俯冲带波速结构的数值模拟

数值模拟结果显示，俯冲带在大部分深度都存在高速异常，并在400km左右和550km左右的深度存在高速异常的极大值，这和地震层析成像得到的波速结构相一致.说明虽然层析成像方法的分辨率较低，但它能给出俯冲板块上P波速度随深度变化的基本特征.俯冲带既有正的波速异常，也有负的波速异常，幅度约在-10%-%之间，这在区域台网的资料中可以得到反映.俯冲带在约700km深度存在低速异常，亚稳态橄榄石的存在也使俯冲带出现沿俯冲方向的倾斜低速区.地震层析成像结果没有类似的波速结构，可能是其分辨率较低所致.要研究俯冲带的细结构，应基于高精度的区域台网的资料.     

俯冲带波速结构的数值模拟

数值模拟结果显示,俯冲带在大部分深度都存在高速异常,并在400km左右和550km左右的深度存在高速异常的极大值,这和地震层析成像得到的波速结构相一致.说明虽然层析成像方法的分辨率较低,但它能给出俯冲板块上P波速度随深度变化的基本特征.俯冲带既有正的波速异常,也有负的波速异常,幅度约在-10%—%之间,这在区域台网的资料中可以得到反映.俯冲带在约700km深度存在低速异常,亚稳态橄榄石的存在也使俯冲带出现沿俯冲方向的倾斜低速区.地震层析成像结果没有类似的波速结构,可能是其分辨率较低所致.要研究俯冲带的细结构,应基于高精度的区域台网的资料.     

苏门答腊俯冲带地区壳内密度结构研究

俯冲带上覆板片密度特征是认识俯冲及其引发深部岩浆过程的一个窗口.本文以苏门答腊俯冲带空间重力异常数据为基础,在2.5D密度结构剖面约束下,通过3D密度反演,获得了研究区3D密度结构分布.反演结果表明,俯冲板片角度和下倾极限深度均从研究区西北向东南方向逐渐增加;研究区上覆板片下地壳存在低密度异常,主要集中在东南部,分布范围也随深度而增加.分析认为这有可能是俯冲引发的洋壳脱水对上覆板片下地壳侵染所造成.此外,研究区东南部存在的地幔板片撕裂可能是造成该区下地壳低密度异常最为显著的另一个原因.3D密度切片揭示出下地壳密度异常具有沿NE方向延伸迹象,推断应与印澳板块在苏门答腊地区的斜向俯冲作用有关.本文还对研究区的地震分布特征进行了讨论.大部分的浅源地震集中在下倾极限附近,为脆性破裂或摩擦滑移所引发.震源深度大于200 km的地震基本分布在研究区中部和东南部,震源深度从西北向东南方向逐渐加大,这从另一角度为研究区东南部地幔存在板片撕裂的观点提供了佐证.

     

日本俯冲带地震发生过程的数值模拟研究

了解地震发生的动力学机制是研究地震发震原因的关键,而数值模拟的方法是高速、有效的手段.2011年3月11日日本东北部宫城县发生9.0级大地震,文中以该次大地震所在的日本俯冲带为研究对象,通过使用黏弹性有限元数值模拟,并引用接触对,建立了研究区二维数值模型,模拟俯冲带与上覆板片之间的滑动、黏滞到再滑动的过程,亦即断层失稳发生地震的过程.模拟结果显示,随着太平洋板块不断俯冲,在俯冲带上自发出现了断层闭锁、解锁到再闭锁的黏滑过程,且这种过程呈现一定的准周期性,大事件主要集中分布在20~30 km的深度范围内.根据俯冲带可能在俯冲过程中角度的变化,建立了不同的模型,进行模拟对比研究,结果表明,俯冲带的几何形态,以及俯冲角度变化所在的不同深度,对模拟的结果有不同的影响.     

