GPS技术应用于中国地壳运动研究的方法及初步结果

文中主要就中国利用GPS等空间测地资料研究地壳运动、构造变形 ,以及用于地震预测探索方面 ,从方法技术和近年来取得的一些初步结果进行了概要性论述。介绍了利用GPS技术资料研究地壳水平运动速度场、水平应变场、建立地壳运动模型等方法研究的进展。由GPS观测给出的地壳水平运动初步结果表明 :中国大陆现时水平运动在全球参考系中为整体向东 ,并兼有顺时针扭转运动。西部地区构造形变强烈 ,整个青藏块体及其边界带 ,以及新疆西部是应变值最高的区域 ,水平应变场主压应变优势分布方向为近NE向 ,空间差异显著 ,反映了印度板块碰撞推挤和青藏块体强烈构造运动的影响。中国大陆东部水平运动的差异性不显著。强震分布于地壳运动的大小、方向显著变化的区域 ,大地震通常发生在水平剪应变高值区或其边缘 ,尤其是与区域主干断裂的构造活动背景相一致的剪应变率高值区。     

基于GPS速度场的四川地区1999～2018年应变场特征演化分析

基于1999～2018年GPS水平运动速度场数据,解算并分析了四川“Y”形构造区各周期网格速度场、地壳应变率场,并讨论了近20年尺度的地壳应变场演化过程。研究表明：1）2008年汶川地震前1999～2007期GPS速度场相对稳定,整体“Y”型构造区地壳运动变化不大,但汶川地震后龙门山断裂带发生较大变化,由4.0 mm/a增至10.0 mm/a。2）1999～2007年,整个四川“Y”型构造区应变场演化特征微弱,而汶川地震之后的两个周期,最大剪应变自龙门山山前断裂向西到汶川一带,形成了由高到低、平行于龙门山断裂带走向的高密度梯度带。龙门山断裂带以ES或EES向的主压应变为主,其量值变化范围为 5.0×10^-8 /a～12.0×10^-8 /a;鲜水河断裂由震前主拉应变,改为震后近EW向的主压应变特征。面膨胀结果则显示龙门山断裂带由震前低密度梯度带瞬间变为平行于龙门山断裂带走向的高密度变化区。3）2008年汶川地震和2013年芦山地震是最为重要的时刻分割点。近20年的应变率场变化,更似一个“时间—地壳构造运动”的大轮回,目前四川“Y”型构造区整体处于2008年汶川地震前较为稳定的活动周期。龙门山断裂带仍值得我们做出更为深入的研究。     

深埋隧道精细地应力场反演研究——以滇西南双江至沧源高速姜染山隧道为例

针对复杂地质条件下深埋隧道精细应力场准确反演以及主要地质条件对地应力场影响问题,以滇西南双江至沧源高速姜染山隧道为例开展研究。采用精细DEM数据、实测地质资料建立隧址区精细地质模型,以地应力实测数据和GPS速度场数据作为联合约束条件,开展姜染山隧道工程区精细地应力场反演计算,揭示了隧址区精细应力场特征及主要地质条件影响作用。结果表明：隧道区模拟变形速度场与GPS观测结果基本一致,模型能够较好反映工程区现今构造应力环境;隧址区地应力场存在应力水平西高东低、主应力方向局部偏转的特征,近E-W向的小黑江断裂对研究区地应力场的影响主要表现为造成主应力方向小幅偏转,未造成应力量值急剧变化,局部次级断裂和地形叠加影响作用有限;隧道沿线最大主应力在7.47～27.23 MPa之间,中间主应力在1.59～15.12 MPa之间,最小主应力在0.01～6.71 MPa之间,隧道沿线应力水平总体上未表现出明显异常特征;基于反演精细应力场数据的岩石应力强度比方法计算结果显示,现今地应力条件下,隧道岩石强度应力比结果总体在0.20～0.48之间,表明隧道围岩整体为无岩爆和轻微岩爆情况。本研究实例表明,复杂地质...     

