GNSS空间大地测量技术在中国大陆活动地块划分中的应用和研究进展
郝明, 王庆良*
中国地震局第二监测中心, 西安 710054
*通讯作者: 王庆良, 男, 1963年生, 博士, 研究员, 主要从事地震动力学与地球探测技术、 地质资源与灾害地质等方面的研究, 电话: 029-85506503, E-mail:wangql63@163.com

〔作者简介〕 郝明, 男, 1982年生, 2012年于中国地震局地质研究所获固体地球物理专业博士学位, 副研究员, 主要从事地震大地测量数据处理与应用等方面的研究工作, 电话: 029-85506514, E-mail: ha_mg@163.com

摘要

中国科学家提出了“中国大陆的强震受控于活动地块运动与变形”的科学假说, 很好地解释了地震活动在空间上的分区、 分带现象。 活动地块为形成于晚新生代、 晚第四纪的强烈活动的地质构造, 地块边界带的构造活动性最为强烈。 以GNSS为代表的空间大地测量技术以其时空分辨率高、 覆盖范围广、 观测精度高等特点, 被应用于现今的地壳形变监测。 基于GNSS建立的中国大陆及周边地区高空间分辨率的地壳运动速度场图像, 清晰地揭示了中国大陆内部不同活动地块的不同运动与变形方式, 以及地块相互作用的构造边界带的强烈变形。 文中回顾了用于监测中国大陆地壳运动的GNSS观测数据来源及处理方法, 提出了中国大陆GNSS运动速度场以稳定的华南地块为区域参考框架的优势, 介绍了3种划分活动地块的方法以及检验地块是否具有刚性运动的判别方法。 结合GNSS速度场的最新研究成果, 阐述了具有刚性运动的华南、 塔里木、 鄂尔多斯、 阿拉善和东北地块现今的运动特征, 以及青藏高原、 天山和华北平原地块的非刚性变形。 在利用空间大地测量技术丰富和完善活动地块假说理论方面, 不仅需要地块内部和边界带分布密集的GNSS观测网络, 同时也要充分利用InSAR等其它空间大地测量技术, 并需加强与地震地质、 地球物理等多学科的交叉融合。 文中的系统总结, 对利用GNSS技术研究活动地块的运动变形特征和活动地块边界带强震孕育的动力学机理具有重要的参考价值。

关键词: 活动地块; GNSS; 地块划分; 刚性运动; 连续变形
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2020)02-0283-14
PROGRESS IN APPLICATION OF GNSS TO DIVISION OF ACTIVE TECTONIC BLOCKS IN CONTINENTAL CHINA
HAO Ming, WANG Qing-liang
The Second Monitoring and Application Center, China Earthquake Administration, Xi'an 710054, China
Abstract

Chinese scientists proposed that large earthquakes that occurred in mainland China are controlled by the movement and deformation of active tectonic blocks. This scientific hypothesis explains zoned phenomenon of seismicity in space. The active tectonic blocks are intense active terranes formed in late Cenozoic and late Quaternary, and the tectonic activity of block boundaries is the intensest. Global Navigation Satellite System(GNSS)has advantages of high spatio-temporal resolution, broad coverage, and high accuracy, and is utilized to monitor contemporary crustal deformation. High accuracy and resolution of GNSS velocity field within mainland China and vicinities provided by previous studies clearly demonstrate that different active tectonic blocks behave as different patterns of movement and deformation, and block interaction boundaries have intense tectonic deformation. The paper firstly introduces the GPS networks operated by the Crustal Movement Observation Network of China(CMONOC)since 1999, and GNSS data processing methods, including GAMIT, BERNESE and GIPSY/OASIS, and discusses the advantages of using South China block as a regional reference frame for GNSS velocity field, then proposes three strategies of block division, F-test, quasi-accurate detection(QUAD), and clustering analysis. Furthermore, we introduce rigid and non-rigid block motions. Rigid block motion can be denoted by translation and rotation, while non-rigid block motion can be described by rigid motion and internal strain deformation. Internal strain deformation can be divided into uniform and linear strains. We also review the usage of F-test to distinguish whether the block acts as rigid deformation or not. In addition, combining with recent GNSS velocity results, we elaborate the characteristics of present movement of rigid block, such as the South China, Tarim, Ordos, Alashan, and Northeast China, and that of non-rigid block, such as the Tibetan plateau, Tian Shan, and North China plain. Especially, the Tibetan plateau and Tian Shan seem to deform continuously with significant internal deformation. In order to enrich and perfect the active tectonic block hypothesis, we should carefully design dense GNSS networks in inner blocks and block boundaries, optimize utilizing other space geodesy technologies such as InSAR, and strengthen combining study of geodesy, seismogeology and geophysics. Through systematic summary, this paper is very useful to employing GNSS to investigate characteristics of block movement and dynamics of large earthquakes happening in block interaction boundaries.

