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.

     

青藏高原东缘地壳密度结构及其地球动力学意义

青藏高原东缘是高原物质向E及SE扩展的重要通道,掌握青藏高原东缘的地壳密度结构对研究青藏高原的隆升、变形机制具有重要意义。文中在前人研究成果的基础上,选取了地面实测的9条交叉的重力测线数据,以深地震反射剖面为约束,采用人机交互模式反演得到了青藏高原东缘地下的二维密度结构,并通过克里金插值法获取了三维密度结果。反演结果表明,青藏高原东缘地区具有巨厚的地壳,莫霍面埋深最深约为61km,而四川盆地的莫霍面埋深约为42km,以龙门山-安宁河-小金河断裂为界,两侧形成了莫霍面深度变化梯度带;从反演得到的沉积层厚度来看,沉积层在青藏高原东缘几个块体内呈现中心普遍厚度较大、边缘厚度较薄的特点。结合该地区的地震空间分布特征分析,青藏高原东缘的莫霍面和沉积层厚度分布与该地区的地震分布均具有很强的相关性,这对未来地震预测也具有重要的参考价值。     

青藏高原东缘岩石圈结构对现今地表垂向运动影响的数值分析

参考青藏高原东缘松潘-甘孜地块至四川盆地陡变地形起伏和地壳密度结构的横向差异,本文建立了二维牛顿黏性流体有限元模型,计算分析构造加载、陡变地形和重力效应控制下青藏高原东缘岩石圈变形特征,探讨横向不均匀的地壳密度结构、陡变地形和岩石圈流变性质对区域现今垂向运动的影响.计算结果显示：在构造加载作用下,松潘-甘孜地块至四川盆地地表抬升微弱.区域横向不均匀的地壳密度结构驱使松潘-甘孜地块地壳整体抬升,速率高达2 mm·a^-1,四川盆地整体下沉,速率约1 mm·a^-1,与龙门山两侧现今观测到的地表垂向变形模式相近.龙门山地区陡变地形驱使柔性地壳流动,调整区域地壳局部变形;岩石圈流变结构影响重力驱动作用下的模型变形量值和岩石圈变形耦合程度,松潘-甘孜地块较低的中地壳黏滞系数引起上、下地壳的变形解耦;模型较高的岩石圈地幔黏滞系数使重力驱动作用下区域垂向变形量降低.因此,青藏高原东缘地壳密度结构差异、地形起伏和岩石圈流变性质是现今区域垂向变形的重要动力学控制因素.

     

青藏高原东南缘地壳结构与变形机制研究进展

新生代青藏高原的隆升改变了整个亚洲的构造格局,对气候、环境均产生了重要的影响,但高原的隆升扩展机制众说纷纭.青藏高原东南缘作为扩展前缘,其构造演化对了解整个高原的扩展机制具有重要的意义.本文总结了近年来对青藏高原东南缘地壳结构研究的最新进展,特别是2011年中国地震科学探测台阵计划开展以来,利用密集地震台阵取得的新成果,探讨了青藏高原东南缘地壳的结构与变形机制.这些研究发现青藏高原的地壳由高原向外围减薄,但在高原边界断裂附近存在地壳厚度突变带;下地壳中存在两个独立的低速异常,一个位于松潘—甘孜块体下方,被高原的边界断裂所围限,另一个位于小江断裂带下方,呈NE-SW向展布.我们认为青藏高原东南缘下地壳物质被边界(丽江—小金河)断裂所围限,并没有继续向边缘流出,但是地壳挤出产生的应力作用继续向东南方向传递,造成了小江断裂带附近的地壳变形.     

