喜马拉雅俯冲带地处印度板块与欧亚板块碰撞区的前缘,是青藏高原与印度板块之间的天然构造界线。作为全球最大的大陆俯冲-碰撞带,喜马拉雅俯冲带一直是研究盆山耦合体系、深部物质运移等一系列地学机制的天然实验室,历来受到地学界的重视。最近的研究表明,洋-陆俯冲区的浅部构造运动(震间地壳形变)在一定程度上受控于区域深部的粘弹性圈层,但对于陆-陆板块俯冲带,其深部动力与震间地壳形变的关联机制还不甚明晰。因此,基于粘弹性地球模型,深入研究喜马拉雅俯冲带深部粘弹性介质对震间形变场的影响机制,对研究青藏高原的动力学机理,深入理解全球板块运动都具有重要意义。此外,区域内板块构造活动强烈,地质灾害频发,而断层闭锁是评估断层面上应变积累和地震风险的重要指标,研究断层闭锁的特征和分布,可以有效的估计地震活动的规律,为地质灾害预警和防灾减灾提供重要的科学依据。基于此,本文以区域震间GNSS速度场为约束,采用有限元数值模拟方法探究喜马拉雅俯冲带深部粘弹性介质与震间形变场的关联机制及其对断裂带闭锁深度的影响。主要工作分为以下几点:(1)收集并融合了研究区内多套GNSS形变资料,将其转化至欧亚参考框架下的GNSS速度场。构建了喜马拉雅俯冲带的二维有限元模型,当采用Backslip model模拟震间地表变形速率时,粘弹性模型与弹性模型的主要差异集中于在中场及远场区域的水平位移速率,粘弹性模型具有更大的位移速率。而在其垂向位移速率上,粘弹性模型具有更大的板块抬升速率。Subducting plate model中弹性模型与粘弹性模型的差异在水平位移速率主要集中在喜马拉雅主逆冲断裂(MHT,Main Himalayan Thrust)的近场区域。而弹性模型的平均垂向速率均略高于粘弹性模型的平均垂向速率,这可能与该运动模型下岩石圈深部断层面蠕滑有关。在对比两种模型间差异时,Backslip model和Subducting plate model在弹性模型下水平位移速率上出现高度一致性。两者的差异主要体现在250km以外的区域的垂向速率上。当采用粘弹性模型时,两者的差异主要体现在近场区域的水平方向及300km以外的远场区域的垂向速率上。(2)采用三维有限元方法对MHT断层弹性-粘弹性模型震间闭锁深度进行估计,并以GNSS速度场与模拟值速度场之间的RMS(root mean square)值来评估弹性模型与粘弹性模型的最佳震间闭锁深度。弹性模型约为28km,RMS为0.79mm/yr,粘弹性模型为26km,RMS为0.62mm/yr。相比于弹性模型,粘弹性模型能够更好的拟合震间地表变形。本文针对喜马拉雅俯冲带的弹性-粘弹性模型在震间变形的影响,详细的分析了两种运动模型下的差异性。并结合震间GNSS速度场约束MHT断层震间闭锁深度,为深入研究高原变形机制及地质灾害预警提供了一定的参考。

20世纪70年代以来,由于城市的快速发展和人口的大规模增长,西安市承压地下水遭受了长期超采,导致地下水头不断下降,从而引发了严重的地面沉降。不均匀的地面沉降不仅会影响西安市建筑物的稳定性和地铁、桥梁等交通设施的安全性,还会对地下管道、排水系统等基础设施造成损害。因此,开展西安市长时序地面沉降监测,厘清其时空演化特征,揭示承压地下水变化对地面沉降的影响机理,对西安市地面沉降灾害预防和治理具有重要的意义。小基线集(Small Baseline Subset,SBAS)技术不仅可以提供高分辨率、广覆盖范围的监测数据,而且能够克服时空失相干的问题,进行长时间稳定的地表形变监测,有利于研究地表形变的时空演化特征。因此,本文基于SBAS技术,对西安市地表形变进行监测,并分析其驱动因子;同时结合承压地下水分析地表形变对地下水变化的响应关系及估算其含水层参数。本文的主要研究成果如下:(1)基于SBAS技术获取了西安市2003-2005、2007-2010、2009-2010和2015-2022年四个时期的年均形变速率结果。结果表明,地面沉降主要分布在西安市西南部区域,呈现以鱼化寨、电子城、三爻村-凤栖原为中心的三个沉降漏斗。其整体沉降速率和范围呈现缓慢-加速-再变缓的变化趋势,且2015-2022年间西安大雁塔、电子城等部分区域出现了明显的抬升信号。(2)分析了地表形变对承压地下水变化的响应关系。由于弱透水层的垂直导水率较低,西安市地表形变时间存在滞后性,因此估算了西安市地表形变滞后时间,发现滞后时间均在半年以内。同时,将估算结果校正形变时间,发现西安市地表形变与承压地下水变化呈现较好的一致性,其主要由承压含水系统弹性压缩/膨胀引起。然后基于谐波函数提取了西安市南郊区域2009-2021年地表形变的季节性变化。结果表明,南郊区域季节性形变幅度为1mm～9mm,除鱼化寨季节性形变幅度呈现先增大后减小的趋势外,其余区域均呈现逐渐减小的趋势;其沉降中心的季节性形变峰值时间集中在1-3月份,稳定区域峰值时间集中在7-9月份。(3)利用合成孔径雷达干涉(Synthetic Aperture Radar Interferometry,InSAR)形变监测结果和水头观测资料估算了西安市38个承压监测井位的骨架释水系数。研究发现西安市弹性骨架释水系数主要介于0.005-0.01区间,且表现出较强的空间差异性,研究区西北区域的弹性骨架释水系数明显高于其他区域。另外,地裂缝两侧弹性骨架释水系数也存在明显差异。

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