大陆俯冲-碰撞-折返的动力学数值模拟研究综述

大陆板块通常紧接着大洋俯冲的完结而开始俯冲和碰撞,并可能伴随着高压-超高压变质岩石的形成和折返.基于对前人动力学数值模型的总结,大陆板块的稳定会聚过程可以大致分为6种模式:纯剪切增厚、挤压褶皱、单向高角度俯冲、单向低角度俯冲、双向俯冲以及俯冲板块的断离.同时,俯冲隧道中高压-超高压岩石的折返机制主要包含8种模式:逆冲断裂折返、褶皱挠曲折返、物质回旋折返、构造增压折返、俯冲板块"中上地壳"的整体拆离和折返、不同深度处物质周期性的韧性挤出、俯冲板块断离引发的板块后撤折返以及俯冲隧道中地壳物质穿过"破碎的"上覆岩石圈的折返.在大陆俯冲隧道中,中上地壳的弱化和拆离是物质从俯冲到折返转换的先决条件.但是物质弱化的主导机制及其在大陆俯冲隧道中的控制作用尚没有得到很好的解决.近似而言,大陆俯冲和折返的动力学机制可以等效为流体动力学中的"倾斜隧道流模式".该模式中,物质的俯冲抑或折返取决于俯冲隧道中"向下的Couette流"和"向上的Poiseuille流"这两种流动机制的竞争结果.另外,壳-幔岩石中的水对于俯冲隧道和上覆岩石圈的变形和破坏具有非常重要的作用,从而如果在模型中增加脱水和水化作用的数值算法,那么模拟的结果将可能大大区别于简单的"倾斜隧道流模式".数值模拟的另一个重要问题就是三维模型的应用,这对于研究造山带沿走向的差异性俯冲碰撞模式具有重要意义,也是该领域未来的发展方向之一.     

印度与欧亚板块碰撞的数值模拟和现代中国大陆形变

将大陆岩石层视为由幂指数律控制的一薄层,它上伏在粘滞性较低的软流层之上蠕变流动,其运动限制在与东亚大陆构造形态较相似的梯形边界模型框架之中．设印度板块以一恒定的速度向北推进,其被视为青藏高原挤压隆升的主要动力．用数值模拟的方法研究了青藏高原的挤压隆升和中国大陆形变的演化过程．模拟结果表明,计算得到的现代水平形变与现代空间大地测量技术（GPS）观测的水平形变格局较好吻合,说明印度板块与欧亚板块的碰撞、挤压是构成中国大陆内部岩石层水平形变的主要驱动力．模型计算还表明,大陆水平形变受多种因素,如岩石层的力学参数,特别是边界条件的制约．      

青藏高原及其东部邻区的三维地震波速度结构与大陆碰撞模型

自从印度次大陆与欧亚大陆碰撞以来.印度的大量地壳物质向欧亚大陆的地壳和上地幔挤入.寻找这些物质储藏的处所是了解大陆碰撞过程的关键.利用地震波层折成像方法.研究三维地震波速的结构,可为发现青藏及其邻区地壳和上地幔的异常物质提供证据.本文引用并分析地震面波和体波的层析成像结果.提出印度次大陆向欧亚大陆挤入的新模式,它不仅符合地震波速度数据,而且也和地质及地球物理现象相匹配.印度次大陆向欧亚大陆挤入的新模式可归纳如下:(1)印度次大陆的地壳向青藏的下部地壳挤入,而不是向青藏的地壳底部或上地幔的软流层挤入;(2)增多的青藏下地壳物质沿破裂的地壳底面,向东部邻区(青川滇)的上地幔软流层下插;(3)青藏中部及川滇上地幔较轻的热物质分别自地壳底面涌入地壳中;上涌物质可以达到地表附近(青藏中部)或是达到25km 深度的中地壳(川滇).视不同地区条件的不同而异.地表的张性构造和热物质的上升有密切关系.      

