青藏高原东南缘岩石圈挠曲与垂向变形机制研究

论文摘要

印度板块和欧亚板块的碰撞和汇聚塑造了青藏高原东南缘地区的复杂地貌和构造活动,其中喜马拉雅东构造结和青藏高原内部物质向外逃逸的区域一直是研究热点。复杂地貌的形成机制、地壳变形机制和下地壳流的分布特征是该地区研究中的重要科学问题。本文利用重力/GPS联合观测数据、重力模型和数字高程数据结合岩石圈挠曲分析方法对以上问题进行研究,得到的主要认识如下:（1）雅鲁藏布江大拐弯地区地貌形成机制位于喜马拉雅东构造结的雅鲁藏布江大峡谷腹地是世界上最难到达的地区之一,2016年首次在该地区布设了密集流动重力观测网,该网包含107个重力/GPS联合观测点。在对观测数据进行重力归算后获取了观测点的自由空气和布格重力异常数据,并将自由空气重力异常数据与EIGEN-6C4重力模型数据进行融合以提高该地区重力数据的分辨率。该地区的布格重力异常数据总体为负值,并且由南向北从-360 mGal逐渐减少为-480mGal。布格重力异常的分布特征表明在雅鲁藏布江峡谷周围莫霍面以12°倾角由南向北均匀地下沉。利用布格重力异常和高程数据计算了该地区的岩石圈的垂向构造应力,根据垂向构造应力的分布特征可得雅鲁藏布江大峡谷流域上游地区基本处于均衡状态,但是在下游地区垂向构造应力达到约50 MPa,表明该地区曾流失大量的地表物质。该结果与Wang等（2014）推断的雅鲁藏布江峡谷抬升前的谷底位置不相符。本研究认为印度板块和欧亚板块的持续碰撞和相互汇聚造成雅鲁藏布江大拐弯地区地壳增厚,进而地表发生抬升。在此之后,河流的侵蚀作用导致了大量地表物质的快速流失,在大拐弯南部的雅鲁藏布江下游地区形成了极不均衡的状态。（2）青藏高原东南缘地区地壳垂向运动青藏高原东南缘地区地表的“塑形流”运动特征是由于青藏高原内部物质的向外扩张活动而产生的。在本研究中以带有正断分量的小金河断裂和红河断裂为分界线,将研究区域分为三个子区域。子区域中的GPS垂向速度场结果表明该地区的地壳垂向运动呈现为阶梯状分布,并且南部相对于北部存在1–2 mm/yr的沉降。为了解释研究区域的地壳垂向运动,需要从GPS垂向观测数据中扣除水平向运动的影响。首先将水平速度场转换为应变率,其次将水平应变率转换为垂向应变率,最后计算得到地壳水平运动产生的垂向速率,并从观测中扣除以获取研究区的实际垂向速率。本工作利用包含粘性地壳和上地幔的双层平板模型模拟了研究区域在垂向构造应力作用下产生的垂向速率,并将其和观测结果进行拟合。拟合结果表明高原东南缘地区的上地幔粘滞性系数为2.8×1022Pa?s,地壳粘滞性系数的上限为1.0×1025Pa?s。同时,本研究推测青藏高原东南缘的垂向构造应力是由于青藏高原内部物质的逃逸造成岩石圈偏离平衡状态而产生的。（3）重力与地形数据反演青藏高原东南缘下地壳流空间分布青藏高原东南缘地区的下地壳流活动和分布特征是近年来的研究热点。不同学者利用大地电磁、地震波层析成像和数值模拟等方法给出的下地壳流的活动范围不尽相同。本研究使用Fan小波方法计算重力和地形数据的相关性即导纳和一致性,并使用双层地壳模型和反卷积方法来反演该区下地壳流的活动和分布特征。利用模拟数据对自由空气重力异常与布格重力异常的导纳和一致性的不同组合进行了反演测试,结果表明自由空气重力异常和布格重力异常一致性的联合反演可获取最优的地壳内部加载比F2。对该联合反演方法的进一步测试表明,随着小波中心波数|6)0|值的减小,F2反演结果会逐渐偏离设定值。当|6)0|取5.336和3.773时,反演结果可以较好的还原设定值。利用以上方法结合数字地形与重力模型数据反演青藏原东南缘地区的F2分布,可用于推测该地区的下地壳流活动分布。结果表明,下地壳流自青藏高原内部流入其东南缘地区,并围绕喜马拉雅东构结做顺时针旋转运动,在川滇菱形块体内部地壳流受峨眉山大火成岩省的阻碍向西南和东南方向分流。同时,本研究发现前人利用大地电磁数据和地震波层析成像方法给出的西部下地壳流是不连续的,并推测该结果是印度板块和缅甸板块对欧亚板块的挤压造成的。综上所述,本研究认为青藏高原东南缘地区现今的地貌、地壳垂向运动和下地壳流的分布特征是板块间相互挤压运动的结果,该地区的构造活动受板块持续碰撞的控制,是板块碰撞活动的延续。

