对地壳的力学模式和地壳屈曲的一个短注(英文)

本文指出:文献用弹性圆柱壳体的屈曲理论来讨论全球地震带的分布距离,从微分几何和力学的观点看都是不合理的。建议改用文献提供的弹性地基上的弹性薄扁球壳的弯曲方程组及其解来研究这一问题,其适用范围是地壳圆形底面的半径略大于1000公里(1000～1500公里)。如考虑的地壳地面最大长度为小于500公里,则可采用弹性地基上薄板弯曲的理论,这方面已有许多工作,例如见文献。     

现今板块,块体运动定量模型的发展

从简单的几何不描述到刚性板块假设下的最小二乘法拟合,转动角速度的级数展开,弹性平面和球壳有限元模型,各向同性弹性地球的格林函数方程和粘弹－重力层状地球模型等数学力学模型的引入和发展,从地质数据的不断完善到空间大地测量数据的应用等方面阐述了现今板块运动定量和模型不断完善的发展过程。     

引潮力的全球位移场及应力场

本文将地球看作由若干层均匀弹性球壳及一个液核所组成。文中用弹性力学方法得出了在日月引潮力作用下全球位移场及应力场的解析解。由它们将易于分析各种参数变化所产生的效应,这有助于地球模型的构制。 作为例子,文中对1981年IGS及IUGG公布并建议采用的“初步参考地球模型”（简称PREM模型）计算了引潮力引起的全球位移场及应力场,给出了模型地球的内部位移及应力的分布曲线。同时,对PREM模型计算了勒夫数及潮汐因子。计算结果与观测值相当吻合。     

大洋海底扩张图蛛网裂缝的扁壳力学模式

在考虑半径为10~3公里数量级的全球海洋岩石圈时,必须考虑地球的弯曲效应,当作弹性地基上的薄扁球壳。若忽略曲率,将产生各向异性和不均匀性。本文还考虑了地热对岩石圈的作用,得出洋底蛛网状裂缝的力学表达式。     

弹性岩石层,区域重力异常和上地幔小尺度对流

在小尺度地幔对流模型的基础上,建立了顾及岩石层与地幔耦合的地幔对流模型,考虑到岩石层对上地幔小尺度对流的弹性响应,将上地幔视为一均匀的等粘滞系数的牛顿粘滞流体,其对注能量来源于下地幔,用热流体动力学基本方程得到地上地幔对流在壳幔边界处的垂向应力作为弹性板弯曲方程的垂直加载,来耦合弹性岩石层和可流动地幔,推导了两者耦合下区域重力异常和上地幔小尺度对流的相关方程,用以反演上地幔小尺度对流场模式和岩石层底部拖力场格局,对比了有,无弹性岩石层影响的模型之间的差异,并对模型应用范围,特别要板块边界水平均造力可能产生的影响,作了进一步探讨。     

印缅板块强震活动趋势的动力学机制研究

通过对印缅板块地区7级以上地震活动趋势的研究,得出印缅板块地区强震活动存在大约 60年的活动周期。利用粘滞模型计算了印缅板块地区壳幔的理论应力释放周期为56年,与该地区的强震活动周期基本吻合。通过松弛数判断壳幔介质的变形属性,给出印缅板块强震活动趋势的动力学解释。     

地球动力学问题的数值模拟研究——以青藏高原现今隆升研究为例

以青藏高原地区为研究对象,考虑活动地块分区和主要断裂带,建立能反映地表起伏和分层结构的岩石圈三维粘弹性有限元模型。选取合适的模型参数、边界条件和加载条件进行计算,模拟了青藏高原地区的现今垂直隆升速率。研究表明,印度板块对欧亚板块的向北推挤作用是高原隆升的主要动力源。下地壳和岩石圈上地幔在印度板块的向北推挤下不断增厚,从而维持青藏高原地区现今的持续隆升状态。     

