海洋板块俯冲作用下上覆大陆岩石层减薄机制的动力学模拟

几乎所有大陆岩石层的减薄现象,可能都与海洋板块的俯冲作用相关,但是两者之间的内在联系迄今仍不十分明确,为此,我们设计了一系列包含洋-陆俯冲系统的二维数值模型,来探讨海洋板块的俯冲作用对上覆大陆岩石层变形行为的影响,尤其对大陆岩石层减薄效应的制约.模型结果表明,海洋板块俯冲过程中的地幔楔熔体对大陆岩石层地幔的热侵蚀以及由熔体上升所诱发的地幔局部对流的强烈扰动会导致上覆大陆岩石层的减薄效应.这种效应不仅表现在横向上的向陆内蔓延,还表现在垂向上的向浅部发展.且多类动力学参数都能制约大陆岩石层的减薄效应.具体地,随着汇聚速率和洋壳厚度的增加,上覆大陆岩石层在横向上的减薄范围越大,在垂向上的减薄程度也越深;而随着俯冲海洋板块年龄的增加,上覆大陆岩石层在横向上的减薄范围增大,但在垂向上的减薄程度会减小;随着上覆大陆岩石层厚度的增加,其横向减薄范围会减小,但在垂向上的减薄程度会加深.本文研究成果能为揭示华北克拉通减薄/破坏的动力学过程提供一定的理论参考依据.     

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。     

柴达木盆地深部物理参数的反演

通过研究地球对表面载荷的响应来反演确定地球深部的物理参数.采用分为4层的地球模型,各层的介质被看作Maxwell粘弹性体.将柴达木盆地沉降发育过程中积累的沉积物作为随时间变化的载荷加于地表,通过拟合柴达木盆地沉降中心附近地区的沉降过程来研究该地区地壳的厚度及剪切模量、岩石层地幔的粘性及软流层的粘性等物理参数.计算结果表明,该地区地壳的剪切模量不会超过全球平均值的60％,岩石层地幔的粘性系数不大于1.5×10²³Pa·s.通过研究对该地区的深部物理参数得出了新的认识.     

大陆弹性岩石层有效弹性厚度对岩石层形变和大地水准面的动力影响

用岩石层－地幔力学、热学耦合模型,以俯冲带为例,研究大陆岩石层不同的有效弹性厚度对岩石层形变和大地水准面起伏的动力影响。数值结果显示大陆岩石层有效弹性厚度的作用象一低通滤波器,它抑制岩石层形变和大地水准面起伏的高频分量。随着有效弹性厚度的增加,岩石层的形变和大地水准面起伏不仅幅度减小,其形状变化也被平滑。模拟结果表明,在进行大陆岩石层动力学过程的研究中,只有充分考虑大陆弹性岩石层有效弹性厚度的动力     

南海岩石层及边界构造的地球物理特征

南海经历了中生代主动大陆边缘到新生代被动大陆边缘的转换,其岩石层地球物理场具有明显的块、带特征.本文通过综合分析南海地区深地震探测、面波层析成像、重磁异常以及地热与岩石层流变学等各种地质地球物理资料,对南海地壳及岩石层的综合地球物理特征进行了深入总结,发现深地震探测剖面所确定的洋、陆壳转换位置与空间重力异常梯级带位置较为一致,据此拟定了南海洋、陆壳的转换边界;依据多条地壳结构剖面中拉张减薄的程度确定了正常减薄陆壳、洋陆壳过渡带及洋壳等属性特征,并初步圈定了南海下地壳高速层的分布范围.对比分析了南、北陆缘地壳结构及其拉张减薄的变化特征,从综合地球物理特征的相似性上推测了北部陆缘的中西沙陆块与南部陆缘的南沙礼乐滩陆块具有共轭对称性.依据S波速度梯度变化确定了南海岩石层厚度分布情况,揭示出南海北部陆缘存在一条岩石层厚度的减薄带,且该减薄带与高热流带具有较好的一致性.在综合分析的基础上,以深地震探测剖面与重、磁异常变化的对应性为基础,划定了南海边界构造的位置.     