东亚大陆形变应力场格局演化的数值模拟

用数值模拟方法研究了印度板和欧亚板块碰撞后４０Ｍａ以来青藏高原的挤压隆升、东亚大陆形变及应力场的演化过程。模型将东亚大陆限定在一梯形边界框架之中,大陆岩石层被视为由幂指数律控制的薄层,它上伏在粘滞性较低的软流层之上蠕变流动。模型设定印度板块以５ｃｍ／ａ的恒定速度向北推进,并视其为青藏高原挤压隆升的主要驱动力,除此可活动边界之外,其余均被设为固定边界,数值模拟结果表明,模型预测的现代水平形变速度和Ｇ     

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     

太湖水动力学三维数值试验研究─1.风生流和风涌增减水的三维数值模拟

本文建立了太湖风生流和风涌增减水的一个三维数值模型,该模型可对垂直方向进行多层次划分,且各计算网格点层数一样。模拟计算了１９９７年８月的１１号台风对太湖水位和湖流作用,用环湖六个水位站水位过程资料对模型计算出的水位进行了验证,并用太湖梅梁湖湾口的实测流速资料对模型计算出流场进行了校验。     

三维数值模拟研究俯冲区火山的时空活动性

俯冲板块的深部脱水使得上覆地幔含水, 从而降低含水地幔的熔点, 导致上覆地幔部分熔融。 部分熔融的地幔柱一旦喷发到地表就是俯冲带火山, 也形成新的地壳。 相对于周围的地幔来讲, 具有较小密度和黏度的部分熔融地幔的时空活动性就控制着俯冲带火山的时空分布特征。 本文主要回顾近年来运用三维热力学岩石力学模型数值模拟研究与板片脱水相关的俯冲带火山活动的时空分布特性。 结果表明, 部分熔融地幔的有效黏度和密度是影响俯冲板片之上的三维地幔柱横向分布特征的主要因素。 高黏度的部分熔融地幔(10²⁰~10²¹ Pa·s )易于形成近平行于海沟的、 长波长(70~100 km)的、 薄的波状地幔柱; 低黏度(10¹⁸~10¹⁹ Pa·s )的熔融地幔易于形成平行于海沟的, 短波长(30~50 km)的蘑菇状地幔柱和垂直于海沟的山脊状地幔柱。 当部分熔融地幔和周围地幔的密度相差小于50 kg/m³时, 在俯冲板片之上只能形成长波长低幅度(宽50~100 km, 高10~15 km)的地幔山丘。 岩浆产率随着时间的变化反映了火山活动的生命周期性。 板块俯冲速度会影响地幔柱形成的深度和范围大小。 高效率熔融提取会增加新地壳增长总量。 低的板块俯冲速度和低的熔融提取效率会增加上地壳(花岗岩质)和中地壳(英安岩质)化学成分的比例。 数值模拟结果可以很好地解释如日本东北、 新西兰、 南阿拉斯加俯冲区火山的横向分布特征。     

中国大陆及周边地区现代岩石圈演化动力学模拟

采用有限元方法模拟了近20万年来青藏高原岩石圈形变演化过程,探讨了印度-欧亚大陆的碰撞对中国大陆岩石层形变和应力场的影响以及它们与强地震活动性的关系.结合现代GPS、地震和地质学观测的结果,对比分析了中国大陆在百万年、十万年和十年尺度上的形变和构造应力场的基本格局.研究表明：（1）印度-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.（2）断层滑移和重力势作用对于青藏高原东西部以及塔里木盆地的影响相当大,它们导致青藏高原岩石层东西向形变速率增大,对青藏高原的中南部地区产生拉张效应,同时导致塔里木盆地出现整体的右旋趋势.（3）青藏高原区域水平方向形变速率和GPS观测结果吻合较好.但在垂直方向上,一些地区计算结果与观测数据相差较大,这说明单纯的挤压作用不是现代青藏高原隆升的惟一机制.现代青藏高原的隆升可能与其他驱动机制,如地幔对流、重力均衡以及剥蚀作用等有关.（4）印度板块的挤压作用基本上决定了中国大陆西部的主压应力场分布.（5）印度板块的碰撞对中国大陆的强地震活动性有重要影响,但华北地区是个例外,该地区的地震活动性很强而印度板块的挤压在该区域产生的影响却很小,说明其他的驱动力在一定程度上活化了华北地块.     

