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1、文章编号：0253-3782(2002)04-0337-11由 GPS 观测结果推导中国大陆现今水平应变场*杨国华李延兴韩月萍胡新康巩曰沐(中国天津 300180 中国地震局第一地形变监测中心)摘要 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：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 108/a，局部区域达到 107/a，但应变分布不均匀；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 36 N42 N 段及柴达木断块的北缘；东西向应 变西边缘变化最大此外，由西向东还具有正负交
2、替的变化特征；REN(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 36 N42 N 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；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)；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；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
3、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关键词 GPS 中国大陆 现今应变场 应变机制中图分类号：P315.72+5文献标识码: 引言在未获得有效观测资料以前，人们在分析历史上的应变性质和大小等问题时，主要是 依据地表形迹累积的几何学特征(尤其是断层)与岩石学特征来推断应变场的强弱、性质及活动方式(谢富仁等，1994；Molnar，Tapponnier，1975，1977；Tapponnier，Molnar，1977；傅容珊等，2000)但这样的结
4、果毕竟是历史上累计下来的平均结果，对于现今来说，只能作为背景资料来使用 传统的大地测量在我国虽然有一定的历史，但由于其观测精度低、具有复测资料的观测规模小等原因，所以我们几乎不能获得有价值的应变信息然而，GPS 技术的发展、复 测的实施以及测站密度的增加，为精细分辨板块运动和板内变形提供了基本保证；同时，网格化计算由于步长的选择与产生的结果有一定的关系，步长过长会丢失短波应变信息但节省计算量；步长过短虽不会丢失信息，但计算量较大.由于相邻测站间的距离基本上都在数十公里以上(极个别点除外)，为了不损失现有数据所包含的信息，我们选择了 30 的步长最后，按这样的尺度计算每个网格单元的应变参量，详细
5、计算参照陈健和陶本藻(1980)所给出的方法，这里不再重复此外，文中之所以没有考虑地质构造因素，是因为测点的密度不足以表达更多这方面的信息计算结果如图 27 所示具体的处理流程为：1)对 GPS 测站的运动结果进行预处理，删除个别与周围运动明显不一致或不能作为“以点代面”的“不健康点”，以避免在数据逼近时导致问题的扩散.测点越稀疏的区域，其中“不健康点”的影响空间就越大2)利用三维的核函数逼近方法获取中国大陆地壳运动的解析式；核函数的选择及具体求解等主要参照杨国华(1992)所给出的方法和思路3)中国大陆上按 30 的间隔获取 WGS84 系统下插值点的三维坐标，然后利用上述该函数计算每个插值
6、点的水平运动速率4)将三维插值点的坐标转算为椭球面上的二维坐标(纬度和经度)5)将每个步长为 30 的网格单元的纬度和经度(共 4 个点)，以其单元中心的经度为中央子午线，换算到高斯平面的坐标然后在平面上计算该单元整体的各个应变参量，并以单元中心纬度和经度作为该单元的空间位置代表.这样就可获得中国大陆在球面上的应变结4 期杨国华等：由 GPS 观测结果推导中国大陆现今水平应变场339必须指出，应变的大小原本是一个客观而又唯一不变的物理参量，但由于受到 GPS 测站数量的限制、分布的不均匀、点的空间尺度大小不一、计算时单元尺度的不同及测量误 差等影响，使得应变量的大小变得似乎不唯一了其实不然，这
7、是由于介质物性的差异等 导致了应变波长的多样性所以，为了保持应变唯一不变的物理性质，我们应把应变的理论结果理解为具有全波段的综合结果这一点必须引起我们的警觉和注意实际计算表明，不同尺度应变的差异不仅表现在数值大小上(江在森等，2000)，甚至会出现性质上的差别此外，也不利于我们的正确理解和使用由图 1 可以看到测点的分布是相当不均匀的，青藏地区内部几乎没有测点，也就是说文中所给出该区域的应变仅是长波应变，因此,在看应变结果时首先要了解测点的分布与密度，不然会导致分析与应用时的混乱与错误图 中国大陆及周边地区相对欧亚板块的水平运动速率2应变特征图 1 中，我们可清楚地看到 GPS 测站的空间分布
8、及相对于欧亚板块中国大陆水平运动的趋势(了解这一点对于我们正确理解和分析应变的尺度及其成因是必不可少的)中国大陆水平运动既有分区特征又有渐变特征，存在着某种有序的变化以中国中部的南北地震 带(约 105 E)为界，可将中国分成两大区域东部地区和西部地区东部地区基本上向 东运动，运动的整体性较好，但也存在有序的差异变化，表现为“南强北弱”，并致使东部地区出现了较弱的左旋活动迹象；西部地区的运动稍复杂些，该区西部以北向运动为优势，也表现为“南强北弱”的特征该区东部由西部的北向运动为优势逐渐转为以东向运动为107/a这一结果的形成也与以上所述的同一个别点关系密切该点所造成的影响可达 4108/a，若
9、删除该点的影响，则压应变约为6108/a，上述的张应变也只有 2108/a左右西北部(36 N42 N)是一个很突出区段，由于点位密集，所以包含的高频应变信息也相当丰富该区段的应变特征为有张有压、张压交替，应变绝对值最大达 2107/a除此之外，川滇地区的应变分布比较有序,表现为北张南压,北端数值(最大)为 4108/a，南端数值(最小)为2108/a总的来说，中国西部地区以压性为主，显著的压性只反映在上述局部区域内；但青藏高原由南向北则表现为压张压的应变特征2)中国东部华南块体 GPS 测站的分布比较稀疏，所以，从中我们只能获得中等尺度的应变信息.由图 2 的结果可知，该区不存在显著的南北向
10、应变，应变绝对值均在 2108/a以内东北地区 GPS 测站分布的稀疏程度与华南地区基本相同，也未发现显著的南北向应变，绝对值约在 109/a 量级上鄂尔多斯断块上的 GPS 测站分布较为密集，可获得中小尺度的应变信息结果表明，该区同样不存在显著的南北向应变华北和燕山断块测点分布最为密集(华北断块北部和燕山断块南部)，可以发现较小尺度应变信息，而且测点位于中国东部最为活跃的地区(燕山构造带及其两侧)，但我们只在很有限的区域上发现 4108/a量级的应变，除此之外的其它地区没有出现可信的应变 从性质上看，该区燕山构造带为张性综上所述，中国西部虽以压应变为主，但显著的压应变只分布在有限的空间；中国
