广西区域现今地壳运动与应变的GPS监测分析

廖超明，马 艳，潘元进，黄祥雄

1.广西壮族自治区测绘地理信息档案资料馆，广西 南宁530023；2.中国测绘地理信息学会，北京100048；3.武汉大学测绘学院，湖北 武汉430079；4.广西有色勘察设计研究院，广西 南宁530023

1 引 言

广西区域地处川滇菱形活动地块的东南缘、南岭构造带的中西部，南临北部湾海域，地势自西北向东南倾斜，地壳东南薄、西北厚。地质史上地壳活动频繁，新构造时期活动断裂十分发育，北东向和北西向两组断裂是组成区域构造格局的最基本成分，对该区域的地质构造演化和发展起着重要作用［1－2］。

GPS技术作为一种强有力的工具已被许多学者广泛地用于全球板块、区域块体和主要构造带的现今地壳运动监测研究［3－4］。文献［5—7］分别利用网络工程、国家CORS网多期数据开展基于CGCS2000框架下的中国大陆速度场研究，构建了二级板块运动模型。文献［8］利用多期GPS观测数据对喜马拉雅的现今地壳运动构造形变模式和动力学机制进行研究。文献［9］利用1993—2002年间5期GPS观测资料采用自洽统一参考框架方法分析研究了青藏高原地区的现今地壳运动，获得精度更高的三维速度场和应变场。文献［10］利用GPS资料反演了汶川Mw7.9级地震滑动分布。对于非主要构造带的广西及其邻域，文献［11—14］主要采用构造地质学、地球物理方法开展现代地壳构造运动研究，而利用GPS技术进行该区域现今地壳运动特征研究成果甚少［15－16］。本文通过进一步收集多期GPS观测数据开展广西区域现今地壳运动特性研究，获得了更加精细的三维速度场并对该区域的形变运动和构造运动动力源进行了分析讨论。

2 数据处理与分析

2.1 数据收集与处理

笔者收集了13年来多期GPS数据，包括网络工程布设在北东走向的桂林—南宁主要断裂带两侧的2个基本点、北西走向的巴马—博白、百色—合浦断裂带两侧的11个区域网点、位于华南块体的3个基准点、1个国家A级点和2个广西CORS基准站、以及中国大陆及周边的10个IGS站观测数据［17］。每期数据观测约为4～11d。部分站点如JZ04、JZ07等具有2～3年的连续观测数据。除IGS站点外的数据列表见表1。

表1 采用的GPS站数据列表Tab.1 List of adopted available GPS data

采用 GAMIT/GLOBK软件处理数据，在ITRF2005框架下获得各观测站的时间序列和三维速度场。GPS数据处理分两步进行。

（1）运用GAMIT软件进行单天基线解算。联合亚洲周边 BJFS、KIT3、KUNM、LHAZ、SHAO、TNML、URUM、USUD、WUHN、CUSV等10个IGS站数据采用单日松弛法解算基线。广西区域南临北部湾海域，受到海洋潮汐的影响尤为显著，因此在基线处理过程中加载了CSR4.0海潮改正模型和IERS2003地球固体潮改正模型，有效提高了垂向分量的解算精度［17］。

（2）运用GLOBK软件获得时间序列和三维速度场。将单日解h－file联合全球子网IGS1、IGS2、IGS3作为GLOBK的输入观测量，选择VILL、KIT3、FORT、BRMU、GRAZ、PERT、YELL、LHAZ、SHAO、METS、TROM、CAS1、MATE、KOSG等27个全球分布的IGS核心站定义参考框架［17］，将单日松弛解通过七参数相似变换转换到ITRF2005框架下的三维速度，并得到GPS观测站的时间序列。

2.2 数据处理结果分析

2.2.1 时间序列分析

利用GLOBK软件获得各观测站1998—2010年的三维时间序列，通过时间序列对各观测站的速度趋势和周期性变化特性进行分析，剔除粗差观测量，为全球网平差提供准确的单日解hfile。不失一般性，随机选取桂林站JB21的时间序列图为例进行分析，绘制了粗差剔除前后的JB21时间序列图（图1）。