Keyword: active tectonic block; GNSS; block division; rigid movement; continuous deformation
0 引言

20世纪60年代建立并发展起来的板块构造学说合理解释了全球80%的地震发生在板块边界的现象, 但由于板内地震和板块边界地震在动力环境、 构造成因、 变形机制和破坏类型等方面存在很多显著差别, 板块构造学说在解释大陆板内地震时遇到了诸多难以解释的问题(张国民等, 1999)。 随着板块构造学说被引入中国, 老一辈中国科学家针对中国大陆的板块构造体系和特征提出了断块构造(张文佑, 1984)、 活动亚板块(马杏垣, 1987)、 构造块体(丁国瑜, 1991)以及活动断块(邓起东等, 1994)等理论或划分方案。

基于国家重点基础研究发展计划(973)项目“ 大陆强震机理与预测” 研究, 在前人得到的大量研究基础和成果下, 中国科学家提出了“ 中国大陆的强震受控于活动地块运动与变形” 的科学假说, 用于解释中国大陆强震的空间分布(张国民等, 1999, 2000; 张培震, 1999; 张培震等, 2003)。 张培震等(2003)明确了活动地块的定义, 即活动地块是被形成于晚新生代、 晚第四纪至现今强烈活动的构造带所分割和围限的、 具有相对统一运动方式的地质单元; 活动地块边界构造活动强烈, 绝大多数强震都发生在边界的活动构造带上。 从以上定义可以看出, 该假说在时间上强调是晚第四纪至现今时段的活动状态, 地块边界活动构造带是活动地块间相对运动和相互作用的形变带, 其活动强度和频度都远大于地块内部的构造活动。

近30a来, 以GNSS为代表的空间大地测量技术因其时空分辨率高、 覆盖范围广、 观测精度高等特点, 被应用于现今地壳形变监测, 为促进中国大陆活动地块的理论研究发挥了重要作用。 Wang 等(2001)首次应用GNSS数据研究了中国大陆现今的地壳运动和变形, 其结果清晰地反映了以活动地块为单元的分块运动特征。 随着国家重大科学工程“ 中国地壳运动观测网络” (简称网络工程)和“ 中国大陆构造环境监测网络” (简称陆态网络)项目的开展, 利用丰富的GNSS观测数据精细地刻画出中国大陆现今地壳的水平运动图像(Niu et al., 2005; 李强等, 2012; Liang et al., 2013; Wang et al., 2017; Zheng et al., 2017; Hao et al., 2019; Rui et al., 2019; Wang et al., 2020), 揭示了中国大陆现今的总体构造变形具有刚性和非刚性的运动学特征(张培震等, 2002, 2004, 2005; 李延兴等, 2003; 王敏等, 2003; Zhang et al., 2004; Shen et al., 2005; Gan et al., 2007), 为大陆变形的动力学机理研究提供了重要支撑。 以GNSS运动速度场为约束, 采用块体模型可估计出活动地块边界带现今的滑动速率和闭锁强度(Meade, 2007; Thatcher, 2007; Wang et al., 2011; 李煜航等, 2014; Jiang et al., 2015; 郝明等, 2017), 为预测中长期强震的危险性提供了基础数据。