11、东4 期杨国华等：由 GPS 观测结果推导中国大陆现今水平应变场341较突出的特征；除此之外，等值线的走向基本上呈南北方向；而且应变性质由西向东表现图 中国大陆及邻区应变等值线A.准噶尔; B.天山; C.塔里木; D.柴达木; E.阿拉善; F.祁连; G. 昆仑; H. 羌塘; I. 拉萨; J. 川滇; K.东北; L. 华北; M.华南;N.燕山; O.鄂尔多斯; P.胶辽9缘的中段)，整体应变强度似乎更高一些从应变数值的空间分布来看似乎有些杂乱，但从4 期杨国华等：由 GPS 观测结果推导中国大陆现今水平应变场343中我们也不难发现一些有价值的应变现象青藏块体以南的条带不仅是北向运动
12、的消减带(图 2，图 5)，而且也是面收缩带，尤其 是西段的喜马拉雅山脉表现得更加突出，达6108/a8108/a；而东段的面收缩 应变只占西段的 1/3实际上，面收缩不仅表现在青藏块体的南缘，在该块体的周边也几 乎均为面收缩块体北缘中、东段也是面收缩较为显著的地段，局部区域达6108/a， 一般为2108/a4108/a块体东缘的面收缩则不太显著，一般在2108/a 以 内，变化也比较平缓然而，块体内部尽管面应变数值相对较小，变化也相对平缓，但却 表现为以膨胀为主的面应变特性，这一结果让人们感到有些意外这些是青藏块体面应变 的基本轮廓与特征昆仑、塔里木和天山断块的西缘面应变变化较大，不但体现
13、在既有收缩也有膨胀上， 而且数值也最大，达 2107/a这是一个比较特殊的区段除此之外，塔里木、天山和准 噶尔断块整体均表现为面收缩，但并不太显著中国东部的燕山构造带附近出现了区域不大但应变值较突出的现象(达 2107/a)，这 也是以上所述的理由所造成的除此之外的整个东部地区的面应变量级都比较小(02108/a)“东弱西强”的特征在此表现得更加突出2.4主应变及其方向主应变方向及其变化也会给我们一些启示或提供一点证据从图 5 中不难看出,西部主应变的张、压方向在空间上确实存在着比较有序的变化中国图 中国大陆地壳最大-最小主应变率图 中国大陆及邻区 R 剪应变率等值线4 期杨国华等：由 GPS
14、 观测结果推导中国大陆现今水平应变场3457从最大剪切应变结果来看，中国西边缘的 Rmax 值最大，达 810 /a；柴达木断块的西7部及临近的南部地区的 Rmax 值最大,为 410 /a，这与上述的个别点有一定的关系；喜马拉雅带最大为 2107/a；川滇地区最大为 1107/a2107/a；祁连断块北缘及东部地 区燕山构造带和福建沿海局部区域的最大剪切应变也都达到了 107/a 量级这一结果表明了最大剪切应变可达到的水平然而，华南和东北地区最大剪切应变与上述相比却相差一个数量级(只有 2108/a)这一方面可能说明这两个地区的应变确实很小，另一方面也不 能不认为与尺度大小有一定的关系因为测
15、点密集的地方应变几乎均较大当然，图中测 点密集的区域一般认为也恰好是构造活动比较强烈的地区所以，我们暂时还无法准确地 确定应变区域差的具体结果(以上分析结果也存在同样的问题)图 中国大陆及邻区 Rmax 剪应变率等值线A.准噶尔; B.天山; C.塔里木; D.柴达木; E.阿拉善; F.祁连; G. 昆仑; H. 羌塘; I. 拉萨; J. 川滇; K.东北; L. 华北; M.华南;N.燕山; O.鄂尔多斯; P.胶辽REN 虽不能代表 Rmax，但可体现某一方位(东西-南北)剪切应变的大小，而且也能在某种程度上表现出地质构造活动的性质(尤其是近东西和南北断裂带的活动性质)REN 值为负则
16、 反映东西走向的活动为左旋活动、南北走向的活动为右旋活动；REN 值为正则恰好相反中国大陆的 REN 值基本为负，应变强度较高的地区与上述情况相同，REN 的绝对值与 Rmax 值接近或略小一点3讨论J545553谢富仁，祝景忠，梁海庆，等1994中国西南地区现代构造应力场基本特征J地震学报，16 (2)：160166 杨国华1992水平形变场的函数描述及其实现方法J地壳形变与地震, 12 (1)：4651杨国华，黄立人，韩月萍2001a中国大陆当前水平应变的基本特征A见: 李克主编中国八级大震研究与防震减灾学术会议论文集C北京：地震出版社，9097杨国华，韩月萍，张凤兰2001b利用 GPS
17、 复测结果确定华北不同运动性质单元及活动方式J地震学报，23 (1)：110朱文耀，程宗颐，王小亚，等1999中国大陆地壳运动的背景场J科学通报，44 (14)：1 5371 539朱文耀，程宗颐,熊永清，等.1997利用 GPS 技术监测中国大陆地壳运动的初步结果J中国科学(D 辑)，27 (5)：385389周硕愚，张跃刚，丁国瑜，等1998依据 GPS 数据建立中国大陆板内块体现时运动模型的初步研究J地震学报，20 (4)：347355Molnar P，Tapponnier P1975Cenozoic tectonics of Asia: Effects of a continental
18、 collectionJScience，189 ：419426Molnar P，Tapponnier P1977Relation of the tectonics of eastern China to the Indian-Eurasia collection: application of ship- line fieldtheory to large-scale continental tectonicJGeology，5 ：212216Shen Zhengkang，Zhao Chengkun，Yin An，et al2000Contemporary crustal deformatio
19、n in East Asia constrained by GlobalPositioning System measurementsJJ Geophys Res，105 ：5 7215 734Tapponnier P，Molnar P1977Faulting and tectonics in ChinaJJ Geophys Res，82 ：2 9052 931Tapponnier P，Molnar P1979Active faulting along cenozoic tectonics of Tian Shan，Mongolia and BayKal regionJJ Geophys Re
