川滇地区地壳水平运动的弹性块体边界负位错模型与强震地点预测

利用川滇地区1991～1999年和1999～2001年GPS水平运动速度场成果,通过研究建立的块体弹性变形及其边界负位错部分锁定的复合作用模型反演,获取地壳水平运动反映的块体变形差异、边界断裂的高应变能积累部位和锁定能量强度,以及区域构造应变场的时空演化图像。在充分考虑区域构造和块体变形的前提下,研究与该区6级以上强震孕育及地点判定有关的背景性前兆的共性特征。

台湾地区地壳形变的弹性块体位错模型

在经典的非震形变位错模型中,地壳形变被认为是活动块体刚性运动和上部断层锁定影响的叠加,本文对此模型进行了改进:(1)用活动块体整体运动和内部线性应变、旋转的贡献代替活动块体刚性运动的贡献;(2)用分层介质地壳模型代替半无限介质模型计算断层锁定的影响.利用改进后的非震形变位错模型,拟合了台湾地区1990～1995年间GPS观测资料.结果显示,在东部海岸山脉区,约有30 mm·a^(-1)的汇聚率被奇美断层消耗掉,运动速度从奇美断层向北迅速衰减.在西部平原地区,南部断层是岛内锁定最为强烈的断层,该地区相应的也是史上灾害性地震多发的地区.根据反演结果计算出的应变率与旋转率分布与前人结果在大部分地区一致,主应变率场显示台湾大部分地区存在近NW-SE方向的主压应变,主压应变方向呈扇形分布.旋转率场显示台湾东部和南部地区存在着逆时针旋转率,而西部和北部地区则为顺时针旋转率.

基于GPS数据分析巴颜喀拉块体边界强震活动特征

基于巴颜喀拉块体边界大地震序列,运用多弹簧滑块系统理论分析未来各边界断裂发生强震的可能时间;基于1991—2016年中国大陆GPS水平速度场数据,采用均匀弹性块体模型计算了巴颜喀拉块体各边界断裂带的长期活动特征,并以此作为参考背景,计算了1999—2007、2009—2013、2013—2015、2015—2017、2017—2020年各边界断裂带的活动性质及时空演化特征,同时结合1995年以来发生在各边界断裂带上的M≥7.0地震震源机制解综合分析强震活动与块体运动的关系。结果表明:1995年以来发生在块体各边界断裂带上的M≥7.0地震震源机制与块体边界的运动特征一致,这一系列地震可能是由巴颜喀拉块体向E—SE向运动增强所致。综合块体边界大震序列与块体相对运动结果认为,未来十年,甘孜—玉树断裂、龙门山断裂南段、东昆仑断裂带东段存在发生M≥7.0地震的可能。

基于分数阶流变模型的铁基块体非晶合金黏弹性行为研究

采用分数阶黏弹单元替代经典模型中的黏壶,结合非晶合金在外加载荷作用下的微观结构演化,建立了以分数阶微积分表示的非晶合金黏弹性本构模型.并根据Hertz弹性理论及分数阶黏弹性本构模型,推导了块体非晶合金在纳米压痕球形压头下的位移与载荷及时间关系式.基于推导的解析式,对铁基块体非晶合金在表观弹性区的纳米压痕位移与载荷及时间曲线进行了非线性拟合分析.相较于整数阶模型,分数阶模型不仅具有较高的拟合精度,其拟合参数能敏锐地反应加载速率对块体非晶合金黏弹性行为的影响,且参数的变化规律与载荷作用下非晶合金微观结构演化呈现出较强的相关性.

青藏块体东北缘弹性块体边界负位错反演与强震地点预测

利用青藏块体东北缘1993—1999年、1999—2001年和2001—2003年3个时段的GPS 水平运动速度场成果,通过研究建立的弹性块体边界负位错模型反演,给出该区构造块体及 其边界断裂运动与变形差异、构造应变场时空分布、高应变能积累部位以及强度的定性分析 和定量描述．在充分考虑区域构造及块体应变的前提下,研究与该区6级左右及6级以上地 震地点预测相关的背景性前兆的共性特征．

