上地幔剪切波各向异性约束下的中国大陆岩石圈底部的剪切拖曳力和应变率

地幔对流在岩石圈底部产生的剪切拖曳力和应变率的估计有助于理解和认识板块构造运动、岩石圈变形特征和应力分布格局、地壳长期运动状态和克拉通演化的深部动力学环境,但准确地估计它们是一个挑战.本文利用核相剪切波分裂各向异性约束下获得的全球和区域地震速度结构"耦合"的地幔对流模型计算了中国大陆岩石圈底部的剪切拖曳力和应变率.结果...     

地幔对流拖曳力影响青藏高原东北缘地壳运动格局的数值模拟研究

基于近期关于青藏高原东北缘岩石圈速度、流变结构和地壳形变的观测和研究结果,建立了青藏高原东北部岩石圈三维有限元模型,并考虑了地幔对流拖曳力、高原重力势能、块体间相互作用等外部和内部条件对青藏高原东北缘岩石圈现今运动格局的控制作用.将地表运动速率的数值模拟结果与观测结果进行比较,结果表明:活动地块相互作用和高原地形蓄积的重力势能对高原内部向高原边缘逐渐变小的地壳运动特征具有控制作用,而以往关注不多的地幔对流拖曳力对青藏高原内部的地壳运动方向具有明显的控制作用;此外,基于岩石圈水平运动速率与下伏地幔对流速度差异、地震波各向异性观测提出的不同地块垂直连贯变形差异等观点,提出模型范围不同地块岩石圈底部地幔拖曳力作用强度存在差异的设想,并引入了地幔拖曳力强度因子并进行数值模拟,得到的地表形变速率模拟结果与GPS观测结果更为一致,模拟结果进一步支持了地震波各向异性观测提出的观点,即不同地块的壳幔耦合程度存在显著差异.     

热-流-固耦合方法模拟岩石圈与软流圈相互作用

岩石圈和软流圈的相互作用是现今地球动力学研究的热点问题之一．本文针对岩石圈与软流圈的相互作用模型,开发了新的基于热-流-固三场耦合方法的有限元程序．岩石圈变形和对流的地幔之间的耦合方式为：地幔在热驱动（或运动岩石圈的拖曳）下产生对流,对流的地幔对耦合边界施加载荷并造成岩石圈的变形,变形的岩石圈反作用于软流圈从而影响其地幔对流的状态．温度场根据速度场和网格变形的结果适时调整,如此反复推动整个系统的演化．利用该耦合方法模拟了“地幔柱作用下地表隆升”地质过程, 其结果与实际地质资料和地质认识能很好的吻合,验证了该方法模拟地幔与软流圈相互作用过程的有效性及处理复杂耦合问题的能力.     

区域重力异常和上地幔小尺度对流相关方程及对流拖曳力场

建立了区域重力均衡异常的物理模型,假定区域重力均衡异常源于上地幔密度分布横向不均匀以及由上地幔小尺度对流产生的边界形变．导出了区域重力均衡异常和上地幔小尺度对流之间的相关方程,讨论了该方程在地球动力学研究中的应用．应用几种模型计算上地幔小尺度对流产生的作用于岩石层底部的拖曳力场．结果表明,将这一相关方程用于利用区域重力均衡异常研究地壳及上地幔应力状态,将有广阔的前景．     

区域重力异常和上地幔小尺度对流相关方程及对流拖曳力场

建立了区域重力均衡异常的物理模型，假定区域重力均衡异常源于上地幔密度分布横向不均匀以及由上地幔小尺度对流产生的边界形变．导出了区域重力均衡异常和上地幔小尺度对流之间的相关方程，讨论了该方程在地球动力学研究中的应用．应用几种模型计算上地幔小尺度对流产生的作用于岩石层底部的拖曳力场．结果表明，将这一相关方程用于利用区域重力均衡异常研究地壳及上地幔应力状态，将有广阔的前景．     