青藏高原东缘活动构造与现今地应力场三维粘弹性模拟研究

青藏高原东缘地区活动断裂极其发育,强震繁发,特别是2008年5月12日的汶川Ms8.0级地震的发生,使得众多地球科学家认识到有必要更为全面地了解和认识该地区的地应力场背景和地球动力学环境.本论文结合活动构造的性质和分布特征,在考虑重力因素的条件下,利用三维粘弹性有限元模拟分析青藏高原东缘现今地应力场的分布特征和控制因素.模拟结果表明,印度板块与欧亚板块的持续碰撞和稳定华南块体的阻挡控制着青藏高原东缘总体的动力学环境,主要活动断裂和次一级活动断裂的展布对地应力场分布特征具有不同程度的影响,在不同的构造位置具有不同的地应力场特征,同时决定了相应活动断裂的性质.巴颜喀拉块体的水平最大主应力方向总体上为东西向;印度板块向北运动过程中对缅甸块体产生的剪切拉伸的作用和南海伸展性的边界使得水平最大主应力方向在川滇地块发生了偏转,同时造成了围绕喜马拉雅东构造结的旋转变形.青藏高原东缘在近地表区域由于受到地形地貌的影响,地应力随深度发生了不同程度的变化,在地形梯度较大和块体边界地壳结构发生较大变化的区域,如龙门山断裂带附近,地壳浅部的地应力随深度发生较为明显的变化,而地势比较平缓和地壳岩石物性比较稳定的地区,由浅到深的地应力变化较小.     

青藏高原地壳密度变形带及构造分区

将区域重力场多尺度刻痕分析用于提取青藏高原地壳变形带的信息,可了解高原内地壳变形带从浅到深的变化和平面分布特征,并对青藏高原主要地体的空间分布定位,为岩石圈研究提供地表地质难以取得的新信息.多尺度脊形化系数的图像刻划不同深度平面上的地壳变形带.青藏高原地壳变形带从上到下由细密逐渐变为粗稀型,而且细密型变形区分布的范围逐渐缩小,到下地壳完全消失.从这种情况可以推测,以垂直地面方向上看,地壳变形带应该是树形的,下地壳粗稀型的变形带为树的主干,而中地壳粗稀型的变形带为树的分枝,上地壳的变形带为树枝的小枝杈.上地壳细密型变形分布区反映了与中新生代地壳缩短变形区的范围,下地壳清晰连续的变形带反映了青藏高原的构造骨架.多尺度边界刻痕系数的图像刻画不同深度平面上的地体边界,下地壳的刻痕边界系数与密度剧烈变化带位置吻合;因此,由多尺度刻痕分析划分地体时同时取得地体密度信息.青藏高原内密度较高的地体包括喜马拉雅地体、克什米亚地体、察隅河地体、柴达木地体、巴颜喀拉地体和羌塘地体.柴达木地体、巴颜喀拉地体和羌塘地体是青藏高原中有壳根的核,而密度最高的克什米亚和察隅河地体在大陆碰撞时不易碎裂,对东西两个构造结的形成起了关键作用.     

从古地磁看青藏高原地壳增厚的机制

拉萨地体和欧亚大陆稳定区晚白垩世的古地磁极位置显著不同,前者为69.8°N,292.9°E(A95=5.1°),后者为69.5°N,167.4°E(A95=8.7°)。据此可以得出,自晚白垩世以来,拉萨地体相对于欧亚大陆稳定区沿北北东方向移动了2400±800公里,反时针转动了31.4°±9.2°。这一相对运动的起始时间与印度板块和欧亚板块的碰撞几乎同时,而且主要是通过欧亚大陆南部的陆内形变完成的。在青藏高原地壳增厚机制的争论中(长距离俯冲说与陆内形变说),古地磁数据明确地支持陆内形变说     

青藏高原东缘上地壳的拱起冲断作用与汶川地震的动力学机制

根据数字高程分析,青藏高原东部在侧向生长的过程中,其东缘的高程在龙门山一带不仅没有衰减,反而在强烈侵蚀的地表环境下,有600m左右的增高,隆起范围可达到150km宽,远远大于龙门山断裂带的宽度（图1）。野外地质调查与区域地质构造分析也揭示,龙门山一带上地壳的汇聚作用表现为松潘-甘孜块体东缘的褶皱拱曲与扬子克拉通西缘的高角度叠瓦状冲断,     

青藏高原中部风火山地区第三纪地壳南北缩短量研究

利用新的资料对青藏高原中部风火山地区下第三系风火山群的变形进行了地壳南北向缩短率估算 ,其值为 >4 1%。缩短时期主要为渐新世末 ,其次为中新世末     

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．     

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.