基于GPS观测分析鄂尔多斯块体南缘现今地壳运动和地应变特征

根据陕西省2001和2002年两期的GPS测站的观测资料，给出了渭河盆地及周邻地区地壳运动速度场和该区现今地壳水平应变场，结果表明：(1)渭河盆地及邻区的运动速率呈现较明显的北东向条带状变化特征，该区有整体不连续性逆时针旋转运动的特征；(2)渭河盆地中部的彬县—西安—蓝田一线存在一个左旋剪切带(东侧)，该左旋剪切带的北部区域与铜川—泾阳—临潼小发震带恰好对应；(3)渭河盆地中部与北部以压应变为主，南部以张应变为主，高值区主要分布在该区主要断裂带的附近，尤其是在宝鸡一太白、渭南—蓝田和合阳—韩城附近分别形成应变高值区，并且应变梯度也较大；该区渭河断裂以北大部分地区以面收缩为主，以南则以面膨胀为主，面应变高值区与压应变高值区以及最大剪应变高值区有着较好的对应关系。     

中国大陆现今构造应变率场及其动力学成因研究

通过分析中国大陆地壳运动GPS速度场得到现今构造应变率场。结果显示在印度板块北向推挤作用下 ,青藏高原内部及其邻域形变场并不局限于少数大型走滑断裂 ,而是在大范围内广泛分布 ,各地区构造运动驱动机制也可能各有不同。藏南地区主应变率场呈均衡的约 2× 10 -8a-1南北向挤压和东西向拉张 ,显示印度板块下插造成的地壳增厚和岩石圈拆离可能形成上地壳与上地幔间形变解耦 ,地壳内部在南北向挤压及重力场作用下产生东向塑性流驱使上地壳产生东西向拉张。西藏中部羌塘地区主应变率场显示均衡的约 2× 10 -8a-1北北东向挤压和北西西向拉张 ,反映本地区一系列走向北东和北西的共轭剪切断裂的活动 ,可能源于南北向挤压和软流层内东向塑性流的驱动。柴达木盆地及周边地区主应变率场呈约 2× 10 -8a-1北东向压缩和约 (0 1)× 10 -8a-1北西向拉张 ,表明地壳增厚造成的地壳温度上升可能还不足以造成上下地壳的充分解耦 ,南北向的消减还未能有效地转换成东西向的拉张 ,形变以褶皱和逆冲断裂运动为主。当今青藏高原形变场的形成应是构造运动从南到北阶段性发展过程中地壳与上地幔介质性质差异造成驱动机制不同的结果。     

GPS数据揭示的喜马拉雅东构造结地区现今应变特征及其动力学机制

喜马拉雅东构造结位于印度与欧亚板块碰撞的前缘,是地壳缩短和构造旋转变形十分强烈的部位。本文收集东构造结及其周边区域大范围、长时段的最新GPS速度场资料,采用“二维张力样条”方法计算获得区域构造应变场,研究其现今地壳运动与构造变形特征。结果显示,高应变率区集中在喜马拉雅主逆冲断裂、实皆- 阿帕龙断裂、鲜水河- 小江断裂、东构造结的环形地区和印度东北部及缅甸西部的巴坎- 若开山脉地区,而在跨嘉黎断裂和红河断裂区域并无显著的应变。区域最大剪切应变率主要沿着实皆- 阿帕龙断裂、鲜水河- 小江断裂等构造带分布,区域最大面压缩率发生在阿萨姆东北部一带(N28°~29°、E95. 5°~96. 5°),最高量值为151. 8×10-9 a-1; 反映喜马拉雅东构造结的最强变形核心部位已经由南迦巴瓦峰地区向其东南方向发生了转移,移至位于阿萨姆东北部地区的喜马拉雅主边界逆冲断裂与阿帕龙断裂的交汇处。综合分析认为,喜马拉雅东构造结地区在印度板块强烈的楔入挤压作用下,大陆变形以地壳增厚为主,深部以黏塑性为特征的下地壳和上地幔物质的流动驱动着上覆脆性上地壳地块。     

