第25卷 第5期
2003年9月 (453～464) 地 震 学 报ACT A SEIS MO LOGIC A SI NIC A V ol. 25, N o. 5 Sep. , 2003 文章编号:025323782(2003) 0520541207
Ξ中国大陆现今地壳运动研究
王 琪
(中国武汉430071)
摘要 中亚、义. 最近4, 成. G , 提供了认识印度2欧
. 本文回顾了4年来中国学者在利用G PS 研究现今地壳运动
方面所取得的成就, 以及在利用InS AR 技术研究强震破裂方面的进展情况. 这些研究成果, 标
志着中国大陆构造变形的定量化研究进入了一个新阶段.
关键词 现今地壳运动 G PS 中国大陆
中图分类号:P313. 4 文献标识码:A
引言
亚洲大陆的新生代构造活动的主要特征表现为:欧亚大陆与印度次大陆在喜马拉雅一带的陆2陆碰撞及印度板块向下持续挤入青藏块体引起的大尺度、高强度地壳变形, 引起青藏高原抬升到平均海拔4000～4500m , 向北影响到天山、贝加尔一带的构造活动, 向东使印支、华南块体整体向东南挤出. 无论是规模还是复杂程度, 中亚和东亚地区的构造变动均在全球占显著地位. 研究其运动学特征对深入认识全球板块运动和大陆岩石圈动力学具有重要价值.
在国土面积上, 中国占亚洲大陆的大部分区域, 其中青藏高原的绝大部分及东天山位于中国境内. 因此, 其现今地壳变形在亚洲构造及大陆动力学研究中占有重要地位. 在过去的4年里(1999～2002年) , 中国广泛应用G PS 、InS AR 等空间技术, 在监测大陆现今地壳运动与地震变形方面取得很大进展. 尤其是国家重大科学工程之一的“中国地壳运动观测网络”(C MONOC ) 的建成及正常运行, 以其站点密集和对国土的整体覆盖, 使研究地壳运动的能力有了极大提高(马宗晋等, 2001; 牛之俊等, 2002) . 迄今一个反映中国大陆及邻区地壳水平运动的统一速度场已基本完成. 该速度场由近1000个站点组成, 建立在欧亚固定的参考系上(王敏等, 2003) , 十分清晰地刻画出块体运动及板内变形的主要方式. 多年来积累的G PS 观测成果, 提供了对印度板块向北推挤所导致的构造变形的新认识, 地表变形观测对模拟下部地壳的动力过程提供了定量依据, 并推动了地学相关领域研究的发展与
Ξ国家自然科学基金(40274007) 资助.
2003203210收到初稿, 2003205226收到修改稿, 2003206201决定采用.
542地 震 学 报 25卷深入.
本文为在日本召开的第21届国际大地测量与地球物理大会中国国家报告的一部分, 目的是回顾最近4年来中国在地壳运动与变形方面所取得的成就, 基本内容引自国内学术期刊上的相关论文, 部分来自国际期刊上中国学者发表的论文. 首先, 本文简要介绍了“中国地壳运动观测网络”的有关情况, 然后概略总结G PS 速度场所揭示的中国大陆构造变形特征; 接下来分区域报告不同课题组在青藏、天山、华北、川滇地区有关地壳位移、应力应变场方面的研究工作, 以及中国大陆地壳运动模型方面的研究; AR 技术应用于玛尼(青藏) 、张北(华北) .
1 中国地壳运动观测网络
、中国科学院、国家测绘局共建, ) , 它以全球卫星定位系统(G PS ) 观测技术为主, 辅之以甚() 和卫星激光测距(S LR ) 等空间技术, 结合精密重力和精密水准测量, 构成大范围、高精度、高时空分辨率的地壳运动观测网络. 观测网络由基准网、基本网、区域网、以及数据传输与分析处理系统四大部分组成, 以监测地壳运动服务于地震预测预报为主要目标. “中国地壳运动观测网络”1998年初开始建设, 2000年底通过国家验收, 并正式投入运行.
