基于GPS觀測的青藏高原現(xiàn)今三維地殼運動研究

梁詩明

（中國地震局地質研究所，北京 100029）

自始新世（距今約55Ma）以來，印度板塊對歐亞板塊的持續(xù)推擠和俯沖楔入作用所導致的青藏地區(qū)隆升變形，在地球表面塑造了最為顯著的地形地貌體——青藏高原。青藏高原的形成是地球演化歷史上最為壯觀的地質事件之一，它不僅以巨大的構造變形造就了平均海拔達4 500m、區(qū)域面積超過250萬平方千米的“世界屋脊”，而且深刻地影響了整個亞洲乃至全球范圍的氣候環(huán)境、生態(tài)格局和自然災害。由于青藏高原從地殼變形、地形地貌和構造演化等諸方面，全方位地展示了陸－陸板塊碰撞所引起的邊界造山作用和內陸形變特征，因而一向被譽為是研究大陸動力學的天然實驗室和最佳窗口。

關于青藏高原的隆升擴展機理，國內外學者先后提出了數(shù)十種模式，每種模式都各有其理論基礎和一定的支持證據(jù)。但具體的高原隆升歷史和演化過程，許多的研究工作特別是一些較早期的結論，往往是出自局部地區(qū)或幾個考察點的隆升記錄，并未充分考慮隆升歷史的區(qū)域差異，難免有“以點代面”的偏頗。此外，對高原隆升的時間、期次、快慢和高度等參數(shù)的確定，還主要是基于間接推測。因此，不同模式相互間仍存在較大的分歧，目前仍需大量的觀測證據(jù)對高原隆升擴展的基本時－空輪廓進行約束和分辨。

自20世紀90年代以來，GPS大地測量觀測技術的迅速發(fā)展和廣泛應用，為青藏高原三維地殼運動的高精度、大范圍和低成本觀測提供了革命性的技術手段，不僅能夠為我們直觀而定量地展示青藏高原現(xiàn)今地殼形變的總體態(tài)勢和區(qū)域性差異，而且也為研究青藏高原地質演化、地球物理特征和高原隆升機制提供了現(xiàn)今約束和邊界條件。本文基于在過去十多年累積的青藏高原及周邊GPS觀測資料，對青藏高原現(xiàn)今地殼運動，尤其是垂向地殼運動進行研究，并在此基礎上，分析探討青藏高原現(xiàn)今隆升狀況與長期地形的相關性及其所反映的地球動力學含義。具體研究內容和成果包括以下幾個方面：

（1）收集整理了青藏高原及周邊的“中國地殼運動觀測網(wǎng)絡”、“中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡”、加州理工學院尼泊爾觀測網(wǎng)絡和中國科學院青藏高原研究所藏南觀測網(wǎng)絡等多渠道的858個GPS觀測站資料，采用國際上著名的高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件GIPSY及其先進的精密單點定位（PPP）處理策略和高效的整周模糊度“固定點法則”整網(wǎng)解算方法，獲取了各觀測站高精度的單日松弛約束解。具體研究工作包括：全球跟蹤站的合理取舍，GPS數(shù)據(jù)的自動化／半自動化處理，整周模糊度的高效解算，以及非構造干擾的模型剔除等。

（2）GPS觀測得到的站點坐標變化通常包含有構造形變與非構造形變兩類信息，去除其中的非構造形變干擾對于研究地殼形變尤其是微地殼形變至關重要。對連續(xù)GPS觀測站而言，經(jīng)過長時間跨度的觀測，非構造形變成分的存在對提取平均構造運動并不會產(chǎn)生根本性的影響。但當其參與參考框架的構建時，會導致參考框架的周期性變化。對于流動式GPS觀測站而言，非構造形變干擾信息是難以通過統(tǒng)計分析的方法從地殼運動信息中直接分離和消除的。有關非構造形變的修正與剔除，常用的方法有2類：一類是通過研究各種非構造形變的產(chǎn)生根源和物理機制，采用物理模型進行剔除，如基于GRACE時變重力場模型間接計算得到這些負荷引起的“理論地表形變”，進行雨雪等陸地水載荷對地殼垂向形變的改正；另一類是通過純數(shù)學的方法進行濾波處理，將一些認為是周期性的影響項，利用多項式、三角函數(shù)、球諧函數(shù)等方法進行擬合剔除。為了更加有效地剔除非構造形變的干擾，以獲得青藏高原較為微弱的垂向形變，本文創(chuàng)新性地嘗試了上述2類剔除方法的結合：首先進行了物理模型的剔除；然后，以經(jīng)過物理模型初步改正的連續(xù)觀測站時間序列為基礎，通過Delnunay三角形的反距離加權內插算法，對非連續(xù)GPS觀測站時間序列中的“殘余”非構造干擾成分進行改正。結果表明，在現(xiàn)有連續(xù)GPS觀測站分布的條件下，經(jīng)過此方法處理后，能進一步改善GPS垂向坐標變化時間序列的噪聲水平。