本文首先梳理了用于监测中国大陆地壳运动的GNSS观测网络及数据处理方法, 其次介绍了划分活动地块的方法以及检验地块是刚性变形还是非刚性连续变形的判别方法, 然后结合GNSS速度场的最新研究成果阐述了中国大陆活动地块具有的刚性运动与连续变形特征, 最后对利用空间大地测量技术丰富和完善活动地块假说等工作进行了展望。

1 中国大陆GNSS高精度监测网络体系与现今地壳的运动图像

目前用于监测中国大陆地壳变形的GNSS观测数据主要来自“ 九五” 和“ 十一五” 建设的网络工程(牛之俊等, 2002)和陆态网络(甘卫军等, 2012)项目。 网络工程由32个连续观测站、 56个基本站和1 000个区域站组成, 其中基本站于1998— 2009年每年复测1次, 区域站于1999年、 2001年、 2004年和2007年观测。 陆态网络项目则是将网络工程项目的GNSS连续站增加至260个, 区域站增加至2 000个, 并于2009— 2017年间每2a开展1次复测。 依托中国地震局地震行业科研重点专项“ 中国综合地球物理场” 一、 二、 三期项目, 由中国地震局第二监测中心牵头并联合多家单位于2012年、 2014年和2016年对位于青藏高原东缘、 鄂尔多斯地块周缘以及华北和东北地区的陆态网络区域站进行了加密复测。 在Wang 等(2020)提供的中国大陆及周边最新的GNSS运动速度场结果中还使用了一些区域网络GNSS数据, 这些区域网络主要布设在活动构造带, 如华北、 汾渭断陷带和川滇地区。 图 1 为网络工程和陆态网络项目的流动和连续GNSS测站的分布情况。

图 1 网络工程和陆态网络项目GNSS测站分布图(据Wang et al., 2020修改)Fig. 1 Locations of GNSS stations operated by the Crustal Movement Observation Network of China(CMONOC)(after Wang et al., 2020).

GNSS观测数据处理主要采用GAMIT/GLOBK、 BERNESE或GIPSY/OASIS软件完成。 前两者采用双差模式获取以24h为1个时段的单日松弛解, 后者则采用非差观测得到单日松弛解, 然后将单日区域网解与全球网解合并为1个单日松弛解, 并通过赫尔默特七参数转换方法将区域网解固定在ITRF全球参考框架下, 以获取各GNSS测站的位移时间序列。 中国大陆内部及周边在GNSS观测时段内发生了数次大地震, 而这势必影响了GNSS捕捉到的地壳震间期的变形。 Wang (2020)针对上述问题详细地阐述了消除大地震的同震和震后变形的方法。

为揭示中国大陆的活动构造变形特征, 通常将ITRF框架下的GNSS速度场转换至相对于欧亚板块的速度场。 Wang 等(2020)给出的高时空分辨率的GNSS运动速度场图像整体反映出中国大陆呈顺时针旋转的运动状态, 青藏高原内部的一部分地壳物质沿NE向流动迁移, 一部分沿SE向绕喜马拉雅东构造结发生顺时针旋转, 似乎还有一小部分近E向挤入华南地块, 华北和华南地块的差异性运动并不十分明显。

Hao等(2019)选择中国大陆内部稳定的华南地块作为区域参考基准, 所提供的东亚地区的GNSS运动速度场图像清晰地展示出中国大陆受到印度板块的推挤, 并在太平洋和菲律宾板块的俯冲作用下其内部产生了差异性构造变形特征。 因此, 本文将Wang 等(2020)提供的相对于欧亚板块的GNSS速度场旋转为相对于华南地块的GNSS速度场(图 2)。

图 2 中国大陆及周边GNSS水平运动速度场(1999— 2017年, 相对于华南地块)Fig. 2 GNSS velocity filed within continental China and vicinities with respect to the South China block(1999— 2017).