塔里木盆地岩石层热结构特征

在大地热流密度分布的基础上，研究了塔里木盆地中库尔勒－若羌和阿克苏－叶城两条剖面岩石层热结构特征．由岩石层Ｐ波速度分布转换成生热率剖面，用二维数值模型获得了岩石层热结构和热状态特征．结果表明，塔里木盆地壳幔边界温度的高低与其埋深密切相关．居里等温面深度大，地幔热流密度较低．岩石层厚度变化与其新生代期间挠曲过程密切相关．在岩石层温度分布基础上，确定了深部脆－韧性过渡带深度和岩石层屈服强度，表明塔里木盆地岩石层相对较冷，且具有刚性的地球动力学特征．     

简谐横向荷载作用下弹性地基上不可伸长梁的1/2次亚谐共振响应分析

基于已建立的弹性地基上不可伸长梁的非线性动力学模型,本文针对简谐横向荷载作用下梁的1/2次亚谐共振响应进行研究。利用弹性地基梁的非线性运动方程和多尺度方法,求得梁1/2次亚谐共振响应的二次近似解。进而,运用幅频响应曲线对梁的亚谐共振响应进行研究,并分析了边界条件、地基模型、Winkler参数等对梁非线性共振响应的影响。结果表明:三参数地基模型中弹性层的引入对其支承梁的亚谐共振响应影响显著;临界激励幅值决定了弹性地基梁1/2次亚谐共振响应非平凡解的存在性;梁端约束条件在一定程上改变了Winkler参数对梁非线性动力响应的作用效应。     

磁化岩石层球面各向同性统计模型

磁化岩石层产生的磁场是利用磁场观测研究地球发电机过程的最主要障碍之一。基于对球面各向同性随机矢量场及其空间两点关联张量的认识,建立了球面各向同性磁化岩石层的统计模型。结果表明,如果岩石层的剩余磁化强度和磁化率均为球面各向同性,那么在地表观测到的岩石层磁场由球面各向同性和准各向同性两个部分组成。因此,即使统计性质最简单的磁化岩石层,其产生的磁场的统计性质也要复杂得多。     

龙门山断裂带及其周边地区重力场 和岩石层力学特性研究

继2008年汶川M_S8.0地震之后, 2013年4月20日又发生了芦山M_S7.0地震, 两次地震的发震构造同属龙门山断裂带. 根据最新的重力和地形资料, 采用岩石层弹性板模型, 计算了龙门山断裂带及其周边地区的二维岩石层有效弹性厚度分布, 并从岩石层的力学特征分析了穿过两次地震震中位置的重力剖面特征; 结合以往在该地区的研究成果, 分析了岩石层的力学变形问题. 结果表明, 以龙门山为界, 四川盆地所在的扬子板块弹性厚度为33(±4) km, 龙门山西北的松潘—甘孜地块的弹性厚度为13(±4) km, 两侧岩石层存在明显的力学强度差异. 包括两次地震震中范围的龙门山断裂带南部区域的有效弹性厚度值小于北部地区, 说明该区域的岩石层更容易发生变形, 可以解释在构造上具备强震发生的岩石层动力学条件.      

船舶撞击作用下考虑桩-土相互作用的高桩码头结构动力响应分析

船舶撞击荷载作用下高桩码头结构的动力放大效应不可忽略。采用数学理论推导与动力时程仿真计算相结合的方式,对靠泊船舶撞击作用下高桩码头结构的动力响应及动力放大效应进行了研究,获得了多自由度结构在单点撞击荷载作用下的动力响应公式及相应的动力放大系数公式,推荐了数值计算时船舶撞击荷载的时程曲线类型及持时,获取了船舶靠泊撞击荷载下考虑桩-土相互作用的高桩码头结构动力放大效应规律,明确了桩-土相互作用对放大效应的影响。计算与分析结果表明:船舶靠泊撞击荷载的时程曲线可近似为持时1.0 s的半正弦曲线;在靠泊船舶撞击荷载作用下考虑桩-土相互作用的软基上的高桩码头结构对撞击荷载的动力放大系数在2.0左右;不考虑桩-土相互作用的计算结果偏于不安全,建议在进行软土地基上高桩码头结构的动力响应计算时应避免采用假想嵌固点法;以上结论可为码头结构设计时船舶撞击荷载的合理取值与模型有限元计算提供理论依据。     

中国中南地区综合地质地球物理研究

利用重、磁和天然地震资料对中南地区进行了综合地质地球物理研究.根据研究区的重、磁异常的分布特征,可将其分为4个重力异常区、3个航磁异常区.根据重力资料反演计算得到的研究区的地壳厚度在295～41 km之间,总的趋势为西厚东薄,地壳厚度与地形起伏基本上呈镜像关系.根据磁力资料计算得到的研究区居里界面在12～40 km之间变化.地震层析成像结果表明研究区内的速度分布总体上体现了纵横交错的断块特征.在纵向尺度上,江汉－洞庭盆地以及周缘造山带的上地壳结构变化不大,中地壳和下地壳则普遍受到现今构造活动的改造,以致岩石的结构发生了一定的变化.它们主要表现为低速区域的扩大,尤其是在地壳下部尤为突出,这与断陷盆地的拉张以及造山带岩石层的底侵和拆沉作用密切相关.通过对研究区地球物理场的分析计算,在研究区共提取主要断裂带34条.根据岩石层板块大地构造理论,依据岩石层结构、地壳结构和结晶基底等深部结构的不同,将研究区中板内不同构造单元——块体作为一级构造单元,块体之间的深大断裂带作为块体的边界——块体结合带,据此原则在研究区中划分出两个一级构造单元,五个二级构造单元.     

