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。     

中国大陆现今地壳运动的GPS分析与构造变形模拟

正中国大陆位于欧亚板块东南部,受印度板块、菲律宾板块和西伯利亚—蒙古亚板块的夹持,是全球岩石圈变形和地壳运动最强烈的地区之一,也是全球大陆地震多发区。因而,研究我国大陆内部的变形,对于认识长期的岩石圈动力学过程与变形模式,了解断层的作用机制以及进行地震危险性评估都有十分重要的意义。我国于20世纪80年代末开始用GPS监测地壳形变,之后的20多年,先后在青藏高原、川滇、天山等地区陆续开展了流动GPS观测,获取了大量的GPS测站资料。随着中国地壳     

基于GPS获得的中国大陆现今地壳运动速度场

利用国家重大科学工程“中国地壳运动观测网络”1999至2011年底的全部GPS观测资料,采用统一的数据处理策略和最新的地球物理模型,分别获取了中国大陆相对于全球ITRF2005参考框架和欧亚板块的现今地壳水平运动速度场。通过速度场分析,给出了中国大陆地壳运动的大背景和基本特征,为地震预测、地球动力学等相关学科的研究提供了基础资料。     

堪察加地区现今地壳运动与变形特征研究

利用俄罗斯堪察加地区1995～2005年的GPS观测数据,研究了该区现今地壳水平运动速度场特征.在球坐标系中解算了各应变率分量,分析了应变率场的空间分布特征,并与地震学和地质学研究结果进行了综合对比分析.结果表明,堪察加半岛北部的微板块边界并不明显,堪察加南部测站运动速度大于中部和北部地区,愈靠近东部板块汇聚区,测站速度越大.从东海岸到西海岸,测站水平速度存在明显的梯度衰减特征,水平运动方向与太平洋板块向西北的俯冲方向基本一致.各应变率分量具有东部海岸大于中部和西海岸、从东至西呈梯度衰减的特点.堪察加大部分地区处于EW和NS向压缩状态,局部存在拉张.面应变率结果显示绝大部分为压缩区;刚性转动结果表明大部分地区表现为顺时针转动,北部地区和南端顺时针旋转性明显.东部有效应变率明显大于西部地区,东西向梯度衰减关系明显.主压应变率明显大于主张应变率,特别是在东海岸地区.主压应变率方向与中等以上地震的主压应力轴在水平方向的投影方向基本一致.地壳变形场在空间分布上的不一致性主要与太平洋板块在堪察加半岛东南侧的俯冲深度、俯冲方位角、俯冲倾角和俯冲带的耦合强度有关.     

中国大陆现今应变场动态

根据2004年和2007年GPS复测资料,计算出中国大陆的水平主应变数据,显示出各亚板块的主压应变轴方向与震源机制解的P轴和用地质方法得到的主压应力轴基本一致,表明在区域上和长时期中,地壳的构造应力场是相对稳定的．中国大陆西部的青藏亚板块和新疆亚板块的主压应力轴,为南北向及北北东-南南西向,受欧亚板块和印度板块相互碰撞而产生的作用力的控制;东部的黑龙江亚板块和华北亚板块的主压应变轴,为北东东-南西西向,显示出受欧亚板块与北美板块、太平洋板块碰撞俯冲产生的作用力影响,同时也受青藏亚板块和新疆亚板块侧向作用力的影响;华南亚板块的主压应变轴,为北西西-南东东向,反映出受菲律滨海板块与欧亚板块碰撞产生的作用力影响,同时也受青藏亚板块侧向作用力的影响．通过比较2004-2007年与2001-2004年的主压应变轴方向,反映出两个时间段各亚板块的主压应力作用方向基本一致,只是主应力轴方向集中程度有一定差别．前后两个时间段不同单元的面应变率显示,压性变化为主的数量减少,张性变化为主的数量有所增多．     

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。     

中国大陆构造变形高精度大密度GPS监测——现今速度场

中国大陆地壳运动持久、强烈、广为发育,是我国高山巍峨、大河东流的缘由,也是地震频繁、震害沉重的起因.获取复杂的地壳变形信息是研究陆地变迁、环境演化必要条件,而监测现今地壳运动状态更是地震研究、减轻灾害的重要基础.20世纪80年代末,我国开始用GPS监测地壳形     

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.     