基准网由25个G PS 连续观测站组成, 其中武汉、北京、上海、乌鲁木齐和拉萨观测站同时也是国际IG S 站. 少量站(武汉、上海、长春、昆明、北京、乌鲁木齐) G PS 与V LBI 、流动或固定S LR 并址观测. 基准网相邻站间距离平均约700km , 主要功能是监测中国大陆一级块体的构造运动(青藏、新疆、华南、华北、东北、南海) . 在中国大陆六大块体, 除南海块体外, 每个块体上至少有3个基准站, 这样, 基本控制了中国大陆一级块体的运动, 对监测大尺度地壳运动和构造变形起到了关键作用.
基准站主要装备有ASHTECH 双频接收机及扼流圈天线, 采用大于2m 的钢筋混凝土强制观测墩. 每天G PS 数据经卫星通讯和电话线传至北京的数据中心. 所有站点上用FG 5绝对重力仪观测重力值并联测精密水准. 4年来, 基准站相邻站间G PS 基线长度年变化率实测精度为1. 3mm/a , 1999～2001年两次绝对重力测定(典型为1～2天时段) 的实测精度为1×10-8～5×10-8m/s 2(牛之俊等, 2002) .
基本网由56个定期复测的G PS 和重力测站组成, 作为基准网的补充. 它与连续观测的基准站一起均匀布设于全国, 平均站距约350km. 基本网主要用于监测一级块体内部变形、块体间的地壳变动以及全国尺度的长期重力变化. 1998～2002年完成了5次G PS 观测, 3次采用LaC oste 2R omberg G 型相对重力仪进行基准、基本网相对重力联测. 分析结果表明, G PS 基线实测精度为水平分量小于3mm , 垂直分量小于10mm , 全网基线相对精度达3×10-9; 而站点间相对重力实测精度为30×10-8～40×10-8m/s 2.
区域网由1000个不定期复测的G PS 站组成, 既作为基准网和基本网的补充, 又是基准、基本网的空间加密. 其中约700个站集中分布在川滇、河西走廊、华北等地区. 这些地区历史上发生过中强地震, 潜在的地震活动可能给当地民众和财产造成巨大威胁. 另外300个站均匀分布在全国其它地区, 如青藏、新疆、东北和华南. 区域网主要用于监测断层、活动地块边界带的地壳变动, 为地震预测预报服务. 区域网采用流动观测模式不定期
5期 王 琪:中国大陆现今地壳运动研究543整网观测, 部分站点可能出于地震预测的目的进行多次复测. 1999年3～8月完成了首次观测工作; 2001年3～8月完成了90%区域网的复测工作. 对两次观测的数据分析表明, 区域网的基线定位精度与基本网相当. 2000, 2002年还加测川滇、青藏地区部分网点(50～60) 用以检测滇西地区的变形异常, 以及研究2001年11月14日昆仑山口西8. 1级地震变形场(乔学军等, 2002) . 区域网由约900个测站间隔2年的观测, 经G AMIT/G LOBK 软件处理, 给出了速度场精度大约为1～2mm/a (王敏等, 2003) .
2 中国大陆地壳运动基本特征
, 将中. , 或基本不变形. 大部分变形发生在块体的边界, . 最近, 综合网络工程与其它数据(1991～, 即不同的活动地块具(王敏等, 2003; Zhu et al . , 2000; 王琪等, 2001; Wang et al . , 2001; 王小亚等, 2002; 张培震等, 2002a ,b ) .
位于尼泊尔境内高喜马拉雅地区的G PS 站点, 以相对于欧亚板块的向北运动为主, 略具向东的分量, 运动速率一般在35～40mm/a 之间, 与以前的G PS 观测结果一致. 这一运动方式实际上反映了50个百万年来印度板块与欧亚大陆碰撞之后的持续楔入作用, 在地质上则表现为主边界冲断带和山前冲断带向印度平原的逆冲作用.
青藏高原南部晚第四纪构造变形以一系列近南北向正断裂2地堑系, 以及断续的北西西走向的右旋走滑断裂为主要特征. G PS 揭示出拉萨地块的优势运动方向为N30°E ～47°E , 平均速率为27～30mm/a. 根据藏南东西部测站速率之差, 推算其东西向拉张速率为14～15mm/a , 大于根据活动断裂研究获得的长期平均速率(10±5) mm/a.
