基于GPS觀測(cè)的青藏高原現(xiàn)今三維地殼運(yùn)動(dòng)研究

梁詩(shī)明

（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京 100029）

自始新世（距今約55Ma）以來(lái)，印度板塊對(duì)歐亞板塊的持續(xù)推擠和俯沖楔入作用所導(dǎo)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(zhì)事件之一，它不僅以巨大的構(gòu)造變形造就了平均海拔達(dá)4 500m、區(qū)域面積超過(guò)250萬(wàn)平方千米的“世界屋脊”，而且深刻地影響了整個(gè)亞洲乃至全球范圍的氣候環(huán)境、生態(tài)格局和自然災(zāi)害。由于青藏高原從地殼變形、地形地貌和構(gòu)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(nèi)陸形變特征，因而一向被譽(yù)為是研究大陸動(dòng)力學(xué)的天然實(shí)驗(yàn)室和最佳窗口。

關(guān)于青藏高原的隆升擴(kuò)展機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后提出了數(shù)十種模式，每種模式都各有其理論基礎(chǔ)和一定的支持證據(jù)。但具體的高原隆升歷史和演化過(guò)程，許多的研究工作特別是一些較早期的結(jié)論，往往是出自局部地區(qū)或幾個(gè)考察點(diǎn)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(diǎn)代面”的偏頗。此外，對(duì)高原隆升的時(shí)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(cè)。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(cè)證據(jù)對(duì)高原隆升擴(kuò)展的基本時(shí)－空輪廓進(jìn)行約束和分辨。

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，GPS大地測(cè)量觀測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，為青藏高原三維地殼運(yùn)動(dòng)的高精度、大范圍和低成本觀測(cè)提供了革命性的技術(shù)手段，不僅能夠?yàn)槲覀冎庇^而定量地展示青藏高原現(xiàn)今地殼形變的總體態(tài)勢(shì)和區(qū)域性差異，而且也為研究青藏高原地質(zhì)演化、地球物理特征和高原隆升機(jī)制提供了現(xiàn)今約束和邊界條件。本文基于在過(guò)去十多年累積的青藏高原及周邊GPS觀測(cè)資料，對(duì)青藏高原現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)，尤其是垂向地殼運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上，分析探討青藏高原現(xiàn)今隆升狀況與長(zhǎng)期地形的相關(guān)性及其所反映的地球動(dòng)力學(xué)含義。具體研究?jī)?nèi)容和成果包括以下幾個(gè)方面：

（1）收集整理了青藏高原及周邊的“中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”、“中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)”、加州理工學(xué)院尼泊爾觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)和中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所藏南觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)等多渠道的858個(gè)GPS觀測(cè)站資料，采用國(guó)際上著名的高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件GIPSY及其先進(jìn)的精密單點(diǎn)定位（PPP）處理策略和高效的整周模糊度“固定點(diǎn)法則”整網(wǎng)解算方法，獲取了各觀測(cè)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(dòng)化／半自動(dòng)化處理，整周模糊度的高效解算，以及非構(gòu)造干擾的模型剔除等。

（2）GPS觀測(cè)得到的站點(diǎn)坐標(biāo)變化通常包含有構(gòu)造形變與非構(gòu)造形變兩類(lèi)信息，去除其中的非構(gòu)造形變干擾對(duì)于研究地殼形變尤其是微地殼形變至關(guān)重要。對(duì)連續(xù)GPS觀測(cè)站而言，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間跨度的觀測(cè)，非構(gòu)造形變成分的存在對(duì)提取平均構(gòu)造運(yùn)動(dòng)并不會(huì)產(chǎn)生根本性的影響。但當(dāng)其參與參考框架的構(gòu)建時(shí)，會(huì)導(dǎo)致參考框架的周期性變化。對(duì)于流動(dòng)式GPS觀測(cè)站而言，非構(gòu)造形變干擾信息是難以通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析的方法從地殼運(yùn)動(dòng)信息中直接分離和消除的。有關(guān)非構(gòu)造形變的修正與剔除，常用的方法有2類(lèi)：一類(lèi)是通過(guò)研究各種非構(gòu)造形變的產(chǎn)生根源和物理機(jī)制，采用物理模型進(jìn)行剔除，如基于GRACE時(shí)變重力場(chǎng)模型間接計(jì)算得到這些負(fù)荷引起的“理論地表形變”，進(jìn)行雨雪等陸地水載荷對(duì)地殼垂向形變的改正；另一類(lèi)是通過(guò)純數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行濾波處理，將一些認(rèn)為是周期性的影響項(xiàng)，利用多項(xiàng)式、三角函數(shù)、球諧函數(shù)等方法進(jìn)行擬合剔除。為了更加有效地剔除非構(gòu)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(lèi)剔除方法的結(jié)合：首先進(jìn)行了物理模型的剔除；然后，以經(jīng)過(guò)物理模型初步改正的連續(xù)觀測(cè)站時(shí)間序列為基礎(chǔ)，通過(guò)Delnunay三角形的反距離加權(quán)內(nèi)插算法，對(duì)非連續(xù)GPS觀測(cè)站時(shí)間序列中的“殘余”非構(gòu)造干擾成分進(jìn)行改正。結(jié)果表明，在現(xiàn)有連續(xù)GPS觀測(cè)站分布的條件下，經(jīng)過(guò)此方法處理后，能進(jìn)一步改善GPS垂向坐標(biāo)變化時(shí)間序列的噪聲水平。

