青藏高原东北缘强震数值模拟

<正>青藏高原东北缘强震活动频繁,过去百年时间里在该地区共发生了18次7级以上强震。以青藏高原东北缘为主要目标建立3D黏弹性有限元模型,研究系列强震发生后应力场的演化过程,尝试为地震预测研究提供一种具有力学含义的辅助支撑技术。     

青藏高原东北缘现代构造应力场数值模拟

为进一步揭示青藏高原东北缘区特殊构造应力场特征并探索其形成原因,本文在分析前人有关该地区构造应力场特征的基础上,依据活动块体构造单元划分原则及活动断裂分布规律建立地质模型,采用有限元数值软件MSC.Marc子程序FORCEN语句,并结合区域动力地质背景定义边界荷载,采用二维有限元数值方法计算模拟了青藏高原东北缘区现代构造应力场并对其特征进行了成因分析。通过模拟获得了研究区构造应力场分布特征及其变化规律,其结果与前人研究结论一致性很好。研究表明区内最大主应力矢量在空间位置(由北西至南东)上发生顺时针偏转是两种因素共同作用的结果:第一,印度板块由南向北的推挤作用逐渐减弱;第二,在青藏地块北东向推挤与阿拉善及鄂尔多斯地块边界阻挡的作用下,研究区内地壳物质发生纵向压缩横向流动并向东南方向逃逸挤出。     

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.     

青藏高原东北缘地震时空迁移的有限元数值模拟

地震在大陆内部断层系统中的时空迁移和丛集的基本力学机制一直是地球科学家关注的重要问题.青藏高原东北缘地震活动频繁,其地震时空迁移和地震丛集现象显著,是研究这个问题的重要区域.我们建立了一个三维黏弹塑性有限元模型,模拟了青藏高原东北缘主要活动断层系统的地震循环和地震时空迁移;计算了断层系统的应力演化;并探讨了断层之间的相互作用及地震时空迁移和地震丛集的原因.模拟结果显示断层之间的相互作用通过增加或降低断层上的库仑应力,加速或延缓了地震发生,使得区域地震可以在短时间内集中发生,从而形成地震丛集;另外,区域经过多个地震循环的长期演化,一些孕震断层上的应力状态恰好都达到屈服的临界状态附近,从而也可以导致这些断层上的地震在短期内集中发生,因此产生地震丛集和地震迁移.我们发现当区域经历地震丛集之后,该区域的应力大大释放,区域进入地震平静期;随着构造加载的持续,区域应力逐渐恢复,为下一次地震丛集或地震序列累积应力和能量;上述过程可以重复发生.因此地震丛集期与平静期交替出现.我们还统计了各个断层的大地震相互迁移的模拟结果,结果显示青藏高原东北缘下一次大地震有很大的概率会发生在海原断层上.

     

相变对金星地幔对流影响的数值模拟

利用三维球壳模型通过数值模拟研究了相变对金星地幔对流的影响.模型假定地幔物质流变特性与温度和压力强相关,并包含橄榄石到尖晶石的放热相变和尖晶石到钙钛矿的吸热相变.通过对不同瑞利数、不同相变Clapeyron斜率和不同相变深度的模型的计算分析,发现:(1)吸热相变对相变面上下物质交换具有阻碍作用,增加相变Clapeyron斜率的绝对值,会减小相变面处的径向质量流和归一化径向质量流、并减少地幔热柱个数,即上下物质交换减弱、相变的阻碍作用加强、对流波长增加;(2)增大瑞利数Ra,也使对流波长增加或热柱个数减少,但对相变面上下物质交换的影响主要反映在对流强度与Ra的关系上,即Ra增加,对流强度增加,相变面处的径向质量流增大,上下物质交换量增大.而Ra增加,归一化径向质量流变化不大,即Ra对相变的阻碍作用的影响不大.这不同于二维模型中瑞利数的增加将很大程度上增加相变的阻碍作用的结论;(3)吸热相变面深度的少许增加会略微减少热柱个数,但对相变面上下物质交换的影响很小.虽然与已有研究一致,吸热相变能阻碍相变面上下物质交换,但这种阻碍作用在三维模型中并不会导致物质在界面上下大量堆积.上下物质交换量随时间变化不大,地幔对流结构相对稳定.这与二维模型中存在周期性的大量物质交换明显不同.这说明相变的作用将难以导致金星表面的大量岩浆作用,或者说相变难以导致金星灾难性的表面更新.     