亚洲中部地区岩石圈均衡补偿深度和弹性板模型反演结果分析

简要叙述了岩石圈均衡补偿深度和弹性板复合补偿的理论与方法;求出了亚洲中部地区岩石圈均衡的最佳补偿深度为75km,通过线性反演得到该区岩石圈弹性板复合补偿模型的基本参数。指出粘滞系数较低的上地幔75km附近存在的低粘滞度的软流层,可能是达到该区大范围岩石圈均衡的大体部位,并对亚洲中部地区大陆弹性板机制等问题进行了讨论。

接触问题的增广拉格朗日块体粘接模型

在弹性接触数值模拟研究中,建立了一种新的块体粘接模型:通过将原模型所求解的问题归结成以粘接弹簧应变能为罚函数项的最小化问题.新模型引入拉格朗日乘子作为粘接弹簧拉力,从而将作为目标函数的系统总势能构造成增广拉格朗日函数.为求解该模型,提出一种新算法,在每个时间步引入一层增广拉格朗日迭代过程取得模型的最优解.数值算例验证了所提出模型和算法的精确性和有效性.

基于弹性形变模型的自适应曲面细分建模

依据物体的几何特性来对曲面进行建模的细分算法近年来取得了卓越的发展并广泛应用于三维物体建模和动画制作,同时一些学者为了弥补基于几何的(geometry-based)细分建模方法在直观性上的不足,提出了基于物理的(physics-based)细分建模方法,这些方法大部分是采用有限元的技术结合传统的细分模式来实现的。虽然有限元技术适用于建立多种的物理模型,但是对于一些相对简单的弹性形变处理,其在计算复杂性及模型简洁性方面还可以针对具体的应用作一定的完善。本文针对材料力学中简单的可恢复弹性形变,使用柱状块体压缩拉伸模型(ICBCM)与自适应细分算法相结合的技术,在保证建模效果的基础上显著的减低了模型的复杂程度,并提高了细分算法的执行效率。

川滇地区地壳块体运动特征研究

通过对川滇地区块体细划，借助均匀弹性块体应变模型，利用1999～2007年和2009—2011年两个时段GPS观测地壳水平运动场，计算了这两个时间段该区块体应变状态、块体内部均匀弹性变形场及相邻块体边界带的相对运动。考虑汶川I地震、玉树地震对该区域的地壳运动的影响，分析计算结果认为：（1）计算结果较好地反映了该区域构造运动特征；（2）川滇地区块体东边界运动主要以走滑为主，安宁河断裂和则木河断裂的交汇部位表现为明显的左旋走滑运动受阻，且其两侧块体应变率积累显著，是未来可能的强震孕育区；（3）2009—2011年与2007—2009年相比，整个区域块体边界运动空间差异增强，可能反映了汶川、玉树地震对该区域地壳运动的影响。

青藏东北缘块体水平运动特征研究

借助均匀弹性块体应变模型,利用GPS观测获得的地壳水平运动速度场,分块计算各个块体的运动参数和应变参数。然后,利用计算获得的参数反算各个块体内部均匀变形场和相邻块体分界带的相对运动。在此基础上,结合构造特征,以及海原-六盘山弧形构造带的GPS速度剖面,研究了现今构造的活动性。

用边长变化结果计算地应变及块体划分

在均匀应变的假设下 ,给出了由边长变化求解地应变的新方法 ,通过统计检验相邻三角形的最大主应变 ,可判别相邻测点是否位于同一个均匀应变块体上。采用弹性位错理论设计的模拟算例表明 ,该方法能成功地将位于断层两侧的测量点分辨开。

竖向振动复合集总参数模型实验结果与理论结果的对比

根据基础振动弹性半空间理论,推演明置基础竖向振动复合集总参数模型。通过采用不同尺寸的块体模型基础,在明置和埋置情况下施加初速度,使基础发生自由振动,将实验结果与采用基础竖向振动复合集总参数模型的计算结果进行比较。研究结果表明:实验结果与计算结果相吻合。利用该模型可以计算均质半空间上块体基础在竖向扰力作用下任意频率、任意形状(不包括环型)的明置和埋置基础的动力响应。

