解大陆动力学问题具有重要的科学意义.基于融合的这一区域的GPS速度场,本文计算了该区应变率场和应变能变化率场.结果显示,蒙古褶皱带以南区域表现为NNE-SSW方向的压缩状态,主压应变率约为-2.0×10^-9/a,剪应变及面膨胀均较弱,表明蒙古褶皱带比较稳定.贝加尔裂谷整体处于拉张状态且伴有较强的剪应变和面膨胀,暗示可能有多种机制控制裂谷的张裂过程.蒙古高原西部有两条高应变率的构造带,结合深部存在地幔热柱等证据,我们认为这两条构造带及所围限的区域共同构成Amurian板块的西部边界—一条弥散变形的边界带.蒙古-贝加尔地区剪应变分布与0~40 km的地震活动性基本一致,表明该地区形变在地壳尺度耦合程度较高.地幔对流拖曳力场与主应变轴方向及应变率场的一致性表明,地幔对流可能是蒙古—贝加尔地区区域构造动力学过程主要控制因素之一.     

球面水平应变场无偏计算的实现与滤波

GNSS观测资料为研究地壳应变场提供了必要的依托,但如何较为完整或恰当地反映各种地壳应变信息仍存在缺陷.从连续变化的角度出发,在ITRF参考框架下水平运动场的基础上,借助于多核函数获得水平运动场的解析式,据此,利用球面上无偏差应变计算式给出应变场结果,再利用多核函数法进行空间滤波,最后给出了利用本方法进行应变计算的实际算例.该方法有如下特点:①适用于各种空间尺度的地壳应变场描述,并且全面而又客观;②根据不同的需求和实际资料情况可提取不同频谱及其以内的应变信息;③可对应变参量进行严密的精度评定;④由于获得了解析式,故可在此基础上进行更深入的分析与计算.     

基于改进多面函数和球面整体应变法计算华北中部地区地壳水平应变

华北地区的形变信息较弱,计算应变场时应在避免引入系统误差的同时进行精度评定。本文综合采用改进多面函数法和球面整体应变法构建无偏应变计算模型,基于CMONOC的GPS连续站时序数据计算华北中部地区的应变率,根据误差传播率计算相应误差,评估应变率计算的精度和可信度。结果表明,采用基于改进多面函数法和整体球面应变法的无偏应变计算模型计算弱应变地区应变率是可行的,且精度和可信度都较高。     

渭河盆地岩石圈热结构与地热田热源机理

岩石圈热结构是盆地现今地温场研究的重要延伸和扩展,是了解大陆岩石圈构造变形及演化等大陆动力学问题的重要窗口,更是地热田热源机理研究的核心问题.本次工作,在系统分析渭河盆地现今地温场和水动力系统基础上,编制了渭河盆地大地热流分布等值线图;通过实测生热率等热物性参数,利用一维稳态热传导方程计算了研究区岩石圈热结构,并分析了渭河盆地岩石圈热结构特征和地热田热源机理.结果表明,渭河盆地现今大地热流值分布范围为62.5~80.2mW·m-2,平均为70.8±4.8mW·m-2,西部明显高于东部,西安坳陷最高,咸礼凸起次之;渭河断裂并不是控热断裂,其沟通作用引起的水热循环一定程度上影响了浅部热量再分配,对渭河盆地地温场并没有起到明显的控制作用.西安坳陷—咸礼凸起地壳热流介于32.2~37.5mW·m-2之间,平均为34.6mW·m-2;地幔热流分布范围为33.8~38.9mW·m-2,平均为36.0mW·m-2;地壳热流和地幔热流的总体变化趋势一致,西安坳陷高于咸礼凸起,分析认为西安坳陷沉积层厚度大于后者,且沉积层放射性生热率更大,是造成西安坳陷地壳热流高于咸礼凸起的原因,而西安坳陷相比咸礼凸起更高的地幔热流,表明西安坳陷深部活动性强于咸礼凸起.西安坳陷和咸礼凸起地壳/地幔热流比值相近,介于0.93~1.01之间,平均为0.96,"热"岩石圈厚度约为95~101km.渭河盆地岩石圈热结构特征与鄂尔多斯盆地在很大程度上具有相似性,暗示着二者具备相似的深部稳定性,这与渤海湾盆地为代表的中国东部中—新生代主动裂谷盆地岩石圈热结构特征截然不同,表明渭河盆地为被动伸展裂陷.从鄂尔多斯盆地、渭河盆地、山西裂谷到华北盆地,"热"岩石圈厚度的有序变化表明太平洋板块俯冲引起的地幔对流对华北地块深部动力学行为的影响主要发生在太行山以东,而太行山以西的鄂尔多斯盆地和渭河盆地则影响甚微,这种空间差异影响从侧面暗示着华北克拉通破坏过程的有序性.综合分析渭河盆地地质—地球物理资料认为,岩石圈表层伸展破裂、深部重力均衡调整进而引起软流圈被动上涌,其产生的相对高地幔热流的热传导和深大断裂沟通的水体热对流相互叠加作用,共同构成了渭河盆地中—低温地热田的热源机理.     

