岩石对地球内力学的响应取决于岩石的流变特性。广义的岩石流变特性既包括断层面的流变属性(摩擦特性)也包括下地壳上地幔物质的黏滞系数。岩石圈流变结构、断层面的流变属性(摩擦特性)对地震的孕育、破裂、愈合过程,应力的演化具有重要影响。地震是岩石圈尺度内的天然力学实验,地震同震破裂是断层面凹凸体应力释放的过程。加载在同震破裂周围及上地壳下地幔的应力,在震后阶段根据不同的岩石流变特性而衰减,并在地表产生可以被高精度空间大地测量技术观测的震后形变。因而,根据大地测量观测的随时空变化的震后形变可以研究断层面的摩擦特性以及深部物质的流变参数。研究青藏高原地区的岩石圈流变结构对解答青藏高原隆升机制、地壳形变模式、高原孕震机理等科学问题具有重要意义。2008年汶川地震和2015尼泊尔地震为研究青藏高原东、南边界的岩石圈流变结构提供了非常难得的机会。本论文将研究的空间范围聚焦于但不局限于青藏高原的东边界龙门山地区和南边界喜马拉雅尼泊尔地区,紧紧围绕2008年Mw7.9级汶川地震和2015年Mw7.9级尼泊尔地震震后形变机理及岩石圈流变结构的开展研究。为准确计算震后三维形变场,研究内容还涵盖了震间长期形变、季节性垂直形变。论文取得的重要进展如下:本文采用高精度GPS数据处理软件GAMIT/GLOBK分析了中国大陆及周边地区1998～2015年间一系列GPS观测资料,并计算得到青藏高原及其周缘地区现今的地壳运动速率场。为此,论文系统介绍了 GAMIT软件解算无基准解的组网原则、解算策略、改正模型;再将单日松弛的区域网解与SOPAC全球网解通过公共站点绑定,形成包括建立全球参考框架站点在内的整体的松弛解。最后,通过全球五十余个均匀分布的框架点,采用七参数坐标变换得到ITRF2008框架下的坐标时间序列。采用时间序列分析方法,顾及季节性周期变化、地震同震阶跃、仪器变更等引起的阶跃信号,获取了青藏高原及其周缘相对于欧亚板块的速度场。针对汶川地震和尼泊尔地震震后形变研究的需要,分别获取了汶川地震震前1998～2007年平均水平速度场,以及尼泊尔地震震前1998～2015年平均水平速度场,为震后形变研究提供了背景运动速率。鉴于汶川地震、尼泊尔地震震区周围GPS观测站受到季节性垂直形变的扰动十分明显,论文采用连续GPS数据和GRACE卫星重力资料系统研究了东亚地区的季节性垂直形变特征。研究结果显示中国的川滇地区和藏南靠近喜马拉雅地区是季节性垂直形变波动最强烈的两个区域,GPS和GRACE观测的垂直向波峰-波谷的波动可达20～30 mm,比中国的西北、东北、华南以及华北地区的信号强烈。这主要是由于川滇、藏南地区的强烈的水负荷变化引起的。连续GPS和GRACE卫星重力数据观测的垂直向季节性形变幅度总体上呈现正相关,尤其在季节性信号强烈的地区。GPS观测的季节性垂直形变幅度比GRACE结果略高,相位差异并不显著。说明GRACE卫星重力数据可以改正GPS垂直向周期形变。论文首次对龙门山两侧的川西高原和四川盆地垂直形变出现的峰值时间进行了研究,川西高原GPS垂直形变达到峰值的时间为每年的三、四月份,而四川盆地出现峰值的时间为五六月份,比高原地区略晚。类似地,尼泊尔境内垂向达到波峰的时间也较藏南地区晚。在震前长期运动速率场和季节性垂直形变研究的基础上,论文分别对汶川地震和尼泊尔地震的震后形变机理和岩石圈流变结构进行了系统研究。研究的主要结论为:对汶川地震震区各类GPS观测数据进行了精密处理,仔细将季节性垂直形变、同震形变以及震前长期运动逐一从GPS观测数据中剥离,首次获得覆盖震区2008至2009年70余个测站震后三维形变场和2009年至2015年156个测站震后形变结果。震后形变空间分布显示龙门山断裂带两侧的非对称性,说明断层两侧的介质参数存在差异。