     

A 3D finite element modeling on the relationship between crustal stress and earthquake activity in Liaoning and its vicinity

IntroductionTectonic earthquakes are the consequence of localized stress concentration. A basic way of learning the process of earthquake preparation and occurrence is to study the distribution and evolution of the tectonic stress.Since the 1980s a series of achievements in Earth stress research have been announced in the world (e.g., Zoback, 1992). In last two decades many researches on crustal tectonic stress have been carried on in China, including earthquake focal mechanism analyses, in-…     

Relation between electricity structure of the crust and deformation of crustal blocks on the northeastern margin of Qinghai-Tibet Plateau

The Qinghai-Tibet Plateau was formed by coales-cence of microcontinents of different geologic histo-ries, i.e. it consists of a series of blocks, such as Hi-malayas, Lhasa, Qiangtang, Kunlun, Qaidam and Qi- lian blocks from south to north. The blocks moved firstly in the NNE direction, then in the NE direction and at last in the ENE or E-W direction from south to north by a combined action of Indian Plate moving northward and obstruction of Tarim and other blocksnorth of the plateau. T…     

Geophysical evidence for thrusting of crustal materials from orogenic belts over both sides of the Yangtze Block and its geological significance

Based on deep geophysical detections, we have reconstructed the crustal structure from the eastern margin of the Tibetan Plateau to the Jiangnan-Xuefeng orogenic belt. The results suggest that the Yangtze Block was overthrusted by crustal materials in its NW direction from the eastern Tibetan Plateau but in its SE direction from the Jiangnan orogen. These overthrusting effects control the crustal structure from the western Sichuan to the western area of the Jiangnan orogen-Xuefeng orogenic belt. The eastward extruded materials from the eastern Tibetan Plateau were blocked by the rigid basement in the Sichuan Basin, where upper-middle crust was overthrusted whereas the lower crust was underthrusted beneath the Sichuan Basin. The underthrusted unit was absorbed by crustal folding, shortening and thickening in the Yangtze Block, forming the Xiongpo and Longquan Mountains tectonic belts and resulting in the NW-directed thrusting of the Pujiang-Chengdu-Deyang fault, and the western hillsiden fault in the Longquan Mountain. These results provide resolution to the controversy where the eastward extrusion material from the Qinghai-Tibet Plateau had gone. Overall, that Yangtze Block was subjected to thrusting of the crustal materials from the orogenic belts over its both sides. This finding has implications for the study of the intracontinental orogenic mechanism in South China, the reconstruction of tectonic evolutionary history and the kinematics processes during the lateral extrusion of the Tibet Plateau.     

大跨桥梁结构损伤诊断与安全评估的多尺度有限元模拟研究

探讨了以结构损伤诊断与安全评估为目标的大跨桥梁结构多尺度有限元模拟的策略与方案。在有限元模型误差来源分析的基础上,提出了大跨桥梁结构模型误差的分层次修正方法。通过对润扬长江大桥斜拉桥的有限元建模和模型修正过程,提出了大跨斜拉桥结构以损伤诊断与安全评估为目标的多尺度有限元模拟方法。研究表明,大跨桥梁结构的多尺度有限元模拟必须建立在模型误差分析的基础上,并采用模型误差的分层次修正方法才能较好的满足多尺度有限元模拟的技术要求。     