大陆碰撞过程中的多地体变形模式

几乎所有的大陆碰撞造山带都含有多个增生地体,它们是大陆造山带的重要组成部分.前人对地体拼贴过程及其相应地质记录都做过详细探讨,但对后期大陆持续汇聚过程中的多地体之间的变形行为及拆离模式目前研究得仍较为薄弱.为此,我们以"两地体"结构为代表,通过系统的动力学模型试验,来探讨多地体流变结构及其几何参数对大陆碰撞动力学过程的影响.模型结果显示,大陆碰撞过程中的地体变形行为主要受控于靠近主碰撞带的地体流变强度(确切来说是地壳流变强度,下同)及其几何宽度,而与远离主碰撞带的地体流变和几何属性关系较弱.同时,模型结果也揭示出大陆碰撞造山带中地体之间的相互俯冲仅发生在靠近主碰撞带一侧地体较宽的情况下,且总是弱地体向相对强的地体之下俯冲.该研究成果不仅对喜马拉雅—青藏高原造山带中地体变形演化给予重要的动力学启示,也对含有多地体结构的碰撞造山带的动力学演化研究提供一定的理论支撑.     

MODELING OF THE DIVERSION CHANNEL CLOSURE FOR THE THIRD STAGE OF THE THREE GORGES PROJECT

The closure of third stage diversion channel for the Three Gorges Dam is characterized by large closure discharge, large drop in water surface, and high gap velocity. 1D and 2D flow mathematical models were used in this paper to simulate the hydraulic conditions during the closure. The variation of discharge in the diversion channel and the drops in water surface shared by the upstream and downstream cofferdams were computed using the ID model, and the detailed hydraulic patterns in the diversion channel were simulated using the 2D model. The computed results indicate that the designed closure scheme for discharge of 9,010 m^3/s was feasible for construction, while the designed closure scheme for discharge of 12,200 m^3/s was inapplicable.     

增厚大陆岩石层热边界层对流剥离的数值模拟

用数值模拟方法模拟了增厚大陆岩石层热边界层被对流地幔剥离并为软流层物质替代的动力学过程．结果表明,在初始温度分层分布、侧向均匀但存在微小热扰动的流场中,80km厚的增厚岩石层热边界层约需60Ma才能被完全剥离,剥离的速率微弱地依赖扰动的强度;在已建立好的流场中,同样厚度的增厚热边界层只需约10Ma就可被剥离．模拟结果暗示青藏高原地壳及岩石层在岩石层增厚和剥离以前就很热,其下伏地馒中可能已存在建立好的上地幔小尺度对流系统,而该尺度的对流系统很可能是由特提斯海洋岩石圈俯冲和消减诱发的     

大陆下地壳层流作用及其大陆动力学意义

大量的地质和地球物理资料表明 ,年轻的大陆构造活动区的下地壳可能因热软化而出现透入性非地震式顺层韧性流动 ,这种下地壳层流作用驱动大陆上地壳发生地震式脆性断块运动 ,形成盆山格局 ,发生圈层耦合。大陆下地壳低粘度物质顺层流动可能是在地幔岩浆底侵作用为下地壳提供热能和添加幔源物质的基础上 ,并在地幔上升派生的重力和剪切力作用下 ,造成大陆下地壳热软化物质从盆地下部的幔隆区顺层流向相邻造山带之下的幔拗区。在下地壳层流过程中 ,地温场和速度场发生变     