俯冲带深部应力场的二维弹性有限元数值模拟

基于一些简化的数值模型，根据弹性本构关系，用平面应变有限元方法计算了相变引起的体积变化、板块内部温度差、密度异常及边界力产生的应力场分布情况．数值模拟结果显示，热应力能够解释俯冲带深源地震的应力场方向特征，但解释不了深源地震的深度分布特征；有亚稳态橄榄石存在时密度异常所产生的应力场特征与地震观测结果所显示的应力场特征有所偏离；虽然橄榄石——尖晶石相变体积变化所产生的应力在橄榄石——尖晶石相变过渡区附近有最大值，其数值远远超过温度差和密度异常产生的应力场的最大剪应力数值，但在相变界面附近的区域，主压应力方向垂直于相变界面的方向，与地震观测结果所显示的主压应力的方向不一致．所以，不能用弹性模拟得出的俯冲带温度变化所产生的热应力、俯冲带密度变化所产生的应力、相变体积变化所产生的应力来对深源地震进行简单化的解释．      

俯冲带深部应力场的二维粘弹性有限元数值模拟

基于粘弹性平面应变有限元数值模拟方法,研究了俯冲带深部的应力场特征．当根据Karato等的研究结果给出俯冲板块的粘度结构时,橄榄石——尖晶石相变界面以下中心低粘区两侧出现应力集中区,而且其主压应力方向沿俯冲方向走向．其特征与已有的深源地震主压应力方向沿俯冲方向及深源地震有两个条带的地震观测结果相吻合．相变过渡区因矿物更小的颗粒粒度而导致的更小的等效粘度对俯冲带深部应力场的影响不大;存在和不存在亚稳态橄榄石楔的情况下,橄榄石——尖晶石相变过渡区附近都有最大剪应力的最大值出现,而其主压应力方向有垂直于橄榄石——尖晶石相变过渡区走向的趋势,尚与地震观测资料不符．     

日本俯冲带应力产生与传播的数值模拟

用三维有限元模拟了日本地冲带，分析了板块推力、板块拉力、动态闭锁断层和解耦板间地震对上覆板块内部应力状态的贡献，表明大洋板块推力是海沟。岛弧地区挤压应力的主要来源，这种应力仅有小部分传播到上覆板块内部，软流圈的蠕变能促进这个应力传播过程使岛弧区的应力增大，由密度差异引起的板块拉力产生了分散的挤压应力和拉张应力。断层闭锁导致应力局部集中，板间地震的断层错动只对破裂附近小范围的应力状态产生影响     

马尼拉海沟俯冲带热结构的模拟研究

俯冲带热结构的数值模拟研究是对地表观测研究的重要补充,也是验证地球动力学模型的重要方法.本文沿马尼拉海沟俯冲带东火山链(EVC)和西火山链(WVC)各取一条剖面,依据地质、地球物理条件,进行了有限元热模拟计算.计算过程中,分析了摩擦和剪切热对俯冲带热结构的影响,模拟了EVC和WVC两条测线下俯冲带的热结构,并结合岩石学实验结果预测了俯冲板块发生脱水和部分熔融的位置.模拟结果表明,在100 km深度处,考虑摩擦和剪切热时,俯冲板块表面的温度约为865 ℃;而不考虑摩擦和剪切时,俯冲板块表面的温度仅为770 ℃,二者温差可达95 ℃.在相同深度处,考虑摩擦和剪切热时,在EVC和WVC测线下俯冲板块表面的温度分别为865 ℃和895 ℃,俯冲洋壳底部温度分别为560 ℃和605 ℃.俯冲板块表面少量矿物开始脱水的深度小于50 km,但大量脱水和部分熔融主要发生在深度100 km左右,这与地表观测的火山活动位置一致.     