张家口—渤海断裂带分段运动变形特征分析

利用张家口—渤海断裂带(张渤带)及其邻区1999—2007年的GPS观测数据, 研究了该区域现今地壳水平速度场特征。 运用最小二乘配置方法获得应变率场的空间分布特征, 根据区域地壳主应变率、 面膨胀率和最大剪切应变率等形变场的空间变化, 分析了张渤带各分段的形变特征。 结果表明: 相对于欧亚框架, 研究区内GPS速度场以SE方向运动为主; 应变场以NE方向的主压应变为主, 伴随着近NW方向的张性应变; 整个张渤带及其邻区的高剪切变形区主要位于河北香河、 文安以及唐山等三个地区。 利用跨断层GPS剖面分析得到张渤带以左旋走滑为主, 兼有挤压运动。 华北平原块体和燕山块体的相对运动是张渤带左旋走滑的直接动力来源, 而印度板块与欧亚板块碰撞后继续向北的推挤作用则是张渤带运动变形的根本动力来源, 太平洋板块的作用相对较弱。     

柴达木-祁连山地块内部震间上地壳块体运动特征与变形模式研究

以青藏高原北缘及东北缘的柴达木-祁连山地块内的活动断裂、由断裂所围限的微小块体为研究对象,系统收集整理区内活动断裂定量参数和GPS速度场等资料,使用球面应变率计算方法分析研究区内GPS 速度场得到现今构造应变率场,讨论区内最大剪应变率、面膨胀率与旋转率等参数与区域构造变形之间的关系;同时,依据区内详实的活动断裂资料建立精细的微小活动块体模型,利用Backslip模型反演断裂所围限的各个块体边界断裂的滑动速率、块体内部统一应变率及块体欧拉运动学参数等,并与活动构造方法获得的滑动速率做对比;最后,讨论研究区内由GPS速度场所揭示的地壳运动变形模式.结果表明:(1)柴达木-祁连山地区地壳运动,在沿着山脉走向上具有带状区域分块运动特征,大范围内具有弥散变形特征;(2)青藏高原北部变形场应是通过不同断裂差异性相对运动、区域内部逆冲挤压和块体旋转共同作用的结果.从鄂拉山到古浪民勤一带具有强烈的逆冲活动,其两侧地壳块体分别具有逆向旋转的运动性质;(3)在研究区东部GPS速度场所呈现顺时针旋转的形态,应是处于不同地块边界处的中下地壳与地幔介质差异驱动机制对上地壳块体所产生的作用,并以近地表断层应变率积累形式表现的结果,是祁连山地块、阿拉善块体、鄂尔多斯地块等大型块体推挤旋转影响下的复杂运动学形态.     

