青藏高原东缘龙门山断裂带南西段地震危险性分析

2008年5月12日汶川8.0级大地震发生在位于青藏高原东缘、南北地震带中段的龙门山断裂带中北段,该地震破裂自初始破裂点开始,沿龙门山断裂带中央及前山断裂呈NE向单侧扩展;龙门山断裂带南西段在本次地震中并未参与活动.     

青藏高原-天山大陆内部地壳变形三维数值模拟研究

大量研究事实证明,板块相互作用除了在板块边缘产生地壳强烈变形外,其应变可以扩展到远离板块边界的大陆内部,对板块相互作用的远程效应以及大陆内部地壳变形的动力学机制目前仍然有争议.本文结合前人对大陆岩石圈流变学研究的知识和现代GPS观测结果,应用三维有限元数值模拟技术探讨了印度大陆向北推挤与青藏高原-天山地壳变形的动力学关系.模拟地壳的流变学用Maxwell黏弹性模型近似,印-藏的汇聚速度用大量GPS观测的速度边界约束,而欧亚大陆内的远程边界用弹簧约束.在重力方向上,模型考虑了重力加载和位于深部的静岩压力边界.通过大量模型的计算,在均一的地壳流变学框架下印-藏汇聚的应变使研究区内发生整体隆升;然而当考虑青藏高原,塔里木地块和天山等区域中地壳流变学可能存在的横向不一致时,可以发现印藏汇聚的应变经青藏高原吸收后可以跃过塔里木导致天山地区的强烈变形.这暗示新生代以来发生在天山地区强烈地壳变形的动力学可能与印-藏汇聚过程中青藏高原-塔里木天山一带岩石圈流变学存在横向不均一有关.这对我们进一步认识板块相互作用的远程效应和大陆内部岩石圈变形机制有一定理论意义     

青藏高原东缘岩石圈结构对现今地表垂向运动影响的数值分析

参考青藏高原东缘松潘-甘孜地块至四川盆地陡变地形起伏和地壳密度结构的横向差异,本文建立了二维牛顿黏性流体有限元模型,计算分析构造加载、陡变地形和重力效应控制下青藏高原东缘岩石圈变形特征,探讨横向不均匀的地壳密度结构、陡变地形和岩石圈流变性质对区域现今垂向运动的影响.计算结果显示：在构造加载作用下,松潘-甘孜地块至四川盆地地表抬升微弱.区域横向不均匀的地壳密度结构驱使松潘-甘孜地块地壳整体抬升,速率高达2 mm·a^-1,四川盆地整体下沉,速率约1 mm·a^-1,与龙门山两侧现今观测到的地表垂向变形模式相近.龙门山地区陡变地形驱使柔性地壳流动,调整区域地壳局部变形;岩石圈流变结构影响重力驱动作用下的模型变形量值和岩石圈变形耦合程度,松潘-甘孜地块较低的中地壳黏滞系数引起上、下地壳的变形解耦;模型较高的岩石圈地幔黏滞系数使重力驱动作用下区域垂向变形量降低.因此,青藏高原东缘地壳密度结构差异、地形起伏和岩石圈流变性质是现今区域垂向变形的重要动力学控制因素.

     

青藏高原现代地壳运动与活动断裂带关系的模拟实验

本文以GPS观测、大地热流测量、较高精度地形数据、全球板块相对运动的REVEL模型为基础,建立了以青藏高原现代构造活动为主要研究对象的东亚地区构造形变场有限元模型.数值模拟结果显示,青藏高原内部和周边地区走滑断裂带的活动对东亚地区地壳运动速率和方向有较大的影响,特别是对青藏高原物质向东南方向运动有显著影响;不同构造块体岩石圈强度的差异直接影响了川滇菱形地块边界断层错动性质.在考虑青藏高原地形附加重力作用和周边板块汇聚作用对现今大型断裂带运动特征控制作用的同时,岩石圈之下的橄榄岩软流圈至转换带物质对流对岩石圈的拖曳力也是必须考虑的底部边界条件.     

