全球板塊運(yùn)動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中歐矢量_第1頁(yè)
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全球板塊運(yùn)動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中歐矢量

高精度空間大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展允許人們精確地測(cè)量當(dāng)前板塊運(yùn)動(dòng)的愿望。經(jīng)過十幾年連續(xù)觀測(cè)的積累,目前幾種主要空間大地測(cè)量技術(shù)(VLBI,SLR,GPS)已能以優(yōu)于5mm/a的精度測(cè)定現(xiàn)時(shí)板塊運(yùn)動(dòng)。對(duì)這些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,可以建立一個(gè)完全基于空間大地測(cè)量實(shí)測(cè)的現(xiàn)時(shí)板塊運(yùn)動(dòng)模型。地學(xué)板塊運(yùn)動(dòng)模型(如NUIVEL-1A)是根據(jù)地球物理和地質(zhì)資料導(dǎo)出的,它是最近幾百萬年內(nèi)板塊運(yùn)動(dòng)的平均效果,而不是正在發(fā)生的現(xiàn)時(shí)板塊運(yùn)動(dòng)?,F(xiàn)時(shí)模型與地學(xué)模型的比較,可以對(duì)板塊的剛性、板塊運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性等重大地學(xué)問題的解決提供證據(jù),具有重要的科學(xué)意義。本文作者采用3個(gè)國(guó)際最著名的數(shù)據(jù)處理中心(GSFC,CSR,JPL)對(duì)所有VLBI和SLR觀測(cè)數(shù)據(jù)(1979.0~1994.0)以及GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)(1991.0~1994.0)進(jìn)行處理后得到的3種技術(shù)觀測(cè)站的站速度,解算了北美(NOAM)、歐亞(EURA)、太平洋(PCFC),澳大利亞(AUST)、非洲(AFRC)、南美(SOAM)、南極(ANTA)共7個(gè)板塊之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)歐拉矢量,建立了一個(gè)新的包括7個(gè)板塊的現(xiàn)時(shí)板塊運(yùn)動(dòng)模型,稱為SGPMM2。與以前建立的SGPMM1相比,SGPMM2新增加了非洲、南極洲、南美板塊,并從原歐亞板塊內(nèi)分出了南中國(guó)板塊。通過新建模型SGPMM2與地學(xué)板塊運(yùn)動(dòng)模型NUVEL-1A的相互比較,分析了板塊運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性,得出了幾點(diǎn)初步結(jié)論。此外,本文還首次導(dǎo)出了南中國(guó)板塊相對(duì)于歐亞大板塊的運(yùn)動(dòng)參數(shù),并分析了其構(gòu)造學(xué)意義。1數(shù)據(jù)和方法1.1遲和延遲率觀測(cè)數(shù)據(jù)VLBI板塊運(yùn)動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來自美國(guó)宇航局(NASA)哥達(dá)德航空飛行中心(GSFC)提交給國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)機(jī)構(gòu)(IERS)的GSFC94R01ˉ收稿日期∶1998-07-08解。這次解算處理了從1979.0至1994.0約15年的全球MarkⅢVLBI時(shí)間延遲和延遲率觀測(cè)數(shù)據(jù),給出了127個(gè)VLBI觀測(cè)站的地心坐標(biāo)和其中近100個(gè)測(cè)站的站速度。這些站速度的精度大部分好于3mm/a。SLR板塊運(yùn)動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)選自美國(guó)德克薩斯大學(xué)空間研究中心(CSR)提交給IERS的CSR94L01解。這次解算處理了從1976.0至1994.0約18年的全球主要激光站對(duì)LAGEOS衛(wèi)星的測(cè)距數(shù)據(jù),得到了116個(gè)地面觀測(cè)站的地心坐標(biāo)和其中60多個(gè)測(cè)站的站速度,這些站速度的精度大部分優(yōu)于5mm/a。