第一章 绪论
1.1 引言
二十世纪以来,我国发生的六级以上地震占世界六级以上地震总数的三分之一,因此我国是世界上地震灾害最严重的国家之一。曾经引以为自豪的是我们用 7%的土地养活了世界上 22%的人口,然而,却很少有人知道,这 7%的土地承受着世界上 33%的地震危害。我国地震的分布在各地分布是及其不均匀的,主要分布在五个地区:华北地区、西北地区、西南地区、东南沿海地区和台湾地区。对于我们赖以生存的锦绣河山的地球而言,在深入研究现今地壳形变进程的迫切需求的推动下,在地震、城市沉降等区域灾害的监测与预报任务的带动下,经过几十年各个交叉学科的共同努力,地球动力学和地球系统科学交叉的新兴学科已经初见端倪,在我国人们称之为“地壳形变大地测量学”,在国外称之为“地震大地测量学”[2]。地壳形变是指在地球岩石圈壳层在内部、外部构造应力的共同作用下,所引起的地壳的相对运动。地壳形变是相对于地球上特定的固定参考框架而言,具有相对性。地壳运动与应力的形变和积累有直接的关系,所以也被称为形变运动。一般地,将最近一万年即全新世时期的地壳运动称为现代地壳运动(马杏垣等,1989)。而将近百年几十年直到当前的,能够被现代的测量观测技术所观测到的地壳运动称为现今地壳运动(赖锡安等,2004)。在地壳运动中把现今地壳运动单独划分出来,主要有以下两方面考虑: 我们己经用测量仪器测量并且保留了大量地壳运动资料数据,能够给未来的研究工作提供前提保证,并且随着现代测量监测技术的不断进步,采集到的测量数据资料精度越来越高,也会越来越多面。通过分析研究这些按照时间序列记录的现今地壳运动资料,可以深入地了解地壳和整个地球的微动态变化过程,总结出微动态变化规律,为预测工作打下基础。 现今地壳运动与人类生存、生产活动以及可持续发展有直接的关系。
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1.2 本文研究背景
福建位于我国东南沿海,是我国大陆东南部一个相对活跃的中、强地震活动区之一。福建省以及周边地区自公元 963 年以来,已经发生 4.7 级地震以上共有 37 次,最大震级为 7.5 级(1604 年 12 月 29 日,泉州海外)。20 世纪 90 年代以来,地震活动呈现增强的趋势,自 1992 年以来,已经发生 4.7 级以上地震共 5 次,最大震级达到 7.3 级(1994年 9 月 16 日,台湾海峡南部)[4]。福建沿海地区是我国经济快速发展的地区之一,却也是地地震多发区,地震及其可能带来的灾害能够摧毁该地区的可持续发展。随着空间大地测量技术的快速发展,GPS地壳形变监测技术能够为地震预报提供重要的数据来源。于是,福建省重点建设本省的地壳形变观测台网,福建地壳形变观测台网重点建设 GPS 网,4 个连续观测站组成的基准网和 16 个定期的(复测周期为 2 年)复测站组成的区域网构成了本区的 GPS 网[5],地壳形变观测台网还包括水准网、流磁网和重力网以及数据处理中心。福建省地震局结合通过地壳形变观测台网获取的 GPS、水准、测震和重力场等数据资料,整体综合分析研究福建沿海地区及海峡的地壳水平形变场、地壳垂直形变场和重力场的变化趋势,为预测地震提供数据来源。在福建省建立一个空间地理信息系统,能实时地获取地壳形变信息,是福建省地壳形变观测台网布网的最终目的。本文研究基于福建地区地壳形变监测资料,主要是 GPS 数据资料和精密水准数据资料,通过对这些数据资料进行整理及处理,进而对该区域地壳形变过程进行研究,分析变形规律。
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第二章 福建沿海的地质构造背景
2.1 区域地质
根据地质学资料记载,福建省地质地层发育从元古界至第四系地层发育比较齐全。由于福建省地层发育的特点,使得福建省地层岩石类型非常多,各种岩石分别主要集中在不同的地区。晚第三纪和第四纪时期,地层分布零散,主要集中发育在东南沿海地区,此时的地层主要包含基性火山岩、沉积岩及海相和陆相松散沉积物[8]。福建火山岩分布广泛,发育历史悠久,历史上有四个主要的活动时期,它们分别是元古代、古生代、中生代和第三纪活动时期,这四个主要的活动时期不断旋回,由此组成了四个火山活动旋回。在活动时期,火山活动活跃,喷发形成引人注目的火山岩景观。其中,活动强度和规模最大的当属晚侏罗一早白垩火山,它的出露面积非常大,达到了3.8 万平方公里,这个出露面积大小相当于福建全省总面积的 31%。福建侵入岩也广泛发育,出露面积也非常大,分布有 40316 平方公里,这个出露面积约占福建全省面积的三分之一。四个侵入活动时期有华力西-印支期、加里东期、燕山期和喜马拉雅期,按照活动强度排序,活动强度由大到小依次为燕山早期 燕山晚期 加里东期 华力西期 印支期。其中,燕山早、晚期的活动规模最大,而且有多阶段和多次的侵入活动,活动比较活跃。燕山早、晚期的岩石类型比较齐全,除了酸性和中酸性岩比较多之外,还有超基性、基性、中性、碱性等岩类[9]。