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。     

俯冲带断层粘滑运动机制数值模拟研究——以日本俯冲带为例

在新生代,西太平洋岛弧和边缘海地区已成为强烈的构造活动区。至晚第三纪以来,在西太平洋岛弧带上还发生了强烈的火山作用。在西太平洋岛弧的外侧发育着地球表面上最深的地沟带,即深海沟带。西太平洋板块向西俯冲,在日本海形成俯冲带,称为日本海俯冲带。日本俯冲带构成了西太平洋边缘俯冲带的重要组成部分。该俯冲带处于环太平洋火山地震带上,地质构造复杂,地震活动频繁,地震发生数量占全球20％。     

地震发生过程的有限单元法模拟——以苏门答腊俯冲带上的大地震为例

地震预报由目前的经验预报走向物理预报,数值模拟地震过程是其中的关键.文中应用统一的数学公式表述了速率相关的摩擦接触中黏着（sticking）和滑移(sliding)这两种不同的运动状态;有限元计算中采用静力显示的时间积分方法,基于R最小策略,控制时间步长以保持力学状态变化稳定,从而保证有限元计算过程平稳、收敛.以2004年发生过Mm=9.3特大地震的苏门答腊俯冲带为例,模拟了俯冲带上俯冲板片与上伏板块之间的闭锁、解锁、滑动到再闭锁这一准周期性过程,即地震的孕育、发生过程.计算结果表明,俯冲带上具有较大尺度、介质均匀、摩擦系数相同的区域是产生大规模、大幅度整体突然滑动（即大地震）的条件;模拟的苏门答腊俯冲带上的大地震在时间上有准周期性,空间上有迁移特征,破裂由深部向浅部进行;此外,俯冲带的几何特征对大地震的震源位置有很大的影响.     

汤加-克马德克俯冲带现今非均匀应力场特征及其动力学意义

汤加-克马德克俯冲带是太平洋板块向澳大利亚板块俯冲碰撞的动力作用区,是全球俯冲带动力学研究的热点区域.本研究基于EHB地震目录,对汤加-克马德克俯冲带(18.5°S-28.5°S)区域进行平面拟合,得到该范围内俯冲带走向约为196°,倾角约为48°;利用该俯冲带研究区域内Global CMT目录,对不同位置、不同深度进行区域应力张量反演,得到汤加-克马德克俯冲带研究区内精细的应力图像.结果显示:(1) 俯冲带浅部(60~300 km)应力结构非均匀特征明显,主应力轴倾伏角变化多样,并且最大主压应力轴方位在24°S左右发生明显偏转,我们推测这可能与洋底构造路易斯维尔海链俯冲有关;(2)中部(300~500 km)最大主压、主张应力轴由北向南逐渐发生偏转,这可能与由北向南流动的地幔流对俯冲板片产生推挤作用有关,并且这种推挤作用向南逐渐减弱;(3)深部(500~700 km)最大主压应力轴沿俯冲方向分布;(4)本文的结果还发现了主俯冲带深部西侧"偏移"板片与主俯冲带应力结构不同,表明"偏移"板片与主俯冲带是分离的.     

Comparison of gravimetric and seismic constraints on the structure of the Aegean lithosphere in the forearc of the Hellenic subduction zone in the area of Crete

The island of Crete is located in the forearc of the Hellenic subduction zone, where the African lithospheric plate is subducting beneath the Eurasian one. The depth of the plate contact as well as the internal structure of the Aegean plate in the area of Crete have been a matter of debate. In this study, seismic constrains obtained by wide-angle seismic, receiver function and surface wave studies are discussed and compared to a 3D density model of the region.The interface between the Aegean continental lithosphere and the African one is located at a depth of about 50 km below Crete. According to seismic studies, the Aegean lithosphere in the area of Crete is characterised by strong lateral, arc–parallel heterogeneity. An about 30 km thick Aegean crust is found in central Crete with a density of about 2850 kg/m³ for the lower Aegean continental crust and a density of about 3300 kg/m³ for the mantle wedge between the Aegean crust and the African lithosphere. For the deeper crust in the area of western Crete two alternative models have been proposed by seismic studies. One with an about 35 km thick crust and another one with crustal velocities down to the plate contact. A grid search is performed to test the consistency of these models with gravimetric constraints. For western Crete a model with a thick lower Aegean crust and a density of about 2950 kg/m³ is favoured. The inferred density of the lower Aegean crust in the area of Crete correlates well with S-wave velocities obtained by surface wave studies.Based on the 3D density model, the weight of the Aegean lithosphere is estimated along an E–W oriented profile in the area of Crete. Low weights are found for the region of western Crete.     

