基于空间大地测量实测数据的全球构造变化研究

Although plate tectonics already being the studying basis and mainstream of global tectonics nowadays, theories of expanding or compressing about the Earth have not been ceased in deed, which were still the main objects of investigating and searching proofs for many geoscientists. In the research of plate tectonics, a basic hypothesis which has been used until now, is that the solid Earth's volume (or radius) keeps unchanging because the lithosphere's expanding and compressing could be compensated mutually. Whether and in which time scale these hypothesizes is correct or not, that has not been proved rigorously. Along with the development of space techniques and improvement of geodetic precision, it is possible to detect and resolve above problems in the help of more and higher precision observations and stations distributing globally. Therefore, we will research and estimate quantificationally these global tectonic changes by using space geodetic observations, such as the stability of plate motion, compressing and expanding change of the Earth, unsymmetrical tectonic change of each hemisphere, relative torsion of south and north hemisphere, the west drift of lithosphere, and also discuss possible mechanism of these tectonic changes by using geological data and information. This study not only develop broadly the application field of space geodesy, but also stimulate the development of global tectonics and geodynamics.

尽管板块构造学说早已成为当今全球构造学研究的基础和主流，但是地球膨胀说、地球压缩说从未有真正沉寂，仍有许多地球科学家在不懈地寻找地球膨胀或压缩的证据。在板块构造学研究中，一个沿用至今的基本假设就是："地球岩石圈的扩张增生与压缩消亡相互补偿抵消，从而使固体地球的体积保持不变"。这些假设是否成立，在什么时间尺度上成立，至今尚未被严格证明过。现今精度越来越高的空间大地测量地壳运动实测数据，全球越来越合理的台站分布，为上述问题的解决提供了一种实测验证的可能。本项目采用最新的空间大地测量地壳运动实测数据，研究全球板块运动稳定性、固体地球的压缩或膨胀变化、各个半球的非对称性构造变化、南北半球相对扭转和岩石圈整体西向漂移等全球构造变化现象，并给出定量估计，结合地学资料探讨这些全球构造变化的可能机制。这项研究不仅拓宽了空间大地测量的应用领域，而且对促进全球构造学、地球动力学等学科的发展具有重要意义。

本项目采用最新的空间大地测量地壳运动实测数据，研究全球板块运动稳定性、固体地球的压缩或膨胀变化、各个半球的非对称性构造变化、南北半球相对扭转和岩石圈整体西向漂移等全球构造变化现象，并给出定量估计，结合地学资料探讨这些全球构造变化的可能机制。这项研究不仅拓宽了空间大地测量的应用领域，而且对促进全球构造学、地球动力学等学科的发展具有重要意义。主要研究成果如下：. （1）综合采用全球4000多个最新的空间大地测量台站实测站速度数据，把抗差估计方法引入板块运动参数的最优估计以消除异常数据的影响，建立了一个新的包含19个板块的基于空间大地测量实测数据的现时板块运动模型GSVM1。与地学资料建立的NNR-MORVEL56模型比较表明，现时全球板块运动与长期的平均趋势具有很好的一致性，目前全球的板块运动总体上处于稳定状态。但是两个模型在个别板块上仍然存在一定的差异，明显超出了95%的置信区间，产生的原因一方面是数据数量和质量存在不足，也可能表明现时板块运动的确发生了微小的变化。. （2）对固体地球的半径、表面积、体积及其变化率进行了检测，结果分析表明，整个固体地球处于非对称变化状态，北半球在收缩，南半球在膨胀；东半球（东经0~180度）在收缩，西半球（西经0~-180度）在膨胀；太平洋半球（东经90-270度）在收缩，大西洋半球（东经90-西经90度）体积在膨胀；固体地球总体处在压缩状态，每年的半径变化率约为-0.8~-1.6mm。. （3）分别对南北半球测站的东向、北向和垂向站速度进行了统计计算，发现北半球相对于南半球存在约8~18 mm/a的西向旋转，这与地学资料推测南北半球相对扭转现象完全吻合，首次给出了定量估计。. （4）采用最新热点数据建立了基于平均热点的参考基准，构建了基于平均热点参考架的地学模型MHS-NUVEL1A和实测绝对板块运动模型MHS-ITRF2005VEL，与基于NNR参考框架的模型相比，发现整体岩石圈 相对于平均热点参考架代表的下地幔存在旋转速率为0.2554°/Ma，旋转极(49.8°S, 61.7°E)的西向较差旋转。. (5)地球构造运动以及非对称表现的机制包含了地球转动惯性力与地球内部热力、重力的联合。考虑到构造运动的非平稳性和韵律性，还需要研究大气层以及其他天体对地球的动力影响。