海南岛位于中国大陆南端，是由山地、丘陵和台地组成的穹隆状海岛(图 1).岛北部及雷州半岛所在的雷琼断陷区，火山和地震活动剧烈而频繁(张虎男和赵希涛，1984).岛中部偏南是以五指山为中心的隆起区, 发育多级剥夷面, 由隆起中心向海呈阶梯状下降；该区基本上无火山活动, 地震活动弱.地球物理学、地球化学、岩石学及数字模拟实验等资料均表明海南热点之下存在地幔柱(白志达等，2003；Lebedev and Nolet, 2003；樊祺诚等，2004；Montelli et al., 2006；鄢全树和石学法，2007; 李志雄等，2008; Lei et al., 2009), 低速体深达1900 km.从地表到250 km深度，地幔柱被成像为西北—东南向倾斜、直径约80 km的连续低速柱状异常体.5 km浅部、下地壳深至上地幔顶部的低波速异常形态与莫霍面上隆形态一致，可能反映上地幔热物质上涌情况.琼北地区新生代火山表现为多期次活动, 并一直持续到全新世.其中永兴附近的马鞍岭—雷虎岭火山群距省会城市海口约l5 km，是典型的具潜在喷发危险的城市火山(洪汉净, 2006).

图 1

Fig. 1

图 1 海南岛火山、地震监测及断层分布 断裂：F1王五—文教断裂，F2昌江—琼海断裂, F3尖锋—万宁断裂，F4九所—陵水断裂，F5马袅—铺前断裂，F6铺前—清澜断裂，F7海口—云龙断裂，F8长流—仙沟断裂，F9临高断裂，F10铺前—博鳌断裂，F11琼山—石合断裂. Fig. 1 Map showing volcanoes, earthquake monitoring and distribution of faults in the Hainan island Fault names: F1-Wangwu-Wenjiao, F2-Changjiang-Qionghai, F3-Jianfeng-Wanning, F4-Jiusuo-Linshui, F5-Manao-Puqian, F6-Puqian-Qinglan, F7-Haikou-Yunlong, F8-Changliu-Xiangou, F9-Lingao, F10-Puqian-Boao, F11-Qiongshan-Shihe faults.

海南岛发育有近东西、北东、北东东、北西及南北等多个方向的活动断裂.受岩浆和断层活动影响，海南岛历史上曾多次发生中强震.1466—1990 s，共发生31次4.8级以上地震，最大为1605年琼山7.5级地震.大震造成陆陷成海，推测可能是壳下地幔或地幔柱上涌隆起，导致地壳拉张，表部呈地堑型正断层破裂、下陷，发生地震, 并伴随同震海岸下沉和海啸(徐起浩，2006).现今地震精定位结果显示，小震呈明显呈条带分布，在空间上集中在断裂带附近(徐晓枫等，2014).

海南岛水平运动在地貌上表现为比较发育的褶皱、大量兼具水平扭动的断层，被水平错动的第四系等.垂直运动表现为在断裂活动控制下, 地壳大面积、大幅度的隆起和沉降, 第四纪沉积、风化壳或风化层的相互叠置, 多种埋藏地貌、沉溺地貌的出现等(张虎男和赵希涛，1984)；新生代构造运动以断块运动和基性岩浆喷溢为主，各断块差异运动又具继承性和振荡性特征(詹文欢等，2006).起源于中地幔深度或更深至地幔底部的地幔物质上拱，对区域垂直形变图像产生明显影响.现今GPS、水准及InSAR等研究结果表明相对欧亚板块，水平运动主要以SEE向为主；1970 s—1980年初, 垂直运动趋势为由北向南逐渐抬升；东部上升，西部下降.20世纪70至90年代资料显示地壳西北相对东南的上升运动；InSAR资料反映琼东北缘垂向运动明显(李建生，1991；李延兴等，2010；Hu et al., 2014, 2016；Ji et al., 2015).

然而，张新东等(2013)研究表明由现今小震反演的南北向震源断层与浅表断裂不重合，存在深浅构造不协调现象；另外，大地电磁测深反映出岛北部美兰及海口—铺前分布的低阻层(胡久常等，2009)及InSAR结果(Ji et al., 2015)揭示的马袅—铺前断裂附近的下沉运动仍需做进一步分析.王五—文教断裂及现今地震比较集中的九所—陵水断裂、东北缘的南北向断裂带现今活动状况值得关注.本文利用2009—2016年多期GNSS观测资料及1970 s、1990 s、2013年多期多条水准路线观测资料，结合海岸升降变化、InSAR和地球物理等研究成果，分析区域现今三维地壳运动特征及断裂活动状况.

