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素有第三极和世界屋脊之称的青藏高原是地球上最高且最大的高原，平均高程4 500 m，地壳平均厚度70 km，印度板块的持续向北移动通过折叠和各种断层错动机制形成了高原现今的地壳形态。印度板块和亚洲板块之间的碰撞推动着高原向上抬升，亚洲板块西部和北部的巨大质量限制了高原地壳物质的向北移动，深部逆断层的向北移动被转换成沿着东西方向走势的走滑断层向东和东南方流动。由GPS观测到的中国大陆水平位移结果较好地揭示了该构造变形特性：青藏高原的主要构造特征是连续的变形，地壳缩短吸收了大部分印度板块对欧亚板块的侵入，印度北部和阿拉善块体之间收缩率约为38 mm/a[1-2]。该连续变形基本上被地壳的变厚所吸收，从而引起地壳垂直形变——高原隆升和与地壳底部的变形——莫霍面下沉，西藏南部的岩石圈厚度已达80 km并支持上述假设[3]。
目前，青藏高原地壳隆升与增厚机制的大地测量学研究仍处于初探阶段，绝对重力和重力反演与气候实验卫星 (gravity recovery and climate experiment, GRACE) 数据的累积及其延续，提供了大量、宝贵的大地测量数据，需作进一步的深入研究。关于青藏高原地壳隆升的大地测量学研究，其手段主要包括水准测量、GPS测量和重力观测。
文献[8]研究结果表明，青藏高原正以5.8 mm/a的平均速率隆升，且由北向南上升速度递增。近年来，随着GPS测量技术的发展，在青藏高原GPS观测到了明显的水平位移。结果表明，青藏高原近东西向的距离在拉长，且在藏南更加明显，而近南北向的距离在缩短[1-2, 5-6]。这更直接地证明了青藏块体在南北挤压力的作用下南北方向缩短，从而造成青藏高原隆升和地壳物质增厚且向东西两端分逸。对网络工程和陆态网络长期GPS观测数据进行处理，垂直位移结果表明青藏高原处于隆升中[7]。
关于重力测量，文献[8]通过相对重力联测，首次给出了成都与拉萨之间的重力变化，结果表明拉萨相对于成都在不断地隆起。1993~1999年拉萨站重复绝对重力观测结果表明，6 a中重力值减少了12 μGal，根据布格梯度估算的隆升速率约为8~10 mm/a[9]，主要反映了拉萨地区地壳垂直运动和物质运移，体现了青藏高原隆升和印度板块、欧亚大陆俯冲的关系，但仍需重复观测资料的累积和观测点的增加。文献[10]首次联合绝对重力和GPS两种大地测量手段，利用拉萨、下关和昆明3个基准站的长期观测资料，确定了青藏高原莫霍面下沉速率为2.3±1.3 cm/a[10]，文献[11]也进行了跟踪性研究，利用拉萨基准站的绝对重力和GPS长期观测资料，确定了拉萨块体的地壳平均增厚速率为3.9±1.3 cm/a。
2002年3月美德合作发射的GRACE卫星重力测量计划可探测平均小于1 cm的陆地水储量变化。随着资料的累计和数据处理方法的改进，关注GRACE卫星重力的长期变化成为新的热点[12-13]。长期绝对重力和GRACE卫星重力在芬诺斯坎底亚地区的研究结果同时表明，冰川均衡调整效应 (glacial isostatic adjustment, GIA) 导致的重力变化率与其他观测结果较为一致，绝对重力和GRACE卫星重力的系统差即为地壳垂直形变部分引起的[14-15]，这为联合两种观测手段提取区域地壳垂直形变提供了新思路。
本文联合绝对重力测量和GRACE卫星重力测量两种手段，通过消除非构造因素如剥蚀、GIA等引起的重力变化，开展青藏高原地壳隆升与增厚速率研究。本文利用长期绝对重力观测资料并结合GRACE卫星重力时变场，确定了青藏高原地壳的平均隆升速率；通过地面绝对重力观测消除非构造因素引起的重力变化后，定量给出了青藏高原地壳的平均增厚速率。
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自1998年起，中国地壳运动观测网络每2~3 a对该网络的鼎新 (DXIN)、德令哈 (DLHA)、西宁 (XNIN) 和拉萨 (LHAS) 基准站进行一次绝对重力测量。自2010年起，中国大陆构造环境监测网络增加仲巴 (XZZB) 基准站，同时国家测绘地理信息局在基础测绘实施过程中，对部分基准站也进行了绝对重力观测，因此在青藏高原地区积累了较长时间的绝对重力复测观测资料，点位分布如图 1所示。
图 1 青藏高原绝对重力点位分布
Figure 1. Map of the Absolute Gravity Station in Qinghai-Tibetan Plateau
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为了获得各基准站的重力变化率，对绝对观测数据进行以下3个步骤处理。
1) 对各基准站的各期绝对重力观测数据进行固体潮、海潮负荷、大气压力、极移和重力垂直梯度等改正，获得各基准站各期绝对重力值。
2) 根据地表水流模型 (hydrological land surface discharge model, LSDM)[16]，消除陆地水负荷引起的重力变化[17-18]。
3) 以各基准站上的消除陆地水负荷重力效应后的绝对重力观测值减去平均值为时间序列，经最小二乘拟合后得到各基准站的重力变化率。
