卫星重力资料揭示的新疆天山地区构造动力学状态

利用最新的地球重力场模型,计算了新疆及邻近地区的自由空气重力异常、大地水准面扰动异常、地壳和上地幔平均密度异常以及地幔对流引起的岩石层底界面粘滞应力场分布．根据计算结果,对新疆天山地区的构造动力学特征进行了分析和推断,认为天山处于地幔对流形成的挤压沉降环境中,在南北不对称的挤压应力作用下快速隆升,挤压应力场中心在天山以南．这种应力场特征有利于塔里木板块向天山之下俯冲的观点．天山南北两侧的准噶尔盆地南缘和塔里木盆地北缘,是地壳内质量缺失区,是由于南北两侧地壳向天山下挤压而弯曲造成的．中国天山东段的深部密度分布特征与中段和西段的不同,可能是地幔对流分布的东西向差异造成的．      

欧亚板块均衡大地水准面异常及其动力学特征

采用弹性挠曲模型,利用球谐函数方法计算了欧亚板块均衡大地水准面异常.均衡大地水准面异常消除了地形起伏、地壳物质补偿的影响,主要反映了地幔物质密度异常以及核幔边界起伏和热状态的不均匀分布特征,而这种物质密度和热状态的不均匀分布导致了地幔物质的流动.针对滤波后的均衡大地水准面异常分别计算了欧亚板块大尺度和中尺度的地幔对流,并进行了构造和地球动力学分析.结果表明,现今欧亚板块的地壳运动与地幔对流有着密切的联系.     

地幔岩石圈热结构差异与中国大陆岩石圈均衡分析

观测表明,大陆地区存在很多传统均衡模型无法解释的现象,其根本原因在于传统均衡理论中没有考虑地幔岩石圈部分由于热结构差异导致密度差异的影响.本文基于岩石圈尺度的质量平衡模型研究了中国大陆20个构造单元地壳及地幔岩石圈对地形海拔的贡献,以及各块体的均衡状态.计算结果表明,在一些地区,如塔里木盆地、北山和柴达木盆地,尽管岩石圈均衡模型和Airy模型得到了一致的海拔值,但岩石圈均衡模型更能体现均衡过程的物理本质;除青藏高原造山带外的多数块体,岩石圈均衡模型的计算结果更接近观测海拔和地表垂直运动状态;总体上,考虑地幔岩石圈热结构影响后,中国大陆各地区的均衡结果普遍优于传统的均衡模型.通过对均衡状态分析,我们得到以下主要结论：(1)构造稳定地区均衡程度较高;(2) 青藏高原及周边造山带现今地壳运动主要为区域构造过程及深部动力学过程所控制,均衡调整过程不是主要控制因素;(3) 现今地壳垂直运动比较明显的块体处于均衡调整阶段,地表垂直运动的大小反映了该区所受的均衡力作用的程度;(4) 构造稳定地区基于岩石层均衡的理论计算海拔与观测海拔之差值和现今地壳垂直运动速率有较好的相关性,据此我们可以通过均衡分析研究构造块体的运动趋势和动力学性质;(5) 地幔热结构对现今地形、海拔及地壳垂直运动有显著影响,在处理均衡问题时,地幔岩石圈热结构是我们必须考虑的重要因素.     

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．     

板块构造与地幔流的动力学：从局部尺度到全球尺度

板块构造受控于集中在板块边界的推动力和阻力,然而由观测资料所约束的高精度全球地幔流模型仍面临着计算上的挑战。我们利用最新的自适应网格细化算法,将板块边界的分辨尺度下降到1km,通过分析相接板块的运动,在并行计算机上模拟全球地幔流。在上地幔中,当消减板块向下俯冲时,往往会产生弧后扩张和板片回退现象。下地幔中冷的热异常通过狭窄的高粘性的板块与洋壳相耦合,导致洋壳运动速度的下降。在海沟区域,弯曲岩石层内的粘性耗散占整个岩石层和地幔总耗散的5％至20％。     

柴达木盆地深部物理参数的反演

通过研究地球对表面载荷的响应来反演确定地球深部的物理参数.采用分为4层的地球模型,各层的介质被看作Maxwell粘弹性体.将柴达木盆地沉降发育过程中积累的沉积物作为随时间变化的载荷加于地表,通过拟合柴达木盆地沉降中心附近地区的沉降过程来研究该地区地壳的厚度及剪切模量、岩石层地幔的粘性及软流层的粘性等物理参数.计算结果表明,该地区地壳的剪切模量不会超过全球平均值的60％,岩石层地幔的粘性系数不大于1.5×10²³Pa·s.通过研究对该地区的深部物理参数得出了新的认识.     

