基于GPS数据的川滇地区地壳水平运动研究

杨建会，聂桂根，薛长虎

(武汉大学卫星导航定位技术研究中心，湖北 武汉430079)

一、引 言

中国大陆构造环境监测网络(crustal movement observation network of China，CMONOC)是以卫星导航定位系统观测空间测量手段为主，覆盖中国大陆的高精度、高时空分辨率和自主研发数据处理系统的观测网络。利用覆盖广泛的陆态网络跟踪站点进行区域地壳运动的监测是十分方便的。

川滇地区地处印度板块向中国大陆NE方向挤压作用的前沿地带，该地区具有复杂的地形条件，由构造活动强烈的鲜水河断裂带、安宁河断裂带、则木河断裂带、小江断裂带、红河断裂带、金沙江断裂带等断裂带围成(如图1所示)，被甘青地块、华南地块、印支地块所包围。由于地处板块交界处，川滇地区所在区域现今构造活动强烈，地震活动频繁［1-2］，如四川地区发生的2008年的5·12汶川大地震和2013年的4·20芦山地震。鉴于川滇地区的特殊构造特性，很多学者都对该区域进行过研究。陈智梁等［3］利用1991—1997年多期GPS观测资料得出川滇地块的速度矢量分布呈顺时针涡旋趋势;温扬茂等［4］利用GPS资料和重力资料数据联合反演了川滇地区的现今地壳形变;丁开华等［5］通过多期GPS资料得出川滇地区的各块体用块体运动和形变模型来描述更为合适，并给出川滇地区的地壳运动趋势。本文利用川滇地区2011—2013年连续3年的陆态网络基准站数据资料，对川滇地区近期地壳水平运动情况进行了分析。

图1 川滇地区主要断裂分布［6］

二、数据资料概况及数据处理

1．数据资料

本文数据资料采用GPS数据，包括两部分:第一部分即四川和云南地区的陆态网络基准站数据;第二部分即中国境内及周边的区域ITRF站数据。所使用的数据采样率均为30 s，且数据质量较好［6］。

本文共利用川滇地区的陆态网络基准站42个，其中四川地区17个，云南地区25个(详情和分布见表1及图2)。由于2013年四川地区发生了4·20芦山地震，正好位于所研究时间区间内，因此会对四川地区的地壳运动有一定程度的影响，在选择测站时尤其是四川地区，对受芦山地震影响的站点进行了剔除，而且对3年同步观测阶段进行后调，选择了芦山地震后相对稳定的时期。测站观测数据包括2011—2013年间3个阶段，共计45 d连续全天观测，具体为2011—2013年年积日206—220 d。采用上述3个阶段对应的中国境内及周边的7个ITRF跟踪站(日本鹿儿岛AIRA、北京房山BJFS、俄罗斯伊尔库茨克IRKT、乌兹别克斯坦基托布KIT3、西藏拉萨LHAZ、台湾桃园TWTF、湖北武汉WUHN)。

表1 川滇地区陆态网络42个基准站点名与其代码对照

图2 川滇地区陆态网络基准站分布图

2．数据解算策略

本文采用的数据处理软件为MIT(美国麻省理工学院)开发的GAMIT/GLOBK软件10．50最新版本，首先采用GAMIT软件进行单日解计算，经解算剔除粗差后再利用GLOBK软件进行整体平差和站点速率计算。

1)利用GAMIT软件计算单日基线解，得到基线松弛解H文件，即GLOBK平差所需文件。

2)用GLOBK软件整体平差计算川滇地区GPS网三阶段观测的坐标解和基线解，然后解算三阶段观测间的站点运动速度。其中坐标框架约束使用的是最新ITRF2008参考框架，对所选ITRF跟踪站给予了3倍中误差的站点坐标约束和3倍中误差的运动速度约束。

GAMIT相关设置如下:解算处理使用IGS精密星历;处理模式为RELAX;观测量类型为LC_AUTCLN;历元间隔为30 s;高度角为15°;光压模型为BENNE;对流层折射根据标准大气模型用Saastamoinen模型改正;惯性框架为J2000;测站约束设置ITRF站点测站南北向、东西向和高程向分别为50 mm、50 mm、50 mm，其余站点设置为20．00 m、20．00 m、20．00 m。GAMIT/GLOBK处理具体设置可以参考文献［7—9］。

