新生代华南及邻区上地幔各向异性深部动力学机制的数值模拟

晚中生代以来,华南地区同时受到印度—欧亚板块碰撞和太平洋—菲律宾板块俯冲及后撤作用的影响,壳幔结构复杂.深入了解华南地区深部地幔流模式和地幔各向异性特征是认识华南复杂的深部构造演化过程与动力学机制的基础.本文采用三维全球地幔对流模型,从软流圈剪切变形的角度计算了软流圈的各向异性,尝试探讨了华南地区各向异性的起源和深部地幔流特征.华南地块东部,软流圈各向异性呈NW-SE向,各向异性主要来源于软流圈,壳幔具有垂直连贯的变形特征;南北构造带的中段,软流圈各向异性大致为N-S向,这一区域的造山作用虽然对岩石圈造成了巨大变形,但是并未显著影响软流圈变形,并且各向异性的主要来源可能是岩石圈地幔;在南北构造带中,30°N可能是地幔各向异性的过渡带,30°N以南的川滇地区,软流圈各向异性的方向出现了环形特征;菲律宾板块向欧亚板块下的俯冲到达地幔转换带,这种俯冲可能带动了西太平洋地幔向华南块体下的流动;华南地区的软流圈流场自西向东显示出顺时针旋转的特征,并在扬子板块东部与来自菲律宾板块下的西南向的地幔流相遇.     

一种求解黏弹塑性介质流动的全隐格式算法

在岩石圈动力学数值模拟中,现有的黏弹塑性数值模型通常在每个时间步先使用迎风间断Galerkin方法对偏应力张量进行旋转,然后使用Particle-In-Cell (PIC)方法或场方法求解对流方程,所构成的时间离散格式为显格式或半隐格式.我们将黏弹塑性介质的经典数值模型和非牛顿流体力学领域的黏弹性流体问题计算方法相结合,提出了一种基于有限单元法的求解黏弹塑性介质流动的全隐格式算法.本文通过数值实验将这种全隐格式算法与PIC方法和半隐格式算法进行了详细的对比,实验结果表明全隐格式算法的数值稳定性优于PIC方法,而当Deborah数较高时精度优于半隐格式算法.同时,我们在应力场引入三阶WENO (Weighted Essentially Non-Oscillatory)限制器,可以在保留数值解精度的同时有效消除应力集中引起的数值振荡.     

2016年11月13日新西兰凯库拉(Kaikoura)MW7.8地震同震位移和应力数值分析

2016年11月13日新西兰南岛北端凯库拉（Kaikoura）发生了M_W7.8大地震,造成了强烈的地表变形并引发大面积滑坡和海啸的发生.基于美国地质调查局（USGS）断层滑动模型,建立全球同震横向不均匀并行椭球型地球模型,计算了此次新西兰凯库拉大地震产生的同震形变和应力及库仑应力变化.初步计算结果表明：新西兰凯库拉M_W7.8地震造成断层上盘东北向抬升,下盘西南俯冲;引起发震区域同震位移较大,从凯库拉到坎贝拉（Campbell）以及首都惠灵顿（Wellington）整体上东北向抬升,最大同震水平位移1.2 m,垂直位移1.1 m.此次大地震释放了发震断层上积累的压应力,但增加了发震断层两端的挤压力;同时,同震剪应力变化增加了NE-SW向断层发生右旋滑动的危险性;采用此次地震发震断层参数计算得出的最大库仑应力变化增加区域集中在发震断层两端,可达到MPa量级.当分别采用新西兰北岛Awatere断裂系和南岛Wellington断裂系参数计算库仑应力变化时,发现新西兰北岛和南岛震中以南区域的库仑应力均增加,可触发部分余震的发生.     

2018年12月1日美国阿拉斯加MW7.0地震 震源参数及破裂过程

文中对2018年12月1日发生在美国阿拉斯加州的MW7. 0地震开展了震源参数以及破裂过程的反演研究,并综合研究结果探讨了此次地震发生的动力学背景。震源机制反演结果表明,此次地震为拉张型正断地震,矩心相对于初始震中位置向NE偏移约10km。破裂过程反演的结果显示此次地震的滑动量分布比较集中,主要发生在长30km、宽20km的区域内,最大滑移量达3. 6m。此外,破裂并非简单地以震源为中心对称分布。此次地震的破裂方向和余震分布均呈NE向延伸的趋势,发震断层的西南段则出现地震空区,由此可初步判断该地震是一次发生在太平洋板块与北美板块俯冲碰撞带后缘的弧后拉张环境中的典型正断型地震事件。由于太平洋俯冲板块在向N俯冲的过程中受高温高压作用影响,造成太平洋板片的俯冲角度变陡、向后弯曲变形,由此在碰撞带的后缘形成拉张环境,造成此次阿拉斯加MW7. 0地震的发生。     

