青藏高原通道流模型动力环境的数值模拟

"中、下地壳流"模型作为一种可能的动力学演化机制,在解决诸如喜马拉雅造山带和青藏高原东缘、南缘等区域地壳中岩层的通道流或韧性剪切挤出等方面的解释给出了相应的模型和阐述.本文基于青藏高原壳、幔介质平均速度模型,采用二维黏弹性数值模型对高原下地壳物质流动的动力学边界条件进行探讨.研究结果表明:(1)青藏高原下地壳与上地幔盖层物质作为坚硬的固态物质相接,不具备可运动的边界条件,难以在Moho界面处任意地域发生相互运动.壳、幔介质中需存在可供物质高速运动的边界条件,即以上地壳底部的低速层为上滑移面,以上地幔软流圈顶部为下滑移面,才有可能在足够强的力系作用下促使"下地壳+岩石圈盖层"物质发生同步运移;(2)若不具备这样的初始与边界条件是难以产生深部物质运移的.因此,青藏高原深部壳、幔物质运动不可能是普遍存在的,只能是局部和在特异环境下才能实现.     

青藏高原的Pn波速度和Moho面的起伏

自1991年7月至1992年6月,中美合作在青藏高原架设了11个 PASSCAL 宽频带数字记录地震台站.其中7个分布于青藏公路沿线,其它的台站架设在青海的玛沁、玉树以及西藏的林芝和日喀则.本文所用的资料为这些台站在1991年下半年记录到的31个近震事件.根据数字记录的特点,利用 SUN 计算机工作站中的地震分析软件包(SAC),用多种方法仔细辨认震相:将各台记录的地震图转换成地震剖面图.进行震相对比;将三分向地震记录进行旋转,在入射面内分析 P 波初动;从质点的运动轨迹辨别震相.利用高原东南部的林芝地震、羌塘块体西部的地震、台网北边的锡铁山和共和地震以及印度地震,分别计算它们的 Pn 波视速度.结果显示,青藏高原的 Pn 波速度变化不大,约为8.0 8.1km/s.这个数值接近于正常大陆地区地幔顶部的速度.我们还用首波的时间项方法研究青藏高原 Moho 界面的起伏情况.初步结果表明,青藏高原的 Moho 界面比较平坦,深度约67-70km.      

青藏高原动力学数值模拟方法与研究进展

对青藏高原演化动力学问题近20年来开展了很多数值模拟工作. 本文初步回顾了主要数值模型的特点及模拟所得到的结果,同时对它们进行了比较分析. 早期的平面模型,与高原的实际变形特点（如地壳增厚、侧向排出等）相差较大;薄片或薄板流变模型,可以研究垂向地壳厚度的变化及重力对变形的影响,适用于研究大尺度、长时间的变形;断裂对大陆变形影响的研究,需要进一步加强.     

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。     

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     

太湖水动力学三维数值试验研究─2.典型风场风生流的数值计算

本文用垂直谢匀分五层,水平网络蹁为１ｋｍ的压缩σ坐标系下的三维数值模型,计算了太湖典型风场ＳＥ,ＮＷ,ＳＷ风生流,分析了太湖湖流及由各层流场平均得到的整层平均流肪在这三种典型风场作用下随时间的演变特征,探讨了风应力,水面倾斜压强梯度力,湖底摩擦力三者对湖流垂直结构的影响,初步揭示了太湖湖流垂直结构形成的机理。     

地球动力学问题的数值模拟研究——以青藏高原现今隆升研究为例

以青藏高原地区为研究对象,考虑活动地块分区和主要断裂带,建立能反映地表起伏和分层结构的岩石圈三维粘弹性有限元模型。选取合适的模型参数、边界条件和加载条件进行计算,模拟了青藏高原地区的现今垂直隆升速率。研究表明,印度板块对欧亚板块的向北推挤作用是高原隆升的主要动力源。下地壳和岩石圈上地幔在印度板块的向北推挤下不断增厚,从而维持青藏高原地区现今的持续隆升状态。     

西山遮挡对滇池风生流影响的数值模拟

对于湖泊风生流的模拟,湖 面风场数据是决定精度高低的关键因素, 而湖泊周围的山地等复杂地势常常引起湖面风速风向的不均匀分布,致使湖流流态因地形因素而变化较大,本文建立了一个适合于湖泊区域的中小尺度三维过山气流数值模型,用以计算受山体遮挡的风场合沿水深平均的二维湖泊风生流数值模型模拟了实际地形条件下的滇池风生流,并与均匀风     

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 .     

