GPS应变率场计算方法研究进展

基于大地测量资料获取地壳运动与应变积累定量结果一直是国内外重视的地震中长期预测的技术途径。 针对地震变形过程的准确描述问题, 国内外学者基于GPS资料, 发展了多种应变率场解算方法。 本文首先简要介绍了GPS应变率计算的基本原理, 然后系统梳理了国内外多种计算方法的优势和不足, 结果表明: 应变率计算的数学方法只考虑几何关系, 其中整体方法主要适合数据密度和分布较好条件下获取区域地壳变形分布与趋势, 局部方法主要适用于数据较为稀疏情况下描述构造块体的变形特征; 应变率计算的物理方法既考虑几何关系又考虑物理关系, 其中, 位错方法根据主要适合于研究区域存在主控断层的情况(研究区域的变形主要由少数断层控制); 数值模拟方法(如有限元法)主要适用于区域地质、 地球物理的资料比较完备的情况。     

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.     

中国大陆地应变率场分布及其与地震活动性关系的研究

利用中国大陆地区的GPS速度观测资料,通过2次插值计算,得到地应变率场。首先将GPS观测结果通过插值计算获得中国大陆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,从而获得中国大陆及邻区稳定的地应变率场的分布。计算结果表明,总体上中国大陆及邻区地应变率分布西高东低;以南北地震带为界,西部地区应变率高,而东部地区,尤其是华南地区地应变率很低;而塔里木盆地、鄂尔多斯盆地等构造稳定区域的地应变率也很小。此外,还发现中国大陆及邻区地应变率分布与地震活动之间的关系非常密切,变形产生的应变能密度与地震密度(1.0°×1.0°内发生的地震数目)之间吻合得很好,应变能密度高的区域,地震活动性较强;反之,则较弱。同时,最大剪应变率、面应变率与地震活动性之间也呈对应关系。     

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...     

用GPS测量数据模拟中国大陆现今地壳水平速度场及应变场

基于连续介质力学理论,提出了直接利用ＧＰＳ测量资料建立地壳运动与形变模型的方法。把整个中国大陆视为由无穷多个微元集合而成的连续介质体,并假定每一个微元体的转动矢量服从统一的,连续的泰勒级数分布,由此引进一组待定参数,称之为地壳运动与形变参数。利用全国网１９９４年和１９９６年的两期ＧＰＳ观测数据,组成矛盾方程组,应用阻尼最小二乘方法,经迭代解算,得到所需要的地壳运动与形变参数。     

青藏高原及周边现今构造变形的运动学

青藏高原现今构造变形的定量化研究是理解其动力过程的基础 ,近年来高速发展的GPS(全球定位系统 )技术为测量大尺度现今构造变形提供了最有效的手段。我们利用青藏高原及周边的5 5 3个GPS观测数据给出了其现今构造变形的速度场 ,表明印度和欧亚板块之间的相对运动主要被青藏高原周边的地壳缩短和内部的走滑剪切所调整吸收。其中 ,喜马拉雅山系吸收了青藏高原总缩短量的 4 4%～ 5 3% ,北部的阿尔金山、祁连山和柴达木盆地吸收了 1 5 %～ 1 7% ,高原内部吸收了 32 %～4 1 %。青藏高原的“向东挤出”实际上是地壳物质的向东流动而不是刚性地块的挤出。这一地壳物质流动带在高原西部以地表张性正断层和共轭剪切走滑断层为特征 ,到高原中东部转换为巨型的弧形走滑断裂带 ,再到高原东北缘转换为地壳缩短和绕东喜马拉雅构造结的顺时针旋转。青藏高原的大尺度现今构造变形以连续变形为特     

川滇地区应变率场分布及其变化特征研究

基于GPS多期复测资料, 利用最小二乘配置方法计算川滇地区应变参数, 分析该区域应变率场分布及其变化特征并探讨其分布与强震关系。 研究结果表明: ① 各时段应变率场空间分布的明显变化应属于大于GPS资料误差的真实地壳构造形变信息; ② 最大剪应变率及第一、 第二剪应变率的结果反映了走滑断裂对区域变形的显著控制; ③ 主应变率, 东西、 南北向应变率场动态结果反映的汶川地震孕震的空间尺度较大; ④ 在本区大致反映北东向与北西向剪切变形的第一剪应变率、 东西向应变率、 南北向应变率及最大剪应变率与6级以上地震对应较好。     

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.     

