DYNAMIC SIMULATION OF STRESS AND DISPLACEMENT FIELDS FOR TSINGHAI-TIBET PLATEAU LITHOSPHERE

Tsinghai-Tibet Plateau becomes an important research topic ofglobal tectonics, because of its marvelous thickness and rapiduplifting since Quaternary. By using finite element method, thenumerical simulation is carried out for the movement of structurallithosphere. The deformable elements are employed to simulatestructural zones, and the frictional mechanism is introduced toillustrate the characteristic of a zone with a contact crack surface.The boundary conditions are prescribed by the displacements aroundthe pla- teau.

重力异常反映的郯庐带中南段构造边界与应力场

为解决传统基于重力场数据一阶导数定义的总水平导数和解析信号振幅存在无法均衡深浅异常振幅的问题,应用重力全张量梯度数据,提出改进的倾斜导数地质体边界识别方法NTD_(M)。经模型验证,NTD_(M)在收敛性、抑噪性和边界识别精度方面均有提升。利用NTD_(M)将郯庐带中南段及邻区划分为14个边界较为清晰的构造单元,借助垂线偏差数据对郯庐带中南段的构造应力场和壳幔密度差进行反演。结果显示,二者在水平方向上存在显著差异,在空间上显著相关,构造应力最大差异值约为16 MPa,壳幔密度差约为0.2 g/cm^(3),构造应力等值线密集处与构造单元划分的边界以及地震分布情况对应较好。郯庐带中段最大主应力方向为NEE-EW,南段主应力方向以EW-NWW为主,总体呈EW向,与震源机制解、地应力测量和GPS反演结果具有较好的一致性。

胶东地区壳-幔作用与金成矿效应

胶东矿集区的形成、演化受地幔剪切带和深部流体控制，壳－ 幔作用和地球动力体制转换是成矿物质活化→运移→聚集→成矿的基本动力学保障，构造应力场转换是其重要表现形式。郯庐断裂是深切地幔的成熟岩石圈断裂，是富含地幔流体的幔内剪切带，其内发生流体－ 热－ 化学－ 物理耦合，决定了胶东矿集区的形成与分布规律，其剪切深熔作用是成矿物质活化、运移的重要驱动力，是成岩成矿作用发生的根本原因之一。地幔流体通过壳－ 幔相互作用，形成碱交代热液，沿郯庐断裂带向上发散、运移，将含矿流体系统输运到更高的层位，为流体成矿作用提供了矿源。胶东金矿集中区为相对于周边的地幔隆起区，金矿床产于莫霍面的梯度变化处或变形部位，凹陷区局部隆起部位金的成矿强度明显小于其它地段。超大型矿床决定于超大型碱交代岩规模和深部流体活动强度及成矿元素的高效富集效应，在早期剪压体制下，流体组分、成岩组分和成矿组分大量交换运移；晚期剪张体制下，热液析出、交代作用和成矿作用易于发生。

中国大陆科学钻探主孔2000米以上脆性变形构造应力场

在主孔2000米之内,存在复杂的脆性破裂系统和构造应力场。根据其充填物的特征,可划分为由石英、方解石和绿泥石等矿物充填的微破裂,发育石英、方解石等矿物薄膜或擦痕线理的微破裂和既无矿物充填、也无矿物薄膜的微破裂等3种不同类型的脆性应变现象,它们依次代表早、中、晚和深、中、浅3个不同构造层次的脆性变形。初步分析表明脆性变形阶段存在有以南东东-北西西向为主导的挤压作用、北东-南西向的区域挤压作用、南北向挤压作用和垂向伸展作用等4期构造应力场。郯庐断裂东侧的现代构造应力场在区域上具有极大的稳定性。在脆性和脆-韧性转换带,制约苏鲁高压-超高压变质带侵位的主导应力作用方式为自南东东往北西西方向的挤压,它在时间和空间上具有一定的稳定性。

北祁连-河西走廊地区垂直形变与构造应力场关系的初步研究——三维有限元拟合结果分析

根据已知的地震地质资料对北祁连 -河西走廊及相邻区进行了三维有限单元剖分 ,在线弹性条件下 ,拟合了其 2 0a来垂直运动的总体趋势。计算表明 ,北祁连 -河西走廊地区垂直形变的拟合结果 ,与背景应力场的约束形式和变化特征密切相关 ,其中采用构造应力场增强作为加载条件以及稳定地块作为位移约束条件得出的拟合结果与该区域 2 0a来垂直运动的整体分布特点相一致。在此基础上 ,进一步得到其背景应力场增强的量值估算 ,其中SN方向的压力变化为 +0 .11MPa(压为正 ) ,EW方向的压力变化为 +0 .0 4MPa(压为正 ) ,EW方向的压力变化量是SN方向的 3倍左右。此外 ,根据计算得到的 10～ 15km深处剪应力增量Δγxy的分布情况 ,对比中强地震震源分布可以看出 ,剪应力增量与震源在空间分布上有一定的关联性。震源往往分布在剪应力增量变化较剧烈处 。

