地幔深部运动,全球构造格局及中国地震应力场背景

本文探讨了形成岩石层内部应力场两种可能的力源:地幔对流产生的作用于岩石层底部的切向拖曳力和沿板块边界分布力系对岩石层内应力场的影响.发现这两种力同时作用控制了中国大陆应力场的基本格局,它们产生的应力场主压应力方向和用地震震源机制解、钻孔应力测量及地质构造推断的中国应力场分布基本吻合.     

冲绳板块应力场数值模拟及其动力学特征

冲绳板块位于菲律宾海板块向欧亚板块俯冲形成的西太平洋边缘活动带上,构造应力场图像及其动力学机制表现得相当复杂.采用伪三维有限元方法,以WSM2008观测应力场数据的应力取向和应力型两方面指标作为主要约束,对冲绳板块构造应力场进行了数值模拟.通过对计算结果的分析,对模型涉及的各种作用力作出了估计.在此基础上,对冲绳板块岩石层的状态,以及该地区的板块动力学特征进行了探讨,并得到了以下一些初步认识:①软流层静压推力控制着该地区构造应力场的基本形态;②冲绳海槽的演化过程,例如该地区的岩石层减薄与其下地幔流的上升等,也在很大程度上影响了该地区的板内应力场空间分布特征;③琉球俯冲带边界力的作用是分段的,不同区段作用力对板内应力场的影响有所不同.     

地幔对流拖曳力对中国大陆岩石层变形的影响

采用较为符合实际岩石层变形的非线性幂指数本构关系,基于ANSYS有限元平台, 模拟了近20万年来中国大陆地区地表运动及演化过程,探讨了印度板块挤压作用和地幔对流拖曳力各自对于中国大陆地区地表形变运动格局的影响.模拟结果与观测数据的比较表明：在印度板块的挤压和地幔拖曳力联合作用下,中国及东亚大陆岩石层运动形变模式能够和现代GPS观测有较好的吻合; 印度大陆和欧亚大陆的碰撞以及印度大陆的持续向北推进、挤压所产生的应力环境,一直主导了以青藏高原为核心的我国西部地域岩石圈构造、运动和演化,但其影响随着远离青藏高原地区而逐渐变小;地幔对流产生的作用于岩石层底部的拖曳力是中国大陆（特别是远离碰撞带）岩石层运动构造变形的重要驱动力.然而在构造复杂和东部靠近太平洋板块的区域,模型预测结果和GPS观测还存在一定的差距,这说明在未来的中国大陆岩石层变形运动的数值模拟中,应当采用更为复杂的构造模型和驱动力因素.     

印度-欧亚碰撞带的动力学

根据大地测量学、地质学、地形学和地震数据,对亚洲地区(平均深度约100 km)垂向平均偏应力场进行了简单的新的动力学计算。通过解岩石层内与重力势能差有关的偏应力平衡方程和应力边界条件产生的一阶偏应力,我们可以初步得到对垂向平均偏应力的最小绝对强度和方向的估计。这种垂向平均偏应力场的初始估计与关于岩石层流变性的假设无关。其绝对值从5 MPa 变到40 MPa。假设岩石层有明显的粘滞性,与该区域其他较硬地方约1～2.5×10~(23) Pa s 的粘滞系数相比,由偏应力强度、GPS 和第四纪断层滑动速率得到的应变率,导出了西藏垂向平均粘滞系数为0.5～5×10~(22) Pa s。利用速度边界条件解力平衡方程的正向模拟,我们能改进对垂向平均有效粘滞系数分布和偏应力场的估计。总的垂向平均偏应力和有效粘滞系数场与西藏较软弱的下地壳是一致的,它们也与西藏和华南岩石层相对欧亚的东向运动一致,它们确证了重力势能差对青藏高原周围应变率的空间变化方式和强度有极深刻的影响。我们的垂向平均偏应力的结果表明,较强的岩石层部分位于孕震的上地壳内,其偏应力强度高达100～300 MPa(与实验室和理论摩擦试验一致,显示出地震的应力降是总偏应力的小部分)。     