青藏高原东北缘岩石圈三维密度结构

综合重力观测资料和地震波走时资料反演了青藏高原东北缘岩石圈三维密度结构,并对该区岩石圈结构及动力学特征进行了讨论.首先利用收集到的P波近震和远震走时数据进行地震层析成像,得到研究区岩石圈三维P波速度结构.然后利用速度-密度经验关系式,将速度扰动转化为密度扰动建立研究区三维初始密度模型.最后利用分离的布格重力异常反演得到了岩石圈三维密度结构.反演结果表明:青藏高原东北缘地壳密度结构特征有利于地震孕育发生和地壳物质侧向流动;地壳内,密度异常等值线走向与地表断裂走向基本一致,进入地幔后,密度异常等值线走向发生了顺时针旋转,这表明青藏高原东北缘地壳和地幔具有不同的构造运动模式,暗示该区可能发生了壳幔解耦;80~100 km深度上,P波速度异常较密度异常明显偏低,推测该区可能发生了部分熔融或者岩石含水量的增加;印度板块俯冲和周围坚硬块体阻挡联合作用,使得青藏高原东北缘形成了强大的区域构造应力场,并导致深部软流圈热物质上涌,为该区壳幔解耦、部分熔融和P波速度降低创造了条件.     

南北地震带岩石圈S波速度结构面波层析成像

本文利用天然地震面波记录和层析成像方法,研究了南北地震带及邻近区域的岩石圈S波速度结构和各向异性特征.结果表明南北地震带的东边界不但是地壳厚度剧变带,也是地壳速度的显著分界.其西侧中下地壳的S波速度显著低于东侧,强震大多发生在低速区内部和边界.青藏高原东缘中下地壳速度显著低于正常大陆地壳,在松潘甘孜地块和川滇地块西部大约25～45 km深度存在壳内低速层;这些低速特征与高原主体的低速区相连,有利于下地壳物质的侧向流动.地壳的各向异性图像与下地壳流动模式相符,即下地壳物质绕喜马拉雅东构造结运动,东向的运动遇到扬子坚硬地壳阻挡而变为向南和向北东的运动.面波层析成像结果支持青藏高原地壳运动的下地壳流动模型.南北地震带的岩石圈厚度与其东侧的扬子和鄂尔多斯地块相似但速度较低.川滇西部地块上地幔顶部(莫霍面至88 km左右)异常低速;松潘甘孜地块上地幔盖层中有低速夹层(约90～130 km深度).岩石圈上地幔的速度分布图像与地壳显著不同,在高原主体与川滇之间存在北北东向高速带,可能会阻挡地幔物质的东向运动.上地幔各向异性较弱且与地壳的分布图像显然不同.因此青藏高原岩石圈地幔的构造运动具有与地壳不同的模式,软弱的下地壳提供了壳幔运动解耦的条件.     

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。     

浅层断裂韧滑流变的实验分析

选取湘中浅层花岗岩和不同颗粒度的岩石进行高温高压糜棱岩成岩实验,获得其形成的温压条件和微观变形.再同断裂带中所产生的天然韧滑流变糜棱岩一起做TEM观察测试,计算出人工糜棱岩位错密度、流变应力和应变速率分别为3.20×109/cm2,139.32MPa和6.39×10-10S.这与天然糜棱岩的有关数据基本处于同一数量级.以此成岩模拟实验为基础,通过干湿样品实验比较、原岩化学分析以及同法国中央地块、江苏连云港等中深层次糜棱岩的综合分析对比,初步确定浅层岩石流变变化的有关参数,也说明了岩石圈垂向深度流变的多重性和总趋向性.     

岩石圈的流变学分层结构

岩石圈的流变学是根据岩石在脆性域与孔隙压力有关的摩擦破裂和在延性域的幂律稳态蠕变来估计的。根据几种大陆和大洋岩石圈的岩石学模型,考虑地温分布和地壳厚度的变化,我们作出了几种满足不同地球动力学条件的岩石圈流变学模型。岩石圈的流变学性质与深度的关系在不同的构造区是不同的。一般情况下,大陆岩石圈有一层(在地壳的底部)或两层(在地壳的底部和中部)软的延性层夹在脆性层之间。地球物理参数(地震活动性、地震波速度和电导率)的深度变化与流变学模型相当吻合。我们用岩石圈流变学剖面来分析加拿大东南部的科迪勒拉山的变形大陆边缘和大洋地体的构造形式。这一地区的大型构造特征与推测的流变学构造颇为一致。由于宕石圈流变学结构是明显分层的,该地区产生近水平的脱底作用就不奇怪了。     

