2013, Vol. 56
2. 大地测量与地球动力学国家重点实验室, 武汉 430077
2. State Key Laboratory of Geodesy and Earth's Dynamics, Wuhan 430077, China
活动构造块体分区是地壳构造运动及地震活动性研究的重要基础，受到广泛的关注[1].自20世纪60年代板块构造理论提出以来，许多研究者致力于板块、尤其是板内块体及构造亚板块的划分，而东北亚地区一直是大家普遍关注的热点地区之一[2].根据地震活动性及地表构造特征，Zonenshain和Savostin[3]提出在欧亚板块内部的东北亚地区存在一个活跃的构造块体-Amurian板块，其西部和北部边界分别为贝加尔裂谷和斯坦诺夫山地，向东沿日本岛以西一系列的正断层南下，在日本本州中部与冲绳海槽相连，而后向西经朝鲜半岛南端由渤海进入中国，经山西地堑北部、鄂尔多斯北端向西北与贝加尔裂谷相接，形成一个覆盖中国东北及华北部分地区、朝鲜半岛、日本西南部、俄罗斯东南部及蒙古西部的巨大构造单元[4]（图 1）.Amurian板块的提出受到地学界的广泛重视.它到底是欧亚大陆的一部分，还是独立于欧亚大陆之外的一个独立次级构造块体？这个问题一直是东亚，乃至欧亚大陆构造动力学研究的核心问题之一[5-8].许多学者[9-12]从地质学和地球物理学的角度研究了Amurian板块存在的可能性.但是，复杂的构造特征和稀少且弥散的地震活动性分布使Amurian板块的问题充满了争议.
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图 1 相对欧亚速度场、Amurian边界、板块分区箭头表示活动块体上该点相对欧亚板块运动的大小和方向，Ⅱ-蒙古西部；Ⅲ_华北；Ⅳ-华南；Ⅴ-韩国；Ⅵ-日本西南. Fig. 1 Velocity relative to EURA、the boundary of Amurian、subarea Arrowhead is the size and direction of the velocity relative to EURA. Ⅱ-west Mongolia; Ⅲ-North China; Ⅳ-South China; Ⅴ-Korea; Ⅵ-west south Japan. |
大地测量学为构造块体分区提供了一类独立的观测和研究手段.一个直观设想是，如果足够精细地确定了地壳块体的运动状态，并从中甄别出一个区域，其运动状态与周边区域存在明显差异，而其内部几乎不存在相对运动，根据大陆内部地壳运动的分块特征，那么就可以基本断定这是一个独立的构造块体，并依据运动的差异性圈定这个块体与周边块体的边界.而现代空间大地测量技术的发展使这一设想的实现成为可能.
随着全球定位系统（GPS）观测技术的不断进步，GPS观测结果提供高精度、大范围和准实时的地壳运动定量数据，使得在短时间内获取大范围地壳运动速度场成为可能.因此，本文从地壳运动学的角度，用统计检验方法对该问题进行深入的研究[13]. Miyazaki等[5]利用日本和韩国的GPS观测结果及贝加尔裂谷和斯坦诺夫山地的地震滑移矢量证实了Amurian板块的存在，他们的结果表明Amurian板块与欧亚板块间存在几个毫米的运动.Takahashi等[7]的新的GPS解算结果支持了Miyazaki得到的Amurian板块和欧亚板块间的相互运动，比魏东平等[14]的结果大5倍.
关于Amurian板块运动最新的GPS观测结果来自Heki等[8]的研究.1999年，Heki等利用日本、中国和韩国等国家15个IGS站1年以上的GPS连续观测资料研究了Amurian板块的运动学问题.他们的结果显示，所设想的Amurian板块相对稳定的欧亚大陆参考架存在约9~10 mm/a的相对运动，而板块内部各点的相对运动不超过1mm/a.因此，他们认为，大地测量资料证实了Amurian板块的存在，并且他们乐观地表示，Amurian板块的存在及其运动参数的确定为研究日本西南部的地震活动性铺平了道路.但是，Heki等也意识到，一些地区资料的缺乏在一定程度影响了其结果的确定性.
