地幔滞弹性对Chandler摆动的影响

基于简正模扰动理论和勒夫数扰动方法,采用Zschau 的地幔流变模型,在假设Chandler摆动的能量全部耗散于地幔滞弹性摩擦的条件下,导出Chandler 摆动Q(Q_w)的理论值.还考虑了滞弹地球的平衡极潮对摆动的影响,所得结果与绝大部分天文实测值非常一致.分析表明.平衡部分的影响大,地幔滞弹性很可能是Chandler 摆动最主要的能量耗散源,Q_w 的理论值约为71.还推算了吸收带模型参数α,研究了该模型的适用性,并讨论了Q_w 与地幔Q(Q_m)的关系.     

核幔耦合对地球自由核章动的激发影响

地球自由核章动（FCN）是地幔与液核相互作用的重要动力学现象,其激发机制涉及地表流体层、地幔和地核等圈层之间的耦合,此前研究多利用地表流体层角动量数据单独研究其对FCN的激发,对核幔耦合的影响考虑不足.本文基于角动量守恒理论分析了核幔耦合对FCN周期及振幅的影响,并结合多个大气及海洋角动量函数时间序列首次估算了核幔耦合在FCN激发过程中的贡献.结果表明核幔耦合对FCN周期产生的固定和时变影响对FCN激发的作用均不可忽视,尤其时变影响可达几十个微角秒,对于进一步解释FCN时变特征非常重要;核幔耦合对FCN振幅的直接影响是地表流体层的激发与实测FCN不相符的主要原因,黏滞、电磁和地形等耗散耦合的存在对地表流体的激发振幅有67%左右的减弱效果.     

海洋和大气对Chandler摆动激发的贡献

用1985～1995年期间海洋角动量变化序列和大气角动量变化序列,分析它们对Chandler摆动的激发能量以及它们与天文观测激发的相干性. 结果表明，在Chandler摆动频带内，海洋角动量变化提供的激发能量大约占观测激发的64髎，其中洋底压力变化起主导作用；NCEP/NCAR(美国国家环境预测中心/国家大气研究中心)和JMA(日本气象厅)大气角动量变化提供的激发能量分别为观测激发的23髎和214髎. 海洋激发与观测激发的相干系数约为0.52，接近99髎置信度下限(0.54)，海洋激发的相位滞后观测激发约19°；NCEP/NCAR和JMA的大气激发与观测激发的相干系数分别为0.32和0.37，大气激发的相位超前观测激发分别约47°和19°. 用更短期间(9年、6年)的海洋和大气角动量序列与更长期间(16、39年)的大气角动量序列作分析表明，在Chandler摆动频带内，无论是它们的激发能量，还是它们与观测激发之间的相干系数都呈现很大的变化，而且这些变化具有某种程度的随机性.     

俯冲构造vs.地幔柱构造——板块运动驱动力探讨

板块构造是指地球外壳岩石圈块体在地球表面的(水平)运动及其相互作用.自50年前板块构造理论建立以来,对板块运动的动力来源这一问题一直存在争议.早期的观点认为是"自下而上"机制,即板块运动受控于板块之下的地幔对流系统,特别是起源于核幔边界的地幔柱作用于板块底部,促使大陆裂解,并驱动板块运动.而现今较为普遍接受的观点则是"自上而下"机制,即认为板块运动的驱动力主要来源于板块自身的负浮力(即重力大于浮力),板块构造和地幔对流均受控于板块的俯冲作用,因此板块构造又被称为俯冲构造.这一观点得到了众多地质和地球物理观测的支持.进一步研究表明,个别板块增速、减速与单一地幔柱活动在百万年时间尺度具有耦合关系;多个板块内稳定克拉通地区地表隆升、沉积速率与地幔柱相关的岩浆活动在亿年时间尺度存在时空相关性;而全球范围的超大陆聚合、裂解与超级地幔柱活动在二十亿年以来的地质历史时期表现为周期性耦合关系.这些不同时空尺度的耦合现象均表明,板块构造与地幔柱构造在地球演化过程中是紧密联系、相互作用的,地幔柱构造对板块运动产生了不可忽视的影响.因此,需要将板块构造和地幔柱构造这两大地球构造体系加以联合,开展综合分析与研究,才能获得对板块构造和整个地球动力系统运行机制的全面认识.     