加卸载响应比的数值模拟

用数值模型来模拟和验证加卸载响应比（ＬＵＲＲＬｏａｄ／Ｕｎｌｏａｄ　ＲｅｓｐｏｎｓｅＲａｔｉｏ）理论．编制非均匀各向异性材料宏细观损伤破坏程序,模拟固体材料在损伤破坏时的加卸载过程,证实了加卸载响应比理论的正确性．结果表明,ＬＵＲＲ这一反映地球介质临近破坏的指标,也可以用来预测材料的破坏．同时讨论了一些参数（如均匀程度和脆性程序）对ＬＵＲＲ的影响,发现材料越呈脆性,或越均匀,ＬＵＲＲ值上升得越晚,曲线越陡．该结果对用ＬＵＲＲ指标预测地震具有一定启发．     

青藏高原的隆升过程与地球动力学模型研究进展

综合对比、分析了现有青藏高原隆升过程和地球动力学模型相关成果，认为：（1）高原岩石圈以多圈层为特征，其内部层圈相互作用复杂，从而导致隆升过程和机制的复杂性以及构造演化的阶段性，高原的隆升是多种机制联合作用的产物，具有多阶段、非均一、不等速的特征；（2）现有地球动力学模式多力求用一种动力学体制对高原整体构造格架和成因演化进行解释，然而，高原的隆升过程、状态和动力学机制具有非线性、非周期性和无序性等特征，其隆升作用存在非线性效应；（3）以数值模拟为手段，开展物理与数学的定量模拟研究，建立组合动力学模型，是青藏高原隆升过程和地球动力学研究中有待深化的重要课题。     

巴颜喀拉块体强震动力学过程数值模拟

以青藏高原为目标采用弹性体本构关系,模拟印度板块持续向北推进、挤压对巴颜喀拉块体及邻区的影响.通过降低强震发生位置处单元弹性模量的方法,模拟1900年以来发生在巴颜喀拉块体及周缘Ms≥7.0强震,计算序列中前面地震对后续强震的影响.模拟结果表明:①巴颜喀拉块体背景场应力水平大致与块体西部等效应力同等大小,自西向东逐渐递减,巴颜喀拉块体西部和中部等效应力从南向北逐渐递减,东部地区等效应力比较低;②模拟的14次地震序列中,有8次发生在前面强震所引起的等效应力增大的区域内,2次发生在等效应力增大和减小的过渡区域内,3次发生在等效应力减小的区域内;③从强震序列所引起的应力相互作用看,历史地震对1970年以来发生的地震影响结果为:历史地震加速了1973年亦基台错、1997年玛尼和2001年昆仑山口西地震的发生,昆仑山口西地震对汶川地震的影响较小,汶川地震对玉树地震的发生不具有加速触发作用.     

巴颜喀拉块体强震动力学过程数值模拟

以青藏高原为目标采用弹性体本构关系, 模拟印度板块持续向北推进、 挤压对巴颜喀拉块体及邻区的影响. 通过降低强震发生位置处单元弹性模量的方法, 模拟1900年以来发生在巴颜喀拉块体及周缘M_S≥7.0强震, 计算序列中前面地震对后续强震的影响. 模拟结果表明: ① 巴颜喀拉块体背景场应力水平大致与块体西部等效应力同等大小, 自西向东逐渐递减, 巴颜喀拉块体西部和中部等效应力从南向北逐渐递减, 东部地区等效应力比较低; ② 模拟的14次地震序列中, 有8次发生在前面强震所引起的等效应力增大的区域内, 2次发生在等效应力增大和减小的过渡区域内, 3次发生在等效应力减小的区域内; ③ 从强震序列所引起的应力相互作用看, 历史地震对1970年以来发生的地震影响结果为: 历史地震加速了1973年亦基台错、 1997年玛尼和2001年昆仑山口西地震的发生, 昆仑山口西地震对汶川地震的影响较小, 汶川地震对玉树地震的发生不具有加速触发作用.      