有限元数值模拟龙门山断裂带地震循环的地壳变形演化

现今地壳变形数据显示横跨龙门山断裂带的地壳缩短速率低于3 mm·a^-1,如此小的地壳缩短速率与龙门山断裂带附近的长期地质造山（平均高程约4.5 km）形成强烈对比.我们构建并使用了一个二维平面应变黏弹塑性有限元模型来模拟龙门山断裂带的地震循环位移变化,从而探讨了短期变形与长期变形之间的关系.模型模拟了地震循环的各个阶段（震间加载期、同震瞬间和震后黏性松弛调整期）以及多个地震循环（万年尺度）的地表变形,揭示了变形在地震循环中是如何累积、释放、调整以及最终形成永久变形导致了造山.模拟结果显示,岩石圈流变结构以及断层几何形态均对地震循环的地表位移变化有着显著的影响.经过多个地震循环,青藏高原东缘整体产生水平缩短与增厚抬升,而四川盆地基本保持稳定,区域的水平缩短主要由断层位错及青藏东缘的缩短抬升来调解,造成了青藏东部与川西盆地的差异抬升.研究结果将地震循环时间尺度的短期变形与长期地质造山联系起来,帮助我们理解青藏高原东部的隆升机制.

     

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.

     

Describing near surface, transient flow processes in unconfined aquifers below irrigated lands: A deforming finite element model for heterogeneous aquifers

Hydrologic models of irrigated lands generally adopt either a basin-scale or a root-zone perspective. While basin-wide macro-scale models rely on the aggregation of important spatial and temporal data across large areas, micro-scale root-zone models depend on the definition of rigid boundaries around the zone of plant–soil–water interaction. In reality, irrigation management decisions are made on a field by field basis and can interact across field boundaries. This paper first describes a shallow water table model, based on deforming finite element (DFE) framework, to characterize the near-surface field-to-field hydrologic response to various irrigation and drainage management regimes along a gently sloping alluvial fan. The model is then enhanced through changing geometry of a fluctuating water table below a series of irrigated fields. Such an enhancement also offers computational flexibility relative to the saturated–unsaturated models commonly used in micro-scale studies. The model is designed with the alluvial fan aquifers of California’s western San Joaquin Valley as reference systems.     

The transition from Alboran to Algerian basins (Western Mediterranean Sea): Chronostratigraphy,deep crustal structure and tectonic evolution at the rear of a narrow slab rollback system

The eastern Alboran basin and its transition to the Algerian basin is a key area in the Mediterranean realm where controversial kinematic and geodynamical models are proposed. Models imply striking differences regarding the nature of the crust, the prevalence of brittle faulting and ductile shear, the origin of magmatism, the style of Miocene deformation and the driving mechanisms of the Alboran plate kinematics. Combining a new chronostratigraphic chart of the Alboran and Algerian basins based on the Habibas (HBB-1) core drill, deep seismic sections striking WSW-ENE and SSE-NNW, and potential field data, we re-assess the tectonic evolution that controlled the sedimentation and basement deformation of the westernmost limit of the Algerian basin and its transition with the Alboran domain. A WSW-directed extensional tectonic phase has shaped a stretched continental crust with typical tilted blocks along ∼100 km from Burdigalian to Tortonian times, which is assumed to result from the WSW-directed migration of the Alboran block driven by a narrow slab rollback. In the Algerian basin, this event was followed by the emplacement of an oceanic-type crust. Potential field signatures of the deep basin as well as geometrical correlations with onland outcrops of inner zones suggest a minimum WSW-directed displacement of the Alboran terrane of ∼200 km. At the southern foot of the Algerian basin, the continent-ocean transition is sharp and may result from the westward propagation of a slab tear at depth, forming two segments of STEP (Subduction-Transform Edge Propagator) margins. Our results support models of intense shear tractions at the base of an overriding plate governed by slab rollback-induced mantle flow. Finally, Messinian salt tectonics affected overlying deposits until today. A late Tortonian to Quaternary dominantly transpressive tectonic episode linked to the Africa-Iberia convergence post-dates previous events, deforming the whole margin.