地幔深部运动,全球构造格局及中国地震应力场背景

本文探讨了形成岩石层内部应力场两种可能的力源:地幔对流产生的作用于岩石层底部的切向拖曳力和沿板块边界分布力系对岩石层内应力场的影响.发现这两种力同时作用控制了中国大陆应力场的基本格局,它们产生的应力场主压应力方向和用地震震源机制解、钻孔应力测量及地质构造推断的中国应力场分布基本吻合.     

以新的地球物理信息为基础的天山构造圈结构

根据新的地球物理信息，得到天山及毗邻区地壳参数模型、地幔参数模型、构造圈重力模型和均衡模型，提出地壳和地幔的物质不均匀性深达300km。查明地幔在横向和垂向上的明显的不均匀构造。密度模型参数表明，天山地台后的造山带，是地幔流体质量转换影响地壳和地幔物质密度变化的结果，相变型式为辉长岩石榴岩粒晶榴辉岩。根据实验数据，提出地壳和地幔环流作用新模式，环流取决于深部源于地核的热质流，它是形成构造运动和地幔构造的主要原因。天山构造圈的参数模型几何上符合于地幔内梯级环流圈。     

地幔深部运动,全球构造格局及中国地震应力场背景c

本文探讨了形成岩石层内部应力场两种可能的力源:地幔对流产生的作用于岩石层底部的切向拖曳力和沿板块边界分布力系对岩石层内应力场的影响.发现这两种力同时作用控制了中国大陆应力场的基本格局,它们产生的应力场主压应力方向和用地震震源机制解、钻孔应力测量及地质构造推断的中国应力场分布基本吻合.      

蒙古及周边地区重力异常和地壳不均匀体分布

基于全球EGM2008自由空气重力异常模型,本文计算了蒙古及周边地区的布格重力异常和AiryHeiskanen均衡重力异常.在此基础上,本文采用Crust 1.0地壳模型为参考,通过重力正演方法,对蒙古及周边地区不同深度地壳密度结构模型的重力异常进行了计算,并对得到的正演布格重力异常与实际重力异常进行了对比和分析.研究结果表明:蒙古西部杭爱山地区与阿尔泰山地区的构造变形差异性明显,现今均衡重力异常中杭爱山周边没有明显的均衡异常高值区,而阿尔泰山地区西南方向存在均衡重力异常高值分布,分析与新构造运动密切相关;Crust 1.0模型给出的壳幔横向密度不均匀体分布对于计算Moho面起伏引起的重力异常作用明显;Crust 1.0给出的地壳内界面变形可以反映深大活动断裂的深部构造变形.研究结果对于认识蒙古东西部构造特征差异,以及现今西部活动断裂的地球物理场特征具有参考意义,也可以为进一步应用Crust 1.0模型为参考开展三维密度结构反演提供一定帮助.     

一种反演地幔横向密度差异的方法

重力位球谐系数及板块运动速度是两种独立的地球物理观测资料,但二者同时又是地幔内横向密度差异及与之相联系的地幔流动的结果,从而,中长波重力异常与板块运动的观测提供了探索地幔横向非均匀的一条途径。本文根据适合于低雷诺流动的最小粘滞损耗原理,利用张量场及矢量场的标量分解与传播子解的数学方法,将观测的重力位球谐系数和板块运动速度作为约束条件,发展了一种反演地幔横向密度差异的方法。     