地震作用下承台桩-土动力相互作用数值模拟分析

基于已开展的非液化场地-群桩基础-结构体系动力响应大型振动台模型试验,进行三维全时程动力数值模拟分析。采用修正的Davidenkov模型反映土体在地震反应过程中的模量衰减,通过“捆绑边界”模拟模型箱的层状剪切运动。通过对比试验中土-结构体系加速度响应时程、土体位移和桩基内力等,验证数值模型的有效性。利用已验证的数值模型,开展承台尺寸对桩-土-上部结构动力响应影响研究。结果表明,承台厚度的增大会导致上部结构和桩顶惯性效应减小;地震作用下沿激振方向前桩大于后桩,随着承台厚度的增大,前桩与后桩峰值弯矩差值率为16.1%～32.1%,群桩效应影响增大;随着承台厚度的增大,承台-土动土压力增大了3～6倍,承台与桩基水平荷载分担比增大,桩基弯矩反弯点位置上移了0.50 m;承台-土的相互摩擦作用会降低结构整体动力响应。     

岩石层物理与动力学研究的进展

以当代国内外岩石层物理与动力学研究的主要成就和最新动向为背景,对该学科领域的发展方向、目标和问题进行了综合研究,突出地讨论了以下四个方面:(1)当代岩石层物理与动力学发展的主导趋势和总特点;(2)岩石层物理与动力学研究的现状和趋势;(3)中国岩石层与动力学研究在全球范围内的战略地位和在发展进程中的作用;(4)中国在岩石层物理和动力学发展中的方向,目标和问题.岩石层物理与动力学研究在地球科学发展中是十分关键的领域.21世纪将是地球科学的世纪,它必将会对人类生存,科技进步和社会经济发展作出重大贡献!     

三峡库首区地壳垂直变形的模型研究

本文研究了不同力学参数地球模型对三峡库首区地壳垂直变形的影响,结果表明,PREM比Gutenberg-Bullen模型更接近基于三峡地壳分层结构和弹性参数改化的PREM模型的结果,并与之相差很小,但要获得高精度的模拟结果,地球模型中必须利用三峡地壳的弹性参数;利用了地球物理学中较完善的负荷格林函数法,结合精密的蓄水荷载模型和合适的地球模型,其垂直变形模拟结果对监测与地震关系密切的断层运动有重要意义;通过GPS观测和模拟结果的对比,发现2003年蓄水在香溪出现最大幅值约20mm的残差沉降,我们合理地解释为该地段的岩溶渗水荷载的效应.     

中国岩石层底面地幔对流状态的探讨

本文应用卫星测量地球重力场的球谐函数系数和地幔流体力学方程,计算了中国地区岩石层下的地幔对流状态。计算中选用了三种不同的模式:模式Ⅰ,完全场（2-30阶）;模式Ⅱ,高阶场（13-25阶）;模式ⅢI,低阶场（4-18阶）。其目的是探求一种与我国地质和地球物理实测资料相符合的最佳模式。考虑到岩石层厚度与所假定的地幔对流区厚度相比是很薄的,因而可以把地幔流对岩石层底面产生的拖曳力近似地看作岩石层内构造力。将上述三个模式分别与中国及邻区的131个地震（1961-1977,M≥5）震源机制解和近代地质构造形变等资料进行比较。结果表明,模式Ⅰ与我国大多数地区的实测资料符合得最好,该模式所显示的地幔对流特征与相应各地区近代构造运动特点相符。模式Ⅰ为探讨近代构造运动的力源问题,提供了新的线索。     

增厚大陆岩石层热边界层对流剥离的数值模拟

用数值模拟方法模拟了增厚大陆岩石层热边界层被对流地幔剥离并为软流层物质替代的动力学过程．结果表明,在初始温度分层分布、侧向均匀但存在微小热扰动的流场中,80km厚的增厚岩石层热边界层约需60Ma才能被完全剥离,剥离的速率微弱地依赖扰动的强度;在已建立好的流场中,同样厚度的增厚热边界层只需约10Ma就可被剥离．模拟结果暗示青藏高原地壳及岩石层在岩石层增厚和剥离以前就很热,其下伏地馒中可能已存在建立好的上地幔小尺度对流系统,而该尺度的对流系统很可能是由特提斯海洋岩石圈俯冲和消减诱发的     

