基于GPS观测数据的云南地区地壳形变特征研究

孙云梅，李金平,2

(1.云南师范大学 旅游与地理科学学院，云南 昆明 650500；2.西部资源环境地理信息技术教育部工程研究中心，云南 昆明 650500)

基于GPS观测数据的云南地区地壳形变特征研究

孙云梅1，李金平1,2

(1.云南师范大学 旅游与地理科学学院，云南 昆明 650500；2.西部资源环境地理信息技术教育部工程研究中心，云南 昆明 650500)

利用1999～2013年间多期GPS观测数据，将云南地区分为5个活动块体，研究区域现今水平运动特征、应变特征以及各块体的运动特征，反演主要活动断裂带的走滑速率。结果表明，区域水平运动具有北强南弱的特征，小江断裂带、红河断裂带对云南地区构造活动具有明显控制作用，改变了断裂带两侧的运动特征；区域应变具有明显的差异，西部以拉张应变为主，东部小江断裂带周边地区拉张和挤压应变均衡且为强应变区，滇东地区应变较小；各块体运动方向与速率存在差异，滇东块体为逆时针旋转，其余块体顺时针旋转；基于块体模型反演的主要断裂带的走滑速率与地质方法获取的走滑速率具有较好的一致性。

GPS；活动块体；地壳形变；走滑速率；欧拉旋转

云南地区位于青藏高原东南缘，地处喜马拉雅弧形构造带的东段转折处，是甘孜褶皱系和三江褶皱系的发育区，北东向构造和北西向构造非常发育，存在着数条长断裂带[1]，如红河断裂、小江断裂、曲江断裂带、程海断裂带、丽江—小金河断裂带、澜沧江断裂带、怒江断裂带、南汀河断裂带等。这些断裂带控制着云南地区的构造活动，使地壳形变和地震活动十分强烈，成为地壳形变研究的热点地区。洪敏等[2]分析云南省的GNSS连续观测资料，得到云南地区最大剪应变变化速率存在西强东弱、北强南弱的特征；乔学军等[3]根据1998～2002年间的GPS结果表明安宁河-则木河断裂、小江断裂及红河断裂对活动块体的运动和旋转起到明显的吸收作用；程佳等[4]利用分布在块体内部的GPS资料计算出各次级块体的运动特征和边界断裂带的活动习性；丁开华[5]等利用1998～2004年间的GPS观测成果为约束，认为川滇地区的地壳运动由西向东、由北向南逐渐减弱，且以川滇菱形块体顺时针旋转；杨国华等[6]利用1999～2001年100余个测站的GPS资料得到云南地区水平运动与形变特征，认为云南地区的构造活动具有双重性和分群性，通常条件下，连续形变的活动模式比较突出。刘耀辉等[7]采用DEFNODE程序反演红河断裂带走滑速率、三维闭锁程度和滑动亏损分布,得到红河断裂带闭锁程度和应变积累程度都比较低；刘耀辉等[8]利用块体模型研究小江断裂带地壳运动特征，结果表明小江断裂带闭锁程度较高，应变率积累较大；施发奇[9]等以区域重心基准为参考，从大地测量变形角度研究了小江断裂带各段的地壳形变，得到小江断裂带具有明显的左旋运动特征，并具有一定的张扭性；李煜航等[9]建立三维块体几何模型，利用1999～2007年的GPS数据反演得到青藏高原东缘中南部主要活动断裂滑动速率，使用反演得到的滑动速率和最优断层闭锁深度估算了川滇菱形块体主要边界和其内部断裂的地震矩积累；Loveless等[10]将青藏高原分为24个块体，并利用块体模型反演了青藏高原主要断裂带的走滑速率(含红河断裂带)。

本文利用1999～2013年间的GPS观测数据，结合地质及地球物理资料，研究云南地区的水平运动特征、应变特征以及各块体运动特征，反演了主要活动断裂带走滑速率。

1 云南地区水平运动特征和应变特征

1.1 水平运动特征

云南地区的GPS观测数据主要来自中国地壳运动监测网络1999～2013年间的水平速度场。数据处理主要步骤：①采用GIPSY软件，按标准流程进行严密的数据处理，获得各站点坐标的单日松弛约束解；②用QOCA软件，把所有单日松弛约束解进行联合平差，获得各站点在稳定欧亚参考框架下的坐标及水平速度矢量，如图1所示。

