2019, Vol. 39
以渤海为中心向周边扩展，包括山东、河北、辽宁、北京、天津等地统称为环渤海区域[1]。由于地处燕山-渤海断裂带和郯庐断裂带交汇处，且太行、燕山、鲁西、辽东等隆起带和冀中拗陷等交织其中，该区构造活动频繁，是我国大陆强震多发区和地震重点监测区[2-4]。利用GPS观测资料对研究区现今地壳形变状态及应变特征进行研究，对于中长期地震趋势分析、区域防震减灾和经济发展都具有重要的意义[5-8]。本文利用2009~2014年GPS观测速度场数据，构建环渤海区域速度场模型，并对其构造运动及形变特征进行分析。
1 块体划分和数据处理 1.1 块体划分为全面了解环渤海区域的地壳构造运动、内部形变状态并获取相应应变参数，参照文献[9-10]将研究区划分为山西、太行、冀鲁、胶辽、阴山-燕山5个次级块体，具体划分情况见图 1。
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图 1 环渤海区域块体划分及相对于欧亚板块的速度场 Fig. 1 Block division of the Bohai rim region and its velocity relative to the Eurasian plate |
选用中国大陆构造环境监测网络在环渤海区域的GPS观测资料，台站分布范围为30.96°~42.54°N、111.48°~128.11°E，共包含482个监测台站数据，其中CORS基准站32个，区域站450个，包括陆态网一期200个和陆态网二期250个。基准站为2010~2014年CORS监测资料，区域站为2009年、2011年和2014年3期观测资料，每期每站连续观测3 d，采样间隔为30 s。GPS站速率均由各观测站的时间序列通过st_filter软件处理获得，并进一步计算得到相对于欧亚板块的速度场，其精度优于2 mm/a。
研究区地壳运动以刚性运动为主，运动趋势具有一定的长期稳定性，区内各监测台站运动趋势大体一致，因此需剔除明显偏离块体整体运动趋势的测站。根据刚性运动模型[11]，利用最小二乘法估计块体刚性运动中的欧拉运动参数，并计算各台站的运动速率，以GPS站速度分量标准差的2倍为阈值剔除不合理测站。重复进行该步骤，最后剔除掉10个台站，保留472个监测台站的速度场，具体分布见图 1。
由图 1可以看出，整个环渤海区域的水平运动与欧亚板块既有相似之处，也存在明显的局部差异。具体来看，以胶辽块体西边界为分界线，分界线以西存在比较一致的SE向运动，且自西向东运动速率缓慢增加。另外，就南北方向整体运动来看，阴山-燕山块体存在自西向东、自南向北的逆时针旋转运动，其余次级块体中，自山西块体西部开始从北到南直至胶辽块体西南部运动方向存在自NE向SEE、SE向的转变过程，从偏转趋势来看，自西向东、自北向南存在顺时针旋转运动。辽宁境内则存在明显的自西向东运动速率逐步增大的过程，且在辽宁北部和南部运动方向为SE向，中部为近E向，在胶辽块体东南部运动方向由近E向向SE方向转变。值得关注的是，首都圈附近部分监测站运动方向和大小比较混乱，可能与其地处的多个地质构造活动单元的相互作用有关[12]。但就整体而言，环渤海区域及其周边地区相对于欧亚板块有大体一致的SE向运动，一般不超过8 mm/a，说明整个环渤海区域相对于欧亚板块的现今地壳运动是相对稳定的。
2 环渤海区域块体运动及应变率分析为详细分析研究区5个次级块体的地壳构造活动及形变特征的差异性，采用与前文相同方法对5个次级块体内的监测台站进行筛选，并在筛选结果中选取一定数目且均匀分布的台站，具体选取结果为：胶辽块体48个、阴山-燕山块体46个、冀鲁块体39个、太行块体25个、山西块体23个。根据板块的弹性力学性质，描述块体运动的弹性运动方程为[13]:
| $ \begin{array}{l} \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{v_E}}\\ {{v_N}} \end{array}} \right] = r\left[ {_{\;\;\;\;\;{\rm{sin}}\lambda {\rm{ }}\;{\rm{ }}\;\;\;\;\; - {\rm{cos}}\lambda {\rm{ }}\;{\rm{ }}\;\;\;\;0}^{ - {\rm{cos}}\lambda {\rm{sin}}\varphi {\rm{ }}\; - {\rm{sin}}\lambda {\rm{sin}}\varphi \;\;{\rm{cos}}\varphi }} \right]\;\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\mathit{\boldsymbol{\omega }} {_x}}\\ {\mathit{\boldsymbol{\omega }} {_y}}\\ {\mathit{\boldsymbol{\omega }} {_z}} \end{array}} \right] + {\rm{ }}\\ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{A_0}}&{{B_0}}\\ {{B_0}}&{{C_0}} \end{array}} \right]\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} x\\ y \end{array}} \right] + \frac{1}{2}\;\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{A_1}}&{{B_2}}\\ {{B_1}}&{{C_2}} \end{array}} \right]{\rm{ }}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{x^2}}\\ {{y^2}} \end{array}} \right] + \;\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{A_2}}&{{B_1}}\\ {{B_2}}&{{C_1}} \end{array}} \right]xy \end{array} $ | (1) |
式中，vE、vN分别为板块上任意一点在东西方向和南北方向的运动速率，λ、φ分别为经度和纬度，ωx、ωy、ωz为欧拉矢量，r为地球半径，A0~A2、B0~B2、C0~C2为应变参数。其中，式(1)为块体的整体旋转与线性应变模型(RELSM)[13]。
通过式(1)计算各个块体相对于欧亚板块的运动参数和应变参数，计算结果见表 1，并进一步计算环渤海区域和各次级块体的应变率参数，结果见表 2。同时，按整体旋转与线性应变模型计算的参数绘制研究区各次级块体的整体应变状态，结果见图 2。
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表 1 各块体运动参数和应变参数 Tab. 1 Motion parameters and strain parameters of each block |
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表 2 各块体应变率 Tab. 2 Strain rates of some blocks |
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图 2 环渤海区域内各块体整体应变状态 Fig. 2 Overall strain state of each block in the Bohai rim region |
分析表 1和2可以看出，环渤海区域及各次级块体内部的应变参数有较大差异，其内部应变过程及形变特征具有差异性，精确表达具有一定的难度，但根据整体旋转与线性应变模型计算的平均应变状态和应变参数可以对环渤海区域及各次级块体的应变状态有一个大致的了解。环渤海区域应变参数较小，而次级块体中各块体应变参数都相对较大，这是因为弹性地壳运动应变模型计算的应变参数反映的是一个块体整体的平均应变状态，但其内部相对较小的次级块体的应变状态具有较大的差异性，各个应变分量有正有负，相互抵消后使得环渤海区域整体应变率相对较小，这是符合地壳实际运动规律的。同时由表 2和图 2可以看出，环渤海区域整体处于微弱的扩张运动状态，这与李延兴等[14]的结论基本一致。
环渤海区域的整体主压应变率为-0.94×10-9/a，主压应变轴方向为NE 68.7°，主张应变率为1.19×10-9/a，面应变率为0.25×10-9/a，表明环渤海区域存在NE-SE 111.3°的扩张运动，这与李延兴等[7]的结论基本一致。
太行块体的主压应变率为-0.84×10-9/a，主张应变率为4.12×10-9/a，面应变率为3.28×10-9/a，表明太行块体存在NW-SE 116.3°的微弱扩张运动，同时存在量级为4.96×10-9/a的右旋剪切应变。山西块体的主压应变率为-1.01×10-9/a，主张应变率为2.62×10-9/a，面应变率为1.61×10-9/a，表明山西块体存在NW-SE 130°的微弱扩张运动，同时存在量级为3.63×10-9/a的右旋剪切应变。胶辽块体的主压应变率为-2.58×10-9/a，主张应变率为0.23×10-9/a，面应变率为-2.35×10-9/a，整体上处于NW-SE 144.3°的压缩状态。