青藏高原东南缘壳幔力学耦合及其动力学意义

现代大陆动力学及构造学研究认为，壳内软弱带控制着地壳与地幔间相互作用的强弱，制约岩石圈层间的耦合关系，同时也影响地块的相互作用方式。这种耦合作用可以通过比较不同深度的形变和应力的相关特征来分析。青藏高原东南缘20～35 km的深度广泛存在低速带，有可能在现今地震及构造活动区内由壳内部分熔融承担了潜在的解耦功能。基于1999～2015年GPS坐标时间序列数据得到速度场，结合前人给出的SKS剪切波分裂数据，分析该区水平方向形变耦合特征；同时搜集莫霍面和岩石圈底面形变数据，给出垂向上的形变耦合特征。利用EGM2008重力模型的11～36阶球谐系数计算青藏高原东南缘岩石圈底面地幔对流应力场；搜集并整理2000年至今的1 131个震源机制解数据，采用区域应力张量阻尼反演法得到该区多震层应力场；进一步分析两种应力场的相关性。在ABAQUS软件中建立青藏高原东南缘岩石圈三维粘弹性有限元模型，同时加入上地壳的边界位移约束条件和底面地幔对流拖曳力加载条件，分别对水平方向和垂直方向的应力应变作分析，并给出强震剖面结果，探讨壳幔耦合强震孕育机制，据此分析青藏高原东南缘各个断层的地震危险性。研究认为，应力的不均匀发展是应变能积累的关键，同时垂向上圈层间的耦合关系极大地影响块体间的作用方式；壳内软弱带广泛发育的块体应力出现分层现象，边缘区域横向纵向应力变化明显，与之接触的上伏地壳地震危险性较高。     

青藏高原东南缘地幔对流与发震层应力场耦合关系分析

利用EGM2008重力模型的11~36阶球谐系数计算青藏高原东南缘岩石圈底面地幔对流应力场，收集整理青藏高原东南缘2000年至今的1 131个震源机制解数据，采用区域应力张量阻尼反演法得到该区芦山地震前和现今的发震层应力场，进一步分析2种应力场的相关性，探讨不同区域的力学耦合情况与强震发生的关系。结果表明：1)青藏高原东南缘大部分位于耦合与解耦的中间地带，耦合区域基本按块体分布，东侧华南块体强耦合，西北部藏北块体、巴颜喀拉块体和西南部滇西南块体部分耦合，解耦主要发生在松潘-甘孜块体附近，以龙门山断裂带连接强耦合的华南块体；2)分析孕震原因，提出青藏高原东南缘地幔对流应力场与发震层应力场耦合程度强弱交界处为地震危险性较高的区域，从现今耦合关系来看，龙门山断裂带仍处于耦合强度变化梯度非常大的区域，具备孕震储能条件，地震危险性较高。其他危险区域大致有：岷江断裂带附近、鲜水河-安宁河-则木河断裂带附近、红河断裂带及南汀河断裂带附近。     

中国大陆西部地区现今的块体运动

根据中国地壳运动ＧＰＳ监测网１９９２～１９９６年３次复测结果，分析了我国大陆西部地区现今块体运动的基本特征，结果表明：印度板块向北推挤是我国西部块体褶皱运动和变形的根源；由於内部次级断块的边界条件和受力方式不同，块体边界和内部构造形变亦具有明显的差异。块体运动主要特点表现为：（１）喜马拉雅向南弯曲的弧形边界东西两端，印度板块推挤运动方向不同，导致了弧前方的亚板块和构造块体的运动方向呈扇形散开；（２）青藏高原主体在南北向缩短、东西向延伸的同时存在着明显向东的物质侧向滑移；（３）重要块体分界带和褶皱带两侧运动矢量的比较表明，阿尔金断裂为左旋走滑，天山、祁连山均呈压性；（４）由设置在不同块体的ＧＰＳ测站南北向和东西向运动速率及速率的平均值得到的块体运动速率和方向，呈有规则的变化，其变化规律与地质、地球物理结果具有较好的一致性。     