由中国地壳运动观测网络工程和中国大陆构造环境监测网络(简称网络工程)分布在全国的260多个连续观测基准站、2000多个不定期观测区域站等组成的GNSS综合观测网络可以监测地壳形变，反映区域应力变化等.本文收集2010—2016年基准站及2009—2015年区域站观测资料，应用数据处理软件GAMIT/GLOBK VER10.4解算得到速度场.数据处理主要分两个步骤：首先联合观测站及周边IGS站观测资料，应用GAMIT软件解算单日解，计算时参数的设置和误差模型尽量与SOPAC所采用模型一致；然后利用GLOBK软件将单日松弛解与全球IGS跟踪站单日松弛解合并, 得到所有GPS测站松弛解，通过相似变换获取相对于ITRF2008的速度场.经过扣除欧亚板块整体旋转速度，得到各站点相对欧亚板块的速度场(图 2和图 3).

图 2

Fig. 2

图 2 (a) 相对ITRF2008的地壳运动背景场(2010—2016年，A和B分别表示图 3和图 4范围)；(b) GNSS基线时间序列 Fig. 2 (a) The background field of crustal motions relative to ITRF2008 (2010—2016, A and B show the scopes of Figs. 3 and 4, respectively); (b) GNSS baseline time series

图 3

Fig. 3

图 3 华南块体GNSS水平运动速度场(相对于欧亚板块，2009—2015年) Fig. 3 Horizontal vectors of GNSS site movement in the South China block (relative to Eurasian plate, 2009—2015)

图 4

Fig. 4

图 4 琼北GNSS水平运动速度场 相对于欧亚板块，2009—2016年，断裂编号与名称与图 1相同. Fig. 4 Horizontal vectors of GNSS site movement in northern Hainan area Relative to Eurasian plate, 2009—2016. The numbers and names of faults are same as Fig. 1.

图 2a显示中国大陆水平运动趋势与1991年以来GNSS资料所得结果一致(Wang et al., 2001; 王琪等，2002；牛之俊等，2005；王伟等，2012).可看出处于欧亚板块东南缘的海南岛，受菲律宾板块、印度板块运动和南海海盆扩张的联合作用.速度场从西到东的变化，揭示岛及邻区一方面受印度板块经青藏高原传递过来的作用力影响；另一方面受菲律宾海板块北西向挤压作用.岛上三个基准站E向运动速率大于永兴岛上YONG观测站，S向速率变化不大.QION-YONG基线在2012—2015年以4.1 mm·a^-1的速率缩短(图 2b)，表明两岛间以东向挤压为主.位于吕宋岛的PIMO向NW运动；YONG-PIMO基线缩短明显，缩短速率达58.3 mm·a^-1(2009—2016年).GNSS测站间运动是南海与菲律宾海板块相对运动的综合反映.李延兴等(2010)通过1998—2004年资料分析认为南海地块运动不均一.在南海东部，菲律宾海板块以70~90 mm·a^-1的速度向NW向运动，南海板块则以10 mm·a^-1的缓慢速度沿着同一方向运动；由于菲律宾海板块的运动速率远大于南海板块，强烈的汇聚沿着菲律宾海沟、东吕宋海槽和马尼拉海沟形成两个相向的俯冲系统，伴生众多的地震、火山和岩浆活动(Bautista et al., 2001).由中国东南部岩石成分(徐夕生等，2000)、晚中生代古太平洋板块朝东亚陆缘的消减带在台湾纵谷带—菲律宾民都洛—巴拉望一带以及现代西太平洋板块高角度俯冲(舒良树和周新民，2002)等认为现今的俯冲不直接作用于华南板块.

图 3中更多的GNSS区域站详尽地反映华南地块水平速度场变化.可看出海南及所在的华南块体以SEE向运动为主，与1998年以来的观测结果一致(李延兴等，2010；Hu et al., 2014, 2016).总体来看，速度大小和方向一致性较好，说明水平差异运动小；块体内部地震少，与Pn波各向异性较弱，华南陆块区相对稳定等结论一致(胥颐等，2007；张国伟等，2013).

为了监测琼北地区火山和地震活动，2009—2016年对GNSS火山监测网开展了多期观测.MAIN位于监测区域中心，多期测量方案均作为连续点进行观测，该网形平差可以得到较好精度.解算得到相对欧亚板块的速度场(图 4)，误差为0.18~0.65 mm·a^-1.观测站主要以4.84~8.94 mm·a^-1向SEE运动，与华南地块运动方向一致.

