中国大陆现时地壳水平运动特征及其驱动机制*

敬少群 王佳卫 吴 云

(1)湖南省地震局，长沙 410004

2)中国地震局地震研究所，武汉430071)

中国大陆现时地壳水平运动特征及其驱动机制*

敬少群1)王佳卫1)吴 云2)

(1)湖南省地震局，长沙 410004

2)中国地震局地震研究所，武汉430071)

利用1999—2007年中国大陆及邻区在ITRF2007参考框架下的1 068个GPS观测成果，以地统计分析为基础，应用运动学研究方法，分析了中国大陆及邻区地壳表层速度场的分布特征，以及印度、欧亚、菲律宾、太平洋4大板块在相互作用过程中，对中国大陆及其邻区地壳表层运动与变形分布的影响范围和程度以及驱动机制进行了分析。

GPS速度场;中国大陆及邻区;岩石圈;地壳表层;地统计分析

1 前言

大陆岩石圈构造变形与演化的地球动力学理论一直是国际地球科学研究的前沿领域。中国大陆在与周缘板块的相互作用过程中，大陆地壳在广阔的时空域不间断地进行着不同层次的构造变动，使其成为地学研究的热点地区。而揭开中国大陆新生代地球动力学之谜的关键之一是具有完整可靠的地壳构造变形速度场来对构造变形进行定量描述。

传统的地质学对此运动、动力过程的认识基本来自第四纪以来主要活动断层的大量观测调查，其结果实质上体现的是百万年以来的地壳表层相对运动的平均状态［1］。现今，尽管以GPS为主的现代测量成果，为研究中国大陆及邻区块体的划分、大尺度运动与变形特征等问题提供了许多有价值的基础资料，然而，由于资料空间分布的不均匀，加上已有认识水平的限制，使得不同研究者采用不同方法给出的无论是中国大陆整体还是局部地区的变形场的分布都有明显差异［2-7］，迫切需要引入更为清晰的物理模型来分析资料。

2 资料来源及地统计分析

地统计学(地质统计学)是研究具有空间坐标变量(或特征)的空间分布特性并对其进行最优估计，或模拟所研究对象的离散性、波动性或其他性质的理论和方法［8］。

研究采用的中国大陆及邻区1999—2007年1 068个GPS观测点的速度数据，比较完整地给出了研究区在ITRF2007参考框架下的地壳运动速度场。从所得测站速度精度看，绝大多数测站速度分量的估值精度优于2.8 mm/a，占总数的99.8%，而估值精度优于1.7 mm/a的测站占总数的92.7%。

利用该GPS速度场，分别以速度的大小和方向(正北为正)作为统计量进行空间统计。考虑到GPS测站速度的估值精度、速度大小和方向计算时的误差传播，在统计分组(将统计样本的取值区间，分割成若干等间距的子区间)时，取速度值间距2.8 mm/a作为组距，这样得到的统计分组数为12，以此得到的速度方向的组距为0.137弧度(约7.85°)。

3 GPS速度场的空间统计分布特征

为表述方便，将位于同一统计分组内的各GPS站用同一种颜色标示在地图上(图1、2)。在速度方向的空间统计分组分布图上，研究区整体向东运动，并在向东运动过程中，由西向东逐渐向南发生偏转。而速度值的空间统计分布则显示，可以根据速度值空间分组分布特征的差异，大体将研究区分成5个区，即：1)青藏地区(中间速率相对较大，四周速率相对较小);2)滇缅地区(速率由北向南逐渐减小); 3)新疆-东北地区(速率由南向北逐渐减小);4)华南地区(相对稳定);5)华北地区(过渡区)。

4 地壳表层相对岩石圈运动的计算

为解释图1与图2之间的矛盾，假设在地表观测到的年平均位移，由岩石圈整体运动的刚性位移与地壳表层因相对岩石圈运动及局部变形所产生的位移组成。由于还不能将地壳表层相对岩石圈的运动与地壳表层因变形所产生的运动分开，讨论中，我们将其产生的位移统称为地壳表层位移，即

式(1)中，如果地壳表层相对岩石圈的运动为零，且地壳表层变形运动微弱到可以忽略不计的话，则

又假设，图1显示的研究区整体的向东运动代表了研究区所在岩石圈整体的刚性运动，且该运动是匀速率的，即只有方向的变化，没有大小的变化，那么将研究区地表观测速度减去其所在岩石圈的刚性运动速度，就可得到地壳表层相对于岩石圈的运动及变形速度。即