青藏高原东缘变形机制的讨论: 来自数值模拟结果的限定

青藏高原东缘的地壳结构是两种主流青藏高原隆升模式争辩的焦点之一.中下地壳流曾经被认为是高原东缘隆升的主要构造驱动力,但是中上地壳之间低阻低速层的发现及其与2008 MS8.0汶川地震良好的对应关系表明,高原东缘具有向东刚性挤出的可能性.然而大部分关于龙门山断裂的数值模拟仍建立在下地壳流的基础上,仅将低阻低速层作为断裂的延续或是弱化地壳物性参数的软弱层,而非能够控制块体滑动的"解耦层",也没有考虑到刚性块体变形中的断裂相互作用.本文建立了包含相互平行的龙门山断裂与龙日坝断裂的刚性上地壳模型,用极薄的低阻低速层作为块体滑动的解耦带,采用速率相关的非线性摩擦接触有限元方法,基于R最小策略控制时间步长,计算了在仅有侧向挤压力作用下,低阻低速层对青藏高原东缘的刚性块体变形和断裂活动的作用.计算结果显示,低阻低速层控制了刚性块体的垂直变形和水平变形分布特征.在侧向挤压力的持续作用下,在低阻低速层控制下的巴颜喀拉块体能够快速隆升,而缺乏低阻低速层的四川盆地隆升速度和隆升量均极小,隆升差异集中在龙门山断裂附近,使其发生应力积累乃至破裂.龙日坝断裂被两侧的刚性次级块体挟持着一起向南东方向运动,但该断裂的走滑运动分解了绝大部分施加在块体边界上的走滑量,使得相邻的龙门山次级块体的走滑分量遽然减少,也使得龙门山断裂表现出以逆冲为主,兼有少量走滑的运动性质.本文所得的这些计算结果显示了在缺乏中下地壳流,仅在低阻低速层解耦下刚性块体隆升过程及相关断裂活动,提供了青藏高原东缘刚性块体挤出的可行性,为青藏高原东缘隆升机制的研究讨论提供了重要依据.     

青藏高原东缘上地壳的拱起冲断作用与汶川地震的动力学机制

根据数字高程分析,青藏高原东部在侧向生长的过程中,其东缘的高程在龙门山一带不仅没有衰减,反而在强烈侵蚀的地表环境下,有600m左右的增高,隆起范围可达到150km宽,远远大于龙门山断裂带的宽度（图1）。野外地质调查与区域地质构造分析也揭示,龙门山一带上地壳的汇聚作用表现为松潘-甘孜块体东缘的褶皱拱曲与扬子克拉通西缘的高角度叠瓦状冲断,     

青藏高原通道流模型动力环境的数值模拟

"中、下地壳流"模型作为一种可能的动力学演化机制,在解决诸如喜马拉雅造山带和青藏高原东缘、南缘等区域地壳中岩层的通道流或韧性剪切挤出等方面的解释给出了相应的模型和阐述.本文基于青藏高原壳、幔介质平均速度模型,采用二维黏弹性数值模型对高原下地壳物质流动的动力学边界条件进行探讨.研究结果表明:(1)青藏高原下地壳与上地幔盖层物质作为坚硬的固态物质相接,不具备可运动的边界条件,难以在Moho界面处任意地域发生相互运动.壳、幔介质中需存在可供物质高速运动的边界条件,即以上地壳底部的低速层为上滑移面,以上地幔软流圈顶部为下滑移面,才有可能在足够强的力系作用下促使"下地壳+岩石圈盖层"物质发生同步运移;(2)若不具备这样的初始与边界条件是难以产生深部物质运移的.因此,青藏高原深部壳、幔物质运动不可能是普遍存在的,只能是局部和在特异环境下才能实现.     

青藏高原下地壳流动方式的数值模拟研究

青藏高原存在柔性下地壳流动被越来越多的学者接受, 但是关于下地壳流动方式及速度存在争议。 地表运动有GPS等直接测量, 上地幔运动有S波分裂间接反映, 下地壳运动目前没有直接观测手段, 使得开展数值分析非常重要。 本文利用三维球壳黏弹性有限元模型研究了青藏高原下地壳柔性流动方式和流动速度。 本文通过对地表GPS观测资料的拟合与不同数值模型的对比分析, 认为青藏高原柔性下地壳东向流动遇到四川盆地的抵阻, 下地壳物质可能仅在高原东南方向存在物质外溢通道, 而在高原东北方向不存在类似的物质通道; 下地壳的流动速度比地表运动速率每年快几毫米至十几毫米, 对应的黏滞系数为10¹⁸~10¹⁹ Pa·s。     

哈山冲断带构造变形数值模拟

岩石圈流变结构是控制大陆碰撞造山的重要因素.哈山冲断带的构造变形、地表地形与青藏高原周缘冲断带差异较大,指示需要开展地壳流变学研究.本研究采用二维数值模拟,设计了盆山上地壳强度横向差异的单因素实验,模拟结果分析表明：若上地壳强度山弱盆强,构造变形集中于造山带,断块垂向叠置造成造山带隆升,使地表地形的构造高点位于造山带;若上地壳强度山强盆弱,构造变形集中于冲断带和盆地,盆山相互作用造成地表地形的构造高点位于冲断带,而非后陆.本文基于此单因素实验,模拟了哈山冲断带构造演化,发现哈山冲断带晚二叠世发育推覆构造后,构造变形逐渐减弱,扩展方式由前展式变为后展式,基底倾向由向后陆变为向前陆.结合哈山及龙门山的多学科观测资料,本文认为哈山和龙门山冲断带的构造变形、地表地形分别符合地壳强度山强盆弱模式和山弱盆强模式.研究成果可以为中西部冲断带的地球动力学模型和实验模型的搭建提供一定启示,同时对研究区内构造控藏分析和油气勘探具有指导意义.     