GPS板塊運(yùn)動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)選自美國(guó)加州技術(shù)研究院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)提交給IERS的JPL94P01解。因GPS高精度大地測(cè)量觀測(cè)在90年代初才獲得成功,這次解算僅處理了從1991.0~1994.0約3年的GPS相位觀測(cè)數(shù)據(jù),估計(jì)了全球41個(gè)GPS核心站的地心坐標(biāo)和站速度。因觀測(cè)時(shí)間尚短,GPS站速度的精度較差,大都在5mm/a左右。1.2不同參考架間轉(zhuǎn)換因?yàn)閂LBI、SLR、GPS站速度是由不同國(guó)際空間數(shù)據(jù)分析中心解算的,其各自運(yùn)動(dòng)學(xué)參考架的約定會(huì)有所不同。要綜合利用3種數(shù)據(jù),必須使其統(tǒng)一在一個(gè)特定的運(yùn)動(dòng)學(xué)參考架中??刹捎萌缦履P瓦M(jìn)行參考架統(tǒng)一:[V′XV′YV′Ζ]=[VXVYVΖ]+[ΤVXΤVYΤVΖ]+[0X-Y-X0ΖY-Ζ0][RVXRVYRVΖ](1)式中,V′X、V′Y、V′Z和VX、VY、VZ分別是同一測(cè)站在不同參考架中的站速度;TVX、TVY、TVZ、RVX、RVY、RVZ是兩個(gè)參考架間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。由(1)式可估計(jì)出任意兩種參考架相對(duì)于第三種參考架的轉(zhuǎn)換參數(shù),由這些轉(zhuǎn)換參數(shù)即可把前兩種站速度轉(zhuǎn)換至第三種參考架中。因目前3種技術(shù)的并置測(cè)站較少,轉(zhuǎn)換參數(shù)可能估計(jì)不準(zhǔn),因此本文采用另一種方法??紤]到歐亞板塊上3種技術(shù)測(cè)站都比較多,通過分別剔除3種技術(shù)在歐亞板塊穩(wěn)定地區(qū)測(cè)站的整體運(yùn)動(dòng)(假定歐亞板塊是不動(dòng)的),即可把3種站速度歸算到一個(gè)統(tǒng)一的歐亞固定參考架之中。1.3垂向站速度v原理上,板塊運(yùn)動(dòng)歐拉矢量?Ω與測(cè)站地心速度?V之間有如下關(guān)系:?V=?Ω×?r(2)式中,?r是測(cè)站地心位置矢量。如果已知?V和?r就可估計(jì)出?Ω。因板塊運(yùn)動(dòng)主要反映在水平站速度之中,況且目前VLBI、SLR、GPS這3種技術(shù)確定垂向站速度還不夠精確,直接采用地心站速度?V可能會(huì)使板塊運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)受到垂向站速度誤差的影響。所以實(shí)用中常把測(cè)站地心速度轉(zhuǎn)換為站心速度,并采用其水平分量(東向Vei和北向Vni)來求解板塊運(yùn)動(dòng)歐拉矢量?Ω。即采用下式[VniVei]=[Rsinλi-Rcosλi0-Rsinφicosλi-RsinφisinλiRcosφi][ΩXΩYΩΖ](3)式中,R為地球平均半徑;φi、λi為第i站的地心緯度和經(jīng)度;ΩX、ΩY、ΩZ為?Ω的3個(gè)分量。如果已測(cè)得全球各板塊上穩(wěn)定測(cè)站的水平站速度,則可由(3)式估計(jì)出其中某一板塊的“絕對(duì)”歐拉矢量和各板塊之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)歐拉矢量。測(cè)站越多且分布合理,站速度精度越高,則估計(jì)的板塊歐拉矢量越準(zhǔn)確。1.4穩(wěn)定測(cè)站的選取板塊并不是嚴(yán)格意義上的剛體,板塊內(nèi)局部地區(qū)和邊界地區(qū)都存在著形變。在建立板塊運(yùn)動(dòng)模型時(shí),必須選擇那些位于板塊穩(wěn)定主體內(nèi)的臺(tái)站,這樣其站速度才能完全反映板塊的主體運(yùn)動(dòng)。穩(wěn)定臺(tái)站的選擇:1)主要根據(jù)測(cè)站所處地區(qū)的構(gòu)造形變特征來判定;2)也可依據(jù)空間技術(shù)測(cè)定的站間基線變化率(如果有的話)是否接近于零來判定;3)還可由同一板塊上各測(cè)站速度的一致性來判定,即剔除測(cè)站的整體性運(yùn)動(dòng)之后,穩(wěn)定測(cè)站的殘差站速度應(yīng)很小。