基于GNSS的青藏高原东北缘地壳运动场及强震趋势研究

利用“中国大陆构造环境监测网络”GNSS数据研究1998—2018年青藏高原东北缘排除同震影响等干扰后的速度场、主应变率场、最大剪切应变率场、面应变场等的变化,活动断裂滑动速率变化、跨活动断裂基线变化等。将研究区域内的二级块体再分区,获得各次级块体内部的应变率变化;获取研究区域地壳运动场的趋势性、动态特征。研究结果显示,阿尔金断裂带中东段、祁连块体和柴达木块体交界、巴颜喀拉块体与羌塘块体交界、祁连块体南边界中段、海原—六盘山断裂带和西秦岭北缘断裂带西段的逆冲运动,祁连块体北边界西段、庄浪河断裂的左旋走滑运动,祁连块体北边界东段、西秦岭北缘断裂带东段的左旋逆走滑运动,都属于造成一定程度地壳变形的持续性局部应变增强活动。阿尔金断裂带东段、东昆仑断裂带中西段、祁连块体北边界、庄浪河断裂北段、海原断裂南段、六盘山断裂北段、西秦岭北缘断裂带东段可能存在闭锁,未来十年可能发生M_S6.0以上地震。     

青藏高原东北缘活动断裂剪切模量及应力状态数值模拟

正作为控制断层两盘相对运动的重要因素,断裂带介质力学性质与断层面上的滑动速率及应力状态、区域地壳运动速度场以及强震危险性判定等密切相关。从物理上,断层力学性质可以理解为断层面两盘之间的摩擦系数或断裂带的剪切模量,但这一参数很难从野外观测的角度定量给出。研究中通常通过以下两种确定方式,一种是根据地质上关于断层活动的认识做定性判     

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.

     

地幔对流的数值实验研究

数值实验是地幔对流研究的基本方法。本文概述了近二十年地幔对流研究的主要进展,介绍并评价了每个研究阶段所提出的新概念和新思想。最后,着重讨论了上地幔与全地幔对流的论争。     

地幔对流的数值实验研究

数值实验是地幔对流研究的基本方法。本文概述了近二十年地幔对流研究的主要进展,介绍并评价了每个研究阶段所提出的新概念和新思想。最后,着重讨论了上地幔与全地幔对流的论争。     

青藏高原东北缘岩石圈变形方式的动力学模拟研究

青藏高原东北缘是青藏高原横向扩展的前缘位置,其岩石圈变形方式和动力学机制是理解青藏高原横向扩展模式的关键.本研究利用数值模拟方法,以地表地形、岩石圈结构和地表热流等观测为约束,重点讨论了流变强度差异对青藏高原东北缘岩石圈变形方式的影响.结果表明:当青藏高原周缘地块岩石圈地幔强度相对较高,地壳强度相对较低的情况下,在不断扩展的青藏高原挤压作用下,周缘地块地壳增厚,增厚的地壳在重力作用下使得下覆岩石圈地幔俯冲下插;而当周缘地块岩石圈地幔强度非常高,则有限的地壳增厚不能使其俯冲下插,只能在地壳部分形成有限的缩短变形;低黏滞性、高速流动的下地壳使得下地壳整体增厚,从而对青藏高原地表的整体抬升有重要贡献,而对岩石圈地幔的变形方式影响有限.     