图1 云南地区GPS水平速度场(相对稳定欧亚参考框架)

从图1可以看出：欧亚参考框架下云南地区水平运动特征是北强南弱，丽江小金河以北运动速率约为15.65mm/a，小江断裂带与红河断裂带之间的滇中地区运动速率约为14.04 mm/a，安宁河-则木河-小江断裂带以东运动速率约为7.67 mm/a，红河断裂带南部地区的运动速率约为8.3 mm/a，水平运动特征差异性是由于青藏高原地下物质在向东南移动时受到丽江-小金河断裂带、红河断裂带和安宁河-则木河-小江断裂带的控制调节作用产生的。其中，丽江-小金河断裂带的控制调节作用弱，而作为川滇块体边界的红河断裂带和小江断裂带具有较强的控制作用，使得运动速率减弱了45%左右。

1.2 应变特征

以块体运动为主的地区，由于块体间相互作用，不仅会产生平移和旋转，同时其内部也会发生形变[5]。采用GPS速度场来计算应变率场可以很好的反映区域形变特征，但GPS站点一般沿主要断裂带布设，分布不均匀，因此采用文献[12]的应变计算方法, 对非均匀分布的速度场进行0.5°×0.5°内插得到网格节点的速度矢量，进而计算出云南地区连续变化的应变率场和欧拉旋转运动，如图2和图3所示。

图2 云南地区现今主应变率图

图3 云南地区欧拉旋转运动注：顺时针旋转 逆时针旋转

图2看出，云南地区应变特征具有分区性，具有明显的弧形分区过渡带(小应变值)。102°以西地区以拉张应变为主，拉张应变值为(20～40)×10-9/a；102°以东地区拉张应变与挤压应变具有较好的均衡性，作为青藏高原东边界的小江断裂带周边区域为强应变区，拉张应变值为(30～60)×10-9/a,挤压应变值为(40～70)×10-9/a，104°以东地区应变值为(2～16)×10-9/a，应变较弱。图3看出，区域欧拉旋转也具有分区性，102.25°以西区域为顺时针旋转，以东区域逆时针旋转，小江断裂带旋转速率相对较大，达(15～30)×10-9rad/a。

2 云南地区活动块体及运动特征

2.1 活动块体划分

依据文献[3-4，13]对川滇地区的块体划分结果，结合云南地区内发育的大型断裂带如红河断裂带、丽江-小金河断裂带、小江断裂带、澜沧江断裂带、怒江断裂带等和GPS数据揭示的速度场结果，将云南地区分为滇东块体(Ⅰ)、滇中块体(Ⅱ)、景谷-西盟块体(Ⅲ)、腾冲-保山块体(Ⅳ)、香格里拉块体(Ⅴ)，如图4所示。

图4 云南地区活动块体划分及运动特征

2.2 活动块体运动特征

将活动块体视为刚体，运用刚体运动学中的欧拉定理求出转动矢量。地壳GPS速度与欧拉矢量之间的关系[5，14]为

(1)

式中：vE和vN分别表示测站的东向速率和北向速率；λ和φ分别表示测站的经度和纬度；r为地球半径；ωx，ωy，ωz分别表示欧拉运动矢量的三分量。利用ωx，ωy，ωz计算出欧拉矢量参数，其中Λ和φ分别为欧拉极的经度和纬度，Ω为角速率。

(2)

依据式(1)和式(2)计算出云南地区各活动块体的欧拉运动参数，如表1所示，空间展布特征如图4所示。

表1 云南地区各块体的欧拉参数和运动矢量

注：欧拉矢量为正表示顺时针旋转，为负表示逆时针旋转

从表1和图4可以看出，滇东块体欧拉旋转为逆时针，其余块体欧拉旋转为顺时针，其中各块体的旋转角速率、运动方向各异。各活动块体的运动特征为：

1)滇东块体。滇东块体位于小江断裂带以东地区，地处华南构造区，该块体没有受到青藏高原侧东向滑移变形的影响[3]。受小江断裂带的影响，滇东块体与滇中块体间的水平运动速度衰减了近45%，块体水平运动速度为7.67 mm/a，运动方向为128.55°，欧拉旋转速率为0.13°/Ma，是欧拉旋转最小的区域。说明小江断裂带对滇中块体的运动具有吸收作用，而且改变了运动方向，使滇东块体成逆时针旋转。