2018年1月23日阿拉斯加Mw7.9地震发震节面讨论

2018年1月23日美国阿拉斯加湾科迪亚克岛东南280 km发生M_W 7.9级走滑地震,地震震中位于太平洋板块.震源机制解显示地震破裂面是走向东西(左旋)或走向南北(右旋)的高倾角断层,美国地震调查局(USGS)和中国地震局(CEA)分别发布了走向东西和南北的破裂模型.随着同震GPS数据的发布、余震数据的积累和对区域地质构造的了解,提供了更多资料来约束发震面,我们通过建立全球横向非均匀并行椭球型地球弹性模型,计算此次阿拉斯加湾大地震产生的同震形变、库仑应力变化以讨论上述破裂模型的差别.初步计算结果表明:USGS模型计算的最大地表水平位移约为4.5 m,CEA模型计算的最大水平位移约为3 m, USGS模型计算结果和GPS观测吻合更好;采用最优破裂面投影,计算USGS模型和CEA模型引起的库仑应力变化,分别有92.3%和72.7%的余震落在库仑应力大于0.01 MPa区域;在地质构造上,USGS给出的阿拉斯加地震节面与海底断层走向一致,但余震分布呈现出共轭条带分布,指示了地震破裂过程的复杂性.从静态应力转移角度,本次地震引起了科迪亚克破裂段(Kodiak Segment)的库仑应力增加最大0.01 MPa,加速了未来地震发生的可能性.     

2010智利Maule特大地震的同震效应

2010年智利Maule大地震是人类有观测记录以来第六大地震,基于高性能并行有限元方法,建立含地表地形和Moho面起伏的大规模非均匀椭球地球模型,计算了该地震同震效应,并根据库仑应力变化分析周围断层地震活动性和主震对余震的触发关系.结果表明:对于2010年Maule地震,地球曲率和层状结构对同震水平位移影响不可忽略,如果不采用球面分层模型,在低纬度远场可能会造成位移和应变量值均被低估,在高纬度远场可能会造成位移被夸大而应变被低估.如果不考虑介质横向不均匀和地形,同震应力降被显著低估,近场同震东西向应力变化误差最高95.4%,南北向应力变化误差最高90.8%.Illapel地区库仑应力变化约10 kPa,相当于15年构造积累,Maule地震加速了2015年Illapel地震发生.以最优破裂方向投影得到库仑应力变化,经统计70.9%余震落在库仑应力变化量值大于10 kPa区域.本次特大地震触发了Pichilemu附近M_w6.9和M_w7.0两次正断型余震.     

基于机器学习的长宁地震三维断层面几何特征建模

结合长宁地区大量的地震精定位数据和其它研究成果，利用监督分类和聚类分析等机器学习算法，基于地震簇的形态特征和地震震源机制解，编写了一套自动化提取三维破裂面形态特征的程序，获取了长宁地区地震破裂面的精细结构，可为相关研究提供可参考的发震构造模型。结果显示通过聚类分析最终获取了四个地震簇，结合对应的震源机制解节面信息，最终拟合出四条破裂面，其中：长宁背斜上的破裂面沿狮子滩背斜下部的高速体呈NW-SE方向展布，破裂面平直，倾角较陡，倾向SE；建武向斜内部的三条破裂面，主要分布在向斜两翼，规模较小，走向分别为NW,NNE和NNW，从外部包围了建武向斜核部的高速体，破裂面的展布方向与该地区三个主要震源机制解节面的产状一致，其中新城镇附近的NNW向破裂面切割深度较深，约为20 km，且倾向ENE，倾角约为70°。此外，结合地质构造背景和速度结构等反演结果推断，地震破裂面主要存在于先期形成的构造薄弱带或断裂带，例如背斜的核部和向斜的翼部因节理面贯通所形成的薄弱带以及高速体周围的软弱带，在构造应力的加载和工业开采下更容易微破裂成核，形成典型的发震构造。