基于gps测量和最小二乘配置的地壳形变特征研究

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1、基于GPS测量和最小二乘配置的地壳形变特征研究[摘要]本文针对在青藏高原东缘川滇地区的GPS观测站分布稀少的事实，采用最小二乘配置方法建立了研究区域地壳水平形变模型。通过该模型准确的描述了川滇地区地壳的整体运动趋势及内部连续性形变特征。结果显示，川滇块体总体处于近南北向的拉张状态，局部地壳压缩趋势明显。应变率分布与水平形变总体趋势能够清晰的显示出青藏高原内部物质运移的状态。[关键词]GPS测量最小二乘配置地壳形变中图分类号：P185.18文献标识码：A文章编号：1009-914X（2014）30-0008-011引言全球卫星定位系统GPS是开发的最

2、具有开创意义的高新技术之一，其全球性、全能性、全天侯性的导航定位、定时、测速优势在地壳形变中得到了广泛应用。但由于我国地形变化复杂，在受到观测条件等因素的限值，导致在我国分布的地壳运动观测GPS测站密度不均，尤其在青藏高原内部，GPS观测点稀疏且分布不均。采用最小二乘配置模型，对青藏高原东缘进行速率场的拟合，有利于在研究区域内描述地壳运动速率场的连续性变化。5众所周知，研究区域地壳水平运动趋势主要是两种运动形变趋势的差异性体现。这就是描述板块在球面上的整体刚性旋转以及板块内部各点之间的相对形变速率；前者描述的是板块在全球参考框架下的整体运动形式，后

3、者描述的则是板内各点的弹塑性形变趋势。GPS实际测得的各测站在的速度场可以认为是在统一的参考框架下，两部分形变的综合效应。因此，本文分别应用最小二乘配置法将GPS观测速率场分解为刚性旋转和弹塑性形变两个部分来研究目标区域的现今地壳运动水平形变特征。2最小二乘配置模型在地壳形变分析中，可以将水平形变看成是块体整体的刚性旋转及其内部的相对形变的叠加。基于最小二乘配置，GPS速率场观测值可以分解为板块的刚性运动以及块体内部的相对形变速度场。因此将该方法引入GPS观测地壳水平形变场的研究中具有理论上的合理性与严密性。最小二乘配置的基本数学模型为：其中VGP

4、S为观测值向量，Δ为观测误差向量，Ω为描述板块刚性旋转的欧拉矢量模型参数向量，VS为从观测速度VGPS中扣除刚性旋转之后的剩余速度，它在空间内连续分布。3块体运动特征分析5利用最小二乘配置法，直接通过在（96°E～108°E，20°N～39°N）分布的全部速率场实测数据来拟合这一区域内的格网点的速率矢量，结果如图1所示：图中，蓝色箭头为GPS实测速度场，黑色箭头为格网点的拟合速率。从图中可以看出运动最小二乘配置方法，对大范围的GPS速率场拥有不错的整体拟合效果。图中的拟合速率场从北向南，体现出了明显的顺时针旋转趋势，在川滇块体附近，这种旋转的趋势最

5、为明显。这一趋势说明了当青藏高原整体东向移动时，遇到了龙门山前较为稳定的四川盆地的阻挡，形成以喜马拉雅东构造结为中心的旋转系统――“滇藏漩涡[3]”。其次，通过最小二乘配置同样可以带入选定区域内的稳定点速率值计算板块的欧拉旋转矢量，从而了解板块整体的刚性运动趋势。在计算欧拉矢量时，需要对所用的起算数据进行甄别，以选取块体内部稳定区域的实测数据。同时，应当遵循“三倍中误差原则”以剔除观测质量较差的实测数据。由此利用最小二乘配置法整体结算川滇块体的欧拉矢量所得的结果如表1所示：5另一方面，由于地壳的应力应变的结算与地壳的刚性整体旋转无关，只与区域内的相

6、对运动形变量值有关。所以在提出块体的整体刚性运动速率场后，运动最小二乘配置，得出青藏高原东缘的应变率场。青藏高原东缘应变率结果所示，即便是同一块体的不同区域的应变率场一会表现出明显的差异性。这种差异性的成因是复杂的，可能由于边界断裂或者区域内部的子断层的分布、活动性的差异，可能由于地壳浅层地幔、软流层的应力差异，都有可能导致同一块体的不同部位应力场的差异性变化。北部的祁连山断裂与海原-六盘山断裂一线，由西向东过度，应力场的主应力方向逐渐由南北向转化为近东西向；到了西秦岭地区基本为东西向的应变场。作为青藏高原东北缘物质东向移动的主要通道，西秦岭地区无

7、论从GPS速率场看还是从应变场看，这一区域都具有东向移动且借由一系列活动断层的作用而导致东进的受阻。在中东部的龙门山前，可以看出应力应变率值很小且近似垂直于断裂带，这可能说明在龙门山地区是下地壳流或者软流层的粘性运动。4.结论5本文利用最小二乘配置方法建立了青藏高原东缘地壳水平形变场模型。结果表明模拟形变场与实测结果可以较好吻合。采用本模型能够很好的解决研究区域内GPS站分布稀少或不均匀对解算块体刚性旋转参数可块体内部连续形变参数带来的问题。这说明利用最小二乘配置方法对分析GPS实测速度场十分有效。通过对分布于青藏高原全局的GPS观测速率场特征可以

8、看出，高原内部各个板块之间的运动形式还存在这相对明显的差异性。研究结果显示出作为物质逃逸的主要通道，川滇地块整体沿着速率场