2 基于GNSS技术划分活动地块的方法

活动地块假说认为地块内部具有相对统一的运动方式, 但不同地块之间存在相对运动。 因此, 利用GNSS观测技术建立的现今高精度、 高时空分辨率的构造变形运动图像, 可为研究划分活动地块提供定量约束(张培震等, 2005)。 需要注意的是, 在利用GNSS划分地块之前, 需要参考已有的活动地块模型作为初始模型, 然后再结合GNSS速度场进行研究划分。 对存在明显形变的梯度带, 还需要结合活动断裂和地震活动性资料, 以判断是否划分为新的地块边界带。

如果活动地块内部不存在相对变形, 可将其视为刚性块体。 球面上刚性块体的运动可以用绕欧拉极的旋转(李延兴等, 2003)来描述:

VeVn=r-sinφcosλ-sinφsinλcosφsinλ-cosλ0ωxωyωz(1)

式中, VeVn为地块上GNSS测站大地坐标(λ , φ )的E向和N向速度, r为地球的平均半径, ω xω yω z为地块的欧拉旋转矢量。 对于地块内2个以上的GNSS测站速度, 可根据式(1)利用加权最小二乘方法估计出其欧拉矢量。

如何识别具有同一运动趋势的相对稳定点是划分活动地块的关键技术。 下面简要介绍3种方法。

2.1 F检验法

(1)检验单个测站的稳定性。 对一个给定的活动地块, 根据式(1)使用地块内所有的GNSS水平运动速度拟合地块的欧拉矢量, 然后计算各GNSS测站的观测值与模型值的残差, 如果残差的绝对值> 2mm/a, 则删除该测站。 重复此步骤, 直至所有GNSS测站的拟合残差绝对值均< 2mm/a。

(2)检验每个测站与其它测站的兼容性(Shen et al., 2005)。 对执行完上一步后地块内剩余的GNSS测站, 再利用式(1)计算欧拉旋转的拟合残差平方和 χn2, 然后每次去除1个不同的测站, 计算去除该测站后欧拉旋转的拟合残差平方和 χn-12, 并求

F=F(χn2, 2n-3; χn-12, 2n-5)=χn22n-3/χn-122n-5(2)

式中, n为所选用的GNSS测站的个数。 若取置信度为95%, 即如该测站与其它测站相互独立的显著性> 95%, 则去除该测站, 否则认为该GNSS测站为属于地块的稳定点。

(3)检验相邻2个地块的独立性(王敏等, 2003; 王敏, 2008)。 分别计算2个地块欧拉旋转的拟合残差平方和 χ12χ22, 以及假设2个地块合为1个地块的欧拉旋转拟合残差平方和 χ122, 则

F=F(χ122, 2n1+2n2-3; χ12+χ22, 2n1+2n2-6)=χ1222n1+2n2-3/χ12+χ222n1+2n2-6(3)

式中, n1n2分别为块体一和块体二内的GNSS测站数。 仍取置信度为95%, 即如果2个相邻地块相互独立的显著性 < 95% , 则将2个地块合二为一。 通过循环的方式对各相邻地块的独立性进行F检验。

2.2 拟准检定法

拟准检定法(欧吉坤, 1999)是在“ 拟稳平差” 理论的基础上发展起来的, 其在真误差与观测值之间建立解析关系用于探测观测值中的粗差。 将该方法应用于地块划分, 即是将地块内的相对稳定点作为拟准观测, 而将不符合运动趋势的点看作粗差并予以剔除(柴艳菊等, 2002)。 该方法的关键是确定拟准观测, 可分为初选和复选2个阶段:

(1)初选。 将式(1)线性化为观测方程

V=AX^-L(4)