三、川滇地区地壳水平运动分析

1．川滇地区ITRF2008下的速度场结果

首先利用GLRED计算时间序列并检查基线及坐标重复性，对存在异常的测站或基线予以剔除，然后利用GAMIT进行处理，最后用GLOBK软件进行综合平差计算。运用上述7个ITRF站作为框架，通过GLORG将整体解旋转到7个ITRF跟踪站确定的参考框架上，分两期进行组合求解分别得到站点在ITRF2008下的2011—2012年和2012—2013年两期水平速度，对陆态网站点的两期水平速度分量值进行基本统计，见表2。

从所求得的两期水平速度值及表2统计得出，川滇地区陆态网站点水平运动有如下特点:

1)一期与二期川滇地区站点的运动趋势均为SE向，东西方向的速度值明显大于南北方向速度值，且速度值较大，地壳水平运动趋势明显。

2)二期速度信息相较一期，无论是东西方向还是南北方向速度值基本呈增大趋势，东西方向变化量总体大于南北方向变化量，最大的变化量:东西方向YNTC多达14 mm/a，南北方向YNMH多达8 mm/a。

3)整体上看，四川地区的水平速度要稍大于云南地区的水平运动速度，即四川地区地壳运动要比云南地区整体上活跃。

表2 川滇地区陆态网站点的水平速度分量统计 mm/a

2．川滇地区水平运动特征

(1)基于绝对速度场的地壳水平运动特征

当一个GPS测站的数据至少有2个历元且间隔不少于0．9 a时，便可以估计速度场信息，GLOBK获得的解算结果是测站的绝对速度，速度表示测站的平均速度，其数值等于测站位置时间序列的斜率［10］。因此表2所获得的站点水平速度统计是测站基于ITRF2008参考框架的绝对速度。图3给出了川滇地区在ITRF2008下的2011—2012年和2012—2013年两期水平速度场。

图3 川滇地区GPS水平速度场(ITRF2008)

从图3两期GPS地壳水平速度场可以得出川滇地区地壳水平运动有以下特点:

1)两期观测川滇地区地壳整体水平运动趋势基本一致，均在SE方向范围内，且有顺时针旋转倾向。

2)一期观测的水平速度值一般在20～50 mm/a，均值为33．29 mm/a;二期观测水平速度值在30～52 mm/a，均值为40．50 mm/a，其中只有YNXP站点速度值减小，原因有待进一步研究。川滇地区整体速度呈现增大趋势，说明近3年川滇地区地壳水平运动有增强趋势。

3)二期与一期相比，在川东北地区地壳水平运动相对稳定，速度增量较小，SCSP、SCGY、SCBZ、SCNC、SCSN等站点以SEE向运动为主，速度平均增量为3．56 mm/a，站点间运动速度差异不显著;而在滇西南地区速度增量最大，YNTC、YNSD、YNRL、YNGM、YNLA、YNMH等站点以SE向运动为主，速度平均增量达11．51 mm/a，增幅达46．3%;其他地区的水平速度增量则在6～8 mm/a。

4)水平运动速度在南北方向上，由北向南逐渐减小，在东西方向上，川滇北部地区由西向东呈现减小趋势，而在滇西南地区则呈现出由西向东的增大趋势;值得注意的是在红河断裂带、安宁河断裂带、则木河断裂带及小江断裂带等两侧均出现不同程度的速度值衰减现象，这与乔学军等［11］早期的结论仍保持一致。以安宁河断裂带为例，西东两侧分取SCMN、SCML、SCYY三站和SCSM、SCYX、SCXD三站进行分析，一期与二期观测的速度衰减值分别为5．21 mm/a和6．49 mm/a，衰减幅度分别为12．5%和13．1%。

5)四川和云南地区地壳水平运动方向存在差异，四川地区由北向南由SEE向转变为SE向;而在云南滇西地区整体为SE向，进入则木河断裂带和小江断裂带后有朝SEE向转变的趋势，一期与二期观测均有此现象发生。结合特点3)与4)可得断裂带的存在对地壳运动速度和方向均产生了一定程度的影响。

