郭東美，許厚澤

1中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所，武漢 430077

2大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430077

1 引 言

活動(dòng)構(gòu)造塊體分區(qū)是地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及地震活動(dòng)性研究的重要基礎(chǔ)，受到廣泛的關(guān)注［1］.自20世紀(jì)60年代板塊構(gòu)造理論提出以來(lái)，許多研究者致力于板塊、尤其是板內(nèi)塊體及構(gòu)造亞板塊的劃分，而東北亞地區(qū)一直是大家普遍關(guān)注的熱點(diǎn)地區(qū)之一［2］.

根據(jù)地震活動(dòng)性及地表構(gòu)造特征，Zonenshain和Savostin［3］提出在歐亞板塊內(nèi)部的東北亞地區(qū)存在一個(gè)活躍的構(gòu)造塊體—Amurian板塊，其西部和北部邊界分別為貝加爾裂谷和斯坦諾夫山地，向東沿日本島以西一系列的正斷層南下，在日本本州中部與沖繩海槽相連，而后向西經(jīng)朝鮮半島南端由渤海進(jìn)入中國(guó)，經(jīng)山西地塹北部、鄂爾多斯北端向西北與貝加爾裂谷相接，形成一個(gè)覆蓋中國(guó)東北及華北部分地區(qū)、朝鮮半島、日本西南部、俄羅斯東南部及蒙古西部的巨大構(gòu)造單元［4］（圖1）.Amurian板塊的提出受到地學(xué)界的廣泛重視.它到底是歐亞大陸的一部分，還是獨(dú)立于歐亞大陸之外的一個(gè)獨(dú)立次級(jí)構(gòu)造塊體？這個(gè)問題一直是東亞，乃至歐亞大陸構(gòu)造動(dòng)力學(xué)研究的核心問題之一［5－8］.許多學(xué)者［9－12］從地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)的角度研究了Amurian板塊存在的可能性.但是，復(fù)雜的構(gòu)造特征和稀少且彌散的地震活動(dòng)性分布使Amurian板塊的問題充滿了爭(zhēng)議.

圖1 相對(duì)歐亞速度場(chǎng)、Amurian邊界、板塊分區(qū)Fig.1 Velocity relative to EURA、the boundary of Amurian、subarea

大地測(cè)量學(xué)為構(gòu)造塊體分區(qū)提供了一類獨(dú)立的觀測(cè)和研究手段.一個(gè)直觀設(shè)想是，如果足夠精細(xì)地確定了地殼塊體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并從中甄別出一個(gè)區(qū)域，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與周邊區(qū)域存在明顯差異，而其內(nèi)部幾乎不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)大陸內(nèi)部地殼運(yùn)動(dòng)的分塊特征，那么就可以基本斷定這是一個(gè)獨(dú)立的構(gòu)造塊體，并依據(jù)運(yùn)動(dòng)的差異性圈定這個(gè)塊體與周邊塊體的邊界.而現(xiàn)代空間大地測(cè)量技術(shù)的發(fā)展使這一設(shè)想的實(shí)現(xiàn)成為可能.

隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）觀測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，GPS觀測(cè)結(jié)果提供高精度、大范圍和準(zhǔn)實(shí)時(shí)的地殼運(yùn)動(dòng)定量數(shù)據(jù)，使得在短時(shí)間內(nèi)獲取大范圍地殼運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)成為可能.因此，本文從地殼運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度，用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法對(duì)該問題進(jìn)行深入的研究［13］.

Miyazaki等［5］利用日本和韓國(guó)的GPS觀測(cè)結(jié)果及貝加爾裂谷和斯坦諾夫山地的地震滑移矢量證實(shí)了Amurian板塊的存在，他們的結(jié)果表明Amurian板塊與歐亞板塊間存在幾個(gè)毫米的運(yùn)動(dòng).Takahashi等［7］的新的GPS解算結(jié)果支持了Miyazaki得到的Amurian板塊和歐亞板塊間的相互運(yùn)動(dòng)，比魏東平等［14］的結(jié)果大5倍.