20、s,84 ：3 4252 4594 期杨国华等：由 GPS 观测结果推导中国大陆现今水平应变场347CURRENT HORIZONTAL STRAIN FIELD IN CHINESEMAINLAND DERIVED FROM GPS DATAYang Guohua Li Yanxing Han YuepingHu XinkangGong Yuemu(First Crustal Deformation Monitoring Center, China Seismological Bureau, Tianjin 300180, China)Abstract: The current crusta
21、l horizontal strain field is given in the paper based on the horizontal movement rates obtained from about 400 GPS stations located in Chinese mainland and its surrounding areas. The results show: the horizontal strain in Chinese mainland is strong in thewest and weak in the east and the shear strai
22、n is larger than the normal strain (absolute magnitude). The general strain magnitude is 10 8/a and in local regions is 107/a, but the strain distribution is not homogeneous; The regions with the most significant NS-trending strains arethe Himalayas belt along the western segment of Chinese southern
23、 boundary, the segment of36 N42 N along the western boundary and the northern margin of Qaidam block; TheEW-trending strain variation along the western margin is the maximum and it is characterized by the alternatively positive and negative variations from the west to the east; The regions withlarge
24、r magnitudes ofREN(NE-trending shear strain) andRmax(maximum shear strain) areHimalayas belt, the segment of 36 N42 N along the western boundary, the western part ofQaidam block, Sichuan-Yunnan (Chuan-Dian) rhombic block and the border area of Alxa, Qilian and Tarim blocks; The surrounding area of Q
25、inghai-Xizang (Qingzang) block is mainlysuperfacial contraction and its interior is basically superfacial expansion. The area to its north is mainly superfacial contraction with the maximum magnitude along the western boundary and theminimum magnitude in the eastern part (except Yanshan tectonic zon
26、e); In the west of the western part, the principal compressive strain is in the SN direction and the principal tensile strain is in the EW direction, while in the eastern margin area of the western part, the principal compressive strain is proximate EW and the principal tensile strain is about SN. T
27、he principal strain direction of Chuan-Dian rhombic block has changed greatly. In the northern part, it iscompression in the EW and tension in the SN, while in the southern part, it is just the opposite; The strain pattern in Chinese mainland might be the integration of block mode and successive def
28、ormation mode . In addition, the shear strain might be the small-scale dominant strain. Such a result might be resulted from the collision of India plate and the boundaries coupling, and it is also closely related to the motion of deep-seated matters and the physical nature of crustal medium. Therefore, it should be noted that since the GPS stations are not homogenous in spatial distribution, the obtained strain fields and the scales of the strain should be different.Key words: GPS; Chinese mainland; current strain field; strain mechanism
