基于GPS數(shù)據(jù)的川滇地區(qū)地殼水平運動研究

楊建會，聶桂根，薛長虎

(武漢大學衛(wèi)星導航定位技術研究中心，湖北 武漢430079)

一、引 言

中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網絡(crustal movement observation network of China，CMONOC)是以衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)觀測空間測量手段為主，覆蓋中國大陸的高精度、高時空分辨率和自主研發(fā)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的觀測網絡。利用覆蓋廣泛的陸態(tài)網絡跟蹤站點進行區(qū)域地殼運動的監(jiān)測是十分方便的。

川滇地區(qū)地處印度板塊向中國大陸NE方向擠壓作用的前沿地帶，該地區(qū)具有復雜的地形條件，由構造活動強烈的鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶、則木河斷裂帶、小江斷裂帶、紅河斷裂帶、金沙江斷裂帶等斷裂帶圍成(如圖1所示)，被甘青地塊、華南地塊、印支地塊所包圍。由于地處板塊交界處，川滇地區(qū)所在區(qū)域現(xiàn)今構造活動強烈，地震活動頻繁［1-2］，如四川地區(qū)發(fā)生的2008年的5·12汶川大地震和2013年的4·20蘆山地震。鑒于川滇地區(qū)的特殊構造特性，很多學者都對該區(qū)域進行過研究。陳智梁等［3］利用1991—1997年多期GPS觀測資料得出川滇地塊的速度矢量分布呈順時針渦旋趨勢;溫揚茂等［4］利用GPS資料和重力資料數(shù)據(jù)聯(lián)合反演了川滇地區(qū)的現(xiàn)今地殼形變;丁開華等［5］通過多期GPS資料得出川滇地區(qū)的各塊體用塊體運動和形變模型來描述更為合適，并給出川滇地區(qū)的地殼運動趨勢。本文利用川滇地區(qū)2011—2013年連續(xù)3年的陸態(tài)網絡基準站數(shù)據(jù)資料，對川滇地區(qū)近期地殼水平運動情況進行了分析。

圖1 川滇地區(qū)主要斷裂分布［6］

二、數(shù)據(jù)資料概況及數(shù)據(jù)處理

1．數(shù)據(jù)資料

本文數(shù)據(jù)資料采用GPS數(shù)據(jù)，包括兩部分:第一部分即四川和云南地區(qū)的陸態(tài)網絡基準站數(shù)據(jù);第二部分即中國境內及周邊的區(qū)域ITRF站數(shù)據(jù)。所使用的數(shù)據(jù)采樣率均為30 s，且數(shù)據(jù)質量較好［6］。

本文共利用川滇地區(qū)的陸態(tài)網絡基準站42個，其中四川地區(qū)17個，云南地區(qū)25個(詳情和分布見表1及圖2)。由于2013年四川地區(qū)發(fā)生了4·20蘆山地震，正好位于所研究時間區(qū)間內，因此會對四川地區(qū)的地殼運動有一定程度的影響，在選擇測站時尤其是四川地區(qū)，對受蘆山地震影響的站點進行了剔除，而且對3年同步觀測階段進行后調，選擇了蘆山地震后相對穩(wěn)定的時期。測站觀測數(shù)據(jù)包括2011—2013年間3個階段，共計45 d連續(xù)全天觀測，具體為2011—2013年年積日206—220 d。采用上述3個階段對應的中國境內及周邊的7個ITRF跟蹤站(日本鹿兒島AIRA、北京房山BJFS、俄羅斯伊爾庫茨克IRKT、烏茲別克斯坦基托布KIT3、西藏拉薩LHAZ、臺灣桃園TWTF、湖北武漢WUHN)。

表1 川滇地區(qū)陸態(tài)網絡42個基準站點名與其代碼對照

圖2 川滇地區(qū)陸態(tài)網絡基準站分布圖

2．數(shù)據(jù)解算策略

本文采用的數(shù)據(jù)處理軟件為MIT(美國麻省理工學院)開發(fā)的GAMIT/GLOBK軟件10．50最新版本，首先采用GAMIT軟件進行單日解計算，經解算剔除粗差后再利用GLOBK軟件進行整體平差和站點速率計算。

1)利用GAMIT軟件計算單日基線解，得到基線松弛解H文件，即GLOBK平差所需文件。

2)用GLOBK軟件整體平差計算川滇地區(qū)GPS網三階段觀測的坐標解和基線解，然后解算三階段觀測間的站點運動速度。其中坐標框架約束使用的是最新ITRF2008參考框架，對所選ITRF跟蹤站給予了3倍中誤差的站點坐標約束和3倍中誤差的運動速度約束。

GAMIT相關設置如下:解算處理使用IGS精密星歷;處理模式為RELAX;觀測量類型為LC_AUTCLN;歷元間隔為30 s;高度角為15°;光壓模型為BENNE;對流層折射根據(jù)標準大氣模型用Saastamoinen模型改正;慣性框架為J2000;測站約束設置ITRF站點測站南北向、東西向和高程向分別為50 mm、50 mm、50 mm，其余站點設置為20．00 m、20．00 m、20．00 m。GAMIT/GLOBK處理具體設置可以參考文獻［7—9］。