關(guān)于Amurian板塊運(yùn)動(dòng)最新的GPS觀測(cè)結(jié)果來(lái)自Heki等［8］的研究.1999年，Heki等利用日本、中國(guó)和韓國(guó)等國(guó)家15個(gè)IGS站1年以上的GPS連續(xù)觀測(cè)資料研究了Amurian板塊的運(yùn)動(dòng)學(xué)問題.他們的結(jié)果顯示，所設(shè)想的Amurian板塊相對(duì)穩(wěn)定的歐亞大陸參考架存在約9～10mm/a的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而板塊內(nèi)部各點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不超過(guò)1mm/a.因此，他們認(rèn)為，大地測(cè)量資料證實(shí)了Amurian板塊的存在，并且他們樂觀地表示，Amurian板塊的存在及其運(yùn)動(dòng)參數(shù)的確定為研究日本西南部的地震活動(dòng)性鋪平了道路.但是，Heki等也意識(shí)到，一些地區(qū)資料的缺乏在一定程度影響了其結(jié)果的確定性.

本文基于統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)方法，利用大地測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)Amurian板塊是否存在、其覆蓋范圍以及其爭(zhēng)議性的南部邊界的精確位置進(jìn)行研究，以期為目前正處在熱點(diǎn)之中的東北亞地殼運(yùn)動(dòng)研究起到一定作用.

2 東北亞地區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)

中日韓國(guó)際合作項(xiàng)目處理收集了包括中國(guó)、日本、韓國(guó)、俄羅斯、蒙古等國(guó)的東北亞地區(qū)77個(gè)GPS臺(tái)站2000年至2005年6年的觀測(cè)資料，采用GAMIT/GLOBK軟件進(jìn)行統(tǒng)一處理，得到該區(qū)77個(gè)GPS站點(diǎn)的位移速度值.作為補(bǔ)充，我們還收集了研究區(qū)鄰區(qū)已發(fā)表的速度場(chǎng)結(jié)果［15－18］，采用速度場(chǎng)融合方法［18－19］，將測(cè)站坐標(biāo)和位移速率與ITRF2000框架差異最小化作為約束條件，通過(guò)估計(jì)平移、旋轉(zhuǎn)和尺度比七參數(shù)轉(zhuǎn)換，把速度場(chǎng)歸算到ITRF2000參考框架，得到統(tǒng)一、自洽的速度場(chǎng).

為了獲得相對(duì)歐亞大陸的速度場(chǎng)，我們首先需要選取穩(wěn)定的觀測(cè)站定義歐亞板塊的參考框架.通常，選取穩(wěn)定 觀 測(cè) 站 的 原 則［1－11，20－25］有 兩 個(gè)，首 先 根據(jù)先驗(yàn)的信息選取位于構(gòu)造活動(dòng)性弱、地殼變形小的地區(qū)觀測(cè)連續(xù)的測(cè)站；然后根據(jù)后驗(yàn)的擬合殘差排除那些殘差大的測(cè)站.本文采用加權(quán)最小二乘方法計(jì)算歐亞板塊相對(duì)ITRF2000的歐拉矢量，以降低誤差較大的測(cè)站位移速率對(duì)計(jì)算精度的影響，同時(shí)采用迭代的方法排除那些擬合殘差大的測(cè)站，直到所有測(cè)站的后驗(yàn)殘差都在1mm/a之內(nèi)［9］.由于采用不同的測(cè)站，定義的參考框架也不盡相同，本文采用多組測(cè)站定義相對(duì)歐亞大陸的參考框架（表1）.鑒于測(cè)站遠(yuǎn)離變形區(qū)及后驗(yàn)殘差較小這兩條原則，最終我們采用全球框架方案①15個(gè)測(cè)站（圖2）的運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)，計(jì)算得到歐亞板塊相對(duì)ITRF2000框架運(yùn)動(dòng)的歐拉極位于－105.1255°E、54.1435°N，歐拉旋轉(zhuǎn)量為0.2483°/Ma（逆時(shí)針方向）.利用此歐拉矢量將ITRF2000下的速度場(chǎng)轉(zhuǎn)到歐亞板塊參考架下（圖1），并基于此進(jìn)行東北亞地區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)學(xué)和構(gòu)造塊體分區(qū)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)分析.

圖2 定義框架所用測(cè)站示意圖（五角星號(hào)為歐拉極的位置）Fig.2 The stations used for defining the reference frame（asterisk is Euler polar）

3 構(gòu)造塊體獨(dú)立性的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

3.1 檢驗(yàn)方案

根據(jù)如下的思路進(jìn)行構(gòu)造快體分區(qū)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn).

