全球板块运动的相对运动中欧矢量

全球板块运动的相对运动中欧矢量

高精度空间大数据技术的发展允许人们精确地测量当前板块运动的愿望。经过十几年连续观测的积累,目前几种主要空间大地测量技术(VLBI,SLR,GPS)已能以优于5mm/a的精度测定现时板块运动。对这些实测数据进行分析处理,可以建立一个完全基于空间大地测量实测的现时板块运动模型。地学板块运动模型(如NUIVEL-1A)是根据地球物理和地质资料导出的,它是最近几百万年内板块运动的平均效果,而不是正在发生的现时板块运动。现时模型与地学模型的比较,可以对板块的刚性、板块运动的稳定性等重大地学问题的解决提供证据,具有重要的科学意义。本文作者采用3个国际最著名的数据处理中心(GSFC,CSR,JPL)对所有VLBI和SLR观测数据(1979.0～1994.0)以及GPS观测数据(1991.0～1994.0)进行处理后得到的3种技术观测站的站速度,解算了北美(NOAM)、欧亚(EURA)、太平洋(PCFC),澳大利亚(AUST)、非洲(AFRC)、南美(SOAM)、南极(ANTA)共7个板块之间相对运动欧拉矢量,建立了一个新的包括7个板块的现时板块运动模型,称为SGPMM2。与以前建立的SGPMM1相比,SGPMM2新增加了非洲、南极洲、南美板块,并从原欧亚板块内分出了南中国板块。通过新建模型SGPMM2与地学板块运动模型NUVEL-1A的相互比较,分析了板块运动的稳定性,得出了几点初步结论。此外,本文还首次导出了南中国板块相对于欧亚大板块的运动参数,并分析了其构造学意义。1数据和方法1.1迟和延迟率观测数据VLBI板块运动实测数据来自美国宇航局(NASA)哥达德航空飞行中心(GSFC)提交给国际地球自转服务机构(IERS)的GSFC94R01¯收稿日期∶1998-07-08解。这次解算处理了从1979.0至1994.0约15年的全球MarkⅢVLBI时间延迟和延迟率观测数据,给出了127个VLBI观测站的地心坐标和其中近100个测站的站速度。这些站速度的精度大部分好于3mm/a。SLR板块运动实测数据选自美国德克萨斯大学空间研究中心(CSR)提交给IERS的CSR94L01解。这次解算处理了从1976.0至1994.0约18年的全球主要激光站对LAGEOS卫星的测距数据,得到了116个地面观测站的地心坐标和其中60多个测站的站速度,这些站速度的精度大部分优于5mm/a。GPS板块运动实测数据选自美国加州技术研究院喷气推进实验室(JPL)提交给IERS的JPL94P01解。因GPS高精度大地测量观测在90年代初才获得成功,这次解算仅处理了从1991.0～1994.0约3年的GPS相位观测数据,估计了全球41个GPS核心站的地心坐标和站速度。因观测时间尚短,GPS站速度的精度较差,大都在5mm/a左右。1.2不同参考架间转换因为VLBI、SLR、GPS站速度是由不同国际空间数据分析中心解算的,其各自运动学参考架的约定会有所不同。要综合利用3种数据,必须使其统一在一个特定的运动学参考架中。可采用如下模型进行参考架统一:[V´XV´YV´Ζ]=[VXVYVΖ]+[ΤVXΤVYΤVΖ]+[0X-Y-X0ΖY-Ζ0][RVXRVYRVΖ](1)式中,V′X、V′Y、V′Z和VX、VY、VZ分别是同一测站在不同参考架中的站速度;TVX、TVY、TVZ、RVX、RVY、RVZ是两个参考架间的转换参数。由(1)式可估计出任意两种参考架相对于第三种参考架的转换参数,由这些转换参数即可把前两种站速度转换至第三种参考架中。因目前3种技术的并置测站较少,转换参数可能估计不准,因此本文采用另一种方法。考虑到欧亚板块上3种技术测站都比较多,通过分别剔除3种技术在欧亚板块稳定地区测站的整体运动(假定欧亚板块是不动的),即可把3种站速度归算到一个统一的欧亚固定参考架之中。