图 5给出各观测站相对MALN点的基线变化.可看出在琼北西部的观测站相对运动较小，基线变化在±15 mm之内.2013年前，MALN-LEZH基线以拉张为主，2013年后变化比较平稳；MALN与南侧BSLN间基线相对缩短，也说明MALN向南相对运动.东部观测站间运动出现张-压-张动荡变化，主要变化发生在2012年和2013年；其中跨南北向地震条带的MALN-QSLN基线变化最大.

图 5

Fig. 5

图 5 GNSS各观测站相对MALN的基线时间序列 Fig. 5 Baseline time series of GNSS sites relative to MALN

海南岛多条水准路线跨主要活动断裂(图 6和图 7)，本文收集1970 s、1990 s及2013年多期观测资料(表 1).处理数据时，基于线性速率模型，即认为一定时间尺度上地壳运动持续而缓慢，垂直运动速率恒定，得到区域几十年时间尺度上一种总运动趋势或平均运动的定量描述(Hao et al., 2014).另外考虑时间因素，采用线性动态平差得到垂直速度场，拟稳点选用观测区域的水准基点.经试算，采用不同拟稳点不会影响测点的相对运动趋势.为了进行比对，最后将3个时间段资料均归算至相对公共测点“秀英港水准基点”(图 6、7中标注为“秀英”)的运动速率.图 6给出采用20世纪70年代多期观测资料得到的速率结果，可看出主要运动趋势为以海口—屯昌一带为界，东部相对隆起、西部相对下陷的区域性升降运动，与朱运海(1988)应用1957—1982年资料得到的运动趋势一致.

图 6

Fig. 6

图 6 琼北地区相对秀英港水准基点的垂直运动速度场(1970 s) (断裂编号与名称与图 1相同) 水准路线：Ⅰ那大线；Ⅱ琼北西；Ⅲ秀屯线；Ⅳ大黄线；Ⅴ琼北东. Fig. 6 Vertical motion rates relative to QB24 in northern Hainan area (1970 s)(The numbers and names of faults are same as Fig. 1) Leveling routes :ⅠNada; Ⅱ NW Hainan; Ⅲ Xiutun; Ⅳ Dahuang; Ⅴ Northeast Hainan.

图 7

Fig. 7

图 7 (a) 垂直形变速率(1970 s—1990 s, 相对基准点：秀英港基岩点) (断裂编号与名称与图 1相同); (b)垂直形变速率(1990 s—2013年, 相对基准点：秀英港基岩点) (断裂编号与名称与图 1相同); (c)垂直形变速率剖面(1970 s—2013年) Fig. 7 (a) Vertical motion rates in the1970 s to 1990 s with Xiuying port as a reference point (The numbers and names of faults are same as Fig. 1); (b) Vertical motion rates in the1990s to 2013 with Xiuying port as a reference point (The numbers and names of faults are same as Fig. 1); (c) Vertical motion rate profiles (1970 s—2013)

表 1 Table 1

表 1 水准观测数据利用情况 Table 1 Leveling data used 水准路线 观测时间 琼北水准剖面 大黄线 1970，1974 那大线 1974，1977 琼北东 1970，1974，1976，1977 琼北西 1970，1974，1977 秀屯线 1970, 1974 一等水准环线 1976，1977，1979，1995，1996，2013

表 1 水准观测数据利用情况 Table 1 Leveling data used

图 7给出环岛一等水准路线1970 s以来垂直形变结果.可看出，1970 s—1990 s约20年观测资料得出的速率主要表现为相对秀英港水准基点，其他点位的上升运动.西北部九所—马袅相对于东南部博鳌—九所，约有1 mm·a^-1的上升，最大上升区域出现在昌江一带；上升较小的区域出现在万宁一带，马袅—铺前断裂北侧出现下降最大的点.该时段整体运动与地形基本一致，以继承性运动为主；仅在距基点500 km左右的九所—东方段有微弱的逆继承性运动；与2010—2016年GNSS基准站观测资料揭示的HISY相对HIHK的上升运动趋势相同(Hu et al., 2016)；与1957—1982年琼北资料(朱运海，1988)及1970 s速率结果(图 6)揭示的形变趋势不一致，表明地壳运动在20世纪80年代后出现了反向.2013年对环岛一等水准路线进行复测，由于点位丢失严重，仅33个点进行了重复观测.1990 s—2013年近20年资料反映点位运动主要为文昌—琼海—万宁一带的上升和其他测点的相对下沉.琼海—乐来一带上升明显，而三亚—昌江以及福山附近下沉较大.由于该期资料在琼北及跨断层复测点位过少，本文不对该时段结果与其他速率结果进行比较及断层活动性分析.