（3）在完成所有站點(diǎn)的非構(gòu)造形變干擾改正后，我們利用國(guó)際上著名的QOCA軟件，對(duì)青藏高原及周邊858個(gè)GPS觀測(cè)站和全球124個(gè)IGS參考站的單日松弛約束解進(jìn)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(jié)果對(duì)GPS觀測(cè)站生成QOCA offset文件，然后平差改正。最后，在假定各站點(diǎn)三維坐標(biāo)隨時(shí)間呈線(xiàn)性變化的約束下，確定出ITRF 2008參考框架下各站點(diǎn)坐標(biāo)及三維運(yùn)動(dòng)速度的最佳估值和誤差，獲得了青藏高原及周邊的三維運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)。其中，將GPS水平運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)轉(zhuǎn)化到穩(wěn)定歐亞參考框架下，我們的結(jié)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(cè)站點(diǎn)和數(shù)據(jù)。青藏高原的GPS水平速度場(chǎng)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(chǎng)均表現(xiàn)出整體的隆升態(tài)勢(shì)，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(duì)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(gè)連續(xù)GPS觀測(cè)站作為垂向速率的參考點(diǎn)，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(gè)觀測(cè)站的加權(quán)平均垂向速度，獲得了相對(duì)于青藏高原外圍穩(wěn)定地塊的垂向速度場(chǎng)。結(jié)果表明，高原整體上仍處于持續(xù)隆升過(guò)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(qiáng)烈隆升，與南坡地區(qū)隆升差異最高達(dá)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(mén)山地區(qū)＞2.5mm／a的強(qiáng)烈隆升，高原一側(cè)相對(duì)隆升和高原外圍的相對(duì)下降；貢噶山一帶具有突出的垂向運(yùn)動(dòng)；高原東南緣則是較大范圍內(nèi)相對(duì)隆升速率均在0mm／a左右，局部區(qū)域呈下降態(tài)勢(shì)。③青藏高原東北部地區(qū)高原外側(cè)垂向相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率在0mm／a左右，而青藏高原一側(cè)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(guān)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(shí)際的大陸內(nèi)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(dǎo)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(dòng)斷裂在閉鎖層之下的長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)所引起，我們采用非連續(xù)形變的半無(wú)限彈性空間斷裂位錯(cuò)模型來(lái)解釋青藏高原東北部的GPS三維地殼運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)的特征：首先對(duì)該區(qū)域的17條主要活動(dòng)斷裂進(jìn)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(yùn)動(dòng)速率先驗(yàn)值的賦定等；然后以該區(qū)域557個(gè)GPS水平速度矢量和337個(gè)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(yùn)動(dòng)速率。結(jié)果表明，采用斷裂位錯(cuò)模型和合理范圍內(nèi)的斷裂運(yùn)動(dòng)速率，能夠令人滿(mǎn)意地解釋青藏高原東北部的GPS水平速度場(chǎng)。但此模型對(duì)垂向速度場(chǎng)的解釋似乎差強(qiáng)人意。

（5）采用剖面分析和聚類(lèi)分析的方法，探討青藏高原現(xiàn)今垂向運(yùn)動(dòng)與地形的相關(guān)性，取得進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。高原現(xiàn)今整體上仍處于持續(xù)隆升過(guò)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(gòu)造地貌盆山區(qū)域有較好的對(duì)應(yīng)，凡下降的區(qū)域普遍對(duì)應(yīng)著新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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(duì)比尤為顯著?；谇嗖馗咴嘟?～8Ma以來(lái)最新一期的強(qiáng)烈的隆升運(yùn)動(dòng)周期，推測(cè)現(xiàn)今高原隆升差異與地形長(zhǎng)期演化具有一定的相關(guān)性，認(rèn)為“地幔巖石圈對(duì)流剝離”地球動(dòng)力學(xué)模型可以從時(shí)－空演化的角度較合理地解釋現(xiàn)今GPS三維運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)的結(jié)果。

青藏高原；GPS；地殼運(yùn)動(dòng)；三維速度場(chǎng)