估算异性岩石不连续面峰值剪切强度的经验公式

长江三峡库区广泛发育着两侧岩性不同的不连续面(称为异性不连续面),研究其峰值剪切强度可为相关岩体的稳定性分析和评价提供理论依据。采用高强石膏浇注3组不同形貌且上、下壁面强度不同的不连续面试件,并在不同常法向应力下进行剪切试验。引入不连续面壁组合系数λ来综合量化不连续面壁的抗压强度和基本摩擦角对异性不连续面峰值剪切强度的影响,λ越小,上、下不连续面壁强度差异越大。异性不连续面的峰值剪切强度随λ的增加呈非线性增加,且在高法向应力下更为显著。在Barton公式的基础上,通过多元回归分析建立了估算异性不连续面峰值剪切强度的经验公式。采用天然和人工锯齿形异性不连续面的直剪试验结果对新公式做了进一步验证,试验剪切强度与新公式预测值吻合较好。简要分析了新公式在软硬互层岩质边坡稳定性评价中的应用。最后,讨论了Wu公式的适用性以及新公式的优点和不足。

岩石不连续面内颗粒剪切力学性质的数值试验研究

采用PFC研究不同法向应力下颗粒充填岩石不连续面的剪切力学性质,重点关注颗粒形状(以长、短半轴长比a/b表示)和组合方式的影响。结果表明:①单颗粒的剪切运移和破坏可归纳为滚动、滚动-滑动、压碎-滚动运移和碾碎、滚动-压碎破坏5类,取决于法向应力和颗粒形状,不同破坏类型下微裂纹演化特征明显不同;颗粒的破碎程度整体随法向应力的增加而增加,随a/b的增加而降低,不连续面壁磨损程度随法向应力和a/b的增加而增加;张拉裂纹是引起颗粒及不连续壁面破坏的主要原因;颗粒破碎后形成的碎屑混合物的尺寸分布可用幂指数(或分形维数)D表征,D越小,颗粒破碎程度越低。②充填同种形状的双颗粒时,颗粒及不连续面壁表面的细观粗糙度是造成剪切力学性质差异的主要原因;充填不同形状的双颗粒时,a/b较大的颗粒承担了更多的压剪荷载,破碎程度更高;颗粒间的摩擦也对其表面磨损及剪切运移破坏过程产生重要影响。③不连续面的平均摩擦强度与充填碎屑混合物的尺寸分布密切相关,a/b增大或法向应力减小导致生成的较大角砾状碎块数量增加,进而引起总体摩擦强度增加。提出了估算颗粒充填不连续面平均摩擦强度的经验关系式,并通过文献中的数据对该公式进行了初步验证。

非洲南部地壳与上地幔地震波速度与径向各向异性特征及其对克拉通岩石圈中部不连续面的启示

克拉通地区发育的岩石圈中部不连续面(Mid-Lithosphere Discontinuity,MLD)对于理解克拉通的形成与演化有着重要的意义.非洲南部的卡普瓦尔克拉通(Kaavpvaal craton)较为稳定,是研究MLD地震学特征及其成因机制的一个重点区域.本研究基于多个地震台网105个台站记录的700多个地震事件的面波波形,通过Rayleigh波和Love波成像,构建了非洲南部地壳与上地幔的三维剪切波速度与径向各向异性模型.研究结果表明,卡普瓦尔克拉通的地壳与上地幔呈现相对高速异常,其岩石圈与软流圈界面(LAB)出现在约220 km深.另外,我们在卡普瓦尔克拉通岩石圈内部约100 km深观测到一个速度突变面,可解释为MLD,并在MLD下方观测到低速层.而各向异性在上地幔的垂直方向上并未显示明显的区域性突变,似乎暗示MLD的地震各向异性特征更为复杂.结合前人的研究成果,我们推测卡普瓦尔克拉通MLD与上地幔低速层的成因可能与温度密切相关.而镁值成分异常或岩浆侵入则会局部的改变该克拉通(尤其是其北部)上地幔速度.针对MLD与上地幔低速成因的研究还需结合更多的地球物理数据和岩石实验结果.本研究为理解克拉通的演化提供重要的基础.