明置基础扭转振动复合集总参数模型试验与理论的对比

根据基础振动弹性半空间理论的最新发展成果,推演出明置基础扭转振动复合集总参数模型。通过采用2种不同底面尺寸的块体模型基础,分别施加初速度使基础发生自由振动,将试验结果与采用明置基础扭转振动复合集总参数模型的计算结果进行比较。研究结果表明:试验结果与计算结果吻合;利用该模型可以容易地计算均质半空间上明置块体基础在扭转扰力作用下任意频率、任意形状(不包括环型)基础的动力响应。

巴颜喀拉块体周缘几次强震对甘肃地区地震形势的影响

以青藏高原为目标,采用黏弹性体本构关系建立3D有限元模型,模拟了在印度板块持续向北推进、挤压下,巴颜喀拉块体周缘强震对邻近地区的影响。通过降低强震发生位置处单元弹性模量的方法模拟了2001年昆仑山口西MS8.1、2008年汶川MS8.0、2010年玉树MS7.1地震,计算了发生这3次MS7.0以上强震后50年内每5年的黏弹性调整过程,讨论了3次强震对祁连地震带及甘东南地区地震形势的影响,尝试开展依据区域应力调整特征判定未来强震危险区的探索试验。

巴颜喀拉块体东南缘应力演化及鲁甸地震自发破裂模拟研究

巴颜喀拉块体活动导致的昆仑—汶川地震系列,是目前中国大陆唯一一组7级以上地震序列,未来几年该块体仍是发生7级地震的主体地区。巴颜喀拉块体东缘从走滑运动向逆冲运动转换的构造动力学性质使得活动块体两个相邻边界带存在大地震序列的关联性。研究表明近期逐渐加速的块体东边界强震序列是北边界强震活动的响应,巴颜喀拉块体南边界的鲜水河断裂带同样以左旋走滑的方式向东边界挤压,但巴颜喀拉块体东南缘地震呈现以下两个特点,一是强震大都发生在巴颜喀拉块体东边界断裂带,东边界强震序列呈现加速状态;二是南边界鲜水河断裂带在1973年炉霍7.6级地震后,已有40多年没有发生7级以上地震,鲜有6.5级以上强震,在此次地震序列中表现出一种大震缺失的状态。因此,巴颜喀拉块体东南缘主要断裂带的地震危险性值得关注和研究。同震库仑破裂应力及震后粘弹性松弛在解释余震序列分布,分析强震序列相互作用关系及未来地震危险性分析等方面发挥了重要的作用。比如汶川地震之后,一些研究者利用弹性位错模型计算了汶川地震的同震库仑破裂应力变化,并对龙门山区域未来的地震危险性进行了估计。一些研究者分别计算了汶川地震和芦山地震后周边断层的同震库仑应力变化,以及汶川地震和芦山地震引起的同震和震后粘弹性松弛应力场变化,得到了汶川地震可能有效地促进了芦山地震的发生的结论。在应力演化过程中,震间构造应力加载对强震危险性的作用也非常重要,目前比较流行的计算这部分应力积累的做法是采用"负位错"的理论进行计算,这一方法虽然简洁,但假设了断层是完全闭锁的,可能会造成一定误差。本文拟以巴颜喀拉块体区域构造活动作为三维有限元模型的边界约束,综合研究区域介质速度、密度结构最新反演结果计算介质的弹性材料参数,从初始应力场出发模拟在构造应力和重力作用下的现今背景应力场,计算强震序列引起的区域内断裂带震前、震间、震后的应力演化,获得更为准确可靠的应力场结果。利用速率-状态关系计算库仑应力变化对研究区域背景地震发生率的影响,利用泊松概率过程计算研究区域在汶川地震和芦山地震震后未来10年6级以上强震的发震概率及研究区域主要断裂带的6级以上强震发震概率。除以上述准动力学的方法研究巴颜喀拉块体东南缘应力演化及地震危险性,本文还以鲁甸地震为例,研究鲁甸地震从成核区开始破裂,然后扩展直至终止的自发破裂动力学过程,探索影响地震自发破裂位错的主要因素。研究内容:(1)建立巴颜喀拉块体东南缘三维粘弹性有限元模型。(2)模拟巴颜喀拉块体东南缘主要断裂带上1900年以来7级以上强震序列的应力演化过程,并对强震序列对芦山地震的触发作用进行了研究,对比库仑应力场及等效应力场演化结果与背景地震活动的关系。(3)应用速率-状态关系研究库仑破裂应力对汶川地震、芦山地震震后研究区域的地震发生率的影响,应用泊松过程给出研究区域主要断层未来的强震发生概率。(4)应用可以描述断层摩擦机制的FAULTS有限元软件对芦山地震断层错动方式,初始破裂点进行了模拟,研究了汶川地震后,断层强度的变化对芦山地震的影响。(5)应用曲线有限差分方法建立鲁甸地震非平面断层自发破裂模型,模拟鲁甸地震在包谷垴—小河断裂上的自发破裂过程,分析影响鲁甸地震自发破裂过程的主要因素。本文的创新点:(1)以三维速度、密度反演结果建立能反映更真实地下介质的三维粘弹性有限元模型;(2)从初始应力场出发,进行数十万年的应力场演化模拟直至获得与现今构造应力场更为吻合的背景应力场用于地震序列模拟;(3)采用泊松概率模型计算地震发生概率时直接基于三维粘弹性有限元模型得到的库仑应力结果,充分考虑了同震、震间和震后效应的影响。同时,在考虑背景地震发生率时采用了更全面完整的地震目录,这可能使得对未来地震危险性的估计更准;(4)对鲁甸地震自发破裂过程进行了动力学模拟,将震间应力积累过程与同震地震破裂过程的模拟结合起来。