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利用2002~2013年期间的GRACE RL05月重力场模型，通过去相关和350 km滤波计算GRACE卫星重力在青藏高原及其周边地区观测到的长期重力变化[19]，利用全球陆地数据同化系统 (global land data assimilation system, GLDAS) 水文模型计算陆地水负荷引起的长期重力变化[20-21]，则消除陆地水负荷后的GRACE卫星观测到的长期重力变化如图 2所示。
图 2 青藏高原及周边地区长期重力变化
Figure 2. Long-term Gravity Changes of the Qinghai-Tibetan Plateau and Its Adjacent
由图 2可知，青藏高原及周边地区长期重力变化具有几个特征：(1) 存在3个长期重力变化较为明显的区域，如图 2中A(深蓝)、B(深蓝) 和C(桔黄) 所示。(2) A区域是印度北部地下水长期消耗造成的[22]，研究表明该地区的地下水变化率约为-4.0±1.0 cm/a，则引起的重力变化率约为-1.6±0.4 μGal/a。(3) B区域为印度东北部和东喜马拉雅，考虑到GIA效应很小[23]，则很可能是由构造因素引起的[24]。(4) C区域为新疆、青海、西藏三省 (区) 交界区域，体现了自然保护区水资源的增加趋势约为1 cm/a[12]，且高原内部湖泊众多，特别是可可西里地区的湖泊总体呈扩张趋势[25]，则引起的重力变化率大于0.42 μGal /a。
GRACE卫星和绝对重力仪观测到的各基准站的重力变化如图 3所示。其中，DXIN、DLHA和XNIN 3个基准站处于图 2中的C区域 (桔黄) 及其边界，重力变化除了受地壳垂直形变的影响，还受到水储量增加的影响，而地面和卫星重力变化趋势并不一致，该系统差即为地壳垂直形变部分引起的[14-15]：
$$\Delta {g_{{\rm{GRACE}}}} = \Delta {g_{{\rm{AG}}}} - {\gamma _f}\Delta h$$ (1) 
图 3 绝对重力与GRACE卫星观测到的基准站重力变化
Figure 3. Gravity Changes for Stations Detected by Absolute Gravimetry and GRACE Satellite
式中，Δg为重力变化率；下标表示观测手段，GRACE为卫星重力，AG为绝对重力；γf=－3.086 μGal/cm为自由空气梯度；Δh为地壳垂直形变速率。
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由表 1可知，联合绝对重力观测和GRACE卫星重力测量获得的青藏高原上各基准站的区域重力时变速率的系统差均为负值，表明各基准站的区域地壳垂直运动趋势为隆升状态，阿拉善块体、祁连块体和拉萨块体的平均值的量级大小基本相同，约为-0.6 μGal/a，若以DLHA、XNIN、LHAS和XZZB基准站的绝对重力变化率的平均值代表青藏高原的绝对重力变化率，则其为-0.67±0.04 μGal /a。
表 1 各基准站区域重力时变速率及系统差/(μGal·a-1)
Table 1. Secular Trend of Gravity Changes for Several Station Areas and System Differences/(μGal·a-1)
站点 ΔgAG ΔgGRACE ΔgAG－ ΔgGRACE 平均值 代表块体 DXIN -0.53±0.03 0.06±0.01 -0.59±0.03 -0.59±0.03 阿拉善块体 DLHA -0.47±0.06 0.34±0.01 -0.81±0.06 -0.58±0.06 祁连块体 XNIN -0.20±0.02 0.14±0.06 -0.34±0.06 LHAS -1.16±0.04 -0.48±0.01 -0.68±0.04 -0.62±0.05 拉萨块体 XZZB -0.85 -0.29±0.05 -0.56±0.05 由绝对重力变化率和GRACE卫星重力变化率，可计算得到青藏高原5个基准站的区域重力时变速率系统差ΔgAG－ ΔgGRACE(见表 1)，根据式 (1) 计算地壳垂直运动速率Δh=(ΔgAG－ΔgGRACE)/(－3.086) cm/a (见表 2)。
表 2 各基准站的地壳垂直运动速率/(mm·a-1)
Table 2. Secular Trend of Crustal Movement for Several Stations/(mm·a-1)
基准站 DXIN DLHA XNIN LHAS XZZB Δh 1.91±0.10 2.63±0.19 1.10±0.19 2.20±0.13 1.82±0.16 平均值 1.91±0.10 1.87±0.19 2.01±0.15 代表块体 阿拉善块体 祁连块体 拉萨块体 由表 2可知，青藏高原的地壳处于隆升状态。若以LHAS和XZZB代表拉萨块体的地壳隆升速率，约为2.01±0.15 mm/a；若以DLHA和XNIN代表祁连块体的地壳隆升速率，约为1.87±0.19 mm/a；若以DXIN代表阿拉善块体的地壳隆升速率，约为1.91±0.10 mm/a；若以高原内部的LHAS、XZZB、XNIN和DLHA隆升速率的平均值代表整个青藏高原的地壳隆升速率，约为1.94±0.17mm/a。