（3）在完成所有站點的非構造形變干擾改正后，我們利用國際上著名的QOCA軟件，對青藏高原及周邊858個GPS觀測站和全球124個IGS參考站的單日松弛約束解進行聯(lián)合平差。其中，特別考慮了可可西里地震、汶川地震的影響，采用已發(fā)表的同震位移結果對GPS觀測站生成QOCA offset文件，然后平差改正。最后，在假定各站點三維坐標隨時間呈線性變化的約束下，確定出ITRF 2008參考框架下各站點坐標及三維運動速度的最佳估值和誤差，獲得了青藏高原及周邊的三維運動速度場。其中，將GPS水平運動速度場轉化到穩(wěn)定歐亞參考框架下，我們的結果與前人的研究成果相一致，僅在部分區(qū)域增加了新的觀測站點和數(shù)據(jù)。青藏高原的GPS水平速度場定量而直觀地反映了NE向地殼縱向縮短和橫向擠出逃逸的特征；在ITRF 2008參考框架下，青藏高原及其周邊區(qū)域的垂向速度場均表現(xiàn)出整體的隆升態(tài)勢，這一現(xiàn)象反映出參考框架的系統(tǒng)誤差。為了突出青藏高原相對其北部穩(wěn)定地塊的現(xiàn)今隆升速率，我們選取位于青藏高原北部穩(wěn)定地塊上的3個連續(xù)GPS觀測站作為垂向速率的參考點，分別是阿拉善塊體的DXIN、鄂爾多斯塊體的YANC和中蒙塊體的ULAB，扣除這3個觀測站的加權平均垂向速度，獲得了相對于青藏高原外圍穩(wěn)定地塊的垂向速度場。結果表明，高原整體上仍處于持續(xù)隆升過程中，但并非所有的區(qū)域均處于隆升狀態(tài)，局部區(qū)域不再隆升甚至表現(xiàn)為下降的狀態(tài)：①高原南緣的喜馬拉雅山普遍表現(xiàn)為強烈隆升，與南坡地區(qū)隆升差異最高達6mm／a以上，與北坡地區(qū)的最大隆升差異也在3mm／a以上。②高原東部主要特征是龍門山地區(qū)＞2.5mm／a的強烈隆升，高原一側相對隆升和高原外圍的相對下降；貢噶山一帶具有突出的垂向運動；高原東南緣則是較大范圍內相對隆升速率均在0mm／a左右，局部區(qū)域呈下降態(tài)勢。③青藏高原東北部地區(qū)高原外側垂向相對運動速率在0mm／a左右，而青藏高原一側則普遍表現(xiàn)為1～2mm／a，局部地區(qū)存在更高的隆升速度。

（4）關于青藏高原的地殼形變方式，目前主流的彈性塊體模型和連續(xù)變形模型均能較好地解釋一部分現(xiàn)象，但又都不能完全解釋。因此，實際的大陸內部地殼變形方式，可能是多種形變模式的混合，只是在不同區(qū)域的主導模式有所不同。假定青藏高原東北部的地殼形變主要由一系列活動斷裂在閉鎖層之下的長期運動所引起，我們采用非連續(xù)形變的半無限彈性空間斷裂位錯模型來解釋青藏高原東北部的GPS三維地殼運動速度場的特征：首先對該區(qū)域的17條主要活動斷裂進行了模型化，具體包括斷裂的分段和各段閉鎖深度、走向、傾向、傾角及運動速率先驗值的賦定等；然后以該區(qū)域557個GPS水平速度矢量和337個GPS垂直速度矢量為約束，以最佳的擬合反演獲得了所有斷裂段在閉鎖層之下的現(xiàn)今運動速率。結果表明，采用斷裂位錯模型和合理范圍內的斷裂運動速率，能夠令人滿意地解釋青藏高原東北部的GPS水平速度場。但此模型對垂向速度場的解釋似乎差強人意。

（5）采用剖面分析和聚類分析的方法，探討青藏高原現(xiàn)今垂向運動與地形的相關性，取得進一步的認識。高原現(xiàn)今整體上仍處于持續(xù)隆升過程中，但并非所有的區(qū)域均處于隆升狀態(tài)，現(xiàn)今的沉降或隆升區(qū)域與高原及周邊的新構造地貌盆山區(qū)域有較好的對應，凡下降的區(qū)域普遍對應著新構造運動的盆地區(qū)；其中，高原中南部的弱隆升甚至下降與高海拔地形對比尤為顯著。基于青藏高原距今4～8Ma以來最新一期的強烈的隆升運動周期，推測現(xiàn)今高原隆升差異與地形長期演化具有一定的相關性，認為“地幔巖石圈對流剝離”地球動力學模型可以從時－空演化的角度較合理地解釋現(xiàn)今GPS三維運動速度場的結果。

青藏高原；GPS；地殼運動；三維速度場