东亚构造块体运动模型及其推论

利用地震滑动矢量、转换断层走向和洋中脊扩张速率反演出太平洋、菲律宾、北美、鄂霍茨克、阿穆利亚、南中国和日本本州块体相邻板块间的相对欧拉矢量,该结果与利用最近20年内空间技术实测速度场、国际地球参考架ITRF2000速度场、中国地壳运动GPS监测网以及日本GPS地球观测网(GEONet)的速度场等建立东亚构造块体运动模型基本一致,反映东亚构造块体现今运动特征,基于模型分析东亚构造块体相对运动,进一步揭示东亚构造块体现今运动规律。     

东天山大型韧性剪切带基本特征与金矿预测

东天山大型韧性剪切带即秋格明塔什-黄山韧性剪切带,规模宏大,东西长逾600km,宽5～20km。变形标志明显,分四期变形。应变测量、岩组分析、剪切位移量计算、同位素测年等定量分析表明：①以平面单剪应变为主,稍晚向伸长应变转化;②存在逆冲剪切和脆-韧性变形转换;③剪切位移量在75km以上;④变形时代在300～250Ma之间,高峰期在285～265Ma,属海西中晚期。它是康-黄断裂带的重要组成体,控制着康古尔塔格金矿带的空间展布。据现有大中型金矿研究建立了区域脆-韧性变形转换带结构模式和金矿预测模式,可有效指导找矿勘探。     

基于数字图像相关方法的等应变率下不同含水率砂样剪切带观测

在压缩位移控制加载条件下（加载速率为5 mm/min）,针对不同含水率（12.7%~16.5%）砂样,利用自主开发的基于粒子群优化的数字图像相关方法,开展了最大剪切应变场的观测研究,获取了子区尺寸对砂样不同位置最大剪切应变的影响规律。研究发现,随着砂样含水率的增加,变形更加均匀,最大剪切应变高值区分布变得宽广,反映了剪切带的数目增加,微裂纹出现之前的最大剪切应变提高;随着纵向应变的增加,在应变高值区,最大剪切应变以非线性方式迅速增加,但在应变低值区,一般以线性方式增加。当剪切带出现以后,特别是在变形后期,子区尺寸对最大剪切应变有明显的影响。最大剪切应变随子区尺寸变化的演变规律与子区所处位置密切相关。     

水足迹与主成分分析法耦合的新疆水资源承载能力评价

通过耦合水足迹理论与主成分分析方法,构建基于水足迹的新疆地区水资源承载力评价指标体系,分析研究区2010～2015年间水资源承载能力变化情况.结果表明:2010～2015年间新疆地区的水资源承载力呈先增大后减小的现象,2014年水资源承载力最差,供水压力最大.其中,研究区的承载力主要受水资源和社会因素以及进出口贸易中虚...     

绍兴—江山断裂带璜山段岩石有限应变测量成果初析

作者在绍兴—江山断裂带的基底韧性剪切带内,测量了大量的岩石有限应变数据,经分析认为该韧性剪切带具有不均匀的单剪应变特征,其位移场属于RamsayⅠ类,应变类型为压扁型。长短轴比值、剪切应变值和应变程度值等,均由剪切带中心往外递减,剪切指向平面上为左旋,纵向拉伸变形量为102.1km,磺向缩短量为5.76km,水平剪切总位移量为42Km。     

斜切中亚的深部滑移构造带地球物理证据及对表层构造的制约

斜切中亚的帕米尔一阿尔泰滑移构造带向南延伸，可与恰曼转换断裂系统相接，影响其两侧表层断裂构造格局、中新生代盆山演化、现今地壳变形和地震活动．地球卫星重力异常带在滑移构造带两侧表现出显著的不连续性和系统位移特征，其深部滑移幅度达600km以上．从卫星资料反演计算出的地壳厚度图上可看出，新疆地区地壳厚度比中亚邻区厚4～8hn，岩石圈厚度比中亚邻区厚10-20km，新疆及邻区地震波速层析成像结果提供了不同深度速度结构，在平行于中国西部国界处的10km、30km、50km深处均有NE向速度结构不连续面的反映．     

