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.     

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。     

形变综合观测对地表构造变形的定量分析

文中应用GPS、断层观测速率分析断裂带变形的方法,定量计算断裂带两侧单元的滑动和应变率,同时其点位分布、断层约束、时间尺度归化对计算结果的影响等问题进行了对比研究.利用1999-2001年、2001-2004年、2004-2007年GPS区域网速度场资料以及同期跨断层观测资料对鲜水河断裂带的滑动率、应变率进行试算,结果显示1999-2001年、2004-2007年鲜水河断裂南段出现应变率增大和应变轴转向.     

GPS应变率场解算方法的对比分析及其可靠性研究

利用GPS速度场资料进行应变率场计算存在多种不同的计算方法,虽然理论上速度场与应变率为简单的偏导关系,但由于GPS观测为点测量方式,如何构建逼近真实的速度场进而计算可靠的应变率场就有其复杂的一面,因此实际计算中不同研究者即使利用相同的数据也很难得到相同的结果,究竟如何评价不同计算方法的可靠性和适用性就显得尤为重要.     

基于多尺度球面小波解算GPS应变场的方法及应用

提出了利用多尺度球面小波解算GPS应变场的方法,该方法通过建立不规则分布的小波基函数以凸显测站非均匀分布的特征,获取不同空间尺度的应变场.通过对模拟数据进行对比分析验证该方法的有效性,模拟结果显示,多尺度球面小波应变计算方法稳健性较好.在位移场中加入高斯随机误差(均值为0.0mm,标准差为0.5mm)对应变计算结果的影响可忽略不计.从原有位移场随机抽取的60%的数据解算应变场时,仍然能够获取比较可靠的结果,但如果出现大范围的数据空缺,则会对应变结果产生明显影响.基于华北地区GPS测站原始观测数据,通过高精度数据处理方法解算了该区域GPS速度场,根据多尺度球面小波方法,解算了该区域的应变率场及其误差,并分析了其空间分布特征.     

应用非连续性模型模拟断层活动对青藏高原应力应变场的影响

在青藏高原的运动变形过程中，断层活动起着至关重要的作用.本文利用有限元数值模拟的方法，分别计算了在GPS做边界约束下青藏高原及周边区域的连续体模型和含断层的不连续体模型的运动状态和应力场分布.从连续性模型和非连续体模型的差异发现，断层存在与否很大程度上影响了青藏高原现代运动场的分布.主要体现在，断层的滑移运动（1）增加了青藏高原东西两侧的拉张趋势；（2）加大了青藏高原物质东移的速度；（3）改变了塔里木和柴达木盆地的运动状态.模拟结果显示，非连续模型的运动场分布与GPS观测结果吻合程度大大高于连续体模型结果，表明断层活动在青藏高原的运动学和动力学过程中起着重要的作用，在研究青藏高原的动力学机制中，必须考虑断层作用的影响.     

青藏高原北缘地应变演化特征

利用青藏高原北缘中国地壳运动观测网络1991-2013年间的GPS水平速率观测结果,对青藏高原北缘不同时期的面应变和面应变率梯度进行了计算,分析了地应变的时空演化特征,并结合不同时期发生的中强以上地震,研究了地震分布与地应变时空演化特征的关系.结果表明:2001年11月14日Ms 8.1级昆仑山口西地震发震断裂对其南部区域的面应变调整结果影响较大,阿尔金断裂滑动速率的分段差异性可能控制着阿尔金断裂及塔里木盆地区域的面应变变化.青藏高原北缘面应变率梯度时空演化特征较为明显,其高值区影响范围随时间不断变化,表现为由小-变大-变小的时空演化特征,与震后地壳松弛和区域构造变形的调整有关.北缘中南部出现面应变率梯度"盆地"区,面应变率梯度量值较低,Ms5.0级以上地震有向该"盆地"聚集的趋势,该区有可能为应变积累的高值区,发生地震的可能性较大;地震空间分布的聚集性与区域地壳运动变形空间分布的趋势性相呼应.     

