基于GPS 数据的闽台地区地壳运动与应变场特征*

李 强，袁丽文，王紫燕

（福建省地震局，福建 福州 350003）

随着空间大地测量GPS 定位精度的提高，其观测结果已得到了广泛应用（如板块运动、地面沉降、火山活动、冰后回弹等），同时也为从地壳形变来研究地震提供了广阔的空间[1]。我国在“九五”和“十一五”期间，以地震监测为主要目标先后实施了重大科学工程“中国地壳运动观测网络”和“中国大陆构造环境监测网络”，揭示了中国大陆地壳运动的一些基本特征，如印度板块与亚欧板块相对运动的90%以上由青藏高原及周边断裂带所吸收，川滇地块顺时针旋转等[2]。各省也逐渐建立区域GPS 观测台网，极大地推动了各区域地壳形变及地震科学的相关研究工作。

闽台地区（含福建、台湾海峡和台湾地区）地处亚欧板块与菲律宾海板块挤压碰撞的前沿地带，区域动力背景复杂。区域内地壳运动与变形差异较大，福建地区地壳形变相对稳定，而台湾地区地壳变形剧烈。以往，相关学者在闽台地区利用各自区域的GPS 观测资料，进行地壳运动及变形研究。如林树等[3]研究福建地区地壳运动与变形，结果显示：福建沿海地区以北西向挤压变形为主，在福建东南沿海应变率量值最大，向内陆地区量值逐渐减小。Yu 等[4]表明了在我国台湾地区，菲律宾海板块以约80mm/a 的高速率向亚欧板块运动，其中花东纵谷断裂带处地壳运动发生剧烈变化，吸收了三分之一以上的板块相对运动量。

由于目前福建地区和我国台湾地区没有共同开展GPS 联测工作，两地GPS 数据处于各自观测，各自应用的现状，同时，由于台湾海峡内被海水覆盖，除澎湖群岛上有个别GPS 观测点外，台湾海峡大部分地区没有观测点。这使得无法从整体上认识地壳运动是如何从形变剧烈的台湾地区，逐渐过渡到形变较为稳定的福建地区。针对这一问题，本文同时利用我国台湾省和福建省两地的GPS 速度场数据，推估出台湾海峡地壳运动场，形成福建-台湾海峡-台湾的连续地壳运动及应变场，该结果对于研究该区域的地震及其他地球动力学问题具有重要意义。

1 闽台两地GPS 速度场融合

福建地区GPS 数据由福建地震局GPS 数据中心获取，台湾地区GPS 数据由台湾地震科学中心网站获取，数据选取时段为2013 年，速度场如图1 所示。由于闽台两地GPS 数据速度场采用的框架不同（福建为ITRF2005框架，台湾为ITRF2000 框架），要融合这两区域速度场，先要将参考框架统一。

图1 闽台地区GPS 速度场

图2 闽台地区连续地壳速度场与最大剪应变场

由于台湾地区处于板块边界处，闽台两地地壳变形程度差别悬殊，若采用全球框架转换方法进行这两个局部地区的速度场转换时，可能会使参考框架框动影响带到转换后的速度场中，本文不采用这种方式。考虑到我国台湾省的金门岛GPS 速度站点距离福建省的漳州和厦门地区的站点较近，将金门岛的4 个GPS点速度取均值，用来代表金门及邻近小区域地壳运动速度。将福建漳州及厦门靠近金门的3 个GPS 点速度取均值，也用来代表该小区域的地壳运动速度。将福建和台湾地区速度场分别各自扣除上述2 个均值后，都表示相对于这2 个小区域的运动速度。上述2 个小区域十分接近，区域跨度也很小，可看出同一区域（以下将该小区域范围称为金厦地区）。扣除均值后的福建和台湾地区速度场，都是相对于金厦地区的运动速度场，可视为同基准，此处称为金厦基准，而这时得到的速度场可视为相同基准。

2 闽台地壳运动连续速度场推估

金厦地区基准下的GPS 速度场包含了福建及台湾地区，但缺少台湾海峡地区速度场，因此，需要对台湾海峡地区速度场进行推估。本文采用最小二乘配置推估台湾海峡地区速度场[5]。其原理如下：

式中，Vo为GPS 站水平运动观测速度向量；Ω 为欧拉刚性运动模型参数向量（非随机参数）；A 是其经典平差中系数矩阵（由GPS 观测站坐标信息组成），Vs表示有效信号部分（从Vo中扣除刚性运动后的残余部分），为随机参数，其在空间域连续分布的；n 为GPS 观测速度中包含的随机误差。

