天山造山带及邻区孕震应力场及断裂带活动性特征的数值实验分析

天山造山带构造环境复杂,活动断裂带和强震分布广泛,且主要分布于阿尔泰山、天山、西昆仑—帕米尔弧形构造带上,尤以天山地区最为集中.迄今为止,天山造山带地区的主要断裂带的活动特征与孕震应力场特征之间的动力学机理尚未有清晰的认识.本文以GPS等实际观测数据为约束,建立有限元数值模型,计算了研究区域地壳形变、应力/应变积累速率、弹性应变能密度以及库仑应力变化率等关键因素.模拟计算结果显示地表速度场与研究区域实际GPS观测值基本一致,且主要断裂带上弹性应变能密度分布与实际地震活动性也基本吻合,验证了数值模型和结果的可靠性.结合最新的观测和数值模拟结果分析发现,研究区的断层和地震活动性主要受控于近南北向的主压应力,与主要观测特征相一致.同时,帕米尔高原北部边界带—塔什库尔干断裂（TKF）、天山造山带南边界的东侧—迈丹断裂（MDF）、兴地断裂（XDF）库仑应力增大明显,在未来强震发生的可能性较高,应予密切关注.     

致密砂岩水压瞬态致裂液化格子波尔兹曼及有限元数值研究

水压瞬态致裂液化在地应力测量、 地震破坏评估和机理研究、 油气(天然气、 页岩气)及地热资源开发等地学领域都具有重要的理论和应用价值。 自20世纪60年代至今在理论和实际应用方面取得了一些奠基性和开创性成果, 但鉴于问题复杂性, 瞬态致裂液化机理至今尚不清楚。 本研究应用格子波尔兹曼及有限元多孔介质流固耦合物理模型, 对地震波载荷作用下致密砂岩水压瞬态致裂液化过程进行数值模拟研究。 首先, 以鄂尔多斯盆地某油田延长组致密砂岩为例, 利用X射线CT断层成像技术, 应用基于量子力学第一性原理格子波尔兹曼方法, 建立致密砂岩数字岩芯模型。 进而, 推导格子波尔兹曼及有限元多孔介质流固耦合数值模型公式, 建立致密砂岩水压致裂液化物理模型。 最后, 应用地震波载荷边界和初始条件, 模拟瞬态致裂液化流固耦合过程, 讨论了地震波载荷幅值、 频率及作用时间对致密砂岩孔隙结构(孔隙度大小及连通性)、 致密砂岩破裂最大主应力之间关系, 得到了地震波作用下致密砂岩致裂液化准则。     

历史大地震断层滑动模型的建立及其对同震数值计算的影响——以1920年宁夏海原MS8.5大地震为例

大地震的发生会引起区域位移场和应力场发生变化,进而改变区域内及临近断层的应力状态和地震活动性.目前,研究学者可据已有的断层滑动模型来计算分析大地震同震应力变化,同时采用库仑应力触发理论来进一步分析震后余震分布和断层危险性.然而,历史上曾经发生过不少大地震,例如,1920年的海原M_S8.5大地震,是全球范围内少见的特大地震之一.局限于无确切的地震台站地震波等资料,前人在研究历史地震的影响时往往给出一些简单的断层滑动模型,将断层面上错动量视为均匀分布.为更准确地了解历史地震对后续地震的影响,基于前人研究和一般地震滑动形态分布规律及地震反射剖面等资料,以海原M_S8.5大地震为例,探讨了如何建立海原大地震断层滑动模型,并分别搭建了简单断层滑动模型和复杂断层滑动模型的全球同震横向不均匀并行椭球型地球模型.通过对海原M_S8.5地震的同震位移场和应力场的计算,发现采用复杂断层滑动模型比简单断层滑动模型地表位错分布更切合实际.同时,进一步计算和分析了此次大地震对青藏高原东北缘近100年历史地震和周围断层的应力触发作用,得出断层滑动模型对同震计算结果的影响集中在发震断层附近而对远场影响较小.     