基于GPS形变资料的川滇地区应力场数值模拟研究

基于近10 a的GPS坐标时间序列获得川滇地区速度场,结合地质资料将该区划分为7个块体,并使用ABAQUS建立三维有限元模型,提取速度场边界值作为模型约束条件,模拟得到应力场。位移场数值模拟结果显示,模型较好地反映了川滇地区西北部青藏高原推挤、东侧扬子块体阻挡的格局,同时位移方向在菱形块体及拉萨块体内部绕东构造结顺时针旋转,与实际相符。应力场模拟结果表明,龙门山断裂带、鲜水河断裂带和安宁河断裂带交界区域南北两侧、小金河-丽江断裂带西段与澜沧江断裂带交界处南北侧、南汀河断裂带西段南北侧、红河断裂带中段东西侧均存在明显的应力分布不均现象,地震危险性较大。     

青海东部活断层与现代构造应力场

利用活断层等资料计算了青海东部地区的主应力方向。结果表明,主压应力为北东向。现代构造应力场与新构造应力场、地震应力场及地壳形变场趋于一致。认为,晚第三纪以来,该区地壳构造应力场相对稳定,可能是印度板块与欧亚板块相互作用的结果。     

利用加密GNSS数据和震源机制解分析川滇块体南部现今地壳活动特性

利用多源项目获得的补充加密GNSS观测资料计算研究区高空间分辨率的GNSS水平运动速度场和应变率场,采用地震波形资料,通过CAP方法求解震源机制解,在此基础上使用阻尼区域应力反演方法分析川滇地块区域构造应力场的空间分布特征。结合主要断裂的活动特性,综合分析川滇地区的地壳形变特征。结果表明：1）块体浅部的最大主压应力与地表的最大主压应变率由SSE向转变为近SN向,呈现出较好的一致性,GNSS观测至少可反映20 km以内的地壳形变;2）川滇块体南部的东向滑移和顺时针旋转,可能受青藏高原推挤、华南块体阻挡及印度板块与欧亚板块之间北向运动速率自西向东递减而形成的右旋剪切拖拽作用的顺时针力偶的综合影响;3）川滇块体在综合力偶作用下SE向挤出和顺时针旋转的同时,受到走滑逆冲断裂带的吸收转换,使得青藏高原物质SE向挤出有限。     

东亚大陆形变应力场格局演化的数值模拟

用数值模拟方法研究了印度板块和欧亚板块碰撞后40 Ma以来青藏高原的挤压隆升、东亚大陆形变及应力场的演化过程.模型将东亚大陆限定在一梯形边界框架之中,大陆岩石层被视为由幂指数律控制的薄层,它上伏在粘滞性较低的软流层之上蠕变流动.模型设定印度板块以5 cm/a的恒定速度向北推进,并视其为青藏高原挤压隆升的主要驱动力.除此可活动边界之外,其余均被设为固定边界.数值模拟结果表明,模型预测的现代水平形变速度和GPS观测的格局吻合很好;数值模拟所确定的中国及邻区之区域构造应力场格局与用地震、地质观测所推断的东亚大陆现代构造应力场也能够吻合.这一结果意味着印度板块和欧亚板块的碰撞、挤压是构成现代中国大陆内部岩石层水平形变及应力场格局的主要驱动力.模型计算还表明,大陆水平形变及应力场格局受多种因素如岩石层的力学参数,特别是边界条件的制约.     

利用GPS观测结果研究华北地区现今构造应力场

根据１９９２年和１９９５年两期ＧＰＳ测量结果所获得的位移场和应变场,结合丰富的地质资料,利用有限元方法对华北地区现今构造应力场进行了数值模拟。计算结果表明：华北地区现今构造应力场主压应力方向为ＮＥＥ,其边界力除受ＮＥ５５°～ＳＷ２３５°方向的压应力作用外,同时还受到ＳＥ１２０°～ＮＷ３００°方向的拉张力作用,其中ＮＥ－ＳＷ的压应力量值较大,约为ＳＥ－ＮＷ向拉应力的两倍,这个结果与震源机制解所获得的应力场方向基本一致。这一应力场状态是两种动力学过程的叠加：一是印度板块和太平洋板块的挤压,其中来自印度板块的作用力最大,约为太平洋板块作用力的１．５倍;另一个是因地幔隆起而产生的ＮＷ－ＳＥ向的水平拉张力。     