重力荷载作用下整浇钢筋混凝土无次梁楼盖梁工作性能研究

整浇混凝土无次梁楼益中,梁、板作为直接承担重力荷载的构件,楼盖梁板相互影响,共同工作。本文采用大型通用有限元分析程序ANSYS和SAP2000对整浇楼盖进行全SOLID弹性块体单元建模分析,同时也采用结构设计程序ETABS对整浇混凝土楼盖进行了纯杆系单元、杆+壳单元建模计算,分析和总结重力荷载下整浇楼盖梁的工作性能,找出目前杆系模型、杆+壳模型计算设计方法中不合理之处,为整浇楼盖梁设计的安全、合理、经济做出初步的探索。

天山地震带主要活动断层现今的滑动速率及其地震矩亏损

文中收集了1999—2015年天山地震带及其周边地区的GNSS数据,计算得到了速度场结果,并利用弹性块体模型计算了研究区域内各块体的闭锁深度和主要断层的滑动速率。研究结果表明:南天山断裂带西段的迈丹断裂的缩短速率处于高值状态,达(-6.3±1.9) mm/a,高于南天山东段;北天山断裂带西段的缩短速率同样高于东段。利用主要断裂带的滑动速率计算出各地震带的地震矩积累变化及1900年以来的地震矩释放变化量,以分析地震矩亏损分布,结果显示北天山山前断裂、迈丹断裂、额尔齐斯断裂带北段和喀什河断裂西段存在较大的地震矩亏损,具有孕育7级以上地震的潜能,而北轮台断裂、柯坪断裂带中段则呈现地震矩盈余状态,在未来的一段时间内不具备发生强震的可能。

基于GPS资料反演中国大陆主要断裂现今活动速率

断层活动速率分布提供了中国大陆地壳运动变形的图像.它不仅是解释中国大陆岩石圈变形动力学原因的关键,还是评估未来地震危险性的关键参数之一.本文根据中国大陆活动构造和地震活动分布建立了三维弹性块体模型,并利用最新的GPS资料计算了作为一个整体的断层系统中自洽的断层活动速率.计算结果显示,中国大陆内部绝大多数断裂带的活动速率小于20mm/a,并不存在类似于板块边界的快速运动.另外,中国大陆断裂带的活动存在东西差异,东部断裂带的活动速率大多低于1.0mm/a,而西部断裂带的活动速率最高达到18mm/a.本文给出的断层长期活动速率结果为中国大陆现今运动变形的动力学研究提供了新的约束.