海南岛历史地震在空间分布上受近东西向断裂控制，尤其是与北西向断裂交汇处，更易发生破坏性地震.对岛及邻区地震的重定位结果显示震群更加集中并趋近断裂带，震源深度为5~15 km (徐晓枫等，2014).震群主要分布在近东西向的马袅—铺前、九所—陵水断裂以及琼东北缘的南北向小震条带附近.

马袅—铺前断裂分布于琼州海峡凹陷的南坡带上，是平行琼北海岸的一条大断裂，陆上长约100 km，向东西方向延伸入海，总长达200 km以上.断裂总体走向NEE，倾向NNW，是倾角陡的正断层.受北西向断裂切割，平面上不连续展布, 第四纪以来活动强烈；人工地震也证实断裂带由多条断裂组成；根据其活动性，可分为东、中、西3段(陈恩民和黄咏茵，1989；李建生，1991).1463—1834年，断裂附近发生过37次地震，其中破坏性地震5次，均发生在琼山与海口地区.1605年的琼山大震发生在断裂东段与北西向铺前—清澜断裂交汇处.1970年临高附近海域发生1.8级地震，表明该断裂仍在活动.从琼东北地区MT水平切片(胡久常等，2009)及InSAR结果(Ji et al., 2015)看到，目前东段主要表现为下沉；嘉世旭等(2006)研究也显示福田附近基底向海域基底迅速下降的断陷构造.

1970 s水准资料(图 8b)显示10 km范围内，垂直形变变化在断层一侧大于5 mm，另一侧为3 mm左右；结合Okada(1985)断层位错模型和Pollard等(1983)揭示的断层倾角越大，在两侧小范围内会引起大的地表形变，说明断层倾角陡，正断活动.1970 s—1990 s资料揭示断裂附近南侧点位相对北侧的上升运动，北侧出现下降最大点；该处也是活动火山分布的区域.结合GNSS基线和InSAR等研究结果(Ji et al., 2015)，认为该断裂目前以垂向运动为主.

图 8

Fig. 8

图 8 琼北跨主要活动断层水准剖面(1970 s) Fig. 8 Vertical velocity profiles across major active faults in northern Hainan (1970 s)

王五—文教断裂走向大致80°E，延伸200余km，宽5~8 km，是雷琼坳陷和五指山隆起的构造分界，同时也是新、老地层的分界线，具有切割深的特点(谢振福等，2010).在断裂带以北地区，北西向断裂具有新生性和强烈的活动性，形成一些运动差异较大的小断块，控制着最新的火山活动和新生代地层的分布.跨断层土氧测量结果表明王五—文教断裂现今有较强的活动性(任明甫, 2000).

从1970 s垂直运动剖面(图 8)可看出，断裂引起的形变变化大概在南北宽约50 km的区域.中段主要表现为南盘相对北盘的上升，相差大概在0.5~2.5 mm·a^-1；而东西两段则显示北盘相对南盘的略微上升，且东段的活动大于西段.1970 s—1990 s资料反映断裂西段的运动不很明显.王五—文教断裂活动性弱于马袅—铺前断裂.另外该断裂虽是新生代地层和火山活动的主控断裂，但现今地震活动性也较弱.

九所—陵水断裂是一条大型线性深层构造带，总体走向NEE；横贯全岛，长度大于100 km，宽2~3 km，向南倾斜，运动方向为SSW向NNE逆冲.该构造带明显地控制着地形地貌，是海南岛中部山区和南部丘陵、平原的分界线，分隔琼中地体和三亚地体(张业明, 2005).两地体在地层分布、岩性、岩相、大地构造性质及地质演化历史等存在重大差异(张永军等，2009；孙桂华等，2015).构造带内有东西向破碎带、断面擦痕、构造透镜体，除具东西向压性断裂外还伴随产生次级南北向张性断裂及北西、北东向剪性断裂.断裂带从前寒武纪已开始活动，一直延续到目前尚在活动(朱钰等，2016).

图 7地震分布表明现今琼东南地区地震多集中在九所—陵水中东段.1969年陵水以东海域发生5.2和5.1级2次中强地震.1999年5月17日陵水近海发生5.0级地震.2001年9月7日和2012年11月5日分别发生陵水县3.4级和万宁县近海3.5级地震，两县沿海多乡镇区域均有感(郭昱琴和李盛，2016).1970 s—1990 s垂直形变资料结果表明该断裂东段活动大于西段，但形变范围较小.1990 s—2013年也显示出断层的逆断活动特征.