青藏高原中部发育数条北西西走向的左旋走滑断裂, 将青藏地块分割成几个不同形状的次级地块(羌塘、昆仑、柴达木、祁连) . 羌塘地块的测站显示出向N60°E 优势方向的运动, 速率平均在(28±5) mm/a. 向北是G PS 测站较少的昆仑地块, 但昆仑地块以北的柴达木活动地块虽然运动方向与羌塘地块没有太大的差别, 但平均运动速度骤减到12～14mm/a. 而再向北到祁连山活动地块, 其优势运动方向变为N70°～90°E , 速度则减小为7～14mm/a. 所以, 青藏高原内部活动地块的运动方式是分块的, 各块之间或者运动方向不同, 或运动速度不同.
尽管天山远离欧亚碰撞带———喜马拉雅, 活动断裂褶皱十分发育, 天山地区的高强度地震活动表明山体内部发生地壳缩短变形. 穿过中天山(81°～85°E ) 的观测表明, 天山正在经历着向北逐渐递减的构造变形, 速率从南天山的21mm/a 减少至北天山的13mm/a 左右. 天山在这一纬度上的地壳缩短约为8mm/a. 这一结果与百万年来的平均缩短速率6mm/a 基本一致. 而西天山境外G PS 观测推算出的20mm/a 跨天山缩短变形, 目前直接测量完全证实了这一估算. 跨天山的缩短变形从西到东递减的观测证据, 也与由地质资料建立的理论模型一致.
川滇活动地块位于青藏高原的东南隅, 是中国大陆地震活动最强烈的地区之一. 川滇地块的东边界是左旋走滑的鲜水河和小江断裂, 具有10～15mm/a 的走滑速率, 错断河谷与山脊. 其西南边界是右旋走滑的红河断裂, 长期活动速率平均为7～8mm/a. 活动构造
544地 震 学 报 25卷研究证明, 川滇菱形活动地块具有向南东运动的趋势, 但运动可能是不均匀的. 川滇活动地块北部鲜水河一带运动方向为N120°E 左右, 而到南部的昆明一带方向变为N160°E. 反映了川滇菱形地块向南南东方向的总体运动和绕东喜马拉雅构造节点的顺时针旋转.
华北活动地块包括鄂尔多斯和华北平原. 位于该地区的大部分站点在欧亚固定参考系下的速率为8～13mm/a , 方向为N90°～110°E. G PS 观测结果表明, 鄂尔多斯内部相对稳定, 周边盆地带的运动比较复杂, 西边界向北北东方向运动, , 东边界和南边界总体上向南东东方向运动. 尽管存在速率、方向上的差异, 应变场. 应变主要集中分布在两个地区:, 具有3～4mm/a 的左旋相对位移; 2南东向拉张. 但依据现有的G PS 观测表明, , 与地震、. 10年间应变积累很慢, 或整个华.
, 内部不发育明显的活动断裂和褶皱, 地震活动性比较低, 唯东南沿海发育一些晚更新世活动断裂和地震. 上海站V LBI 测量曾推算, 华南地块以(8±1) mm/a 的速率向N116°E 方向远离西伯利亚. 早期的G PS 观测结果表明, 华南整体向南南东方向以6～11mm/a 的速率运动(周硕愚等, 2000) . 目前的结果进一步证实, 华南以11～14mm/a 速率沿N90°～120°E 方位作整体运动, 华南地块内部的确表现为刚性块体, 少有内部变形.