利用多种地震学参数研究中国大陆地壳应变场

地壳应变场研究是地球动力学研究的一个基础性领域, 以往文献的探索大多集中在地壳形变的测量和研究上, 包括大面积水准测量和GPS观测等。 文中利用多种地震学参数研究中国大陆地壳应变场, 利用哈佛CMT目录和现代中国地震目录得到了中国大陆不同区域面波震级与标量地震矩的统计关系, 进而采用中国大陆历史地震资料研究中国大陆地壳应变场, 给出地震最大剪切应变率场的分布。 研究结果显示, 青藏高原及其周边地区是最大剪切应变率的高值区, 帕米尔和阿萨姆地区的应变率值最大。 与GPS得到的应变场结果进行比较, 两者的结果存在一致趋势。 利用NEIC宽频带地震辐射能量目录研究了中国大陆的地震视应变分布, 显示地震的视应变分布与地壳应变水平存在一定相关关系, 且发生在青藏高原周边地区地震的视应变水平较高。 这些研究结果为地球动力学研究的进一步深入探讨提供了新的科学资料。     

岩石圈流变结构的一种新的应变率约束

对目前存在的3种应变率约束条件（常应变率,常构造力,与应变率有关的构造力约束）进行了讨论,它们都不能真实地反映岩石圈内的应变率分布及实际观测.基于近几年GPS测量的研究结果,提出利用GPS实测应变率对岩石圈流变结构进行约束的新方法.对华北地区实际流变剖面的计算结果表明,本文方法克服了上述三种约束条件的不足,利用它所确定的岩石圈流变结构更为合理,在流变性质上较好地反映了与大地构造的对应关系,而且一定程度上反映岩石圈内各种状态参量及物质参量对流变结构的影响.同时还讨论了这种约束存在的问题.     

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.     

川滇块体东边界主要断裂带现今运动特征分析

基于2009年以来的GPS观测数据,利用块体模型和GPS剖面方法分别计算川滇块体东边界主要断裂带的滑动速度,并结合跨断裂带的区域应变时间序列分析断裂带现今的运动特征。结果表明:从速度场变化来看,2013—2015期的速度场在川滇块体东北部有东向增加的微弱变化;从滑动速率结果来看,鲜水河北段的左旋走滑运动有所增强,拉张运动有所增加;小江断裂带的左旋走滑运动普遍有微弱的增强;从去掉线性的区域应变时间序列结果来看,小江断裂带南段主张应变在2014年底出现了趋势性转折,值得进一步关注。     

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。     

Movement and strain conditions of active blocks in the Chinese mainland

The definition of active block is given from the angles of crustal deformation and strain. The movement and strain parameters of active blocks are estimated according to the unified velocity field composed of the velocities at 1598 GPS stations obtained from GPS measurements carried out in the past years in the Chinese mainland and the surrounding areas. The movement and strain conditions of the blocks are analyzed. The active blocks in the Chinese mainland have a consistent E-trending movement component, but its N and S components are not consistent. The blocks in the western part have a consistent N-trending movement and the blocks in the eastern part have a consistent S-trending movement. In the area to the east of 90°E, that is the area from Himalayas block towards NE, the movement direction of the blocks rotates clockwisely and the movement rates of the blocks are different. Generally, the movement rate is large in the west and south and small in the east and north with a difference of 3 to 4 times between the rates in the west and east. The distributions of principal compressive strain directions of the blocks are also different. The principal strain of the blocks located to the west of 90oE is basically in the SN direction, the principal compressive strain of the blocks in the northeastern part of Qingzang plateau is roughly in the NE direction and the direction of principal compressive strain of the blocks in the southeastern part of Qingzang plateau rounds clockwisely the east end of Himalayas structure. In addition, the principal strain and shear strain rates of the blocks are also different. The Himalayas and Tianshan blocks have the largest principal compressive strain and the maximum shear strain rate. Then, Lhasa, Qiangtang, Southwest Yunnan (SW Yunnan), Qilian and Sichuan-Yunan (Chuan-Dian) blocks followed. The strain rate of the blocks in the eastern part is smaller. The estimation based on the stain condition indicates that Himalayas block is still the area with the most intensive tectonic activity and it shortens in the NS direction at the rate of 15.2±1.5 mm/a. Tianshan block ranks the second and it shortens in the NS direction at the rate of 10.1±0.9 mm/a. At present, the two blocks are still uprising. It can be seen from superficial strain that the Chinese mainland is predominated by superficial expansion. Almost the total area in the eastern part of the Chinese mainland is expanded, while in the western part, the superficial compression and expansion are alternatively distributed from the south to the north. In the Chinese mainland, most EW-trending or proximate EW-trending faults have the left-lateral or left-lateral strike-slip relative movements along both sides, and most NS-trending faults have the right-lateral or right-lateral strike-slip relative movements along both sides. According to the data from GPS measurements the left-lateral strike-slip rate is 4.8±1.3 mm/a in the central part of Altun fault and 9.8±2.2 mm/a on Xianshuihe fault. The movement of the fault along the block boundary has provided the condition for block movement, so the movements of the block and its boundary are consistent, but the movement levels of the blocks are different. The statistic results indicate that the relative movement between most blocks is quite significant, which proves that active blocks exist. Himalayas, Tianshan, Qiangtang and SW Yunnan blocks have the most intensive movement; China-Mongolia, China-Korea (China-Korea), Alxa and South China blocks are rather stable. The mutual action of India, Pacific and Philippine Sea plates versus Eurasia plate is the principal driving force to the block movement in the Chinese mainland. Under the NNE-trending intensive press from India plate, the crustal matter of Qingzang plateau moves to the NNE and NE directions, then is hindered by the blocks located in the northern, northeastern and eastern parts. The crustal matter moves towards the Indian Ocean by the southeastern part of the plateau.     