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第一章引言

1.1 目的和意义

1.2 研究现状

1.2.1 雅鲁藏布江大拐弯地区地貌形成机制

1.2.2 青藏高原东南缘地壳垂向变形特征

1.2.3 青藏高原东南缘下地壳流研究

1.3 研究内容和方法

第二章岩石圈挠曲分析方法

2.1 岩石圈垂向构造应力

2.2 岩石圈挠曲变形

2.3 岩石圈挠曲频域分析方法

2.3.1 重力导纳

2.3.2 重力一致性

2.3.3 挠曲重力异常

2.3.4 模型重力导纳

2.3.5 模型重力一致性

2.4 本章小结

第三章重力和地形数据的频谱估计方法

3.1 重力数据处理

3.2 频谱估计方法的发展

3.2.1 传统频谱估计方法

3.2.2 小波变换方法

3.3 Fan小波变换

3.3.1 Fan小波

3.3.2 小波变换

3.4 本章小结

第四章重力数据揭示的雅鲁藏布江大拐弯地区地貌形成机制

4.1 研究动机分析

4.2 雅鲁藏布江大拐弯地区重力/GPS联合观测

4.3 雅鲁藏布江大拐弯地区重力异常

4.4 雅鲁藏布江大拐弯地区莫霍面变化趋势

4.5 雅鲁藏布江大拐弯地区垂向构造应力

4.6 本章小结

第五章青藏高原东南缘地壳垂向运动模拟和解释

5.1 研究动机分析

5.2 青藏高原东南缘GPS数据

5.3 地壳水平运动产生的垂向速率

5.4 青藏高原东南缘垂向构造应力

5.5 粘滞性平板挠曲模型

5.6 青藏高原东南缘地壳和上地幔的粘滞性

5.7 地表和深部物质迁移对地壳垂向运动的影响

5.7.1 地表物质迁移引起的垂向运动

5.7.2 深部动力活动引起的垂向运动

5.8 本章小结

第六章重力与地形反演青藏高原东南缘下地壳流分布

6.1 研究动机分析

e和F反演方法'> 6.2 岩石圈T_e和F反演方法

e和F₂ 的反演评估'> 6.3 T_e和F₂的反演评估

6.3.1 模拟数据

6.3.2 重力导纳和一致性组合的反演测试

e、F₂和小波中心波数|k₀|对反演的影响'> 6.3.3 不同T_e、F₂和小波中心波数|k₀|对反演的影响

6.4 重力和地形数据

6.5 结果和讨论

e分布'> 6.5.1 青藏高原东南缘地区T_e分布

2分布'> 6.5.2 青藏高原东南缘地区F₂分布

6.6 本章小结

第七章结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

附录

附录 A：归一化连带勒让德函数的跨阶次递推算法

附录 B：利用球体负荷理论计算沉积作用对地壳垂向速率的影响

附录 C：Markov Chain Monte Carlo反演算法

附录 D：地震波速与密度的转换

附录 E：重力异常正演计算方法

作者简历

攻读博士期间发表论文与研究成果

发表论文

会议报告

主持和参与项目

获得奖项

文章来源

类型: 博士论文

作者: 佘雅文

导师: 高原,付广裕

关键词: 青藏高原东南缘,重力均衡,岩石圈挠曲,下地壳流,地壳垂向运动

来源: 中国地震局地球物理研究所

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学

单位: 中国地震局地球物理研究所

分类号: P542

总页数: 117

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