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.     

青藏高原东缘的地壳流及动力过程

黏滞性地壳流对地壳及上地幔变形作用及动力机制,是大陆新生代造山带的一个重要研究内容.青藏高原中下地壳存在部分熔融或含水物质的黏滞性流体,已为一系列地球物理及岩石学研究所证实.为研究青藏高原东缘地壳流的动力作用,本文用密集的被动源宽频带地震台的观测数据,反演了地壳上地幔精细速度结构和泊松比.研究表明,川西及滇西北高原的中地壳内普遍存在低速层,而高泊松比的地壳只分布在川西北地区.位于中地壳的黏滞性地壳流从青藏高原腹地羌塘高原流出,自北西向南东流入青藏高原东缘.这些黏滞性地壳流带动了上地壳块体水平移动,当它们受到刚强的四川盆地及华南地块阻挡时将发生分层作用,地壳流将分为二或更多分支不同方向的分流,向上的一支地壳流将对上地壳产生挤压,引起地面隆升,向下的一支地壳流将使莫霍面下沉加厚下地壳.黏滞性地壳流的运动在地壳中产生应变破裂发生强烈地震活动,地震的空间分布与震源机制也受到地壳流动力作用控制.

     

青藏高原东缘中下地壳流与地壳变形

地壳缩短导致青藏隆升造山是普遍的认识.然而,在青藏东部,越来越多的观测数据和研究支持了中下地壳流与隆升造山的关系.目前,地壳缩短造山机制和中下地壳流造山机制仍然处于争论之中.本文建立了二维黏弹塑性有限元模型,模拟了龙门山断层带的多个地震循环的应变与变形,探讨了无与有中下地壳流情况下,地壳地表的位移、速度与变形的分布和演化;以及有中下地壳流情况下,不同流动范围、速度与黏度对模型结果的影响;并结合地形变观测数据的约束,推测了青藏东缘中下地壳流的流动状态.模拟结果显示,通过对比有和无中下地壳流的模拟结果,发现青藏东部震间的地表垂向速度在变形样式及数值上存在较大差异,即存在地壳流的地表垂向抬升速率显著大于无地壳流;震间在龙门山断层西侧附近产生的垂向凸状隆起随中下地壳流的速度、黏度及通道长度的变化而变化.此外,本文研究结果对青藏其他地区可能存在的地壳流的研究也具有一定的参考意义.

     

青藏高原东部地壳上地幔S波速度结构——下地壳流的深部环境

在青藏高原东部沿30°N布设由26个台站组成的远震观测剖面．用远震P波接收函数反演方法获得了该剖面下方0～80km深度范围的S波速度结构．反演的结果揭示了沿剖面不同构造块体的地壳速度结构横向变化特征．从喜马拉雅东构造结北侧的林芝,往东北方向的地壳逐渐增厚;地壳厚度在班公．怒江缝合带为最大值,达72km;进入羌塘地块,减至65km;至巴颜喀拉地块,为57～64km;至四川盆地,仅为40—45km．剖面的巴塘以东部分与2000年完成的竹巴龙．资中人工地震测深剖面重合,由远震接收函数确定的S波地壳结构与由人工地震测深获得的P波地壳结构在莫霍界面和壳内主要界面的深度上有很好的一致性．在羌塘地块和巴颜喀拉地块,沿观测剖面的下地壳（30～60km深度范围内）普遍存在低速异常,而四川盆地下地壳则属于正常的速度分布．剖面通过的各构造单元地壳平均波速比（泊松比）：拉萨地块1．73（σ=0．247）,班公-怒江缝合带1．78（σ=0．269）,羌塘地块1．80（σ=0．275）,巴颜喀拉地块1．86（σ=0．294）和扬子地块1．77（σ==0．265）．羌塘地块和巴颜喀拉地块具有下地壳S波低速异常、复杂的莫霍过渡带以及地壳高泊松比的特征,预示下地壳物质处于热和软弱状态,这是青藏高原东部存在下地壳流的深部环境．下地壳韧性物质的流动可能起因于从高原内部至外部上地壳内重力势能的变化．     

太湖风生流的三维数值模拟

建立了太湖三维风生流数值模型,并用差分法求解;垂直方向上采用了坐标变换技术,把任一节点的水深转换成无量纲水深,从而有效地消除了因风力作用造成的自由水面波动和湖底不规则的影响;水平面上采用锯齿网格处理,对于四周以闭边界为主的湖泊水域,显得比较合理。计算结果表明,湖泊风生流沿垂直、水平方向都有较大变化,流向上下、水平也并不一致,这是湖泊水流区别于其它水域水流之所在。计算模拟显示所建模型的有效性和可操作性。     

青藏高原现代构造应力状态及构造运动的三维弹粘性数值模拟

根据现有的地球物理和地质资料，建立了青藏高原三维弹－粘性有限单元模型，模拟了由地震震源机制解和地质调查资料推断的高原岩石圈的构造应力状态，并模拟岩石圈物质的运动特征，着重考察高原物质向东南方向运动的可能性，并把模拟结果与实际资料结果进行比较。施加载荷时考虑了处于Ａｉｒｙ均衡条件下的高原地壳的重力势能和底面浮力，以及水平边界的挤压作用，根据试错法的试验结果，能够符合观测结果的模型边界条件表明：①印度     

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.

