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运用三维粘弹性拉格朗日非连续变形有限元(LDDA)方法,本文首先分析了印度和欧亚大陆碰撞过程中大陆介质粘性对陆—陆碰撞变形场的影响。在此基础上,结合已有的有关青藏高原隆升的时间、幅度等研究成果,初步给出了长时间尺度上两大陆介质的平均粘度,并进一步分析了塔里木地块在青藏高原隆升中所起的作用。最后,以现有GPS观测资料为约束,分析了青藏高原下地壳粘性流动和断裂深部延伸带内介质剪切应变相对集中两种机制对地壳表层弹性变形的影响,给出了青藏高原下地壳现今的平均粘度结构。主要认识如下:
(1)当两大陆板块介质粘性相同时,只有当粘性系数不小于1023Pa·s时,碰撞过程中才可能发生明显的俯冲。要形成高大的山脉,则要求粘滞系数接近1024Pa·s量级或更大些,此时难以形成宽广的高原;当两大陆块体粘性有较大差异时,粘性较小的板块一侧平均高程大幅度增加,两板块间俯冲作用的强度明显减弱,地貌表现为山脉与高原共生,或者以高原为主,山脉不明显。
(2)假设青藏高原现今地表海拔格局是上新世以来快速隆升的结果,根据数值模拟结果,3-5Ma以来的长时间尺度看,印度板块岩石圈平均粘度可能在1025Pa·s量级,欧亚板块岩石圈平均粘度约为6×1023Pa·s量级,受两大陆介质枯性较大差异的控制,该阶段印度大陆向青藏地区下的俯冲作用很弱,因俯冲作用吸收的缩短量仅占相同时间段内印度向北总的位移量的17%。
(3)从塔里木地块在青藏高原形成过程中所起的作用看,高原南北两侧边界断裂摩擦系数相差不大;如果印度大陆向高原下俯冲角在30°左右,则塔里木地块向高原下俯冲角在60°左右,受高原南北两侧边界断裂产状不同的控制,在青藏高原隆升过程中塔里木地块更多起阻挡作用。
(4)对青藏高原现有GPS观测资料的合理解释要求青藏高原下地壳介质普遍表现为低粘度,同时要求在青藏高原活动断裂向深部的延伸带内,存在着下地壳延性剪切变形的相对集中。但对GPS观测资料的两种不同解释机制在高原内部不同地区,所处的地位有所不同。在青藏高原的东南部地区,为了减小对GPS观测资料的解释误差,模型明确要求该地区下地壳介质粘度普遍偏低;相反,在青藏高原的中北部和东北部地区,用断裂深部延伸带内延性剪切应变相对集中来解释GPS观测资料更好,暗示在青藏高原的这两个地区的活动断裂深部延伸带内更可能存在着下地壳延性剪切变形的相对集中。
(5)忽略青藏高原下地壳介质粘度的横向差异,为了对GPS观测资料的预测可以做到一级近似,要求现今青藏高原下地壳平均粘度大于1022Pa·s,小于5×1022Pa·s,同时在青藏高原活动断裂的深部延伸带内介质的粘度约为1021Pa·s.受青藏高原高海拔和下地壳低粘度的控制,重力作用对现今青藏高原地壳运动有着极为重要的影响。