1991～2004年GPS观测到的中国大陆地壳动态变形特征

曹建玲 王辉 武艳强 刘晓霞 张晶

1)中国地震局地震预测重点实验室，北京市海淀区复兴路63号 100036

2)中国地震局地震预测研究所，北京市海淀区复兴路63号 100036

0 引言

以GPS为代表的空间大地测量是监测现今地壳运动的基本手段之一。从20世纪80年代以来，我国首先在川滇地区开展了GPS观测实验(King et al，1997)。随后，在新疆、青藏高原、华北等区域也陆续建立了区域GPS观测网，为研究区域地壳运动及变形特征提供了基本观测资料(杨少敏等，2008;乔学军等，2008;Zhang et al，2004)。“九五”期间，中国完成了覆盖中国大陆的“中国地壳运动观测网络”这一重大科学工程，包括27个连续站，55个基本站和近1000个流动站，并开始了统一的GPS观测和数据处理。从1998年开始观测以来，中国地壳运动观测网络获取了大量的地壳形变GPS观测资料，获得了大量对中国大陆现今地壳运动变形的新认识，推动了地球科学进展。

研究人员利用不同方法分析了GPS资料显示的中国大陆现今运动变形特征(杨少敏等，2005;陈小斌，2007;Zhu et al，2006;Wu et al，2011;王辉等，2005;江在森等，2010)，但是其中大部分是针对单个时间段的静态观测进行的分析，缺乏对不同时间段GPS资料反映的地壳变形的动态演化特征的研究。而且，中国大陆地壳运动观测网络开始运行以来，中国大陆内部发生了2001年昆仑山口西Ms8.1地震和2008年汶川Ms8.0地震等两次特大地震，还发生了多次7级以上地震。虽然GPS观测给出了这些地震所造成的地表同震变形特征等，但对这些地震给中国大陆现今地壳变形造成的影响仍缺乏整体的认识(任金卫等，2005;Wang et al，2011)。本文利用2001、2003及2004年中国大陆GPS观测资料，研究了不同时段间中国大陆现今地壳变形动态特征及其与中国大陆强震活动的关系。

1 资料与方法

1.1 中国大陆GPS观测资料

中国大陆地壳运动观测网络自建成以来，基准站为连续观测，区域站分别于1999、2001、2004和2007年进行观测，获得了4期的观测数据。通过整合中美两国10个不同机构得到的GPS观测资料，Wang等(2001)给出了1991～2001年中国大陆354个GPS站点的地壳运动图像，平均误差为2.2～2.4 mm/a。王敏等(2003)利用中国地壳运动观测网络特别是区域网1998～2001年的数据，得到了中国大陆1000多个GPS站点的地壳运动图像。牛之俊等(2005)根据1998～2004年的观测资料给出了中国大陆1199个观测站点的速度场。在此基础上，Gan等(2007)整合了其他人的3组GPS资料，给出了中国大陆约1300个站点的地壳运动图像。在中国大陆地壳运动观测网络建设的基础上，“中国大陆构造环境监测网络”新建了233个连续观测基准站和1000个定期观测区域站。李强等(2012)根据“网络工程”1056个区域站1998～2007年观测资料及“陆态网络”共计2056个区域站2009年 和2011年两期观测资料给出了中国大陆新变形图像。

这些不同时间发布的GPS资料给出了1991～2011年间不同时间窗内的中国大陆地壳运动状态。其中，1998～2001年和1998～2004年由网络工程产出的GPS观测数据的处理遵循了统一的原则(王敏等，2003;Gan et al，2007)，因此可以用来分析中国大陆地壳现今应变场的动态特征。而1991～2001年GPS资料和1998～2001年、1998～2004年的资料中同样都包含了中国大陆周边 GPS观测资料(图1)，速度场融合误差为2mm/a(Wang et al，2001;王敏等，2003;Gan et al，2007)。这 3期资料中，1998～2004年的 GPS资料包含了2001年昆仑山口西地震造成的同震位移，Gan等(2007)利用静态位错模型估计了地表同震位移，在速度场解算中予以扣除。因此1991～2001年和1998～2001年资料可为研究中国大陆现今地壳运动与变形动态提供参考。