THREE DIMENSIONAL MATHEMATICAL MODEL OF SEDIMENT TRANSPORT IN ESTUARINE REGIONS -A CASE STUDY OF THE HAIHE RIVER MOUTH

1 INTRODUCTIONUnderstanding the flow characters in open channel or other water area, whether natufal water bodies(such as rivers and estuaries) or man-made strUctures (such as navigational channels, harbors), isimportant for addressing numerous hydraulic engineering problems. These include the selechons ofsuitable waste disposal sites, contndnant transport, sediment transport and other ecological problems.The major difficulty for solving these problems is that it often requires an optimal…     

开发地震构造建模技术的研究方法

某油田已注水开发40年,高井网密度条件下仍对某些微构造、断层认识不足。运用三维地震解释资料与开发井资料解释两项技术结合,优势互补,相互验证,形成了一套开发地震可视化构造建模技术,应用该项技术显著提高了断层的首尾部延伸、复杂断裂带断层的组合关系、无井断点控制的小断层识别精度,对油田特高含水期提高钻井成功率、油田精细调整挖潜具有重要意义。     

中国西北大陆碰撞带的深部特征及其动力学意义

以中国大陆西北地区地震层析成像的结果为基础,通过分析大陆块体内部岩石层和软流层的深部形态,提出西部造山带与相邻块体之间几种可能的碰撞类型：天山与塔里木之间存在地块的嵌入拼合、俯冲、岩石层拆离下沉以及层间插入等多种构造样式;青藏高原与北部地质单元之间存在十分清晰的深部边界,反映出上地幔物质向北扩展的痕迹;推测青藏高原的岩石层在向北运动的过程中由于受到塔里木刚性块体的阻滞发生弯曲甚至折断,但是祁连山以北较浅的软流层相当于一个开放边界,使高原的上地幔物质得以进一步向北迁移.大陆碰撞不仅造成中国西部造山带岩石层结构的变动,而且导致软流层中一部分熔融的岩浆体沿着碰撞边界上涌到岩石层底部,它们对青藏高原以及西部造山带的形成演化起到重要的作用.     

塔里木盆地构造应力场的数值模拟及其对油气聚集的意义

据塔里木盆地结构和盆地地层资料建立了盆地三维地质模型,用三维有限单元方法计算模拟了塔里木盆地现代构造应力场。分析了在构造力和重力共同作用下,盆地由浅至深各构造层应力变化特征,并研究了盆地内油气藏聚集与地应力场的关系     

大陆板内震源断层的特征

基于对大陆板内地震构造的分析,讨论了浅源地震与断层的关系。说明了震源断层概念,从构造环境和震源参数方面分析了大陆板内震源断层的特征。提出了A、B两种震源断层。它们各自具有不同的构造动力学背景,应采用不同的研究方法     

非穿透裂纹平板试件三维破裂的实验研究

在研究地震孕育及震源破裂的问题时,用三维破裂来模拟地震破裂过程,比二维破裂与实际更加接近。我们设计了一组实验,采用几种不同的材料（玻璃、有机玻璃和大理石等）做成平板试件,在其中心预制非穿透裂纹,并在单轴压下进行了实验研究。 实验结果表明,非穿透裂纹与穿透裂纹的扩展情况有质的差别。非穿透裂纹的扩展并不沿原裂纹面延伸,而是沿裂纹前缘扩展出许多裂纹面,每一个破裂面都是复杂的扭曲、拐折的曲面。这可能意味着实际地震断层的扩展情况也是极为复杂的。     

印度与欧亚大陆碰撞构造变形数值分析

在全面考虑了大陆构造变形三重非线性特征的基础上，用动态有限元法研究了藏东对印度与欧亚大陆碰撞作用的大变形响应。数值模拟结果显示了明显的纵向收缩变形，变形主轴多具有顺时针转动的趋势，但横向位移在总体上并不显著。其最大值正位于红河和鲜水河断裂之间，这一结果论证了印度板块对欧亚大陆的碰撞可能是川滇菱形块体向南东运动的动力来源。红河、鲜水河、昆仑及阿尔金活断层在碰撞作用下发生了顺时针的旋转变形；而且，计算结果模拟出了红河断裂由左旋变为右旋，另３条断裂始终左旋的运动特征