冲绳板块应力场数值模拟及其动力学特征div>

冲绳板块位于菲律宾海板块向欧亚板块俯冲形成的西太平洋边缘活动带上,构造应力场图像及其动力学机制表现得相当复杂．采用伪三维有限元方法,以WSM2008 观测应力场数据的应力取向和应力型两方面指标作为主要约束,对冲绳板块构造应力场进行了数值模拟．通过对计算结果的分析,对模型涉及的各种作用力作出了估计．在此基础上,对冲绳板块岩石层的状态,以及该地区的板块动力学特征进行了探讨,并得到了以下一些初步认识:① 软流层静压推力控制着该地区构造应力场的基本形态;② 冲绳海槽的演化过程,例如该地区的岩石层减薄与其下地幔流的上升等,也在很大程度上影响了该地区的板内应力场空间分布特征;③ 琉球俯冲带边界力的作用是分段的,不同区段作用力对板内应力场的影响有所不同．      

岩石层应力场的起源（一）

构造应力场是地质学一项很重要的研究内容，因为它是记录岩石层动力过程的一个重要因素。在阐述现今岩石层应力状态的起因时，我们利用有关地球岩石层的有限元模型来计算地幔流动、地壳非均匀性、地形等诱发的应力，并且将其与板内应力的观测结果(如世界应力图)进行比较。我们探索了岩石层非均匀性的两种模型，一种是基于地震和其他观测约束的模型(Crust2．0)；另一模型假定地球处于均衡补偿状态。我们在对地幔牵引力的计算中考虑了两种不同的地幔密度非均匀性模型：一种是基于过去180Ma的板块消减历史的模型，这一模型在精确重现现今大地水准面和新生代板块速度方面证明是成功的；另一种是从地震层析成像结果推断出的模型。我们考察了不同的地幔粘性结构假设对计算结果的影响，以及由软弱板块边界表现出的横向粘性变化对计算结果的影响。尽管在一些地区预测值和观测值的一致性较差，但我们仍发现，将地幔和岩石层应力源都包含在内的综合模型计算结果与应力场观测值符合程度是最好的(约有60％的方差减小量)。只引入地幔牵引力所得到的应力场显示出更大程度上的长波结构，比在应力观测中所看到长波成分更明显，在某些径向地幔牵引力明显较强的地区(如东南亚和西太平洋)，计算结果与观测值的一致性非常好。单由岩石层非均匀性所产生的应力场强烈依赖于我们所假定的地壳模型：尽管根据地球均衡补偿模型计算出的结果与观测值出入很大，但基于Crust2．0模型的计算结果与观测结果一致性却很好，与只含地幔牵引力模型的结果拟合程度差不多，并且在某些地形因素影响很大的地方(如安第斯山脉，东非)拟合得也非常好。对此有一个可能的解释，那就是应力场受地幔粘性横向变化的影响显著。该横向变化使得岩石层和地幔之间出现不同程度的解耦现象，这就使得地幔特征在某些地方占优势，而地壳特征在另外一些地方占优势。均衡补偿地壳模型的计算结果与观测结果一致性较差以及两种地壳模型之间存在的较大差别，这两者说明了研究地形动态变化的重要性，并且地壳结构和流变性也确实存在着不确定性。另外，我们也考虑是否存在这样一种可能性，即从浅层地壳获得的应力观测值也许不能反映整个板块的应力状态；由于岩石层流变性横向和径向的变化，板块上部的应力至少可能部分地与大尺度板块驱动力解耦。     

中国大陆岩石层动力学数值模型的边界条件

利用粘弹性蠕变本构关系的有限元方法,建立了中国大陆岩石层应力场及应变场的动力学模型;以中国大陆岩石层应力场的水平向最大主压应力方向的最新研究成果,以及块体水平运动的方向及速率为约束条件,用试错法得到了模型边界作用力的大小;同时分析了青藏高原重力势能对中国大陆岩石层运动格局的影响．数值模拟试验结果显示,印度洋板块对欧亚大陆的挤压作用及岩石层底部的突然剥离,是导致青藏高原目前快速抬升及正断层发育的动力源．青藏高原物质的水平侧向扩展是形成中国大陆现代构造特征的主要动力因素．模型东部所受到的边界挤压作用,主要来自太平洋板块的俯冲作用,菲律宾板块对欧亚板块的挤压作用可能非常微弱．      

