基于精密水準數(shù)據(jù)的青藏高原東緣現(xiàn)今地殼垂直運動與典型地震同震及震后垂直形變研究

郝 明

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029）

（作者電子信箱，郝明：ha＿mg＠163．com）

發(fā)生在新生代早期的印度板塊和歐亞板塊間的碰撞不僅形成了喜馬拉雅造山帶，還造就了一個以獨特的地勢高度、地貌、地質(zhì)環(huán)境、自然環(huán)境等特征而聞名于世的青藏高原。自19世紀中期普拉特和艾利等創(chuàng)立地殼均衡論以來，青藏高原的形成、演化及隆升機制的問題一直就是國際大陸動力學(xué)理論研究的核心和前緣熱點。目前，已有許多學(xué)者提出了各種動力學(xué)模型試圖解釋青藏高原的隆升、演化之謎，這些模型和模式的提出對我們理解青藏高原的隆升機制起到了積極的啟發(fā)和推動作用。不同的隆升機制會在青藏高原周緣尤其是東緣地區(qū)產(chǎn)生完全不同的形變模式。因此，研究青藏高原東緣三維地殼形變可為高原深部結(jié)果和動力學(xué)演化過程提供重要的定量數(shù)值邊界條件，有助于理解高原隆升的地球動力學(xué)機制。

作為青藏高原東邊界和中蒙大陸中軸構(gòu)造帶中南段的青藏高原東緣地區(qū)，北起鄂爾多斯地塊西緣，跨越秦嶺，穿過龍門山，再沿安寧河—小江斷裂帶向南延至緬甸境內(nèi)，成為分隔中國大陸東部相對穩(wěn)定的鄂爾多斯高原、四川盆地和華南地塊與西部強烈隆升的青藏高原之間的邊界活動構(gòu)造帶。深部地球物理探測表明，西部青藏高原的地殼厚度達60～70km，東部華南和華北的地殼厚度只有40～50km，高原東緣地區(qū)則為非常明顯的重力梯度帶和地殼厚度突變帶。晚新生代和現(xiàn)今構(gòu)造變形在高原東緣兩側(cè)的差異非常明顯，規(guī)模巨大的活動斷裂和強烈地震主要發(fā)生在該帶以西，而其以東不僅不發(fā)育大規(guī)模活動斷裂，強震活動水平也遠遠低于西部。2008年5月12日，在龍門山地區(qū)發(fā)生了MS8．0地震，更證明了青藏高原東緣地區(qū)的構(gòu)造活動性。

由于青藏高原地震地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜等多種原因，利用地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)方法確定其構(gòu)造變形的運動場在短時間內(nèi)很難做到，近年來發(fā)展起來的GPS觀測技術(shù)為測定現(xiàn)今構(gòu)造變形的速度場提供了前所未有的有效手段。一些學(xué)者已經(jīng)利用GPS觀測獲取了青藏高原東緣地區(qū)高分辨率的水平運動速度場圖像。雖然GPS觀測技術(shù)可以提供三維的地殼運動信息，但由于大氣折射、發(fā)射和接收天線相位中心誤差等因素的存在，GPS垂向定位精度較低。另一方面，GPS觀測技術(shù)真正在我國開始大規(guī)模實施是在1999年中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)項目的運行，距今也僅有十多年的時間。而我國地震水準監(jiān)測網(wǎng)開始大規(guī)模觀測始于1966年邢臺地震之后，至今已有近50年的歷史。因此，在地震科學(xué)各領(lǐng)域內(nèi)以精密水準測量為主要手段的地殼垂直形變研究仍占重要地位。

利用精密水準數(shù)據(jù)研究青藏高原東緣地區(qū)的地殼垂直形變是貫穿本文的一條主線，可分為以下兩個研究內(nèi)容。

1 青藏高原東緣地區(qū)現(xiàn)今地殼垂直運動研究

利用青藏高原東緣地區(qū)40年的精密水準觀測資料，獲取了研究區(qū)內(nèi)的現(xiàn)今地殼垂直運動速度場圖像，為區(qū)域地殼垂直運動和強震中長期危險性預(yù)測研究提供了重要基礎(chǔ)資料。在獲取的區(qū)域垂直運動速度場基礎(chǔ)上，結(jié)合前人得出的該地區(qū)現(xiàn)今地殼水平運動速度場結(jié)果，綜合分析青藏高原東緣地區(qū)三維地殼運動速度場特征，并對地殼形變的動力學(xué)機制進行了初步探討。取得的主要結(jié)論如下：