基于精密水准数据的青藏高原东缘现今地壳垂直运动与典型地震同震及震后垂直形变研究

发生在新生代早期的印度板块和欧亚板块间的碰撞不仅形成了喜马拉雅造山带,还造就了一个以独特的地势高度、地貌、地质环境、自然环境等特征而闻名于世的青藏高原.自19世纪中期普拉特和艾利等创立地壳均衡论以来,青藏高原的形成、演化及隆升机制的问题一直就是国际大陆动力学理论研究的核心和前缘热点.目前,已有许多学者提出了各种动力学模型试图解释青藏高原的隆升、演化之谜,这些模型和模式的提出对我们理解青藏高原的隆升机制起到了积极的启发和推动作用.不同的隆升机制会在青藏高原周缘尤其是东缘地区产生完全不同的形变模式.因此,研究青藏高原东缘三维地壳形变可为高原深部结果和动力学演化过程提供重要的定量数值边界条件,有助于理解高原隆升的地球动力学机制.     

昆仑山断裂带围陷波的有限差分数值模拟解释

利用交错网格有限差分方法对昆仑山断裂带人工爆破产生的围陷波进行了三维数值模拟解释.为提高断裂带最终模型的可信度,在围陷波模拟的同时考虑了人工爆破记录的三个分量.对昆仑山断裂带围陷波的模拟结果表明,影响围陷波特性的断裂带深度主要在1.0 km以内.S波速度和断裂带宽度对围陷波的到时、频率、振幅和相位影响较大.数值模拟解释获得的昆仑山断裂带的细结构参数是：浅部断裂带宽度为300 m,深部为250 m;深度在400 m以上断裂带内S波速度为0.98 km/s,外部围岩S波速度为1.70 km/s,Q值为13.8;S波速度和Q值随着深度的增加而增加;1000 m以下断裂带内S波速度为2.80 km/s,围岩S波速度为3.3 km/s.     

则木河断裂带大箐断层枢纽运动的有限元数值模拟研究

变形局部化问题和地震成核问题,是构造变形机制与大地震研究中极其重要的问题.对走滑断裂的运动和走滑型地震而言,断裂枢纽运动是断裂带上变形局部化和地震成核孕育的条件,认识这一运动过程和机制是了解走滑断裂上地震孕育、发生机制的关键之一.本文在前人工作的基础上,以则木河左旋走滑断裂大箐断层为例,测量了大箐断层大箐梁子断头沟台地-五道箐盆地之间的构造和地貌变形,揭示了大箐走滑断层枢纽运动构造和地貌四象限分布的特点,并且在定量分析其枢纽运动的基础上,利用数值模拟方法,模拟了断裂的枢纽运动,结果表明,走滑断裂的枢纽运动表现出典型的掀斜特征,随着断层面倾角的减小,枢纽运动程度加深;随着断层面闭锁区面积的增大,枢纽运动明显受阻;发现在闭锁区及其附近存在一个应力集中区使得应力由外向内一直处于积累状态,反映了地震的成核过程.     

龙门山断裂带中段及邻区构造变形特征及应力场演化的数值模拟研究

根据龙门山断裂带中段及邻区的主要构造特征,同时考虑地壳速度结构和构造运动的深浅部差异,建立该地区的二维接触有限元模型,数值模拟了长期构造过程中断裂带位移和应力的时间演化过程。结果显示:①汶川—茂县断裂、映秀—北川断裂、灌县—安县断裂的逆冲速率与实际观测结果基本一致,映秀—北川断裂逆冲性质最强,巴颜喀拉块体和断裂带区域呈水平缩短与增厚抬升趋势,四川盆地保持相对稳定;②断裂带附近岩体大小主应力比随深度增加而减小,总体上与实际测试结果相符,且主应力轴方向和倾角与利用震源机制解反演得到的构造应力场特征亦较为接近;③龙门山断裂带中段区域构造应力场呈低态稳定—应力累积—临界稳定的阶段式演化过程,与该区所处的应力累积—地震发生—应力再累积的地震活动特征相呼应。此外,仅根据地表调查和震前GPS观测所揭示的断裂活动速率评价活动断裂区的地震危险程度具有一定局限性,需结合其深部动力学过程和区域应力状态进行综合分析。     

