中国大陆应变应力场研究

郭良迁，周海涛，杜雪松，塔拉

（中国地震局第一监测中心，天津 300180）

中国大陆应变应力场研究

郭良迁，周海涛，杜雪松，塔拉

（中国地震局第一监测中心，天津 300180）

根据1999～2009年网络工程GPS观测资料计算得到的应变率参数，研究了中国大陆地壳的应变应力场及其地壳现今的水平活动特征。结果表明，中国大陆地壳西部青藏亚板块的压应力主方向围绕藏南和阿萨姆构造结向北、东、南依次辐射撒开。新疆亚板块自西向东由近SN向变为NE向。中国大陆东部地壳的压应力主方向自北向南由NEE变为近EW向，再变为SEE向。中国大陆主压应力作用强度西部显著大于东部。中国大陆地壳西部强于东部，南部强于北部，现今西部地壳以挤压、走滑为主，东部地壳既有挤压、走滑，也有拉张。

应变应力场；主应变率；最大剪应变率；地壳活动性

0 引言

研究表明地壳中上部应力场以水平应力作用为主导[1～3]。全球定位系统引入地形变观测，为研究地壳的水平应变应力场变化，提供了有利条件。根据2007年及其以前的GPS观测资料计算研究中国大陆应变场，已经做过这方面的工作，给出了中国大陆地壳的应变应力状态[4～8]。本文增加了2009年新观测资料，计算1999～2009年最近10年来的地壳应变率，研究中国大陆的应变应力特征，分析地壳在现今应力场作用下的活动特征和地壳的现今水平应变应力场对工程建设和地震预测等有重要的意义。

计算时将GPS站点速度进行插值，使其均匀分布。然后把每个点与相邻近的点组成一组 （每组点范围：2°×2°，每组步长为1°），计算应变率参数。这样解算得到的中国大陆应变率是一种连续的应变场 （与以块体为单位的应变率相区别）。在此基础上，对应变应力场进行研究。

1 主压应变轴

在均质椭球体的应变应力分析中，最大主应变轴 （一般为张性）和最大主应力轴 （T轴）对应一致，最小主应变轴 （一般为压性）和最小主应力轴 （P轴）对应一致。它们在椭球体中的位置、方向分别对应一致[9、10]。应变和应力大小分别成正比。从GPS站点速度获得地壳的应变应力信息是较为方便的方法。每点的主应变轴代表了局部主应力作用的方向，应变率大小代表了应力作用的强弱。

图1～图6是由网络工程自1999年运行以来到2009年的多期复测资料计算的应变率结果，它代表了1999～2009年中国大陆10年来的应变状态。

图1表示中国大陆地壳最小主应变轴的方向，图2是分地块以每10°为单位对最小主应变轴方向的统计结果，二者结合，给出中国大陆地壳的压应力作用主方向的变化。在青藏亚板块的西部95°E以西地区，主压应力轴呈NNE～SSW向，集中分布区间是NE10°～20°，数量占53%，优势方向为NE20°，压应力主方向比较集中统一。在95°E以东到龙门山构造带，南起阿萨姆构造结-康定一线，北到祁连山-六盘山的广大地区压应力主方向为NE-SW向，集中于NE50°～60°区间，数量占39%，优势方向为NE50°。该区压应力主方向也相对集中。

在阿萨姆构造结-康定一线以南的川滇地区压应力作用优势方向有3个：NW300°、NW340°和SN向。三个方向数量共占45%。对照图1，SN方向的压应力轴主要分布在滇西南地区，NW340°方向的主压应力轴分布在川滇交界地区，NW300°的主压应力轴分布在川南地区。压应力轴的多个优势方向出现于不同的区域。

上述表明，青藏亚板块由西到东、到东南部，压应力主方向为 NNE→NE→EW→SE→SN向，逐步偏转，围绕藏南和阿萨姆构造结向北、东、南辐射撒开 （图1）。

新疆亚板块的塔里木、天山和准噶尔地区的压应力主方向总体为NNE-SSW向，集中区间为NE0°～50°，数量占65%，优势方向为NE20°。压应力主方向区间相对宽泛，局部变化明显。在西昆仑、西天山主压应力轴为近SN向，塔里木、东天山和准噶尔东部为NNENE向。

图1 主压应变轴 （P）Fig.1 The primary compressive strain axis(P)

阿拉善地区的主压应变轴方向为NNE-SSW向，优势方向为NE30°和NE40°，数量分别占26%。

上述表明，新疆亚板块的主压应力轴也是由西向东偏转。从0°变到50°。

华南亚板块的压应力主方向为NWW-SEE向，主要集中于NE80°～120°区间，数量占50%。优势方向有两个：NE80°和SE110°。NWW-SEE向的主压应变轴分布在华南亚板块的西部、北部和中南部，中部和南部的主压应变轴为近SN向，而NEE向的零散分布于它们之间。华南亚板块的主压应变轴方向变化较大，统一性相对较差。