2001年昆仑山口西MS8.1地震对周围断层的应力影响数值分析

大地震的发生往往会引起周围区域形变场和应力场变化,且对临近断层上的应力状态也有影响.2001年11月4日,昆仑山口西发生了半个世纪以来中国最大的M_S8.1级地震.本文基于已有的滑动模型,建立了三维含地形高程的横向不均匀性椭球型地球有限元模型,采用等效体力方法,分析了此次M_S8.1地震产生的全球同震位移和应力场变化.与解析方法相比,该模型考虑了地形、Moho面起伏和地球介质横向不均匀性;与一般的有限元数值模拟相比,该模型考虑了地球曲率和椭率,合理地规避了有限块体模型假定边界位移为零所引入的误差.计算得出同震位移与GPS观测数据可以很好地吻合.据库仑破裂应力准则和震源参数,计算得出昆仑山口西M_S8.1地震的发生造成了汶川、芦山、改则和当雄地震的发震断层上库仑应力增加,对这些地震的发生起促进作用;而造成玉树和德令哈地震发震断层上的库仑应力变化为负值,在一定程度上抑制了这些断层的地震活动性.此外,计算结果显示地球地形高程、介质非均匀性和椭率对昆仑山口西M_S8.1地震同震变化计算有一定的影响,其中地形和椭率造成的同震位移场相对误差约10%.     

巴颜喀拉块体东缘形变及九寨沟地震孕震环境数值分析

2017年8月8日四川发生九寨沟M7.0地震,是继2008年汶川M8.0地震后发生在巴颜喀拉块体东部的又一强震.现今GPS速度观测数据显示,2008年汶川地震前后的1999-2007年和2011-2016年两个时间段内巴颜喀拉块体东部地表速度场存在明显的差异.本文以实际GPS速度观测资料为约束,构建三维有限元地球动力学模型,分别计算分析了两个时段内震源区及周边现今地壳形变、弹性应变能和应力积累特征,进一步探讨汶川地震的发生对九寨沟地区变形及应力的影响.数值模拟结果显示,汶川地震之后(2011-2016年)巴颜喀拉块体东部的地壳形变、弹性应变能积累及应力积累速率均明显大于震前,增加量值达1.5-3倍;九寨沟地震发震断裂上库仑应力增长率在1999-2007年约为0.7 kPa·a~(-1),2011-2016年间增至1.2 kPa·a~(-1).上述结果表明,现今巴颜喀拉块体东部地壳应力积累过程有利于左旋走滑型九寨沟地震的发生,汶川地震的发生调整了区域应力状态,加速了九寨沟地震的孕育过程.     

青藏高原及邻区未来地震活动性趋势数值分析

区域中长期地震危险性数值分析研究,需要对其初始构造应力场有所了解,但目前以及未来一段时期内仍无法直接观测到深部孕震层区域的应力场状况.本文首先基于岩石库仑-摩尔破裂准则,利用青藏高原及邻区百年历史范围内的强震信息,来反演估算该区域的初始应力场.然后,考虑区域构造应力加载及强震造成的应力扰动共同作用,重现了历史强震的发展过程.然而对于初始应力场的反演估算,本文仅能给出区域其上下限的极限值,并不能唯一确定.因此,采用Monte Carlo随机法,进行大量独立的随机试验计算,生成数千种有差异的区域初始应力场模型,且保证每种模型都能令历史强震有序发生,但未来应力场演化过程不尽相同.最后,将数千种模型在未来时间段内的危险性预测结果集成为数理统计结果,据此给出了区域未来的地震危险性概率分布图.初步结果显示未来强震危险性概率较高地区集中在巴颜喀拉块体边界及鲜水河断裂带地区.     

从国家自然科学基金项目资助探讨大地测量学的学科架构与发展

大地测量学是地球科学的一个重要发展领域,通过对地球和行星几何与物理量的观测与分析,研究地球和行星几何形状、物质运动状态及其空间环境响应,为国家基础设施和国防建设提供时空和重力基准保障。随着大地测量学向地球科学基础研究和交叉应用等方面的不断延伸和快速发展,其研究水平得到了显著提高,在描绘、构建和认知地球和行星中占据了越来越重要的地位。本文基于历年来国家自然科学基金申请和资助项目,从项目类型、分支领域、依托单位、研究方向和关键词等方面进行了统计分析,梳理了学科发展特点,构建了学科架构知识图谱——大地测量学科树,以期为大地测量学领域相关学者提供参考。     