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2.2 区域构造
福建东南沿海地区的邵武-河源断裂(F1)、政和-大埔断裂(F2)以及长乐-南澳断裂(F3)等北北东、北东向断裂带切割了该地区的地貌,构成了武夷山脉和鹫峰山-戴云山-博平岭山脉两座山脉,这两座山脉的走向与断裂带走向一致。武夷山脉,也被称为大杉岭,雄踞福建西部,是福建和江西两省的分界山,同时也是鄱阳湖、闽江和汀江水系的天然分水岭。鹫峰山-戴云山-博平岭山脉横列福建中部地区。而福建东南沿海的海岸带,是由台地、低山、平原、岛屿和丘陵组成。长乐-南澳断裂带位于福建省东南沿海地区,近似平行于海岸分布,呈弧形,该区域东濒台湾海峡,其范围主要沿闽江口、长乐、诏安、福清、莆田、仙游、惠安、泉州、晋江、厦门、漳州、漳浦、东山、龙海等地,一直南延至广东南澳岛,全长大于 400km,宽 40-60km。流经该区域内的河流主要有木兰溪、闽江、晋江和九龙江等。在该区域内,自北西方向往南东方向地貌依次为主低山、丘陵、台地和冲海积平原等。在长乐-南澳断裂带与北西向断裂交切处发育着断陷平原和海湾,其中,交切处的断陷平原主要有晋江下游平原、福州-长乐平原和龙海平原等,交切处的海湾主要有湄洲湾、兴化湾、厦门港和泉州-洛阳湾等。长乐-南澳断裂带的多数地区在第四纪早、中期比较活跃,都曾有过活动;但是中期过后,长乐-南澳断裂带就比较稳定,基本上没有发生活动;不过晚更新世末期,长乐-南澳断裂带的某些地区再次开始活跃起来,出现了活动的迹象,只是跟第四纪早、中期相比,大部分地区活动强度和规模都有相当大程度的减小,只是长乐-南澳断裂带与北西向断裂交界处除外,该交界处活动规模和强度都略微增大。
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第三章 地壳形变分析模型........10
3.1 引言.......... 10
3.2 地壳水平形变模型........ 10
3.3 地壳垂直形变模型........ 13
3.3.1 多项式拟合函数模型......... 13
3.3.2 多面函数的速率面拟合模型 .... 14
第四章 福建沿海地区水平运动特征分析......16
4.1 GPS 测量在地壳形变监测中的应用......... 16
4.2 长乐-南澳断裂带 GPS 布网方案 ....... 18
4.3 GPS 数据处理 ........ 22
4.4 区域地壳水平运动特征 ....... 27
第五章 福建沿海地区垂直运动特征分析......32
5.1 福建沿海水准点布设 .... 32
5.2 垂直形变数据处理方法 ....... 33
5.3 区域地壳垂直运动特征分析....... 38
第五章 福建沿海地区垂直运动特征分析
5.1 福建沿海水准点布设
研究地壳垂直运动时,对实测的一等或二等水准资料进行处理的过程中一般会出现以下几种难题[48]:
(1)实际工作中进行一次完整的水准复测大概要花费十多年的功夫,然而地壳却或多或少的不断变化着,所以很难获取特定时刻对应的真实的地面高程值。
(2)理想状态下我们期望能够将水准点均匀地布设在整个测区,这样才能更为准确地表达区域的垂直运动。然而在具体实施的过程中,会受到外业环境以及水准点布设的相关规范的限制,同时为了便于测量工作的开展一般将水准点布设在区域内的主干道上,这就造成了整个区域范围内水准点的不均匀分布。
(3)在分析研究区域现今地壳运动时,从时间尺度来讲,地壳运动的观测时间间隔不均匀,又因为观测客观存在着一定的误差,所以观测时间间隔的不均匀会一定程度地影响观测的成果。
所以,分析研究福建东南沿海地区地壳垂直运动的过程中,需要恰当地处理上述难题,以便能够获取相对合理的结果。要获得比较稳定的具有说服力的福建东南沿海地区地壳垂直运动速度场,对高精度水准测量来说,至少需要间隔十年以上的重复水准资料,并且需要多期稳定的观测成果。
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结论
无论从安全意义上还是经济利益上考虑,福建省东南地区地壳现今水平与垂直形变的研究都意义重大。本论文以福建东南沿海为研究目标,通过处理多期针对该区域长乐-南澳断裂带展布区 GPS 数据和精密水准测量数据,结合相关数学物理形变拟合模型,分析区域地壳现今形变特征,在此基础上总结出水平和垂直形变规律,本文得到以下结论:
(1)对福建东南沿海 GPS 野外地壳形变观测数据,利用目前普遍使用的GAMIT/GLOBK10.40 软件进行平差处理,得到了基线平差结果和站坐标,以及它们的精度。利用该软件解算速度场,得到了福建东南沿海地区在 ITRF2008 框架下的运动速度场,然后计算转换得到相对于欧亚板块的水平速度场,采用最小二乘配置拟合模型拟合得到的水平速度场,通过分析三个参考框架下的水平速度场图,并且结合福建沿海地区的动力学机制进行初步分析,福建