郯庐断裂带宿迁段合欢路土壤氡分布特征与迁移特征的数值模拟

沿郯庐断裂带宿迁段合欢路布设土壤氡测线并对测得的数据进行分析研究,结果表明研究区域内土壤氡探测结果对断裂带位置、断层类型和特征有较好的指示性。在已知场地地质构造参数、地层岩性特征的基础上,建立土壤氡迁移模型。建立模型时识别了断裂类型和覆盖层分层特征,并讨论了断层内部结构与氡浓度取值,使模型与实际情况相等。数值模拟结果印证了土壤氡异常峰区间在圈定断裂位置和断层破碎带中的重要作用,揭示了氡在不同覆盖层中的迁移速度,并定量解释了合欢路场地断层土壤氡异常的成因。     

青藏高原Moho界面起伏样式对通道流模型的动力学响应——基于数值模拟

青藏高原的高精度人工源深部地震探测发现：壳-幔边界（Moho）并非是一物理学上的“刚性”界面,它不仅起伏变化强烈,极为凹凸不平,而且被一系列规模不一,产状各异的深大断裂所切割,故必然会导致复杂的地表和深部物质运移动力学响应的复杂化.在常见的通道流模型中,一般均设定下地壳与上地幔之间为一平缓界面,在数值模拟工作中亦常简化为平滑的约束界面.为此,基于青藏高原实际资料提取的壳、幔介质平均速度模型,采用黏弹性数值模型讨论Moho界面起伏变换样式对通道流模型产生的响应.研究结果表明：（1）通道流效应的影响仅限于小区域内,当Moho面存在起伏样式变化时,确会对通道流产生影响,Moho界面的起伏增强了下地壳和岩石圈地幔的同步运动效应,但是其影响范围是有限的;（2）Moho界面起伏形态变化对地表和Moho界面水平位移产生的影响各异,在Moho界面发生错断的地方,呈现为地表水平位移开始发生明显加速减小的地方,即地表与深部介质水平位移解耦,模型深部动力学效应与地表的响应并非为局部性效应,而至少体现出区域性的响应.     

地球动力学问题的数值模拟研究——以青藏高原现今隆升研究为例

以青藏高原地区为研究对象,考虑活动地块分区和主要断裂带,建立能反映地表起伏和分层结构的岩石圈三维粘弹性有限元模型。选取合适的模型参数、边界条件和加载条件进行计算,模拟了青藏高原地区的现今垂直隆升速率。研究表明,印度板块对欧亚板块的向北推挤作用是高原隆升的主要动力源。下地壳和岩石圈上地幔在印度板块的向北推挤下不断增厚,从而维持青藏高原地区现今的持续隆升状态。     

龙日坝断裂带晚第四纪活动及其与周边断裂的运动学关系

正欧亚板块与印度板块的碰撞,导致了青藏高原的大幅度隆升,并造就和改变了整个欧亚大陆的构造格局,对亚洲地区的气候与环境产生了重大影响。同时,还造成了青藏高原向东运动。青藏高原东缘形成了整个高原最为陡变的地形梯度,是目前研究青藏高原向东运动及青藏高原东缘隆升机制的重要场所。2008年汶川MS8.0地震造成了龙门山断裂带的破裂,这更激发了对青藏高原东缘隆升机制研究的兴趣。关于青藏高原东缘的变形机制主要有两个     

1976年唐山大震发生对华北地区各地块运动与变形影响的数值模拟研究

用非连续变形分析方法(DDA+FEM)数值模拟在华北地区各地块相互制约的构造环境中,发生1976年唐山地震的动力学过程;研究大震引起的华北地区各地块特别是鄂尔多斯地块运动变形及各地块边界断层上应力状态变化的特征。采用的1976年唐山地震复杂震源模型由3个子事件组成:北北东走向的主破裂,与主破裂北东端部相连接的北东走向子事件以及位于主破裂南东侧的北西走向的子事件,同前人的结果比较,这个模型与该震早期余震分布图像的位置更为相符。计算得到了地震释放的主应力场,最大剪应力变化等值线图,大震邻近地区地块滑移变形图,发震断层滑移距离随时间的变化以及最大走滑错距和应力降等震源参数,这些结果与该震的震源机制解,震源参数,宏观等震线,地表观测的水平位移矢量图基本一致。唐山地震的发生使得与其邻近的地块及边界断层受到不同程度的影响,发生了不同规模的移动和变形,鄂尔多斯地块似乎发生了整体性小规模的逆时针转动及变形,其中鄂尔多斯地块东北部与太行山,燕山,阴山地块交接带的相对运动变形较大,唐山地震的发生也引起了华北地区各地块边界断层上的应力状态发生了一定程度的变化,其中通过唐山震区的张家口-蓬莱北西走向断裂带以及鄂尔多斯地块北部边界断层的主要地带上剪应力增加而法向应力减小,使这些断裂带的地震危险度增加。这与唐山地震后鄂尔多斯地块北部边界断层上发生一系列6级强震的事实基本相符。     