2015年4月25日尼泊尔M_S8.1大地震的同震效应

应用有限单元方法,计算了2015年尼泊尔MS8.1大地震发生产生的同震变形和应力变化.计算中考虑地球为球体以确保远场应力场变化得到可靠结果,采用PREM模型的地球分层模型,考虑了中国地震局(CEA)和美国地质调查局(USGS)各自提供的断层滑动模型.结果表明:尼泊尔MS8.1地震是一个比较典型的低角度逆冲地震,水平位移和应力降较大;地震造成南北方向上的水平位移最突出,且集中在首都加德满都附近区域.USGS断层滑动模型地表最大位移量达到3.5m,CEA滑动模型最大为1.2m;东西向和垂直方向上的同震位移相对较小;同震位移量级在0.1m的影响区域可达300km;地震造成尼泊尔地区最大库仑应力变化可达到MPa量级,地震危险性依然较大.此次MS8.1地震对我国西藏地区有一定影响,特别是雅鲁藏布江地区和拉萨块体南北走向的正断层,库仑应力变化为正,量级可达数千帕乃至十余千帕,应该注意该区被诱发中强震的可能性.     

地壳流变结构控制作用下的龙门山断裂带地震发生机理

青藏高原东缘低地形变速率的龙门山断裂带上相继发生了2008汶川M_w7.9级地震和2013芦山M_w6.6级地震.地震勘探与震源定位结果揭示了龙门山区域地震空间分布特征：纵向上,龙门山断裂带这两次地震主震均发生在龙门山断裂带上地壳的底部（14~19 km）,绝大部分余震均发生在上地壳范围（5~25 km）,而在其中、下地壳深度范围内鲜见余震发生;横向上,地震（M_w>3）在龙门山断裂带青藏高原一侧密集分布且曾有大震发生,而四川盆地地震稀少（M_w>3）.为探讨龙门山断裂带地震发生机理,并解释以上龙门山区域地震空间分布特征,本文建立了龙门山断裂带西南段跨芦山地震震中区域的四种不同流变结构的龙门山断裂带三维岩石圈模型,以地表GPS观测资料为约束边界条件,数值模拟龙门山断裂带岩石圈在数千年以上长期匀速构造挤压作用下的应力积累特征,探讨了地壳分层流变性质对地壳应力积累的影响,分析了该区域地震空间分布与构造应力积累速率的关系.计算结果表明：该区域在数千年的应力积累过程中,脆性上地壳中应力表现近于恒定值的线性增长趋势,龙门山断裂带上地壳底部出现应力集中积累现象,这一应力集中现象可以解释龙门山断裂带汶川地震与芦山地震主震的发生,及其大部分余震在脆性上地壳中的触发;青藏高原一侧上地壳应力积累速率远远高于四川盆地的应力积累速率,这一应力积累分布现象可以解释龙门山区域青藏高原一侧地震密集而四川盆地地震稀少的地震空间分布特征;通过比较不同流变结构模型中的应力积累状态,认为导致这一应力积累空间分布状态的重要控制因素在于青藏高原中、下地壳较低的黏滞系数与四川盆地中、下地壳较高的黏滞系数的差异.在柔性的中、下地壳内,应力增长近于指数形式,稳定状态之后其应力增长速率近于零,构造应力积累难以达到岩石破裂强度,因而鲜见地震发生.地壳各层位的应力增长率差异与地震成层分布的现象共同揭示了龙门山区域岩石圈分层流变结构：脆性上地壳、韧性中、下地壳（青藏高原一侧较弱,四川盆地一侧较强）、韧性岩石圈上地幔.     

水库触发地震研究中二维与三维有限元模拟结果比较

紫坪铺水库蓄水载荷引起的库仑应力变化以及是否可以触发汶川M_S8.0地震是地学界关注的一个热点问题。 已有较多研究均建立在二维有限元模拟基础上, 然而二维与三维结果存在较大差异, 本文定量给出了该差异的大小。 首先比较了有限元方法与解析方法求解半无限空间点载荷下弹性问题结果, 确认了三维有限元计算在百万网格下具有足够的计算精度; 然后数值计算并比较了二维、 三维模型中紫坪埔水库蓄水的弹性力学及渗流效应。 结果表明, 总体上弹性加载会造成逆断层更趋安全, 而水压渗透使其趋于危险, 两者叠加仍然没有导致增加汶川地震危险性; 但现有的二维有限元模拟夸大了真实结果, 在汶川震源位置三维计算的应力大小仅为二维计算的1/3到1/4, 因此在严格的讨论中必须使用三维建模。