地壳均衡理论及其在构造地貌研究中的应用

地壳均衡是地球科学的一个基本概念,其理论基础为“轻地壳（密度较小）漂浮在重地幔（较稠密）之上”。均衡理论（如冲压假说、弹性板理论等）和模型（如Airy模型、Pratt模型及弹性板模型等）的产生及发展对研究岩石圈流变学性质、圈层相互作用及造山作用等地球动力学过程有着重要意义。本文总结了相关均衡理论、模型及计算方法,并结合其在不同空间尺度构造地貌现象研究中的运用,包括：① 冰川均衡调整研究中不同模型的优化及其对全球海平面变化的指示意义、② 阐明海山洋岛发育过程及其制约因素、③ 利用弹性板模型重建山脉隆升和盆地挠曲沉降史并进一步探讨二者之间的相互作用、④ 通过研究变形湖滨线有效地约束地球的相关物理参数、⑤ 建立河流三角洲发育特征模型并服务于现代社会经济、⑥ 揭示水库蓄水导致的地壳挠曲变形与浅部地质灾害发育的关系及 ⑦ 同震滑坡对局部地貌改造的影响,讨论并展望了未来地壳均衡在构造地貌学领域的发展方向,即结合高精度大地测量技术与地质年代学方法,定量地解决构造地貌研究中的关键问题,更全面、系统地了解地表过程、地球深部过程与动力学和地球圈层之间的相互作用。     

龙门山晚新生代均衡反弹隆升的定量研究

龙门山位于青藏高原东缘与四川盆地的交接部位,是青藏高原周边山脉中地形梯度变化最大的山脉,其隆升过程和机制一直是国际地学界关注的焦点。晚新生代经过大量的滑坡、泥石流等快速剥蚀作用,龙门山的高程却不断升高。讨论了龙门山构造隆升的3种地球动力学机制,即下地壳通道流机制、地壳挤压缩短变形机制、地壳均衡反弹机制。晚新生代龙门山的隆升与剥蚀引起的均衡反弹作用相关,剥蚀作用使得地壳岩石逐步被移去,剥蚀区重力损失,岩石圈或地壳卸载作用导致山脉顶峰的隆升。结合数字高程模型数据研究表明,巨大地震的长期同震构造变形以及滑坡、泥石流等引起的快速剥蚀所导致的地壳均衡反弹,可能是龙门山晚新生代构造隆升的地球动力学新机制。龙门山地区现今高程受构造作用与剥蚀引起的均衡反弹作用的共同影响,其中剥蚀引起的均衡反弹作用对龙门山隆升的影响贡献率约占30%。     

地球系统多圈层构造观

地球系统多圈层构造观的基本理论框架是:①把大地构造学从研究地球表层的地壳构造、岩石圈构造推进到研究地球整体多圈层构造的新阶段.②地球系统和宇宙天体系统共同作用下形成的全球动力学,太阳能、地球系统多圈层相互作用以及宇宙天体运行的联合作用是各种地质作用的动力来源.③洋陆转化论:陆与洋是对立统一、相互转化的.陆与洋都不会永存...     

构造地貌及其分析方法述评

构造地貌是指受构造内动力作用控制,通过内外地质动力的相互作用所奠定的能够反映一定构造特征的地貌形式.构造地貌学的研究内容为:地貌与构造的关系、构造地貌发生和发展过程以及构造地貌过程所揭示的地球内部构造动力过程;其分析方法可归纳为构造地貌格局分析法、构造地貌形态分析法、构造地貌相关沉积分析法和构造地貌年代分析法.构造地貌学从地形地貌的角度来分析构造过程,涉及不同圈层间的相互作用,响应了当前地球系统科学的研究思路,可以预见,构造地貌学将在圈层作用研究中发挥重要作用,同时朝着信息化、定量化的方向发展.     

关于岩石圈有效弹性厚度的地质理解

简要回顾了岩石圈均衡理论的发展及岩石圈区域均衡和挠曲理论在岩石圈动力学研究中起的作用,阐述岩石圈有效弹性厚度(Te)的概念和特征。强调Te的研究是地质学和地球物理学的紧密结合,即通过岩石圈挠曲理论和区域均衡原理,对地形和重力资料进行谱分析计算,来获取岩石圈的物理性质信息。计算的Te(和相应的挠曲刚度)是岩石圈等效的强度,与爆破地震、地震层析成像和大地电磁测深等方法观测到的岩石圈和地壳厚度不同,它们之间只有通过岩石圈的屈服刚度包络面(YSE)才能比较。大洋和大陆岩石圈YSE的理论计算,表明Te值显著小于地震学的地壳和岩石圈厚度。尤其对于大陆岩石圈,地壳厚度、热年龄和应变率均可显著影响岩石圈的强度。本文还以滇西为实例介绍了对相干值曲线计算的新认识和当前岩石圈Te研究的最新趋势。     