三、川滇地區(qū)地殼水平運動分析

1．川滇地區(qū)ITRF2008下的速度場結果

首先利用GLRED計算時間序列并檢查基線及坐標重復性，對存在異常的測站或基線予以剔除，然后利用GAMIT進行處理，最后用GLOBK軟件進行綜合平差計算。運用上述7個ITRF站作為框架，通過GLORG將整體解旋轉到7個ITRF跟蹤站確定的參考框架上，分兩期進行組合求解分別得到站點在ITRF2008下的2011—2012年和2012—2013年兩期水平速度，對陸態(tài)網站點的兩期水平速度分量值進行基本統(tǒng)計，見表2。

從所求得的兩期水平速度值及表2統(tǒng)計得出，川滇地區(qū)陸態(tài)網站點水平運動有如下特點:

1)一期與二期川滇地區(qū)站點的運動趨勢均為SE向，東西方向的速度值明顯大于南北方向速度值，且速度值較大，地殼水平運動趨勢明顯。

2)二期速度信息相較一期，無論是東西方向還是南北方向速度值基本呈增大趨勢，東西方向變化量總體大于南北方向變化量，最大的變化量:東西方向YNTC多達14 mm/a，南北方向YNMH多達8 mm/a。

3)整體上看，四川地區(qū)的水平速度要稍大于云南地區(qū)的水平運動速度，即四川地區(qū)地殼運動要比云南地區(qū)整體上活躍。

表2 川滇地區(qū)陸態(tài)網站點的水平速度分量統(tǒng)計 mm/a

2．川滇地區(qū)水平運動特征

(1)基于絕對速度場的地殼水平運動特征

當一個GPS測站的數(shù)據(jù)至少有2個歷元且間隔不少于0．9 a時，便可以估計速度場信息，GLOBK獲得的解算結果是測站的絕對速度，速度表示測站的平均速度，其數(shù)值等于測站位置時間序列的斜率［10］。因此表2所獲得的站點水平速度統(tǒng)計是測站基于ITRF2008參考框架的絕對速度。圖3給出了川滇地區(qū)在ITRF2008下的2011—2012年和2012—2013年兩期水平速度場。

圖3 川滇地區(qū)GPS水平速度場(ITRF2008)

從圖3兩期GPS地殼水平速度場可以得出川滇地區(qū)地殼水平運動有以下特點:

1)兩期觀測川滇地區(qū)地殼整體水平運動趨勢基本一致，均在SE方向范圍內，且有順時針旋轉傾向。

2)一期觀測的水平速度值一般在20～50 mm/a，均值為33．29 mm/a;二期觀測水平速度值在30～52 mm/a，均值為40．50 mm/a，其中只有YNXP站點速度值減小，原因有待進一步研究。川滇地區(qū)整體速度呈現(xiàn)增大趨勢，說明近3年川滇地區(qū)地殼水平運動有增強趨勢。

3)二期與一期相比，在川東北地區(qū)地殼水平運動相對穩(wěn)定，速度增量較小，SCSP、SCGY、SCBZ、SCNC、SCSN等站點以SEE向運動為主，速度平均增量為3．56 mm/a，站點間運動速度差異不顯著;而在滇西南地區(qū)速度增量最大，YNTC、YNSD、YNRL、YNGM、YNLA、YNMH等站點以SE向運動為主，速度平均增量達11．51 mm/a，增幅達46．3%;其他地區(qū)的水平速度增量則在6～8 mm/a。

4)水平運動速度在南北方向上，由北向南逐漸減小，在東西方向上，川滇北部地區(qū)由西向東呈現(xiàn)減小趨勢，而在滇西南地區(qū)則呈現(xiàn)出由西向東的增大趨勢;值得注意的是在紅河斷裂帶、安寧河斷裂帶、則木河斷裂帶及小江斷裂帶等兩側均出現(xiàn)不同程度的速度值衰減現(xiàn)象，這與喬學軍等［11］早期的結論仍保持一致。以安寧河斷裂帶為例，西東兩側分取SCMN、SCML、SCYY三站和SCSM、SCYX、SCXD三站進行分析，一期與二期觀測的速度衰減值分別為5．21 mm/a和6．49 mm/a，衰減幅度分別為12．5%和13．1%。

5)四川和云南地區(qū)地殼水平運動方向存在差異，四川地區(qū)由北向南由SEE向轉變?yōu)镾E向;而在云南滇西地區(qū)整體為SE向，進入則木河斷裂帶和小江斷裂帶后有朝SEE向轉變的趨勢，一期與二期觀測均有此現(xiàn)象發(fā)生。結合特點3)與4)可得斷裂帶的存在對地殼運動速度和方向均產生了一定程度的影響。

