基于ITRF2005基準下的速度場融合分析中國大陸板塊運動趨勢＊

李萬能，金平偉，向家平，張自軍，李嵐斌

（珠江水利委員會珠江流域水土保持監測中心站，廣東 廣州510611）

0 引 言

中國大陸位于歐亞板塊塊體上，被夾持在印度板塊、菲律賓板塊、太平洋板塊以及西伯利亞－蒙古板塊之間，是亞洲東部新構造變形極其強烈的區域，特別是南部地震帶以西的青藏高原和西北地區的構造活動更為強烈、復雜［1］。關于中國大陸板塊體構造及其運動已有很多研究，文獻［2］與文獻［3］給出了中國及鄰區活動板塊、亞板塊與塊體劃分和板內塊體的現今運動圖像。

對于中國大陸周邊板塊的作用已有大量的研究，但絕大部分都是定性描述，GPS技術的應用為有效解決這個問題奠定了基礎［4］。我國開展GPS空間大地測量已有20多年，結合全球學者對青藏高原地區20年的研究成果，可利用數據融合得到統一ITRF2005下的GPS的速度場，通過得到的速度場結果探討中國大陸各個塊體間的相對運動趨勢。

1 剛性板塊運動的基本理論

如果將板塊當作剛性體，則板塊運動歐拉矢量w與測站地心速度V之間有

式中r是測站地心位置矢量。

因板塊運動主要反映在水平站速度之中，目前VLBI、SLR、GPS三種技術確定垂直站速度還不夠精確［5］，直接采用地心站速度V可能會使板塊運動參數估計受到垂向站速度誤差的影響。實際應用中，常把測站地心速度轉換為站心速度，并采用水平分量（東向速度Ve和北向速度Vn）求解板塊歐拉矢量w.

由于板塊運動主要沿水平方向，而ITRF2005速度場是地心直角坐標速度，通過式（2）轉換為地面坐標，并將水平速度分離出來。

式中：λ和φ分別是測站的經度和緯度；r為每個點對應的矢徑；［VnVe］為測站站心速度；［VxVyVz］為測站地心速度。

式中：［X，Y，Z］為站點站心三維坐標；［wx，wy，wz］為角速度分量。

需要注意的是，由于測站高程變化對Ve、Vn影響很小，故許多文獻將式（3）近似表示為

如果已知一定數量的點的位置坐標及其速度，可以按照式（4）求出歐拉矢量的分量wx，wy，wz，其歐拉矢量表示的球面坐標為（Ω，λ，φ）。

其中：

按誤差傳播率可得（Ω，λ，φ）的中誤差

式中 ［σΩσλσφ］為球面坐標誤差分量。

2 數據處理

2.1 GPS數據融合

對速度場進行融合，必須將不同參考框架下的速度轉到同一參考框架下。選用ITRF2005作為統一參考框架，經速度場數據融合，得到統一框架下的全球地殼運動水平速度場。具體分為三個步驟：①空間坐標框架轉到ITRF2005參考框架；②區域參考框架轉到ITRF2005參考框架；③用多組數據公共點融合速度場［6］。

1）空間坐標框架轉到ITRF2005參考框架

國際地球自轉服務組織（IERS）給出了多數ITRF參考框架之間的轉換參數，利用這些轉換參數可將相對某框架的速度轉到目標框架下。但大多數情況下，參考框架間的轉換參數是未知的，需要知道它們之間的轉換關系，通過對應的IGS站的數據求轉換參數，通常采用七參數的布爾沙（Bursa）模型。

2）區域參考框架轉到ITRF2005參考框架

目前，研究地殼運動的速度場框架既有全球框架，如ITRF、WGS84等，也有區域參考框架，如相對歐亞參考框架、相對北美參考框架等。在研究區域問題時，區域框架比全球框架更能直觀地反映地殼的運動情況。全球參考框架和區域參考框架都可用七參數轉換方法轉到統一的參考框架系統。

3）用多組數據的公共點進行速度場融合

經過以上兩步處理，利用各組數據中的公共點，由最小二乘法求解出參考框架之間的轉換參數，從而把不同框架下的速度轉換到統一的ITRF2005參考框架下。多期觀測數據轉換到同一參考框架下后，數據可能存在重復與誤差比較大的點。為了得到統一、自洽的速度場，還需進行數據融合工作。對于重復的測站，用加權平均方法得到最后的速度；對于后者，一般用2倍中誤差進行篩選后刪除［7］。

