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.     

底部水平拖曳作用下岩石圈的层间耦合

建立了岩石圈的流变分层模型,利用考虑有限形变的平面应变黏弹性有限元计算程序计算了岩石圈底部水平拖曳所产生的速度场和应力场。模拟计算中使用不同的拖曳条件和阻挡条件,以研究它们对岩石圈中应力分布及层间耦合情况的影响。不同深度的阻挡对岩石圈层间耦合及整体应力水平的影响不大,但影响阻挡部位附近的应力分布特征。随着阻挡深度的加深,应力分布异常的面积略有加大,最大剪应力的数值减小。岩石圈中不同层间黏度值的差别越大,引起层间解耦的可能性越大。在正常地幔对流(对流速度为20cm·a~(-1)情况下,流变结构相似于华北地区平均流变结构的岩石圈一般不产生层间解耦,但可以产生几MPa到几十MPa的剪应力分布,且将随构造的不均一性而产生应力异常的集中区。     

中国大陆岩石层的方位各向异性

采用理论地震图与观测地震记录直接比较的方法, 研究了中国数字地震台网宽频带记录的SKS震相的剪切波分裂现象, 确定了快速S波的振动方向和慢速S波的时间延迟。结果表明, 对于所分析的8个观测台均发现了明显的S波分裂现象, 时间延迟在0.7s与1.7s之间。这种经过地幔传播的SKS震相的S波分裂现象的主要原因是上地幔的各向异性。上地幔的各向异性可以用应变引起的上地幔中的矿物质的结晶优势排列来解释。根据时间延迟估计的各向异性层的厚度, 与由上地幔中的高导层和低速层所推断的中国大陆下岩石层的厚度大致相符。在大部分台站上, 反演得到的快速S波的振动方向与由亚板块总体形变推测的结果相一致。个别台站具有较大的差异, 说明S波分裂这一观测事实的起因是复杂的。为了进一步解释S波分裂的结果, 还需要更多高质量的观测资料, 以及关于原地介质状态的更详细的信息。     

大陆弹性岩石层有效弹性厚度对岩石层形变和大地水准面的动力影响

用岩石层－地幔力学、热学耦合模型,以俯冲带为例,研究大陆岩石层不同的有效弹性厚度对岩石层形变和大地水准面起伏的动力影响。数值结果显示大陆岩石层有效弹性厚度的作用象一低通滤波器,它抑制岩石层形变和大地水准面起伏的高频分量。随着有效弹性厚度的增加,岩石层的形变和大地水准面起伏不仅幅度减小,其形状变化也被平滑。模拟结果表明,在进行大陆岩石层动力学过程的研究中,只有充分考虑大陆弹性岩石层有效弹性厚度的动力     

球层岩石层模型对表面荷载的响应

本文给出了在球层模型下,地球岩石层对表面荷载响应的解析解。计算了地球岩石层对圆盘形荷载和正弦型荷载的响应,及由此产生的重力异常。结果表明:1.岩石层弯曲不仅与其厚度有密切关系,而且与荷载尺度有关。当岩石层厚度与荷载尺度相比很小时,其弯曲与厚度关系不大,并呈现薄板效应。2.弹性模型岩石层在外加荷载下能承受数千巴的弯曲应力。3.弯曲应力在岩石层中的分布较为规则。由于大尺度荷载下岩石层出现薄板效应,传统的由弯曲刚度估算等效岩石层厚度的部分结果需要重新估价。     

球层岩石层模型对表面荷载的响应

本文给出了在球层模型下,地球岩石层对表面荷载响应的解析解。计算了地球岩石层对圆盘形荷载和正弦型荷载的响应,及由此产生的重力异常。结果表明:1.岩石层弯曲不仅与其厚度有密切关系,而且与荷载尺度有关。当岩石层厚度与荷载尺度相比很小时,其弯曲与厚度关系不大,并呈现薄板效应。2.弹性模型岩石层在外加荷载下能承受数千巴的弯曲应力。3.弯曲应力在岩石层中的分布较为规则。由于大尺度荷载下岩石层出现薄板效应,传统的由弯曲刚度估算等效岩石层厚度的部分结果需要重新估价。     