本文基于统计假设检验方法，利用大地测量的数据对Amurian板块是否存在、其覆盖范围以及其争议性的南部边界的精确位置进行研究，以期为目前正处在热点之中的东北亚地壳运动研究起到一定作用.
2 东北亚地区地壳运动速度场中日韩国际合作项目处理收集了包括中国、日本、韩国、俄罗斯、蒙古等国的东北亚地区77个GPS台站2000年至2005年6年的观测资料，采用GAMIT/GLOBK软件进行统一处理，得到该区77个GPS站点的位移速度值.作为补充，我们还收集了研究区邻区已发表的速度场结果[15-18]，采用速度场融合方法[18-19]，将测站坐标和位移速率与ITRF2000框架差异最小化作为约束条件，通过估计平移、旋转和尺度比七参数转换，把速度场归算到ITRF2000参考框架，得到统一、自洽的速度场.
为了获得相对欧亚大陆的速度场，我们首先需要选取稳定的观测站定义欧亚板块的参考框架.通常，选取稳定观测站的原则[1-11, 20-25]有两个，首先根据先验的信息选取位于构造活动性弱、地壳变形小的地区观测连续的测站；然后根据后验的拟合残差排除那些残差大的测站.本文采用加权最小二乘方法计算欧亚板块相对ITRF2000的欧拉矢量，以降低误差较大的测站位移速率对计算精度的影响，同时采用迭代的方法排除那些拟合残差大的测站，直到所有测站的后验残差都在1 mm/a之内[9].由于采用不同的测站，定义的参考框架也不尽相同，本文采用多组测站定义相对欧亚大陆的参考框架（表 1）.鉴于测站远离变形区及后验残差较小这两条原则，最终我们采用全球框架方案①15个测站（图 2）的运动速度场，计算得到欧亚板块相对ITRF2000框架运动的欧拉极位于-105.1255°E、54.1435°N，欧拉旋转量为0.2483°/Ma（逆时针方向）.利用此欧拉矢量将ITRF2000下的速度场转到欧亚板块参考架下（图 1），并基于此进行东北亚地区地壳运动学和构造块体分区的统计检验分析.
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表 1 采用多组测站定义欧亚大陆参考框架 Table 1 The stations used for defining the reference frame of Eurasia |
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图 2 定义框架所用测站示意图（五角星号为欧拉极的位置） Fig. 2 The stations used for defining the reference frame (asteriskisEulerpolar) |
根据如下的思路进行构造快体分区的统计检验.
首先，选取没有争议的属于Amurian板块内部站点，检验其与欧亚大陆的相对运动，以澄清Amurian板块是否是独立于欧亚大陆之外的独立的构造块体.
一般认为，贝加尔裂谷以东的蒙古东部以及中国大陆东北地区属于Amurian板块，这一点在各种块体划分模型[3-4]中几乎不存在争议，因此，我们暂且认为蒙古东部以及中国大陆东北地区是Amurian板块的核心部分，这构成了本文统计检验的出发点.我们选取蒙古东部以及中国大陆东北地区GPS站点确定Amurian板块的欧拉运动矢量，并检验其与欧亚大陆的差异运动.
其次，我们检验Amurian板块核心部分与周边块体的相对运动和块体间的相对独立性，以确定Amurian板块的覆盖范围.如果某一块体与Amurian板块核心部分无明显差异运动，我们就可认为它是Amurian的一部分.反之，则为独立于Amurian板块之外独立块体.事实上，这也是确定Amurian板块的大致边界.依据地质学研究结果，将周边块体划分为蒙古西部、韩国、中国华北、中国华南、日本西南部等五个块体[26-28]（图 1）.