峨眉山大火成岩省的岩石圈结构:对地幔柱-岩石圈相互作用的启示

峨眉山大火成岩省位于扬子克拉通西缘,是中-晚二叠世峨眉山古地幔柱头熔融的产物。因此,该区岩石圈结构特征对于揭示地幔柱-岩石圈相互作用方式与机制具有重要的指示意义。本文基于COMPASS-ELIP宽频带地震台阵资料,开展S波接收函数成像研究,并与同剖面远震S波有限频层析成像、区域面波层析成像结果进行对比分析,识别了沿剖面岩石圈内部主要间断面,从而获得了峨眉山大火成岩省岩石圈结构的横向变化特征。结果显示,相对中带和外带,内带具有地壳增厚(增厚15~20km)、岩石圈减薄(减薄~50km)现象,且岩石圈地幔具有高速、分层特征,但下层底界面转换波震相并不明显;中带岩石圈厚度大(~170km),局部地段岩石圈-软流圈边界(LAB)缺失,对应位置存在地幔低速异常;外带岩石圈厚度略小(~150km),中带和外带均发育岩石圈中部不连续面(MLD)。结合地球化学、岩石学、物理/数值模拟等研究成果,本文推测上述特征记录了古地幔柱作用引起的不同程度岩石圈变形:地幔柱在内带以纵向作用为主,通过热-动力冲击方式造成岩石圈大幅度快速减薄,地幔柱头高程度减压熔融,产生的大规模岩浆穿透岩石圈地幔,在地壳发生底侵和内侵,部分喷出地表形成溢流玄武岩;地幔柱在中带以横向作用为主,通过底部剪切引起岩石圈地幔横向伸展,甚至造成局部撕裂,在撕裂部位进一步引发热-化学侵蚀并导致岩石圈破坏;地幔柱在外带以垂向拖曳为主,造成岩石圈的局部拆沉而减薄。此外,内带下方地幔的高速、分层特征,可能指示经历地幔柱作用减薄后的岩石圈,减薄产生的岩石圈空区因捕获地幔柱头熔融残留物而得到一定程度愈合,而受地幔柱改造后的残存岩石圈,因经历大量熔体抽取更加亏损而得到强化。综上,本文揭示的峨眉山大火成岩省岩石圈结构,为进一步理解地幔柱-岩石圈相互作用的方式与机制提供了新的地球物理观测证据。

岩石圈中部不连续面的成因及其动力学意义

地球物理和岩石地球化学研究揭示岩石圈地幔在物性和化学组成上极为不均一,保存了地球演化的大量记录.近20年来的地震学探测结果,指示大陆岩石圈中部广泛存在速度不连续面,大多表现为速度明显降低的梯度带,与各向异性和地幔浅部的高导层有较好的一致性,主要分布在60~120 km深度.但是,其成因目前尚未形成共识.在经典板块构造的框架内,基于已有的对岩石圈和岩石圈-软流圈边界的认识,我们追溯了岩石圈中部不连续面的地球物理探测历程及其主要结果,给出了地震学定义的岩石圈中部不连续面的矿物岩石学解释和大地电磁资料提供的电性约束信息.在梳理目前的主要解释模型后,重点介绍了岩石圈中部不连续面是"冻结的"大洋岩石圈-软流圈边界的观点,并进一步拓展为一种工作模型-动态演化的LAB模型,依此讨论了这一解释模型潜在的重要动力学意义.我们认为,对岩石圈中部不连续面开展多学科的综合研究,有可能为突破经典板块构造假说提供新的机会,中亚显生宙增生型岩石圈和华北板块岩石圈是研究这一问题极好的天然实验室.

探测岩石圈间断面精细结构的地震光照成像新方法

岩石圈内部间断面的精细结构隐含了岩石圈形成、增生和改造及破坏等重要的动力学信息.文章发展了地震光照成像新方法以探测岩石圈内部间断面小尺度结构.该方法使用了高频段0.5～4Hz的远震事件地震P波初至及其尾波信号,其对岩石圈间断面的分辨能力达到2km.该方法的基本原理是在台站下方垂直入射透射波响应的自相关等价于震源和地震台站均位于自由地表的反射波响应.透射波响应包括在台站下方穿过间断面到达自由地表的初至P波及其在自由地表和间断面之间反射的多次波.本研究将该方法垂直入射情况进一步拓展到倾斜入射,这提升了该方法的适用性.通过合成理论地震图验证了地震光照成像方法理论的正确性和可行性,探讨了影响成像结果的一些因素,并给出了该方法的数据处理步骤以及成果解释准则.文章利用该方法并结合瞬时频率等结果确定了华北克拉通东部两个固定台站的岩石圈精细结构,发现在两个台站下方岩石圈地幔分别在52和75km的深度存在明显的间断面.西澳大利亚克拉通MBWA固定台站下方,地震光照成像和接收函数揭示的岩石圈结构较为一致,存在明显的岩石圈内部间断面.高频地震光照成像结果可揭示岩石圈精细结构,但其波形更为复杂,建议充分利用层析反演速度和接收函数等已有的地震学信息并作为参考.