阴山-燕山块体的主压应变率为-4.05×10-9/a，主张应变率为2.74×10-9/a，面应变率为-1.31×10-9/a，整体上处于NW-SE 155.6°的压缩状态。冀鲁块体的主压应变率为-1.89×10-9/a，主张应变率为0.84×10-9/a，面应变率为-1.05×10-9/a，整体上处于NE-SW 39.5°的压缩状态。尽管环渤海区域内各次级块体中呈微弱压缩状态的块体较多，但呈扩张状态的太行块体的运动量级相对于其他次级块体的压缩量级明显较大，使研究区在整体上处于微弱的扩张运动状态。同时，太平洋板块和菲律宾板块沿NW向对中国大陆的挤压力和印度洋板块沿NE向对中国大陆的挤压力延续至我国北方，产生的E向挤压力遇到巨大的西伯利亚板块的阻碍作用，造就环渤海区域现今的构造格局和内部次级块体各异的形变特征。
为研究环渤海区域各次级块体间的相对运动，对环渤海区域及各次级块体内GPS站点的运动矢量求取平均值，结果见表 3，以此作为各个块体的整体运动矢量，并通过各块体的运动矢量参数对块体间的相对运动加以讨论。由表 3可以看出，阴山-燕山块体的形变速率最小为3.35 mm/a，太行块体形变速率最大为5.31 mm/a，其他次级块体形变速率介于二者之间，平均速率为4.45 mm/a。同时山西块体、太行块体、冀鲁块体和胶辽块体的形变速率方位角依次为105.9°、106.4°、110.4°、110.5°，表明环渤海区域的运动方向自西向东、自北向南存在顺时针旋转运动。各次级块体之间，太行块体相对于山西块体的运动速率为0.59 mm/a，方向为SE 110.9°；冀鲁块体相对于太行块体的运动速率为0.48 mm/a，方向为SW 239.7°；胶辽块体相对于冀鲁块体的运动速率为1.14 mm/a，方向为NW 290.1°；冀鲁块体相对于阴山-燕山块体的运动速率为1.69 mm/a，方向为SE 121.7°。
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表 3 各块体位移矢量及速率 Tab. 3 Displacement vector rates of blocks |
根据表 1中得到的环渤海区域整体旋转与线性模型的参数，计算并绘制环渤海及邻区一定范围内0.5°×0.5°主应变图像，结果见图 3。
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图 3 环渤海区域及邻区主应变图 Fig. 3 Main strain map of the Bohai rim region and adjacent areas |
从图 3可以看出，阴山-燕山块体中部以北向东至胶辽块体西部、向南至冀鲁块体南部和胶辽块体交界处经历了一个张性应变率逐步减小和压缩应变率逐步增长的过程，而扩张方向经历了从NW-SE向逐步向NNW-SSE向继而向NN-SS向转变的过程，从山西块体到太行、冀鲁块体则逐步转变为NNE-SSW向的压缩运动，胶辽块体西边界至胶辽块体东部则经历了一个压缩应变率逐步增大的过程。从总体格局上来看，整个环渤海区域存在较为一致的NE-SW向主压应变和NW-SE向主张应变，其中主压应变方向在正北部和西南部接近E-W方向，主张应变方向在北部和西南部接近S-N方向，主应变场总体上存在NE-SW向的压缩和NW-SE向的扩张。从量级来看，阴山-燕山块体西北地区主张应变率最大为4.14×10-9/a，从此处向东南方向延伸主张应变率逐渐减小，东南角主张应变率最小为0.33×10-9/a，平均为1.63×10-9/a，胶辽块体南部主压应变率最大为-4.96×10-9/a，阴山-燕山块体西北角主压应变率最小为-0.11×10-9/a，平均为-1.46×10-9/a。
4 结语环渤海区域及邻区的主应变场表现出区域差异性特征，具体为西北地区呈明显的NW-SE向拉张变形，中部地区、东北地区和西南地区拉张或压缩形变量级都相对较小，东南地区呈明显的NE-SW向压缩形变。整个研究区主压应变轴的方向为NE 47.70°~89.74°，与利用地球物理学方法得到的主压应力优势方向大体吻合，其中差异部分可能与2011年日本9级地震有关。
菲律宾板块、印度板块、太平洋板块和西伯利亚板块对中国大陆作用延续至环渤海区域，造就了该区域现今的地质构造活动格局，区域内部复杂的构造活动进一步加剧了各次级块体间复杂的相互作用，本文的分析结果是上述构造动力学的外部反映。环渤海区域内部各次级块体运动速度场和应变场在空间上有较大差异，但不同作用力相互抵消后，研究区整体呈现出NW-SE 111.3°稳定的趋势性扩张运动，与中国大陆地壳运动在东部呈现的自西向东、自北向南的顺时针旋转运动是一致的。
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