最后，由于Amurian板块一个主要的争议来自其南部边界的确定，所以，本文尝试用统计方法较精细地确定Amurian板块的南部边界.
由于部分块体（如华北）上站点较多，先对块体内的点进行筛选，尽量考虑地理分布均匀、观测质量高、速度误差小的站点.最终，选取59个站点速度用于本文的统计检验分析（表 2）.
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表 2 统计检验所用到的点 Table 2 The stations used for statistic test |
统计检验，又称假设检验或显著性检验，是数理统计学中推断统计的重要内容，也是地壳运动学和构造块体分区研究经常使用的工具和手段[29-31].本文所研究板块相对运动问题是以速度残差（residual）为基础.即
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(1) |
在常用的几种统计检验方法中，χ2检验和F检验[32]是两种常用的研究样本率之间差异的方法，故采用这两种方法进行相邻板块检验.AIC准则是一种适用面非常广泛的统计模型选择准则，称为最小信息准则（Akaike Information Criterion），本文将其应用于板块相对运动问题，研究多板块系统中子板块独立性问题.
对于相邻板块检验，χ2检验数学模型为
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(2) |
其中，χi为拟合后的速度残差，自由度为N.
F检验数学模型为
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(3) |
其中，χ为拟合后的速度残差，N表示观测值个数，自由度为3和（N-3）.
采用95%的置信区间，查分布表得到临界值，若其计算值大于临界值，认为两板块之间存在显著的相对运动；否则，认为两板块相对运动不显著.
对于多板块系统检验，先假设所检验区域属于同一板块，然后将各细部块体作为独立块体依次分出，每步求AIC值.根据AIC最小值对应的块体分化情况可确定Amurian板块的范围.AIC准则数学模型如下：
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(4) |
其中，σ2为拟合后的速度残差，K为要估计的模型参数个数，n为观测数.
4 结果和分析 4.1 Amurian板块相对独立性的显著性检验采用χ2检验[33]研究Amurian板块是否相对于欧亚板块独立.将Amurian板块各点相对欧亚的速度减去其相对欧亚的速度平均值得到差值ΔV.如果Amurian是欧亚板块一部分，则ΔV数学期望应为0，根据此可作假设检验.取置信水平因子α=0.05，χα/22=5.99，得到的χ2=36.70>5.99.故我们可认为Amurian相对于欧亚板块运动显著，也就是说Amurian独立于欧亚板块存在.
在此前提下，利用上文介绍的几种统计假设检验研究Amurian板块与其周围活动块体的相对运动情况.分别用相邻板块检验和多板块检验两种方法检验.相邻板块检验中采用χ2检验和F检验，多板块检验采用AIC准则.
4.2 Amurian板块和相邻板块的差异运动用前面介绍的χ2检验和F检验两种方法，分别检验Amurian块体与其相邻的各板块的相对运动情况（表 3和表 4）.表 3中v表示自由度，χcal2表示求得的2值，χcri2表示95%置信区间下的2临界值；表 4中v表示自由度，Fcal表示求得的F值，Fcri表示95%置信区间下的F临界值.
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表 3 χ2检验结果 Table 3 The results of χ2-test |
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表 4 F检验结果 Table 4 The results of F-test |
从F检验和χ2检验的结果可以看出，虽然两种方法不同，但是结论一致.Amurian板块与蒙古西部、华北、华南、日本西南部存在显著的运动，与韩国的相对运动不显著，也就是说，韩国大陆与Amurian板块属于同一块体.
4.3 块体相对独立性的多板块系统统计检验研究Amurian是否存在，除用上面介绍的相邻板块之间两两检验，也可做多板块统计检验.首先假定这6个地块属于同一块体，求AIC值；然后把华南块体分离出来，求AIC值；接着依次把华北、日本西南部、蒙古西部、韩国分离出来，分别求AIC值.统计结果见图 3.从图 3结果可以看出，五个板块时，即韩国与Amurian板块属于同一块体时，AIC值最小.因此多板块检验的结果也表明Amurian板块包括韩国在内.
