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。     

华北地区主要构造带的现代运动和应变

根据网络工程在华北地区1999—2001—2004年的GPS观测资料,计算求解了垂直于断裂构造带走向的线应变率(即断层正应变率)和平行于断裂构造带走向的剪应变率,求解了断裂带的水平错动速率,研究了断裂带的位移和应变状态。断层正应变率表明北东、北北东向断裂带为北段挤压,南段拉张,东西向断裂带和北西向断裂带在华北东部地段为挤压,西部地带为拉张。1999年至2004年的断裂带的正应变率和剪应变率量值都在37×10-9/a以内。断层在水平方向上的活动表明,东西向断裂带和北西向断裂带以左旋运动为主,不同地段兼有拉张或挤压,北东、北北东向断裂带挤压或拉张活动较显著,不同地段兼有右旋或左旋运动。     

大规模GPS揭示中国现今地壳构造形变特征

利用全国260多个陆态网络连续站以及2 000多个陆态网络区域站2011—2015年观测数据,计算分析中国大陆现今整体地壳构造形变特征以及板内应变场空间分布特征。根据密集、大范围的GPS速度场可知中国大陆现今整体速度场依然呈现西强东弱的态势,其中最大值出现在喜马拉雅地区,一般速率在35~42mm/a之间,而川滇地区形成的右旋剪切带的形变特征最为醒目,其西南部最小速率在3~9mm/a之间,北部最大速率在17~23mm/a;由应变场的空间分布可以看出应力最大的地区主要是喜马拉雅、昆仑山中部、川滇地区的鲜水河断裂带、天山地区以及京津唐地区;东部沿海地区应变速率表现为东西拉张型,主要是由于2011年日本大地震对该地区的影响还未完全消退造成的。     

中国大陆现今构造变形:三十年的GPS观测与研究

中国大陆的构造变形主要与印度和欧亚两大板块的碰撞有关。印度板块的北向推挤直接导致了世界上最宽旷、最活跃和最复杂的现今构造变形。GPS观测技术问世前,构造变形的定量化研究主要依赖活断层的形貌勘察和区域强震的震源机制解,其结果准确度不足且时空界限模糊。1988年中国地震局在滇西地震实验场首次开展GPS形变监测实验,后又经历国家“攀登项目”、“首都圈GPS地形变监测网”等诸多项目实践,直到“九五”重大科学工程“中国地壳运动观测网络”成功建成,中国大陆现今变形图像才逐步完整和清晰。特别是近年基于“中国构造环境监测网络”2000多站点及近30年累积的其他数据,一个覆盖中国大陆且衔接边邻、框架统一、毫米/亚毫米精度的速度场构建完成。这一基础图像对揭示中国大陆活动构造的运动学和动力学特征、深入研究青藏高原及其周边地区构造形成与演化提供了强有力的观测约束,也为地震危险性的定量化分析奠定了坚实基础。     

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.     

巴颜喀拉块体东北缘GPS应变率空间分布特征及其与2017年九寨沟MS7.0地震的关系

巴颜喀拉块体东北缘是构造变形和地震活动较强的区域, 2017年九寨沟M_S7.0地震就发生在该区域内。 利用多尺度球面小波方法解算GPS应变率场, 分析巴颜喀拉块体东北缘2009年至2017年的应变率场分布特征, 该方法的优点是可以将GPS应变率场按照不同的空间尺度进行小波分解, 给出不同空间尺度的应变率场。 结果表明在2017年九寨沟地震之前, 震中附近应变积累显著, 虎牙断裂北延断裂的左旋走滑速率为3.0 mm/a, 拉张速率为3.1 mm/a, 表明该条断裂以左旋走滑为主兼有拉张特征, 与九寨沟地震的震源机制解一致。 除九寨沟震中附近外, 在岷县与漳县交界处、 理县和汶川、 青川等地区主应变率、 面应变率、 最大剪应变率也较大, 这可能与2013岷县漳县(M_S6.6)、 2008年汶川(M_S8.0)、 2014年理县(M_S4.8)以及2014青川县(M_S4.8)地震有关。     

2008年于田7.3级地震前西昆仑地形变的GPS初步研究

利用GPS观测资料计算并获取了2008年新疆西昆仑地区于田7.3级地震发生前的现今地壳运动速度场,通过速度场分布研究了区域内主要断层的活动速率.结果表明:震中以南的龙木错断裂呈左旋走滑性质的运动特征,走滑速率为1.2～2.5 mm/a;震中以北的阿尔金左旋走滑断裂滑动速率为5 mm/a;震中北西面的康西瓦断裂的左旋走滑平均速率约为3～7 mm/a.区域应变场分布一定程度上受断裂带分布的影响.7.3级地震就位于断裂活动交汇的部位和最大剪应变率高值区的边缘.     

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.     