用二维有限元方法研究青藏地块地壳水平运动

对1998~2003年青藏高原地区高精度GPS水平速度场成果进行参考框架的变换,获得了扣除刚性运动后的反映区域内部相对运动的水平速度场.进一步借助二维有限元技术,结合最优化原理,将变换框架后的GPS测点位移作为约束,反演区域块体边界分段位移.利用反演获得边界位移重建区域内部均匀、统一的变形场,并计算其应变率场、面膨胀率场.最后,对地质构造区域地壳变形及应变率场与强震发生部位的对应关系进行了分析.     

鄂尔多斯块体及周边区域地壳结构的接收函数研究

鄂尔多斯块体及周边区域的深部构造研究对于了解华北克拉通与其周边地带形成、发展和克拉通破坏具有怎样的壳、幔结构和深层动力学过程具有重要的意义.本文利用北京大学和中国地震局在华北克拉通西部地区布设的共32台宽频带地震仪记录的远震体波资料,组成一条近南北向的观测剖面,由北至南依次穿过阴山造山带、河套盆地、鄂尔多斯块体、渭河盆地、秦岭造山带和大巴山系.计算各台站的P波接收函数,利用倾斜叠加(H-κ)方法得到了研究区域地壳厚度和泊松比;利用Kirchhoff偏移成像方法得到了研究区域下方Moho面的形态.研究结果表明,阴山造山带地壳厚度为42~44km,地壳结构稳定,泊松比约为0.27,推测该区域的造山运动是深部物质上涌导致.河套盆地内Moho面抬升,可认为是岩石圈物质上涌导致.鄂尔多斯块体内平均地壳厚度41.2km,泊松比0.27,Moho面从北至南平缓有平缓抬升的趋势,从最北端的43.5km到最南端的39km.鄂尔多斯块体北部在20km深度处存在低速层,块体内部36°N~37°N区域内出现Moho面小规模下沉,这对鄂尔多斯块体地壳结构单一、完整、未遭到破坏的观点提出了挑战.渭河盆地内Moho面隆起,最浅达到30km,推测是青藏高原地壳上地幔物质向东挤出并上涌所造成的.秦岭造山带地壳厚度约38.5km,Moho面平稳.位于扬子板块北缘的大巴山系地壳厚度达到54.5km,明显大于华北克拉通的地壳厚度.     

基于GNSS数据的三种应变计算方法在青藏高原东南缘地区的应用

利用GNSS速度场求解应变率的方法存在多元化特征, 可以区分为数学方法和物理方法。 本文选取求解应变率的三种数学方法: 最小二乘配置法、 多尺度球面小波法、 Gussian加权内插法, 对1999—2019年青藏高原东南缘(97°E~106°E, 21°N~30°N)GNSS速度场以及均匀GNSS速度场进行解算, 探讨以上三种方法在该区域的适用性特征。 通过分析由两组不同数据分布密度获得的主应变率(最大/最小)、 最大剪切应变率、 面应变率结果, 发现利用多尺度球面小波法获得的应变参数在青藏高原东南缘区域有更高的空间分辨率表现。 在数据分布密度高时可以详细反映小区域内空间变形特征, 有助于详细确定断裂变形特征。 本研究结果仅代表在青藏高原东南缘研究区域结果, 对于其他区域计算方法的选取仍需考虑其构造变形背景、 测点分布密度等条件。     

渭河盆地GPS应变背景特征及高陵地震发震原因探讨

本文基于陕西2001—2010年流动GPS网观测数据,利用GAMIT/GLOBK软件对该数据进行处理,获得了渭河盆地高精度的水平运动速度场。利用最小二乘配置法得到区域应变背景特征参数,进而对高陵4.4级地震发震的可能原因进行分析。通过对主应变、剪切应变、面应变等分析研究,得到如下结论：高陵地震的发震区域易于积累剪切应变,并且容易受到应力调整的影响。汶川大震后引起周边应力重新分配调整,可能是高陵地震发生的关键要素。GPS应变场可以反映区域断层运动性质,与地质构造活动有着较好的一致性。