2)滇中块体。滇中块体是川滇菱形块体的次级活动块体，由丽江-小金河断裂带、安宁河-则木河断裂带、小江断裂带和红河断裂带围成，块体内部以南北向构造带为主，块体的水平运动速度为14.04 mm/a，运动方向为154.67°，以东南侧向滑移为主要特点，欧拉旋转速率为0.67°/Ma，是欧拉旋转最大的区域。滇中块体的运动速率由北往南逐渐减弱，表明滇中块体的旋转运动受到景谷-西盟块体的抑制。

3)香格里拉块体。香格里拉块体由金沙江断裂带与丽江-小金河断裂带围成，块体的水平运动速率为15.65 mm/a,运动方向为142.44°，欧拉旋转速率为0.4°/Ma。该块体在云南地区的运动速率最大，受到云南地区断裂带、华南块体的影响微弱。

4)腾冲-保山块体。腾冲-保山块体位于南汀河断裂带、红河断裂带北段与金沙江断裂带之间，该块体内包含怒江断裂带、澜沧江断裂带北段,块体的水平运动速度为8.93 mm/a,运动方向为204.34°，欧拉旋转速率0.32°/Ma。块体的运动速率明显减弱，是云南地区中运动速率最小、运动方向变化最大的块体，说明红河断裂带对块体运动具有吸收作用并改变了块体运动方向，。

5)景谷-西盟块体。景谷-西盟块体位于红河断裂带南段与澜沧江断裂带南段之间,该块体内构造复杂，既有南北向的活动断裂带，又有北东向的活动断裂带[3]，整个块体的水平运动速度为7.72 mm/a，运动方向为152.54°，欧拉旋转速率为0.19°/Ma。对比滇中块体，运动速度衰减了近55%，说明红河断裂带对滇中块体的运动具有吸收作用，向东南运动时受到缅甸块体的阻挡。

3 主要活动断裂带的运动特征

利用DEFNODE位错模型程序反演云南地区主要断裂带走滑速率[14]，如图5所示(图中右旋走滑速率和拉张速率为正，左旋走滑速率和挤压速率为负)。

图5 云南地区主要断裂带运动速率

分析表明，本文位错模型反演的断裂带走滑速率与地质测定或其他学者利用GPS数据反演的走滑速率具有很好的一致性，见表2。其中澜沧江断裂带与小江断裂带的走滑速率与其他学者通过GPS数据反演结果有一些差异，可能是块体划分及选择的位错模型存在一定差异。

表2 云南主要断裂带走滑滑动速率 mm/a

续表2

注：表2中滑动速率为正表示右旋，为负表示左旋

4 结束语

云南地区的水平运动特征表现为北强南弱，而小江断裂带和红河断裂带两侧运动速率存在明显差异，表明小江断裂带和红河断裂带对云南地区的运动特征起到明显的调节控制作用。云南地区的应变特征空间展布呈现分区性，有一条明显的弧形过度转换带，西部地区以拉张应变为主，东部地区挤压应变值与拉张应变值基本一致，高应变率区域位于小江断裂带周边地区，且与欧拉旋转特征具有较好的对应性。将云南地区划分为5个活动块体，各块体的欧拉旋转矢量和运动速率存在明显差异，利用DEFNODE位错模型反演断裂带走滑速率，小江断裂带为左旋走滑运动，红河断裂带、怒江断裂带、澜沧江断裂带为右旋走滑运动，与地质方法得到的走滑速率具有较好的一致性。

[1] 韩月萍,杨国华,高艳龙.云南中部及周围地区近期地壳形变特征[J].大地测量与地球动力学,2009,29(6):64-67.

[2] 洪敏,张勇,邵德盛,等.云南地区近期地壳活动特征[J].地震研究所,2014,37(3):367-372.