桩靴连续贯入过程的动态模拟方法研究

采用CEL方法(耦合的欧拉-拉格朗日分析法)对比研究桩靴下沉速度不同对计算结果的影响,分析不同桩靴下沉速度下附近桩基础的响应,研究质量放大方法的适用性。结果表明:无桩时桩靴贯入速度不同对土体阻力影响较小,土体的破坏形态和剪应力水平略有不同;桩靴贯入速度对桩身水平位移影响较小,桩靴贯入速度越大,桩身最大应力越小;质量放大系数的增加对桩身最大位移的影响较小,但对桩身最大应力有较大影响,因此建议谨慎使用质量放大方法。     

板内应力快速积累的一种机制

要解释在很短的时间尺度内强震活动主体地区的大范围迁移现象 ,必须考虑整个岩石圈的分层流变结构和应力积累的时间过程。文中分析了应力在岩石圈中的传播情况 ,论证了板块边界对大陆内部的动态作用形式 ,推导出了在常速度边界条件下 ,双层黏弹性模型的解析解。证明在板块边界连续动态作用条件下 ,由于岩石圈的分层流变性和应力在不同流变性介质中的传播特征 ,在黏弹性模型黏滞性较大层中应力的积累时间可以大大缩短 ,从而可以较合理地解释一些短期的地质现象     

南海北部地震震源深度特征与岩石圈流变结构的关系研究

利用收集的地震深度数据,讨论了南海北部及周缘陆区不同地壳结构地震震源深度的分布特征,结果表明:(1)华南大陆、大陆架、大陆坡区壳内地震分布的下界深度在30km左右,平均深度华南大陆最浅、大陆架区次之,大陆坡区最深;(2)华南沿海大陆型地壳区地震集中分布于5～15km的"优势层"内;大陆架和大陆坡区地震的垂向分布也具有"优势层",但厚度明显增加;而在南海海盆区,地震深度分布范围较大,有相当数量的地震分布于地幔内;(3)地震震源深度的分布特征与岩石圈热-流变结构密切相关,地震主要分布于地壳(岩石圈)的脆性层内.由于南海北部由陆向海脆性层底界深度加深,导致了地震"优势层"厚度加厚.(4)地壳上层的流变结构可能对南海北部及周缘陆区地震的发生有重要影响.     

地球的差异旋转

对于具有流体对流层的旋转星球 ,由于星球自转对对流的影响 ,必然会在星球对流层内部不同部分间以及星球的不同圈层间产生差异旋转 (differentialrotation) .所谓差异旋转是指旋转角速度随着深度 (星球不同圈层的旋转角速度不同 )以及纬度 (同一圈层内部不同部分间的角速度不同 )具有差异的现象 .地球是一个多圈层的旋转系统 ,主要由大气圈、水圈、岩石圈、地幔、外核以及内核组成 .大气圈和水圈具有明显的流体性质 ,并且在漫长的地质年代中 ,地幔、岩石圈和地幔之间的软流层以及外核均具有流体性质 ,而且在大气压力、热、重力和电磁力等的作用下发生了对流 .这些对流运动一旦受到地球自转的影响 ,就必然会致使地球各圈层间以及对流层内部不同部分间产生差异旋转 .几个重要现象 :基本地磁场的长期西漂、岩石圈的长期西漂、地球自转速率变化 (周日长度波动 )和固体内核各向异性对称轴的移动表明在固体地球内部各圈层—岩石圈、地幔、外核和内核间存在差异旋转 .来自地震学上的数据证明了固体内核与地幔之间存在较明显的差异旋转 ,速率可达 1.1°～ 3.0°/a.这跟其它数据如自由振荡数据以及地磁场长期西漂数据获得的结果具有很大的差异 .导致固体地球内核相对于地幔差异旋转的主要宏观机制为电磁力矩、引     

流变边界层及其对华北克拉通热/地震岩石圈底界差异的意义

二维热传导/对流数值模型显示,纯传导的固体岩石圈与纯对流的流体软流圈之间存在一过渡层,即流变边界层,其间传导与对流共同作用来传递热量.流变边界层厚度主要由软流圈黏性系数（η）控制,而受固体岩石圈厚度及热状态影响很小.随着η从1×1021Pa·s降低至1×1019 Pa·s,流变边界层也随之减薄,流变边界层的厚度与lg（η）成正比. 流变边界层的存在是造成热岩石圈与地震岩石圈厚度差异的重要因素. 全球典型克拉通岩石圈的对比结果表明,地震岩石圈厚度普遍大于热岩石圈厚度,二者的差异多数在70~90 km,很好地验证了流变边界层的存在. 研究发现二者的差异在华北克拉通自西向东逐渐减小：由西部鄂尔多斯的约80 km减少至渤海湾盆地的约20 km. 反映出华北克拉通岩石圈下部流变边界层厚度自西向东减薄,意味着软流圈黏性系数自西向东逐渐降低.这可能与中生代太平洋俯冲脱水形成的低黏大地幔楔有关,从一侧面印证了太平洋俯冲对华北克拉通破坏的影响.     