层状介质瑞利面波速度频散特征的二维物理模拟研究

本文基于厚度小于传播波的第一菲涅尔带半径的二维模型,采用超声波物理实验方法,研究不同覆盖层厚的两层层状介质的瑞利面波的速度频散特征和影响因素.实验研究结果表明,在瑞利面波物理模拟实验中,以厚度小于第一菲涅耳带半径的薄板模型为二维物理模型是可信和可行的.相较于常规模拟走向无限延伸的,但具有三维尺度的拟二维模型,薄板二维模型具有远为更高的建模效率和更低的建模成本.对于低速覆盖模型,由于折射横波的能量较强,在依据最大能量拾取速度频散曲线时,地质模型的约束是非常重要的.此外,折射横波与瑞利面波的干涉效应,可导致面波能量频散分布出现局部不连续特征.对于高速覆盖模型,反射横波对瑞利面波速度频散特征影响不大,主要表现为对瑞利面波频散曲线的光滑性或连续性的影响.     

IRIS和我们星球表面

地球表层的原动力产生于岩石层对使其变形的驱动力的响应。板块构造理论对海洋岩石层的运动做了很好的解释,海洋岩石层的年龄一般少于200Ma。大陆岩石层典型地记录了十亿年来的地质演化过程。即使是对现代变形,也很难估算大陆岩石层的应力平衡。假使地球应力场可以直接测量,例如,使用钻孔崩裂测量方法,也需要根据岩石层几何形态及物理状态来将这些点上的应力值外推到整个地球。实时形变的GPS测量观测的是瞬时应变场,只有用合适的本构关系才能把它和应力场联系起来。地震数据对调查我们星球表层内过去和现代运动的地下记录是很必要的。岩石层成象是不容易的,垂向和侧向上的强烈变化的范围相当于用来探测地壳结构的地震波长的范围。这些变化改变了地震波的传播途径,在地表记录的地震波场中产生复杂的图象。岩石层的结构可以描绘成一个三维非均匀波谱,这个波谱可延伸的波段很宽,且仅仅是局部稳定的,需要不同的地震探测方法来重建这种复杂的波数谱,即岩石层的结构。反射地震学为识别陆壳的细结构提供了最高分辨率手段,其分辨率在深部地壳大约为数百米,在浅部地壳可达几米。折射地震学为地壳和上地幔地震波速的变化提供了从某种程度上说更粗略一些的测量方法,其分辨率大约为数公里至数十公里,在区域地震台阵中的地方震测量可提供5～10km规模的构造信息,以及高精度的地震活动性图。在线性分布和区域性分布的便携式地震台阵中,远震信号的宽频带测量可提供地壳总体结构的信息,还可提供地幔结构的最高分辨率,通常为30km的大小。用所提供的三种方法来提高分辨率,并结合不同尺度的测量结果是地震研究的重要内容。     

基于两级尺度粗化的裂缝-多孔隙介质地震响应分析方法

实际地震勘探中,储层物性参数的差异是导致地震波响应特征发生变化的根本原因,而建立储层物性参数与地震响应特征之间的联系,需要跨越微观孔隙尺度、介观测井尺度以及宏观地震尺度等三个不同尺度空间.本文基于已知井的岩石物理实验数据和测井数据,利用复杂多孔隙介质理论将微观尺度孔隙岩石粗化到介观测井尺度,利用Backus平均理论将介观测井尺度的模型进一步粗化到宏观地震尺度,最终,得到地震尺度裂缝-多孔隙介质模型.其数值计算结果与测井数据和地震数据的对比表明：基于两级尺度粗化算法的裂缝多孔隙介质模型在给定参数下是有效的,且基于该模型的地震响应特征分析方法能够对储层的地震响应特征随物性参数的变化进行分析.     

考虑土-结构相互作用的风力发电机塔架地震响应分析

利用有限单元法建立用弹簧阻尼单元近似模拟土-结构相互作用的风力发电机塔架结构模型.采用更新的拉格朗日增量有限元格式,逐步积分的Newmark法求解,通过算例分析了多维地震荷载作用下风力机塔架结构的时程响应规律,研究了P-Δ效应、竖向地震作用和土-结构相互作用的影响.分析得出:土-结构相互作用对风力发电机塔架结构的地震动力响应的影响不容忽视,在材料线弹性范围内竖向地震荷载和P-Δ效应对结构的动力特性影响较小.