GPS观测与数值模拟揭示的滇西北地区地壳形变特征及主要断层运动变化

滇西北地区地质构造复杂,强震孕育背景显著.本文利用滇西北地区不同期次(1999～2007期、2013～2018期)GPS观测数据解算地壳应变率场,分析地壳应变率场的动态演化特征.以不同期次GPS观测数据作为边界约束,利用二维有限元接触计算,模拟给出滇西北主要断裂带运动学特征与应力积累速率的变化;并结合汶川、芦山等历史强震和近场跨断层观测等资料,探讨滇西北地区地壳变形特征及其变形机理.结果表明:滇西北地区现今地壳变形特征表现为近东西向的拉张和近南北向的挤压,同时还叠加了南西—北东向的剪切变形,地壳应变率场在不同时段经历了动态调整,但最大主压应变方向在两个时段未发生改变,为NNW向.汶川地震前,滇西北地区主要断裂带的运动速率、运动性质与现有地质、形变结果较为一致;汶川、芦山等地震后,部分断裂带的运动性质与受力状态发生变化,本文分析认为与汶川等远场强震及断裂带近场中强震的发生有关,这些地震对滇西北地区局部应力场产生一定的影响,是部分断层运动性质发生变化的原因之一.     

唐山地区3～4 km深部地应力测量及断层稳定性分析

地应力大小和方向是干热岩开发中注采井网部署、水力压裂设计和诱发地震评估等方面的重要基础数据.本文利用非弹性应变恢复(ASR)地应力测试方法,实测获取了唐山市乐亭县马头营干热岩勘探区3～4 km深度范围的地应力状态.研究结果表明:①地应力量值随深度增加而加大,3139～3934 m深度范围内水平最小主应力介于59.0～90.7 MPa之间,水平最大主应力介于103.7～123.6 MPa之间.水平最大主应力方向介于N83°～114°E之间.②三向主应力总体表现为σH＞σv＞σh,表明研究区3～4 km深度构造应力占主导地位,该应力状态有利于走滑断层活动.③利用摩尔-库伦准则对邻区断层的稳定性进行分析,结果表明研究区3～4 km深度范围内的断层总体处于稳定的应力环境.④干热岩注水开发与断层稳定性分析表明,在统一的区域地应力场作用下,研究区3900～4000 m干热岩注水开发过程中,当地面持续注入压力达到或超过约28 MPa时,可能引起场区内断层的滑动失稳,导致中小地震的发生,在于热岩开发利用中需注意防范.研究结果对于唐山地区地球动力学研究及干热岩的开发利用具有一定的参考价值.     

基于CT扫描和数字体相关法的页岩各向异性三维变形场特征研究

为了获得层状页岩各向异性三维变形场特征,对四川盆地龙马溪组层状页岩开展单轴压缩试验,并利用Micro-CT原位扫描,以原位扫描获得的数字图像作为变形信息载体,基于局部数字体积相关法（digital volume correlation,简称DVC）和全局DVC方法计算单轴压缩条件下层理页岩变形场,研究页岩变形演化的层理效应。结果表明：随着载荷增加,页岩试件整体位移场梯度逐渐向层理方向演化。不同层理页岩试件的高应变集中区呈现出不同的模式,0°试件受张拉和剪切作用共同影响,在中部区域应变集中明显,裂缝集中于中部发育;45°试件在加载后期张拉应变和剪应变集中区同时出现,裂缝发育遇层理面出现明显拐折,裂缝的演化由张拉和剪切作用共同控制;90°试件在整个加载过程中张拉应变集中显著,裂缝沿垂直层理面平行发育,试件破坏受控于张拉作用。Micro-CT的高分辨率原位扫描图像结合局部DVC和全局DVC获取的变形场和应变场能够反映各向异性页岩的变形破坏规律,为页岩变形演化的层理效应研究提供了方法。     

华北、东南及藏北地洼区的地壳运动及其地球物理特征

通过分析东南、华北及藏北三个地洼区的重力、地震、地热等深部和浅部地球物理资料所表现出来的不同特征及其存在的差异,论述了上述三个地洼区现阶段的大地构造运动中,东南地洼区地壳运动最弱,藏北地洼区地壳运动最强,华北地洼区的地壳运动强度居于前两者之间。研究表明,地壳运动的强弱变化与地幔有着密切联系。     