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一般来说，无论地面或者空间重力测量，单独的重力测量不能区分或者确认地球物理信号来源，需要对其他相关的物理信号进行独立分析[26]。地面绝对重力变化信号包含了以下信息：(1) 地壳垂直形变；(2) 地球表层物质再分布 (江河和陆地水储量、地下水、江河湖泊、地表剥蚀、GIA效应等)；(3) 地球内部物质迁移 (莫霍面变形)。因此，单独利用地面绝对重力观测手段提取地壳垂直形变时，需要通过模型将上述 (2) 和 (3) 的影响去除，但会存在模型有无、模型的准确性等问题。
假设地壳密度ρc为2.8×103kg/m3，地幔密度ρm为3.6×103kg/m3，莫霍面变形引起的密度变化Δρ=－0.8×103kg/m3，引起的重力变化为：
$$\Delta g\left( {x,y,z} \right) = 2{\rm{\pi }}G \cdot \Delta \rho \cdot \Delta {h_M}$$ (2) 式中，ΔhM为莫霍面变形速率 (向下为正); G为万有引力常数。
根据式 (2)，莫霍面的下沉速率为1.0 cm/a时，引起的重力变化约为-0.3 μGal /a。
为了定量研究青藏高原地壳的增厚，要排除非莫霍面沉降等因素对绝对重力变化率-0.67±0.04 μGal/a的影响。根据联合绝对重力观测和GRACE卫星重力测量获得的整个青藏高原的隆升速率ΔhS为1.94±0.17 mm/a，使用布格改正-1.9 μGal/cm排除地面垂直形变的影响，则地面垂直形变效应ΔgBouger为-0.37±0.03 μGal/a，地表剥蚀效应ΔgDenute为-0.25±0.1 μGal/a[26]，GIA效应ΔgGIA为0.03±0.01 μGal/a[23]。因此，莫霍面变形引起的重力变化率ΔgMoho=ΔgAG－ΔgBouger－ΔgDenute－ΔgGIA为-0.08±0.11 μGal/a。
莫霍面变形引起的重力变化率为-0.08±0.11 μGal/a，根据式 (2) 估算莫霍面下沉速率，为2.35±3.30 mm/a。
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在印度板块和欧亚板块的双向挤压下，青藏高原的地壳在不断地隆升与增厚，平均隆升速率为1.94±0.17 mm/a，平均增厚速率为2.35±3.30 mm/a，量级均为mm级，其中平均增厚速率的不确定为3.30 mm/a，主要是由于地表剥蚀效应的不确定度较大引起的。
文献[7]根据网络工程和陆态网络的GPS长期观测数据，获得了青藏高原及周边地区的地壳隆升速率，结果表明，喜马拉雅区域的隆升速率大于2 mm/a，高原中东部隆升速率约为1~2 mm/a，高原内部的平均速率约为1.6 mm/a。由于本文的研究区域不含喜马拉雅部分，且与GPS分布相比现有绝对重力观测的密度远远不够，研究结果仅能代表高原内部的平均隆升速率，因此本文研究的结果1.94±0.17 mm/a与GPS研究结果基本一致，说明联合绝对重力观测和GRACE卫星重力测量在大空间尺度上研究区域地壳垂直运动速率是有效的。
与文献[10]联合GPS与绝对重力给出的青藏高原地壳增厚速率2.3±1.3 cm/a相比，本文的研究结果为2.35±3.30 mm/a，降低了一个数量级，但不确定度增加，其差异原因在于：文献[10]利用的长期观测资料为拉萨、下关和昆明3个基准站的资料，其中下关和昆明2个基准站位于川滇菱形块体，该区域的地壳运动趋势比较复杂，GPS研究结果的不确定度较大，会直接影响整体研究结果的不确定度，且未对剥蚀效应和GIA效应进行不确定估计。
由于青藏高原的特殊性以及恶劣的地理环境，高原的绝对重力观测点密度仍然不够，本文的研究结果仅能大体上代表青藏高原的地壳隆升与增厚趋势。随着陆态网络任务的进一步实施，有望在高原内部增加一些绝对重力基准站，且随着分辨率和精度更高的重力卫星的发射，将能为研究青藏高原的地壳隆升与增厚提供更为有效的大地测量数据。
Determination of Crust Uplifting and Thickening of Qinghai-Tibetan Plateau from Time-Variable Gravity Measurements
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摘要: 联合绝对重力和重力反演与气候实验卫星（gravity recovery and climate experiment，GRACE）重力多年观测数据，获得了青藏高原多个基准站区域的地壳垂直形变速率。研究结果表明，绝对重力呈明显的负变化，绝对重力和卫星重力的时变系统差也呈较一致的负值，鼎新（DXIN）、德令哈（DLHA）、西宁（XNIN）、拉萨（LHAS）和仲巴（XZZB）5个基准站的区域地壳垂直形变呈明显的隆升状态，即拉萨块体、祁连块体和阿拉善块体处于地壳隆升状态，隆升速率分别约为2.01±0.15 mm/a、1.88±0.19mm/a、1.91±0.10 mm/a。在印度板块和欧亚板块的双向挤压下，青藏高原的地壳在不断的隆升与增厚，平均隆升速率约为1.94±0.17 mm/a，平均增厚速率约为2.35±3.30 mm/a。