Movement and strain conditions of active blocks in the Chinese mainland

The definition of active block is given from the angles of crustal deformation and strain. The movement and strain parameters of active blocks are estimated according to the unified velocity field composed of the velocities at 1598 GPS stations obtained from GPS measurements carried out in the past years in the Chinese mainland and the surrounding areas. The movement and strain conditions of the blocks are analyzed. The active blocks in the Chinese mainland have a consistent E-trending movement component, but its N and S components are not consistent. The blocks in the western part have a consistent N-trending movement and the blocks in the eastern part have a consistent S-trending movement. In the area to the east of 90°E, that is the area from Himalayas block towards NE, the movement direction of the blocks rotates clockwisely and the movement rates of the blocks are different. Generally, the movement rate is large in the west and south and small in the east and north with a difference of 3 to 4 times between the rates in the west and east. The distributions of principal compressive strain directions of the blocks are also different. The principal strain of the blocks located to the west of 90°E is basically in the SN direction, the principal compressive strain of the blocks in the northeastern part of Qingzang plateau is roughly in the NE direction and the direction of principal compressive strain of the blocks in the southeastern part of Qingzang plateau rounds clockwisely the east end of Himalayas structure. In addition, the principal strain and shear strain rates of the blocks are also different. The Himalayas and Tianshan blocks have the largest principal compressive strain and the maximum shear strain rate. Then, Lhasa, Qiangtang, Southwest Yunnan (SW Yunnan), Qilian and Sichuan-Yunan (Chuan-Dian) blocks followed. The strain rate of the blocks in the eastern part is smaller. The estimation based on the stain condition indicates that Himalayas block is still the area with the most intensive tectonic activity and it shortens in the NS direction at the rate of 15.2 ± 1.5 mm/a. Tianshan block ranks the second and it shortens in the NS direction at the rate of 10.1 ± 0.9 mm/a. At present, the two blocks are still uprising. It can be seen from superficial strain that the Chinese mainland is predominated by superficial expansion. Almost the total area in the eastern part of the Chinese mainland is expanded, while in the western part, the superficial compression and expansion are alternatively distributed from the south to the north. In the Chinese mainland, most EW-trending or proximate EW-trending faults have the left-lateral or left-lateral strike-slip relative movements along both sides, and most NS-trending faults have the right-lateral or right-lateral strike-slip relative movements along both sides. According to the data from GPS measurements the left-lateral strike-slip rate is 4.8 ± 1.3 mm/a in the central part of Altun fault and 9.8 ± 2.2 mm/a on Xianshuihe fault. The movement of the fault along the block boundary has provided the condition for block movement, so the movements of the block and its boundary are consistent, but the movement levels of the blocks are different. The statistic results indicate that the relative movement between most blocks is quite significant, which proves that active blocks exist. Himalayas, Tianshan, Qiangtang and SW Yunnan blocks have the most intensive movement; China-Mongolia, China-Korea (China-Korea), Alxa and South China blocks are rather stable. The mutual action of India, Pacific and Philippine Sea plates versus Eurasia plate is the principal driving force to the block movement in the Chinese mainland. Under the NNE-trending intensive press from India plate, the crustal matter of Qingzang plateau moves to the NNE and NE directions, then is hindered by the blocks located in the northern, northeastern and eastern parts. The crustal matter moves towards the Indian Ocean by the southeastern part of the plateau.     