式中, A为设计矩阵, X^为未知参数即欧拉旋转矢量的估值, L为观测值, 即GNSS测站的速度(VeVn), V为观测值的残差。 观测值的权矩阵记为P

未知参数的估值 X^=(ATPA)-1ATPL, 计算平差因子矩阵J=A(ATPA)-1ATP以及其正交补投影矩阵R=I-J, I为单位矩阵。

计算所有GNSS测站2个分量的残差Vi([VeiVni]T)以及Vi的中位值σ 0=med|Vi|, 将其作为单位权中误差的估值 σ^0, 有较强的抗差性。

计算初选指标值ui=Vi/( σ^0Rii), Rii 为投影阵的第i个对角元。 如果GNSS测站的残差Viui× f1, 则将该测站初选为相对稳定点, 否则视为不稳定点。 其中, f1为判别准则因子。

(2)复选。 基于选出的相对稳定点重新计算未知参数估值 X^0=( AT0P0A0)-1 AT0P0L0。 其中, A0P0L0APL中与选出的相对稳定点有关的部分。 真误差的估值 Δ^0=-(RTR+P0GTGP0)-1RTRL0, GT=[0 A0]T。 计算指标Wi=| Δ^i|/C, C=( Δ^T0P0 Δ^0/(r-1))1/2, r为稳定点的个数。

Wif2, 则将该测站归入相对稳定点, 否则作为不稳定点。 f2为判别准则因子。 重复该步骤, 直到没有再找到新的稳定点时结束。

由拟准检定法的计算流程可以看出, f1f2 2个判别因子的取值大小决定此筛选方法标准的宽或严。 当一个块体上的观测点不多时, 较小的判别因子可能会造成没有足够数量的点归入到稳定点的情况; 当观测点较多时, 选取较大的判别因子又可能会使估计出的地块运动和变形参数的误差较大。 因此, 需根据数据的质量情况进行多次试算和选取。

2.3 聚类分析法

聚类分析是指将数据对象的集合分组为由类似的对象组成的多个类的分析过程。 聚类生成的组称为簇, 而簇是数据对象的集合。 簇内部的任意2个对象之间具有较高的相似度, 属于不同簇的2个对象间具有较高的相异度。 Simpson等(2012)将层次凝聚聚类(HAC)方法应用于加州旧金山湾地区的GNSS速度场, 试图找出该地区是否具有类似地块变形的特征。 Savage等(2013a, b, 2015)将k-中心点聚类分析方法应用于圣安地列斯断裂和美国西北部地区的地块划分。

利用聚类分析方法划分地块的流程为: 首先, 需预先给定簇的个数k, 即地块数目。 从n个GNSS测站速度值中随机挑选出k个(分别挑选E分量和N分量), 作为初始簇的中心; 根据剩余测站的速度值与各簇中心距离的平方, 将具有最小距离平方的速度值赋给最近的簇; 然后重新计算每个簇的中心点。 从剩余测站的速度值中随机挑选出k个, 计算用这个k个值分别代替原中心点形成新聚类的总代价S, 如果S< 0, 则用从剩余速度值中挑选的非中心点代替中心点, 形成新的k个中心点集合。 重复上述过程, 直到簇的中心点不发生变化, 认为聚类结束。

使用聚类分析方法划分地块时, 需通过先验信息确定地块的个数。 k-中心点聚类分析法抗噪声(不合群速度值)的能力强, 但运行较为耗时。

3 基于GNSS技术检验活动地块的刚性与非刚性变形

地块在周围板块或地块的作用下不仅会发生刚性运动(平动和旋转), 其内部可能会产生均匀或非均匀的线性应变变形(李延兴等, 2003, 2004)。

如果地块的边界断裂不发生闭锁, 则地块的刚性运动和内部均匀应变变形可用式(5)表示(王敏, 2008; Shen et al., 2015):

VxVy=10ΔxΔy0Δy010ΔxΔy-Δxuxuyτxxτxyτyyω+Δ(5)