流变边界层及其对华北克拉通热/地震岩石圈底界差异的意义

二维热传导/对流数值模型显示,纯传导的固体岩石圈与纯对流的流体软流圈之间存在一过渡层,即流变边界层,其间传导与对流共同作用来传递热量.流变边界层厚度主要由软流圈黏性系数(η)控制,而受固体岩石圈厚度及热状态影响很小.随着η从1×1021Pa·s降低至1×1019Pa·s,流变边界层也随之减薄,流变边界层的厚度与lg(η)成正比.流变边界层的存在是造成热岩石圈与地震岩石圈厚度差异的重要因素.全球典型克拉通岩石圈的对比结果表明,地震岩石圈厚度普遍大于热岩石圈厚度,二者的差异多数在70~90km,很好地验证了流变边界层的存在.研究发现二者的差异在华北克拉通自西向东逐渐减小:由西部鄂尔多斯的约80km减少至渤海湾盆地的约20km.反映出华北克拉通岩石圈下部流变边界层厚度自西向东减薄,意味着软流圈黏性系数自西向东逐渐降低.这可能与中生代太平洋俯冲脱水形成的低黏大地幔楔有关,从一侧面印证了太平洋俯冲对华北克拉通破坏的影响.     

2001年8.1级昆仑山大震破裂过程及对2008年汶川8.0级大震孕育发生影响的研究

本文用三维流变非连续变形(块体边界)与有限元(块体内)相结合(DDA+FEM)的方法,在青藏高原及其东侧四川盆地,鄂尔多斯块体地区三维构造块体相互制约的大环境中,考虑了龙门山断裂带东西两侧地势、地壳厚度和分层的明显变化,及断裂带东侧四川盆地及鄂尔多斯块体坚硬地壳阻挡的影响,通过用GPS资料做位移速率边界约束和震源机制约束,计算得到研究区的速度场和应力场与该地区GPS测量结果和震源机制分布结果基本相似.在此基础上,数值模拟2001年昆仑山大震的破裂过程;研究大震引起各构造块体边界断层应力状态变化特征,特别是对2008年汶川大震发震断层的影响.结果表明:(1)数值模拟昆仑山大震发震断层发生左旋走滑错动,最大水平错距约4.5 m,最大应力降约18 MPa.计算获得大震释放的主压应力场图像,最大剪应力变化等值线图,大震发震断层垂直面上位错等值线图及大震引起垂直位移变化三维图分别与大震的震源机制,地表破裂带同震位移分布,GPS同震位移图及地震波反演和GPS反演的结果总体上均比较相近.(2)计算获得的最大剪应力变化等值线图分布具有不对称特点,大震发震断层南侧变化梯度明显大于北侧.(3)模拟计算得到大震引起汶川大震发震断层库仑破裂应力增加约0.016 MPa(上地壳层).昆仑山大震破裂过程是在东昆仑断裂带其发震断层上发生的左旋走滑错动,引起东昆仑断裂带南侧巴彦喀拉块体进一步东扩和一定规模的变形,并受到该块体东侧四川盆地较硬地壳的阻挡,使得块体东边界断层中低倾角的汶川大震发震断层库仑破裂应力增大,应变能积累增强.可以认为这一破裂过程对汶川大震发震断层发生逆冲型失稳起了促进作用.     