（1）收集、整理青藏高原東緣地區(qū)的精密水準測量數(shù)據(jù)，包括1970年以來的地震水準監(jiān)測網(wǎng)（主要資料來源）、全國二期和二期復(fù)測水準網(wǎng)（占比例較小）和“中國綜合地球物理場觀測 青藏高原東緣地區(qū)”項目于2010—2011年在滇中和滇西地區(qū)的觀測資料，做出所有高差觀測值隨時間變化的曲線，剔除由于地震事件、地下水抽取等因素導(dǎo)致的不穩(wěn)定水準點。共找出重復(fù)觀測的水準點3 439個，一等水準觀測高差占總觀測數(shù)據(jù)的97．5%，二等觀測高差占2．5%。

（2）在整體平差處理之前，我們選擇于2010—2011年在滇中和滇西地區(qū)（26°N以南）觀測的水準網(wǎng)來估計高差每千米的中誤差。由于觀測時間間隔短，基本保證了觀測時間的同步性，可以采用靜態(tài)平差方法。平差后得到高差改正數(shù)的每千米中誤差為1．2mm。

根據(jù)青藏高原東緣地區(qū)構(gòu)造變形強烈和水準資料多年、多期復(fù)雜的特點，我們采用線性動態(tài)平差模型，以研究區(qū)內(nèi)9個GPS測站（網(wǎng)絡(luò)工程中的基準站和基本站）垂直運動速度結(jié)果作為先驗約束，可以有效減小水準測量中系統(tǒng)誤差的累計，統(tǒng)一處理獲取了青藏高原東緣地區(qū)現(xiàn)今地殼垂直運動速度場圖像。整體平差后得到的驗后每千米高差改正數(shù)的中誤差為0．97mm，與驗前每千米中誤差1．2mm相近，從小范圍區(qū)域證明了結(jié)果的可靠性。

（3）垂直運動速度場結(jié)果揭示出，青藏東緣地區(qū)地殼長期垂直運動趨勢與已有地質(zhì)學(xué)方法、GPS和水準觀測得到的結(jié)果一致。青藏高原東緣大部分區(qū)域都存在上升趨勢，其中貢嘎山地區(qū)上升速率最大達到了5．7mm／a，而西秦嶺天水地區(qū)垂直速率最大達到6．4mm／a。

（4）從橫跨斷裂帶的垂直運動速度剖面上可以估計出斷裂帶的垂直滑動速率，可為一些不易于通過地質(zhì)學(xué)方法得出垂向滑動量的斷層提供定量約束。結(jié)果表明，垂直滑動速率最大的為龍門山斷裂，達到（3．4±0．4）mm／a；其次為大涼山斷裂帶，垂直滑動速率為（2．0±0．4）mm／a；賀蘭山東麓、六盤山、龍日壩和小江斷裂的垂直滑動速率為1～1．6mm／a；而則木河和紅河斷裂的垂直滑動速率不明顯。

（5）利用小波分解技術(shù)獲取了青藏高原東緣不同波長的垂直運動速度場圖像。其中，長波長（500～1 000km）的地殼垂直變形運動可能與青藏高原深部地幔的變形有關(guān)，區(qū)域短波長的變形則主要與地殼的變形有關(guān)。