中国大陆及邻区板内应力场的数值模拟及动力机制探讨

中国大陆位于欧亚板块的东南部, 受到印度板块、太平洋板块和菲律宾海板块的碰撞挤压与俯冲作用, 其构造应力场形态和动力学机制相当复杂. 本文采用伪三维有限元方法, 以世界应力图2008年版本数据(WSM2008)的应力方向和应力型两类指标作为主要约束, 对中国大陆及邻区的动力驱动机制进行数值模拟, 给出了中国大陆周边地区板块边界力的大小和方向估计. 同时对3个典型情况的数值模型进行了分析. 结果显示, 软流层静压推力对该区域构造应力场影响相对较小, 板块边界力作用则起主导作用; 印度板块在喜马拉雅造山带对欧亚板块的碰撞控制了中国大陆地区应力场的基本形态, 是形成川滇地区走滑型地震为主的重要原因; 琉球海沟——南海海槽俯冲带边界力显示了挤压-张性的分段特性, 贝加尔裂谷表现为拉张作用. 进一步的分析表明, 中国大陆大部分区域内最大水平剪应力分布图像与该地区地震辐射能量密度的分布存在较好的空间正相关性．      

横向黏度变化的全地幔对流应力场初步研究

将地幔地震波速度异常转换为地幔横向黏度变化(达到3个数量级),在球坐标系下计算了瑞雷数为106、上边界为刚性、下边界为应力自由等温边界条件下的岩石层底部的地幔对流极型和环型应力场.结果表明,地幔对流极型应力场与地表大尺度构造具有良好的对应关系:俯冲带和碰撞带的应力呈现挤压状态,而洋中脊处的应力则呈现拉张状态.地幔对流环...     

中国大陆及周边地区现代岩石圈演化动力学模拟

采用有限元方法模拟了近20万年来青藏高原岩石圈形变演化过程，探讨了印度-欧亚大陆的碰撞对中国大陆岩石层形变和应力场的影响以及它们与强地震活动性的关系.结合现代GPS、地震和地质学观测的结果，对比分析了中国大陆在百万年、十万年和十年尺度上的形变和构造应力场的基本格局.研究表明：（1）印度-欧亚大陆的碰撞以及印度大陆的持续向北推进、挤压所产生的应力环境，一直主导了以青藏高原为核心的我国西部地域岩石圈构造、运动和演化，但其影响随着远离青藏高原地区而逐渐变小.（2）断层滑移和重力势作用对于青藏高原东西部以及塔里木盆地的影响相当大，它们导致青藏高原岩石层东西向形变速率增大，对青藏高原的中南部地区产生拉张效应，同时导致塔里木盆地出现整体的右旋趋势.（3）青藏高原区域水平方向形变速率和GPS观测结果吻合较好.但在垂直方向上，一些地区计算结果与观测数据相差较大，这说明单纯的挤压作用不是现代青藏高原隆升的惟一机制.现代青藏高原的隆升可能与其他驱动机制，如地幔对流、重力均衡以及剥蚀作用等有关.（4）印度板块的挤压作用基本上决定了中国大陆西部的主压应力场分布.（5）印度板块的碰撞对中国大陆的强地震活动性有重要影响，但华北地区是个例外，该地区的地震活动性很强而印度板块的挤压在该区域产生的影响却很小，说明其他的驱动力在一定程度上活化了华北地块.     

Deep mantle flow, global tectonic pattern and the background of seismic stress field in China

In this paper we investigate the sources of two kinds of forces to form the stress field in the lithosphere. These are the drag force caused by mantle flow and the force system along plate boundaries. The results show that both forces control the basic stress pattern in China and compressive stresses can fit with the stress patterns constructed by focal mechanisms,in-situ stress measurements in boreholes and that deduced from other geophysical and geological observation. The Chinese version of this paper appeared in the Chinese edition ofActa Seismologica Sinica,13, 295–306, 1991. This research is sponsored by the Chinese Joint Seismological Science Fundation.     