青藏高原东北缘与主要断裂带相关的构造应力率和应变率场的数值模拟

新生代以来,青藏高原东北缘发育了一系列大型走滑和逆冲断裂,构造活动强烈,大震发生频繁.这些主要断裂如何影响区域构造应力、应变场的分配及地震危险性一直没得到充分探讨.本文建立了三维黏弹性有限元数值模型,计算了该地区在现今构造加载作用下的地壳应力率场和应变率场.结果显示,受阿拉善块体和鄂尔多斯块体的阻挡,青藏高原东北缘水平主压应力率及水平主压应变率的方向整体呈顺时针旋转,这种旋转在东南方向更为显著.区域整体以北东-南西向的水平主压应力率为主,并伴随有北西-南东向水平引张应力率.模型0km深度处水平主压应变率的最大值在东昆仑断裂附近,约为4×10-8a-1;在稳定的阿拉善块体和鄂尔多斯块体内部较小,约为1×10-8a-1.计算得到的区域应力状态和实际震源机制解具有较好的一致性,表明青藏高原东北缘以走滑和逆冲型应力场为主.阿尔金断裂带、东昆仑断裂以及海原断裂均表现为最大剪应变率向东逐渐减小,并且最大剪应变率值的减小被其端部的造山隆起和地壳缩短所吸收.在阿尔金断裂的西段、东昆仑断裂的西段到中段,以及海原断裂的西段到中段,未来有较高的地震危险性.     

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2~3 mm·a-1,盆地东侧断裂主要以右旋缩短运动为主,速率为1~3 mm·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2.1 mm·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1.0 mm·a-1,盆地处在弱拉张变形状态.     

青藏高原东北部多尺度重力场及其地球动力学意义

由于受到SN和EW双向挤压作用的综合影响,处于年轻高原与古老地块交接区的青藏高原东北部岩石圈强烈变形,构造活动十分活跃.为了整体性地了解青藏高原东北部重力场和深部动力学机制,本文基于EGM2008全球重力场模型数据,利用小波多尺度分析获得不同尺度的重力异常信息;同时反演了研究区的地壳厚度;通过构建穿越龙门山造山带和西秦岭造山带两条剖面的岩石圈密度结构模型,分析了地壳上地幔内不同介质的分布特征.研究结果表明,青藏高原东北部岩石圈显示十分复杂的塑性体的特征,其重力异常走向多以EW或SSE为主,反映了高原岩石圈物质向东运移的趋势;地壳厚度由西向东逐渐减薄,边缘造山带深部并没有发现"山根"痕迹,结合该地区低重力的特征,推测西秦岭-松潘构造结岩石圈发生过大规模地幔流底侵作用;地幔流上涌的动力可能来源于印度板块向欧亚大陆板块俯冲,激发了地幔流体侧向移动,在扬子地台和华北地台附近受到坚硬岩石圈的阻挡而被迫上移,并因此造成龙门山与西秦岭的隆升.     