青藏高原东北缘六盘山构造带及邻域的动力学响应数值模拟

青藏高原东北缘地区是青藏高原向北东方向扩展的前缘部位,也是探索青藏高原深层动力过程的重点区域.本文基于该区已有的地球物理探测工作,构建了横跨青藏高原东北部块体、六盘山构造带和鄂尔多斯盆地的二维剖面的数值模型,采用黏弹性数值模型对竖直向重力场展布对其构造演化过程及动力学响应进行了探讨.研究结果表明:(1)深部竖直向异常重力场特征导致了复杂的垂向动力学响应变化,造成了深部物质的复杂运移,而印度板块向北运动的挤压推力依然是青藏高原东北部—鄂尔多斯盆地深部动力学响应的主导因素.(2)流变结构及应变能的计算结果证明,在六盘山构造带地壳内能量最为聚集的地方与海原地震的深度大致相当,而青藏高原东北部地域与六盘山构造带的物性结构、形变速率、升降幅度等方面的差异,亦是造成低速层边界岩石破裂,且导致海原强震发生的主要原因.(3)在青藏高原东北部—鄂尔多斯构造区域的特异流变性结构,并不利于下地壳物质的流动.     

青藏高原东北缘噪声层析成像研究

利用青海、甘肃和宁夏3个区域地震台网两年的波形数据,通过地动噪声层析成像方法给出了青藏高原东北缘8—40 s的瑞雷面波二维群速度结构和三维地壳上地幔顶部的剪切波速度结构。研究结果显示,相比传统的面波层析成像方法,噪声层析成像给出的短周期面波信息能够较好地约束地壳和上地幔顶部结构。8 s和10 s周期的群速度图像与沉积层和基底结晶深度有关,具体而言:祁连山和西秦岭造山带表现为高速体特征,柴达木盆地、河西走廊和鄂尔多斯西缘表现为低速特征;周期为15 s和20 s的瑞雷面波群速度图像反映的是中地壳结构,15 s周期群速度图像上造山带下方高速体向北和向东方向扩展,20 s周期群速度图像呈现大范围低速体,推测为中下地壳低速层影响所致;30 s和40 s周期的群速度图像反映的是莫霍面深度附近的速度结构,具体表现为青藏高原大范围的低速体,向北和向东逐渐表现为高速体,说明青藏高原的莫霍面深度较深,且向北和向东逐渐减薄。另外,三维剪切波速度结构显示祁连地块和甘孜地块中地壳存在大范围低速层,且由柴达木盆地东侧深部的低速层连接,该低速层可能是青藏高原物质北移的一个通道。      

青藏高原东北缘深部构造研究

1.引言在鄂尔多斯块体西侧,甘肃、宁夏境内存在一系列弧顶北东向的逆冲走滑弧形断裂,历史上这一区域内曾多次发生6级以上的中强地震,其内的断裂分布和地震活动显示出具有青藏高原东北缘特色的深部构造环境。本文利用区域地球物理场资料分析研究其深部构造,探讨了该区域深部构造与地震活动空间分布规律的关系。 2.区域地球物理场特征     

青藏高原东北缘断层泥的研究

本文对青藏高原东北缘一些主要断裂（包括阿尔金、昌马、毛毛山等断裂）的断层泥首次进行了研究。在对断裂带的内部结构、围岩成分、断层泥的厚度及石英颗粒表面特征等综合分析的基础上对断裂的活动年代、活动方式及断层泥形成的深度进行了讨论。石英颗粒表面上溶蚀程度（颗粒表面的光滑程度、凹凸现象及孔洞发育情况）可划分为６种类型并且每种类型都有相应的年代。根据断裂的粘滑、蠕滑特征，对该区的各活动断裂进行了粘滑段与蠕滑段的划分。用红外光谱与稀土元素的分析结果，算得断层泥形成的深度在地壳１０ｋｍ范围内。     

结合欧拉矢量的反演算法构建青藏高原东北缘地壳运动速度场模型

探讨地壳运动速度场模型的构建方法,提出结合欧拉矢量的维多样性动态权重粒子群算法构建地壳运动速度场模型。通过模拟算例验证该算法的稳定性和有效性,建立的速度场模型与线性权重粒子群算法和非线性权重粒子群算法的计算结果相比具有较高的精度,且收敛速度较快。利用青藏高原东北缘1999—2013年中国地壳运动观测网络观测到的GPS水平速率结果,在块体划分和模型辨识的基础上,建立青藏高原东北缘地壳运动速度场模型,并将其与最小二乘配置法的计算结果进行比较,结果表明改进的粒子群算法建立的地壳运动速度场模型具有较高的精度。     

