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基于GPS观测的青藏高原现今三维地壳运动研究

梁诗明  
【摘要】:自始新世(~55Ma)以来,印度板块对欧亚板块的持续推挤和俯冲楔入作用所导致的青藏地区隆升变形,在地球表面塑造了最为显著的地形地貌体—青藏高原。青藏高原的形成,是地球演化历史上最为壮观的地质事件之一,它不仅以巨大的构造变形造就了平均海拔达4500m、区域面积超过250万km2的“世界屋脊”,而且深刻地影响了整个亚洲乃至全球范围的气候环境、生态格局和自然灾害。由于青藏高原从地壳变形、地形地貌和构造演化等诸方面全方位地展示了陆-陆板块碰撞所引起的边界造山作用和内陆形变特征,因而一向被誉为研究大陆动力学的天然实验室和最佳窗口。 关于青藏高原的隆升扩展机理,国内外学者先后提出了数十种模式,每种模式都各有其理论基础和一定的支持证据;但具体的高原隆升历史和演化过程,许多的研究工作,特别是一些较早期的结论,往往是出自局部地区或几个考察点的隆升记录,并未充分考虑隆升历史的区域差异,难免有“以点代面”的偏颇,此外,对高原隆升的时间、期次、快慢和高度等参数的确定,还主要是基于间接推测。因此,不同模式相互间仍存在较大的分歧,目前仍需大量的观测证据对高原隆升扩展的基本时-空轮廓进行约束和分辨。 自90年代以来,GPS大地测量观测技术的迅速发展和广泛应用,为青藏高原三维地壳运动的高精度、大范围和低成本观测提供了革命性的技术手段,不仅能够为我们直观而定量地展示青藏高原现今地壳形变地总体态势和区域性差异,而且也为研究青藏高原地质演化、地球物理特征和高原隆升机制提供了现今约束和边界条件。本文基于青藏高原及周边在过去十多年累积地GPS观测资料,对青藏高原现今地壳运动,尤其是垂向地壳运动进行研究,并在此基础上,分析探讨青藏高原现今隆升状况与长期地形的相关性及其所反映地地球动力学含义。具体研究内容和成果包括以下几个方面: (1)收集整理了青藏高原及周边的“中国地壳运动观测网络”、“中国大陆构造环境监测网络”、加州理工学院尼泊尔观测网络和中国科学院青藏高原研究所藏南观测网络等多渠道的858个GPS观测站资料,采用国际上著名的高精度GPS数据处理软件GIPSY及其先进的精密单点定位(PPP)处理策略和高效的整周模糊度“固定点法则”整网解算方法,获取了各观测站高精度的单日松弛约束解。具体研究工作包括:全球跟踪站的合理取舍、GPS数据的自动化/半自动化处理、整周模糊度的高效解算、非构造干扰的模型剔除等。 (2)GPS观测得到的站点坐标变化通常包含有构造形变与非构造形变两类信息,去除其中的非构造形变干扰对于研究地壳形变尤其是微地壳形变至关重要。对连续GPS观测站而言,经过长时间跨度的观测,非构造形变成分的存在对提取平均构造运动并不会产生根本性的影响。但当其参与参考框架的构建时,会导致考框架的周期性变化。对于流动式GPS观测站而言,非构造形变干扰信息是难以通过统计分析的方法从地壳运动信息中直接分离和消除。有关非构造形变的修正与剔除,常用的方法有二类:一类是通过研究各种非构造形变的产生根源和物理机制,采用物理模型进行剔除,如基于GRACE时变重力场模型间接计算得到这些负荷引起的“理论地表形变”,进行雨雪等陆地水载荷对地壳垂向形变的改正;另一种是通过纯数学的方法进行滤波处理,将一些认为是周期性的影响项利用多项式、三角函数、球谐函数等方法进行拟合剔除。为了更加有效地剔除非构造形变的干扰,以获得青藏高原较为微弱的垂向形变,本文创新性地尝试了上述两类剔除方法的结合:首先进行了物理模型的剔除,然后,以经过物理模型初步改正的连续观测站时间序列为基础,通过Delnunay三角形的反距离加权内插算法,对非连续GPS观测站时间序列中的“残余”非构造干扰成分进行改正。