巴颜喀拉块体北东地区现今水平运动与变形

本文利用GPS数据研究了巴颜喀拉块体北东地区现今水平运动与变形特征。 在球坐标系中解算了各应变分量, 分析了应变率场的空间分布特征, 并与地球物理学和地震地质学研究结果进行了综合对比分析。 最新的GPS速度场结果表明, 巴颜喀拉块体北东地区与高原整体运动性质一样具有顺时针向南东方向旋转的特征, 自西向东和北东方向测站水平运动速度呈现明显的衰减特征。 应变场结果显示, 研究区以北东向的主压应变为主, 伴随着近北西向的张性应变。 应变较强的区域主要分布在活动块体的边界断裂东昆仑断裂带的东段塔藏段和龙门山断裂带上。 东昆仑断裂带东段塔藏段的主压应变明显, 结合地震地质和活动构造资料, 认为东昆仑断裂带东段塔藏段的运动性质自西向东发生了改变, 水平滑动速率逐渐减小, 垂向运动逐渐增强。 研究区GPS速度场和应变场的这一变形特征表明, 青藏高原内部的块体运动特征较为明显, 变形主要集中在作为活动块体边界的活动断裂带上, 边界断裂带的运动特征在调节活动块体间的相互运动中起着重要作用。     

GPS研究天山现今变形与断层活动

利用1992~2006年间境内外天山地区近400个测站的GPS观测, 获取天山现今地壳运动速度场, 并借助二维弹性位错模型估算了区域内主要断层的活动速率. 结果显示天山地区北西走向的走滑断层(如塔拉斯-费尔干纳断裂)的滑移速率仅为1~4 mm/a, 而近东西走向、低倾角的山前主滑脱断层的滑动速率在西南天山达10~13 mm/a, 境外北天山为6~12 mm/a, 东天山为2~5 mm/a. GPS速度场显示天山南北向汇聚变形分布不均匀, 天山内部缩短变形相对较小, 其两侧山盆交接地带的变形占总汇聚变形的80%~90%. 研究认为天山压缩变形分布与两侧刚性地块沿主滑脱断层向天山下挤入活动有关, 有历史记录的7~8级大震多发生在主滑脱断层闭锁与蠕滑的交接部位. 主滑脱断层闭锁使弹性应变集中于山盆过渡带地壳盖层内, 通过周期性大震活动释放, 天山整体上作为一个楔状弹性地块, 整体抬升且向两侧持续扩展.     

近10年来中国大陆GPS水平运动与构造变形特征

利用1999-2009年中国大陆CPS水平运动速度场资料,对近10年来地壳水平运动及主要活动断裂带构造变形特征、昆仑山口西8.1级与汶川8.0级地震变形及其可能影响进行了分析.结果表明:①昆仑山口西与汶川地震同震变形显著,可能在一定程度上促进东昆仑构造带东段及甘川-甘川陕交界,鲜水河断裂带南段、安宁河断裂带中北段及与龙...     

利用GPS形变资料研究天山及邻近地区地壳水平位移与应变特征

以天山及邻近地区的230个GPS观测站长期水平运动速率为基础, 计算并绘制了该地区GPS站速度场及地壳水平应变场分布图, 得到了以下结论: 在以欧亚板块为参考基准的背景下, 天山及邻近地区GPS速度场表明, 天山地壳缩短方式由南向北, 以东经77deg;plusmn;1deg;（北纬38deg;~42deg;）为界向两侧逐渐递减; 同时表明,板块的推挤作用力随着天山的褶皱变形减小相应趋缓. 天山及邻近地区的主压应变方向分布近北北西向, 基本与天山山体走向正交. 反映了在印度板块碰撞推挤的强烈构造运动影响下天山及邻近地区的最大主应力分布与变化情况. 其最大剪应变场集中分布在两个区域: 北天山的吉尔吉斯斯坦依赛克湖附近; 南天山伽师与帕米尔弧形断裂交会地带. 整个地区多年来的地震震中分布, 反映了该区域大地震通常发生在剪应变高值区或其边缘地带.      