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图 3 多板块检验结果 Fig. 3 The resultes of multi-plates test |
尽管在贝加尔湖和外兴安岭地区地震条带比较明显，具备板块边界特征，但是Amurian板块的西、南部边界却不易确定.Zonenshain和Savostion[3]最早对西、南部边界的确定设定为：穿过渤海，经过山西地堑北部和鄂尔多斯北端，再通过蒙古东部Bogdo断层的东端与贝加尔裂谷相连.魏东平和Seno[14]延续了Zonenshain和Savostion的划分，而Heki等[8]认为其南部边界可能向南达到处于左旋活动状态的EW走向的秦岭断层，其它研究大多回避了如何划分西南段.最近，利用GPS对南部边界的研究也有一些成果，Calais等[10]根据统计检验的方法认为南中国块体和Amurian板块应为同一个构造单元；中国地壳运动观测网络最新的观测结果显示出可能为华南和华北块体相对于欧亚板块具有整体向SEE方向逆时针旋转的刚体运动[34]，再次对Amurian板块南部边界提出了质疑.鉴于目前根据地震活动性及地质学证据无法给出其明确的南部边界，本文从统计方法出发，用χ2最小法确定Amurian的南部边界的位置.
χ2最小法确定板块边界的基本原理：将边界定于不同位置时，就可将所选区域划分为两个板块.分别用两板块内点的相对欧亚的速度减去其背景场的旋转速度，得到速度的残差，然后利用速度残差求χ2值.假如板块的边界在所检验的范围内，我们就可认为在χ2最小值所对应的位置，模型拟合程度最好.故求两板块边界的过程就转化为寻求2最小值的过程.
为了确定Amurian南部与华北的边界，我们选取110°E-135°E、36°N-50°N范围内的一组数据.每隔15′划一条边界，求χ2值，见图 4.结果表明在41.5°N附近的χ2值最小，故我们可以认为Amurian板块与华北板块的边界在此位置附近.
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图 4 南部边界位于不同纬度时的χ2值 Fig. 4 The χ2 values when the boundary locates at different latitudes |
本文利用东北亚地区GPS观测得到的现今地壳运动速度场结果，采用统计分析方法，研究了东北亚地区Amurian板块相对与欧亚大陆独立性问题，以及Amurian板块的范围和边界问题，通过数值结果，我们得到如下结论：
（1）在95%置信度下，Amurian板块与欧亚大陆存在显著的相对运动，这表明Amurian板块独立于欧亚大陆存在，其运动可由L=-105.1255°N、B=54.1435°E，欧拉旋转量为0.2483°/Ma（逆时针方向）的欧拉矢量描述；
（2）Amurian板块涵盖蒙古东部、中国大陆的东北地区、韩国（朝鲜半岛）等构造块体，其北边界为斯坦诺夫山地、西北边界为贝加尔裂谷，西边界为自贝加尔裂谷南端向南经Hangay高原的现今活动构造带、南边界为大约位于41.5°N的阴山、燕山构造带，东边界则为沿日本岛以西的一系列地堑；
（3）χ2检验和F检验能有效的检验板块之间的相对运动问题，且χ2检验比F检验的结果更明显一些.相邻两板块检验和多板块检验两种方法得到的结果一致.Amurian与韩国无显著运动，与其它板块的相对运动明显.因此我们认为Amurian板块包括韩国在内；
（4）根据χ2最小原理得出，Amurian板块的南部边界位于41.5°N附近.值得注意的是，速度的残差对验证板块的相对运动和板块边界的确定影响甚大.而速度残差的精度是由计算的欧拉矢量所决定，因此在作统计检验时需要充分了解块体的构造的理解，合理选取解算各板块欧拉矢量的稳定点.
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