2.2 基于ITRF2005中國大陸水平運動場結果

選取從1990－2009年間研究中國大陸板塊的速度場結果，通過數據融合得到中國大陸的水平運動速度場的結果，如圖1所示。

從圖中可以明顯看出中國大陸整體運動基本特征，在全球ITRF2005框架下，中國大陸存在明顯的向東運動。向東運動速率各個地塊有所不同。其中，青藏地區東南和南北地震帶的中南部最大，最大可以達到91.3mm／a，最小31.6mm／a，一般為40～60mm／a.其次為東南地區，最大可以達到65mm／a，最小為24.6mm／a，一般為30～40mm／a.最小的為東北地區，最大可以達到30.9mm／a，最小為18.2mm／a，平均大概在20～30mm／a.這個結果與李延興結果從整體上有很好的一致性［8］，只是數值略大一些。

2.3 最新ITRF2005基準下的中國大陸板塊趨勢結果

對中國大陸進行板塊劃分的結果比較多［1，8－11］，采用石耀 霖結論 將中國 大 陸 劃 分為9個塊體，分別為東北塊體（DB）、華北塊體（HB）、華南塊體（HN）、鄂爾多斯塊體（EED）、川滇塊體（CD）、準格爾－阿拉善塊體（ZGE）、柴達木塊體（CDM）、西藏塊體（XZ）與塔里木塊體（CLM）。

采用金雙根對各個GPS數據進行臺站剛體檢驗［12］，通過得到的GPS的數據利用式（1）～式（5）計算以上9個塊體的歐拉極位置以及轉動角速度，如表1所示。

表1 中國大陸9個塊體的絕對歐拉矢量（相對于ITRF2005）

圖1 1990－2009年基于ITRF2005框架下中國大陸GPS水平速度場

從表中可以看出，不同塊體轉動的角速度大小差異比較明顯，歐拉極的位置差異也比較明顯。一般來說，西部地區最大，其次為東南地區，最小的為東北地區。文中結果與張強得到的華南塊體、塔里木塊體結果基本上一致［13］，與華北塊體、川滇塊體、西藏塊體存在一定差異。本文結果與石耀霖結果存在明顯的差別［1］，主要原因有幾條：

1）收集的GPS數據量不同；

2）收集數據具有平均性；

3）臺站選取方法不同。

基于以上原因，導致結果存在一定差異性，然而文中通過多組數據計算得出的歐拉矢量具有一定的可靠性。由于目前GPS數據的收集以及測站的增加，對于各個板塊的趨勢精度具有很大的提高。

3 結 論

確定的中國地殼各個構造塊體的歐拉矢量與丁國瑜建立的中國各個構造板塊運動的地質學模型呈現較好的一致性［2］，驗證了丁國瑜所建立的地質學模型的可靠性和合理性。得出各個塊體的運動速率明顯大于丁國瑜的地質模型的值，對于其產生原因是一個值得進一步研究的重要課題。

通過多年的GPS成果分析中國各個構造塊體的運動趨勢，是目前地學研究中一個比較新的領域，結合目前大地測量中的數據融合技術方法，分析中國大陸的1990－2009年間平均的趨勢，其結果具有明顯的平均效果，雖然結果與多位學者結果存在一定差距，但是整體趨勢具有一致性。

［1］ 石耀霖，朱守彪.利用GPS觀測資料劃分現今活動塊體的方法［J］.大地測量與地球動力學，2004，24（2）：1－5.

［2］ 丁國瑜.中國巖石圈動力學概論［M］.北京：地震出版社，1991.

［3］ 馬杏垣，丁國瑜.中國巖石圈動力學地圖集［M］.北京：中國地震出版社，1979.

［4］ 楊國華，江在森，武艷強，等.中國大陸整體無凈旋轉基準及其應用［J］.大地測量與地球動力學，2005，25（4）：6－10.

［5］ PETER B.An updated digital model of plate boundaries［J］.Geochem.Geophys.Geosysr，2003，4（3）：1027－1030.

［6］ 郭東美，李 軍，熊 熊，等.地殼運動速度場的數據融合研究［J］.武漢大學學報·信息科學版，2008，33（2）：212－215.

［7］ 朱文耀，韓繼龍，馬文章.基于ITRF96和ITRF97板塊運動模型［J］.天文學報，2000，41（3）.312－319.

［8］ 李延興，張靜華，李 智，等.由GPS網融合得到的中國大陸及周邊地區的地殼水平運動［J］.測繪學報，2003，32（3）：301－307.

［9］ 黃立人，馬 青.GPS測站所處構造位置的統計檢驗［J］.地殼形變與地震，1999，19（4）：27－31.

［10］ 黃立人.用于相對穩定點組判別的QUAD法［J］.大地測量與地球動力學，2002，22（2）：10－15.

［11］ 伍吉倉，鄧康偉，陳永奇.用邊長變化結果計算地應變及塊體劃分［J］.大地測量與地球動力學，2002，22（4）：35－38.

［12］ 金雙根，朱文耀.確定板塊運動學模型的臺站選?。跩］.大地測量與地球動力學，2003，23（3）：56－60.

［13］ 張 強，朱文耀.中國地殼各構造塊體運動模型的初建［C］∥2000年中國博士后學術大會論文集，2000：223－227.