利用公式（1）即可推估出台湾海峡地区地壳运动速度场，然后融合金厦地区基准下的福建和台湾地区GPS速度场，构建了福建-台湾海峡-台湾连续地壳运动速度场，结果如图2（a）所示。在得到上述连续地壳运动场的基础上，采用球面应变场计算方法[6]，计算区域最大剪应变场，结果如图2（b）所示。

在全球框架下不利于识别局部变形，而采用局部基准更有利于分析，图2 显示，在金厦地区基准下，可以看出闽台地区整体地壳运动的一些显著基本特征：（1）闽台区域地壳运动速度场由台湾东部沿海较大量值开始，向西逐步减弱，进入台湾海峡后，台湾海峡北部地壳运动依然是北西向，而台湾海峡南部和中部的地壳运动量值非常小，且没有优势方向。而在福建近海，地壳运动量值依然较小，方向性不明显。进入福建中西部，地壳运动量值虽小，方向存在一定的东向优势。上述特征说明，虽然海峡东部区域属于亚欧板块，但其在地壳运动上，更多受到菲律宾海板块的影响，而该影响在台湾海峡西部至福建沿海已经不明显。由此可知，菲律宾海板块北西向与亚欧板块在台湾花东纵谷碰撞后，其对区域地壳运动影响从台湾东部地区开始，一直到台湾海峡东部地区，而台湾海峡西部及福建近海地区，正是菲律宾海板块与亚欧板块对地壳运动影响强弱的分界区。在该分界区东部，菲律宾海板块起主导作用，而分界区西部，亚欧板块起主导作用。（2）台湾海峡地区北部地壳运动速度强于中部和南部，且大于福建地区地壳运动速度，略小于台湾西部平原地区，但量值差别不大。（3）台湾地区地壳运动速度与福建地区差别巨大，量值相差可达数十倍。而这种巨大差别主要并不是通过台湾海峡地区逐渐过渡完成的，而是由花东纵谷断裂带吸收了超三分之一的地壳相对运动量，在经过台湾岛中部逐渐衰减，至台湾西部平原时，速度场量值仅为原来的10%左右。

速度场给出的是地壳运动特征，其特征样式与选取的参考基准有关，而应变场与基准无关，反映的是地壳纯变形特征。图2（b）给出了闽台地区整体区域最大剪应变场。结果显示，闽台地区最大剪应变场呈现由台湾地区经台湾海峡向福建地区减弱的特征，台湾地区最大剪应变量值与福建地区相差1 个数量级。其中，台湾西南部地壳剪切变形最大，台湾海峡东部剪切变形程度显著高于西部地区，而台湾海峡西部至福建地区量值均较小，特别是福建近海及陆域，其最大剪应变非常微弱，表明福建及其近海地壳比较稳定。在台湾海峡西部地区，坐标（119°E，24°N）附近，存在一个长轴北东向，长轴长度近180km 的椭圆型区域，该区域内最大剪应变高于海峡西部的其他区域。总体来看，台湾海峡地区最大剪应变分布具有明显的不均匀性，且整体高于福建地区，首次可以直观上从场分布角度展示台湾海峡区域的地壳变形特征，这是以往仅仅使用跨台湾海峡基线研究海峡地区地壳变形无法揭示的。

地震的发生与区域地壳变形程度密切相关，台湾地区地壳变形剧烈，强震频发，根据《中国强震目录》，1900年以来，该区发生了52 次7 级以上强震，成为我国强震发生最为频繁的区域。与其形成鲜明对比的是，在福建地区，5 级以上地震都少有发生，而台湾海峡地区地震活动性弱于台湾地区强于福建地区，这与图2（b）给出的地壳变形程度由台湾地区向福建地区递减的特征相一致。通常从地壳形变与地震关系角度认为，走滑型强震多发生在最大剪应变高值区内或其边界处，2018 年台湾海峡南部发生6.2 级走滑型地震，该地震震中正是位于图2（b）描述的台湾海峡最大剪应变高值区边界处。

3 结束语

通过金厦地区参考基准，将福建地区和台湾地区GPS 速度场融合，并推估了台湾海峡地区地壳运动速度场，形成了闽台地区连续地壳运动速度场，进而可以直观显示出从台湾地区经台湾海峡到福建的地壳运动变化特征。闽台地区最大剪应变场显示，区域地壳形变由强烈的台湾地区，经台湾海峡地区过渡，再到福建减弱到极小。其中台湾海峡地区地壳变形特征首次被揭示。在进行速度场推估时，会存在边界效应，对结果会有一定影响，但闽台地区总体地壳运动与应变场所显示的分布特征是可靠的。通过闽台地区地壳运动与应变场图像，对该区域变形特征，特别是从台湾地区经过台湾海峡，再到福建地区地壳形变的变化样式有了新的认识，更有助于理解菲律宾海板块在该区域的动力作用的强弱分布。