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。     

加卸载响应比的数值模拟

用数值模型来模拟和验证加卸载响应比（ＬＵＲＲＬｏａｄ／Ｕｎｌｏａｄ　ＲｅｓｐｏｎｓｅＲａｔｉｏ）理论．编制非均匀各向异性材料宏细观损伤破坏程序,模拟固体材料在损伤破坏时的加卸载过程,证实了加卸载响应比理论的正确性．结果表明,ＬＵＲＲ这一反映地球介质临近破坏的指标,也可以用来预测材料的破坏．同时讨论了一些参数（如均匀程度和脆性程序）对ＬＵＲＲ的影响,发现材料越呈脆性,或越均匀,ＬＵＲＲ值上升得越晚,曲线越陡．该结果对用ＬＵＲＲ指标预测地震具有一定启发．     

海底冷泉气泡羽流地震波数值模拟

海底冷泉广泛分布于全球大陆边缘海域,是未来能源勘探的重要领域.本文根据海底冷泉羽流特征,设计多个典型2D冷泉气泡散射地球物理模型并观测其数值模拟的地震响应特征.冷泉正演模拟的关键是建立典型地震海底冷泉散射模型,本文首先构建了平稳随机散点模型,设计了符合实际的气泡半径和气泡体积分数的参数模型,通过参数填充和计算得到了等效速度模型.由此建立的模型在适应性和灵活度上凸显出很大优势,极大地提升了地震响应的可靠程度.单炮地震记录显示冷泉羽流区散射能量最强,地震波场散射清晰,散射波场沿冷泉延伸方向具有明显的方向性.复杂冷泉气泡散射模型的正演模拟结果表明地震响应能够准确描述海底冷泉羽流,对冷泉羽流的研究和寻找海洋天然气资源具有重要意义.

     

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。     

基于颗粒流方法的黄土地震滑坡数值模拟

基于颗粒流理论研究土质边坡动力稳定性及其滑动过程是近年来滑坡研究的一个新热点。在野外调查和室内试验的基础上,通过标定土体细观参数、模型建立、动力输入、动态监测等过程,利用PFC2D程序模拟了西吉县兴平乡堡湾村下马达子滑坡的失稳破坏运动过程,得到了该滑坡的破坏运动机理。得到如下结论：(1)下马达子滑坡的失稳机制是在地震作用下斜坡前缘牵引、后缘推挤,使得坡肩受拉发生破坏,失稳后坡肩位置较大的速度和位移是地震滑坡破坏力强、致灾范围大的主要原因;(2)黄土地震滑坡的滑坡后壁相对平缓,这是区别于重力滑坡的重要特征之一;(3)颗粒流模拟得到的滑坡前后相对高差和长度与实际情况较为吻合,因此,颗粒流方法可以用于地震滑坡滑距的预测。     

太湖水动力学三维数值试验研究——3.马山围垦对太湖风生流的影响

地形地决定湖泊流场的大小和结构和重要因素,它会影响湖泊水体内的物质输移与扩散和水质的分布,因而弄清马山围垦对湖流的影响有助于了解无锡市重要饮用水水源地梅梁湖的藻类“水华”和水质变化规律,本文在太湖风生流的三 数值模拟的基础上,用数值试验方法探讨了马山围垦对湖泊流场的影响,结果表明：虽然围垦对表层及底层风生流影响较小,但是对中间转层的流场影响较大,对整层平均流场影响更大,在多数风场作用下,围垦虽未对