采用上述方法,在歐亞板塊上我們選擇了34個(gè)穩(wěn)定測(cè)站(18個(gè)VLBI站,7個(gè)SLR站,9個(gè)GPS站),這些臺(tái)站大都位于西歐地區(qū)。位于南中國(guó)板塊上的上海VLBI和SLR站及臺(tái)灣GPS站被單獨(dú)用于求解南中國(guó)板塊的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。在北美板塊上我們選擇了52個(gè)穩(wěn)定測(cè)站(40個(gè)VLBI站,6個(gè)SLR站,6個(gè)GPS站)。這些站大都分布在北美板塊中部穩(wěn)定地區(qū)。在太平洋板塊上我們選擇了5個(gè)VLBI站,4個(gè)SLR站和5個(gè)GPS站,這些站都位于太平洋板塊中部。接近于北美板塊邊界的FORTORD和VNDNBERG兩站,因可能受形變影響而沒有采用。因澳大利亞板塊內(nèi)無明顯的形變,我們選擇了位于該板塊上的所有7個(gè)測(cè)站(2個(gè)VLBI站,2個(gè)SLR站,3個(gè)GPS站)。南美板塊上選擇了3個(gè)VLBI站,2個(gè)SLR站和3個(gè)GPS站。非洲板塊上選擇了2個(gè)VLBI站,1個(gè)SLR站和2個(gè)GPS站。在南美與非洲板塊上因測(cè)站少,選擇余地小,入選的少數(shù)幾個(gè)站的構(gòu)造穩(wěn)定性還有待商榷。南極洲板塊上僅有2個(gè)測(cè)站(1個(gè)VLBI、1個(gè)GPS),且觀測(cè)時(shí)間都不長(zhǎng),站速度誤差較大。對(duì)南極洲板塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)估計(jì)會(huì)產(chǎn)生較大影響。但作為嘗試,我們?nèi)赃x這兩個(gè)站參加估計(jì)。2sdpm2相對(duì)運(yùn)動(dòng)的特征隨著觀測(cè)時(shí)間的積累,測(cè)站站速度的估計(jì)精度有了明顯提高,具有實(shí)測(cè)站速度的測(cè)站在各板塊上的分布也漸趨合理。這就使新建SGPMM2模型比以前的SGPMM1有了明顯改善:1)板塊間相對(duì)運(yùn)動(dòng)歐拉矢量的估計(jì)精度提高了,與地學(xué)估計(jì)值也更為接近;2)增加了新的板塊。如非洲和南極洲板塊相對(duì)于其它板塊的運(yùn)動(dòng)參數(shù)是首次導(dǎo)出。還將南中國(guó)板塊從歐亞板塊中分離出來,首次估計(jì)出兩者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。SGPMM2與地學(xué)板塊運(yùn)動(dòng)模型NUVEL-1A的比較在表1中給出。NUVEL-1A是由NUVEL-1經(jīng)地磁倒轉(zhuǎn)時(shí)間尺度修正后的新模型。最近DeMets等指出,NUVEL-1所用的地磁倒轉(zhuǎn)時(shí)間尺度使得它所估計(jì)的板塊運(yùn)動(dòng)速率比新尺度快了4.58%。從SGPMM2與NUVEL-1A的比較可以看出,對(duì)于EURA、NOAM、PCFC、AUST、AFRC和SOAM這6個(gè)主要板塊,兩種模型有較好的一致性。說明全球板塊運(yùn)動(dòng)在最近300萬年內(nèi)總體上是穩(wěn)定的。但也發(fā)現(xiàn)了不太一致的情況,例如太平洋板塊相對(duì)于歐亞、北美和南極板塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率稍大于NUVEL-1A給出值;一些板塊之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)歐拉極與NUVEL-1A給出極稍有偏離。這些不一致的原因部分是因?yàn)橛行┌鍓K上可用的穩(wěn)定測(cè)站較少或分布不合理,觀測(cè)時(shí)間較短(如南極洲板塊);而對(duì)于臺(tái)站較多且觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)的板塊(如太平洋與北美和歐亞板塊),也可能表明這些板塊之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生了微小的變化。由于新增加的位于歐亞板塊東北部的兩個(gè)VLBI站的約束,使SGPMM2的EURA-NOAM歐拉極比SGPMM1更為接近NUVEL-1A,精度也有明顯改善。但SGPMM2的極仍比NUVEL-1A的極偏西北約7°。這可能起因于測(cè)站大都位于西歐一小塊地區(qū),而巨大歐亞板塊的東部和中部測(cè)站卻較少,對(duì)歐拉極約束較差。但也不排除兩板塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生微小改變的可能性。