图1 桂林站JB21时间序列Fig.1 The time series of JB21GPS station

图1（a）、（b）、（c）分别代表JB21的 N、E、U方向时间序列图像。从图1（a）、（b）、（c）可以看出，JB21各期观测量的N、E方向重复性较好，水平方向呈现南东向的稳定运动；U方向则出现周期性的波动。从U方向时间序列图像明显看出，2005年两期观测量中有一期观测值出现约－50mm的偏差。在无法确定该期所用的天线高信息是否正确的情况下，基于2005年已有的两期观测数据，选择剔除该期观测量，避免将含有粗差的观测量带入三维速度场计算中。重新绘制JB21的时间序列图像，如图1（d）、（e）、（f）所示。另外，U方向呈现周期性运动，其主要原因是观测站除了随现今地壳作近似线性的构造运动外，还会在固体潮、极潮、气压、土壤水含量等多种因素的影响下作周期性非构造运动［18－19］。这种非构造运动具有年周期性特征，在开展GPS垂向运动研究工作中，选择在相同或相近的年积日开展GPS观测可以削弱其影响，从而有效提高垂向速率估值的可靠性。

2.2.2 速度场分析

经过全球网平差得到各测站ITRF2005框架下的三维速率参数见表2、三维速度场图像如图2所示。GPS观测站的三维速率估值精度较高，Ve分量标准差均值优于±0.19mm/a，Vn分量标准差均值优于±0.14mm/a，Vu分量标准差均值优于±0.54mm/a；明显优于利用1998—2007年3期网络工程数据基于ITRF2000框架下计算得到的三维速率估值精度［15］。

表2 GPS站坐标及三维速率估值Tab.2 The coordinates and 3Dvelocity values of GPS stations

图2 广西区域GPS观测站ITRF2005框架下三维速度场Fig.2 3Dvelocity of GPS site of Guangxi area relative to ITRF2005

（1）水平速度场

由表2和图2（a）可以看出，广西区域的16个GPS观测站水平速度具有较好的一致性，ITRF2005框架下的平均速率为33.49mm/a，略小于华南块体的平均速率35.5mm/a；水平运动的优势方位为N 109.3°E，比华南块体的优势方位（N 110.7°E）略向东偏［20］。在青藏高原东北缘SE方向的推挤力、南海块体自南向北的推挤力、台湾岛东侧菲律宾海板块向北西西方向仰冲构造运动的共同作用下，广西区域现今地壳运动随华南块体作南东东方向的逆时针构造运动。

（2）垂向速度场

由表2可知，ITRF2005框架下广西区域的15个GPS观测站垂向运动速率在－0.14～2.54mm/a之间，平均速率约为＋1.30mm/a。利用《中国陆地垂直运动速率图（1951—1999）》对GPS垂向速率估值的可靠性进行验证，通过内插方法获得各观测站所在位置基于多期精密水准观测资料计算得到的垂向速率，该结果是以青岛验潮站为参考基准，与ITRF2005框架下的GPS垂向速率存在系统偏差。因此，采用基准变换方法［21］将精密水准垂向速率统一到ITRF2005框架下再进行比较，如图3所示。结果表明，两种技术监测到的垂向运动趋势相一致，反映了广西区域现今地壳垂向运动呈现一种缓慢隆升的态势。与前期的研究成果相比［15—16］，本次GPS垂向速率估值精度更高、成果更可靠。

图3 基于ITRF2005框架下的GPS与精密水准垂向速率比对Fig.3 Comparison between vertical velocities measured with GPS and precise leveling relative to ITRF2005

如图2（b）所示，从DEM底图所反映的广西区域现今地貌现状来看，GPS技术监测到的地壳垂向运动量值和趋势与点位所在地理位置所表现出的现代地形地貌特征具有基本一致性。桂西、桂西北、桂西南位于我国地势第二级台阶中的云贵高原东南麓，属山地地貌，GPS观测到的垂向运动速率较大，由F059、F075、F077、F078和JB26计算得到平均速率值约为＋2.0mm/a；桂南、桂中、桂东区域属于盆地、平原和丘陵地貌，局部区域隆升速度很小，由F038、F049、F063和F064计算得到平均值约为＋0.4mm/a。从GPS观测站分布来看，尽管桂中、桂东和桂东北的观测站分布过少，但从整体上还是监测到广西区域现今地壳垂向运动呈现自桂东向桂西的掀斜式缓慢隆升态势。