由GPS观测结果推导中国大陆现今水平应变场

以中国大陆及周边近400个GPS测站的水平运动速率为基础,给出了现今地壳水平应变场结果表明：①中国大陆水平应变为西强东弱,剪应变数值大于正应变数值(绝对值),应变量级一般为10-8/a,局部区域达到10-7/a,但应变分布不均匀;②南北向应变最突出的部位为中国西南部西段的喜马拉雅条带、西北部的36N~42N段及柴达木断块的北缘;③东西向应变西边缘变化最大．此外,由西向东还具有正负交替的变化特征;④REN(东-北向剪切应变)与Rmax(最大剪切应变)数值较大的区域分别是喜马拉雅条带、西北部的36N～42N段、柴达木断块的西部、川滇菱形块体,以及阿拉善、祁连及塔里木断块的交界区;⑤青藏块体周边以面收缩为主,内部则以面膨胀为主．其以北的地区以面收缩为主．西界数值最大,东部数值最小(除燕山构造带外);⑥西部西区主压应变为南北向,主张应变为东西向．西部东缘区主压应变为近东西向,主张应变为近南北向．川滇菱形块体主应变的方向发生了很大的变化,北部地区为东西压南北张,南部地区则恰好相反;⑦中国大陆的应变模式可能是断块模式与连续模式的组合．此外,小尺度优势应变可能是剪切应变．造成上述结果除与印度板块的碰撞及边界耦合有关外,还与深部物质的活动及地壳介质的物性有密切的关系．必须指出,由于GPS测站在空间上分布的不均匀性,那么,由此而来的应变场,其应变尺度也不一样．     

青藏块体东北缘水平应变场与构造变形分析

利用青藏块体东北缘地区 1993与 1999年GPS观测获得的地壳水平运动速度场结果 ,初步研究了该区的应变场与构造变形。该区应变场以近NE向的主压应变为主体 ,伴随着近NW向的张性应变。河西走廊中、东段 ,尤其是武威断块是压应变最强的区域。应变场形成的剪应变以近EW向的左旋剪切为主体 ,表明该区NWW向的块体边缘主干断裂的活动方式是左旋走滑兼挤压。剪应变高值区主要分布于青藏块体东北边界带的武威、祁连一带。甘青块体与阿拉善块体之间整体左旋扭动速率约为 6mm/a。配合非连续变形分析法 (DDA)数值模拟 ,初步分析了该区的构造应力场背景 ,认为该区相对水平运动和构造变形分布特征不仅是印度板块推挤应力场作用的结果 ,还可能与来自西侧南强北弱的向东的动力作用有关     

华北主要构造单元及边界带现今水平形变与运动机制

根据华北地区12,15,16,1年高精度GPS观测结果,给出了华北地区各主要构造单元间两个时段(12—16年和16—1年)的相对水平运动.其结果为：①相对于鄂尔多斯单元,阴山单元的运动为(0—2.3)±1.6mm/a,方向约0°—W13°N,属于相对较弱左旋走滑运动.②相对于鄂尔多斯单元,晋冀鲁豫单元的运动为(4.4±1.0)—(2.5±1.5)mm/a,方向约为S50°—30°E,属于右旋型拉张运动;相对于燕山单元,则为(4.7±1.4)—(4.3±1.4)mm/a,方向约为E37°—°S,属拉张型左旋走滑运动.③相对于晋冀鲁豫单元,胶辽鲁苏单元12—16年的运动显示了顺扭的运动特征;16—1年的运动为(2.6±1.5)mm/a,保持顺扭趋势,方向约为W11°S,总体上属于北张南压的右旋走滑运动.分析表明：现今地壳构造活动与现代地壳构造运动性质基本一致,但量值有所差别;地壳运动存在着数年尺度的较明显的波动性,这可能是大陆地壳运动的一个主要特征;16—1年的运动不同于12—16年,主要表现为鄂尔多斯单元北移态势增强,山西断陷带和燕山构造带两侧拉张性有所减弱,可能是张北地震后应力调整与华北地区边界力耦合共同作用的结果.     

