基于非结构化网格的边界积分方程方法的断层自发破裂模拟

地震自发破裂模拟是震源动力学研究的重要内容,了解复杂的断层动力学破裂过程对深入认识震源特征和解释运动学反演结果具有重要意义.基于边界积分方程方法的破裂模拟已经被广泛使用,大多采用的是平面断层模型的结构化网格划分.由于实际的断层往往具有较为复杂的几何特征,为了更为灵活地刻画断层几何复杂性,我们建立断层模型的三角形网格离散方案,通过精确的解析解形式来计算断层各个单元之间的应力格林函数,联立滑动弱化摩擦准则和非奇异边界积分方程,对断层的自发破裂过程进行了模拟.在简单的平面断层模型下,将计算结果与前人的结果进行了对比,验证了方法的正确性与有效性.对于几种常见的复杂断层模型,例如弯折、阶跃、含障碍体断层等,我们模拟了其破裂过程并对计算结果进行了比较与分析.模拟结果表明,非结构化网格划分的边界积分方程方法能够很好地模拟平面矩形断层或由其组成的规则断层,同时也能成功地模拟具有复杂几何形状的不规则断层上的动力学破裂过程.本研究的结果显示了边界积分方程方法在模拟复杂断层系统的动力学破裂问题上具有较广阔的应用前景.

     

活动构造对高原边界侵蚀速率空间分布的控制作用——以龙门山地区为例

利用穿过龙门山地区的河流水文与泥沙资料估算该地区现代侵蚀速率,进而研究探讨其空间分布的不均匀性。年代尺度的现代侵蚀速率空间分布表明,高侵蚀区分布于控制高原边界的龙门山活动断裂带和岷山活动断裂带附近且位于逆冲断裂上盘宽约50km范围内,其值达0.5~0.8mm/a。在地形上,该高侵蚀速率区对应于陡峭高原边界的地形陡坡带。自龙门山断裂带向高原内部,侵蚀速率快速降低,在距离断裂带北西200km的地区侵蚀速率小于0.05mm/a。河流输沙量估算的现代侵蚀速率值与河沙宇宙成因核素估算的千年时间尺度的流域平均速率和低温热年代学方法估算的百万年时间尺度的单点平均侵蚀速率基本一致。季风降雨在龙门山地区也存在自东南向北西递降的趋势,但年降水量自山前的1000mm到高原内部的600mm 的递减梯度较小,不足以解释侵蚀速率的一个数量级的减小。气候对侵蚀作用的影响更多地表现在时间域随季风降雨强度的年及季节性波动而震荡,最突出的表现为80% ~90%侵蚀产物在6~9月被季风降水输移出去。逆冲断裂上盘宽约50km的高侵蚀区以及与地形陡坡带的对应性,体现了断裂上盘物质在从较平的断坪向较陡的断坡区运移过程中抬升增加的侵蚀卸载均衡。0.5~0.8mm/a 的抬升剥蚀率与该地区已知的1.4~3.0mm/a的水平缩短速率匹配,说明龙门山高原边界地形处于通量平衡态,且上地壳缩短与龙门山边界的陡降地形是匹配的。     

胶莱盆地向南黄海延伸——来自南黄海地震剖面的新证据

总结了前人对胶莱盆地形成机制、东部边界、地层发育及油气地质研究进展及存在问题。利用最新采集的二维地震剖面资料,对胶莱盆地海阳凹陷的盆地结构、地层发育及主控断裂进行了描述,估算了其海域分布面积,并探讨了其可能的形成机制。认为海阳凹陷是一个东断西超的箕状断陷,其主控断裂为东部边界断裂,可能是泗阳—连云港—千里岩—开城断裂的一部分,现今仍在活动。海阳凹陷西部陆上生油层系出露地表遭受破坏,但凹陷主体位于南黄海海域,有较好的生油层,生储盖组合配套好,且未遭受岩浆活动破坏,可能有较好的油气前景。     