沿东北缘南北向发生的地震多为M_L3.0以下小震，也没有相对集中的发震时间段(谢振福, 2006).胡久常等(2009)认为震群北端正好是1605年大震震中区，推测深部可能存在正处于上升状态的岩浆囊，岩浆活动引起了区域的小震活动；但也不排除由地壳深部构造活动引起.洪汉净(2006)从5~20 km的波速异常推测可能整个中下地壳还存在着比较活跃的热运动，慢速上升的岩浆引发中小地震.刘辉等(2008)认为琼北地区可能存在岩墙侵入或张性断裂膨胀.张新东等(2013)和Ji等(2015)反演了岩墙或断裂参数.断层长度在54~63 km，宽度为1~13 km.张新东等(2013)认为该震源断层在地表的投影，恰好处在西部第四系火山岩(多文岭期)与东部第四系沉积盆地的交界处，亦即升降差异最大的部位.震源断层也是高倾角，以正断层为主.该发震断层与历史大震及构造运动有关，但与北西走向大震等震线长轴方向及铺前—清澜断裂走向并不重合，认为此震源断层是大地构造继承性运动的显示.在定安、琼海、文昌与琼山等地区展布多个南北向断裂，分布在南北延伸约100 km，东西宽约35 km的范围(李建生，1991).南北向小震条带震源深度在10 km左右, 与15 km以上的低波速异常体形状不符(Lei et al., 2009)，而与南北向的铺前—博鳌断裂位置一致，推测为此断层活动引发地震.

1970 s资料揭示的垂向运动主要为断裂北段的东升西降和南段的西升东降(图 7和图 8)；而1970 s—1990 s断裂运动主要表现为西升东降(图 7).取东北缘地震条带分布区域约20 km范围内的GNSS观测站做速度场剖面(图 9)，可看出断裂附近的CXZN、SJZN和TNZN运动速度基本一致，断层约有1 mm·a^-1的左旋拉张.从地震活动性及形变结果分析该断裂目前比较活动，与氡气探测结果一致(任明甫，2000).结合InSAR等结果(Ji et al., 2015)，表明现今琼东北的南部，即文昌附近断裂活动性高于铺前地区.从地震及主要形变分布范围分析认为断层倾角应在80°~90°(Pollard et al., 1983；Okada, 1985).目前断层附近井水温、水位变化表现平稳，表明深部热物质没有上涌迹象，主要形变应为铺前—博鳌断层活动引起，断层倾角陡，具有分段性.

图 9

Fig. 9

图 9 南北向小震条带水平运动速度剖面图 Fig. 9 Horizontal velocity profiles of the NS trending seismic belt

本文应用GNSS和水准观测资料分析了海南现今三维地壳和断层活动特征.海南与华南地块运动一致，岛内各点水平差异运动不很明显.1970 s水准资料显示，琼北地区的运动为以海口—屯昌为界，东升西降；1970 s—1990 s资料显示，海南岛整体处于上升阶段，但上升幅度不同, 呈现为西南点位相对北东点位的上升，与地形基本一致，地壳以继承性运动为主；与1970 s运动相反，推测期间岛周围应力发生变化.2013年的水准路线复测，重复点位少，不利于断层活动性分析.1990 s—2013年主要表现为琼海附近的上升和三亚—昌江一带的相对下沉.与上一时段运动趋势相反，表明海南岛垂向运动的振荡性特征.由于GNSS观测时段(2009—2016年)较短，还不能说明垂向变化是发生在2012、2013水平运动变化较大的时间段.马袅—铺前断裂垂直运动明显；王五—文教断裂形变东、中、西三段运动特征不同；九所—陵水断裂东段仍是活动区域.东北缘南北向的小震活动推测由于铺前—博鳌断裂现今较为活动引起，水平向以左旋拉张运动为主；基线张压变化，运动呈现间歇性.垂直运动以西升东降的差异运动为主，为高倾角分段断层.

琼北火山属基性玄武岩，火山喷发强度较弱，火山口规模小.另外，从每期火山喷发的次数、火山物质厚度和火山地貌规模看, 火山喷发活动强度由古至今有逐渐减弱的趋势(张虎男和赵希涛，1984；胡久常等, 2009).全新世火山集中在北西向断裂带附近，容易失稳.1970 s水准资料显示石山、永兴一带垂直运动约2 mm·a^-1，隆起速率不大.MALN观测站水平运动与其他点位相比差异性不大，地震活动性显示现今缺乏火山喷发的前兆异常，火山仍处于平静状态.与洪汉净(2006)采用重力、地磁、体应变及地热等观测资料得到的研究结果一致.