青藏高原东部下地壳流动数值模拟研究

许多研究表明青藏高原东部下地壳存在柔性流动（Lower-crustal flow），但是对高原下地壳流动方式的认识存在分歧。地表运动有GPS等直接观测，地幔运动有S波分裂间接反映，下地壳运动目前还没有可靠的直接观测手段，因此计算分析尤显重要。本研究将考虑青藏高原介质的不均匀流变结构、大型断裂带及重力等因素，采用不同本构模型，建立青藏高原岩石圈的大规模三维有限元模型，利用并行计算技术对青藏高原地表和深部观测进行定量模拟。重点研究青藏高原东部下地壳物质侧向挤出过程中，高原东北缘是否存在下地壳物质外溢通道问题。利用三维数值模型，通过对地表及深部观测结果的拟合，探讨青藏高原东部下地壳流动方式和速度，及其对浅部应力积累和断层活动影响。在此基础上，增进对汶川地震动力学成因的认识。了解青藏高原东部地壳的运动变形过程有助于认识该区域以汶川地震为代表的一系列8级强震发生的动力学背景。

青藏高原存在柔性下地壳流动被越来越多的学者接受，但是关于下地壳流动方式及速度存在争议。我们利用三维球壳黏弹性有限元模型研究了青藏高原下地壳柔性流动方式和速度大小。首先，通过对地表GPS观测资料的拟合与不同数值模型的对比分析，我们认为青藏高原柔性下地壳东向流动遇到四川盆地的抵阻，下地壳物质可能仅在高原东南方向存在物质外溢通道，而在高原东北方向不存在类似的物质通道。其次，在这样的边界条件下，进一步计算了青藏高原上、下地壳运动差异。结果显示下地壳黏滞系数对地表位移量影响甚微，但是黏滞系数取值影响下地壳运动速率大小；下地壳与地表的运动速度差异主要发生在青藏高原内部，高原以外地区的上、下地壳速度差异较小。从青藏高原中部以东，上地壳与下地壳的运动速度差异逐渐增大，在青藏高原东南缘的川滇地区，上、下地壳的运动速度差异达到最大；当下地壳黏滞系数取1017 Pa.s时，川滇地区下地壳流动速度较地表快约每年几十个毫米。当下地壳黏滞系数增加到1020 Pa.s时，青藏高原地区上、下地壳运动速率差异减小到每年零点几个毫米。上、下地壳速度差的空间分布变化不大，上、下地壳速度差较大的地区仍然主要集中在青藏高原内部。与前人研究结果对比之后，认为下地壳的流动速度比地表运动速率每年快几个毫米至十几个毫米较为合理，对应的黏滞系数为1018 ~1019Pa.s。青藏高原内部及周边广泛发育大规模断裂带，他们吸收了板块碰撞引起的大量变形，因此我们改进了模型，横向上包括了整个青藏高原及周围地块部分区域，不仅考虑到块体边界断裂，如印度板块和青藏高原碰撞边界断裂、龙门山断裂带，还考虑了高原内部及周边多条大型走滑断裂，模型还包括了MOHO界面与地形起伏，结果显示青藏高原内部及围绕东构造结的断裂带，为高原物质东向挤出提供便利。然后，我们利用1991~2004年间的GPS资料和最小二乘配置法计算了青藏高原应变率场的动态变化；结果表明青藏高原及川滇地区应变速率存在显著高值；不同期的GPS资料动态变化与区域强震活动相关；2004年的GPS资料指示出2001年昆仑山口西Ms8.1地震的震后变形。最后，针对静态库仑应力计算中不同深度断层滑动量差异导致库仑应力图像偏差会影响后续地震趋势判断问题，提出改进办法，即先计算不同深度库仑应力，然后在同一个位置取不同深度库仑应力最大值绘制库仑应力分布图像，以2010年玉树地震为例，按照这一