1.3垂向站速度v原理上,板块运动欧拉矢量⇀Ω与测站地心速度⇀V之间有如下关系:⇀V=⇀Ω×⇀r(2)式中,⇀r是测站地心位置矢量。如果已知⇀V和⇀r就可估计出⇀Ω。因板块运动主要反映在水平站速度之中,况且目前VLBI、SLR、GPS这3种技术确定垂向站速度还不够精确,直接采用地心站速度⇀V可能会使板块运动参数估计受到垂向站速度误差的影响。所以实用中常把测站地心速度转换为站心速度,并采用其水平分量(东向Vei和北向Vni)来求解板块运动欧拉矢量⇀Ω。即采用下式[VniVei]=[Rsinλi-Rcosλi0-Rsinφicosλi-RsinφisinλiRcosφi][ΩXΩYΩΖ](3)式中,R为地球平均半径;φi、λi为第i站的地心纬度和经度;ΩX、ΩY、ΩZ为⇀Ω的3个分量。如果已测得全球各板块上稳定测站的水平站速度,则可由(3)式估计出其中某一板块的“绝对”欧拉矢量和各板块之间的相对运动欧拉矢量。测站越多且分布合理,站速度精度越高,则估计的板块欧拉矢量越准确。1.4稳定测站的选取板块并不是严格意义上的刚体,板块内局部地区和边界地区都存在着形变。在建立板块运动模型时,必须选择那些位于板块稳定主体内的台站,这样其站速度才能完全反映板块的主体运动。稳定台站的选择:1)主要根据测站所处地区的构造形变特征来判定;2)也可依据空间技术测定的站间基线变化率(如果有的话)是否接近于零来判定;3)还可由同一板块上各测站速度的一致性来判定,即剔除测站的整体性运动之后,稳定测站的残差站速度应很小。采用上述方法,在欧亚板块上我们选择了34个稳定测站(18个VLBI站,7个SLR站,9个GPS站),这些台站大都位于西欧地区。位于南中国板块上的上海VLBI和SLR站及台湾GPS站被单独用于求解南中国板块的运动参数。在北美板块上我们选择了52个稳定测站(40个VLBI站,6个SLR站,6个GPS站)。这些站大都分布在北美板块中部稳定地区。在太平洋板块上我们选择了5个VLBI站,4个SLR站和5个GPS站,这些站都位于太平洋板块中部。接近于北美板块边界的FORTORD和VNDNBERG两站,因可能受形变影响而没有采用。因澳大利亚板块内无明显的形变,我们选择了位于该板块上的所有7个测站(2个VLBI站,2个SLR站,3个GPS站)。南美板块上选择了3个VLBI站,2个SLR站和3个GPS站。非洲板块上选择了2个VLBI站,1个SLR站和2个GPS站。在南美与非洲板块上因测站少,选择余地小,入选的少数几个站的构造稳定性还有待商榷。南极洲板块上仅有2个测站(1个VLBI、1个GPS),且观测时间都不长,站速度误差较大。对南极洲板块的相对运动估计会产生较大影响。但作为尝试,我们仍选这两个站参加估计。2sdpm2相对运动的特征随着观测时间的积累,测站站速度的估计精度有了明显提高,具有实测站速度的测站在各板块上的分布也渐趋合理。这就使新建SGPMM2模型比以前的SGPMM1有了明显改善:1)板块间相对运动欧拉矢量的估计精度提高了,与地学估计值也更为接近;2)增加了新的板块。如非洲和南极洲板块相对于其它板块的运动参数是首次导出。还将南中国板块从欧亚板块中分离出来,首次估计出两者的相对运动参数。SGPMM2与地学板块运动模型NUVEL-1A的比较在表1中给出。NUVEL-1A是由NUVEL-1经地磁倒转时间尺度修正后的新模型。最近DeMets等指出,NUVEL-1所用的地磁倒转时间尺度使得它所估计的板块运动速率比新尺度快了4.58%。从SGPMM2与NUVEL-1A的比较可以看出,对于EURA、NOAM、PCFC、AUST、AFRC和SOAM这6个主要板块,两种模型有较好的一致性。