国外景观演化研究的最新进展

景观演化与全球构造、生物演变和主要气候变化具有相同的时间尺度 ,是长期全球变化的一个重要方面。最近 ,地表过程在地壳变形中的作用已经引起了广泛的注意 :一方面努力从景观中模拟地形演化或演绎地壳过程 ;另一方面试图通过地壳变形和地表过程的型式和速度来研究隆起、海平面变化、侵蚀、气候和地势之间的动力学关系。文中旨在介绍和评述国外关于会聚边缘和裂开边缘山脉尺度景观演化研究 ,包括高原边缘地形演化、前陆盆地的沉积型式、景观切割、古地形复原以及质量流动和平衡等方面的最新进展 ,以及地表过程和地壳过程相互作用中的反馈机制、均衡效应和岩石圈强度效应以及调整和平衡等几个理论问题。目前已经普遍认为 ,把地表过程纳入地球动力学模型之中 ,无疑对于认识造山带的发育和裂开边缘的演化是一个巨大的进步。     

大陆岩石圈有效弹性厚度研究综述

大陆岩石圈有效弹性厚度（Ｔｅ）是表示岩石圈抵抗挠曲变形能力的参数。通过计算该参数,可以获得不同地区、不同构造省的岩石圈挠曲强度,并可以进行区域的比较。本文详细地介绍了Ｔｅ的计算方法、研究模型和控制因素。由于Ｔｅ与岩石圈热结构、流变结构、力学结构紧密相关,Ｔｅ的研究不仅有助于岩石圈强度的定量认识,而且可以获取岩石圈热结构、力学结构空间变化的信息,以及对地幔对流等动力学问题做出制约。     

川西地区的地壳均衡状态及其动力学机制

基于Airy地壳均衡理论,计算了川西地域(28°～32°N,99°～105°E的范围内)的理论均衡地壳厚度,并与由实际重力资料反演得到的地壳厚度进行对比,从而得到了该区的地壳均衡状态.经过分析研究发现以龙门山、鲜水河、安宁河三大断裂系所组构的"Y"形构造系为界,可将研究区的均衡状态分为东、中、西三部分,对应着3种不同类型的均衡状态:在"Y"形构造系以东的四川盆地内部,理论地壳厚度与实际地壳厚度的差异值△Ⅰ接近于零,即地壳处于较均衡稳定的状态;在"Y"形构造系以西的巴颜喀拉块体地域,△Ⅰ均可达到-8km左右.个别地域甚至最高可达-13km,说明该区地壳处于强烈的负均衡异常状态;而在研究区中部的"Y"形构造系部位,主要表现为较复杂的正负相间的均衡异常状态.在此基础上,也对该区产生现今这样复杂而特异的均衡异常格局的动力学机制进行了探讨研究,认为其主要应归结于青藏高原深部壳、幔物质在印度板块与欧亚板块的碰撞下发生的东向流展并在川西地域受到坚硬的四川盆地的阻隔而被迫转向东南,在此过程中导致地壳物质堆积,从而造成了该区复杂而特异的地壳均衡异常格局.     

中国大陆动力学研究进展

针对当前地球科学发展正以系统科学理论来探讨地球的性质与行为以及地球各圈层的演化规律与相互作用过程的发展趋势，比较系统地回顾了近２０年来我国大陆动力学在构造地质、地球物理、地质地球化学方面的研究进展，并指出我国大陆动力学研究方向。     

地球内部主要层圈相互作用研究的若干进展

20世纪90年代以来，人们正在探索建立一个统一的全球动力学体系及各圈层相互作用的热、物质运动机制。通过对地核、核幔边界、过渡带、岩石圈—软流圈地幔、地幔柱理论、壳幔边界和地壳内热、物质的交换和圈层流变运动方式等进行分析，讨论了地球各圈层之间存在的热与物质的交换机制以及底侵作用、拆沉作用和岩浆部分熔融作用等壳幔相互作用过程。认为壳幔作用过程表现为一种阶段式、递进式动力学和物理化学演化过程。壳幔相互作用不仅是大陆动力学演化的主要机制，而且与深部地幔的交代及上地壳变形、造山带、盆地形成和演化之间存在耦合过程。基于壳幔热和物质相互作用的研究可以对上地幔及更深层次的地质作用过程进行限定。     

利用动弹模的变化来评估灌浆效果

介绍了尚家河水库右坝肩灌浆前后岩体弹模的变化及利用其变化对灌浆效果进行评估。测试结果表明,在大型水利工程灌浆施工中,利用动弹模的变化来评估灌浆效果具有快速、节省、简便、可靠的优点。     

Whitcombe扩展弹性波阻抗公式的改进

弹性波阻抗在实际应用中,需要对入射角进行估计,由于误差的原因可能出现 的情况,这使得弹性波阻抗反演很不稳定。为此,Whitcombe等（2002）用 代替 ,提出了扩展弹性波阻抗,改善了弹性波阻抗反演的稳定性。本文以Aki-Richards（1980）的Zeoppritz 三项简化式为基础,改进了Whitcombe等的扩展弹性波阻抗,改进后的扩展弹性波阻抗提高了计算精度。     