震后形变主要发生在龙门山断裂带与龙日坝断裂带之间的区域,纬度32°以南GPS震后形变位移方向与逆冲方向一致,而以北的GPS测站观测到平行于断层走向的震后形变,整体上与同震形变形态一致。远场的龙日坝断裂以西的地区以及鲜水河断裂中南段均观测到震后形变响应。论文采用孔隙弹性回弹、震后余滑以及黏弹性松弛三种震后形变机理对汶川地震震后形变的影响。研究结果发现汶川地震引起的孔隙弹性回弹效应主要集中在断裂带的附近,远离断层的地区则形变十分微弱。孔隙弹性回弹预测川西高原存在最大为2 cm的隆升,而水平形变远低于GPS观测值。不同时间尺度的GPS观测值反演的震后余滑均可以很好地拟合近场的GPS观测值,但低估了远场的形变观测值。运动学反演的余滑分布主要集中在断坡-滑脱层交接为主,分布在汶川、茂县、北川、青川等地。延伸至滑脱断层的最西端的震后余滑不符合物理机理,可能是由于黏弹性松弛引起的。黏弹性松弛模型可以解释远场的GPS观测,但靠近断层近场的GPS测站残差比较大。震后形变可以用黏弹性松弛与震后余滑的组合模型解释,远场的形变主要由深部的黏弹性松弛为主导,而近场的震后形变则以断层面上的余滑为主。地表大地测量约束的龙门山地区的岩石圈结构存在显著的侧向差异,四川盆地的上地幔黏滞系数不低于1020Pa s,而川西高原下地壳瞬态和稳态黏滞系数分别为1018Pa s和1019Pa s。川西高原上地幔黏滞系数存在不确定性,总体上比下地壳黏滞系数大。扣除黏弹性松弛效应后的震后余滑分布主要集中在断坡-滑脱层,此外在映秀-漩口一带存在浅部初露地表的余滑区域。此外,由于黏弹性松弛的远场效应,位于鲜水河断裂带沿线的GPS观测到可以辨识的东向位移,这是汶川地震前后鲜水河断裂带沿线应变率发生变化的根本原因。论文对中国藏南和尼泊尔境内震后一年的GPS连续站观测资料进行了分析,仔细扣除了各类非震后形变的信号,最终获得了 50余个测站的震后三维形变场。结果显示尼泊尔地震震后水平形变为南向位移为主,最大位移发生在中尼边境一线。而垂直形变在尼泊尔境内主要以隆升为主,由于藏南境内GPS测站稀疏,垂直形变特征并不明确。分别采用地壳浅层的孔隙弹性回弹、震后余滑以及上地壳下地幔黏弹性松模型研究了尼泊尔地震震后形变。模拟结果显示单一的震后形变机理均难以解释GPS观测值。孔隙弹性回弹效应引起水平形变比观测值小,其垂直分布与GPS观测并不吻合,拟合误差大于10 mm。GPS观测值反演的震后余滑模型可以拟合GPS的水平形变以及尼泊尔境内靠近震区的垂直形变,但是余滑分布的区域非常大,甚至在30 km深度亦需要较大的震后余滑。如此深度的温度已经超过稳态蠕滑所需的温度。此外,应力驱动的震后余滑模型亦显示余滑分布不会下延至30 km的深度。黏弹性松弛效应不能同时拟合远场和近场的GPS观测值。震后余滑和黏弹性松弛两个机理的组合模型不但可以降低数据拟合误差,而且可以使震后余滑的空间分布更符合物理机理。尼泊尔地震震后一年的余滑仅仅释放同震能量的7%,比纯余滑模型释放的地震矩降低了43%。如此低的余滑释放率与震后余滑主要集中在主喜马拉雅逆冲断裂带下倾区域的脆韧转换带有关。脆韧转换带的温度高于350°低于450°,该区域的断层摩擦属性与断层差异较大。还有少量震后余滑发生在主震和最大余震之间的未破裂的小空区内,可能该区域的摩擦特性与两侧破裂区域存在差异。同震未破裂的断层浅部仍处于闭锁状态,推测该区域为速率弱化区,未来的地震风险仍比较大。GPS震后观测值还约束了该区域南北迥异的岩石圈流变结构,印度板块上地幔黏滞系数大,而藏南地区的下地壳上地幔的黏滞系数比较小。印度板块的有限弹性厚度平均值为55 km,上地幔稳态黏滞系数为1020Pa s。而青藏高原的下地壳上地幔稳态黏滞系数在1019Pa s量级,瞬态黏滞系数在1018Pa s量级,青藏高原上地幔粘滞系数比下地壳低。