(2)基于相對速度場的地殼水平相對運動特征

在研究區(qū)域地殼運動時采用全球框架得出的地殼運動速度場是絕對速度場，包含有該區(qū)域的整體運動狀況。在區(qū)域地殼形變運動研究中還可采用適應區(qū)域地殼運動的基準方法。常用方法有:單點基準、重心基準、相對穩(wěn)定點基準和相對板塊運動模型基準等［12］，用于凸顯相對運動特征。下面采用單點基準來研究川滇地區(qū)的相對運動。

首先選取了川滇地區(qū)以外位于青藏高原上的LHAZ站為參照點，兩期相對速度場如圖4所示，根據(jù)統(tǒng)計川滇地區(qū)相對于LHAZ的水平運動相對速度值一期在23．35～41．30 mm/a，平均值為30．45 mm/a;二期在24．53～40．17 mm/a，平均值為33．97 mm/a。另外兩期相對速度分量值整體上南北方向均要比東西方向上要大。

圖4 川滇地區(qū)相對于LHAZ的水平速度場

從圖4可以看出，川滇地區(qū)相對于LHAZ整體上呈現(xiàn)出明顯的SW向運動，順時針旋轉向印支板塊，相對速度值逐漸變大;二期相較一期川北地區(qū)的相對運動方向有所變化，一期自西向東由S向轉變?yōu)镾SW向，而二期觀測自西向東由SSW向轉變?yōu)镾W向。而云南的整體運動趨勢兩期觀測基本一致。另外選取了位于四川區(qū)域的SCSM和云南區(qū)域的YNYM為參照點(此兩站點兩期速度增量分別為5．11 mm/a和7．51 mm/a)，得到了川滇地區(qū)內部區(qū)域的相對速度場(由于兩期觀測運動趨勢相近，此處以二期觀測進行分析)，如圖5所示。

圖5 川滇地區(qū)相對內部的水平速度場(2012—2013)

圖5(a)是選取了四川地區(qū)的SCSM站點，根據(jù)統(tǒng)計相對速度值在2．02～15．43 mm/a，平均值為7．06 mm/a;從圖5(a)中可以看出沿川北地區(qū)龍門山斷裂帶兩側的區(qū)域有向該斷裂帶收斂的趨勢。川滇地區(qū)中部沿著安寧河—則木河—小江斷裂帶的區(qū)域呈現(xiàn)NW和NNW向運動，相對速度值漸增。而在滇西南大部分區(qū)域，呈現(xiàn)出由SE-SSE-S-SSW-SWW的順時針旋轉向變化，相對速度值也呈變大趨勢，即相對運動強度增大。圖5(b)是選取了云南地區(qū)的YNYM站點，根據(jù)統(tǒng)計相對速度值在1．19～18．60 mm/a，平均值7．41 mm/a。相較圖5(a)，川北地區(qū)仍然是向龍門山斷裂帶收斂的趨勢。但是在云南地區(qū)，運動趨勢較為多樣，先是安寧河—則木河—小江斷裂帶一線，西側由SEE-E-NEE-NE向轉變，東側基本呈現(xiàn)NEE趨勢。而在滇西南區(qū)域由南向北則是呈現(xiàn)W-NWW-NW的運動方向轉變，且相對速度值逐漸增大。相對于區(qū)域內部站點SCSM和YNYM，川滇地區(qū)不同區(qū)域呈現(xiàn)出相異的運動趨勢。

四、結 論

通過對覆蓋川滇地區(qū)2011—2013年連續(xù)3年共計45 d的陸態(tài)網絡基準站數(shù)據(jù)進行處理，分析川滇地區(qū)的地殼水平運動，總結可得以下結論:

1)絕對速度場條件下，川滇地區(qū)整體朝SE向運動，且有順時針旋轉傾向，川滇地區(qū)地殼的水平運動較為明顯，兩期觀測的水平運動平均值分別為33．29 mm/a和40．50 mm/a，近3年地殼運動強度整體上呈現(xiàn)增大趨勢，其中川北地區(qū)相對較小，滇西南地區(qū)變化較大。水平運動強度由北向南，由東向西整體上逐漸減小。川滇地區(qū)各條斷裂帶的存在也在一定程度上影響了附近區(qū)域地殼水平運動的強度與趨勢。

2)相對速度場條件下，采用單點基準，分別參照了川滇地區(qū)外的青藏高原地區(qū)的LHAZ站和區(qū)域內位于四川的SCSM站及云南的YNYM站。相對于LHAZ站，川滇地區(qū)呈現(xiàn)出了較為顯著的圍繞LHAZ站順時針轉向運動趨勢，整體上是SW向，且運動強度不斷增大?；趦炔康膮⒖键cSCSM站和YNYM站，得到了川滇地區(qū)相對內部不同區(qū)域的運動情形。川北地區(qū)的運動趨勢總體一致，即向龍門山斷裂帶收斂。而在滇西南地區(qū)及安寧河—則木河—小江斷裂帶一線則呈現(xiàn)出不同的運動趨勢。

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