The Contemporary Tectonic Strain Rate Field of Continental China Predicted from GPS Measurements and its Geodynamic Implications

In Appling studies, the strain rate in China has been computed from using different methods, resulting in quite different estimates of the strain rate the geo-statistics from GPS velocity field of Chinese continent, we obtain the velocity value at each little regularly spaced grid point, by kriging interpolation and the component of strain rate for each volume element, using a method similar to the derivation of shape functions in the finite element algorithm. Therefore the distribution of the strain rate field in whole for the Chinese continent is presented. The result shows that the orientations of principal strain rates are consistent with those of the P and T axes of focal mechanisms. The distribution of maximum shear strain rate clearly delineates some major active fault zones surrounding the Tibetan Plateau. The maximum shear strain rate is comparable with that obtained from analysis of seismic moment release. In part of the Tibetan Plateau containing normal faults and pull-apart grabens, we obtain an extensional state of strain. The absolute value of the strain rate in West China is approximately 5 times larger than that of East China, and the pattern of the strain rate field in most of the Chinese continent is controlled by the India/Eurasia collision.     

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.     

台湾碰撞带现今地壳变形场特征及其动力学成因的有限单元法模拟研究

台湾是菲律宾海板块与欧亚板块会聚、碰撞的产物,区内地质构造复杂,地震频发,变形强烈.为定量研究台湾地区变形特征及其动力学成因,文中运用二维不连续变形体弹性力学的有限单元计算方法,利用台湾地区1995—2005年GPS的观测结果作为边界约束,对台湾地区地壳变形场进行了模拟.计算结果显示,台湾中部地区主要呈压缩状态,但在台湾的东北部及南部地区出现了拉张的变形环境.变形程度最大的区域位于台湾东部海岸山脉及其附近海域,同时,计算给出台湾纵谷断裂滑移速率约为13.8~23.5 mm/yr,由于纵谷断裂对变形的吸收,因此变形在纵谷断裂以西及西北地区迅速衰减.此外,计算结果还发现,计算给出的台湾岛上的速度值与GPS观测结果吻合得较好;计算给出的主应力方位与地应力观测及震源机制解结果也颇为一致.由此说明文中的有限元模型是合理的.此外,计算结果还表明,菲律宾海板块向北西方向的推挤,板块边界形状,观音、北康高地的抵阻, 冲绳海槽扩张及琉球海沟的向南后撤以及断裂作用等,共同造成了台湾地区现今变形场的主要格局.     

基于GPS应变、地震应变率与震源应力场对帕米尔高原现今构造变形特征的分析

研究帕米尔高原的构造变形特征对于理解印度板块向北推挤过程中的应变分配方式以及应力转换模式具有重要的意义.本文利用区域GPS应变场、地震应变场与震源应力场分析帕米尔高原的构造形变特征.主要结论为:(1)该区域变形主要以NNW-SSE或近N-S向的挤压为主,在高原内部伴有明显的近ENE-WSW或E-W向拉张,应力方向在帕米尔高原与塔吉克盆地区域呈现逆时针旋转的趋势,而在塔里木盆地则显示几乎与帕米尔高原的一致的应力状态,这可能与两侧盆地块体的强度差异有关.(2)安德森断层参数A∅显示帕米尔高原北缘与西侧区域为逆断层应力状态,在高原内部为正断层应力状态,这与GPS应变的结果显示的应变主要集中在主帕米尔断裂与阿莱谷地附近而在高原内部应变较低是一致的,另外应力在喀喇昆仑断裂北段的方向基本平行于断层走向,以及断层北端较低的滑动速率,这说明了地壳挤压缩短可能是帕米尔高原主要的的构造变形特征,并不支持由于边界走滑断裂导致的应变分异或者块体挤出的模式.(3)综合考虑地震应变方向与SHmax从帕米尔北部NNW-SSE方向到天山北部的近N-S方向的转换,GPS应变方向在帕米尔高原两侧盆地都存在不同程度的旋转,应力场安德森参数A∅显示的应力状态以及SKS的结果显示的近ENE-WSW方向,我们认为印度板块向北推挤与天山造山带碰撞导致帕米尔高原不对称的径向逆冲是帕米尔高原现今构造变形的主要成因与构造模式.     