式中, VxVy为GNSS测站的E向和N向速度, Δ x、 Δ y为GNSS测站与参考点之间的相对位置, uxuy为地块的E向和N向平移速度, τ xxτ xyτ yy 为应变张量, ω 为旋转率。 如果应变张量为零, 即为刚性块体模型, 则式(5)与式(1)等价。

如果地块内部的应变不是均匀的而是随位置线性变化的, 则地块的刚性运动和内部线性应变变形可以用式(6)表示(李延兴等, 2004; Qu et al., 2014):

VxVy=r -sinφcosλ-sinφsinλcosφsinλ-cosλ0ωxωyωz+ A0B0B0C0xy+ 12A1B2B1C2x2y2+ A2+B1B2+C1+Δ (6)

式中, A0A1A2B0B1B2C0C1C2分别是待求的应变参数。

此外, 同样可以用F检验方法来判定某个地块为刚性平动、 旋转变形或非刚性的连续变形(王敏, 2008)。 对于一活动地块, 首先假设其为刚性运动, 用内部GNSS测站的水平速度计算欧拉运动的3个参数(uxuyω ), 并计算模型的拟合残差平方和 χ12。 然后, 假设该地块内部存在应变变形, 采用式(5)估计欧拉运动的3个参量(uxuyω )以及应变率张量的3个参数(τ xxτ xyτ yy), 并计算拟合后残差平方和 χ22。 最后通过F检验判断地块内部应变量的显著性:

F=F(χ12, 2n-3; χ22, 2n-6)=χ122n-3/χ222n-6(7)

F检验的显著性> 95%才允许地块内部存在均匀应变变形。 该方法同样也适用于地块内部的线性应变模型检验。

4 基于GNSS技术获得的中国大陆主要活动地块的运动与变形

张培震等(2003)将中国大陆及其周边地区划分为6个I级地块区和22个Ⅱ 级活动地块(图 3)。 随后, 很多学者以此为基础模型, 采用时空分辨率不断提高的GNSS速度场结果, 愈来愈细致地揭示出中国大陆及周边活动地块的运动学特征(Shen et al., 2005; Meade, 2007; Thatcher, 2007; 王敏, 2008; Loveless et al., 2011; Wang et al., 2011; Zhang et al., 2013; 李煜航等, 2014; Wang et al., 2017; Wang et al., 2020)。

图 3 中国大陆主要的活动地块与强震分布(张培震等, 2013)Fig. 3 Active tectonic blocks and distribution of large earthquakes in continental China(after ZHANG Pei-zhen et al., 2013).

总体而言, 中国大陆的活动地块有的刚性较好, 内部不发生构造变形和大地震, 有的地块则刚性很差, 内部发生明显的构造变形并伴随强震发生(张培震等, 2013)。 Wang 等(2020)采用刚性和连续应变模型(式(5)), 利用中国大陆的GNSS速度场拟合了东北、 华北、 华南、 鄂尔多斯、 阿拉善、 塔里木和准噶尔地区的运动变形, 结果表明这几个地区具有刚性地块运动特征, 但地块内部的变形(10-9/a量级)也不可忽视(图 4), 而青藏高原和天山地区则具有明显的连续变形特征。

图 4 中国大陆典型活动地块运动模型(据Wang et al., 2020修改)
红色箭头、 蓝色扇形和黑色箭头对分别代表地块相对欧亚板块的平动矢量、 地块旋转率(逆时针旋转为负)和地块内部的主应变率, 蓝色粗箭头示意印度板块和青藏高原的运动方向
Fig. 4 Block-like movement within continental China(modified from Wang et al., 2020).

