1、地球物理反演理論地球物理反演理論課程組Balancing the plate motion budget in the South Island/New Zealand using GPS, geological and seismological data基于GPS、地質(zhì)學(xué)和地震數(shù)據(jù)對新西蘭南島板塊運動的平衡預(yù)算Laura M. Wallace， Geophys. J. Int. (2006) doi: 10.1111/j.1365-246X.2006.03183.x地球物理大地測量(聯(lián)合)反演理論與應(yīng)用之五主要內(nèi)容1，背景知識介紹2，反演模型與方法3，反演結(jié)果與分析4，討論與結(jié)論GPS網(wǎng)速

2、度的作用與不足：GPS數(shù)據(jù)能夠定量給出累積的應(yīng)變量及滑移的分解狀況 Wallace et al. 2004a證實，有很多的構(gòu)造解釋模型都能很好的擬合GPS數(shù)據(jù)；這種不唯一的原因是： 板塊邊界區(qū)域內(nèi)的不痛類型速度場存在較強(qiáng)的折； 俯沖區(qū)的復(fù)雜構(gòu)造及其活動斷層；1、背景知識介紹改進(jìn)途徑和模型方法：利用這3種數(shù)據(jù)，采用擬合估計法：彈性旋轉(zhuǎn)塊體模型擬合法 (McCaffrey 1995, 2002). 斷層滑移速率和方位：塊體間的相對運動 (Morgan 1968); GPS測量得到的速度場：方位，參考框架，塊體間斷層的 間震期耦合。對NEW Zealand的已有研究： 活動斷層研究Active fa

3、ulting studies: (Wellman 1953; Lensen 1968; Berryman et al. 1992; Van Dissen & Berryman 1996)； 地震學(xué)家們: 估計震源參數(shù)；本研究的重點： 太平洋澳大利亞板塊間的相對運動 (Beavan et al. 2002)； 斷層滑移速率，間震期的耦合程度；同時對其中的三個方面做了探討。俯沖/純走滑會聚擠壓右旋走滑純走滑旋轉(zhuǎn)俯沖backarc rifting活動構(gòu)造背景數(shù)據(jù)分析1994至2004年間，15個區(qū)域GPS測量站；有地震的區(qū)域，則做相關(guān)處理；獲取站速度及其不確定性，將其轉(zhuǎn)換至澳大利亞塊體參考框架下，處

4、理方法同Wallace et al. (2004a);2個取舍標(biāo)準(zhǔn)：觀測時間與周期、方差協(xié)方差判斷其他數(shù)據(jù)： 太平洋板塊上和澳大利亞板塊上的GPS觀測數(shù)據(jù)： 建立澳大利亞板塊參考框架； 對運動學(xué)模型提供邊界條件； 斷層上的地震滑動矢量方位角：對形變的運動學(xué)提供約束 地質(zhì)觀測資料：對運動學(xué)模型提供更強(qiáng)的約束二、反演模型方法基于構(gòu)造板塊長期旋轉(zhuǎn)而被觀測到的GPS速度和板塊邊界斷層耦合而產(chǎn)生的彈性應(yīng)力而建立的模型：An elastic、rotating block approach (McCaffrey 1995, 2002)。在最優(yōu)擬合GPS速度、地震滑動矢量和地質(zhì)斷層滑動速率和方位角的條件上，獲

5、得彈性板塊的角速度和斷層的耦合系數(shù)，應(yīng)用的方法是模擬退火法的極小化。最小化數(shù)據(jù)殘差：由凱方的減小來確定。該方法也能使我們把多種GPS速度數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一參考框架 (澳大利亞板塊框架)內(nèi)。依據(jù)已知的活動斷層劃分成很多構(gòu)造板塊:對于那些由于觀測的問題，而無法區(qū)分的多重斷層區(qū)域，采用近似的地殼形變分布劃分;有證據(jù)表明,有些構(gòu)造板塊內(nèi)部的斷層(無法確定的)有很小的地殼形變反應(yīng)到斷層上，但由于太小(1mm/yr)而用GPS技術(shù)無法檢測到。南島的劃分區(qū)域劃分的結(jié)果是一個純運動量，用來描述摩擦導(dǎo)致的斷層長期的不動的過程。 表達(dá)式：其中：V 長期滑動速率(經(jīng)歷了很多地震周期)，Vc為短期蠕動。=0，表示只有蠕動