[3] 乔学军,王琪,杜瑞林,等.川滇地区活动地块现今地壳形变特征[J].地球物理学报,2004,47(5):805-811.

[4] 程佳,徐锡伟,甘卫军,等.青藏高原东南缘地震活动与地壳运动所反映的块体特征及其动力来源[J].地球物理学报,2012,55(4):1198-1212.

[5] 丁开华,许才军,邹蓉,等.利用GPS分析川滇地区活动地块运动与应变模型[J].武汉大学学报,2013,38(7):822-827.

[6] 杨国华,王琪,王敏,等.云南地区现今地壳水平运动与变形特征[J].大地测量与地球动力学,2003,23(2):7-14.

[7] 刘耀辉,李金平,王刘伟,等.小江断裂带地壳运动特征及地震危险性研究[J].测绘工程,2015,24(7):58-64.

[8] 刘耀辉,李金平,王刘伟,等.红河断裂带闭锁程度和滑动亏损分布[J].测绘工程,2015,24(8):20-24.

[9] 施发奇,尤伟,付云文,等.GPS资料揭示的小江断裂近期运动特征[J].地震研究,2012,35(2):207-212.

[10] LOVELESS J P,MEADE B J. Partitioning localized and diffuse deformation in the Tibetan Plateau from joint inversions of geologic and geodetic observation[J].Earth and Planetary Science Letter, 2011, (303) :11-24.

[11] 李煜航,郝明,季灵运,等.青藏高原东缘中南部主要活动断裂滑动速率及其地震矩亏损[J].地球物理学报, 2014,57(4):1062-1078.

[12] 李金平.基于GPS位移资料的地壳现今形变特征研究[J].测绘通报,2008(1):16-19.

[13] 骆佳骥,崔效锋,胡幸平.川滇地区活动块体划分与现代构造应力场分区研究综述[J].地震研究,2012,35(3):309-317.

[14] MCCAFFREY R.DEFNODE User’s Manual Version 2007.10. 25[J]. .http://web. pdx. edu/ mccaf/www/defnode/defnode_071025. Html,2007.

[15] 虢顺民,计凤桔,向宏发,等.红河活动断裂带[M].北京：海洋出版社,2001:124.

[16] 唐方头,宋键,曹忠权,等.最新GPS数据揭示的东构造结周边主要断裂带的运动特征[J].地球物理学报,2010,53(9):2119-2128.

[17] 徐锡伟，闻学泽,邓荣章,等.川滇地区活动块体最新构造变动样式及其动力来源[J].中国科学(D辑)，2003,33(增):151-162.

[责任编辑：张德福]

Research on crustal deformation characteristics in Yunnan area based on GPS observation data

SUN Yunmei1, LI Jinping1,2

(1.School of Tourism and Geographic Science, Yunnan Normal University, Kunming 650500, China;2. GIS Technology Engineering Research Centre for West-China Resources and Environment of Educational Ministry, Kunming 650500, China)

Yunnan area are divided into five active blocks based on GPS velocity field during 1999～2013. Horizontal motion characteristics of the Yunnan region, the vectors of five active blocks, the strain field of area are calculated and analyzed and the slip velocities of main faults are presented. The result indicates that the regional horizontal movement has the characteristics of north strong south. The Red River fault and Xiaojiang fault have obvious control effect on Yunnan region activities, changing the movement characteristics of the fault both sides. The regional strain is obviously different. The west is dominated by tensile strain. The tension and compress strain is equilibrium and strong of the eastern Xiaojiang fault zone. The minimum strain is located in east area of Yunnan. The calculation of each block motion direction and velocity has been inconsistent. Yunnan east area goes by anti-clockwise rotation and other blocks clockwise rotation. The slip rate of the main fault zone based on block model inversion is consistent with the geological method.

GPS; active block; crustal deformation; slip rate; Euler rotation

著录：孙云梅，李金平.基于GPS观测数据的云南地区地壳形变特征研究[J].测绘工程，2017，26(11)：32-36.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.11.007

2017-03-20

国家自然科学基金资助项目(41461087)

孙云梅(1992-),女,硕士研究生.

P228

A

1006-7949(2017)11-0032-05