用双三次样条函数和GPS资料反演现今中国大陆构造形变场

将中国大陆现今构造变动视为一种连续的地壳变形,利用双三次样条函数模拟了近期GPS测定的大陆内部及周边地区412个测站速率,反演大陆地区自洽的构造变动速度场和应变率场.模拟结果显示:印度板块与欧亚板块的碰撞、挤压是构成中国大陆内部岩石层水平形变的主要驱动力.印度板块在东喜马拉雅构造结深深插入青藏高原,造成地壳大规模的缩短和抬升.青藏高原东南部的喜马拉雅带、拉萨和羌塘地块以及青藏高原东南边的川滇地区,内部构造活动强烈,其内部的构造变形包含地壳碎片的冲断、褶皱和侧向逃逸.大陆地壳(或岩石圈)的增厚,尤其是喜马拉雅山脉南北向的快速缩短和青藏高原东西向的缓慢拉张,大约吸收了印欧板块会聚量的85%,西藏中东地区东西向的拉张速率达到了(16±2.0)mm/a,且顺时针方向扭转明显.印度板块相对欧亚板块运动的欧拉极为(29.7°N, 19.3°E, 0.392°/Ma);华南地块相对于欧亚大陆向东(102°±7.4°)南的运动速率是(11±1.54)mm/a,华南块体相对欧亚板块运动的欧拉极为(62.25°N, 126.56°E, 0.141°/Ma);塔里木地块相对较稳定,其西部运动速度高于东部运动速度,作顺时针方向旋转.总体上讲,中国大陆运动方向为北偏东呈辐射状,从西部近南北方向的运动转向东部地区东南方向的运动,绕东喜马拉雅构造结有一顺时针方向的旋转.横穿喜马拉雅构造带及青藏内部的南北向压缩速率为(19±2.0)mm/a,横穿西天山构造带的南北向压缩平均速率为(13±1.5)mm/a,横穿东天山构造带的南北向压缩平均速率为(6.0±1.4)mm/a.阿尔金断裂带的左旋走滑速率为(6±1.2)mm/a.     

四川芦山地震区域构造环境与构造应力场特征

2013年4月20日四川省雅安市芦山县发生Ms7.0级地震,这是继汶川地震后发生在龙门山断裂带上的又一次强震。在介绍芦山地震的基本特征及发震构造环境基础上,利用区域内172个震源机制解资料对区域构造应力场进行了计算,特别对龙门山应力区内各类应力数据的最大主应力方向进行了分析。结果表明:龙门山应力区目前处于近东西向的挤压构造应力环境中;区域最大主应力方向在横向上从巴颜喀拉块体的北东—南西向到龙门山块体的近东西向,再到华南块体的北西西—南东东向,表现为顺时针方向的旋转;区域最大主应力在纵向上从柴达木—秦岭块体的北东东—南西西向到龙门山块体的近东西向,再到川滇块体的北西—南东向,亦表现为顺时针方向的旋转;应力方向在不同块体间的转变,反映了青藏高原东缘巴颜喀拉块体在进行南东向水平运动挤压龙门山地块时,由于受到华南地块特别是四川盆地的强烈阻挡,导致龙门山推覆构造带表现为明显的地壳缩短和山体隆升。     

鄂尔多斯地块的运动特性与现今地震活动性

鄂尔多斯地块现今水平运动是鄂尔多斯地块本身运动与中国大陆整体运动相互叠加的结果,其动力来源主要受到青藏地块的北东向推挤、地块北缘的北西向拉张。最新的GPS速度场观测表明,鄂尔多斯地块及周缘1999～2015速度场随着时间推移发生明显变化,其东北缘、西北缘、西南缘、东南缘的速度场变化较为显著,南北缘的左旋运动速率远大于东西缘的右旋运动速率。1970年以来鄂尔多斯地块现今地震资料显示的地震活动性、应变积累释放、应力空间分布及其应力场分析结果表明,鄂尔多斯地块北缘是地块周缘乃至华北地区中强地震的主体活动区域,2000年以来地块周缘能量持续积累,是1970年以来能量积累最长的一个时段。2015年阿拉善左旗5.8级地震后,地块周缘的能量出现预释放的迹象,鄂尔多斯地块北缘具有高的应力分布异常区域。     