华北主要构造单元及边界带现今水平形变与运动机制

根据华北地区12，15，16，1年高精度GPS观测结果，给出了华北地区各主要构造单元间两个时段(12-16年和16-1年)的相对水平运动.其结果为：①相对于鄂尔多斯单元，阴山单元的运动为(0-2.3)±1.6mm/a，方向约0°-W13°N，属于相对较弱左旋走滑运动.②相对于鄂尔多斯单元，晋冀鲁豫单元的运动为(4.4±1.0)-(2.5±1.5)mm/a，方向约为S50°-30°E，属于右旋型拉张运动；相对于燕山单元，则为(4.7±1.4)-(4.3±1.4)mm/a，方向约为E37°-°S，属拉张型左旋走滑运动.③相对于晋冀鲁豫单元，胶辽鲁苏单元12-16年的运动显示了顺扭的运动特征；16-1年的运动为(2.6±1.5)mm/a，保持顺扭趋势，方向约为W11°S，总体上属于北张南压的右旋走滑运动.分析表明：现今地壳构造活动与现代地壳构造运动性质基本一致，但量值有所差别；地壳运动存在着数年尺度的较明显的波动性，这可能是大陆地壳运动的一个主要特征；16-1年的运动不同于12-16年，主要表现为鄂尔多斯单元北移态势增强，山西断陷带和燕山构造带两侧拉张性有所减弱，可能是张北地震后应力调整与华北地区边界力耦合共同作用的结果.     

川滇地区现代地壳运动速度场和活动块体模型研究

通过分析中国地壳运动观测网络的GPS数据得到川滇地区地壳水平运动速度场 ,由此划分活动块体并分析其运动特征。结果表明 :相对欧亚板块 ,滇中、雅江和中甸次级块体的顺时针转动速率分别为 0 37°± 0 16°/Ma ,0 84°± 0 39°/Ma和 0 90°± 0 39°/Ma ,造成块体间跨木里弧形断裂带约 3mm/a的SN向挤压、丽江 -大理断裂带约 4mm/a的EW向拉张和理塘断裂带约 6mm/a的近EW向拉张。鲜水河断裂带左旋走滑速率 8～ 10mm/a ,安宁河 -则木河 -小江断裂带左旋走滑 5～6mm/a。龙门山断裂带没有明显的地壳消减 ,而断裂带西北约 15 0km处有一形变速度阶跃带 ,右旋走滑速率 4～ 5mm/a。阶跃带两侧的岷山块体和阿坝地区逆时针转动速率分别为 0 13°± 0 0 8°/Ma和0 5 3°± 0 19°/Ma。鲜水河 -小江断裂带以南、以西地区 ,青藏高原物质的E向挤出和重力滑塌造成川滇块体东移 ,在东部相对稳定的华南地块的阻挡下 ,川滇块体沿鲜水河 -小江断裂带由东转向南运动 ,从而引起川滇块体内部各次级块体的顺时针转动     

由GPS观测得到的中国大陆水平形变

通过复测得到的全国19 个GPS点之间两年内(1994 ～1996 年) 的基线长度变化,表明我国西部形变量远大于东部。表现为西部北东向、近南北向基线多为缩短,北西及东西向基线伸长:华北则北东、东西向基线缩短,而北西向基线伸长;华南变化稍大,以北西西向基线缩短为多,北东向基线主要为伸长。缩短基线与震源机制解中P轴方向基本一致,而伸长基线多与其正交或斜交     

三维数值模拟在华北地区现今构造变形分析中的应用

基于并行版ANSYS数值模拟软件平台,根据华北地区活动地块划分及活动断裂分布,结合GPS资料等,确定模型的几何边界范围是99.8°~121.4°E,27.9°~42.3°N,模型的边界范围包括华北活动地块区的绝大部分以及周边青藏、西域、南华和东北亚地块的部分地区。模型单元平均边长为25km,模型共划分为单元416 582个,节点582 392个。主要研究成果为:1)地壳运动速度模拟与分析对比:华北地区地壳运动速率的整体分布呈现由东向西逐渐减小、自北向南逐渐增大的特点,数值模拟结果与GPS观测运动速度大部分较吻合;2)断层运动性质模拟与分析对比:华北地区有限元模型考虑了华北地区已知所有晚更新世以来的活动断裂,模拟结果所得的断层运动性质与活动断裂地质调查的运动性质符合得较好;3)应变场模拟与分析对比:通过数值模拟,计算了1999—2004年和2004—2007年华北地区地表第1主应变和第3主应变(最大压应变)的大小和方向,与前人利用震源机制结果、GPS测量结果等资料反演得到的华北地区主应变场较一致。