东亚地区应力场的三维数值模拟

本文利用三维线弹性有限元方法模拟欧亚板块东部(主要是中国大陆地区)的三维构造应力场。计算中着重考虑东亚地区地形对该区地应力场的影响。同时考虑了对边界条件的限制,以及岩石在漫长地质时期中体现的流变性质,并在线弹性解上叠加了静岩压力等因素。 对一系列的计算结果进行数值分析,结果表明: 1.除各板块间的相互作用外,现代地形特征对东亚地区应力场分布情况有重要影响。 2.计算结果中,水平向最大主压应力轴走向在中国大陆地区呈辐射状分布,其中心大体上在青藏高原。随着与西部地区距离的增加,水平向最大主压应力值呈降低的趋势。应力方向和数值上的上述特征与震源机制解及原地应力测量结果是一致的。     

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．      

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.     

中国大陆构造应力应变场现今年变化特征的数值模拟

根据中国大陆活动地块构造、全新世活动断裂、分辨率为1°×1°的中国大陆地壳波速结构等,建立了中国大陆构造应力应变场的二维有限元模型。利用GPS实测资料,导出现今中国大陆构造应力场年平均变化的有限元模型位移速率边界条件,进而通过数值模拟研究了中国大陆现今构造应力应变场的年变化图像的基本特征。研究结果表明:(1)中国大陆现今构造变形的总体特征受控于与周边板块的相互作用,其中印度板块起着主要控制作用。中国大陆西部具有向NNE方向的位移速率,其值在碰撞边界最大,由南至北、由西到东,向北的位移分量逐步减小而向东的位移分量逐步增大;东部地区存在着整体的向东运动,且具有一定的向南运动分量。(2)中国大陆现今地壳应力场近年来处于增强的进程中,且呈现了以青藏高原为中心向东辐射的基本形态。总体特征与中国大陆背景应力场相似,表明了中国大陆现今构造运动的继承性。(3)最大主应变具有明显的西高东低特征,西部构造活动强烈,而东部相对较弱。活动断裂带均为最大主应变的高值区,而它们所围限的活动地块内部的应变相对较小。(4)川滇地区的应力应变场具有特殊性,并非由单纯的板块边界碰撞所控制,周围活动地块的运动、下地壳或上地幔的物质流动以及特殊的边界构造形态(如喜马拉雅东构造结)的作用,均可能成为其区域构造应力应变场的控制因素。     

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．      

中国及邻区水平最大主应力迹线的绘制与亟需解决的问题

<正>中国及邻区现代构造应力场在空间分布上表现为大区域同一性与局域的非均匀特征,在时间上具有相对的持续稳定性。然而,中国现代构造应力场的格局明显受制于周边板块的动力学作用,东部的力源主要来自太平洋板块俯冲、菲律宾板块推挤的作用,西部的力源则来自印度板块向北碰撞欧亚大陆而产生的挤压。由于中国大陆地壳复杂的构造格局以及地壳固体介质的不均匀性,这些驱动作用传递引起的地壳应力状态的分布是不均匀的,从而现代构造应力场也具有明显的分区性,表现为不同地区应力方向、应力类型     

基于观测应力场的大华北地区动力学机制探讨

采用伪三维有限元方法, 利用观测应力场应力取向和应力状态作为主要约束, 对华北地区的构造应力场进行了数值模拟. 结果显示, 华北地区应力场主要受到来自太平洋板块和青藏高原挤压作用的控制. 太平洋板块的北西西向的挤压作用对这一地区, 尤其是华北平原地区构造应力场的影响更大. 同时, 上涌地幔沿盆地边缘法线方向的引张, 对这一地区的应力场的形成也起到一定的作用.      

中国大陆东部强震活动空间分布的不均匀性及其地震力学含义

中国大陆东部(107°5E以东)地震频度和强度沿经向分布的显著差异,是划分地震区的重要依据之一,可以用四条纬线(26°N,29°N,34°N和42°N)将中国东部划分为五个地震区。t—检验表明,它们之间的显著差异的置信水平很高。 中国大陆东部地震活动空间分布的分段性类似于沿着欧亚板块与北美—太平洋—菲律宾海板块之间界面上的分段性,它可能标志着其间应力状态存在某种相关。中国大陆应力场的有限单元法数值模拟支持这种设想。     

黄海、东海及邻区的地震构造应力场

本文利用P波初动方向数据,测定了东海、黄海及邻区18个中、小地震的断层面解,结合其他作者所作的周围地区有关的震源机制解以及本文作者以前所作的小震综合断层面解,采用平面应力问题的有限元数值模拟方法,推断了该地区的构造应力场方向。结果表明本区应力场方向是大陆应力轨迹线向板块边界的自然延伸。     

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.     