3 区域地壳构造变形
陈俊勇等(2001) 的研究表明, 珠穆朗玛峰地区运动大致为北东东方向. 从1992与1998年两次G PS 观测推算, 珠峰地区相对欧亚内部的水平运动速率达60～70mm/a , 比其他人利用周边站点估算的速率高一倍(马宗晋等, 2001; 王琪等, 2001; Wang et al. , 2001) . 刘经南、许才军等利用1993～1997年3期观测资料, 测定了喜马拉雅北缘至柴达木盆地南缘一带的水平和垂直速度场(刘经南等, 2000; Xu et al. , 2000a ) , 结果揭示了青藏地区的地壳运动南北向缩短、东西向拉张的主要活动特征, 青藏高原垂直向隆升也相当可观. 分析表明, 喜马拉雅块体的缩短量大致为(19±2) mm/a , 藏南地区中段的拉张速率(6±6) mm/a. 从青藏中部5个测站的垂直运动分析, 高原的隆升速率(8±5) mm/a , 这与1993～2000年张为民等(2000) 在拉萨用绝对重力观测推算隆升速率为10mm/a 基本一致. 而西藏块体相对于柴达木地块的汇聚速率为(9±5) mm/a , 并伴随有(9±6) mm/a 的东向运移, 反映了青藏高原物质向东部地区的侧向挤出. 喜马拉雅块体表现为压应变, 而西藏块体以张应变为主, 青藏中部地区的东西向拉张速率最高达(16±6) mm/a.
王琪等(2000) 基于1992～1999年的观测数据, 给出了天山南北汇聚变形的大地测量证据. 其中西天山400km 宽地带的汇聚速率在20mm/a , 而东天山细窄地带上的汇聚速率不过4mm/a. 汇聚速率从西向东递减, 与地形从东西向由宽变窄十分吻合. 塔里木盆地内部基本无变形, 以刚性块体相对西伯利亚做顺时针旋转, 以垂直天山走向推及天山, 产生山前逆掩断层和褶皱. 准噶尔与哈萨克地台存在明显差异运动, 准噶尔在运动学特征有别于哈萨克和其它邻近块体, 可作为独立的构造单元.
许多研究者用1992～1999年中国地震局第一地形变监测中心G PS 观测资料, 研究华北
5期 王 琪:中国大陆现今地壳运动研究545地区的构造运动(江在森等, 2000; 杨国华等, 2001; 许才军等, 2002; Xu et al. , 2000b ; Wu et al. , 2001) . 其中许才军等(2002) 的结果显示华北块体以3～12mm/a 速率相对西伯利亚运动. 杨国华等(2001) 分析了华北地区现今构造应变场的时空变化特征; 而江在森等(2000) 用非连续地壳变形方法指出华北东西部应力场的显著差异. 他们都确认华北地区主要表现为压缩变形, 而块体西边界山西断陷带明显有东西向拉张活动.
江在森等利用1993～1999在河西走廊地区的G PS 速度场, 平运动(江在森等, 2001) . 在欧亚固定的参考框架下, 31体位移, 其速率大约为9mm/a. , 多, 比南部慢6mm/a. 8. 5级地震. 该地区西部压应力场方向为北北东, , 作用.
分析PS 数据和1998～2000年相对重力数据, 表明在昆仑山口西8. 1, 青藏地区存在大范围的左旋剪切变形, 而且剪切应变最大地区恰位于震源区, 其等值线走向与破裂方向基本一致. 面应变也说明该地区有大范围的拉张, 重力测量反映出很大的自由空气异常变化. 上述情况可以认定, 局部构造变动促成了近400km 长的左旋走滑破裂(江在森等, 2003) .
陈智梁等与美国麻省理工学院合作, 研究了我国西南(川滇) 地区的地壳运动特征(陈智良等, 1999; Chen et al. , 2000) . 他们利用1991～1997年多期观测资料, 揭示出西南地区的地壳变形的主要方式———顺时针构造旋转和块体边界断裂的非均匀滑动. 他们的结果显示川滇地块及其以西地区相对成都的运动速度大致在5～10mm/a , 鲜水河—小江断裂以东的川青地块和扬子地块运动微弱, 幅度为1～7mm/a. 以上两个地区(川滇、川青) 均表现为顺时针的涡旋运动. 没有明显的迹象表明存在地壳物质向东挤出或逃逸. 而基于大地测量反演, 申重阳等(2002) 的工作揭示出, 红河断裂和鲜水河断裂吸收了相当部分的地壳变形, 如果变形完全以弹性能形式积累, 并主要以地震来释放, 则变形积累的能量每年可沿这些断层产生一个6级左右的中等强度地震.