1.2 最小二乘配置球面应变解算方法

利用GPS资料计算现今地壳应变场的方法很多，包括三角剖分法、球谐函数法(石耀霖等，2004)、多面函数法(刘经南等，2001)、双三次样条函数法(杨少敏等，2005)和最小二乘配置法(江在森等，2010)等。Wu等(2011)通过比较这些方法，认为最小二乘配置方法的精度和稳定性最好，并且受GPS观测站几何分布影响较小。因此，本文采用最小二乘配置方法(江在森等，2010)计算现今地壳应变场。

最小二乘配置求解中必须首先确定协方差矩阵，而协方差矩阵可以根据观测资料统计特征获取的经验协方差分布函数确定。通常，经验协方差分布函数可采高斯经验协方差函数(C(d)=C(0)e-k2d2)表示，其中d代表观测点之间距离，C(0)为观测信号的方差，k为待定参数。应用最小二乘配置方法分析球面坐标系下的地壳水平变形场时，根据最小二乘配置方法求解得到球面上的位移场后，可以进一步求得球面上的应变场(Wu et al，2011)。

图1 (a)、(b)、(c)分别为 1991～2001年、1998～2001年、1998～2004年中国大陆GPS速度场(相对于欧亚大陆)图

如果观测值包含了整体刚性运动，对球面应变计算结果可能有影响，因此，在利用上述公式求解应变场时，需首先扣除整体运动部分。也就是说，在计算协方差与高斯型函数拟合结果时，以观测速度场减去研究区的整体运动作为输入信号。

2 中国大陆应变率场

利用中国大陆1991～2001年、1998～2001年和1998～2004年的GPS观测资料，首先反演了中国大陆地壳的整体刚性运动，并确定了高斯经验协方差函数的参数(表1)。从表1可以看出，虽然这3期观测资料的观测时间不同，GPS观测点数量也存在差异，但反演得到的欧拉矢量差异并不大。欧拉运动是中国大陆现今地壳运动的一阶近似，稳定的欧拉运动说明中国大陆地壳运动在这10余年时间内基本保持稳定。

表1 中国大陆的整体刚性运动参数和高斯经验协方差函数参数

在扣除中国大陆整体刚性运动的基础上，根据表1中的高斯经验协方差系数及3期GPS资料计算得到了中国大陆水平应变场及其误差分布(图2)。从总体上看，应变率的误差随着GPS台站密度的增加和台网覆盖面的扩张而减小。中国大陆内部GPS观测点分布较密，应变率误差较小;中国大陆周边的GPS观测点分布较稀疏，应变误差相对较大。其中，1991～2001年间的GPS观测点较少，观测误差相对较大，由此计算的地壳应变率误差相对较大，一般为0.2×10-8/a～0.3×10-8/a;误差最大的区域位于中国大陆边境地区，达1.0×10-8/a(图2(d))。而“中国大陆地壳运动观测网络”建成并观测以来，GPS观测精度大大提高，计算的地壳应变率误差小于0.2×10-8/a，边境地区的误差也在0.2×10-8/a～0.3×10-8/a之间(图 2(e)、(f))。

中国大陆现今(1991～2004年)地壳东西向应变率总体分布特征差异不大，西部地区的数值明显高于东部地区，呈现显著的分区特征，尤其在青藏高原地区。在青藏高原西部表现为东西向引张，而其东部则转变为挤压，这一现象与青藏高原物质东向挤出相关，青藏高原东部物质在挤出过程中遇到华南地块阻挡使挤压变形集中在高原东部，且随时间推进高原东部的挤压变形不断增强。

图3表明中国大陆现今(1991～2004年)地壳水平面应变率的分布总体上差异不大，从南到北大致可以分为2个压缩区和2个拉张区，压缩区和拉张区总体上呈东西条带状交替出现。