青藏高原东北横向扩展运动研究

现今普遍认为，青藏高原在新生代晚期（20—12Ma）存在着从高原内部向其东缘的横向扩展。特别是，在青藏高原东南部发育大尺度SE—SSE向的横向逃逸运动，并得到了全球卫星定位系统（GPS）获取的地壳水平运动速度场的支持。然而，与青藏高原东南部表现出显著、清晰的横向挤出逃逸运动相比，青藏高原东北部的横向扩展运动的研究却仍然存在很大的不确定性：首先，源于青藏高原内部横向扩展运动是被限制在现今高原东北部以内，还是存在大尺度与中国大陆东部新生代伸展构造活动联系的逃逸运动；其次，高原东北部横向逃逸是以近E—W向的秦岭构造带作为扩展的通道，还是NEE向横向扩展并深入到六盘山断裂以东的鄂尔多斯地块南缘甚至其内部。

GPS观测研究现今青藏高原地壳形变机制——来自阿尔金断裂三维运动场及高原地壳减薄的证据

自50~55 Ma以来,印度次大陆向北与欧亚大陆碰撞后形成喜马拉雅—青藏高原造山带,碰撞导致地壳增厚致使高原大幅隆升,改变了亚洲大陆岩石圈的构造格局,也对东亚地区的气候和环境产生了巨大影响。阿尔金断裂作为青藏高原北缘的主控边界断裂,其运动学性质在20世纪70年代备受关注,不同量级的滑动速率引出了块体运动与东向逃逸和连续变形与地壳增厚两种端元模型。约10~15 Ma以来,在青藏高原南部与北部出现地堑与裂谷,为高原东西向拉张运动提供了证据,表明青藏高原开始经历地壳减薄过程。青藏高原形成以来形变场经历怎样变化,长时间尺度的地质学构造过程与现今GPS观测是否能够统一?10~15 Ma以来青藏高原地壳减薄过程造成高原高程怎样的变化?青藏高原北缘,尤其是跨阿尔金断裂具有怎样的现今三维地壳变形场,地壳应变是如何在北阿尔金断裂、祁漫塔格断裂和阿尔金断裂之间分配的?青藏高原北缘与塔里木盆地具有怎样的力学性质,对跨阿尔金断裂构造形变场造成怎样的影响?最后,GPS观测得到的现今地表形变场能够对青藏高原形变模式的争论作出何种解答?上述科学问题的解答,对于研究青藏高原隆升与变形过程具有十分重要的意义。本研究分为两部分。第一部分是青藏高原北缘三维震间运动场的观测与研究。在青藏高原北缘跨阿尔金断裂中段自建9个GPS连续台站并开展观测,根据区域研究特点设计无人值守的观测台站,具有低成本投入、高质量观测的特点。上述连续GPS台站的建立填补了青藏高原北缘,尤其是在阿尔金无人区地壳形变观测研究的空白,积累了宝贵的连续GPS数据;截止2015年7月,共有4年的连续GPS观测。数据分析结果证明,设计建站方法行之有效,GPS台站稳定、观测数据质量稳定、数据连续性稳定。结合使用中国大陆构造环境监测网络在研究区及邻域GPS连续台站数据作位置时间序列与速度场解算,获得青藏高原北缘地区跨阿尔金断裂中段现今三维形变场。使用三维线弹性后向滑移(backslip)块体运动模型,反演塔里木块体、北阿尔金块体、柴达木块体和祁漫塔格块体的三维块体运动。结果表明,北阿尔金山相对于塔里木盆地有(1.32±0.2)mm/a的抬升速率,相对于柴达木盆地具有(0.73±0.3)mm/a的抬升速率,可解释为北阿尔金块体存在显著的造山过程;阿尔金断裂有(8.21±0.60)mm/a的左旋走滑速率、(0.66±0.60)mm/a的缩短速率;祁漫塔格断裂有(0.53±0.60)mm/a的左旋走滑速率、(1.53±0.60)mm/a的缩短速率;北阿尔金断裂有(0.87±0.60)mm/a的左旋速率、(0.69±0.60)mm/a的缩短速率。同时,阿尔金断裂中、西两段滑动速率基本一致,约为8.0~10.0mm/a。定量研究结果支持连续形变与地壳增厚模型,表明相对塔里木块体,青藏高原北缘地区正在抬升、增厚,以北阿尔金山地区最为明显,抬升速率约达1.3mm/a。