6、;=1，表示在震間周期內(nèi)沒有蠕動。 注：估計的只是網(wǎng)點上的值，其他的可以通過雙線性內(nèi)插獲得。我們不考慮它隨時間的變化。耦合系數(shù)對值的限制新西蘭島的地殼斷層尚未發(fā)掘震間蠕動的證據(jù)相對移動矢量矩陣；滑動速率秩虧矩陣；幾個計算的量后滑模型 (Savage 1983),；彈性半空間的位錯模型 (Okada 1985) ；二者均需要定義耦合可能發(fā)生出的位錯幾何參數(shù)計算彈性形變對速度場的貢獻(xiàn)就最優(yōu)模型而言，2= 1.17，這表明數(shù)據(jù)擬合程度在不確定性水平內(nèi)。使用了818個GPS水平速度、30個地震滑動矢量或斷層滑動方位角以及35個地質(zhì)學(xué)滑動速率，對217個參數(shù)(包括北島的138個角速度的自由參數(shù)和斷層耦合

7、系數(shù)，Wallace et al. 2004a) 做了估計。反演的自由參數(shù)包括：旋轉(zhuǎn)參數(shù)、應(yīng)變率張量、。四、反演結(jié)果與分析斷層滑動速率虧損的估計地震學(xué)估計結(jié)果：12 km (Leitner et al. 2001)；大地測量學(xué)估計結(jié)果：58 km (Beavan et al. 1999)； 原因：可能是沒有考慮滑動速率虧損沿走勢是變化的， 同時也受到臨近斷層的影響。 考慮以上兩點，對于大多數(shù)的the Alpine Fault，估計獲得了一個18KM的震間耦合深度(=0.70.85)。 可能=1的深度小于18KM而但仍然大于地震研究估計的12KM。 南島構(gòu)造板塊間可能的內(nèi)部應(yīng)力為了估計CANT

8、和 SALP塊體間Alpine斷層上可能的永久應(yīng)力分布，我們在最佳擬合模型下，反演了這些板塊的水平應(yīng)變率張量；估計的有些板塊間的永久應(yīng)力是彈性的，由于構(gòu)造板塊內(nèi)的耦合斷層。然而，考慮GPS數(shù)據(jù)的不確定性，很難區(qū)分無震滑動板塊內(nèi)斷層的永久地殼形變與震間耦合。估計應(yīng)力速率后，對擬合結(jié)果的改進(jìn)作用不明顯。 就CANT塊體而言，塊體增厚導(dǎo)致約0.1 to 0.2 mm/yr 的抬升；在有些構(gòu)造板塊，利用速度殘差估計殘余應(yīng)變率，估計的結(jié)果表明: 假設(shè)塊體內(nèi)部未發(fā)生形變是合理的，符合模型假設(shè)要求。但也有少數(shù)例外。由于Marlborough臨近斷層的滑動速率秩虧引起的彈性應(yīng)力，使得只依靠GPS數(shù)據(jù)很難確定它

9、的滑動速率，這一區(qū)域的旋轉(zhuǎn)具有很大的不確定性。地質(zhì)資料作為硬性條件被應(yīng)用到反演中，這對于解決有些參數(shù)是極其關(guān)鍵的，因為它們不受彈性應(yīng)力成分的影響，不像GPS數(shù)據(jù)。 GPS速度的研究表明大約一半的總滑動速率可以由地質(zhì)研究解釋，余下的滑動，肯定發(fā)生在難以描述和發(fā)現(xiàn)的斷層中。 PPAFZ的速率是之前用地質(zhì)資料估計的速率的2倍，這是因為他們之前估計的時候，只考慮了大斷層，然而PPAFZ是一個復(fù)雜的、廣闊的斷層區(qū)域，還有很多包含右旋的斷層(e.g. Pettinga et al. 2001)。 Marlborough地區(qū)的板塊運動和斷層滑動速率古地磁和地質(zhì)數(shù)據(jù)表明，800W年來，Marlborough塊