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。     

Numerical Simulation of Annual Change Patterns of Contemporary Tectonic Stress-Strain Field of the Chinese Mainland

INTRODUCTIONInthe late 1980’s ,aninternational cooperation project in earth sciences ,the World Stress MapProject ,wasinitiated underthe World Lithosphere Program. Measurements andresearch achievementsof the present-daytectonic stress field worldwide were analyzed and sorted out .The project achievedgood results and based on them, a world stress database was set up,the world stress map wascompiled,andthe general andregional crustal stress patterns were discussed (Zoback,et al .,1989 ;…     

On the Relationship Between the Crustal Strain Rate and Seismicity:Detect the Source-Field Relation from the Crustal Strain Field

The relationship between the strain cumulative rate (i.e., the crustal strain rate, or CSR in short) and seismic activity is analyzed to develop a new method to determine risky regions for strong shocks within recent years by the recorded crustal strain field. Seismic activity, especially the recurrence period, is different in different areas. Ding Guoyu (1984) pointed out that, for different seismic regions, the difference in the recurrence period of strong earthquakes is mainly controlled by their difference in the rate of the tectonic movement, which is controlled by the seismogenic environment and the tectonic conditions. The method of determining the risky regions for strong shocks from the gradient of vertical strain rates observed in a geodetic survey is preliminarily tested with the earthquakes in recent years; the results show that this method is effective and useful for earthquake prediction. The relationship between CSR and seismicity in a specific region is studied with strain theories, obse     

Numerical analysis of contemporary hori-zontal tectonic deformation fields in China from GPS data

Introduction To correctly understand the tectonic deformation of continental lithosphere, its dynamical mechanics and seismic activity, we should firstly acquire the velocity field and strain field of lithospheric tectonic motion with fine resolution and consistent accuracy (Molnar and Lyon-Caen, 1989; Molnar, 1990). And the quality, distribution and density of observed data are the basis for studying crustal tectonic deformation. In the past, crustal deformation is usually determined indi-r…     

基于GPS的华北地区地壳水平形变特征研究

利用中国大陆构造环境监测网络2009、2011年2期的GPS数据资料,计算得到华北地区相对于稳定的欧亚板块的区域水平速度场。根据水平速度场,基于连续变形假说,采用三角形方法计算了区域应变场特征值,并用GMT绘制了其分布图像。结合地震地质资料对该区的地壳水平形变特征进行分析研究,得出了有意义的结论:(1)水平相对运动与应变率场分布显示,板块交界处的断裂带及其附近区域地壳运动差异显著,应变率量值较为突出;(2)山西断陷带的活动方式与地质结果具有差异性;(3)区内最大剪应变、面膨胀的高值区主要位于环渤海的京津唐地区、山西断陷带中南部及郯庐断裂带中南段。     

利用GPS观测研究山西断陷带现今构造应力场变化与地震活动

基于1999—2007年山西断陷带GPS站点位移速率,采用格林函数法计算了山西断陷带地壳10 km深处的最大主应力和最大剪应力变化,并与区域地质构造、中强地震活动及其震源机制解等对比分析,结果表明:山西断陷带中强地震活动受区域构造应力场的控制,现今应力场变化强烈的区域,地震活动水平相对较高,地震震源机制与构造应力场变化...     

地壳应变速率与地震活动关系的研究——从地壳应变场探索强震活动的场源关系

通过研究应变积累速度（亦即地壳应变速率）与地震活动的关系,籍以探讨从地壳应变场中寻找近期强震危险区的方法。针对不同地区的地震活动水平特别是地震复发期的差异,丁国瑜（１９８４）指出,各地震区大震复发时间的差异主要取决于由大震孕育环境和构造物理条件所决定的构造活动速率（亦即应变累积速率）的差异。从近几年地震实况的初步（阶段性）检验看,应用大地测量中垂直形变速率梯度判定强震危险区,具有较好的效果和可喜的前景。作者从理论分析、实际资料对比及计算机模型研究等方面来讨论地壳应变速率与地震活动水平之间的关系,进而为场源关系研究中的“场中求源”的科学思路探索可能的技术途径,并讨论了从应变速率场中寻找强震危险区的方法。     

On the Consistency of Large Earthquake Moment and Strain Rate Inferred from GPS Data in North China

INTRODUCTIONStudyingthe relation between the accumulation of crustal strain and the release rate of seismicmoment is animportant subject of earth science research.It is also one of the important methods ofestimatingthe future seismic risk(Ward,1994;1998a;…     

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。     

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...     

中国大陆地壳水平运动速度场与应变场

收集了中国大陆及周边地区GPS网的有关数据，提出了GPS网速度场的不同融合方法；经过融合建立了中国大陆及周边地区统一的地壳运动速度场，该速度场使用的有效GPS站共423个，其覆盖面积为1200万km^2；初步总结出中国大陆及周边地区地壳水平运动空间分布的基本特征；建立了板内块体的刚性弹塑性运动应变模型，对其进行了块体应变参数唯一性与速度残差中误差最小检验；根据中国大陆及周边地区的速度场，估计了8个块体的应变参数，分析了这些块体的应变状态，估计出的各个块体的应变状态与地质学、地球物理学方法估计的结果具有很好的一致性。用喜马拉雅块体主压应变方向估计的印度板块向欧亚板块碰撞力的主方向为北东7．1度。     

利用应变场和基线变化率研究新疆南天山地区近期地壳运动特征

利用GPS数据研究南天山地区地壳运动特征,截取了该区域2005 ～ 2009年GPS数据,在统一框架下进行解算,并绘制出不同时段的主应变、剪应变以及基线变化速率等图像,研究表明该区域的地壳形变具有自西向东、自南向北减弱的特点,主压应变主要表现为受印度板块向北推挤而形成的近南北向压性应力场.2005～2009年基线变化速率表明,以喀什沿经线南北向为界,其东部区域基本上为压缩区,其西部区域基本上为拉张区,东部的基线缩短平均速率(4.84 mm/a)大于西部基线伸长的平均速率(3.06 mm/a),以喀什沿纬线东西向为界,其南部区域基线变化平均速率(5.58 mm/a)明显高于北部区域基线变化平均速率(3.52 mm/a),且伸长、压缩变化速率最大基线均在南部地区,说明南部区域受到塔里木块体和青藏高原挤压比较强烈,表明喀什南部区域地壳运动相对活跃.