川滇菱形块体东边界库仑应力演化及强震发生概率估算

本研究基于分层黏弹介质模型,考虑强震或大地震同震位错、震后黏滞松弛及主断层段震间构造应力加载三方面效应,给出1480年以来,川滇菱形块体东边界鲜水河断裂带、安宁河断裂带、则木河断裂带和小江断裂带共20个断层段由三方面效应引起的累积库仑应力变化随时间的演化,分析强震间相互作用和强震发生的应力累积背景,定性分析各断层段的地震危险性.同时,分别采用现今台网地震目录和川滇菱形块体东边界各断层段强震复发间隔两种资料,定量计算2030年各断层段的强震发生概率;并基于摩擦本构理论,将周边强震引起的库仑应力变化量作为应力扰动,修正强震发生概率的计算结果.各断层段累积库仑应力演化的结果表明,鲜水河断裂带中部八美段、色拉哈段及南部磨西段、安宁河断裂带冕宁-西昌段、小江断裂带北部巧家-东川段和南部建水段的累积库仑应力显著增加.修正的强震发生概率计算结果显示,鲜水河断裂带中部八美-色拉哈-康定一带、安宁河断裂带冕宁-西昌段、小江断裂带南部华宁-建水一带强震发生概率较高,地震危险性值得关注.本研究基于库仑应力演化计算定性分析强震危险性的同时,基于摩擦本构律理论,结合地震引起的应力扰动和强震发生背景,定量计算修正的强震发生概率,为川滇菱形块体东边界强震危险地点及中长期发震紧迫程度判定提供方法和依据.

     

近年来大陆强震机理与预测研究的主要进展

鄂尔多斯地块及其周缘地区的地震动力学和强震危险性研究,是检验和发展活动地块理论的理想场所。近年来,伴随青藏高原动力学研究视角的不断扩大,逐渐成为国内外新的地学研究热点。项目以“丝绸之路”经济带东端、我国重点强震危险区之一的鄂尔多斯活动地块为研究对象,构建活动地块及边界带三维深浅结构和构造变形模式,建立适用于板块内部的强震孕育动力学模型,完善大陆强震孕育和发生的活动地块理论,研发具有物理意义的时间相关强震预测理论模型,提出地震危险性理论预测技术规程。我国科学家20世纪末提出的大陆强震受控于活动地块的理论,为中国大陆强震危险地点预测提供了重要理论指导,但是如何将该理论更好地应用于实际的强震危险性预测研究中,还需要进一步深入研究活动地块运动和变形如何控制边界带强震的孕育和发生过程。选择鄂尔多斯活动块为研究的目标区,重点开展以下几个方面的研究内容：地块边界带断裂活动习性与强震复发行为;地块及周缘现今三维地壳运动与应变分配;地块及边界带深部结构与深-浅构造耦合;活动地块理论完善与边界带强震危险性研究。项目执行两年来,在几个方面均取得了进展和初步成果,建立了主要边界带断裂强震复发行为模式,获得了地块及周缘不同类型现今三维地壳运动状态,建立了关键区域地块边界带深-浅构造耦合构造模型,开展了边界带强震危险性研究。     

松辽盆地西边界带深部构造:地电学证据

满洲里—绥芬河地学断面综合研究了松辽盆地西、东边界的构造特征.在由广角地震波速分布所得到的认识基础上,本文利用松辽盆地西边界带附近新实施的大地电磁测深(MT)(约470 km 42个测点)剖面,经过数据处理的二维电性分布,更为详细地表达了西边界带深部构造特征.与满—绥断面研究相近的结果是西边界带的断裂构造表现为作为盆地西边界的嫩江断裂,在地表附近与黑河—贺根山缝合带断裂叠加在一起,于深几公里以下两条断裂分开,缝合带断裂西倾并穿过地壳,嫩江断裂东倾而且可能不超壳.本次研究与满—绥断面研究不同点是两条断裂分开部位之下的构造表现.由于兴安微板块与松嫩微板块间碰撞、焊合以及边界断裂走滑等复杂区域应力场作用,留存的岩石圈残片被分割在嫩江断裂两侧.所建立的地质-地球物理解释模型提供了西边界带可能的构造地质作用过程.     