     

洪泽湖吞吐流二维数值模拟

吞吐流是湖泊中湖水运动的主要形式之一。它通过水体交换,进而对湖泊污染物质扩散,迁移,泥沙冲淤以及湖水浓度场的变化产生影响。根据洪泽湖的具体特点,本文构造了一个二维开边界数值模拟,对洪泽湖吞吐淮河的特征进行数值实验,研究其吞吐流过程。     

非饱和流问题的数值模拟研究

利用有限元方法 ,建立了非饱和土壤水流动的数值计算模型 ,用以模拟均质土壤 ,地下水埋藏很深且在不同的初始和边界条件下的水分运动 .对于入渗或蒸发问题 ,用通常的离散方法容易产生振荡非物理解 .我们采用有限元集中质量法 ,将质量矩阵的非对角元集中到主对角元 ,避免了这种非物理解的产生 ,并且较好地处理了这类边界条件 .     

气候持续变暖条件下青藏高原多年冻土变化趋势数值模拟

应用数值方法模拟了气候持续以0.04℃/a速度变暖条件下,我国青藏高原多年冻土热状况可能发生的变化趋势,计算结果表明,在计算所假设条件下,当初始地面年平均温度为0.0,-0.5,-1.5,-2.5,-3.5和-4.5℃时,14m深度上的年平均地温分别为-0.11,-0.59,-1.52,-2.45,-3.21和-4.32℃,多年冻土厚度为16.8,29.0,54.1,79.7,112.1和131.0m时,经50a的环境持续升温后,14m深度上的年平均地温分别升高为0.0,0.0,-0.36,-1.23,-2.16和-3.07℃;初始年平均地面温度高于-1.112的多年冻土由衔接型变为不衔接型,低于-1.1℃时,多年冻土上限分别由初始的1.8,1.6,1.4,和1.2m增大为2.2,2.0,1.8,1.6m,且多年冻土厚度不发生大的变化。所以,如果未来气侯以文中的速度或低于该速度变暖,50a内我国青藏高原多年冻土分布将不会发生大的明显变化。     

青藏高原三维地壳结构的重力正演模拟

青藏高原地壳结构的重力学研究主要集中于莫霍面深度反演及单个剖面的重力正演,但是,在亚东-格尔木与下察隅-共和之间没有地震测线的区域,地壳结构的研究受到限制.为了探讨从青藏高原中部到东部的地壳结构特征,本文采用三维重力正演的方法,对青藏高原三维地壳结构进行了重力正演模拟.研究结果显示,地壳各层界面起伏较大,表明高原地壳变形强烈.研究区域中,藏南喜马拉雅地体界面相对较浅,处于界面陡变带,往北进入拉萨地体,界面相对变深.正演剖面中,大的界面起伏与大的断裂构造有关,莫霍面的陡变也暗示着莫霍面存在错断现象.东构造结莫霍面有抬升现象,在玛多附近莫霍面有下凹现象.地壳分层正演显示,32 km以下地壳产生的重力异常占总异常的80%以上,低速层及高速体产生的重力异常最大可占到总异常的10%左右.     

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。     

青藏高原东北缘活动断裂剪切模量及应力状态数值模拟

作为控制断层两盘相对运动的重要因素,断裂带介质力学性能与断层面上的滑动速率及应力状态、区域地壳运动速度场等密切相关.受印度板块北东向推挤以及阿拉善地块和鄂尔多斯地块的阻挡作用,青藏高原东北缘构造变形复杂.本文在综合区域动力学环境、活动断裂空间展布以及下地壳黏滞性结构的基础上构建了青藏高原东北缘三维有限元动力学模型;以GPS速度场为约束模拟研究了断层剪切力学性能对区域地壳运动速度场图像的控制作用,进而在最优模型基础上分析了当前青藏高原东北缘不同断裂的应力状态.结果显示：阿尔金断裂东段和广义海原断裂对区域地壳运动速度场控制作用强烈,但二者剪切力学性能相反,阿尔金断裂东段断层剪切模量与周边地壳介质相当,而广义海原断裂断层剪切模量可低至周边地壳介质剪切模量的1/10000;六盘山断裂和西秦岭北缘断裂对区域地壳运动速度场的控制作用较弱,模拟结果显示二者均具有较强的剪切力学性能.基于最佳模型的应力状态分析指出：阿尔金断裂东段,广义海原断裂西段的木里—江仓断裂、中段的金强河—毛毛山—老虎山断裂、东段的六盘山断裂,以及西秦岭北缘断裂中西段当前应力率水平较高,且与前人给出的青藏高原东北缘高闭锁区域吻合.动力学上的高应力率与运动学上的强闭锁良好吻合,预示着这些断裂是地震危险分析值得关注的区域.