青藏高原东南缘碰撞造山结构与物质组成:来自岩石地球化学和地球物理的联合约束

青藏高原东南缘位于印度板块与欧亚板块侧向汇聚部位,是检验碰撞造山动力学模型的理想场所。尽可能全面收集该区已有地球物理和新生代岩浆岩数据,探讨这些资料对碰撞造山带结构和物质组成的指示。结果表明:青藏高原东南缘不同部位的壳幔结构和组成存在较大差异。兰坪—思茅地块、保山地块和腾冲地块等的中地壳(15~30 km深度)普遍发育低速层,表明富水层或者部分熔融物质的存在,为青藏高原物质向东南流动提供了可能。部分熔融产物以大型剪切带内具有高Sr、低Nd同位素特征的淡色花岗岩脉为代表。但是,扬子板块同等深度下却发育高速层,其组成很可能是峨眉山玄武岩,它的存在阻隔了碰撞带物质向东流动。扬子板块和兰坪—思茅地块下地壳底部均出现呈条带状展布的高速体。根据新生代具有高Sr、低Y的岩石显示的下地壳源区特征,结合该区地质演化历史,将上述两套呈条带状展布的高速体分别解释为新元古代铁镁质弧岩浆岩和二叠纪—三叠纪铁镁质弧岩浆岩。青藏高原东南缘地幔各向异性存在明显南、北分区特征,在26°N以北表现为SN向,在26°N以南表现为近EW向。这一差异跟俯冲的印度板片撕裂有密切关系。该撕裂在综合地球物理剖面上显示为突变的印度板片俯冲角度,在地表表现为苦橄岩、煌斑岩、埃达克岩以及淡色花岗岩等的集中出露。这一新模型明显区别于前人的岩石圈拆沉和对流减薄等作用。     

青藏高原东南缘壳幔耦合强震孕育模型研究

结合青藏高原东南缘软弱带的分布及地震活动性的深度空间特征，提出强震孕育的壳幔耦合模型。利用中国国家数字地震台网和四川云南区域数字地震台网及布设在青藏高原东南缘的地震台站所记录的远震SKS波形资料，通过剪切波分裂得出上地幔各向异性结果数据，描绘出青藏高原东南缘的上地幔各向异性图像；再分别同该地区GPS观测的速度场数据、区域构造应力场数据和13 km深度的介质密度数据进行相关性处理与分析，并针对本文提出的孕震模型进行一定程度的验证。对形变场和应力场耦合特征的研究表明，各向异性的快慢波时间延迟、快波偏振方向总体分别与GPS 测量的地壳运动速度场方向变化和水平最大应力方向相关性较大，壳幔各圈层相互作用及软流圈的流动所展示的地震各向异性都与应力传递机制息息相关。通过相关分析可以得到壳内软弱带（低速高导体）在壳幔耦合运动研究中的关键作用，而该类耦合运动与地震孕育息息相关。     

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青藏高原东北缘及其周边地区现今构造应力场及地震活动性

收集青藏高原东北缘及其周边地区371个震源机制解数据,对该区域进行1°×1°经纬度网格的构造应力场反演。结果表明,青藏高原东北缘内缘最大主压应力以NE向为主,外缘最大主压应力由西向东呈现出顺时针旋转的特征,即最大主压应力轴由西段近NNE向转为中段NE向,再转为东段NWW向。从不同深度对青藏高原东北缘及其周边地区进行2°×2°经纬度网格的构造应力场反演。结果显示,地壳上下部分断层体系存在巨大的变化差异,产生这种差异的原因可能与地壳的挤压增厚有关。     