跨青藏高原北缘的阿尔金断裂、北阿尔金断裂和祁漫塔格断裂近200km的宽泛变形带内,南北向地壳缩短并不明显,缩短量仅约为2.9mm,且近一半缩短量发生在祁漫塔格山南侧。GPS观测阿尔金断裂车尔臣河段(~86°E)剖面表明,断裂两侧存在非对称变形特征。本文采用非对称变形模型反演GPS速度剖面数据,获得断裂两侧塔里木盆地和青藏高原北部的地壳介质剪切模量差异。结果显示,塔里木盆地地壳介质剪切模量约为青藏高原北部剪切模量1.53倍,相应S波波速比值为1.24,与Yang等人得到的地壳和上地幔三维VSV模型结果一致。地震学研究结果认为,青藏高原北部与东部地区在中地壳存在低速层,局部区域可能发生部分熔融;Hacker等进一步确认羌塘地块中地壳到深部地壳存在熔融现象。本文的研究运用了与地震学完全不同的资料,通过大地测量方法推导青藏高原北部与塔里木盆地的地壳介质力学性质差异,得到与地震学研究得到的S波波速比及其构造物理学解释相当一致的结果。成果为青藏高原力学演化模型提供新的约束。本论文第二部分内容是使用覆盖青藏高原及周边的GPS速度场,计算青藏高原内部应变率场。GPS观测速度场不仅显示了南东东-北西西向的地壳拉张过程,也揭示了青藏高原内部更加重要的地壳减薄过程。结果显示,青藏高原北部和南部的垂向应变率(减薄应变率)分别为(8.9±0.8)nanostrain/a和(7.4±1.2)nanostrain/a,青藏高原西南部的垂向应变率为(12.0±3.2)nanostrain/a,表明青藏高原内部大尺度范围应变率测量结果的一致性。并且青藏高原内部的拉张应变率观测也相当一致,青藏高原北部,沿着N114±1°E主应变方向的拉张应变率为(21.9±0.4)nanostrain/a;高原南部沿着N93±1°E主应变方向的拉张应变率为(16.9±0.2)nanostrain/a;高原西南部沿着N74±3°E主应变方向的拉张应变率为(22.2±1.8)nanostrain/a。如果地壳减薄开始于10~15 Ma,并且现今观测得到应变率适用于整个时间跨度,那么地壳累积减薄5.5~8.5km。应用Airy地壳均衡理论,青藏高原的平均高程将下降~1km。青藏高原北部、南部和西南部相似的垂向应变速率也表明,在3个区域的地壳拉张、正断裂运动和地壳减薄过程由相同的物理机制所支配。综合上述两部分研究成果,发现青藏高原现今垂向运动在高原内部和边缘地区存在很大差别。高原内部地区正在经历地壳减薄,而高原边缘地区正在经历不同程度的增厚与隆升。青藏高原北缘地区的垂向应变率约5~20nanostrain/a,如果考虑重力均衡作用,对应的垂向隆升速率在0.04~0.14mm/a左右。但是,对于局部地区如北阿尔金块体,其底部受到塔里木盆地南缘下插挠曲板块的支持,在没有重力均衡情况下,垂向隆升速率可能达到1mm/a。喜马拉雅地区呈现不同水平的垂向形变,垂向应变强烈(约10~80nanostrain/a),山脉底部受到印度下插板片的支持,无法通过重力均衡假定由垂向应变率估计隆升速率。但由GPS与水准数据约束的俯冲板片模型推测山脉隆升速率达到约7mm/a。而对于祁连山地区,GPS应变率推测得到垂向应变率约20~40nanostrain/a,应用地壳均衡理论,平均隆升速率为0.15~0.3mm/a;而由于逆冲推覆构造与褶皱变形带的存在,中下地壳有可能仍存在弹性变形,不能实现完全重力均衡,实际隆升速率有可能高于这一估计。本文研究给出青藏高原不同地区三维形变场与形变速率的定量估计,是对连续形变与地壳增厚形变模型的重要修正。结果并不支持块体运动与东向逃逸模型,并认为高原南北双向俯冲模型中的塔里木块体南向俯冲几乎不存在。