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.     

拉分盆地形成机制三维数值模拟——以海原断裂带老龙湾盆地为例

拉分盆地是走滑断层系中受拉伸作用形成的断陷盆地.一般在两条平行断层控制下发育.盆地形似菱形,几何形态主要受两条主控走滑断层错距和叠接长度影响.本文以青藏高原东北缘海原断裂带老龙湾拉分盆地第四纪所处的构造环境为基础,参考盆地周围断层几何分布,建立了三维有限元数值模型,模拟该拉分盆地的演化过程;进一步分析了断层力学性质、地壳分层结构等各因素对盆地形成和演化的影响.模拟结果显示,盆地地表沉降伴随有下地壳物质的上涌,此上涌对盆地地表沉降存在阻碍作用.各因素的影响具体表现为:(1)断层力学性质(弹性模量和黏滞系数)越弱,其对构造应力较低的传递效率导致盆地两端差异性运动越明显,从而形成较大的盆地地表沉降和明显的上地壳减薄.(2)平行主控断层的叠接长度反映盆地形成的拉伸作用范围,叠接长度越大,相同的差异性运动在单位面积形成的拉伸应力越小,盆地地表沉降较小.(3)下地壳流变性影响其物质的上涌量,下地壳黏滞系数越小,其对上部拉伸作用的响应越明显,上涌量越大,此上涌对上地壳沉降形成的阻碍作用也越明显.根据老龙湾拉分盆地所处的构造格局,将平行断层的叠接长度取20 km,当断层黏滞系数取值为周围基岩的1/10,参考该盆地第四纪构造演化历史,模拟得到的盆地第四纪下沉量与盆地内第四系沉积层厚度在规模上近似,下地壳黏滞系数取值在(2.5~5.0)×1021 Pa·s范围内时,盆地下沉量模拟结果与老龙湾拉分盆地第四系地层厚度吻合较好.     

Ductile deformation and regional strain field in the southern segment of the Tancheng-Lujiang fault zone,eastern China

Studies in a segment of the Tancheng-Lujiang fault zone show that it is a major transcurrent ductile shear zone with a considerable sinistral displacement. The formations (PtT₁₊₂) at depths of 5 to 15 km may have cropped out in this area during subsequent erosion. Many ductilely deformed structures are in it. The deformed zone was formed during the Indo-Sinian orogeny. On the basis of measurements and analyses of many deformed pebbles within the shear zone, it is suggested that the deformation in the zone studied may be catagorized as a variation of simple shear and plane strain with a constant volume. The intensely deformed belt is generally 40 to 50 km wide, with the average strain ratio 27.68 and the maximum greater than 87.37. From analysis of elongation strain, we estimate that the deformed belt has been elongated by 164.23 km and narrowed by 222.5 km. The internal belt was formed by a high shear strain , calculated to be more than 11.34. The deformed belt is associated with syntectonic dynamothermal metamorphism, represented by greenschist facies and retrogressive metamorphism on previous amphibolite facies.     