（6）將獲取的青藏高原東緣地區(qū)現(xiàn)今地殼垂直運動速度場，與網(wǎng)絡(luò)工程1999—2007年該區(qū)域的長期水平運動速度場相結(jié)合，分析和研究東緣地區(qū)的地殼運動學(xué)特征和地殼形變的動力學(xué)機制。物質(zhì)通量分析表明，區(qū)域內(nèi)大部分地區(qū)存在上下地殼差異性運動，即維持當(dāng)今各地塊隆升速率需要下地殼與上地幔物質(zhì)注入速率高于上地殼物質(zhì)注入速率，為本地區(qū)下地殼流的存在提供佐證。例如松潘—甘孜地塊西部的隆起速率為0～1mm／a，其中部地區(qū)隆起速率增大至2～3mm／a，到其東部靠近四川盆地地區(qū)垂直速率下降為0～1mm／a，而如果假定巖石圈內(nèi)物質(zhì)水平運動均一，則只能解釋本地區(qū)平均約0．7mm／a的隆升。這種垂直運動現(xiàn)象可能揭示出在松潘—甘孜地塊中下地殼存在管流層?？梢哉J為青藏高原內(nèi)部地殼物質(zhì)向東擴展，由于受到四川盆地強硬地殼的阻擋，中下地殼物質(zhì)以塑性流變的方式在龍門山及其以西川西高原之下堆積，導(dǎo)致川西高原中下地殼的顯著增厚，并對上部脆性地殼施加垂直隆升作用，從而造成龍門山和川西高原的隆升。

（7）區(qū)域三維地殼運動速度場結(jié)果揭示，賀蘭山上升、銀川地塹繼承性沉陷；六盤山地區(qū)的抬升速率主要以地殼縮短的形式實現(xiàn)；川滇地塊中南部地區(qū)由于東西向水平拉張而表現(xiàn)為下沉運動。

（8）通過區(qū)域垂直形變速率場，結(jié)合5級地震震中分布，發(fā)現(xiàn)了滇西南地區(qū)龍陵—瀾滄活動斷裂帶永德—鎮(zhèn)康地震空段的現(xiàn)今高速率異常隆起特征，揭示了該地震空段的強震中長期危險性。

2 研究區(qū)內(nèi)兩大典型地震的同震及震后垂直形變研究

利用水準數(shù)據(jù)分析和研究發(fā)生在青藏高原東緣地區(qū)的兩次典型地震的同震及震后垂直形變，取得的主要結(jié)論如下：

（1）利用1990年4月26日青海共和MS7．0地震同震垂直形變資料，在已有結(jié)論的基礎(chǔ)上，修正了此次地震的同震滑動模型?；谡鸷蠖嗥诰芩疁蕯?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)震后相鄰測站高差觀測值的時間序列明顯具有對數(shù)衰減特征或指數(shù)衰減特征。發(fā)展了一個利用水準數(shù)據(jù)研究震后形變的方法。這種方法從相鄰水準點之間的高差出發(fā)，可以有效減少系統(tǒng)誤差累積帶來的偏差并充分利用觀測到的水準數(shù)據(jù)。發(fā)展了一個流變學(xué)形變模型解釋共和地震震后形變。模型結(jié)果表明，震后滑移模型和粘彈性松弛模型共同導(dǎo)致了震后產(chǎn)生的地表垂直形變?；浦饕l(fā)生在同震破裂斷層面及沿原斷層面向上和向西北方向的延伸部分；粘彈性松弛主要出現(xiàn)在下地殼與上地幔，其粘滯系數(shù)為9×1019Pa·s。這個結(jié)果揭示出柴達木盆地底部的下地殼和上地幔要比以往研究預(yù)想的脆性更弱、粘滯性更低。

（2）基于2008年5月12日四川汶川MS8．0地震GPS獲取的中遠場同震水平、垂直形變和精密水準測量獲取的近場同震垂直形變，對同震斷層的幾何破裂模型以及斷層面上的滑動分布進行反演。反演結(jié)果除了與前人已有結(jié)論一致外，還發(fā)現(xiàn)北川斷裂深部15～18km范圍內(nèi)的滑動量值也比較大，約為2～4m。根據(jù)震后2008—2011年龍門山斷裂帶及周緣地區(qū)的GPS區(qū)域站觀測資料獲取了汶川地震震后水平形變的弛豫過程（對數(shù)松弛時間為12天），有助于認識汶川地震破裂機制，為深入研究震后形變的物理學(xué)機制提供基礎(chǔ)資料。利用震后2008—2011年的龍門山斷裂帶附近的精密水準觀測得到了震后垂直形變場的演化過程。