10、體的北部相對于太平洋和澳大利亞板塊邊界有35的順時針方向的旋轉(zhuǎn)。Marlborough 塊體表現(xiàn)出與北島塊體很大的不同的旋轉(zhuǎn)點，表明Marlborough 塊體中部和 北島塊體之間是不連續(xù)貫通的；Alpine Fault的滑動速率總體來說，與地質(zhì)資料估計的值比較一致。從北端往南，滑動速率在不斷的增加。 到Haast南部，運動又變?yōu)榧冏呋俾氏陆禐椋?24 mm/yr. 這與地質(zhì)資料預(yù)測的差不多。這種減少，表明有些滑動從Alpine Fault 中部轉(zhuǎn)化到了 Fiordland 俯沖區(qū)。 我們預(yù)測Alpine Fault中部的收斂運動是5 mm /yr，比地質(zhì)資料估計的要少12 mm/yr。從

11、我們的模型中，可以獲知， Alpine Fault中部的走滑運動成分可以解釋80%的太平洋澳大利亞板塊間的相對運動。Southern Alps的地殼形變分布討論了一個對Central Southern Alps region可能更適合的模型.我們估計Alpine Fault的運動的走滑處于，活動斷層研究估計的平均值的最大值。對不活動的主分離斷層區(qū)的構(gòu)造觀測，可以獲得額外的證據(jù)，表明Southern Alps的地殼形變分布發(fā)生在過去。就Alpine 斷層?xùn)|側(cè)100千米的斷層，包含有巨大的剪切形變，可能不能正確的模擬出這種彈性剪切形變，這是因為the Alpine Fault的震間滑動速率秩虧的存

12、在。這種無法辨別的壓力可能恰好解釋了，為什么我們的最佳擬合模型獲得了更深的震間耦合深度，與震源層相比。 為了確定Southern Alps的地殼形變分布，把SALP分成了：Southern Alps and Southland 塊體。添加2個限制： Alpine斷層中部的走滑速率為：22 and 27 mm/yr； Southern Alps and Canterbury/Otago 塊體邊界的總相對運動少于7 mm/yr。這2個限制條件的使得可以很好的擬合the central South Island GPS數(shù)據(jù)。在這種條件下的模型的 = 1.63，比最佳模型的 =1.17要大?？紤]一個更

13、復(fù)雜的參數(shù)應(yīng)力模式，可能對數(shù)據(jù)的擬合會和前面的最佳擬合模型一致。Southern Alps東邊山麓斷層的地殼形變運動學(xué)模型預(yù)測SALP/CANT 邊界有36 mm/yr的右旋收斂速率。前人做的研究，太多是地質(zhì)學(xué)研究，都致力于估計聚斂速率。我們認(rèn)為，在這個區(qū)域的斷層中，存在右旋走滑和聚斂成分，使得總的速率比地質(zhì)研究估計的值要大23倍。 地質(zhì)學(xué)研究獲得小的值的原因可能是：沒有估計右旋速率，或者是考慮的活動斷層數(shù)量要少一些。本文的運動學(xué)模型也預(yù)測，在CANT 塊體 和太平洋板塊間有12 mm/yr的收縮(有點右旋); 而有人預(yù)測是3mm/yr. 這種差別，可以從 Alpine 和Marlboroug

14、h 斷層系統(tǒng)存在的震間滑動秩虧得到解釋。Fiordland 區(qū)域運動學(xué)模型對Fiordland 區(qū)域的估計： 受到Fiordland 俯沖區(qū)的GPS速度、地震滑動矢量的限制。南島構(gòu)造板塊獨立性的統(tǒng)計檢驗如果假定SALP, CANT, 及 FIOR塊體獨立旋轉(zhuǎn)，則觀測數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果不如另一種旋轉(zhuǎn)模式好。SALP/FIOR: 基于GPS速度場，尚不能確定FLOR塊體是否與SALP塊體相關(guān)。如果FLOR和SALP塊體間發(fā)生形變，則其形變必然很小。基于這些檢驗，Alpine斷層的東南島并未表明是剛性太平洋板塊的一部分。與最優(yōu)擬合模型比較，假定(FIOR,SALP及CANT塊體作為太平洋板塊的一部分進(jìn)行