地基GNSS VTEC约束的大气掩星电离层误差修正方法

介绍了一种考虑电离层沿GNSS掩星射线路径分布不对称且兼顾一阶和二阶项的大气掩星电离层误差修正新方法,它综合地基GNSS VTEC的水平变化信息和电离层模式的垂直变化信息,在沿"入射线"与"出射线"双边局部球对称假设下,估算GNSS掩星射线路径上的电子密度;进而计算一阶和二阶项弯曲角电离层误差廓线.采用太阳活动低年的2008年7月15日和太阳活动较高年的2013年7月15日两天的MetOp-A和GRACE掩星观测资料和IGS的GNSS VTEC数据,计算了GNSS大气掩星弯曲角一阶和二阶项电离层误差廓线.对比分析表明：新方法经验模型和理论模型的二阶项弯曲角电离层残差,以及经验模型与实测数据的一阶和二阶项弯曲角电离层误差均具有良好的一致性,因此该方法可用于L2信号数据质量较差或L2信号中断的掩星事件,同时修正大气掩星一阶和二阶电离层误差,从而提高弯曲角精度和掩星观测资料的利用率.     

青藏高原及周边区域地表长期变形数值模拟

印度板块向欧亚板块俯冲挤压,不仅令青藏高原上地壳在挤压作用下发生弹性变形和运动,且青藏高原高温高压下的下地壳会发生柔性流动,并对脆性的上地壳有拖曳作用,这2种作用一起形成现今的高原运动变形场。这一动力学过程已得到GPS观测资料的证实。因此在二维平面问题中仅用上地壳在边界作用下的弹性变形解释是不够的,还要考虑柔性下地壳流动对上地壳的拖曳作用。但是拖曳力作用的大小和方向不易确定,故文中建立了二维平面弹性有限元模型,利用加载等效体力来模拟下地壳流动对上地壳产生的拖曳力。以高原内部的GPS观测资料为约束,利用试错法反演出模型中关键点的力,其他位置上的力则用关键点上的力进行双线性插值计算。以此来反演计算出模型区域内的柔性下地壳的差异性流动对脆性上地壳产生的拖曳力(节点力的形式,单位:N)的大小和范围,在86°~100°E,26°~32°N地区主要以SE向为主,最大达到108N;西部局部(31°~36°N,76°~80°E)地区有较弱的W向拖曳力,最大为107N。文中为深入研究青藏高原及周边区域的长期地表变形动力学机制提供了1个新的思路。     

关于半无限大弹性地基上仰供的抗震分析

用结构力学的弹性中心法结合两个弹性体接触的理论,给出仰拱与地基间的接触压力,在此基础上,以微弯曲梁为模式,给出了问题的垂直振动解,以此为计算仰拱垂直地震力。     

球坐标解析定位技术在龙门山近震层析中的应用

通过对球坐标梯度速度模型的角距离和走时公式的推导,获取了射线参数驱动的可解析计算的全球多震相时距及其对于模型,震中和地表速度的导数表达式.与TAUP软件进行对比发现除了散射震相外,所有震相的时距曲线误差均可忽略,该方法考虑了高程,在性能和应用方面也可以完全取代TAUP相应的模块.在此基础上升级了耦合一维模型的定位系统,并应用到龙门山地区的近震重新定位,通过对远震的局部化处理,增加了近震层析的射线覆盖范围和密度,使下地壳速度模型在中上地壳模型的约束下有所呈现.通过近震层析处理发现松潘地区浅部存在大量的高低速相间分布,四川盆地深部为扬子板块高速物质控制,浅部则以低速为主.龙门山断裂带浅部呈现高速为主的特征,而中地壳广泛存在低速物质的分布,龙门山断裂控制的彭灌杂岩体存在根部,收束在20 km深度中地壳滑脱带上.     