包含Biot机制和分数阶黏弹性机制的波传播模型

含流体孔隙介质中的波能量耗散通常由多种力学机制造成.传统Biot理论中的能量耗散仅仅考虑了固流两相相对运动引起的摩擦耗散,无法准确预测波在孔隙介质中低频段出现的高频散与强衰减现象.为了建立一个能准确预测地震波频段高频散与强衰减现象的动力学模型,我们在Biot理论的基础上引入黏弹性机制,并利用分数阶导数刻画黏弹性本构关系,最终获得了一种新的孔隙介质波传播模型.与传统的Biot模型相比,新模型考虑了含流体孔隙介质中固体骨架的内耗散,对波能量耗散的刻画更为精准.通过数值算例,我们研究了分数阶导数的阶数参数对快P波和S波频散和衰减的影响,并通过来自不同地区且具有不同物理性质的几组流体饱和岩芯实验数据,对比研究了新模型的有效性.结果表明,文章提出的新模型能更准确地预测快P波和S波在低频段出现的高频散和强衰减现象.     

基于Low rank近似的黏弹性介质衰减补偿微地震逆时定位与裂缝成像

真实地下介质具有黏弹性,地震波在传播过程中会发生耗散与频散.忽视黏弹性介质的吸收衰减效应,逆时延拓过程中地震波将会出现振幅减弱、相位失真等现象,无法准确定位震源真实位置,因此需要对黏弹性介质中传播的波场进行衰减补偿,并通过采用合适的成像算子对微地震震源进行定位与裂缝成像.本文基于耗散与频散解耦的分数阶黏弹性波动方程模拟波场,采用low rank分解近似混合域算子,分离衰减相关项并反转耗散项符号,并在补偿的衰减项波场的波数域中进行低通滤波,压制噪声的影响;使用优化后的成像算子进行微地震震源定位,并通过分离散射波场,对散射波进行逆时反传寻找裂缝.数值实验证明,本文方法通过low rank近似有效提高了计算效率,衰减补偿算子在滤波器约束下能够稳定地补偿反向延拓的波场,优化后的成像算子能够在压制随机噪声的同时进一步提高计算效率和定位分辨率.     

Q值简介

弹性波通过介质传播时,它的振幅随着传播距离或时间而衰减。有多种原因可以造成这种衰减,如波动振幅随着距离的增加而产生的几何扩散,在介质边界处的反射、折射以及介质的非弹性吸收等。所谓介质吸收是指由于介质的内阻使弹性波部分弹性能量耗散而转化为热能的现象。为了描述介质吸收特性的强弱,引入了一个无量纲的因子“Q”,称为介质的品质因数。“Q”值是用来度量介质中振动或波动能量的非弹性衰减率的物理量,是介质所固有的特性。对于     

板块构造与地幔流的动力学：从局部尺度到全球尺度

板块构造受控于集中在板块边界的推动力和阻力,然而由观测资料所约束的高精度全球地幔流模型仍面临着计算上的挑战。我们利用最新的自适应网格细化算法,将板块边界的分辨尺度下降到1km,通过分析相接板块的运动,在并行计算机上模拟全球地幔流。在上地幔中,当消减板块向下俯冲时,往往会产生弧后扩张和板片回退现象。下地幔中冷的热异常通过狭窄的高粘性的板块与洋壳相耦合,导致洋壳运动速度的下降。在海沟区域,弯曲岩石层内的粘性耗散占整个岩石层和地幔总耗散的5％至20％。     

横向变化介质的导波衰减

在研究叠加在层状介质上的二维随机非均匀性时,已经应用了波导中的振型耦合方法,这种方法要求介质是缓变的(<±2%),通过对大量的统计上相似的模型做平均,可以得出振型能量传输的耦合方程.振型间的耦合程度与地壳和地幔的非均匀性的水平相关函数以及速度垂向交化和振型本征函数的综合效应有关.对一特定约随机模型,单一振型的衰减是距离的函数,可通过将本征衰减和因散射转变为其它振型所损失的能!益加来计算,这种衰减的统计估计可与对一区城中沿许多路径传播的区域震相所作的观测相比较,对Lg和‘震相,振型间的散射能t可达视能t损失的30%.     