15、檢測，對數(shù)據(jù)的擬合上出現(xiàn)了很大的偏差；SALP 和 CANT 塊體作為太平洋板塊的一部分的檢測，同樣出現(xiàn)了很差的擬合效果。如果CANT塊體作為太平洋板塊的一部分，F(xiàn)檢驗表明可以對觀測數(shù)據(jù)集擬合的較好，但其擬合效果仍差于本文給出的最優(yōu)擬合效果。這些似乎表明CANT塊體較其他兩個塊體的運動更加近似于太平洋板塊的運動，但仍然與太平洋板塊的運動失相關(guān)。討論與結(jié)論南島滑動分割樣式的變化 板塊邊界類型的變化，從Hikurangi 邊緣的俯沖轉(zhuǎn)換為Marlborough邊緣的純走滑，南Alps的斜滑使得新西蘭板塊邊界區(qū)域滑動分解模式發(fā)生十分巨大的變化。北島的情況：北島主要發(fā)生構(gòu)造旋轉(zhuǎn)，而走滑斷層效應(yīng)為次級作

16、用；北島區(qū)域發(fā)生滑移分解現(xiàn)象，從垂直于Hikurangi俯沖邊緣的俯沖地震(Webb & Anderson 1998)和上覆板塊區(qū)域內(nèi)的走滑斷層的地質(zhì)學(xué)證據(jù)可以得到證實 (Cashman et al. 1992)；本研究認(rèn)為北島南端部分較大的走滑速率是由用于調(diào)整平行于板塊邊界的旋轉(zhuǎn)運動速率降低引起的。南島的情況：Marlborough區(qū)域: 相對板塊運動的平行于和垂直于邊緣分量在很大程度上是體現(xiàn)為分離結(jié)構(gòu)發(fā)生的。Marlborough 中央和南部區(qū)域: 板塊旋轉(zhuǎn)幾乎可以不考慮進(jìn)滑動劃分；Marlborough北部的斷層:由于受到來自北島的走勢的作用，可能包含了很大的收縮成分。(e.g. Jor

17、dan Thrust, Van Dissen & Yeats 1991; northern Awatere Fault, Little et al. 1998; London Hills Fault,Townsend&Little 1998; Clarence Fault, Nicol & Van Dissen 2002).PPAFZ區(qū)域的一部分?jǐn)鄬樱倚?。小?00W年的古地磁獲得的northeastern Marlborough的順時針旋轉(zhuǎn)證據(jù)表明: 旋轉(zhuǎn)在這個區(qū)域的滑動劃分上起到了作用；雖然利用GPS技術(shù)，目前還無法證實是否這些旋轉(zhuǎn)還在繼續(xù)（這可能是由于這個區(qū)域比較小的原因）。假

18、如古地磁獲得的這種旋轉(zhuǎn)還在繼續(xù)，Marlborough 北東段可能是 北島構(gòu)造邊界的過渡區(qū)域；同時在Marlborough中部也可以觀測到接近純走滑的運動。 Alpine斷層：包含了大約75%的相對板塊運動，也有收聚和走滑成分；其余的量值分化在Alpine斷層?xùn)|部的走滑、傾斜滑動和收縮的斷層中。大約63%的相對板塊運動的平行于邊緣的分量，發(fā)生在Alpine斷層；總體來說，北島的滑動分割過程，是以板塊旋轉(zhuǎn)為特征的；南島這樣的旋轉(zhuǎn)由于是以遠(yuǎn)點為中心的而導(dǎo)致了低速度梯度。因此，南島的相對板塊運動更多的是，直接體現(xiàn)到斷層上，有一些是比較間接的。New Zealand的板塊旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動機(jī)制南島構(gòu)造板塊的垂

