基于GPS觀測的青藏高原南部構(gòu)造變形及深部流變結(jié)構(gòu)研究

田 鎮(zhèn)

長安大學地質(zhì)工程與測繪學院，陜西 西安 710054

青藏高原的構(gòu)造變形模式及動力學機制一直以來都是地學界爭論的焦點之一，其中以兩大端元學說：“大陸逃逸(塊體變形)”和“地殼增厚(連續(xù)變形)”最為著名。雖然有研究指出現(xiàn)有的地學資料還無法明確區(qū)分青藏高原的運動學機理到底屬于哪種變形模式，但至少可以基于已有的大地測量數(shù)據(jù)來探究高原的構(gòu)造變形是傾向于塊體模型的“聚集式”變形，還是連續(xù)模型的“彌散式”變形。另一方面，2015年在喜馬拉雅造山帶中段發(fā)生的Mw7.8地震，其臨近的GPS連續(xù)觀測站很好地記錄到了強震之后的地表持續(xù)變形，為研究該地區(qū)的流變結(jié)構(gòu)及未來的地震活動提供了寶貴的資料。此次地震之后的地表弛豫性變形能否較好地約束青藏高原深部的介質(zhì)屬性？深部的流變結(jié)構(gòu)是否又與高原獨特的構(gòu)造變形特征有關？對上述問題進行更加深入的研究，不僅能夠加深對該區(qū)地球動力學機制問題的理解，而且有助于掌握高原現(xiàn)今的地質(zhì)災害背景，并進一步預測未來的變化態(tài)勢，對人民的生命財產(chǎn)安全與社會的可持續(xù)發(fā)展都有著重要的意義。

基于此，論文著眼于印度次大陸與歐亞大陸碰撞的前緣地區(qū)—青藏高原南部及鄰區(qū)，主要利用震間與震后的大地測量資料分析與研究該區(qū)現(xiàn)今的構(gòu)造變形特征與深部的流變結(jié)構(gòu)，具體的研究內(nèi)容分為以下幾個部分：

(1) 系統(tǒng)地處理了尼泊爾及不丹地區(qū)的GPS觀測資料，獲得了觀測站點的位移時間序列和運動速率，同時收集并整理了中國、印度及其他地區(qū)的GPS觀測結(jié)果，并聯(lián)合本文處理的速度場，通過數(shù)據(jù)融合獲得了研究區(qū)在歐亞參考框架下較為密集的形變速率。在此基礎之上結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造背景建立了高原南部的彈性塊體模型，厘定了各個塊體的運動狀態(tài)、主要斷裂的滑動速率及塊體內(nèi)部的應變率。并引入塊內(nèi)變形效能率比來定量分析斷層附近變形與塊體內(nèi)部變形的比重。結(jié)果顯示斷層附近的變形量級與塊體內(nèi)部相當，繼而揭示出高原南部上地殼的“彌散式”形變特征，也說明了單一的純彈性塊體模型無法對高原的整體運動做出合理的解釋。

(2) 利用2015年尼泊爾地震之后的GPS觀測數(shù)據(jù)獲取了震后的形變信號，并以此作為約束條件，分析了震后余滑及黏彈性松弛效應的響應過程。結(jié)果顯示，在震后初期，近場的位移主要由斷層面上的余滑引起，而后期則以黏彈性變形為主；然而在遠場，GPS觀測到的變形在整個震后階段都主要受控于黏彈性機制。另一方面，震后的黏彈性松弛效應支持研究區(qū)深部為橫向的非均勻流變結(jié)構(gòu)：高原南部下地殼接近于黏彈性性質(zhì)(瞬時黏度為5×1017Pa s，穩(wěn)態(tài)黏度為5×1018Pas)；而印度板塊的地殼結(jié)構(gòu)近似于彈性層。同時，考慮到尼泊爾地震之后的余滑分布及該區(qū)的歷史地震活動，進一步推測出此次地震的南部和西部地區(qū)存在著發(fā)生強震的可能。

(3) 基于橫向非均勻的流變結(jié)構(gòu)及震間的GPS速率資料建立了研究區(qū)的黏彈性塊體模型。結(jié)果顯示，黏彈性的地球模型相比純彈性體能夠更為合理地描述研究區(qū)的構(gòu)造變形，說明了存在于下地殼的黏彈性介質(zhì)有可能是形成青藏高原南部“彌散式”變形的物理前提。同時可以看出，青藏高原現(xiàn)今所觀測到的GPS震間變形在一定程度上包含了深部介質(zhì)的黏彈性效應，在今后的數(shù)值模擬過程中應予以考慮。