(2)基于相对速度场的地壳水平相对运动特征

在研究区域地壳运动时采用全球框架得出的地壳运动速度场是绝对速度场，包含有该区域的整体运动状况。在区域地壳形变运动研究中还可采用适应区域地壳运动的基准方法。常用方法有:单点基准、重心基准、相对稳定点基准和相对板块运动模型基准等［12］，用于凸显相对运动特征。下面采用单点基准来研究川滇地区的相对运动。

首先选取了川滇地区以外位于青藏高原上的LHAZ站为参照点，两期相对速度场如图4所示，根据统计川滇地区相对于LHAZ的水平运动相对速度值一期在23．35～41．30 mm/a，平均值为30．45 mm/a;二期在24．53～40．17 mm/a，平均值为33．97 mm/a。另外两期相对速度分量值整体上南北方向均要比东西方向上要大。

图4 川滇地区相对于LHAZ的水平速度场

从图4可以看出，川滇地区相对于LHAZ整体上呈现出明显的SW向运动，顺时针旋转向印支板块，相对速度值逐渐变大;二期相较一期川北地区的相对运动方向有所变化，一期自西向东由S向转变为SSW向，而二期观测自西向东由SSW向转变为SW向。而云南的整体运动趋势两期观测基本一致。另外选取了位于四川区域的SCSM和云南区域的YNYM为参照点(此两站点两期速度增量分别为5．11 mm/a和7．51 mm/a)，得到了川滇地区内部区域的相对速度场(由于两期观测运动趋势相近，此处以二期观测进行分析)，如图5所示。

图5 川滇地区相对内部的水平速度场(2012—2013)

图5(a)是选取了四川地区的SCSM站点，根据统计相对速度值在2．02～15．43 mm/a，平均值为7．06 mm/a;从图5(a)中可以看出沿川北地区龙门山断裂带两侧的区域有向该断裂带收敛的趋势。川滇地区中部沿着安宁河—则木河—小江断裂带的区域呈现NW和NNW向运动，相对速度值渐增。而在滇西南大部分区域，呈现出由SE-SSE-S-SSW-SWW的顺时针旋转向变化，相对速度值也呈变大趋势，即相对运动强度增大。图5(b)是选取了云南地区的YNYM站点，根据统计相对速度值在1．19～18．60 mm/a，平均值7．41 mm/a。相较图5(a)，川北地区仍然是向龙门山断裂带收敛的趋势。但是在云南地区，运动趋势较为多样，先是安宁河—则木河—小江断裂带一线，西侧由SEE-E-NEE-NE向转变，东侧基本呈现NEE趋势。而在滇西南区域由南向北则是呈现W-NWW-NW的运动方向转变，且相对速度值逐渐增大。相对于区域内部站点SCSM和YNYM，川滇地区不同区域呈现出相异的运动趋势。

四、结 论

通过对覆盖川滇地区2011—2013年连续3年共计45 d的陆态网络基准站数据进行处理，分析川滇地区的地壳水平运动，总结可得以下结论:

1)绝对速度场条件下，川滇地区整体朝SE向运动，且有顺时针旋转倾向，川滇地区地壳的水平运动较为明显，两期观测的水平运动平均值分别为33．29 mm/a和40．50 mm/a，近3年地壳运动强度整体上呈现增大趋势，其中川北地区相对较小，滇西南地区变化较大。水平运动强度由北向南，由东向西整体上逐渐减小。川滇地区各条断裂带的存在也在一定程度上影响了附近区域地壳水平运动的强度与趋势。

2)相对速度场条件下，采用单点基准，分别参照了川滇地区外的青藏高原地区的LHAZ站和区域内位于四川的SCSM站及云南的YNYM站。相对于LHAZ站，川滇地区呈现出了较为显著的围绕LHAZ站顺时针转向运动趋势，整体上是SW向，且运动强度不断增大。基于内部的参考点SCSM站和YNYM站，得到了川滇地区相对内部不同区域的运动情形。川北地区的运动趋势总体一致，即向龙门山断裂带收敛。而在滇西南地区及安宁河—则木河—小江断裂带一线则呈现出不同的运动趋势。

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