华北亚板块的主压应变轴集中于NE80°～100°区间，其数量占40%，优势方向为NE90°。该亚板块上还有一个次优势方向，为NE50°。近EW向的主压应变轴主要分布于太行块体西部、冀鲁块体、胶东块体、豫晥块体和苏北块体南部，NE向主压应变轴分布于鄂尔多斯块体、太行块体东部和苏北块体北部。

图2 水平主压应变方向统计图Fig.2 The statistical chart of principal direction of the horizontal compressive strain

东北亚板块的主压应变轴集中于 NE50°～SE120°，出现两个优势方向：NE70°和SE100°。统计图上分为两群，其中NEE向主压应变轴分布在松辽盆地东部和依兰-伊通断裂带以东地块；NWW向主压应变轴分布在小兴安岭、大兴安岭和阴山地区。

中国大陆东部华南、华北和东北亚板块的主压应变轴方向的统一性相对较差，每个亚板块都出现两个及以上的优势方向，或者主压应变轴方向的分布区间相对较宽，反映了压应力主方向不同地区变化较大。

2 最小主应变率

最小主应变率是在主压应力作用下产生的变化，其大小和主压应力的大小成比例。图3是忽略每个点的主压应变轴方向，只用主压应变率值绘制的等值线图。它表现了不同地区主压应变率的大小。

由图3可见，大致以南北地震构造带为界，中国大陆西部地区主压应变率明显大于东部地区。西部青藏亚板块的主应变率最大，普遍在-15×10-9/a以下 （图3），最大量值达到-60×10-9/a。较大的主压应变率值分布在巴颜喀拉块体东段和川滇块体北部。新疆亚板块的主压应变率在西昆仑和西天山地段较大，最大量值为-30×10-9/a。塔里木地块和准噶尔地块主压应变率较小，塔里木地块上的主压应变率局部为0×10-9/a。总体上，中国大陆西部的主压应变率较大的量值呈带状，一是沿天山分布，二是沿巴颜喀拉山和龙门山分布。

中国大陆东部的主压应变率相对较小，一般在-10×10-9/a以内。其中华南亚板块的西边部相对大些，为-25×10-9/a，其余部分多为-5×10-9/a。华北亚板块的主压应变率在0～-5×10-9/a。东北亚板块的北部略大，局部为-10×10-9/a，中南部在-5×10-9/a以内。

图3 最小主应变率Fig.3 Minimum principal strain rate

中国大陆主压应变率在西部由北向南增大，从47°N的0.5×10-9/a到27°N增加为-25×10-9/a（图4 d）。在南北地震构造带上中段汶川震区的主压应变率最大，在-45×10-9/a以下（图4 e，f）。中国大陆东部地区在华北亚板块与华南亚板块交界处相对变化较大，为-14×10-9/a（图4 h）。而在120°E （图4 g）总体趋势表现为从南向北增大，由0×10-9/a增加到-3×10-9/a。

中国大陆中部南北地震构造带的压应变率较东西两侧地区显著增大，尤其是中南段更为突出 （图 4 a， b， c）。

综上所述，中国大陆的西部主压应变率较大，平均值为-13.53×10-9/a，东部较小，平均值为-3.89×10-9/a，相差3.5倍。西部主压应变率等值线较密集，东部较稀疏。它们反映出主压应力西部大，东部小，西部应力场变化剧烈，东部较为平缓。中国大陆南北地震构造带的东边界是主压应变率的分界线。

图4 东西方向和南北方向主压应变率剖面线图Fig.4 The profile chart of principal compressive strain rate at east-west direction and north-south direction

3 最大主应变率

最大主应变率即主张应变率，同样忽略主张应变方向，仅用每个点的主张应变率值绘制成等值线图 （图5）。

中国大陆五个亚板块中，青藏亚板块的主张应变率最大，一般在15×10-9/a以上，最大值为45×10-9/a，位于青藏亚板块中北部可可西里-巴颜喀拉块体的中段。其次是华南亚板块西边部，在10×10-9/a以上。它们的主张应变率等值线也较密集。华北亚板块的主张应变率最小，大部分地区在5×10-9/a以下。