地球自由振荡弹性简正模研究进展与展望

在构建现代地球模型时,地球内部分层结构主要是根据地震波资料确定的;而地球内部密度及弹性参数,特别是地幔以下大尺度结构的密度分布,则主要是根据地球自由振荡的弹性简正模观测资料确定的.本文概述了地球自由振荡简正模本征值的求解理论和方法,介绍了球型和环型模态位移场表达式,讨论了地球自由振荡模态的衰减、分裂与耦合效应;总结了多线态分裂谱线探测和分裂参数估计的方法,综述了利用弹性简正模开展地震矩张量、地球三维非均匀性结构和内核超速旋转约束与反演研究的主要进展和存在的问题.最后作为展望,本文还讨论了地球自由振荡简正模的未来研究趋势.     

祁连山中东段地区非弹性衰减系数、震源参数和场地响应研究

利用甘肃数字地震台网的波形记录,基于遗传算法,首先用Atkinson方法计算非弹性衰减系数,在此基础上用Moya方法同时反演震源参数和场地响应。反演结果表明,祁连山中东段地区非弹性衰减Q值与频率的关系为:Q(f)=687.9f0.460;除了湟源台(HYQ)外,其余台站的场地响应均有不同程度的放大效应;研究区地震的应力降范围为2~40 bar,优势分布在2~20 bar;震源参数拐角频率与地震矩、地震矩与震级之间存在依赖关系。     

大陆型与海洋型岩石圈结构的长周期地震面波初步研究

本文利用在西藏地区专设的长周期地震台网所记录的圣萨尔瓦多地震,计算了穿过大陆型与海洋型岩石圈介质的地震面波群速度(30～300秒周期),并指出了它们之间的差异。讨论了反演所得地壳与上地幔的横波速度分布特征。结果表明:这种差异一直延续到地幔深处330公里的介质中。     

地球的构造:地幔与地核

四年来利用各种地震震相与地震技术广泛地研究了地球内部的深部构造。大部分研究着重围绕在对地核和地幔横向速度非均匀性的定量的三维描述上。据认为,这些非球面的速度变化是与对流过程有关的热和结构的非均匀性的直接体现。地球深部横向速度变化第一代全球模型的提出,提供了反映非稳态热对流系统的大尺度构造的令人神往的图象。地幔上部400公里的深部具有最强的横向速度变化,横波速度达±10％。不要求先验区域化的面波分析表明,地面构造区域与地幔顶层的速度变化有着密切的联系。因此,上地幔200公里深部的热和对流状态可从板块构造的角度得到可靠的解释。由于海洋和活动构造区域的速度构造差异一直延续到400公里的深度,上地幔模型证实了大陆有深根的论点。在400到670公里的过渡层以及整个下地幔内,测得波长很长的横向速度变化为百分之几。这些深部的变化与地表构造没有多少对应关系,现正开始尝试对其性质作出解释。地幔最下部200公里(D″域)的横向速度起伏与在上地幔中的那些起伏是类似的,并且有证据表明,D″层顶部存在着明显的速度不连续性。能粗略反映岩石圈面目的、结合热和结构的边界层是对这种异常区的可靠解释。核-幔边界似乎有显著的(10公里)长波长起伏,这大概是由来自深地幔对流的动力学应力来维持的。内核可能有强的横向非均匀性或轴对称各向异性,从而表明了其复杂的热和结构的状态。在描述地幔内短周期体波频带的非弹性衰减的频率依赖性的特征方面已取得了重要的进展。用于远震 P 波衰减因子的模型是收敛的,即适合于1赫的 t~*值是0.7—1.0秒,而适合于4赫处的 t~*值为0.4—0.6秒。衰减的区域性变化也正在慢慢地被认识。     

2010年马乌莱MW8.8地震震后形变三维黏弹性数值模拟

2010年智利马乌莱M_W8.8地震发生在纳斯卡板块与南美板块的板块边界处,引起了显著的同震和震后效应。GPS台网数据显示记录到的同震海向位移最大约5 m,垂向沉降最大约50 cm。在经过对俯冲效应、季节变化等效应的校正后,震后6年的海向最大位移约68 cm,垂向抬升最大约20 cm。马乌莱地震显著的震后形变对该区域的地下三维黏弹性结构有良好的约束。本文建立了智利中南部俯冲带区域的三维有限元模型,黏弹性的地幔楔及海洋地幔均使用伯格斯体材料,并在断层面上设置2 km厚的软弱层以模拟震后余滑。在与GPS台站震后位移数据进行比较后,模拟结果表明,大洋地幔顶部存在约120 km厚,黏度为1×1019 Pa·s的软流圈。模拟震后余滑效应的软弱层黏度为5×1017 Pa·s,其等效震后余滑的最大值在震后前两年接近2 m,且随着时间的增长而快速衰减。      