青藏高原东北缘岩石圈变形及其机理

为了解青藏高原东北缘岩石圈变形特征,进一步研究该地区地壳运动的壳-幔耦合机理,本文通过处理分析该地区1999～2007年多期GPS观测数据、1972~2000年水准测量数据和1992年及2007年相对重力测量资料,获得了该区域地壳水平运动速度场、较长时间段的垂直形变场和相对重力变化场.分析发现青藏高原东北缘东西部的变化特征存在明显差异：西部以北东向地壳缩短运动为主,而东部以顺时针旋转为主;东部以地壳隆升为主,速率在2.1 mm/a左右,而西部隆升的速率小于1 mm/a;相对重力变化则表现为在整体增大的背景下东部升高速率较大,平均为9.0×10^-8 m·s^-2·a^-1,而西部较小,平均值为3.1×10^-8 m·s^-2·a^-1.我们还发现,地壳不同变形形式的转换不是渐变的,而是发生在较窄的一个转换带内.这个转换带的整体走向为NEE,北部位于金昌与武威之间,中部在祁连山东部、门源以西,南部位于德令哈以东青海湖以西.最后结合前寒武纪构造格架、重力均衡异常资料和地震SKS分裂结果对形成这种运动态势的机理进行了探讨,我们认为岩石圈物质侧向流动、岩石圈结构及壳-幔耦合方式差异可能是导致东部与西部岩石圈变形差异主要动因.     

川滇地区活动地块现今地壳形变特征

利用川滇地区1998～2002年间200多GPS点位的多期复测结果, 将川滇地区分为9个次级活动块体, 计算了各个活动块体的欧拉旋转矢量和主要活动断裂的运动速度, 并分析了该地区的应变场特征. 结果表明, 川滇地区的地壳运动速度具有北强南弱、西强东弱、以菱形块体为主顺时针旋转的特征; 菱形块体外各个块体运动速度大幅衰减; 与地质结果的差异表明, 川滇菱形块体的现今地壳运动由北往南逐渐增强; 青藏高原物质的侧东向挤出在滇中块体南部明显下降, 而丽江—小金河断裂带的吸收作用并不明显; 川滇地区以压应变为主,四川石棉和云南新平一带出现的应变集中地区也许具有发生中强地震的可能性.     

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

柴达木-祁连山地块内部震间上地壳块体运动特征与变形模式研究

以青藏高原北缘及东北缘的柴达木-祁连山地块内的活动断裂、由断裂所围限的微小块体为研究对象,系统收集整理区内活动断裂定量参数和GPS速度场等资料,使用球面应变率计算方法分析研究区内GPS 速度场得到现今构造应变率场,讨论区内最大剪应变率、面膨胀率与旋转率等参数与区域构造变形之间的关系;同时,依据区内详实的活动断裂资料建立精细的微小活动块体模型,利用Backslip模型反演断裂所围限的各个块体边界断裂的滑动速率、块体内部统一应变率及块体欧拉运动学参数等,并与活动构造方法获得的滑动速率做对比;最后,讨论研究区内由GPS速度场所揭示的地壳运动变形模式.结果表明:(1)柴达木-祁连山地区地壳运动,在沿着山脉走向上具有带状区域分块运动特征,大范围内具有弥散变形特征;(2)青藏高原北部变形场应是通过不同断裂差异性相对运动、区域内部逆冲挤压和块体旋转共同作用的结果.从鄂拉山到古浪民勤一带具有强烈的逆冲活动,其两侧地壳块体分别具有逆向旋转的运动性质;(3)在研究区东部GPS速度场所呈现顺时针旋转的形态,应是处于不同地块边界处的中下地壳与地幔介质差异驱动机制对上地壳块体所产生的作用,并以近地表断层应变率积累形式表现的结果,是祁连山地块、阿拉善块体、鄂尔多斯地块等大型块体推挤旋转影响下的复杂运动学形态.