三维黏弹性数值模拟华北盆地地震空间分布与构造应力积累关系

华北盆地为我国板内地震多发区域,历史以来相继发生多次破坏性大地震.前人地震勘探与震源定位结果揭示了华北地震的空间分布特征:横向上,华北地震基本发生在地壳的薄弱地带(Moho面上隆),或者地壳厚度的急剧变化带;纵向上,华北地震在地壳一定深度范围内呈现成层分布特征;主震一般在上地壳底部9~15 km深度范围,余震多发生在大约深5~25 km的上地壳与中地壳范围内,在中地壳下层与下地壳中仅有少量或者鲜见有余震发生.为研究解释华北盆地地震空间分布的以上特征,本文建立了华北盆地岩石圈三维黏弹性有限元模型.震源机制和GPS反映华北盆地处于NNE最大主压应力方向挤压,因此对模型边界施以恒定的位移速率边界条件;数值模拟华北岩石圈各层位在数百年以上长期匀速构造挤压作用下的应力积累特征,分析了华北地震空间分布与构造应力积累速率的关系,探讨了地壳结构与地壳分层流变性质对地壳应力积累的影响.计算结果表明,Moho面的隆起与地壳各层位岩石介质的黏滞系数是华北盆地地震孕育的重要因素.华北盆地在构造挤压的持续作用下,Moho面隆起处产生明显应力集中现象.该区域应力在长时期的积累过程中,在脆性的上地壳与中地壳上层,应力表现近于线性增长趋势,上地壳底部较其它深度有最大的应力增长率,其主震可以在应力积累至岩石破裂强度时发生;在脆、韧性转换的中地壳下层,应力增长速率次之,华北地震的大部分余震可能在该层位为主震所触发;而在柔性的下地壳应力增长近于指数形式,稳定状态之后其应力增长速率近于零,而鲜有地震发生.地壳各层位的应力增长率差异与地震成层分布的现象揭示了华北地壳的分层流变性质:脆性(上地壳)-较弱脆性(中地壳上层)-较弱韧性(中地壳下层)-较强韧性(下地壳)-韧性(岩石圈上地幔)的分层流变结构.     

大洋深俯冲带流变性质及其地球动力学意义——来自地幔岩高温高压实验的启示

在压力3GPa,温度1450～1600K,应变速率10-4～10-5s-1条件下,对深俯冲带和上地幔中两种重要岩石（榴辉岩和方辉橄榄岩）的流变性质进行了实验研究,获得了榴辉岩在超高压条件下的流变参数,应力指数为3.4,活化能为480kJ/mol,活化体积为12cm3/mol.实验结果表明具有中等石榴石含量榴辉岩的流变强度与方辉橄榄岩的流变强度在上地幔浅部条件下基本相当,是多晶绿辉石岩强度的2～3倍和多晶石榴石岩强度的一半.随榴辉岩中石榴石含量的逐步增加,岩石的整体流变强度也不断增大.在实验研究基础上,计算了不同板块汇聚速率条件下深俯冲大洋岩石圈在不同深度层次上的流变强度,以及橄榄岩和榴辉岩上地幔流变强度随深度的变化.研究表明,俯冲洋壳从下覆的上地幔拆离出来最有可能发生在缓慢俯冲的热俯冲带中;而快速俯冲的冷俯冲带,俯冲地壳与上地幔之间在强度上是耦合的,发生拆离的可能性不大.过渡带是上地幔中除岩石圈地幔外的高强度和高黏度层.     

大洋深俯冲带流变性质及其地球动力学意义

在压力3 GPa, 温度1450～1600 K, 应变速率10-4～10-5 s-1条件下, 对深俯冲带和上地幔中两种重要岩石(榴辉岩和方辉橄榄岩)的流变性质进行了实验研究, 获得了榴辉岩在超高压条件下的流变参数, 应力指数为3.4, 活化能为480 kJ/mol, 活化体积为12 cm3/mol. 实验结果表明具有中等石榴石含量榴辉岩的流变强度与方辉橄榄岩的流变强度在上地幔浅部条件下基本相当, 是多晶绿辉石岩强度的2～3倍和多晶石榴石岩强度的一半. 随榴辉岩中石榴石含量的逐步增加, 岩石的整体流变强度也不断增大. 在实验研究基础上, 计算了不同板块汇聚速率条件下深俯冲大洋岩石圈在不同深度层次上的流变强度, 以及橄榄岩和榴辉岩上地幔流变强度随深度的变化. 研究表明, 俯冲洋壳从下覆的上地幔拆离出来最有可能发生在缓慢俯冲的热俯冲带中; 而快速俯冲的冷俯冲带, 俯冲地壳与上地幔之间在强度上是耦合的, 发生拆离的可能性不大. 过渡带是上地幔中除岩石圈地幔外的高强度和高黏度层.