Abstract: The crustal uplift and thickening of Qinghai-Tibetan plateau was determined by the combined use of long-term absolute gravity measurements and GRACE satellite gravity measurement data. The results show that the obvious negative gravity change rate was detected by absolute gravity measurements. The systematic difference of the gravity change rates between absolute gravity measurements and GRACE measurements was also negative as 5 base stations at Dingxin, Delingha, Xining, Lhas, and Zhongba which representing the Alxa, Qilian and Lhas blocks were all in a crustal uplift status. The rising rate can be estimated numerically, and the velocity of Lhasa, Qilian and Alxa block is about 2.01±0.15 mm/a、1.88±0.19 mm/a and 1.91±0.10 mm/a, the crustal uplifting of the whole Qinghai-Tibetan plateau is about 1.94±0.17 mm/a, and the thickening is about 2.35±3.30 mm/a caused by the collision between the Indian and the Asianplates in the double-direction.
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Key words:
- absolute gravity /
- satellite gravity /
- gravity measurements /
- gravity change /
- uplift /
- thickening
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图 1 青藏高原绝对重力点位分布
Figure 1. Map of the Absolute Gravity Station in Qinghai-Tibetan Plateau
图 2 青藏高原及周边地区长期重力变化
Figure 2. Long-term Gravity Changes of the Qinghai-Tibetan Plateau and Its Adjacent
图 3 绝对重力与GRACE卫星观测到的基准站重力变化
Figure 3. Gravity Changes for Stations Detected by Absolute Gravimetry and GRACE Satellite
表 1 各基准站区域重力时变速率及系统差/(μGal·a-1)
Table 1. Secular Trend of Gravity Changes for Several Station Areas and System Differences/(μGal·a-1)
站点 ΔgAG ΔgGRACE ΔgAG－ ΔgGRACE 平均值 代表块体 DXIN -0.53±0.03 0.06±0.01 -0.59±0.03 -0.59±0.03 阿拉善块体 DLHA -0.47±0.06 0.34±0.01 -0.81±0.06 -0.58±0.06 祁连块体 XNIN -0.20±0.02 0.14±0.06 -0.34±0.06 LHAS -1.16±0.04 -0.48±0.01 -0.68±0.04 -0.62±0.05 拉萨块体 XZZB -0.85 -0.29±0.05 -0.56±0.05 
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表 2 各基准站的地壳垂直运动速率/(mm·a-1)
Table 2. Secular Trend of Crustal Movement for Several Stations/(mm·a-1)
基准站 DXIN DLHA XNIN LHAS XZZB Δh 1.91±0.10 2.63±0.19 1.10±0.19 2.20±0.13 1.82±0.16 平均值 1.91±0.10 1.87±0.19 2.01±0.15 代表块体 阿拉善块体 祁连块体 拉萨块体
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