     

The thickness and structural characteristics of the crust across Tibetan plateau from active-sources seismic profiles

The Tibetan plateau as one of the youngest orogen on the Earth was considered as the result of continent-continent collision between the Eurasian and Indian plates.The thickness and structure of the crust beneath Tibetan plateau is essential to understand deformation behavior of the plateau.Active-source seismic profiling is most available geo-physical method for imaging the structure of the continental crust.The results from more than 25 active-sources seismic profiles carried out in the past twenty years ...     

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.     

Review of numerical simulation on the dy-namics of Qinghai-Xizang plateau

IntroductionQinghai-Xizang(QingzangorTibetan)plateauisthemostremarkableactivecollisionbeltontheEarth.Itsaveragealtitudeis5km,itscrustthicknessupto70kmanditsareaabout7?05km2.Inrecenttwentyyears,withthegeophysicalobservationdatagettingmoreandmore,manydy-namicmodelsaboutcrustthickeningandTibetanuplifthavebeenputforward(Harrison,etal,1992;LI,1995;ZENG,etal,1994;ZHONG,DING,1996;XIAO,WANG,1998).Theycanbedividedintotwotypes.ThefirsttypecharacterizesthattheconvergencebetweenIndiaandEura-s…     

Numerical simulation of the influence of lower-crustal flow on the deformation of the Sichuan-Yunnan Region

On the basis of distribution of active fault and regional rheological structure, a three-dimensional finite element model of Sichuan-Yunnan region, China, is constructed to simulate contemporary crustal motion and stress distri- bution and discuss the dynamic mechanism of crustal motion and deformation in the Sichuan-Yunnan region. Lin- ear Maxwell visco-elastic model is applied, which includes the active fault zones, the elastic upper crust and vis- cous lower crust and upper mantle. Four different models with different boundary conditions and deep structure are calculated. Some conclusions are drawn through comparison. Firstly, the crustal rotation about the eastern syntaxis of the Himalaya in the Sicuan-Yunnan region may be controlled by the special dynamic boundary condition. The drag force of the lower-crust on the upper crust is not negligible. At the same time, the main active fault zones play an important role in the contemporary crustal motion and deformation in Sichuan-Yunnan region.     

Crustal structure of northeastern Tibetan plateau and Ordos block:Waveform interpretation of the Maqen-Jingbian seismic refraction profile

The Maqen-Jingbian wide-angle seismic reflection and refraction experiment was carried out in 1998,which aims at determining detailed structure in the crust and top of the upper mantle and understanding structural relation between the northeastern Tibetan plateau and the Ordos block. The 1-D crustal models inferred by waveform inversion show strong variations in crustal structure,which can be classified into four different types:1 an Ordos platform with the Proterozoic crust and two high-velocity layers in ...     

Crustal structure of northeastern Tibetan plateau and Ordos block: Waveform interpretation of the Maqen-Jingbian seismic refraction profile

The Maqen-Jingbian wide-angle seismic reflection and refraction experiment was carried out in 1998, which aims at determining detailed structure in the crust and top of the upper mantle and understanding structural relation between the northeastern Tibetan plateau and the Ordos block. The 1-D crustal models inferred by waveform inversion show strong variations in crustal structure, which can be classified into four different types: ① an Ordos platform with the Proterozoic crust and two high-velocity layers in the northeast section, ② a transitional crust between the northeastern Tibetan plateau and the Ordos block across the Haiyuan earthquake zone, ③ the Qilian orogenic zone in the central part, and 4 the Qinling orogenic zone in the southwestern section. The Moho depth increases from ~42 km to ~62 km from the NE part to the SW part of the profile. The crystalline crust consists of the upper crust and lower crust in northeastern Tibetan plateau. There is an obviously low P-wave velocity layer dipping northeastward, which is 12–13 km thick, at the bottom of the upper crust in Qinling orogenic zone and Haiyuan earthquake zone. The lower crust is characterized by alternating high and low P-wave velocity layers. Beneath Ordos block, i.e., the NE part of the profile, the crust shows quite a smooth increase in P-wave velocity down to the Moho at a depth of about 42 km.     

Geothermic activity and seismotectonics in the altitude of the Tibetan plateau

In the present analysis on the relationships among the depth of lithosphere brittle fracture,seismotectonics and geothermal anomalous active in Tibetan plateau were investigated using the seismic dada from ISC and Chinese seismic net and geothermal data.The results suggest that the region of anomalously geothermal activity almost coincides with that of the normal faulting type earthquake.The geothermal anomaly activity region coincides spatially with that of the events deeper than 60 km as well as.The norma...