柴达木盆地北缘第四纪左旋斜冲推覆构造运动

柴达木盆地北缘第四纪发育比较强烈的左旋斜冲构造运动,形成长达百余公里、宽度超过30km的大型推覆构造,由斜冲断层、逆冲岩席和褶皱构造等组成。根据野外观测相关资料,柴达木盆地北缘第四纪发生两期构造变形： 早更新世不同规模的逆冲岩席如中新元古代中深变质岩、古生代浅变质岩与中生代沉积地层沿北西西－北西向断层发生左旋斜冲构造运动,导致下伏中新统和上新统湖相沉积地层强烈褶皱变形,上覆不同规模的逆冲岩席; 晚更新世中晚期构造运动导致中晚更新世砾石层发生宽缓褶皱变形。估算柴达木盆地北缘第四纪斜冲推覆构造运动产生的最小缩短量约为 17～18km,平均缩短速率约为 6.6～6.9mm/a。柴达木盆地北缘第四纪斜冲推覆构造运动是青藏高原北部新生代逆冲推覆构造运动自南向北扩展迁移的重要表现形式。     

斜轴高斯投影在跨带物探长剖面测量中的应用

在高精度物探重力测量中,需要提供高精度的平面位置和高程。在物探长剖面测量中,对东西跨度较大的线路进行控制测量时,高斯-克吕格投影分带和高程引起的投影变形较大,不能满足长距离重力测量对精度的要求。基于高斯-克吕格投影的基本理论,采用斜轴变形椭球高斯投影方法,结合最小二乘法、坐标转换理论及椭球变换,将原始椭球构建斜轴变形椭球,可以减小高斯投影横坐标和高程投影变形的影响,避免高斯投影分带过多对应用的影响。以漠河—呼和浩特物探长剖面测地数据为例,利用GPS快速静态测量获得平面和高程位置,测点距离约1km,通过斜轴高斯投影进行投影,最大平面精度为67.87mm/km,最大高程精度为53.039mm/km,最大投影综合变形的中误差为88.51 mm/km,大大减小了投影变形,提高了地图投影精度。因此,该投影在跨度物探长剖面测量中的应用具有一定优势。     

中国大陆现今构造变形GPS观测数据与速度场

利用 1991— 1999年间 36 2个全球定位系统 (GPS)测站的观测资料 ,初步获得了中国大陆及周边地区现今地壳水平运动的统一速度场。该速度场主要涵盖青藏高原 ,天山 ,塔里木、川滇 ,河西走廊 ,福建东南沿海等重要构造活动区 ,测定精度总体优于 2～ 3mm/a ,速度场站点的分布和测定精度基本上满足中国大陆现今构造变形和动力学研究的需求。现代大地测量第一次比较全面、定量地展示出中国大陆在周边板块作用下大幅度构造变形的图像 ,为模拟大陆岩石圈动力过程提供了基础性的运动学约束条件。     

库水位升降作用下大型堆积体边坡变形破坏预测

库岸边坡的变形破坏及稳定性研究是目前国内外研究的热点之一。基于水电站库区一大型堆积体边坡,通过现场原位直剪试验获取岩土体的力学参数,利用岩土数值分析FLAC3D软件,考虑了堆积体与基岩基覆接触带介质的应变软化特性,对水库蓄水和下降过程中边坡的变形破坏特征进行了分析预测。结果表明,在库水升降作用下变形主要发生在堆积体内部;根据堆积体的变形特征可分为3个区：前缘牵引变形区,变形量最大;中间过渡区,变形量最小;后缘被牵引变形区,变形量介于前缘和中间之间。模拟过程中,在坡体的不同位置设置位移监测点,得到了蓄水和水位下降过程中各监测点的位移时程曲线,监测结果显示,水位下降时堆积体前缘易形成局部失稳。通过剪应变增量判断堆积体边坡在库水作用下可形成2个潜在的滑动破坏面