说明全球板块运动在最近300万年内总体上是稳定的。但也发现了不太一致的情况,例如太平洋板块相对于欧亚、北美和南极板块的相对运动速率稍大于NUVEL-1A给出值;一些板块之间相对运动欧拉极与NUVEL-1A给出极稍有偏离。这些不一致的原因部分是因为有些板块上可用的稳定测站较少或分布不合理,观测时间较短(如南极洲板块);而对于台站较多且观测时间较长的板块(如太平洋与北美和欧亚板块),也可能表明这些板块之间的相对运动发生了微小的变化。由于新增加的位于欧亚板块东北部的两个VLBI站的约束,使SGPMM2的EURA-NOAM欧拉极比SGPMM1更为接近NUVEL-1A,精度也有明显改善。但SGPMM2的极仍比NUVEL-1A的极偏西北约7°。这可能起因于测站大都位于西欧一小块地区,而巨大欧亚板块的东部和中部测站却较少,对欧拉极约束较差。但也不排除两板块相对运动方向产生微小改变的可能性。两者旋转速率的不一致主要起因于欧拉极的偏差,如使两者欧拉极一致,并考虑到两板块上一些测站会受到冰期后地壳回弹的影响,则实测的两板块相对运动速率与地学估计值有极好的一致,说明两板块相对运动速率是稳定的。跨大西洋的VLBI基线测量结果也证明了这一点。SGPMM2的PCFC-NOAM和PCFC-EURA欧拉极与NUVEL-1A有极好的一致,但旋转速率在统计意义上明显地偏大约4.5%和6%,量级为0.03±001°/Ma和0.06±0.01°/Ma。最近DeMets等也指出,VLBI数据估计的太平洋到北美板块基线变化率也比NUVEL-1A估计值一致性地偏大约5±4mm/a。这可能说明太平洋板块相对这两个板块的运动速率在最近300万年里稍微地加快了。在SGPMM2中,澳大利亚与北美、欧亚、太平洋、非洲和南美诸板块的相对运动欧拉极都较接近于NUVEL-1A给出值,且两模型的旋转速率也有极好的一致(差值均不超过0.01°/Ma)。表明在最近300万年内澳大利亚相对于其他几个板块的运动是很稳定的。关于非洲和南美板块相对于欧亚、北美和澳大利亚板块的相对运动,本文作者首次给出了较为可靠的估计结果。从表1可以看出,SGPMM2的估计值都与NUVEL-1A相应值比较接近,只是估计误差还比较大。表明最近300万年里非洲和南美两板块相对于其它3个板块的运动基本上是稳定的。因这两个板块上稳定测站尚少,且站速度误差还比较大,我们还不能根据SGPMM2与NUVEL-1A的一些差别来判定某个板块对的相互运动是否发生了微小变化。南极洲板块上仅有两个站,且站速度误差较大,这使得南极洲板块与其它板块的欧拉矢量估计值误差较大,与NUVEL-1A的偏离比较明显。只有南极洲与太平洋和澳大利亚的欧拉矢量估计值比较好。未来的改进取决于在南极板块上布设更多的站并进行连续不断的观测。印度板块高速插入欧亚板块之下,使青藏高原显著隆起,并产生了几条巨大的东西向滑动断裂带,位于两条主要滑动断裂带之间的北西藏块体,受南北两块体的挤压转而向东运动,在龙门山断裂带与南中国板块相接。Armijo等根据北西藏块体与周围块体的断层走向和滑动速率,估计出北西藏块体相对于欧亚板块主体的欧拉矢量为-17.0°S,61.4°W,0.458°/Ma,证明了北西藏块体的东向运动。根据构造学推断,北西藏块体的东向运动将推动南中国板块向东偏南运动。本文作者采用位于南中国板块上上海和台湾两站的实测站速度,在全球地壳运动场中首次估计出南中国板块相对于欧亚板块的运动参数(见表1)。这个结果与Armijo等利用地学数据估计的北西藏块体的运动方向基本一致,量级稍小一些,说明在龙门山断裂带可能有速率损失。作为对印度板块高速插入欧亚板块之下的响应,这个结果证实了南中国板块受北西藏块体东向挤压而向东偏南运动的构造学推断。3中国板块、澳大利亚板块相对运动的基本情况根据上述分析,可得出如下