大陆岩石圈、地幔底部异常体与地幔对流相互作用的数值模拟

在地球表层存在着占地表面积约30%的具有低固有密度、高黏度的大陆岩石圈.由于其特殊的物理化学性质,大陆岩石圈通常不直接参与下方的地幔对流,但其与地幔对流格局有着重要的相互影响.大量研究显示,在中太平洋和非洲的下地幔底部,存在着两块占核幔边界（CMB）面积约20%的高密度热化学异常体（由于其剪切波速度较低,常称作低剪切波速度省（LSVPs））.LSVPs的演化既受地幔对流的影响,同时也影响地幔物质运动的格局和动力学过程.本文系统研究了存在大陆岩石圈,下地幔LSVPs的地幔对流模型.模拟结果显示：（1）当大陆体积较小时,其边缘常伴随着俯冲,大陆区域地幔常处于下涌状态,其上地幔温度较低,大陆岩石圈在水平方向处于压应力状态.随着大陆体积的增大,大陆边缘的俯冲逐渐减弱,大陆区域地幔由下涌转为上涌,其上地幔温度较高,大陆岩石圈水平方向处于拉应力状态.（2） 岩石圈与软流圈边界（LAB）在大陆下方较深,温度较低;在海洋区域较浅,温度较高.随着大陆体积的增大,陆洋之间LAB深度、温度的差异逐渐减小.（3）大陆区域地幔底部LSVPs物质的丰度与大陆的体积呈正相关.当大陆体积较小时,大陆下方的LSVPs丰度比海洋区域少.随着大陆体积的增大,大陆下方LSVPs的丰度逐渐增大.（4）海洋地区地表热流高,且随时间波动大,大陆地区地表热流低,随时间波动较小;LSVPs区域的核幔边界热流低.     

地幔对流的数值模拟及其与表面观测的关系

本文从基本的热对流方程出发,并结合地幔对流特点,特别考虑到自重及非线性影响,探讨地幔对流及其与表面观测的关系,发展了相应的数值方法.结果表明,计算得到的长波大地水准面、地表地形、板块速度场水平散度与观测值符合程度较好.上、下地幔的非绝热温度异常与由地震层析得到的地震波速异常显示一定的相关性.地幔内部的流动呈现复杂形态,反映了高瑞利数对流的特征.     

地幔对流的数值模拟及其与表面观测的关系

本文从基本的热对流方程出发,并结合地幔对流特点,特别考虑到自重及非线性影响,探讨地幔对流及其与表面观测的关系,发展了相应的数值方法.结果表明,计算得到的长波大地水准面、地表地形、板块速度场水平散度与观测值符合程度较好.上、下地幔的非绝热温度异常与由地震层析得到的地震波速异常显示一定的相关性.地幔内部的流动呈现复杂形态,反映了高瑞利数对流的特征.     

青藏高原东北缘壳幔过渡带研究

利用穿过青藏高原东北缘的两条地震测深剖面提供的PMP波形资料,研究了该区不同构造单元壳幔过渡带的复杂性、频谱特征和速度模型．结果表明, 鄂尔多斯盆地和陵中盆地Moho具有稳定的构造特征,壳幔耦合为简单的一级间断面;海原地震区和巴颜喀拉地块与柴达木地块结合带莫霍面具有明显的活动迹象,壳幔耦合为复杂的高、低速相间的多层壳幔过渡带,总厚度达到20多千米．不同构造单元的莫霍面差异性反映了研究区壳幔耦合层的非均匀特征;海原地震区和玛沁断裂壳幔过渡带的细结构差异, 则反映了两个陆 陆碰撞带不同的深部物质结构与地块之间的相互作用结果．