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．     

青藏高原物质东流的岩石层力学背景探讨

利用地表大地球热流观测资料、岩石生热率及热导率数据研究了三江和四川盆地6个地区的岩石层平均温度结构及强度分布。结果表明，整个三江地区岩石层温度较高，而四川盆地温度较低；在岩石层强度分布上，四川盆地为高强度区，而三江地区则为低强度区；整个三江地区构成了一条青藏高原物质流的低强度通道；由于四川盆地高强度块体的阻挡，青藏高原向东的物质流在此转向近南向，沿三江地区流逸；不同岩石层块体的强度差异可能是控制高原物质流动态势的重要力学背景之一。     

海洋板块俯冲作用下上覆大陆岩石层减薄机制的动力学模拟

几乎所有大陆岩石层的减薄现象,可能都与海洋板块的俯冲作用相关,但是两者之间的内在联系迄今仍不十分明确,为此,我们设计了一系列包含洋-陆俯冲系统的二维数值模型,来探讨海洋板块的俯冲作用对上覆大陆岩石层变形行为的影响,尤其对大陆岩石层减薄效应的制约.模型结果表明,海洋板块俯冲过程中的地幔楔熔体对大陆岩石层地幔的热侵蚀以及由熔体上升所诱发的地幔局部对流的强烈扰动会导致上覆大陆岩石层的减薄效应.这种效应不仅表现在横向上的向陆内蔓延,还表现在垂向上的向浅部发展.且多类动力学参数都能制约大陆岩石层的减薄效应.具体地,随着汇聚速率和洋壳厚度的增加,上覆大陆岩石层在横向上的减薄范围越大,在垂向上的减薄程度也越深;而随着俯冲海洋板块年龄的增加,上覆大陆岩石层在横向上的减薄范围增大,但在垂向上的减薄程度会减小;随着上覆大陆岩石层厚度的增加,其横向减薄范围会减小,但在垂向上的减薄程度会加深.本文研究成果能为揭示华北克拉通减薄/破坏的动力学过程提供一定的理论参考依据.

     

岩石圈塑性流动与大陆板内构造变形研究进展评述

人们对大陆板内构造变形机制有两种不同认识,即“刚性”板块通过弹性实现应力远程传递和岩石圈通过下层塑性流动实现应力远程传递。通过对岩石圈各层变形属性和塑性流动的研究。认为通过处于塑性状态的下地壳和岩石圈地幔的塑性流动实现应力远程传递和控制板内构造变形更为合理。     

岩石圈流变机制的确定及影响岩石圈流变强度的因素

讨论了确定岩石圈流变强度中存在的问题，根据Byerlee定律，给出了在Anderson断层系统下三种断层的摩擦滑动强度公式，利用小标本实验结果外推，用大标本实验结果作约束，得到岩石圈几种典型岩石的脆性破裂规律，利用上述结果和传统的方法，分别得到了鄂尔多斯和山西裂谷两个典型地区的流变强度随深度的变化。结果表明，以往的计算对岩石圈流变强度的估计过高，对脆性形变区估计不足，流变机制估计不对；岩石圈有力学分层的特性，但各地分层的深度范围不同，使得成层和力学作用变得复杂，讨论了水、应变率以及多相矿物对流变强度的影响。     

中国大陆岩石圈有效弹性厚度与强震构造区力学特征研究

研究中国大陆强震区岩石圈力学特性对理解该区强震孕育环境及发生机理具有重要意义。岩石圈有效弹性厚度(T_e)及初始载荷比(F)与大陆岩石圈力学特征紧密相关。本文利用导纳和相关函数联合反演方法以及贝叶斯最优参数估计方法,基于全球最新的WGM2012重力异常数据、 ETOPO1地形数据和CRUST1.0模型的Moho面深度数据,计算中国大陆岩石圈有效弹性厚度(T_e)和初始载荷比(F)。通过对比分析,探索该地区岩石圈T_e、F、T_e梯度和F梯度对强震孕育环境的影响作用。本文发现,强震构造区岩石圈一般具有较低的T_e值、较高的T_e和F梯度值。结果表明,岩石圈综合力学强度较低且力学强度和内部载荷变化剧烈的地区,往往更有利于强震的孕育。     

