李萬能，金平偉，向家平，張自軍，李嵐斌

（珠江水利委員會珠江流域水土保持監(jiān)測中心站，廣東 廣州510611）

0 引 言

中國大陸位于歐亞板塊塊體上，被夾持在印度板塊、菲律賓板塊、太平洋板塊以及西伯利亞－蒙古板塊之間，是亞洲東部新構(gòu)造變形極其強(qiáng)烈的區(qū)域，特別是南部地震帶以西的青藏高原和西北地區(qū)的構(gòu)造活動更為強(qiáng)烈、復(fù)雜［1］。關(guān)于中國大陸板塊體構(gòu)造及其運動已有很多研究，文獻(xiàn)［2］與文獻(xiàn)［3］給出了中國及鄰區(qū)活動板塊、亞板塊與塊體劃分和板內(nèi)塊體的現(xiàn)今運動圖像。

對于中國大陸周邊板塊的作用已有大量的研究，但絕大部分都是定性描述，GPS技術(shù)的應(yīng)用為有效解決這個問題奠定了基礎(chǔ)［4］。我國開展GPS空間大地測量已有20多年，結(jié)合全球?qū)W者對青藏高原地區(qū)20年的研究成果，可利用數(shù)據(jù)融合得到統(tǒng)一ITRF2005下的GPS的速度場，通過得到的速度場結(jié)果探討中國大陸各個塊體間的相對運動趨勢。

1 剛性板塊運動的基本理論

如果將板塊當(dāng)作剛性體，則板塊運動歐拉矢量w與測站地心速度V之間有

式中r是測站地心位置矢量。

因板塊運動主要反映在水平站速度之中，目前VLBI、SLR、GPS三種技術(shù)確定垂直站速度還不夠精確［5］，直接采用地心站速度V可能會使板塊運動參數(shù)估計受到垂向站速度誤差的影響。實際應(yīng)用中，常把測站地心速度轉(zhuǎn)換為站心速度，并采用水平分量（東向速度Ve和北向速度Vn）求解板塊歐拉矢量w.

由于板塊運動主要沿水平方向，而ITRF2005速度場是地心直角坐標(biāo)速度，通過式（2）轉(zhuǎn)換為地面坐標(biāo)，并將水平速度分離出來。

式中：λ和φ分別是測站的經(jīng)度和緯度；r為每個點對應(yīng)的矢徑；［VnVe］為測站站心速度；［VxVyVz］為測站地心速度。

式中：［X，Y，Z］為站點站心三維坐標(biāo)；［wx，wy，wz］為角速度分量。

需要注意的是，由于測站高程變化對Ve、Vn影響很小，故許多文獻(xiàn)將式（3）近似表示為

如果已知一定數(shù)量的點的位置坐標(biāo)及其速度，可以按照式（4）求出歐拉矢量的分量wx，wy，wz，其歐拉矢量表示的球面坐標(biāo)為（Ω，λ，φ）。

其中：

按誤差傳播率可得（Ω，λ，φ）的中誤差

式中 ［σΩσλσφ］為球面坐標(biāo)誤差分量。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 GPS數(shù)據(jù)融合

對速度場進(jìn)行融合，必須將不同參考框架下的速度轉(zhuǎn)到同一參考框架下。選用ITRF2005作為統(tǒng)一參考框架，經(jīng)速度場數(shù)據(jù)融合，得到統(tǒng)一框架下的全球地殼運動水平速度場。具體分為三個步驟：①空間坐標(biāo)框架轉(zhuǎn)到ITRF2005參考框架；②區(qū)域參考框架轉(zhuǎn)到ITRF2005參考框架；③用多組數(shù)據(jù)公共點融合速度場［6］。

1）空間坐標(biāo)框架轉(zhuǎn)到ITRF2005參考框架

國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織（IERS）給出了多數(shù)ITRF參考框架之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，利用這些轉(zhuǎn)換參數(shù)可將相對某框架的速度轉(zhuǎn)到目標(biāo)框架下。但大多數(shù)情況下，參考框架間的轉(zhuǎn)換參數(shù)是未知的，需要知道它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，通過對應(yīng)的IGS站的數(shù)據(jù)求轉(zhuǎn)換參數(shù)，通常采用七參數(shù)的布爾沙（Bursa）模型。

2）區(qū)域參考框架轉(zhuǎn)到ITRF2005參考框架

目前，研究地殼運動的速度場框架既有全球框架，如ITRF、WGS84等，也有區(qū)域參考框架，如相對歐亞參考框架、相對北美參考框架等。在研究區(qū)域問題時，區(qū)域框架比全球框架更能直觀地反映地殼的運動情況。全球參考框架和區(qū)域參考框架都可用七參數(shù)轉(zhuǎn)換方法轉(zhuǎn)到統(tǒng)一的參考框架系統(tǒng)。

3）用多組數(shù)據(jù)的公共點進(jìn)行速度場融合

經(jīng)過以上兩步處理，利用各組數(shù)據(jù)中的公共點，由最小二乘法求解出參考框架之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，從而把不同框架下的速度轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的ITRF2005參考框架下。多期觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一參考框架下后，數(shù)據(jù)可能存在重復(fù)與誤差比較大的點。為了得到統(tǒng)一、自洽的速度場，還需進(jìn)行數(shù)據(jù)融合工作。對于重復(fù)的測站，用加權(quán)平均方法得到最后的速度；對于后者，一般用2倍中誤差進(jìn)行篩選后刪除［7］。