Numerical Simulation of Annual Change Patterns of Contemporary Tectonic Stress-Strain Field of the Chinese Mainland

INTRODUCTIONInthe late 1980’s ,aninternational cooperation project in earth sciences ,the World Stress MapProject ,wasinitiated underthe World Lithosphere Program. Measurements andresearch achievementsof the present-daytectonic stress field worldwide were analyzed and sorted out .The project achievedgood results and based on them, a world stress database was set up,the world stress map wascompiled,andthe general andregional crustal stress patterns were discussed (Zoback,et al .,1989 ;…     

中国现今地壳运动GPS速度场的连续变形分析

利用中国大陆以及蒙古、 缅甸、 印度、 尼泊尔和喜马拉雅等周边地区多年的GPS观测资料, 基于连续介质假设, 采用双三次样条函数模拟方法, 给出中国大陆整体水平位移速度, 拟合精度优于3 mm/a, 获得了中国大陆的水平应变率场, 并分析了中国大陆现今构造变形、 水平应变率场的空间分布特征. 结果表明: 对大范围、 密集的GPS速度场的连续变形分析, 既能揭示中国大陆现今构造变形的总体特征, 又能显示局部地区现今的构造活动特征. 总体上, 中国大陆构造的水平变形强度和变形速度在南北地震带产生突变, 呈西强东弱、 南强北弱态势. 而昆仑山地块中部、 鲜水河断裂带和云南中部地区, 其应变速率最大, 速度变化最快; 阿尔金断裂带现今处于其构造活动的平静期, 中天山东部地区具有拉张环境.      

中国大陆应变应力场研究

根据1999～2009年网络工程GPS观测资料计算得到的应变率参数,研究了中国大陆地壳的应变应力场及其地壳现今的水平活动特征。结果表明,中国大陆地壳西部青藏亚板块的压应力主方向围绕藏南和阿萨姆构造结向北、东、南依次辐射撒开。新疆亚板块自西向东由近SN向变为NE向。中国大陆东部地壳的压应力主方向自北向南由NEE变为近EW向,再变为SEE向。中国大陆主压应力作用强度西部显著大于东部。中国大陆地壳西部强于东部,南部强于北部,现今西部地壳以挤压、走滑为主,东部地壳既有挤压、走滑,也有拉张。     

Tectonic stress field in East Eurasia

The overall pattern of the recent tectonic stress field in the eastern part of the Eurasian plate is inferred from the geological features of large transcurrent and reverse faults, graben structures and from focal mechanism solutions of shallow earthquakes. NE-SW striking trajectory lines, of maximum horizontal tectonic stress axis (σ Hmax), are estimated at the north of Tibet and mainland China, but its strike turns to easterly near the eastern margin of the Eurasian plate. This suggests that the main origin of the σ Hmax in East Eurasia is due to a compressive stress regime along, the Himalayan belt, Tibet and the Japan Trench (and also the Sakhalin and Nankai Trough). This tectonic stress field seems to provide some influence on the extensional tectonics in the Shansi region, Baikal, and also in the Okinawa Trough where the N-S opening has been confirmed. The systematic view of the tectonic stress field in East Eurasia, makes it possible to appreciate the fundamental background of a number of complicated intra-plate tectonics.     