IRIS和我们星球表面

地球表层的原动力产生于岩石层对使其变形的驱动力的响应。板块构造理论对海洋岩石层的运动做了很好的解释,海洋岩石层的年龄一般少于200Ma。大陆岩石层典型地记录了十亿年来的地质演化过程。即使是对现代变形,也很难估算大陆岩石层的应力平衡。假使地球应力场可以直接测量,例如,使用钻孔崩裂测量方法,也需要根据岩石层几何形态及物理状态来将这些点上的应力值外推到整个地球。实时形变的GPS测量观测的是瞬时应变场,只有用合适的本构关系才能把它和应力场联系起来。地震数据对调查我们星球表层内过去和现代运动的地下记录是很必要的。岩石层成象是不容易的,垂向和侧向上的强烈变化的范围相当于用来探测地壳结构的地震波长的范围。这些变化改变了地震波的传播途径,在地表记录的地震波场中产生复杂的图象。岩石层的结构可以描绘成一个三维非均匀波谱,这个波谱可延伸的波段很宽,且仅仅是局部稳定的,需要不同的地震探测方法来重建这种复杂的波数谱,即岩石层的结构。反射地震学为识别陆壳的细结构提供了最高分辨率手段,其分辨率在深部地壳大约为数百米,在浅部地壳可达几米。折射地震学为地壳和上地幔地震波速的变化提供了从某种程度上说更粗略一些的测量方法,其分辨率大约为数公里至数十公里,在区域地震台阵中的地方震测量可提供5～10km规模的构造信息,以及高精度的地震活动性图。在线性分布和区域性分布的便携式地震台阵中,远震信号的宽频带测量可提供地壳总体结构的信息,还可提供地幔结构的最高分辨率,通常为30km的大小。用所提供的三种方法来提高分辨率,并结合不同尺度的测量结果是地震研究的重要内容。     

青藏高原东北缘岩石层结构:高原横向生长的机制

青藏高原东北缘及其周边亚洲板块(北部到阿拉善块体,东部到鄂尔多斯块体)岩石层结构的探测对了解青藏高原的抬升和横向生长具有重要的意义。本研究利用布设在青藏高原东北缘和周边区域的高密度地震台阵所记录的波形,计算S波和P波接收函数,研究岩石层结构。结果表明,鄂尔多斯块体和阿拉善块体下方的地幔岩石层中存在较强、相对稳定的负速度梯度,其深度范围在70~150km,这与典型稳定的大陆岩石层类似;相比之下,在青藏高原东北部下方地幔岩石层的速度梯度相对较弱和较模糊,这可能是由于地幔岩石层高温和存在部分熔融物质造成的;青藏高原与鄂尔多斯块体和阿拉善块体边界之间的岩石层结构变化剧烈,这两个块体作为刚性边界限制了青藏高原的横向变化。此外,在青藏高原东北角到银川地堑区域的地幔岩石层结构是相似的,这可能意味着从青藏高原东北角到鄂尔多斯块体和阿拉善块体之间的过渡间隔区内存在横向地幔流。这个过渡带的地壳结构为青藏高原横向生长提供了证据。特别是,在海原断裂和天景山断裂之间出现了地壳增厚和双地壳的证据,该区域可能是青藏高原在东北缘横向生长的前沿。     

西北地区上地幔物质流动及岩石层动力学

详细讨论了我国西北区域(80～95E，35～45N)均衡重力异常以及与之相应的地幔动力学问题．假定其区域均衡重力异常主要源于该区域岩石层变形和上地幔之中物质流动的结果．利用傅容珊等(1994 a，b)用区域均衡重力异常反演上地幔小尺度热对流的模型，计算了西北地区上地幔对流格局．结果表明，天山和昆仑山——阿尔金山系强烈地上升，与之相应地幔中的上升流动以及塔里木盆地下部地幔物质的汇聚流动，控制了这一区域岩石层动力学的主要格局．西北地区的几个大型盆地，如塔里木盆地、准葛尔盆地和吐鲁番盆地等对应了均衡重力异常的负异常中心，同时也对应于地幔中物质流动的汇聚中心，物质流动结果加上其上部岩石层横向挤压向下凹陷而形成压性盆地．天山、昆仑山及阿尔金山等新构造运动活跃的山区对应了地幔中物质上升及发散流动，这一作用使得这些地区的岩石层向上隆起维持其山系不断抬升．以此为基础，本文构成了该区域岩石层动力学的基本框架模型，并对这一框架以及影响这一力学框架构成的其它动力学因素，诸如印度板块向北俯冲、挤压运动、全地幔范围内物质流动以及均衡力等问题作了初步探讨．      

横向黏度变化的全地幔对流应力场初步研究

将地幔地震波速度异常转换为地幔横向黏度变化(达到3个数量级),在球坐标系下计算了瑞雷数为106、上边界为刚性、下边界为应力自由等温边界条件下的岩石层底部的地幔对流极型和环型应力场.结果表明,地幔对流极型应力场与地表大尺度构造具有良好的对应关系:俯冲带和碰撞带的应力呈现挤压状态,而洋中脊处的应力则呈现拉张状态.地幔对流环...     