位于北部湾涠洲岛的F065观测站监测到的垂向速率为＋1.89mm/a，约为其北面的北海市F064观测站垂向速率＋0.33mm/a的6倍，局部区域隆升速率存在差异。涠洲岛为第四纪海底火山喷发沉积、经构造运动而隆升出海面的火山岛，也是我国最年轻的火山岛之一。根据野外地质调查资料显示，涠洲岛南湾一带中全新世沉积层高出现代海平面2～10m，岛的东部和北部沿海发育有海拔高17m的早全新世及中全新世滨海沙堤，说明涠洲岛自中全新世至今处于隆升状态［2］。按平均上升高度10m、中全新世距今5000年计算，涠洲岛地壳垂向运动平均速度约为＋2.0mm/a。GPS监测到的垂向隆升结果与地质学研究结果是一致的，反映了涠洲岛现今地壳垂向运动仍处于缓慢隆升态势。

3 区域地壳形变与应变

3.1 形变运动场分析

利用表2的SHAO、WUHN、LUZH、XIAM、GUAN、JB21、JB26和F038的水平速度场计算华南块体的欧拉运动矢量参数，作为区域现今地壳运动特性研究的背景场。将各站点ITRF2005框架下的水平速度扣除随华南块体作刚性整体运动的量值，剩余的水平运动矢量反映的正是区域现今地壳形变运动场（即水平形变速度场），结果见表3和图4所示。

表3 GPS观测站水平形变速率Tab.3 Horizontal deformation velocities of GPS Stations mm/a

图4 相对于华南块体的水平形变速度场Fig.4 Horizontal deformation velocities relative to South China

从图4可以清晰地看到，各站点的水平形变速度场呈现一种自北向南西方向的顺时针形变运动趋势。约以23.5°N（北回归线附近）为界，以北的站点JB21、F038、F059、F075，整体运动优势方位为南东方向，平均速率约为0.7mm/a；以南的站点（F065除外）则作南西方向的整体运动，平均速率约为1.3mm/a。

位于涠洲岛的F065水平形变运动趋势与陆地其他站点的运动趋势有较大的差异，明显是受到局部区域地质构造运动的影响。北东向廉江—信宜断裂带和北西向钦州湾—涠洲岛断裂带交汇经过涠洲岛，受到钦州湾—涠洲岛断裂带的控制，F065形变运动方向为北西向，与北西向断裂走向基本一致。另外，根据近20年来涠洲岛周边海域发生的地震资料，初步判断F065站点的形变运动趋势除了受到断层控制外，还应与附近海域近期地震事件导致的近场同震和震后位移影响有一定的关系。

对表3的Vn分量进行排序，大部分GPS站点形变运动呈现如下规律：从桂北到桂中再到桂南Vn分量（绝对值）由大变小，形变运动方向自北向南（Vn分量负值代表速度向南）。由于南北区域地壳形变运动存在约0.5mm/a速率差，桂北、桂中区域地壳物质向南运移速率大于桂南区域，地壳物质向南运移过程中受到阻挡，局部区域地块产生水平扭动构造。利用表3的Vn分量绘制区域形变场图像如图5所示，从桂北的河池、柳州马蹄形盾地（①处）一直延伸到桂中忻城的前弧西翼（②处），其形变速率绝对值最大，地块相对向前滑动；在桂中来宾一带形成向前凸出的前弧构造带；两边形变速率小的相对原地固定或稍微向前滑动，则形成反射弧构造带（⑤和⑥处）。由于桂中、桂北区域的GPS观测站点分布不足，没有能够更好地模拟出弧顶（④处）和前弧东翼的构造格局（③处），但从图5的Vn分量形变场运动趋势、结合图4的区域地貌现状来看，还是能够清晰看出广西的“山”字形构造格局［21］。

图5 相对于华南块体的Vn分量形变场Fig.5 Vn component deformation velocities Relative to South China