4 活动地块的运动学模型
张强和朱文耀(2000) 在ITRF96参考框架内, 用28个分布在全国及周边地区的G PS 站, 建立由10个地块组成的运动学模型, 给出了每个地块的欧拉矢量, 并从各个地块的运动幅度、方向等方面表明与地质资料给出的模型具有一致性. 符养等(2002) 对模型又有进一步改进, 有些大地块被分成几个小块体, 使地块总数达到15个, 并利用了更多的G PS 数据, 以及总数为79个测站在ITRF97下的速率值.
最近王敏等(2003) 建立了一个新模型, 用到900个网络工程资料. 模型包括9个构造块体、2个宽变形带, 给出了每个构造单元之间的欧拉极和相对旋转速率. 模型速率与G PS 实测速率的吻合, 也显示了东亚和中亚大陆存在3种类型的变形方式:第一种表现为分布式的变形, 如青藏高原内部、天山等; 第三种呈现为刚性块体运动与板块类似, 如塔里木、南北地震带以东地区, 其变形主要通过比较窄的边界带变动来调节; 第二种变形方式介于第一、第三种之间, 如青藏高原边缘地带的柴达木、祁连山、西宁和川滇菱形块体.
546地 震 学 报 25卷5 I nSAR 技术研究地震变形
王超(2000) 、张红等(2001) 利用欧空局ERS1/2合成孔径雷达卫星资料, 研究1998年1月10日张北2尚义6. 2级地震. 他们采用三轨差分技术, 获得了本次地震的同震位移场. 从视向形变图分析, 本次地震位于114°20′E 、40°57′N , 其最大视向位移量达25cm , 同震变形场涉及300km 2的范围. 基于弹性半空间模型反演InS AR 干涉图像, 求取最佳震源参数. 其结果显示, 本次地震破裂发生在一个向南倾30°, 走向N95°E 的12km 宽、7. 5km 深的右旋逆倾滑平面上. 同震走滑量约为0. 73m , 7N 单新建等(2002) 最近用欧空局ERS1/2S 8日玛尼7. 6级地震的变形场. 同样利用3, 像. 根据InS AR , 8m. 其中主震破裂可分为4段, 中间两段分别长约km , , 平均滑动量分别为6. 5和6m. 与中段比, , 东西两端的破裂长度分别为26和23km , 破裂深度分别为18和20km , 前者滑动量为5. 8m , 后者为4m.
6 结论
经过10多年的努力, 我们对东亚、中亚地区的现今构造变形幅度、分布、性质等基本特征的认识已初步形成. 这在很大程度得益于G PS 观测技术广泛应用, 以及“中国地壳运动观测网络”的建设, 而InS AR 技术应用于国内地震变形监测也丰富了断层变形研究形式和内涵. 目前不同研究者所取得的成就, 充分展示了空间技术在推动本领域发展所发挥的关键作用, 中国大陆构造变形的定量化研究从总体看, 跃上了一个新台阶.
参 考 文 献
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CURRENT CRUSTAL MOVEMENT IN CHINESE MAIN LAN D
Wang Qi
(Institute o f Seismology , China Seismological Bureau , Wuhan 430071, China )
Abstract :The quantification of tectonic deformation in the Eastern and Central Asia is of great signifi 2cance for the study on global plate m otion and lithospheric dynamics. In the past four years , the veloc 2ity field of horizontal crustal m ovement for the Chinese mainland has been established for the first time thanks to the intensified G PS measurements and its im proved accuracy. The velocity field derived from G PS measurements delineates the patterns of tectonic deformation in Chinese mainland in the unprece 2dented detail , and thus reveals the new features of the ong oing tectonic process resulted from the colli 2sion of India plate to Eurasia plate. Meanwhile , the surface offset induced by tw o strong earthquakes occurred in Chinese mainland was sam pled precisely using InS AR technique.
K ey w ords :current crustal m ovement ; G PS ; Chinese mainland