华南亚板块中东部、新疆亚板块和东北亚板块的主张应变率普遍在0～10×10-9/a之间，等值线也较稀疏。

主张应变率表明：青藏亚板块的主张应力作用较强，其它亚板块相对较弱。

4 最大剪应变率

图5 最大主应变率Fig.5 Maximum principal strain rate

图6 最大剪应变率等直线图Fig.6 Contour map of maximum shear strain rate

中国大陆地壳最大剪应变率显示 （图6），与主压应变率相似，同样是西部显著大于东部，西部最大剪应变率值平均为26.82×10-9/a，东部为9.93×10-9/a。西部的青藏亚板块上平均为35.29×10-9/a，差异变化量达70.43×10-9/a，新疆亚板块上为13.93×10-9/a，差异变化量为36.67×10-9/a。东部的华南亚板块上为12.17×10-9/a，差异变化量为31.94×10-9/a，华北亚板块上为10.14×10-9/a，差异变化量为16.19×10-9/a，东北亚板块上为7.87×10-9/a，差异变化量为20.25×10-9/a。最大剪应变率出现在青藏亚板块中部的可可西里-巴颜喀拉块体东南部，为90×10-9/a。可可西里-巴颜喀拉块体中东段的是也是剪应变率相对最大的地段，在50×10-9/a以上。青藏亚板块的其它部分在20×10-9/a以上。新疆亚板块上最大剪应变率相对较大的地区在西天山，量值20～30×10-9/a，其它地段在0～20×10-9/a之间。华南亚板块上西部的最大剪应变率值相对较大，在20×10-9/a以上，其它地段多在10×10-9/a以下。华北亚板块的最大剪应变率普遍在10×10-9/a以下。东北亚板块大部分地区的站点剪应变率在10×10-9/a以下，局部相对较大，达到20×10-9/a。

上述表明，中国大陆地壳的最大剪应变率青藏亚板块最大，东北亚板块最小，差异变化量也是青藏亚板块最大，而差异变化量最小的是华北亚板块，总体是西部大，东部小。它反映出中国大陆地壳西部活动强烈，东部活动较弱。

5 地壳活动性

相互垂直的两个水平主应力作用于一点，当它们的绝对值大小相等，一个为拉张应力，另一个为挤压应力时，地壳活动则主要表现为与两个主应力轴斜交方向上的剪切走滑活动。当两个水平主应力大小差异显著时，若压应力较大，张应力较小或者为0，地壳活动则表现为与主压应力轴垂直方向上的逆断、逆冲、逆掩、褶皱等变形；若张应力较大，压应力较小或者为0，地壳活动则表现为与主张应力轴垂直方向上的伸展裂陷和正断活动。根据两个水平主应力相对应的主应变大小，可以判定地壳的现今活动性质，将地壳活动划分为剪切、拉张、挤压等不同性质的区域。按照上述思路，基于应变率参数计算结果，可以将地壳现今活动分为不同的性质的地区 （图7）。

由图7可见，中国大陆西部大部分地区为剪切活动区域，尤其是青藏亚板块上更为突出。其次是压性活动区，主要集中于天山地带和南北地震构造带中段的龙门山-西秦岭地带。张性活动区所占面积较小，仅限于局部地段。中国大陆东部地区，华南亚板块和华北亚板块张性活动区占主导地位，其次是剪切活动区穿插于张性活动区之间，局部镶嵌有压性活动区。东北亚板块则压性活动区、剪切活动区和张性活动区相互镶嵌，呈条块分布。

6 结论

中国大陆地壳主压应变场表明压应力主方向在青藏亚板块上自西向东，至东南部，压应力主方向由NNE逐渐变为NE→EW→SE→SN向，围绕藏南和阿萨姆构造节向北、东、南辐射撒开。新疆亚板块自西向东由近SN向逐渐变为NE向。中国大陆西部压应力主方向的变化与印度板块向北碰撞俯冲有关，与印度板块和欧亚板块从阿萨姆构造结到帕米尔伊斯兰堡构造结的边界条件有关。中国大陆地壳东部东北、华北和华南三个亚板块的压应力主方向分别为NEE-SWW、EW、NWW-SEE向，从北部到南部由NEE向变为SEE向。说明该区应力场既受西部印度板块与欧亚板块的碰撞作用力影响，又受东部北美板块、太平洋板块和菲律宾板块作用的影响，是东西两侧块体共同作用产生的。

图7 中国大陆活动性质分区Fig.7 The partition of activity characteristics in mainland China

中国大陆西部的主压应变率总体上由北向南增大 （图4d），而东部则由南向北增大 （图4g）。中部南北地震构造带上中段汶川震区相对较大 （图4f）。中国大陆东部的中西区地带在华南亚板块与华北亚板块交界区域也相对较大，这可能与汶川地震影响有关。

中国大陆西部主压应变率南部大北部小，和印度板块与欧亚板块的碰撞俯冲有直接关系，南部处于两个板块碰撞的前部，受到强大的压力作用。中国大陆总体主压应变率西部显著大于东部，同样也与板块的作用有关，西部靠近板块边界带，东部远离板块边界带，受到的作用力影响较小。