Some consequences of the subduction of young slabs

The negative buoyancy force exerted by a subducting oceanic slab depends on its descent velocity, and strongly on its age. For lithosphere close to thermal equilibrium, this force dominates by a large margin the resisting forces arising from friction on the plate boundary and compositional buoyancy. This may result in oceanward migration of the trench, with associated back-arc spreading. However, the strong age dependence of this force, and of the ridge push mean that a horizontal compressive stress is required to continue subduction if changing plate geometry should bring young lithosphere to the trench. Estimates can be made of the slab age, as a function of descent velocity, at which the driving forces are no longer sufficient to overcome a given resisting force. The transition corresponding to a resisting force of 8 × 10¹² N/m divides regions displaying back-arc extensional tectonics from those displaying compressional tectonics. This is in good agreement with other estimates of the forces resisting slab motion. It is suggested that an increase in the width of — or the shear stress on — the plate boundary, associated with the subduction of lithosphere to the buoyant side of this transition, can result in a compressional stress on the overriding plate which is great enough to account for cordilleran tectonics.The proposed reduction in the one of driving forces of plate motion is still consistent with observations, being compensated by the greaterrelative importance of the push from the ridges.     

中国及其邻区周围板块作用力的研究

给出了如何根据观测的应力方向，利用平滑方法处理为在规则格点上均匀分布的数据的过程，并利用新编的中国及其邻区地震震源机制解推断的观测应力方向，反演了周围板块作用力的相对大小．结果表明，在周围三大板块中，以印度板块的作用力最大；其次是太平洋板块；而在菲律宾海板块边界上，作用力大小差异较大，其中又以与台湾相邻的边界段受力最大，琉球岛弧受力最小．     

流体力与构造应力及其相互关系的探讨

构造应力是地壳构造运动最基本的力源之一, 地下流体及流体力在地壳中普遍存在并对构造运动产生重要影响。 该稿讨论了地下流体、 流体力和构造应力以及它们的概念与作用, 分析了流体力和构造应力的异同点: 构造应力是各种力源在地壳中产生变形而引起的应力的综合力, 流体力是流体存在和活动所产生的各种力的合力, 它们的力源主要来自地球内部, 内涵相互交叉, 大小不同, 但均能产生构造变动。     

引潮力对显著地震触发作用与大震关系的机理讨论

初步讨论了引潮力对显著地震触发作用与大震关系的机理。 结果表明, 这一机理是比较复杂的。 地震发生时水平引潮力方位与地震断层面走向接近, 可能增加断层面上的剪应力, 有利于地震的发生; 水平引潮力方位与地震主张应力轴T轴接近, 可能减小断层面上的正应力, 从而减小断层面上的摩擦力, 也会有利于地震的发生。 所讨论的3个震例中有2个共同点: 其一为大震前显著地震发生时水平引潮力方位相互比较接近; 其二为显著地震破裂面走向和大震破裂面走向基本一致。     

Recent tectonic stress field research in Shanxi graben system

ｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＳｅｖｅｒａｌｙｅａｒｓａｇｏ,ＳｈａｎｘｉｇｒａｂｅｎｓｙｓｔｅｍｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｍａｉｎｌｙａｎｄｉｎｄｅｔａｉｌｉｎＣｈｉｎａ．Ｆｉｒｓｔ,ｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｓｅｉｓｍｏｇｅｏｌｏｇｙ,ｇｅｏｐｈｙｓ...     

Genetic algorithm-finite element method inversion of the factors determining the recent tectonic stress field of part of East Asia area

ＧｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｉｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆｔｈｅｆａｃｔｏｒｓｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇｔｈｅｒｅｃｅｎｔｔｅｃｔｏｎｉｃｓｔｒｅｓｆｉｅｌｄｏｆｐａｒｔｏｆＥａｓｔＡｓｉａａｒｅａＭＥＩＪＩＡＮ...     

OnSH type of motion due to body forces and due to stress-discontinuity in a semi-infinite viscoelastic medium

Summary In this paper, surface displacements of theSH type of motion due to time-dependent body forces and due to sudden introduction of a discontinuity in the shearing stress in a semi-infinite, homogeneous, isotropic, viscoelastic medium have been worked out by the use of Laplace and Fourier transforms. The displacements due to a point force and due to a stress discontinuity over a fixed region have been calculated numerically.