中国大陆地壳面应变率压缩区主要是喜马拉雅地区和天山-祁连山地区。其中，喜马拉雅地区是中国大陆地壳压缩率最大的地区，大部分地区大于2.0×10-8/a，压缩面应变率的分布较均匀。该地区从南到北分布着主边界断裂(main boundary thrust)和主中央逆冲(main central thrust)，是印度板块与欧亚板块陆-陆碰撞的主要吸收带(Meade，2007)。天山-祁连山地区的压缩面应变率由西向东递减，西天山地区压缩面应变率达2.0×10-8/a，而东天山和祁连山地区的压缩面应变率约为1.0×10-8/a。这两个地壳压缩面应变率高的地区逆断层广泛分布，是印度板块和欧亚板块陆-陆碰撞的次要吸收带(Zhang et al，2004;Yin et al，2000)。

图2 据GPS资料计算得到的中国大陆东西向应变率及误差分布图

中国大陆地壳面应变率拉张的地区主要是青藏高原中部和华北地区。青藏高原中部膨胀区位于喜马拉雅压缩带和天山-祁连山压缩带之间，面应变率大约为1.0×10-8/a～2.0×10-8/a。印度板块的碰撞导致青藏高原地壳抬升，地壳厚度增大。受到青藏高原抬升所造成的巨大重力势能作用，该地区中下地壳发生部分熔融，黏滞系数较低(石耀霖等，2008)。这些物质在青藏高原抬升过程中向侧向运移，并在川滇地区和青藏高原东北隅地区形成侧向挤出的通道(Royden et al，2008;Bai et al，2010)。从地表看，青藏高原中部广泛分布着南北向的拉张地堑，地表运动表现为东向挤出(Zhang et al，2004;Liu et al，2003;曹建玲等，2009)。受到中生代发生的华北块体-华南块体碰撞所导致岩石圈拆沉和热侵蚀(Bryant et al，2004;Xu，2001)，以及西太平洋板块的俯冲导致的华北块体地幔上涌(Huang et al，2006)的影响，华北克拉通在新生代受到破坏，导致该地区广泛分布拉张盆地。GPS资料所反映的地表变形表明该地区的张性面应变水平相对较低，面应变率平均为0.5×10-8/a。

图3 (a)、(b)、(c)分别为1991～2001年、1998～2001年和1998～2004年中国大陆面应变率分布图

1991～2004年间不同时期的最大剪切应变率分布图像(图4)显示，剪切应变率高值区主要集中在青藏高原及其周边地区和天山地区，这些地区最大剪应变率达到3.0×10-8/a。而中国大陆东部最大剪切应变率平均为0.5×10-8/a，比青藏高原地区的最大剪切应变率大约小1个量级。青藏高原及周边地区则形成最大剪切应变率变化的高梯度带。中国大陆地壳最大剪切应变率分布与强震活动分布一致。青藏高原及其周边地区吸收了印度板块大约50mm/a的向北推挤运动，地壳变形剧烈，而中国东部地区地壳运动变形主要受到西太平洋板块和菲律宾板块共同作用，构造活动水平相对较低。

图4 (a)、(b)、(c)分别为 1991～2001年、1998～2001年、1998～2004年中国大陆最大剪切应变率分布图

虽然最近20余年以来的GPS观测结果表明中国大陆地壳水平运动变形的总体趋势保持稳定，但是不同期的观测资料所反映的地壳运动变形趋势仍然存在一些差异。2001～2004年间，华北平原地区面应变率增加，而在青藏高原东部，虽然面应变率仍然表现为膨胀，但是2001～2004年间的面膨胀速率在下降。同时，作为最大剪切应变率高值区，青藏高原地区的最大剪切应变率变化也是最大的，且一直在增加，最大剪切应变率变化最大的地区位于青藏高原中部。青藏高原地区持续增加的最大剪切应变率和面应变率表明，印度板块和欧亚板块陆-陆碰撞对青藏高原及其周边地区现今地壳变形的影响还在持续增强(Yang et al，2009)。在中国大陆东部，最大剪切应变率变化较大的区域位于渤海盆地周围以及东南沿海地区，表明这些地区的现今地壳变形可能还在增强。