兩者旋轉(zhuǎn)速率的不一致主要起因于歐拉極的偏差,如使兩者歐拉極一致,并考慮到兩板塊上一些測(cè)站會(huì)受到冰期后地殼回彈的影響,則實(shí)測(cè)的兩板塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率與地學(xué)估計(jì)值有極好的一致,說明兩板塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率是穩(wěn)定的。跨大西洋的VLBI基線測(cè)量結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。SGPMM2的PCFC-NOAM和PCFC-EURA歐拉極與NUVEL-1A有極好的一致,但旋轉(zhuǎn)速率在統(tǒng)計(jì)意義上明顯地偏大約4.5%和6%,量級(jí)為0.03±001°/Ma和0.06±0.01°/Ma。最近DeMets等也指出,VLBI數(shù)據(jù)估計(jì)的太平洋到北美板塊基線變化率也比NUVEL-1A估計(jì)值一致性地偏大約5±4mm/a。這可能說明太平洋板塊相對(duì)這兩個(gè)板塊的運(yùn)動(dòng)速率在最近300萬年里稍微地加快了。在SGPMM2中,澳大利亞與北美、歐亞、太平洋、非洲和南美諸板塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)歐拉極都較接近于NUVEL-1A給出值,且兩模型的旋轉(zhuǎn)速率也有極好的一致(差值均不超過0.01°/Ma)。表明在最近300萬年內(nèi)澳大利亞相對(duì)于其他幾個(gè)板塊的運(yùn)動(dòng)是很穩(wěn)定的。關(guān)于非洲和南美板塊相對(duì)于歐亞、北美和澳大利亞板塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng),本文作者首次給出了較為可靠的估計(jì)結(jié)果。從表1可以看出,SGPMM2的估計(jì)值都與NUVEL-1A相應(yīng)值比較接近,只是估計(jì)誤差還比較大。表明最近300萬年里非洲和南美兩板塊相對(duì)于其它3個(gè)板塊的運(yùn)動(dòng)基本上是穩(wěn)定的。因這兩個(gè)板塊上穩(wěn)定測(cè)站尚少,且站速度誤差還比較大,我們還不能根據(jù)SGPMM2與NUVEL-1A的一些差別來判定某個(gè)板塊對(duì)的相互運(yùn)動(dòng)是否發(fā)生了微小變化。南極洲板塊上僅有兩個(gè)站,且站速度誤差較大,這使得南極洲板塊與其它板塊的歐拉矢量估計(jì)值誤差較大,與NUVEL-1A的偏離比較明顯。只有南極洲與太平洋和澳大利亞的歐拉矢量估計(jì)值比較好。未來的改進(jìn)取決于在南極板塊上布設(shè)更多的站并進(jìn)行連續(xù)不斷的觀測(cè)。印度板塊高速插入歐亞板塊之下,使青藏高原顯著隆起,并產(chǎn)生了幾條巨大的東西向滑動(dòng)斷裂帶,位于兩條主要滑動(dòng)斷裂帶之間的北西藏塊體,受南北兩塊體的擠壓轉(zhuǎn)而向東運(yùn)動(dòng),在龍門山斷裂帶與南中國(guó)板塊相接。Armijo等根據(jù)北西藏塊體與周圍塊體的斷層走向和滑動(dòng)速率,估計(jì)出北西藏塊體相對(duì)于歐亞板塊主體的歐拉矢量為-17.0°S,61.4°W,0.458°/Ma,證明了北西藏塊體的東向運(yùn)動(dòng)。根據(jù)構(gòu)造學(xué)推斷,北西藏塊體的東向運(yùn)動(dòng)將推動(dòng)南中國(guó)板塊向東偏南運(yùn)動(dòng)。本文作者采用位于南中國(guó)板塊上上海和臺(tái)灣兩站的實(shí)測(cè)站速度,在全球地殼運(yùn)動(dòng)場(chǎng)中首次估計(jì)出南中國(guó)板塊相對(duì)于歐亞板塊的運(yùn)動(dòng)參數(shù)(見表1)。這個(gè)結(jié)果與Armijo等利用地學(xué)數(shù)據(jù)估計(jì)的北西藏塊體的運(yùn)動(dòng)方向基本一致,量級(jí)稍小一些,說明在龍門山斷裂帶可能有速率損失。作為對(duì)印度板塊高速插入歐亞板塊之下的響應(yīng),這個(gè)結(jié)果證實(shí)了南中國(guó)板塊受北西藏塊體東向擠壓而向東偏南運(yùn)動(dòng)的構(gòu)造學(xué)推斷。3中國(guó)板塊、澳大利亞板塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)的基本情況根據(jù)上述分析,可得出如下

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