中国大陆及其周边地区应力场特征

本文收集了1976—2018年发生在中国大陆及其周边地区(15°~55°N, 65°~125°E)的4303个地震震源机制解, 分析了该区震源机制解和P、 T轴空间分布特征, 并使用这些震源机制解, 反演得到了中国大陆及周边地区二维构造应力场分布。 应力场反演结果表明, 云南大部、 青藏高原大部以及华北华南大部以走滑型应力性质为主, 印度洋板块与欧亚板块的强烈碰撞控制着中国西部地区, 大量的逆断型地震集中分布在青藏高原周缘和西域活动地块的天山地区。 青藏高原内部也存在正断型地震, 且应力场方向在26°N发生了很大的变化。 位于青藏高原东构造线以南的滇缅活动块体, 最大主压应力σ₁方向在大致100°E发生突变, 由以西的NNE方向偏转到NNW方向。 中国东部的东北块体到华北块体再到华南块体, 最大主压应力方向有一个从NE向逐渐转变成EW向再变化到NW向的旋转趋势。 应力场总体结果表明, 中国东部应力场主要受到太平洋板块和菲律宾板块对欧亚大陆俯冲的作用, 中国西部主要受印度板块向北碰撞欧亚大陆的影响, 块体内部相互作用、 块体与断裂带相互作用也对应力场变化产生影响。     

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．      

Numerical calculations of tectonic stress field of Chinese mainland and its neighboring regions and their applications to explanation of seismic activity

IntroductionChinesemainlandliesinthesoutheastofEurasianPlateandisclampedbyindian,PacificandPhilippineSeaPlates.Besides,itislocatedatbetweenthetwobigseismicactivebeltsintheworldatthesametime.Differingfromtheshowoftwobigseismicbeltswhichhaveseismiczonaldistributionalongplateboundary,Chinesemainlandanditsperipheralareahaveapeculiarcharacter,expressingseismicallylargestrength,highfrequency,widedistribution,shallowfocus,seriousdamage,multiplestyles,extremelynonuniformspace-timedistributionandsoo…     

中国大陆地壳应力场与构造运动区域特征研究

系统研究了1918～2006年间中国大陆及其周缘发生的3115个M4.6以上中、强地震的震源机制解,得到中国大陆地壳区域应力场的压应力轴和张应力轴空间分布的统计结果.探讨了大陆应力场的结构,以及周围板块运动对中国大陆应力场影响作用范围及其界线.结果表明,中国东部的华北地区受到太平洋板块向欧亚板块俯冲挤压的同时,又受到从贝加尔湖经过大华北直至琉球海沟的广阔范围内存在的方位为170°引张应力场的控制.华北地区大地震的震源机制解反映出,该区地震发生为NEE向挤压应力和NNW向张应力的共同作用结果.印度洋板块向欧亚板块的碰撞挤压运动所产生的强烈的挤压应力,控制了喜马拉雅、青藏高原、乃至延伸到天山及其以北的广大地区.在青藏高原周缘地区和中国西部的大范围内,压应力P轴水平分量位于20°~40°,形成了近北东方向的挤压应力场,大量逆断层型强震集中发生在青藏高原的南、北和西部周缘地区以及天山等地区. 本文结果表明,正断层型地震集中发生在青藏高原中部高海拔的地区.证明了青藏高原周缘区域发生南北向强烈挤压短缩的同时,中部高海拔地区存在着明显的近东西向的扩张运动.根据本文最新结果,得到了华北、华南块体之间地壳区域应力场的控制边界线,发现该分界线与大地构造、岩石圈板块构造图等有较大差异,特别是在大别及其以东地区, 该分界线向东南偏转,在沿海的温州附近转向东,最终穿过东海直至琉球海沟.台湾纵谷断层是菲律宾海板块与欧亚板块之间碰撞挤压边界,来自北西西向运动的菲律宾海板块构造应力控制了从台湾纵谷、华南块体,直到中国南北地震带南段东部地域的应力场. 地震震源机制结果还表明,南北地震带南段西侧其P轴大约为NNE方向,与青藏高原的P轴方位一致.南北地震带南段东侧其P轴大约为NWW方向,与华南块体的P轴方位一致.因此,将中〖JP2〗国大陆分成东、西两部分的南北地震带南段是印度洋板块与菲律宾海板块在中国大陆内部影响控制范围的分界线.     

Numerical analysis of contemporary hori-zontal tectonic deformation fields in China from GPS data

Introduction To correctly understand the tectonic deformation of continental lithosphere, its dynamical mechanics and seismic activity, we should firstly acquire the velocity field and strain field of lithospheric tectonic motion with fine resolution and consistent accuracy (Molnar and Lyon-Caen, 1989; Molnar, 1990). And the quality, distribution and density of observed data are the basis for studying crustal tectonic deformation. In the past, crustal deformation is usually determined indi-r…