结果表明,在现有连续GPS观测站分布的条件下,经过此方法处理后,能进一步改善GPS垂向坐标变化时间序列的噪声水平。 (3)在完成所有站点的非构造形变干扰改正后,我们利用国际上著名的QOCA软件对青藏高原及周边858个GPS观测站和全球124个IGS参考站的单日松弛约束解进行联合平差。其中,特别考虑了可可西里地震、汶川地震的影响,采用已发表的同震位移结果对GPS观测站生成QOCA offset文件,最后平差改正。最后,在假定各站点三维坐标随时间呈线性变化的约束下,确定出ITRF2008参考框架下各站点坐标及三维运动速度的最佳估值和中误差,获得了青藏高原及周边的三维运动速度场。其中,将GPS水平运动速度场转化到稳定欧亚参考框架下,我们的结果与前人的研究成果相一致,仅在部分区域增加了新的观测站点和数据。青藏高原的GPS水平速度场定量而直观地所反映了NE向地壳纵向缩短和横向挤出逃逸特征;在ITRF2008参考框架下,青藏高原及其周边区域的垂向速度场均表现出整体的隆升态势,这一现象反映出参考框架的系统误差。为了突出青藏高原相对其北部稳定地块的现今隆升速率,我们选取位于青藏高原北部稳定地块上的三个连续GPS观测站作为垂向速率的参考点,分别是阿拉善块体的DXIN,鄂尔多斯块体的YANC和中蒙块体的ULAB,扣除这三个观测站的加权平均垂向速度获得了相对于青藏高原外围稳定地块的垂向速度场,结果表明,高原整体上仍处于持续隆升过程中,但并非所有的区域均处于隆升状态,局部区域不再隆升甚至表现为下降的状态: ①高原南缘的喜马拉雅山普遍表现强烈的隆升,与南坡地区差异隆升最高达6mm/a以上,与北坡地区的最大差异隆升也在3mm/a以上。 ②高原东部主要特征是龙门山地区大于2.5mm/a的强烈隆升,高原一侧的相对隆升和高原外围的相对下降;贡噶山一带具有突出的垂向运动;高原东南缘则是较大范围内相对隆升速率均在0mm/a左右,局部区域呈下降态势。 ③青藏高原东北部地区高原外侧垂向相对运动速率在0mm/a左右,而青藏高原一侧则普遍表现为1~2mm/a,局部地区存在更高的隆升速度。 (3)关于青藏高原的地壳形变方式,目前主流的弹性块体模型和连续变形模型均能较好地解释一部分现象,但又都不能完全解释。因此,实际的大陆内部地壳变形方式,可能是多种形变模式的混合,只是在不同区域的主导模式有所不同。假定青藏高原东北部的地壳形变主要由一系列活动断裂在闭锁层之下的长期运动所引起,我们采用非连续形变的半无限弹性空间断裂位错模型来解释青藏高原东北部的GPS三维地壳运动速度场的特征:首先对该区域的17条主要活动断裂进行了模型化,具体包括断裂的分段和各段闭锁深度、走向、倾向、倾角及运动速率先验值的赋定等;然后以该区域557个GPS水平速度矢量和337个GPS垂直速度矢量为约束,以最佳的拟合反演获得了所有断裂段在闭锁层之下的现今运动速率。结果表明,采用断裂位错模型和合理范围内的断裂运动速率,能够令人满意地解释青藏高原东北部的GPS水平速度场,但此模型对垂向速度场的解释似乎差强人意。 (4)采用剖面分析和聚类分析的方法,探讨青藏高原现今垂向运动与地形的相关性,取得进一步的认识:高原现今整体上仍处于持续隆升过程中,但并非所有的区域均处于隆升状态,现今的沉降或隆升区域与高原及周边的新构造地貌盆山区域有较好的对应,凡下降的区域普遍对应着新构造运动的盆地区;其中,高原中南部的弱隆升甚至下降与高海拔地形对比尤为显著。基于青藏高原4~8Ma以来最新一期的强烈的隆升运动周期,推测现今高原隆升差异与地形长期演化具有一定的相关性,认为“地幔岩石圈对流剥离”地球动力学模型从时-空演化的角度较合理的解释现今GPS三维运动速度场结果。


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