基于2015年尼泊尔MW7.8地震震后形变探测青藏高原南缘的岩石圈流变结构

基于有限元方法,采用2015年尼泊尔MW7.8地震震后5 a的GPS观测资料约束青藏高原南缘的岩石圈流变结构,利用通过主前缘逆冲断裂带(MFT)间的距离来约束边界位置的垂直边界结构和印度弹性俯冲板片结构探测印度板块和青藏高原板块的边界结构。结果表明,2种结构均能产生与观测数据一致的南-西南水平运动模式,并能较好地解释远场地面位移,但垂直边界结构模型得到的垂直形变偏大,而俯冲板片结构模型能很好地解释中尼边境及以北地区的隆升现象。青藏高原下地壳稳态和瞬态粘滞系数的最优结果分别为1×1018 Pa·s和1×1017 Pa·s。     

Pollen-based reconstructions of Holocene vegetation and climatic change of Tibetan Plateau

A synthesis of Holocene pollen records from the Tibetan Plateau shows the history of vegetation and climatic changes during the Holocene. Palynological evidences from 24 cores/sections have been compiled and show that the vegetation shifted from subalpine/alpine conifer forest to subalpine/alpine evergreen sclerophyllous forest in the southeastern part of the plateau; from alpine steppe to alpine desert in the central, western and northern part; and from alpine meadow to alpine steppe in the eastern and southern plateau regions during the Holocene. These records show that increases in precipitation began about 9 ka from the southeast, and a wide ranging level of increased humidity developed over the entire of the plateau around 8-7 ka, followed by aridity from 6 ka and a continuous drying over the plateau after 4-3 ka. The changes in Holocene climates of the plateau can be interpreted qualitatively as a response to orbital forcing and its secondary effects on the Indian Monsoon which expanded northwards     

青藏高原挠曲均衡重力异常特征及其地质意义

自新生代印度板块的块持续碰撞与俯冲作用下,青藏高原经历了快速隆升与复杂的岩石圈改造过程,但高原现今的垂向动力学机制和地壳形变特征仍然存在争议。基于非均一有效弹性厚度的挠曲模型,利用地形和地球重力场模型数据,计算了青藏高原及邻区的挠曲均衡重力异常。结果显示,青藏高原的均衡重力异常在-120~90 mGal之间,高原中部为明显的正异常特征,边缘为显著的均衡负异常。极小值出现在青藏高原西北部及其相邻的帕米尔高原,极大值则出现在与之紧邻的喜马拉雅块体西北部。此外,在青藏高原北面和东面,塔里木盆地和四川盆地显示出大片的均衡正异常。这些特征说明青藏高原及邻区地壳现今处于非均衡的状态,在板块碰撞挤压作用下,老的块体地壳整体发生抬升,导致了均衡正异常特征;而年轻的造山区域,地壳形变主要表现为地表抬升与下地壳强烈增厚,形成了均衡负异常。在高原中部和北部,均衡调整方向与地壳垂向运动趋势相一致;但在高原南面（喜马拉雅块体）和东面（四川盆地）,均衡调整方向与地表形变观测结果相反。这说明印度板块碰撞与俯冲仍然控制着青藏高原南部、东部及其相邻块体的地壳形变过程,然而在更北的区域,地壳正通过均衡调整恢复均衡状态。      

中国大陆现今垂直形变特征的初步探讨

利用GPS观测资料进行大范围的垂直形变特征研究是本文研究的重点。通过网络工程基准站和基本站的GPS观测资料，绘制了中国大陆的垂直速率等值线图像，并对中国大陆垂直运动特征进行了定性的分析，结果表明：中国大陆垂直运动在70％以上的区域表现为沉降运动，在青藏高原和除北京外的整个华北块体及燕山块体的垂直运动表现为隆升的趋势。中国大陆西北和东南、西南和东北的整体垂直运动呈一种斜对称状态。对基于GPS观测所得的等值线图与基于水观测所得的等值线图进行了比较，比较结果显示，除了华南块体外，二者在整体趋势上比较一致。