19、直軸旋轉(zhuǎn)速率，在數(shù)量和形式(相對于澳大利亞板塊是逆時針的)上和與太平洋板塊是相似的。這意味著南島的運動，受到太平洋板塊的影響更大。 有趣的是，SALP 塊體相對澳大利亞的垂直速率 (0.35/Myr, anti-clockwise) 比 CANT 塊體相對澳大利亞塊體的旋轉(zhuǎn)速率(0.99/Myr, anti-clockwise)要小。這表明：越接近澳大利亞板塊，由于邊壓的增加，板塊的運動受到澳大利亞板塊的影響越大。驅(qū)動原因，可能是該區(qū)域底下的地幔運動所致.Northeastern Marlborough: 古地磁和地質(zhì)研究表明, 在過去的800W年里, 累積發(fā)生了巨大的順時針旋轉(zhuǎn)運動, 達(dá)到了

20、35度。在北島東部, 古地磁和大地測量資料表明, 有快速的順時針旋轉(zhuǎn)。Wallace et al. (2004a)認(rèn)為，這是由于太平洋俯沖浮力向南增加，這一俯沖過程的影響。目前, 一般認(rèn)為Lamb(1988)的浮塊模型解釋了 Marlborough北東區(qū)域的順時針旋轉(zhuǎn)。但是, 我們更相信，這是由于相對俯沖過程的作用, 與導(dǎo)致北島構(gòu)造板塊旋轉(zhuǎn)的類似(Wallace et al. 2004a)。假如正如所假設(shè)一樣, 那么北島的構(gòu)造板塊通過Cook Strait與Marlborough北東部應(yīng)該是相鏈接的。然而, 當(dāng)前在 Marlborough北東部的GPS速度測量的分辨率和精度, 都不能讓我們確定

21、這些順時針旋轉(zhuǎn)是否還在繼續(xù)。板塊邊界區(qū)域演化的主要影響因素Chatham Rise沿著新西蘭板塊邊線以2837 mm/yr的速率向西南遷移。也使得Hikurangi 俯沖區(qū)相對Australia向南蔓延。這種蔓延, 可能證實了導(dǎo)致MFS活動性向南遷移, 這也導(dǎo)致了新的斷層出現(xiàn), 比如PPAFZ (Berryman et al. 1992; Little & Roberts 1997)。同時, 俯沖帶以及隨后的MFS區(qū)域的斷層向南遷移, 從MFS地區(qū)南部發(fā)現(xiàn)的新斷層這一情況得到證實, 比如PPAFZ (Cowan et al. 1996)。此外, 也出現(xiàn)了一個伴隨的滑動轉(zhuǎn)移, 從Alpine斷層

22、向南東向傳播到; 這也有效的減短了Alpine 斷層中間部分的快速滑動的長度(Berryman et al. 1992)。 根據(jù) Little & Roberts (1997)， 我們額外認(rèn)為: Alpine 斷層/MFS 區(qū)域以相似速率向南西遷移；因此，Alpine斷層的最南端部分相對Marlborough斷層而言, 與200W年前相比, 遷移了大約5674KM；假如以上的確實發(fā)生了, 那么Marlborough 斷層系統(tǒng)在大約1.41.9百萬前開始形成有新的斷層。這與該區(qū)域的一些觀測研究結(jié)果相一致。Chatham Rise 和 Hikurangi 高原的南向遷移, 同樣也影響了北島的構(gòu)造過程。Wallace et al. (2004a)認(rèn)為: 北島東部的快速順時針旋轉(zhuǎn)的發(fā)生, 是由于Chatham Rise (a continental fragment)俯沖到Hikurangi 高原 (buoyant oceanic plateau)這一變化導(dǎo)致的。這也導(dǎo)致相對 Chatham Rise這一“固定點”(相對于太平洋板塊的)發(fā)生旋轉(zhuǎn), 以及TVZ地區(qū)的后弧分裂。而由于相對于澳大利亞板塊的旋轉(zhuǎn)點位置的存在, 也使得TVZ地區(qū)發(fā)生分裂運動。