3 中国大陆现今地壳变形与强震活动的关系

地震活动反映了地壳弹性能量的释放过程，而根据两次大地震之间的GPS观测得到的中国大陆最大剪切应变率在一定程度上反映了地壳能量的积累，两者在大尺度空间范围的分布图像相对应。青藏高原及其周边地区是中国大陆强震频发的地区，这些区域的最大剪切应变率也很高。中国大陆东部地区的地震活动水平相对较低，区域最大剪切应变率也较低(Zhu et al，2006)。

1991年至今，青藏高原及其周边发生了2次8级以上特大地震。2001年的昆仑山口西8.1级地震发生在青藏高原内部的东昆仑断裂带上，此次地震为剪切破裂型地震，造成了超过400 km长的地表破裂带。该地震的震中区位于1991～1998年间青藏高原内部大范围最大剪应变率的高值区。此次地震后，震中区附近的最大剪切应变率较震前有所降低。除此之外，2008年的汶川8.0地震发生在青藏高原东边缘的龙门山断裂带上，此次地震为带走滑分量的逆冲型地震，其震中同样位于发生在震前东西向应变率大范围高值区的东边缘。

另外，由于GPS观测的时间较短，此观测的地壳变形包括弹性变形和非弹性变形两部分(Shen et al，2007)。弹性变形主要与强震活动有关，非弹性变形则主要与其他的构造活动相关。中国大陆不同时间段内的GPS观测结果明显反映了强震造成的震后变形效应。为调查昆仑山口西地震前后应变场变化，将1991～2001年的应变减去1998～2001年的应变得到1991～1998年的累积应变;同样，将1998～2004年的应变减去1998～2001年的应变，得到2001～2004年累积应变，对照同期发生的强震，可见最大剪应变与同期强震活动对应很好(图5)。虽然2004年的GPS资料在处理时直接扣除了2001年昆仑山地震的同震效应，但是受到震源区下地壳黏性松弛的影响，大地震附近的地壳发生震后变形，这些震后变形仍然能够被GPS观测到(任金卫等，2005;Ryder et al，2011;郭良迁等，2004)。

图5 中国大陆不同时期最大剪应变(a)1991～1998年;(b)2001～2004年

4 结论与讨论

本文利用“中国大陆地壳运动观测网络”1998～2004年的GPS观测资料研究了中国大陆现今地壳水平应变率的动态变化，不同时间段内的面应变率和最大水平应变率变化幅度均大于计算误差，说明这些动态变化反映了中国大陆现今地壳运动在不同时间段内的变化。虽然1991～2001年的GPS观测点远少于1998～2004年的观测点，但整体分布趋势基本一致，说明这些观测获得的地壳变形动态可信度较高。

中国大陆1991～2004年的GPS观测资料显示中国大陆现今地壳变形整体运动非常稳定，体现在不同期欧拉速度没有显著变化，这一特征也反映了中国大陆构造活动动力学背景在10年内的一致性。利用最小二乘配置法计算的应变场分布显示：在1991～2004年间，中国大陆不同期的应变速率存在继承性;由于西部地震强度高，地壳变形强烈，在应变速率分布图中为显著高值区，这些总体特征与现有认识相符(江在森等，2003);青藏高原东南部及川滇地区的面应变率和最大剪切应变率都高于中国大陆其他地区，可能是由于这个区域广泛分布大型走滑断层，且川滇地区又是青藏高原物质东向挤出的重要通道所致(曹建玲等，2009)。在2004年GPS资料中扣除2001年昆仑山口西大地震的同震变形后，与2001年资料的显著差异体现在青藏高原中部，可能反映了这次大地震的震后变形特征。对比不同时期的强震活动及累积的应变，其中最大剪切应变高值区与同期强震活动有很好的对应关系。

致谢：甘卫军、王敏和王琪教授提供了不同时期的GPS观测数据，审稿专家的建设性意见使得本文得到改进，在此致谢!