基于InSAR地表形变约束的玛多MS7.4地震孕育发生机理数值模拟研究

2021年5月22日在青海玛多发生MS7.4 地震,此次地震造成了严重的地表破坏.本文通过合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术得到了 Sentinel-1 升、降轨同震地表形变、东西方向和垂直方向的同震形变场.并根据东西向地表的错动,勾画出了地震破裂面分段结构.以 InSAR地表形变观测为约束,构建了能反映玛多地震破裂特点的三维黏弹性有限元模型,模拟得到了玛多地震的三维同震形变及应力场变化和演化特征,讨论了玛多地震的成因及玛多地震的发生对周边断层的影响.结果显示:玛多地震为典型的左旋走滑型地震,其中东部错动量相对较大;玛多地震的余震都分布在库仑应力升高的影区,说明玛多地震序列使得断层上积累的应变得到了充分的释放,未来余震的发生会朝西南和东北方向发展.玛多地震的发生形成了多个应力强加载区,推测玛多地震的发生大大增加了部分临近断裂带滑动的可能.2010年玉树 7.3 级地震引起的库仑应力变化在玛多地震主破裂面上的投影为正数,推测玉树地震对玛多地震具有促进作用.研究结果可以为大震后的余震分布判断提供定量参考依据.     

铲形逆断层和平行逆断层体系的破裂特征——以龙门山断裂带中段为例的数值模拟

汶川地震是有地震历史记载以来首次发生在大陆内部的高角度8级逆冲强震,给板内逆冲强震研究提供了许多新的课题。论文主要开展了以下两方面的研究:(1)近地表陡倾角铲形逆断层的破裂特征研究。基于龙门山断裂带中段动力学背景建立有限元模型,系统地研究近地表陡倾角铲形逆断层(本文所称近地表陡倾角铲形断层,要求近地表倾角至少≥65°)的破裂特征,并探讨了汶川地震逆冲滑动量随深度分布形态所可能蕴含的地壳信息。对于近地表陡倾角铲形断层,在断层倾向的高强度挤压下,断层近地表部分对逆冲破裂和滑动有一定的阻碍作用;铲形断层的近地表倾角越陡,陡倾角部分的深度范围越大,断层近地表部分对逆冲破裂和滑动的阻碍作用会越明显;近地表陡倾角的铲形断层形态和巴颜喀拉块体的高强度挤压很可能是形成汶川地震逆冲滑动量随深度分布形态的重要原因,无地表破裂的前期地震并不是造成汶川地震滑动量随深度分布特征的必要条件。(2)平行逆断层体系中断层活动之间的相互影响研究。讨论了分布距离对平行逆断层地震活动规律的影响,并定量地评估了汶川地震中前山断裂同震逆冲破裂对中央断裂逆冲破裂释放的影响。同震破裂实验结果显示:在同震逆冲破裂中,前山断裂和中央断裂的破裂释放之间有一定的替代关系;汶川地震中,由于前山断裂发生同震逆冲破裂,中央断裂相应段落逆冲破裂释放很可能降低了约10%,减少的标量地震矩约为9.54×1018 N·m。平行逆断层长期挤压破裂实验结果显示:在龙门山断裂带的动力学环境和浅层构造背景下,当平行逆断层之间的距离在20km以下时,两条平行逆断层会在破裂释放上形成主次关系,距离越短,主次关系越显著;两条平行逆断层之间发生同步逆冲破裂的比例很低,受平行逆断层之间距离的影响也很小;两条平行逆断层之间发生同步地表逆冲破裂的比例更低,在龙门山动力学机制和浅层构造背景下,距离在10~20km左右时,平行逆断层之间最容易发生同步地表逆冲破裂。结合龙门山断裂带中段的实验结果显示:后山断裂的地震活动很可能相对独立;12km的距离使得中央断裂和前山断裂之间发生同步地表逆冲破裂的风险相对较高,这很可能是导致汶川地震中出现同震地表破裂的一个重要原因。