5 地壳表层相对岩石圈运动速度计算的合理性分析

在对地壳表层相对岩石圈运动速度的计算中，我们假设地表观测到的运动由岩石圈板块的刚性运动与地壳表层因相对岩石圈运动及局部变形产生的运动两部分组成;且假设研究区岩石圈板块作为一个整体以均一速率运动。

考虑到研究区中华南地块是具有较好刚性的稳定陆块，故按式(2)可取华南地块的平均运动速率作为岩石圈板块的刚性运动速率;而岩石圈板块刚性运动转动分量引起的角度变化，由GPS观测的地表年位移的地统计分析确定。这样做的好处主要有：

1)基于GPS解算的位移场，仅采用简单的统计平均，避免了地块划分、模型选择等人为因素对研究区整体运动与地壳表层运动结果的影响，其结果更加客观。

2)在ITRF2007参考框架下，直接采用地表相对地心在全球板块运动背景下的绝对运动，不仅避免了在寻求合适的参考基准时，给人们带来的困惑，也避免了在转换参考基准时，形变信息的损失、纳伪和变形成分对参考框架的干扰［9，10］。

3)直接在球面上进行运算，虽然不同GPS测点的海拔高程对其结果可能会有些影响，但相对地球半径而言，这点差异微不足道。相比其他方法，本法可能更接近实际。

表1为采用不同方法，剔除研究区整体运动后获取的研究区整体或局部地区位移场的分布特征。可以看出，采用本方法所获取的研究区地壳表层速度场与前人研究得到的相对本底的运动变化场具有可比性。

图1 GPS速度场方向的空间统计分布Fig.1 Spatial-statistics distribution of GPS velocity direction

图2 GPS速度场大小的空间统计分布Fig.2 Spatial-statistics distribution of GPS velocity amplitude

表1 不同研究者给出的研究区的运动与变形特征与本研究结果的对比Tab.1 Comparison among this work and other works

6 地壳表层相对岩石圈运动速度的空间分布

仔细观察图3我们注意到：1)青藏高原及滇缅地块地壳表层的运动十分显著，它以流变方式围绕喜马拉雅东构造结顺时针旋转，与滇缅地块物质的西向运动一起构成漩涡流;2)华南地块相对岩石圈的地壳表层位移呈随机状零散分布，仅在其东部的福建沿海存在局部一致的指向海峡的速度分布;3)华北、东北地区相对岩石圈的地壳表层运动分为3个区，40°N以北地区，以西向运动为主，其运动幅度在东北断块区明显大于华北断块区。40°N以南地区，西向运动仅发生在120°E以东地区，而华北断块区的其他地区不存在明显的优势运动方向;4)新疆断块区(含塔里木盆地)及青藏块体北部相对岩石圈的地壳表层运动，除喜马拉雅西构造结及其周围较为复杂外，其他地区以西向运动为主。

7 地壳表层相对岩石圈运动的动力学意义

中国大陆地壳表层相对岩石圈运动速度场，不仅直观地从大尺度刻画了中国大陆构造运动与变形运动的特征，也清晰地展示了中国大陆在与周缘板块的相互作用过程中，所受到的动力作用及其影响程度。

印度板块持续向北的推挤对青藏地块的影响十分明显。但这种北向的推挤，随着高原的隆升，高原物质自身平衡的调节及一系列深部构造活动等过程，已逐渐演变为与深部构造密切相关的向东“流动”［13-18］。由于受到华南地块的阻挡，东向“流动”又逐渐转变为向东北和东南方向的运动。

而印度板块在兴都库什地区的深部俯冲、印度板块持续向北推挤的远程效应及北部西伯利亚地体的阻挡可能是新疆断块区(含塔里木盆地)及青藏块体东北缘整体向西运动的原因。

菲律宾板块向西俯冲对华南地块的影响，只限于福建沿海地区，表现为局部一致的指向海峡的运动。

太平洋板块向西俯冲对中国大陆的影响，在东北地块、华北地块的40°N以北地区和120°E以东地区明显，表现为整体一致的NWW向的运动。而华北地块的其他地区，由于受到印度板块持续向北推挤的远程效应、太平洋板块俯冲及深部构造活动等的共同作用，使得该地区不存在明显的优势运动方向。

