青藏高原及周边区域地表长期变形数值模拟.pdf

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1、第38卷第2期地震地质V01．38．No．22016年6月SEISM0LOGYANDGE0L0GYJun．，2016doi：10．3969／j．issn．0253—4967．2016．02．014青藏高原及周边区域地表长期变形数值模拟董培育’’胡才博石耀霖1)中国地震局地震研究所，地震大地测量重点实验室，武汉4300712)中国科学院计算地球动力学重点实验室，北京100049摘要印度板块向欧亚板块俯冲挤压，不仅令青藏高原上地壳在挤压作用下发生弹性变形和运动，且青藏高原高温高压下的下地壳会发生柔性流动，并对脆性的上地壳有拖曳作用，这2种作用一起形成现今

2、的高原运动变形场。这一动力学过程已得到GPS观测资料的证实。因此在二维平面问题中仅用上地壳在边界作用下的弹性变形解释是不够的，还要考虑柔性下地壳流动对上地壳的拖曳作用。但是拖曳力作用的大小和方向不易确定，故文中建立了二维平面弹性有限元模型，利用加载等效体力来模拟下地壳流动对上地壳产生的拖曳力。以高原内部的GPS观测资料为约束，利用试错法反演出模型中关键点的力，其他位置上的力则用关键点上的力进行双线性插值计算。以此来反演计算出模型区域内的柔性下地壳的差异性流动对脆性上地壳产生的拖曳力(节点力的形式，单位：N)的大4、和范围，在86。一100。E，26。

3、～32。N地区主要以sE向为主，最大达到10N；西部局部(31。～36。N，76。～8O。E)地区有较弱的w向拖曳力，最大为10N。文中为深入研究青藏高原及周边区域的长期地表变形动力学机制提供了1个新的思路。关键词有限元数值模拟青藏高原拖曳力双线性插值中图分类号：P315．2文献标识码：A文章编号：0253—4967(2016)02—410—13O引言印度板块长期持续向N挤压欧亚板块，形成了青藏高原，使其成为目前地球上最年轻、形成过程最复杂的高原，令其一直处于地球科学研究和讨论的中心和热点(许志琴等，2011)。对于其隆升和运动变形机制，Tappon

4、nier等(1982)认为高原被大型走滑断裂带切割，在印度板块推挤下，各块体沿着断裂带被挤出。England等(1982，1983)利用薄板流变模型数值模拟印度板块与欧亚板块的碰撞形变，且在一定区域中定量描述了高原地壳厚度和应变率的时空分布。傅容珊等(1999；2000a，b)将大陆岩石层视为幂指数律控制的薄层，上覆在黏滞性较低的软流层之上蠕变流动；数值模拟结果表明，青藏高原隆升的主要动力来源于印度板块对欧亚板块的碰撞挤压。许志琴等(1996)提出青藏高原腹地隆升的主要原因与大陆内部深部热驱动——地幔底辟有关。目前得到众多学者普遍认可的主要是，上地壳

5、为脆性物质，下地壳为柔[收稿日期]2015-01一l9收稿，2015-12-10改回。(基金项目]中国地震局地震研究所所长基金项目(IS201526237)、国家科技支撑项目“地震预报实用技术”(2012BAK19B035)、深部探测数据集成与共享服务(201511028)与国家自然科学基金(41474085，41274027)共同资助。％通讯作者：石耀霖，男，教授，E—mail：sb4~~l@ucas．ac．cn。2期董培育等：青藏高原及周边区域地表长期变形数值模拟411性物质，且温度高，密度低，导电性好，地震波速低等，因此其黏滞系数较低，非常柔软

6、。在印度板块挤压下，下地壳容易流动，拖曳上地壳运动，导致高原的隆升和变形(吴功建等，1991；石耀霖等，1992；曹建玲等，2009)。随着GPS等空间大地测量技术日渐成熟，全球有越来越多的GPS观测台站投人使用。中国在青藏高原上的GPS观测台站观测到了大量的数据，为研究青藏高原的运动和变形提供了重要的数据支持。如图2所示为GPS观测值，这些数据揭示了青藏高原水平运动的主要特征。其sN方向上，主要向N运动，且从南部到北部，运动速率逐渐衰减，显示出sN向在缩短(Ganeta1．，2007)，是由地壳增厚形变吸收掉了绝大部分，另外小部分由高原内部的一系列

7、大型走滑断裂带吸收了(任金卫等，2003；沈正康等，2003；许志琴等，2011)。EW方向上，主要显示为EW向的张开，即东部向E运动，西部向w运动，符合物质被挤压后向两侧移动的力学特征；但是w向的运动相对微弱，主要为E向的运动，且在东南缘，伴随有s向的运动，显示其为顺时针方向运动。这是因为在青藏高原东部有坚硬的四川盆地阻挡，而其东南部云南到缅甸地区恰好有1个软弱的利于岩石流动的通道，所以物质往s流动，青藏高原整体上形成了顺时针旋转的形态(朱守彪等，2004；曹建玲等，2009)。在青藏高原西北部为帕米尔高原，在深部有部分物质俯冲至帕米尔高原下，西侧

8、物质向w挤出，但是挤出量相对微弱(雷建设等，2002；张家声等，2005；许志琴等，2011)。由于在青藏高