大华北浅源地震与日本海西部及我国东北深震的关系

分析了大华北浅源地震与日本海西部及我国东北深震的关系,认为本世纪来日本海西部—我国东北深震经历了5个相对活跃期,大华北各地震区相应经历这5个活跃期的影响期。根据大华北M≧6级浅源地震与深震活动的相关性,建立了太平洋板块楔形俯冲带端部重大深震事件导致大华北浅源M≧6级地震发生的板块俯冲模型,应变波传播速度约94km/年,地表视速度约100km/年。重大深震事件突出、模型稳定性强,预测实验表明模型公式可做大华北地震监测参考。用本模型可以解释浅源地震迁移、各地震区地震与深震活动相关等现象。     

垂直地震力作用下弹性半空间上扁壳基础的解析解

用布希涅斯克定义的弹性半空间内的垂直位移包括两项积分,除了积分号前面系数的差别之外,第一项积分是单层位势而第二项积分为双层位势。若扁壳基础是正高斯曲率的几何曲面,则壳底与半空间表面间的挤压强度就是半空间表面作用的分布垂直荷载。当越过边界时,双层势位的函数值和单层势位的法向导数值发生跳跃。利用这些性质,本文得出布希涅斯克积分的反演公式,从而避开要求解偏微分—积分方程组的巨大数学困难而易于得出解析解。以椭园抛物面扁壳为例说明本文方法的应用。     

1999年台湾集集地震震源破裂过程

使用GPS同震位移资料和远场P波记录,研究了1999年台湾集集地震震源破裂过程．根据地质构造和余震分布引入了一个由弯曲断层面构造的三段“铲状”断层模型．在使用静态GPS位移资料反演集集地震的断层破裂滑动分布时,由于集集地震断层北部近地表破裂的复杂性,在位错模型中考虑拉张分量对地表同震位移的贡献,可更好地同时拟合GPS观测资料的水平和垂向分量．而纯剪切位错弹性半空间模型和分层地壳模型都无法同时拟合水平和垂向GPS观测资料．在此基础上,同时使用静力学同震位移资料和远场地震波形记录,反演集集地震的震源破裂过程．结果表明,一种垂直于断层面的“挤压性”(负)拉张分量几乎集中分布于地震断层的浅部和北部转折处,而这一带地表破裂远较没有(负)拉张分量出现的南部断层复杂．“冒起构造”的数字模拟表明,这种在集集地震破裂转折处及北部断裂带广为出现的典型破裂造成的地表位移可以用具有负拉张分量(挤压)的逆冲断层更好地模拟．而这种负拉张分量(挤压)的分布正是地震破裂性质和几何复杂性的综合反映,震源破裂过程也显示北部转折处破裂在空间和时间上的复杂性.高滑区域与余震分布表现为负相关.     

中国大陆现今地应力场黏弹性球壳数值模拟综合研究

中国大陆现今实测地应力场的状态与板块构造环境、活动断裂带分布、地形地貌以及地壳结构呈现一定相关性. 在中国大陆西缘,印度洋板块与欧亚板块陆发生陆碰撞,在中国大陆东缘,菲律宾海板块、太平洋板块俯冲到欧亚板块之下. 中国大陆内部被大型活动断裂带分割为多个块体,各个块体的地壳结构和厚度呈不均匀分布,地形地貌起伏具有很大的差异. 笔者以中国大陆块体模型为基础,把板块构造作用和重力势作为主要影响地应力状态的两个主要要素,在现今活动构造、GPS和实测地应力等成果的约束下,利用线性黏弹体球壳有限元模拟分析了中国大陆现今地应力场的分布特征和控制因素. 结果表明: (1)构造应力场总体上呈现出西部挤压,东部拉张的特征,印度板块与欧亚板块的持续碰撞形成了青藏高原及其周缘的挤压性质的构造应力场,而东部菲律宾板块与太平洋板块的俯冲形成了黄海、东海和环渤海区域的拉张性质的构造应力场,中间为拉张环境和挤压环境的过渡,最大主应力的方向受到板块构造环境和活动构造分布的控制;(2)重力的影响主要体现在地形梯度大和地壳厚度结构变化大的地壳浅部区域,在藏南、滇西北局部地区的地壳浅部由于受到重力势控制,呈现为张性应力场,在塔里木地区由于重力势引起的应力场与构造应力场同为挤压性质,因此该区的挤压强度得以增加;(3)中国大陆浅部地应力场的状态主要受到区域板块构造环境、块体边界活动构造带的展布和地形的控制,总体上以南北构造带为界,西部以较强的压性构造环境为主,东部为较弱的压性构造环境,藏南和滇西北局部地区存在有张性构造环境;构造应力对地应力的贡献比重随着深度增加而增加;(4)采用黏弹性模型的构造应力场模拟结果比完全弹性模型的模拟结果能够更好地与实测地应力场相吻合,利用完全弹性模型分析由地震等诱发的地应力瞬时变化是有效的;(5)青藏高原东南缘最大主应力方向发生了较大的偏转,其主要控制因素有:印度板块持续的碰撞、中下地壳对上地壳拖曳以及印度板块通过实皆断裂对欧亚板块的剪切拉伸作用. 中国大陆现今地应力场是整个地壳岩石黏弹特性长期演化和断裂活动的结果,是地应力场动态演化过程中在现今时间点上的状态,受到板块构造环境、大陆内部活动断裂分布、地形地貌和地壳结构等因素不同程度的控制,模拟结果为中国大陆地应力场提供了一个定量的参考模型.     