表1 采用多組測(cè)站定義歐亞大陸參考框架Table 1 The stations used for defining the reference frame of Eurasia

首先，選取沒有爭(zhēng)議的屬于Amurian板塊內(nèi)部站點(diǎn)，檢驗(yàn)其與歐亞大陸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以澄清Amurian板塊是否是獨(dú)立于歐亞大陸之外的獨(dú)立的構(gòu)造塊體.

一般認(rèn)為，貝加爾裂谷以東的蒙古東部以及中國(guó)大陸東北地區(qū)屬于Amurian板塊，這一點(diǎn)在各種塊體劃分模型［3－4］中幾乎不存在爭(zhēng)議，因此，我們暫且認(rèn)為蒙古東部以及中國(guó)大陸東北地區(qū)是Amurian板塊的核心部分，這構(gòu)成了本文統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的出發(fā)點(diǎn).我們選取蒙古東部以及中國(guó)大陸東北地區(qū)GPS站點(diǎn)確定Amurian板塊的歐拉運(yùn)動(dòng)矢量，并檢驗(yàn)其與歐亞大陸的差異運(yùn)動(dòng).

其次，我們檢驗(yàn)Amurian板塊核心部分與周邊塊體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和塊體間的相對(duì)獨(dú)立性，以確定Amurian板塊的覆蓋范圍.如果某一塊體與Amurian板塊核心部分無(wú)明顯差異運(yùn)動(dòng)，我們就可認(rèn)為它是Amurian的一部分.反之，則為獨(dú)立于Amurian板塊之外獨(dú)立塊體.事實(shí)上，這也是確定Amurian板塊的大致邊界.依據(jù)地質(zhì)學(xué)研究結(jié)果，將周邊塊體劃分為蒙古西部、韓國(guó)、中國(guó)華北、中國(guó)華南、日本西南部等五個(gè)塊體［26－28］（圖1）.

最后，由于Amurian板塊一個(gè)主要的爭(zhēng)議來(lái)自其南部邊界的確定，所以，本文嘗試用統(tǒng)計(jì)方法較精細(xì)地確定Amurian板塊的南部邊界.

由于部分塊體（如華北）上站點(diǎn)較多，先對(duì)塊體內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行篩選，盡量考慮地理分布均勻、觀測(cè)質(zhì)量高、速度誤差小的站點(diǎn).最終，選取59個(gè)站點(diǎn)速度用于本文的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)分析（表2）.

表2 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)所用到的點(diǎn)Table 2 The stations used for statistic test

3.2 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型

統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，又稱假設(shè)檢驗(yàn)或顯著性檢驗(yàn)，是數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)中推斷統(tǒng)計(jì)的重要內(nèi)容，也是地殼運(yùn)動(dòng)學(xué)和構(gòu)造塊體分區(qū)研究經(jīng)常使用的工具和手段［29－31］.本文所研究板塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)問題是以速度殘差（residual）為基礎(chǔ).即

F檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型為

采用95%的置信區(qū)間，查分布表得到臨界值，若其計(jì)算值大于臨界值，認(rèn)為兩板塊之間存在顯著的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；否則，認(rèn)為兩板塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)不顯著.

對(duì)于多板塊系統(tǒng)檢驗(yàn)，先假設(shè)所檢驗(yàn)區(qū)域?qū)儆谕话鍓K，然后將各細(xì)部塊體作為獨(dú)立塊體依次分出，每步求AIC值.根據(jù)AIC最小值對(duì)應(yīng)的塊體分化情況可確定Amurian板塊的范圍.AIC準(zhǔn)則數(shù)學(xué)模型如下：

4 結(jié)果和分析

4.1 Amurian板塊相對(duì)獨(dú)立性的顯著性檢驗(yàn)

在此前提下，利用上文介紹的幾種統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)研究Amurian板塊與其周圍活動(dòng)塊體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況.分別用相鄰板塊檢驗(yàn)和多板塊檢驗(yàn)兩種方法檢驗(yàn).相鄰板塊檢驗(yàn)中采用2檢驗(yàn)和F檢驗(yàn)，多板塊檢驗(yàn)采用AIC準(zhǔn)則.