青藏高原中南部岩石圈扩张应力场与羊八井地热异常形成机制

青藏高原中南部地区有着丰富的地热资源,其中羊八井地区存在着温度高达93℃以上,热流值高达364mW/m2的地热奇观.本文利用国际以及中国地震台网资料,详细分析了青藏高原中南部地震活动性和岩石圈脆性破裂深度范围,进而讨论了高地热异常区的岩石圈应力场背景及其动力学机制.研究结果表明,青藏高原地热异常区有高于高原内部平均活动水平的震级为6级左右的中强地震活动,其震中分布呈现出与地热活动相似的、沿近南北向断陷带的带状特征;并且在高热流区域内有高原内部罕见的中深地震活动,地震震源从100km左右深处到地表呈现柱状地震群活动的空间分布等特征.震源机制与应力场研究结果表明,虽然高原中南部应力场主压、主张应力方向与青藏高原的整体特征相符,但是地震发生类型与青藏高原周缘的挤压逆断层型地震完全不同,均属于东西向扩张力作用下的正断层型地震活动,特别是在羊八井高热流区域附近,东西向扩张应力场在岩石圈应力场中起到主导性作用,推测其控制深度可达岩石圈底部100多公里处.青藏高原地热异常区在强烈的近东西向扩张应力场作用下,岩石圈东西向扩张并发生一系列的大规模正断层活动,致使深部软流圈高温热流可以沿着活动正断层及其形成的深裂隙上涌,穿过岩石圈到达地表面,形成了高地热异常区.     

青藏高原中强地震前的地电场变异及构成解析

青藏高原及邻区的地电场常态波形存在场地的选择性现象,场地的岩石结构、裂隙及裂隙水、构造活动等因素影响地电场的常态波形,较大湖泊有助于附近出现TGF-A波形,在第四纪沉积层较厚、岩石含水度高和透水性强的地区多出现TGF-B波形,而构造活动剧烈的基岩山区易出现无日变形态的地电场.该地区中强地震前,地电场的短临异常存在时间上或同步或有十余天差的丛集现象,而在空间上可分布于该区多个断层附近,表现出离散现象,这种时间上丛集、空间上离散的现象是该区域地电场短临前兆特征.引入Σ-Δ求和方法从地电场观测数据中解析出自然电场通常的稳定性,说明了中强地震之前部分地电场的背景值跃变是一种自然电场变化现象;建立潮汐谐波振幅比TA值的概念及计算方法,从定量角度说明了青藏高原地区TGF-A、TGF-B和无日变波形的潮汐影响在逐次降低;使用一阶差分ΔE方法,解析出地电场分钟数量级的高频电磁成分,通常这种高频突跳表现出一定程度的随机性、有限性.三种不同的分析方法,从地电场的构成中解析出自然电场、大地电场和高频电磁成分的特征,为地电场的物理解析提供了理论和方法上的基础.     

应用最小二乘配置建立地壳运动速度场与应变场的方法

简要论述了应用最小二乘配置原理,利用GPS资料建立水平运动速度场统一模型和应变场的方法.讨论了建立基于不同参考基准和几何变形含义的地壳运动模型及空间不同尺度和频率域应变场等问题.对中国地壳运动观测网络区域网资料进行了处理、分析,并分别以中国大陆区域整体及首都圈地区不同空间尺度的区域作为研究区对本文提出的模型和方法进行了实际应用和讨论.     

最小二乘配置下的天山地区应变场特征分布

利用已有的GPS观测数据,借助球面最小二乘配置方法对天山地区的GPS速度场进行研究,得到了研究区域应变场的空间分布特征．其最大主压应变表明,大地震多发生在主压应变快速交替变化的地带,主压应变最大值主要分布于西南天山与帕米尔弧及塔里木西北交汇的地区,强地震(M7.0—8.0)基本发生在该区域．面膨胀值表明天山地区应变呈挤压收缩的特征．