4.1 刚性活动地块

如式(1)所示, 块体的刚性运动可用球面上刚性块体绕欧拉极的旋转来描述。 块体内部各点的运动速度随着旋转半径长度的增加呈有规律的增加; 在以欧拉旋转极为圆心的同一大圆弧上, 各观测点的运动速率相等; 相邻刚性块体之间的相对运动和变形主要集中在块体边界带上, 块体内部不发生大规模变形(张培震等, 2005)。

夹持在构造活动十分强烈的天山和青藏高原之间的塔里木地块的构造活动性相对较弱, 有历史记载以来地块内部没有发生过强震, 也不发育晚第四纪活动断裂(Deng et al., 2003)。 GNSS拟合结果表明塔里木地块的顺时针旋转量最大((-0.630± 0.017)° /Ma), 并以13.8mm/a的速率向N运动, 属典型的刚性块体(张培震等, 2005; Wang et al., 2020)。

青藏高原北侧的阿拉善地块表现为顺时针旋转, 但旋转量仅有(-0.103± 0.023)° /Ma。 地块以4mm/a的速率向E运动, 地块内部最大和最小主应变率相近, 约2× 10-9/a(Wang et al., 2020)。 可见, 尽管阿拉善地块内部存在微弱的应变变形, 但刚性块体的运动特征仍十分显著。

鄂尔多斯地块除西南缘受到青藏高原东北部的强烈挤压作用外, 其它边缘被断陷盆地所围限且以剪切变形为特征, 控制了有历史记载以来的7次7级以上强震的发生, 表现出很强的构造活动性。 但鄂尔多斯地块内部构造的活动性微弱, 也不发育大规模的活动断层(张培震等, 2005)。 GNSS资料表明鄂尔多斯地块具有逆时针旋转的特点, 旋转量为(0.172± 0.017)° /Ma, 以5.7mm/a的速率向SEE运动, 地块内部的主应变率约1× 10-9/a(Wang et al., 2020), 说明该地块属于刚性块体。

华南和东南沿海地区在新构造运动上属于比较稳定的地块, 内部不发育明显的活动断裂和褶皱, 地震活动性与华北和西部相比相对较弱(张培震等, 2005)。 华南地块内的GNSS速度场表明该地块整体以7.5mm/a的速率向SEE运动, 逆时针旋转量非常小, 地块内部的主应变率< 1× 10-9/a(Wang et al., 2020)。

位于阿穆尔板块上的东北地块强震活动相对微弱(深震除外), 构造活动相对稳定。 地块内部近200个GNSS台站的运动速度表明该地块整体的SEE向运动速率仅约2mm/a, 逆时针旋转量(0.046± 0.006)° /Ma也很小, 地块内部变形微弱(Wang et al., 2020), 符合刚性块体的运动特征。

4.2 非刚性活动地块

青藏高原和天山地区不仅活动断裂十分发育, 且6级以上地震广泛分布, 7级以上的强震沿主要断裂带频繁发生。 Zhang 等(2004)Gan等(2007)利用青藏高原及其周边的GNSS观测资料, 发现印度和欧亚板块相对运动速率的70%~94%被青藏高原内部的构造变形所调整吸收。 高原周边以收缩应变为主, 表现为地壳缩短增厚; 内部以扩张和剪切应变为主。 Zhang 等(2013)利用GNSS资料建立了青藏高原东缘的可变形地块模型, 结果表明青藏高原地块内部的变形明显大于其周边的华南地块和阿拉善地块。 地块的内部变形和旋转量非常显著, 青藏高原内部各地块均是可变形的非刚性活动地块(Zhang et al., 2008)。

天山南、 北两侧分别被构造稳定的准噶尔和塔里木地块所夹持, 构造变形主要发生在天山山前和山体内部(Zhang, 2004)。 强震主要发生在天山两侧边界的前陆盆地的活动褶皱和逆冲断裂带上。 横跨天山的SN向GNSS剖面揭示地壳缩短是均匀的, 而不是集中在两侧的前陆冲断带或某一断层附近(张培震等, 2002)。 此外, 天山的地壳缩短由西向东逐渐衰减, 这种逐渐减小的连续变形可以用刚性的塔里木块体相对“ 软弱” 的天山发生顺时针旋转所导致的地壳缩短变化来解释(Zhang, 2004)。