由于中国大陆周缘边界动力条件的差异，使得中国大陆的运动与变形显示出明显的分区性。具体表现在地壳表层速度场的空间分布上，就是可以根据地壳表层速度场的空间分布差异将中国大陆分为5个运动与变形方式截然不同的区，这与邓起东等［19］给出的中国大陆的Ⅰ级分区的结果是一致的。

8 结论与讨论

1)在经典的地壳形变分析中，参考基准的选择一直备受重视，其选择恰当与否对于突出变形运动信息非常重要。有研究显示，用欧亚板块整体刚性运动为参考基准来研究中国大陆及邻区相对变化时就显得很不直观，甚至还有可能损失形变信息或在某种程度上有纳伪的嫌疑［20］。一些用模型拟合方法来剔除中国大陆及邻区整体运动参数的做法，也存在模型选择不恰当或因观测点空间分布不均匀、变形成分干扰参考基准的问题。本研究所用的方法，避免了这类问题。它利用运动学原理，基于构造研究成果，直接采用ITRF2007参考框架下地表相对地心在全球板块运动背景下的分组统计结果，更接近实际。而且，所获得的相对岩石圈的地壳表层速度与其他作者获取的研究区相对本底的速度具有可比性，但概念更清楚、物理意义更明确。

图3 中国大陆及邻区相对岩石圈的地壳表层速度场的空间分布Fig.3 Spacial distribution of surface movement related to lithosphere in Chinese mainland and its adjacent region

2)仔细观察图1，我们注意到，中国大陆及邻区以105°E为界，西部在31°(74°—105°E)的空间范围内，岩石圈整体运动的角度平均变化了56.03°，东部在25°(105°—130°E)范围内变化了5.27°，若取1°≈111 km，那么西部每100 km的角度变化是1.6°，而东部只有0.19°。这意味着以105°E为界，从底部驱动着上覆地块运动的扭力在西部明显大于东部，这不仅可为西部地区活跃的构造活动提供深部动力环境，也可为地震活动性在西部明显大于东部提供合理的力源。

致谢 衷心感谢王敏研究员提供GPS数据!

1 丁国瑜.中国的活断层［A］.大陆地震活动和地震预报国际学术讨论会论文集［C］.北京，地震出版社，1984，149 -163.(Ding Guoyu.Active faults in China［A］.Mainland seismic activity and earthquake prediction international symposium［C］.Beijing：Seismological Press，1984，149-163)

2 吴云，等.用GPS观测结果对中国大陆及邻区现今地壳运动和形变的初步探讨［J］.地震学报，1999，21(5)，545 -553.(Wu Yun，et al.Current crustal motion and deformation in the China continent and its surrounding area determined form GPS data［J］.Acta Seismologica Sinica，1999，21 (5)：545-553)

3 任金卫.利用GPS观测结果反演中国大陆及邻区现代构造变形运动［J］.地球物理学报，2002，(增刊)：123-135.(Ren Jinwei.Deformation kinematics of China mainland determined from GPS observations［J］.Chinese Journal of Geophysics，2002，45(supp.)：123-135)

4 李延兴，等.中国大陆活动地块的运动与应变状态［J］.中国科学(D辑)，2003，23(增刊)：65-81.(Li Yanxing，et al.The movement and strain for active tectonic block of Chinese mainland［J］.Science in China(Series D)，2003，3 (Supp.)：65-81)

5 王敏，等.现今中国大陆地壳运动与活动块体模型［J］.中国科学(D辑)，2003，23(增刊)：21-32.(Wang Min，et al.Present crustal movement and active tectonic block model［J］.Science in China(Series D)，2003，23(Supp.)：21-32)

6 王 伟 ，王琪.GPS观测约束下的中国大陆活动地块运动学模型［J］.大地测量与地球动力学，2008，(4)：75-88.(Wang Wei and Wang Qi.Kinematical model of crustal blocks of china continent revealed by GPS measurements［J］.Journal of Geodesy and Geodynaics，2008，(4)：75-88)

7 游新兆，等.中国大陆地壳现今运动的GPS测量结果与初步分析［J］.地壳形变与地震，2001，(3)：1-8.(You Xinzhao，et al.GPS results of current crustal movement of china continent and primary analysis［J］.Crustal Deformation and Earthquake，2001，(3)：1-8)

8 牛之俊，等.中国大陆现今地壳运动速度场的最新观测结果［J］.科学通报，2005，50(8)：839-840.(Niu Zhijun，et al.A latest observations of current crustal movement of china continent［J］.Chinese Science Bulletin，2005，50 (8)：839-840)