青藏高原及周边地壳均衡模式与强震活动

青藏高原作为中国大陆强震活动的主体区,不但构造变形历史复杂,而且高原内部与周边块体之间的重力异常差异也十分显著。本文基于EGM2008重力模型,计算得到了青藏高原及周边地区的区域布格重力异常和艾里均衡重力异常;并依据复合均衡模型原理,以Crust1.0地壳模型中莫霍面的深度为参考,反演得到了地壳剩余密度的分布,该结果适用于研究地壳横向密度的差异;最后,将反演结果与弹性板均衡理论模型反演得到的岩石层有效弹性厚度进行对比,结果表明,青藏高原与周边地块之间的地壳力学特性和平均密度存在显著差异,为强震孕育提供了动力学背景。以此为依据,可为潜在强震危险区位置的判断提供参考。      

地形-均衡补偿重力、大地水准面异常频谱分析

将地形高、地球内部质量异常以及重力、大地水准面展开成球谐级数,依据岩石圈弹性挠曲均衡补偿理论建立地形—均衡补偿重力、大地水准面异常的球谐级数表达式.由此我们可以研究地形—均衡补偿重力、大地水准面异常与球谐级数阶次的关系,以及不同波长地形荷载与岩石圈挠曲补偿的关系,探讨地形—均衡补偿重力、大地水准面的频谱特性.从观测大地水准面异常和自由空气重力异常扣除地形—均衡补偿大地水准面、重力异常,可以得到均衡大地水准面异常和均衡重力异常.均衡大地水准面异常已经消除了浅层物质不均匀的影响,反映的是地球深部物质密度不均匀分布.均衡重力异常显示出中短波长特性,反映的是地壳上地幔物质分布的失衡和物质调整的动力学特征.     

青藏高原隆升过程的三阶段模式

综合分析了前人对青藏高原岩石层构造和动力学研究的成果,提出印度板块和欧亚板块会聚、大陆碰撞及大陆形变的基本特征为青藏高原地壳的加厚和地壳缩短,地壳物质的横向流动;青藏高原隆升过程呈现出阶段性、多样性和复杂性;组成青藏高原的各块体可能有不同的主导隆升机制．认识到在板块构造理论所揭示的全球构造格局中,青藏高原不仅仅是印度板块和欧亚板块会聚、碰撞以及大陆形变的结果,它也是青藏高原大陆岩石层和下伏地幔物质运动的相互耦合、相互作用的结果．从地幔动力学的角度出发讨论了青藏高原隆升的断离险升－挤压隆升－对流隆升三阶段模式（ＢＣＣＭ）,结合数值模拟的结果分析了与此模式相对应的该区域岩石层构造、运动的地幔深部物质运移和动力学背景．     

莫哈韦沙漠地幔幂次率流动的证据

地球对大地震的响应研究可以看作大的岩石变形试验，其中突然的应力变化在下地壳和上地幔产生粘性流动使得地表产生可观测到的震后变形(Nur and Mavko，1974)．实验室中的试验表明，热的岩石层中岩石的粘性流动变形可由幂次率来表征，其中应变速率与应力的n次幂成比例(Kirhy and Kronenberg，1987；Carter and Tsenn,1987)。     

2001年昆仑山口西MS8.1地震对周围断层的应力影响数值分析

大地震的发生往往会引起周围区域形变场和应力场变化,且对临近断层上的应力状态也有影响.2001年11月4日,昆仑山口西发生了半个世纪以来中国最大的M_S8.1级地震.本文基于已有的滑动模型,建立了三维含地形高程的横向不均匀性椭球型地球有限元模型,采用等效体力方法,分析了此次M_S8.1地震产生的全球同震位移和应力场变化.与解析方法相比,该模型考虑了地形、Moho面起伏和地球介质横向不均匀性;与一般的有限元数值模拟相比,该模型考虑了地球曲率和椭率,合理地规避了有限块体模型假定边界位移为零所引入的误差.计算得出同震位移与GPS观测数据可以很好地吻合.据库仑破裂应力准则和震源参数,计算得出昆仑山口西M_S8.1地震的发生造成了汶川、芦山、改则和当雄地震的发震断层上库仑应力增加,对这些地震的发生起促进作用;而造成玉树和德令哈地震发震断层上的库仑应力变化为负值,在一定程度上抑制了这些断层的地震活动性.此外,计算结果显示地球地形高程、介质非均匀性和椭率对昆仑山口西M_S8.1地震同震变化计算有一定的影响,其中地形和椭率造成的同震位移场相对误差约10%.