华北平原活动地块从长期、 平均构造变形的角度来看不具有刚性块体的性质, 其内部发育一系列活动断裂, 并伴有大量历史强震发生(Deng et al., 2003)。 现今的GNSS资料表明华北地块整体以5.5mm/a的速率向SEE运动, 逆时针旋转量(0.086± 0.006° )/Ma和约2.7× 10-9/a的内部主应变率(Wang et al., 2020)均比其南、 北两侧的华南和东北地块高。

5 总结与展望

中国大陆晚新生代的构造变形主要表现为活动地块的运动学特征, 不同活动地块的运动方式也不相同, 地块之间相互作用的地块边界带构造变形最为强烈, 也是强震高发区(张培震等, 2003)。 近30a发展起来的GNSS观测技术, 能够在短时间内获取大范围、 高精度、 高空间分辨率的构造变形运动学图像, 为活动地块划分的应用和研究提供了重要基础数据。

(1)利用现代空间大地测量技术GNSS可监测现今地壳变形、 划分活动地块、 识别活动地块内部的变形特征。 在利用GNSS划分活动地块时, 需结合活动断裂探测、 地震台阵观测、 大地电磁测深等观测成果综合研究。 已有的研究结果表明, 中国大陆由2类活动地块所组成(张培震等, 2005, 2013; Zhang et al., 2008): 第一类是刚性变形, 即地块的内部结构完整, 不发生内部构造变形, 地震活动性也比较弱, 华南、 塔里木、 鄂尔多斯、 阿拉善和东北地块属于第一类; 第二类是非刚性变形, 即地块内部发生相对变形, 地块的完整性较差, 内部各测点之间发生相对运动, 地震活动发生在整个块体内部, 变形和运动不能用刚体运动来描述, 青藏高原、 天山和华北平原属于该类地块。

(2)如前文所述, 利用GNSS建立活动地块的非刚性连续变形模型时, 假设地块边界断裂带自由滑动, 没有考虑断层闭锁。 如果考虑断层闭锁, 块体模型可用块体欧拉旋转、 块体内部均匀应变以及块体边界由于断层闭锁产生的地表弹性变形3个分量描述(McCaffrey, 2005)。 以GNSS运动速率作为约束, 反演活动地块边界断裂的滑动亏损速率和断层面上闭锁强度的时空演化过程, 无疑可为地震危险性预测提供重要支撑。

(3)为刻画中国大陆构造变形的精细特征, 需要在地块内部和边界带上合理建立足够空间密度的GNSS观测网络。 如美国板块边界观测计划(PBO)在美国西部建立了由1 200个GNSS连续站组成的密集观测网络, 日本国土地理院在日本境内建立的GEONET网络由个1 400个GNSS连续站组成。 中国地震科学试验场、 国家重点研发计划等重大项目也已在青藏高原东南缘建立了较为密集的GNSS连续观测网络, 但在青藏高原内部, 如柴达木盆地、 羌塘地块和巴颜喀拉地块东部等仍存在监测盲区, 今后需加强形变监测网络的建设。

(4)利用空间大地测量技术丰富和完善活动地块假说, 需要充分利用其它空间大地测量技术(如InSAR观测)和常规大地测量(如精密水准观测)的成果, 实现对重点及局部加密区域的有效补充监测, 使多种监测技术达到优势互补及有效融合。

致谢 所有参加网络工程和陆态网络项目同仁的辛勤付出, 使得针对中国大陆地壳变形的精细化研究得以逐步发展和完善。 评审专家提供了建设性意见, 使文章内容得到了大幅提高。 在此一并表示感谢!本文是在大量前人研究基础上的概括和总结, 限于篇幅, 还有很多科研价值较高的相关学术文章未能参考引用, 敬请谅解。

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