9 杨国华，等.中国大陆整体无净旋转基准及其应用［J］.大地测量与地球动力学，2005，(4)：6-10.(Yang Guohua，et al.No-net-rotation on crustal movement of china mainland and its application［J］.Journal of Geodesy and Geodynaics，2005，(4)：6-10)

10 江在森，等.利用GPS观测结果研究地壳运动分布动态及其与强震的关系［J］.国际地震动态，2007，343，32-42.(Jiang Zaisen，et al.Study on the relations between distribution of crustal movement and strong earthquakes using GPS survey［J］.Recent Developments in World Seismolog，2007，343：32-42)

11 李延兴，等.太平洋板块俯冲对中国大陆的影响［J］.测绘学报，2006，35(2)：99-105.(Li Yanxing，et al.The underthrust of pacific plate to eurasian plate and its effect on chinese mainland［J］.Acta Geodaetica et Cartographica Sinica，2006，35(2)：99-105)

12 杨国华，等.中国大陆几个主要地震活动区的水平形变［J］.大地测量与地球动力学，2003，(3)：42-49.(Yang Guohua，et al.Horizontal deformation in several major seismically active areas in chinese mainland［J］.Journal of Geodesy and Geodynaics，2003，(3)：42-49)

13 Rorden L H，et al.Surfac de formation and lower crustal flow in eastern Tibet［J］.Science，1997，276：788-790.

14 张培震.青藏高原东缘川西地区的现今构造变形、应变分配与深部过程［J］.中国科学(D辑)，2008，38(9)：1 041-1 056.(Zhang Peizhen.The present-day tectonic deformation and strain distribution and deep processes in the eastern edge of Qinghai-Tibet Plateau［J］.Science in China(Series D)，2008，38(9)：1 041-1 056)

15 王椿镛，等.青藏高原东部壳幔速度结构和地幔变形场的研究［J］.地学前缘，2006，13(5)：349-359.(Wang Chunyong，et al.Study of crustal and upper mantle’s structure and mantle deformation field beneath the eastern Tibetan plateau［J］.Earth Science Frontiers，2006，13 (5)：349-359)

16 Bai et al.Crustal deformation of the eastern Tibetan plateau revealed by magnetotelluric imaging［J］.Nature Geoscience，2010，doi：10.1038/NGEO830.

17 熊熊，滕吉文.青藏高原东缘地壳运动与深部过程的研究［J］.地球物理学报，2002，45(4)：507-515.(Xiong Xiong and Teng Jiwen.Study on crustal movement and deep process in eastern Qinghai-Xizang plateau［J］.Chinese Journal of Geophysics，2002，45(4)：507-515)

18 Clark M K and Royden L H.Topographic ooze：building the eastern margin of Tibet by lower crustal flow［J］.Geology，2000，28(8)：703-706.

19 Deng Qidong，et al.Basic characteristics of active tectonics of China［J］.Science China Earth Sciences，2003，46(4)：356-372.

20 杨国华.水平形变场的函数描述及其实现方法［J］.地壳形变与地震，1992，(1)：46-51.(Yang Guohua.A description and realization of horizontal deformation field by the multi-kernel function［J］.Crustal Deformation and Earthquake，1992，(1)：46-51)

PRESENT-DAY HORIZONTAL SURFACE MOVEMENT AND ITS DRIVING MECHANISM OF CHINESE MAINLAND AND ITS ADJACENT REGION

Jing Shaoqun1)，Wang Jiawei1)and Wu Yun2)

(1)Earthquake Administration of Hunan，Changsha 410004 2)Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071)

In the work，on the basis of geo-statistics analysis，with the kinematics method and by use of the 1 068 results of GPS observation in the China continent and its adjacent under the ITRF2007 reference fromwork the distribution characteristics of the horizontal crustal velocity field and the driving mechanism are studied.The influence range and degree of relative action betwen the India，Eurosia，Philippines and Pacific Ocean Plates on the movement and deformation of the China continent and its adjacent region are analyzed as well.

GPS velocity field;Chinese mainland and its adjacent region;lithosphere;surface velocity field;geostatistics analysis

1671-5942(2011)06-0020-06

2011-09-06

敬少群，女，1967年生，硕士，高级工程师，主要从事地下流体、地壳形变和地震预测等方面的研究.E-mail：jingshq@yahoo.com.cn

P315.72+5

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