岩石圈内的流体通道研究概述

强震孕震环境是一个非常复杂的物质体系，它决定了地震前兆的形成机制，因此，在地震预报基础理论研究中，与强震孕震环境有关的深部物质的物理化学性质的研究具有重要的意义。深部地下流体在地震的孕育和前兆的形成过程中起了极其重要的作用，要研究深部地下流体的活动规律，首先必须研究岩石圈内的流体通道问题。同时，岩石圈内的流体通道也是火山研究中必须面对的一个重要问题。文章在全于流体通道网研究的基础上，简要介绍了岩石圈内流体通道的形成机制、主要特征、研究方法、科学意义和研究展望。     

Velocity and Density Heterogeneities of the Tien-Shan Lithosphere

—The Tien-Shan orogene is a region in which the earth’s crust undergoes considerable thickening and tangential compression. Under these conditions the lithosphere heterogeneities (composi tion, rheological) create the prerequisites for the development of various phenomena of tectonic layering (lateral shearing, different deformation of layers). To study the distribution of velocity, density and other elastic parameters, the results from a seismic tomography study on P-wave as well as S-wave velocities were used. Using empirical as well as theoretical formulas on the relationship between velocity, density and silica content in rocks, their distribution in the Tien-Shan’s lithosphere has been calculated. In addition, other elastic parameters, such as Young’s modulus, shear modulus, Poisson’s ratio and coefficient of general compressions have been determined. Zoning of different types of crust was carried out for the region investigated. The characteristics of the "crust-mantle" transition have been investi gated. Large blocks with different types of the earth’s crust were distinguished. Layers with inverse values of velocity, density and shear and Young modulus are revealed in the Tien-Shan lithosphere. All of the above described features open new ways to solve geodynamics problems.     

Seismic Tomography of the Lithosphere with Body Waves

— A pair of papers in 1976 lead-authored by Kei Aki heralded the beginning of the field of seismic tomography of the lithosphere. The 1976 paper by Aki, Christoffersson, and Husebye introduced a simple and approximate yet elegant technique for using body-wave arrival times from teleseismic earthquakes to infer the three-dimensional (3-D) seismic velocity heterogeneities beneath a seismic array or network (teleseismic tomography). Similarly, a 1976 paper by Aki and Lee presented a method for inferring 3-D structure beneath a seismic network using body-wave arrival times from local earthquakes (local earthquake tomography). Following these landmark papers, many dozens of papers and numerous books have been published presenting exciting applications of and/or innovative improvements to the methods of teleseismic and local earthquake tomography, many by Aki's students.¶This paper presents a brief review of these two types of tomography methods, discussing some of the underlying assumptions and limitations. Thereafter some of the significant methodological developments are traced over the past two and a half decades, and some of the applications of tomography that have reaped the benefits of these developments are highlighted. One focus is on the steady improvement in structural resolution and inference power brought about by the increased number and quality of seismic stations, and in particular the value of utilizing shear waves. The paper concludes by discussing exciting new scientific projects in which seismic tomography will play a major role — the San Andreas Fault Observatory at Depth (SAFOD) and USArray, the initial components of Earthscope.     

结构附加粘滞阻尼器的抗震设计

本文结合抗震设计规范反应谱,给出了一个附加非线性流体粘滞阻尼器结构的抗震设计方法。研究了非线性阻尼器的力学特性,引入了非线性流体阻尼器的等效线性阻尼比,给出了计算最大加速度时刻附加非线性流体阻尼器结构反应的荷载组合系数,提出了按阻尼力的水平力分量与楼层剪力成正比的原则分配阻尼器阻尼系数的方法。同时给出了基于抗震规范设计反应谱附加非线性阻尼器结构的设计流程,通过一个算例说明了使用该方法设计附加非线性粘滞阻尼器结构的全过程。算例分析表明,这种设计方法适合于手算,便于设计人员掌握,在初步设计阶段可以快速、有效地设计满足给定性能水平的附加非线性流体阻尼器体系。