某核电厂岩体动静弹性模量的对比研究

以福清核电站二期详细勘察为依托,采用现场原位测试的方法获取岩体的动、静参数,研究其空间分布特征和相关性。结果表明,中等～微风化岩体的动态参数随深度变化具有一定的规律性,而静态参数随深度的变化规律性不强,但裂隙的发育程度对岩体动、静弹性模量均有明显的影响;在动、静弹性模量关系方面,回归分析结果表明,动、静弹性模量之间具有较好的相关性,动、静弹模的比值不随深度而变化,Ed/Es比值分布在0.9～2.19之间。系统地总结岩体动、静参数的分布规律和其相互关系,对岩土工程设计具有重要意义     

Dynamic analysis of an axially loaded pile embedded in elastic-poroelasitc layered soil of finite thickness

This paper presents an analytical solution for determining the dynamic characteristics of axially loaded piles embedded in elastic-poroelastic layered soil of finite thickness. The interface between the elastic and poroelastic soil coincides with the groundwater table level, which is explicitly taken into account in the solution. The pile is modelled as elastic one-dimensional rod to account for the effect of its dynamic characteristics on the response of the soil-pile system. The solution is based on Biot's poroelastodynamic theory and the classical elastodynamic theory, which we use to establish the governing equations of the soil and pile. Accordingly, the pile base resistance, shaft reaction, and the complex impedance of soil-pile system are obtained using the method of Hankel integral transformation. Following the validation of the derived solution, we identify the main parameters affecting the vertical dynamic impedance of the pile via a parametric study. The presented method poses as an efficient alternative for quickly estimating the dynamic characteristics of axially loaded piles, without having to resort to complex numerical analyses.     

一种测试岩石拉伸和压缩弹性模量的方法

介绍一种利用同一试件,在一次加载过程中就可获得岩石试件的拉伸和压缩弹性模量的方法,并对几种花岗岩进行了初步的测试研究,测试结果证明这种测试方法是可行的。     

盾构隧道管片衬砌的平板壳-弹性铰-地基系统模型

从Reissner-Mindlin板单元入手,研究了盾构隧道管片衬砌结构之间的连接特征及土层与管片衬砌结构的共同作用,提出了盾构隧道管片衬砌结构的平板壳-弹性铰-地基系统模型,在此基础上研制了相应的有限元计算程序。该模型考虑了管片衬砌本身的弯曲、剪切和薄膜作用,考虑了纵向接缝在正负弯矩作用下的转动刚度差异和环向结缝对结构刚度的削弱作用,以及土层与衬砌结构的共同作用。能解决盾构隧道管片衬砌结构的三维受力分析,并能计算出结构的内力和变形,弥补了二维计算模型的某些不足。验证了程序的可靠性,最后给出了工程算例的三维计算分析结果。     

材料的弹性极限应力理论

从材料的滑移应力与静水应力的相互作用，阐明了各向同性材料在复杂应力状态下的三种弹性破坏现象。剪切屈服、脆性断裂和塑性体积屈服，并以两个极限应力准则完整地表述。作为一个例子，以平方主剪应力屈服准则为基础，构造了广义平方主剪应力准则方程组，理论结果与一些岩土类材料的实验数据相吻合。     

中国西部大陆岩石圈的有效弹性厚度研究

中国西部是地球上陆地隆升最显著的地区, 有世界上新构造运动最强烈的青藏高原、规模巨大的左行走滑位移的阿尔金断裂系和中亚地区最大的板块内部造山带———天山褶皱造山带.作为印度板块与欧亚板块相互碰撞的会聚带, 本区是研究岩石圈动力学的有利场所.主要运用重力资料和地形资料来研究中国西部地区显著上地壳结构和其上地幔变形之间的关系.依据岩石圈流变学的理论, 在空间域采用垂直和水平受力的多个变刚度的三维有限差分方法来计算弹性板的有效弹性厚度.模拟结果显示中国西部地区的岩石圈有效弹性厚度存在明显的横向不均匀性, 从6~10 km的造山带区域的有效弹性厚度变到大于60 km的古陆区域的有效弹性厚度.青藏高原地区的岩石圈有效弹性厚度平均为30 km, 塔里木盆地的有效弹性厚度为40~50 km, 南、北天山的岩石圈有效弹性厚度分别为10~15 km和30 km左右, 阿尔金断裂在东经90°以西部分的岩石圈有效弹性厚度要小于90°以东部分.      

一种基于弹性应变能的裂隙岩体等效弹性模量评价方法

基于线弹性断裂力学裂隙面张开位移及剪切位移理论公式,考虑裂隙存在常法向和常切向刚度情况,研究了含单个裂隙岩体加载过程中由于裂隙存在而附加的弹性应变能。基于应变能等效方法并假设两种裂隙变形模型--非均匀变形模型和均匀变形模型,研究了二维非贯通裂隙岩体的等效杨氏模量和等效剪切模量解析表达式。研究结果表明,对于贯通裂隙规则分布情况,均匀变形模型得到的解析解与Amadei等的结果一致;对于非贯通裂隙正态分布情况,考虑裂隙相互作用的非均匀变形模型解明显低估裂隙岩体的等效杨氏模量和等效剪切模量,而考虑裂隙相互作用的均匀变形模型解与有限元数值解的偏差在10%以内。得到的解析表达式在一定条件下可以作为裂隙岩体等效弹性模量评价方法之一。