2.2 基于ITRF2005中國大陸水平運動場結(jié)果

選取從1990－2009年間研究中國大陸板塊的速度場結(jié)果，通過數(shù)據(jù)融合得到中國大陸的水平運動速度場的結(jié)果，如圖1所示。

從圖中可以明顯看出中國大陸整體運動基本特征，在全球ITRF2005框架下，中國大陸存在明顯的向東運動。向東運動速率各個地塊有所不同。其中，青藏地區(qū)東南和南北地震帶的中南部最大，最大可以達(dá)到91.3mm／a，最小31.6mm／a，一般為40～60mm／a.其次為東南地區(qū)，最大可以達(dá)到65mm／a，最小為24.6mm／a，一般為30～40mm／a.最小的為東北地區(qū)，最大可以達(dá)到30.9mm／a，最小為18.2mm／a，平均大概在20～30mm／a.這個結(jié)果與李延興結(jié)果從整體上有很好的一致性［8］，只是數(shù)值略大一些。

2.3 最新ITRF2005基準(zhǔn)下的中國大陸板塊趨勢結(jié)果

對中國大陸進(jìn)行板塊劃分的結(jié)果比較多［1，8－11］，采用石耀 霖結(jié)論 將中國 大 陸 劃 分為9個塊體，分別為東北塊體（DB）、華北塊體（HB）、華南塊體（HN）、鄂爾多斯塊體（EED）、川滇塊體（CD）、準(zhǔn)格爾－阿拉善塊體（ZGE）、柴達(dá)木塊體（CDM）、西藏塊體（XZ）與塔里木塊體（CLM）。

采用金雙根對各個GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行臺站剛體檢驗［12］，通過得到的GPS的數(shù)據(jù)利用式（1）～式（5）計算以上9個塊體的歐拉極位置以及轉(zhuǎn)動角速度，如表1所示。

表1 中國大陸9個塊體的絕對歐拉矢量（相對于ITRF2005）

圖1 1990－2009年基于ITRF2005框架下中國大陸GPS水平速度場

從表中可以看出，不同塊體轉(zhuǎn)動的角速度大小差異比較明顯，歐拉極的位置差異也比較明顯。一般來說，西部地區(qū)最大，其次為東南地區(qū)，最小的為東北地區(qū)。文中結(jié)果與張強(qiáng)得到的華南塊體、塔里木塊體結(jié)果基本上一致［13］，與華北塊體、川滇塊體、西藏塊體存在一定差異。本文結(jié)果與石耀霖結(jié)果存在明顯的差別［1］，主要原因有幾條：

1）收集的GPS數(shù)據(jù)量不同；

2）收集數(shù)據(jù)具有平均性；

3）臺站選取方法不同。

基于以上原因，導(dǎo)致結(jié)果存在一定差異性，然而文中通過多組數(shù)據(jù)計算得出的歐拉矢量具有一定的可靠性。由于目前GPS數(shù)據(jù)的收集以及測站的增加，對于各個板塊的趨勢精度具有很大的提高。

3 結(jié) 論

確定的中國地殼各個構(gòu)造塊體的歐拉矢量與丁國瑜建立的中國各個構(gòu)造板塊運動的地質(zhì)學(xué)模型呈現(xiàn)較好的一致性［2］，驗證了丁國瑜所建立的地質(zhì)學(xué)模型的可靠性和合理性。得出各個塊體的運動速率明顯大于丁國瑜的地質(zhì)模型的值，對于其產(chǎn)生原因是一個值得進(jìn)一步研究的重要課題。

通過多年的GPS成果分析中國各個構(gòu)造塊體的運動趨勢，是目前地學(xué)研究中一個比較新的領(lǐng)域，結(jié)合目前大地測量中的數(shù)據(jù)融合技術(shù)方法，分析中國大陸的1990－2009年間平均的趨勢，其結(jié)果具有明顯的平均效果，雖然結(jié)果與多位學(xué)者結(jié)果存在一定差距，但是整體趨勢具有一致性。

［1］ 石耀霖，朱守彪.利用GPS觀測資料劃分現(xiàn)今活動塊體的方法［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2004，24（2）：1－5.

［2］ 丁國瑜.中國巖石圈動力學(xué)概論［M］.北京：地震出版社，1991.

［3］ 馬杏垣，丁國瑜.中國巖石圈動力學(xué)地圖集［M］.北京：中國地震出版社，1979.

［4］ 楊國華，江在森，武艷強(qiáng)，等.中國大陸整體無凈旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)及其應(yīng)用［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2005，25（4）：6－10.

［5］ PETER B.An updated digital model of plate boundaries［J］.Geochem.Geophys.Geosysr，2003，4（3）：1027－1030.

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［13］ 張 強(qiáng)，朱文耀.中國地殼各構(gòu)造塊體運動模型的初建［C］∥2000年中國博士后學(xué)術(shù)大會論文集，2000：223－227.