3.2 应变场分析

利用表2中广西区域范围的16个观测站水平速度和球面二维运动与应变模型［22］，计算最大主压应变率ε1、最大主张应变率ε2、最大主压应变方位角A、最大剪切应变率γ等参数，见表4。广西区域现今地壳运动以 N 127.3°±4.8°E挤压为主，最大主压应变率－2.7±0.5×10－9/a，最大主压应力方向与文献［23］采用野外实测应力方向一致；同时，兼有 N 37.3°±4.8°E方向的拉张作用，最大主张应变率1.8±0.2×10－9/a；最大剪切应变率为4.5±0.5×10－9/a。从应变参数估值结果来看，1998—2010年该区域应变状态以主压应变为主，主压应变率是主张应变率的1.5倍。区域应变率量值在±5×10－9/a以下，与文献［24］利用网络工程1999—2009年GPS数据获得的华南块体应变场参数量级一致，这也说明华南块体是新构造运动与形变相对较弱的一个区域。

表4 广西区域主应变参数Tab.4 Principle Strain Parameters of Guangxi area 10－9/a

4 区域现今构造运动动力与机制分析

印度板块与欧亚板块在喜马拉雅一带的碰撞和汇聚是我国现代构造运动最重要的动力源之一。在印度板块北北东向楔入的作用下，青藏高原东南侧作南东方向逃逸运动并透过川滇菱形地块作用在华南块体。广西西部与川滇菱形地块相接，青藏块体南东方向逃逸运动的推挤力在华南块体的西南边界（30°N以南）直接作用于广西的西部。华南块体东边界又直接受到菲律宾海板块的北西西向仰冲碰撞作用，北西西向的推挤力透过南海块体作用到广西的东部。在两种方向相反的构造力共同作用下，广西区域现今地壳运动随着华南块体作南东东方向的逆时针构造运动。同时，区域内部发生形变运动，发育了一系列的北东走向和北西走向的断裂带及广西特有的“山”字形构造。

国内学者分别利用华南块体和菲律宾海板块的GPS站观测数据，获得了华南块体的平均速率35.5mm/a、优势方位 N 110.7°E［20］；菲律宾海板块的平 均速率36.2mm/a、优势 方位 N 69.3°W［20］，两者运动方向正好相反。菲律宾海板块西边的凸入楔正好作用在台湾地区中部（北回归线附近），其南部区域向西仰冲到欧亚板块之上，北部区域则向北俯冲到欧亚板块之下。台湾岛上除北端保持SE方向运动外，中、南部出现了NWNWW向运动，且运动速率自北向南逐渐增强［25］。GPS监测到的沿北回归线为分界的南北两种不同的分群形变运动［17］，首次发现了作用在华南块体上方向相反的两种构造力优势方向在北回归线一带出现了逆转。北回归线以南地区所受到菲律宾海板块的北西西向仰冲作用力比来自青藏块体的南东东向推挤力要大。该地区形变运动优势方向为南西向，与该区域的主张应力方向一致，反映的是华南块体西南部地壳物质的挤出运动态势，挤出速率约为1.3mm/a。而北回归线以北地区的情况正好相反，来自青藏块体的南东东向推挤力要比来自菲律宾海板块的北西西向俯冲作用力要强。该地区形变运动优势方向为南东向，与该区域的主压应力方向一致，反映的是华南块体在南东向主压应力作用下的地壳物质受到挤压缩短的运动态势，地壳缩短速率约为0.7mm/a。

5 结 论

本文利用GAMIT/GLOBK软件联合SOPAC的全球GPS子网分析了1998—2010年广西区域观测的GPS数据，基于ITRF2005框架下获得各观测站的时间序列、三维速度场和应变场参数。GPS监测结果显示，广西区域现今地壳运动水平方向平均速率为33.49mm/a，优势方向为 N 109.3°E；垂直方向平均速率为＋1.30mm/a，整体趋势自桂东向桂西方向垂向速率逐步增加，呈现自桂东向桂西的掀斜式缓慢隆升态势；以 N 127.3°±4.8°E挤压为主，最大主压应变率－2.7±0.5×10－9/a；兼有N 37.3°±4.8°E拉张作用，最大主张应变率1.8±0.2×10－9/a；区域新构造运动与应变状态相对较弱。结合区域地质构造资料分析了区域形变速度场，对广西区域现今构造运动的动力与机制进行了初步讨论。首次利用GPS水平形变速度场监测到广西区域两种构造力优势方向的反转现象。本文研究结果为描述广西区域现今地壳运动提供了一个更加精细的三维运动速度场，为今后进一步开展区域现今地壳运动动力学机制研究提供了参考。

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