基于GPS观测的青藏高原南部构造变形及深部流变结构研究

田 镇

长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054

青藏高原的构造变形模式及动力学机制一直以来都是地学界争论的焦点之一，其中以两大端元学说：“大陆逃逸(块体变形)”和“地壳增厚(连续变形)”最为著名。虽然有研究指出现有的地学资料还无法明确区分青藏高原的运动学机理到底属于哪种变形模式，但至少可以基于已有的大地测量数据来探究高原的构造变形是倾向于块体模型的“聚集式”变形，还是连续模型的“弥散式”变形。另一方面，2015年在喜马拉雅造山带中段发生的Mw7.8地震，其临近的GPS连续观测站很好地记录到了强震之后的地表持续变形，为研究该地区的流变结构及未来的地震活动提供了宝贵的资料。此次地震之后的地表弛豫性变形能否较好地约束青藏高原深部的介质属性？深部的流变结构是否又与高原独特的构造变形特征有关？对上述问题进行更加深入的研究，不仅能够加深对该区地球动力学机制问题的理解，而且有助于掌握高原现今的地质灾害背景，并进一步预测未来的变化态势，对人民的生命财产安全与社会的可持续发展都有着重要的意义。

基于此，论文着眼于印度次大陆与欧亚大陆碰撞的前缘地区—青藏高原南部及邻区，主要利用震间与震后的大地测量资料分析与研究该区现今的构造变形特征与深部的流变结构，具体的研究内容分为以下几个部分：

(1) 系统地处理了尼泊尔及不丹地区的GPS观测资料，获得了观测站点的位移时间序列和运动速率，同时收集并整理了中国、印度及其他地区的GPS观测结果，并联合本文处理的速度场，通过数据融合获得了研究区在欧亚参考框架下较为密集的形变速率。在此基础之上结合研究区的地质构造背景建立了高原南部的弹性块体模型，厘定了各个块体的运动状态、主要断裂的滑动速率及块体内部的应变率。并引入块内变形效能率比来定量分析断层附近变形与块体内部变形的比重。结果显示断层附近的变形量级与块体内部相当，继而揭示出高原南部上地壳的“弥散式”形变特征，也说明了单一的纯弹性块体模型无法对高原的整体运动做出合理的解释。

(2) 利用2015年尼泊尔地震之后的GPS观测数据获取了震后的形变信号，并以此作为约束条件，分析了震后余滑及黏弹性松弛效应的响应过程。结果显示，在震后初期，近场的位移主要由断层面上的余滑引起，而后期则以黏弹性变形为主；
然而在远场，GPS观测到的变形在整个震后阶段都主要受控于黏弹性机制。另一方面，震后的黏弹性松弛效应支持研究区深部为横向的非均匀流变结构：高原南部下地壳接近于黏弹性性质(瞬时黏度为5×1017Pa s，稳态黏度为5×1018Pas)；
而印度板块的地壳结构近似于弹性层。同时，考虑到尼泊尔地震之后的余滑分布及该区的历史地震活动，进一步推测出此次地震的南部和西部地区存在着发生强震的可能。

(3) 基于横向非均匀的流变结构及震间的GPS速率资料建立了研究区的黏弹性块体模型。结果显示，黏弹性的地球模型相比纯弹性体能够更为合理地描述研究区的构造变形，说明了存在于下地壳的黏弹性介质有可能是形成青藏高原南部“弥散式”变形的物理前提。同时可以看出，青藏高原现今所观测到的GPS震间变形在一定程度上包含了深部介质的黏弹性效应，在今后的数值模拟过程中应予以考虑。