Reconciling strong slab pull and weak plate bending: The plate motion constraint on the strength of mantle slabs

Although subducting slabs undergo a bending deformation that resists tectonic plate motions, the magnitude of this resistance is not known because of poor constraints on slab strength. However, because slab bending slows the relatively rapid motions of oceanic plates, observed plate motions constrain the importance of bending. We estimated the slab pull force and the bending resistance globally for 207 subduction zone transects using new measurements of the bending curvature determined from slab seismicity. Predicting plate motions using a global mantle flow model, we constrain the viscosity of the bending slab to be at most ~ 300 times more viscous than the upper mantle; stronger slabs are intolerably slowed by the bending deformation. Weaker slabs, however, cannot transmit a pull force sufficient to explain rapid trenchward plate motions unless slabs stretch faster than seismically observed rates of ~ 10^− 15 s^− 1. The constrained bending viscosity (~ 2 × 10²³ Pa s) is larger than previous estimates that yielded similar or larger bending resistance (here ~ 25% of forces). This apparent discrepancy occurs because slabs bend more gently than previously thought, with an average radius of curvature of 390 km that permits subduction of strong slabs. This gentle bending may ultimately permit plate tectonics on Earth.     

基于最小反演拟合差的重磁场源深度计算方法

以等效源及位场物性反演为基础,本文提出一种新的求取重磁场源深度的方法.该方法将一层等效源以一定的间隔从浅部向深部移动,并将等效源作为初始模型进行反演,当反演拟合差最小时,停止反演,此时的等效源底深即为所求场源的中心深度.由于仅需要反演一层等效源,比传统的物性反演计算时间大大减少,并且不需要进行深度加权约束.理论模型数据处理结果表明该方法能够获得较准确的场源深度:以长宽比为7.5的薄板模型为例,深度计算误差约为1个点距(25 m);以长宽比为0.5~1.5的厚板模型为例,深度计算误差小于1个点距(25m).将该方法应用于实测航磁梯度数据,计算的磁源中心深度在200~250m之间,钻井资料显示该异常由埋藏深度在200~300m的闪长岩引起,计算结果与钻井资料较吻合.     

球层岩石层模型对表面荷载的响应

本文给出了在球层模型下,地球岩石层对表面荷载响应的解析解。计算了地球岩石层对圆盘形荷载和正弦型荷载的响应,及由此产生的重力异常。结果表明:1.岩石层弯曲不仅与其厚度有密切关系,而且与荷载尺度有关。当岩石层厚度与荷载尺度相比很小时,其弯曲与厚度关系不大,并呈现薄板效应。2.弹性模型岩石层在外加荷载下能承受数千巴的弯曲应力。3.弯曲应力在岩石层中的分布较为规则。由于大尺度荷载下岩石层出现薄板效应,传统的由弯曲刚度估算等效岩石层厚度的部分结果需要重新估价。