4.2 Amurian板塊和相鄰板塊的差異運(yùn)動(dòng)

表3 2檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 The results of 2－test

表3 2檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 The results of 2－test

表4 F檢驗(yàn)結(jié)果Table 4 The results of F－test

4.3 塊體相對(duì)獨(dú)立性的多板塊系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

研究Amurian是否存在，除用上面介紹的相鄰板塊之間兩兩檢驗(yàn)，也可做多板塊統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn).首先假定這6個(gè)地塊屬于同一塊體，求AIC值；然后把華南塊體分離出來(lái)，求AIC值；接著依次把華北、日本西南部、蒙古西部、韓國(guó)分離出來(lái)，分別求AIC值.統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖3.從圖3結(jié)果可以看出，五個(gè)板塊時(shí)，即韓國(guó)與Amurian板塊屬于同一塊體時(shí)，AIC值最小.因此多板塊檢驗(yàn)的結(jié)果也表明Amurian板塊包括韓國(guó)在內(nèi).

圖3 多板塊檢驗(yàn)結(jié)果Fig.3 The resultes of multi－plates test

4.4 Amurian板塊南部邊界的確定

盡管在貝加爾湖和外興安嶺地區(qū)地震條帶比較明顯，具備板塊邊界特征，但是Amurian板塊的西、南部邊界卻不易確定.Zonenshain和Savostion［3］最早對(duì)西、南部邊界的確定設(shè)定為：穿過(guò)渤海，經(jīng)過(guò)山西地塹北部和鄂爾多斯北端，再通過(guò)蒙古東部Bogdo斷層的東端與貝加爾裂谷相連.魏東平和Seno［14］延續(xù)了Zonenshain和Savostion的劃分，而Heki等［8］認(rèn)為其南部邊界可能向南達(dá)到處于左旋活動(dòng)狀態(tài)的EW走向的秦嶺斷層，其它研究大多回避了如何劃分西南段.最近，利用GPS對(duì)南部邊界的研究也有一些成果，Calais等［10］根據(jù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的方法認(rèn)為南中國(guó)塊體和Amurian板塊應(yīng)為同一個(gè)構(gòu)造單元；中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)最新的觀測(cè)結(jié)果顯示出可能為華南和華北塊體相對(duì)于歐亞板塊具有整體向SEE方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的剛體運(yùn)動(dòng)［34］，再次對(duì)Amurian板塊南部邊界提出了質(zhì)疑.鑒于目前根據(jù)地震活動(dòng)性及地質(zhì)學(xué)證據(jù)無(wú)法給出其明確的南部邊界，本文從統(tǒng)計(jì)方法出發(fā)，用2最小法確定Amurian的南部邊界的位置.

為了確定Amurian南部與華北的邊界，我們選取110°E—135°E 、36°N—50°N范圍內(nèi)的一組數(shù)據(jù).每隔15′劃一條邊界，求2值，見圖4.結(jié)果表明在41.5°N附近的2值最小，故我們可以認(rèn)為Amurian板塊與華北板塊的邊界在此位置附近.

圖4 南部邊界位于不同緯度時(shí)的2值Fig.4 The 2 values when the boundary locates at different latitudes

5 結(jié) 論

本文利用東北亞地區(qū)GPS觀測(cè)得到的現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)結(jié)果，采用統(tǒng)計(jì)分析方法，研究了東北亞地區(qū)Amurian板塊相對(duì)與歐亞大陸?yīng)毩⑿詥栴}，以及Amurian板塊的范圍和邊界問題，通過(guò)數(shù)值結(jié)果，我們得到如下結(jié)論：

（1）在95%置信度下，Amurian板塊與歐亞大陸存在顯著的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這表明Amurian板塊獨(dú)立于歐亞大陸存在，其運(yùn)動(dòng)可由L＝－105.1255°N、B＝54.1435°E，歐拉旋轉(zhuǎn)量為0.2483°/Ma（逆時(shí)針方向）的歐拉矢量描述；

（2）Amurian板塊涵蓋蒙古東部、中國(guó)大陸的東北地區(qū)、韓國(guó)（朝鮮半島）等構(gòu)造塊體，其北邊界為斯坦諾夫山地、西北邊界為貝加爾裂谷，西邊界為自貝加爾裂谷南端向南經(jīng)Hangay高原的現(xiàn)今活動(dòng)構(gòu)造帶、南邊界為大約位于41.5°N的陰山、燕山構(gòu)造帶，東邊界則為沿日本島以西的一系列地塹；

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