中国大陆的主压应变率大于主张应变率，西部比东部显著。

中国大陆地壳的最大剪应变率西部大，东部小，南部大，北部小，说明中国大陆活动性西部强，东部弱，南部相对较强，北部相对较弱。这与现今地震活动强度基本一致。

中国大陆地壳在现今应变应力场作用下，西部地壳以逆断逆冲、走滑变形为主，东部华南华北以正断、伸展和走滑活动为主，东北逆断、正断和走滑活动兼有。

本文的应变率为地壳连续应变场，由计算时的取点范围决定每个点的应变率代表2°×2°局部范围的变化。它与以块体为单元计算得到的块体应变率不同。

使用GPS站点工程资料计算得到的地壳水平主应变率与水平主应力相对应，它基本上代表了主应力的作用方向。以华北亚板块为例：由地震震源机制解得到的主压应力轴 （P）方向集中于NE70°～80°（图8）， 由GPS水平应变率得到的主压应变轴集中于 NE80°～90°,而震源机制解的P轴方向平均为NE79.7°，主压应变轴的方向平均为NE78.0°。总体上二者基本一致。主压应变轴分布均匀，地震分布不均匀，震源机制解P轴只在有地震的地方才能获得，这可能是导致二者存在微小差异的原因。

图8 震源机制解P轴方向和仰角统计结果Fig.8 The statistical results of P-axis direction and elevation angle from focal mechanism solutions

震源机制解P轴的仰角以5°为单位划分统计，结果显示0°～5°的占优势，小于15°的占58.4% （图8）。也说明水平主应力起主导作用。用GPS观测数据求解的水平主应变轴与水平主应力轴是一致的，可信的。因此GPS地形变观测为获得地应力场提供了相对便捷的方法。

[1]崔效锋 ，谢富仁，李瑞莎 ，张红艳.华北地区构造应力场非均匀特征与煤田深部应力状态[J].岩石力学与工程学报，2010，29（Supp.1）：2755-2761

[2]李方全，祁英男.地壳应力随深度的变化规律 [J].岩石力学与工程学报，1988，7(4)：301-309.

[3]李钦祖，靳雅敏，于新昌.华北地区的震源机制与地壳应力场 [J].地震学报，1982，4(1)：55-61.

[4]李延兴，李 智，张静华，等.中国大陆及周边地区水平应变场 [J].地球物理学报，2004，47（2）：222-231.

[5]郭良迁，李延兴，杨国华，等.中国大陆现今应变场动态 [J].地震学报，2008，30（6）：560-569.

[6]江在森，张希，陈兵，等.华北地区近期地壳水平运动与应力应变场特征 [J].地球物理学报，2000，43（5）： 657-665.

[7]张永志，崔笃信，王琪，等.利用GPS资料研究区域地壳应力场变化与地震活动关系 [J].地震学报.2000， 22(5)： 449-456.

[8]赖锡安，黄立人，徐菊生，等.中国大陆现今地壳运动[M].地震出版社，2004.

[9]Billings M P著.张炳熹译.构造地质学[M].北京： 地质出版社，1973.

[10]地质矿产部地质辞典办公室.地质词典（一）［M］.北京：地质出版社，1983.

Studies on Stress-strain Field of Chinese Mainland

GUO Liangqian,ZHOU Haitao,DU Xuesong,TA La

(First Crust Monitoring and Application Center,China Earthquake Administration,Tianjin 300180,China)

Base on the strain rate calculated by the network project GPS data obtained during 1999-2009,the characteristics of crustal stress filed,strain field and the horizontal activity of the crust were studied in Chinese mainland.The results show that the primary direction of compressive stress of Qinghai-Tibet(Western part of the continental crust of China)inferior plate tended to radial lines along the southern Tibet and the Assam tectonic node.The primary direction of Xinjiang inferior plate varies from SN to NE from West to East.The primary direction of crustal compressive stress of easten China varies from NEE to almost EW,and then varies to SEE from North to South.Obviously,the strength of main compressive stress in western China is stronger than in eastern China.The crustal activity of western China was stronger than that of eastern China,while the activity of southern China is stronger than that of northern China.The crustal activity of western China is mostly strike slip and compressive movement,while the crustal activity shows not only strike slip and compressive movement,but also extended movement in eastern China.

Strain field;stress field;Primary strain rates;Maximum shear strain rate;The crustal activity

P315.727

A

1001-8662（2012）01-0001-10

2011-06-06

天津市应用基础研究 （08JCZDJC18900）项目资助

郭良迁，男，1950年生，研究员，主要从事地形变、地震地质和地震预测研究.E-mail：guoliangqian@163.com