实时交通信息与移动导航电子地图融合表达

首先,通过交通信息路段编码建立实时交通流信息与逻辑路网的关联;然后,提出了根据多路段的上下层对应关系实现实时交通流信息与静态分层路网的融合表达。实验结果表明,此方法可以实现动态交通信息在导航电子地图中的多尺度可视化,满足动态导航的需求。     

全张量磁梯度数据解释的均衡边界识别及深度成像技术

全张量磁梯度数据具有高精度、高分辨率、多参量的优点,能更加清晰地刻画地质体的分布特征,综合利用磁张量梯度数据准确地获得地质体水平位置和深度信息是解释的主要目的.磁张量数据的方向解析信号具有减小倾斜磁化干扰的优点,常被用来圈定磁源体的水平位置,但解析信号强度随着地质体埋深的增加急剧衰减,难以有效识别较深的地质体.张量数据均衡边界识别技术,利用不同方向解析信号的比值函数,能有效地均衡不同深度地质体的响应,同时显示不同深度地质体的边界,提高了对较深地质体的分辨率.磁张量数据深度成像技术根据实测张量数据与假定模型张量数据的相关系数来给定地质体的深度,综合利用多参量数据联合反演提高了反演结果的准确性,且无需进行复杂的反演运算,是大数据量张量数据解释的有效方法.理论模型试验证明：磁张量数据均衡边界识别技术可清晰和准确地识别地质体的水平范围,受倾斜磁化干扰小;磁张量数据深度成像技术可准确地获得地质体的深度信息,具有较强的抗噪性.将上述方法应用于铁矿区实测航磁张量梯度数据解释,获得了铁矿体水平分布与埋深,深度结果与张量欧拉反褶积法计算结果一致.

     

地球内核及其边界的结构特征和动力学过程

现代地震学展现出了一个复杂的地球内核内部和表面结构.地球内核内部结构的主要特征表现为其地震波速度和衰减呈现各向异性,且各种结构（速度、衰减和各向异性）均呈现东西半球差异,而内核表面的新发现则包括其局部区域存在起伏的地形和固液并存的糊状层.地球内核压缩波速度和衰减均呈现以地球旋转轴为轴的柱对称各向异性,沿地球旋转轴方向传播的压缩波比沿赤道方向传播的压缩波传播更快且衰减更强烈.同时,内核各向异性结构随深度而变化：内核顶部约100~400 km接近各向同性,而在内核最深处300~600 km内则可能存在一个具有不同各向异性特征的内内核.地球内核的东西半球差异表现在多方面：在内核顶部~100 km厚度内,东半球的各向同性速度比西半球快约0.8%,东半球具有较强的衰减（Q=250）,而西半球则具有较弱的衰减（Q=600）;西半球的顶部各向同性层厚度约为100 km,而东半球顶部各向同性层厚度则约为400 km;在各向同性层底下,西半球具有较强的各向异性（~4%）,而东半球则具有较弱的各向异性（~0.7%）.地球内核边界在菲律宾海、黄海、西太平洋以及中美洲下方存在1~14 km高的地形起伏,在鄂霍次克海西南部下方存在4~8 km厚的糊状层.地球内核的这些新发现引发了对许多可能的新物理机制的探讨,也促使我们重新评估我们对外核成分、外核热化学对流、内核凝固过程和地球磁场驱动力的认识.这些结果表明内核凝固过程和地球磁场的热和化学驱动力远比传统观念认为的横向均匀分布复杂得多.内核西半球可能不断凝固并释放潜热和轻元素,而东半球则可能不断熔化并吸收潜热和轻元素,外核对流的驱动力在东西半球可能截然不同,甚至呈现相反方向.这些凝固与熔化交替过程也发生在局部地形起伏区域.在糊状层区域,地球内核凝固释放潜热和化学能,而在大部分无糊状地区,内核凝固只释放潜热.

     

基于贝叶斯方法的二维大地电磁尖锐边界反演研究

针对常规大地电磁（Magnetotelluric,MT）反演方法对电阻率异常体边界不太敏感的问题,本文尝试基于贝叶斯理论开展二维大地电磁电阻率尖锐边界反演研究.在反演中,模型参数由边界位置及内部电阻率组成,通过贝叶斯理论将模型参数与数据相联系,采用Markov Chain Monte Carlo（MCMC）的Metropolis-Hastings（MH）方法对后验概率密度函数（Posteriori Probability Density,PDD）进行采样.采样过程中无罚值函数约束,完全以数据自身所包含的信息对模型进行约束,同时与有限约束进行比较,并考虑不同起始采样点对结果的影响.以接受率为参考,用模型算例说明MH方法中建议分布函数选择的重要性.当模型参数间相关性较弱时,使用边缘概率分布对采样结果进行分析.该方法能给出模型参数的分布范围,并给出该模型参数范围对应的数据范围.通过与已知模型的对比及数据拟合情况分析检验了该反演方法的有效性.该方法有助于提高大地电磁尖锐边界反演的分辨能力.