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。     

厄尔尼诺/南方涛动与赤道远西太平洋准两年周期振荡之间相互作用的概念模式

建立了一个反映厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)与热带远西太平洋准两年振荡(QBOWP)相互作用最基本物理过程的新概念模式. 在此概念模式中, QBOWP对ENSO的影响通过两种途径: (1) 沿赤道太平洋海洋Kelvin波和 (2) 大气的Walker环流; 而ENSO对QBOWP的影响则可通过大气的Walker环流异常来实现. 对该模式结果的分析诊断表明: 在ENSO与QBOWP相互作用过程中, 大气桥(Walker环流)的作用比海洋桥(沿赤道太平洋的Kelvin波)更重要; 通过QBOWP与ENSO的相互作用, 一个3~5年周期的ENSO振荡可以变为准两年振荡, 而赤道远西太平洋年际变化的主要周期也会变长; 热带太平洋大气-海洋耦合系统的多时间尺度的年际变化可以通过ENSO与QBOWP的相互作用来实现.     

云南地区S波非弹性衰减Qem值研究/

地震波衰减性质的研究是地震学研究的重要课题.地震台站(地震仪)记录到的地震波,包含了地震震源效应、地震波的传播路径效应、台站场地响应及仪器响应.在使用地震波资料研究震源性质时,必须要扣除地震波传播路径效应、台站场地响应及仪器响应的影响.地震波传播的路径效应(地震波衰减),除了随距离存在几何衰减外,还有一个重要的影响因素--即介质的非弹性衰减,用介质品质因子Q值来度量.Q值是地球介质的基本物理参数之一,是对地震进行定量和研究震源性质(如震源参数的测定等)所必需的重要参数,在震源物理和工程地震研究中具有重要应用价值.     

新疆天山中东段地区地震波衰减、场地响应及震源参数研究

根据新疆数字地震台网17个数字地震台的地震波形资料,用Atkinson和Mereu方法反演天山中东段地区的非弹性衰减;用Moya和Jorge方法反演17个台站的场地响应.结果表明,天山中东段地区非弹性衰减Q值随频率f的关系为Q(f)=460.7f0.515;17个台站的台基均有不同程度的放大效应.209次地震震级与地震...     

处于海洋环境的桩柱在瑞利波作用下的响应

本文以一海洋深水环境桩柱为例,考虑到海洋地基为两相饱和土介质,基于Biot两相饱和多孔介质理论,通过数值算例分析了饱和介质中瑞利波加速度、位移分布规律并与单相弹性介质地基条件下进行了对比,结果表明,瑞利波主要作用于地表附近且振动幅度随深度衰减很快,饱和地基下的瑞利波影响深度要大于单相弹性地基,在瑞利波地震作用下,考虑两相饱和介质下的桩柱位移响应大于单相弹性介质地基。并且由于桩柱处海洋深水环境,本文对环境水体对桩柱振动响应的影响进行了研究,结果表明,流固耦合效应可明显降低桩柱运动响应,在海洋深水环境地震响应分析时,有必要考虑饱和地基以及流固耦合效应对桩柱运动响应的影响。     

热弹性介质中波传播特征

深层-超深层油气地震勘探涉及高温介质地震波传播问题,热弹介质参数对地震波传播有重要影响.含弛豫时间修正项的Lord-Shulman双曲型耦合热弹波动方程从理论上预测了热弹性介质中存在快纵波、慢纵波(一种准静态慢纵波,简称热波)和横波的传播,两个纵波为热耗散衰减波而横波不受介质热特性的影响.本文结合平面波频散分析和格林函数法数值模拟,详细研究两个热耗散衰减波的频散和衰减特征,着重分析热导率、热膨胀系数及比热的变化对波速和衰减的影响.研究表明热导率作为主要参数决定了波速与衰减的临界变化,热膨胀系数对波速和衰减的幅度有明显影响,比热则兼顾了前两个热弹系数的影响特征.最后,利用热弹性动力学频率域的二阶格林函数进行波场快照数值模拟,展示热弹性介质中纵波、横波和热波的传播行为.