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。     

Experimental remolding on the caprock''s 3D strain field of the Indosinian-Yanshanian epoch in Tongling deposit concentrating area

Based on field observations and rheology analysis, we perform one analogue experiment and remold the 3D structural frame of Tongling deposit concentrating area firstly. Then we disassemble and dialyze the 3D structures of the model using the methods of "slicing" and "stripping". A series of sliced planes vertical to the fold hinges show similar landscapes of that in the drill hole profiles. Meanwhile, layer stripping analysis indicates that the deformation features of each layer in the model are qualitatively analogical to those obtained from field observations.Through contrasting the 3D structure between the experimental model and the field phenomena,we verify the following 3D deformation features of the caprock in this area: (1) the Tongling area mainly consists of three series of NE S-typed fold groups; (2) in the uniform stress field, the incoherent folds universally develop in different positions, along different axes as well as in different strata; (3) the faults propagate upward which are mostly inter-bedded detachment faults,while the fold amplitudes decrease while going deeper; and (4) the folds and cleavages are highly developed in the Silurian System indicating that the deformation effect of the Indosinian-Yanshanian structural layer terminates at this layer, which suggests that the Silurian System is the crucial layer for the inversion between brittle and plastic deformation domains and the underlying strata are subject to the control of another deformation system with distinct properties.     

Strain and stress changes in the Tokai region of central Japan expected from a 3D subduction model

Using a 3D simulation model with a rate- and state-dependent friction law, Kuroki et al. (2002) discussed a process of a hypothetical great earthquake in the Tokai region, where the Philippine Sea plate subducts beneath the Eurasian plate. One of the main concerns was characteristic changes in volumetric strain and displacement on the ground surface which are caused by the evolution of the coupling between the two plates, i.e. evolution of a strongly coupled region between the plates which results in a preslip of the earthquake.In the present paper we discuss other observable phenomena which might help us to identify the stage of the coupling. The preslip of the earthquake could be more effectively detected by using full information about the change of strain rather than volumetric strain alone; the change in rotation angle of principal strain axes should amount to several tens of degrees while the order of the change in volumetric strain is 10⁻⁸ to 10⁻⁷ for 1 day before the earthquake. The spatial pattern of the displacement field on the ground surface provides us with information on the intermediate-term precursory changes in the plate coupling. Information given by micro-earthquakes is less direct. The seismicity should change considerably when a highly shear-stressed ring on the plate interface passes nearby, and ups and downs of seismicity rate will be estimated by Coulomb failure stress. On the other hand, focal mechanisms are rather insensitive to the progress of plate subduction. The changes may be not significant even at the time of the preslip. The interplate coupling yields a stress field that should produce reverse fault type mechanisms, but the stress field is modulated by a curved shape of the plate interface. Superposition of a regional tectonic stress to this field explains observed spatial distribution of focal mechanisms in the Tokai region which involve large strike-slip components.     

青藏高原东缘虎牙断裂带南北段运动方式差异性机理：来自数值模拟的约束

虎牙断裂带作为青藏高原物质东向扩展的前缘断裂之一,其运动方式和强震活动类型表现出显著的南北差异.研究虎牙断裂带运动方式的差异性机理,对于认识地震发生机制与高原东向扩展模式有着重要意义.本文构建包含虎牙断裂带的三维黏弹性有限元模型,研究介质流变性差异与断层几何形态对区域地壳变形及断层三维滑动速率的影响.数值实验结果表明,在青藏高原物质东向挤出的动力学背景下,在虎牙断裂带南段,中下地壳介质流变性横向差异控制着断层以逆冲性质为主的运动,且随着中下地壳断层两侧流变性差异的增大,断层西侧物质的水平运动更易发生向垂向运动的转换.在断层两侧流变强度差1~2个数量级时,断层倾向滑动速率与走向滑动速率的比值达3.3~4.0,表现出显著的逆冲运动,与松潘—平武强震所反映的断层运动特征基本一致.相反,在断裂带北段,考虑断层两侧中下地壳较小的流变性差异时,断层即表现出明显的逆冲运动,这与九寨沟M_S7.0等强震反映的断层以走滑性质为主的运动明显不符,表明虎牙断裂带北段可能不存在中下地壳介质流变性的横向差异,断层以走滑为主的运动方式主要受断裂带几何展布控制.研究结果为认识青藏高原东缘同一构造区内断层运动方式差异与发震机制以及高原东向扩展模式提供了理论依据.