基于引潮力附加构造应力调制的九江地震热异常时空动态过程研究

通过利用发震区域的天体引潮力附加构造应力变化模型,研究了2005年11月26日江西九江MS5.7地震发震构造与天体潮汐引力的关系,并利用该模型结合美国国家环境预报中心多源综合温度数据资料,分析了九江地震前后发震区域热异常在时空上的动态变化特征.结果显示,一方面,在时间序列变化上,孕震区热异常表现出的起始—消亡演变过程与岩石在应力加载下的形变—破裂过程相吻合.无论近地表大气还是上附多层大气,热异常主要集中在活动断裂带及其附近区域,与构造断裂带分布相一致;同时,热异常从近地表到高空消失的垂向分布,符合地面对大气加热导致大气升温→抬升→扩散→消亡的大气动力学基本特性,表明构造运动是本次温度异常变化的主控原因.另一方面,热异常变化遵循引潮力(低值—高值—低值)的变化过程,显示出天体引力对发震断层温度异常识别具有一定的指示意义以及引潮力可能对构造应力处于临界状态的发震断层具有诱震作用,预示利用引潮力附加构造应力与热异常变化相结合研究短临地震预测具有一定价值.

中国岩石圈应力场与构造运动区域特征

笔者系统分析了1918—2005年间中国大陆及其周缘发生的3130个中、强地震的震源机制解,根据其特征进行了岩石圈应力场构造分区,首次得到区域应力场的压应力轴和张应力轴空间分布的统计数字结果。在此基础上研究了应力场的区域特征、探讨了其动力学来源以及构造运动特征。总体结果表明,中国大陆及其周缘岩石圈应力场和构造运动可以归结为印度洋板块、太平洋板块、菲律宾海板块与欧亚板块之间相对运动,以及大陆板内区域块体之间的相互作用的结果。印度洋板块向欧亚板块的碰撞挤压运动所产生的强烈的挤压应力,控制了喜马拉雅、青藏高原、中国西部乃至延伸到天山及其以北的广大地区。在青藏高原周缘地区和中国西部的大范围内,压应力P轴水平分量方位位于20～40°,形成了近NE方向的挤压应力场。大量逆断层型强震集中发生在青藏高原的南、北和西部周缘地区,以及天山等地区。而多数正断层型地震集中发生在青藏高原中部高海拔的地区,断层位错的水平分量位于近东西方向。表明青藏高原周缘区域发生南北向强烈挤压短缩的同时,中部高海拔地区存在着明显的近东西向的扩张运动。中国东部的华北地区受到太平洋板块向欧亚板块俯冲挤压的同时,又受到从贝加尔湖经过大华北直到琉球海沟的广阔地域里存在着的统一的、方位为170°的引张应力场的控制。华北地区大地震的震源机制解均反映出该区地震的发生大体为NEE向挤压应力和NNW向张应力的共同作用结果。台湾纵谷断层是菲律宾海板块与欧亚板块之间碰撞挤压边界。来自北西向运动的菲律宾海板块构造应力控制了从台湾纵谷、华南块体,直到中国南北地震带南段东部地域的应力场。地震的震源机制结果还表明,将中国大陆分成东、西两部分的中国南北地震带是印度洋板块、菲律宾海板块与太平洋板块在中国大陆内部影响控制范围的分界线。

重力与地形数据揭示的巴颜喀拉块体东缘垂向构造应力场

利用基于消去-恢复原理的最小二乘配置方法,对2009-2013年相对重力/GPS联合观测数据与EGM2008模型数据进行融合,更新了巴颜喀拉块体东缘地区的自由空气与布格重力异常场.基于该布格重力异常数据,以CRUST1.0地壳密度模型为初始条件,使用二维多边形棱柱体正演与非线性最小二乘反演方法,获取了巴颜喀拉块体东缘地壳分层密度结构.基于地壳不可压缩和均衡调整原理提出了计算垂向构造应力新方法,并结合上述地壳分层密度结构和地形数据计算了巴颜喀拉块体东缘垂向构造应力分布.结果表明,龙门山断裂带中南段蓄积了较高的正向构造应力(约40 MPa),马尔康周边地区蓄积了较高的负向构造应力(约—30 MPa).对研究区域1970年以来5级(Ms)以上地震进行统计发现,地震多发生在垂向构造应力梯度带上,垂向构造应力为正的地区易触发浅源地震,为负的地区易触发深源地震.在地壳横向变形强烈的区域,垂向构造应力与地震深度的对应关系减弱.

华北地区中东部岩石圈挠曲与均衡特性以及地震活动性分析

华北地区中东部涵盖北京、天津以及即将建设的雄安新区等大型城市,区内发育了张渤地震带等多条大型活动断裂,地震活动性较强,历史上发生过多次6级以上地震.本文利用Fan小波的布格重力异常一致性方法研究该区的岩石圈有效弹性厚度和均衡调整初始加载比分布,同时基于均衡调整方法计算该区垂向构造应力分布,并将以上结果与历史地震活动进行统计分析.岩石圈挠曲分析表明,华北地区中东部的岩石圈有效弹性厚度为10～65 km,分布特征为自东南向西北逐渐减小.均衡调整初始加载比为0.5～0.8,表明现今的岩石圈挠曲状态主要由莫霍面加载形成.该区地壳承载的垂向构造应力约为-20～20 MPa,中西部地区垂向构造应力向上,东北和西南地区向下.统计分析结果显示,华北地区中东部的地震活动性随着岩石圈有效弹性厚度和均衡调整初始加载比的增加而减弱,垂向构造应力零值区域地震活动性较弱.雄安新区的岩石圈有效弹性厚度大约为15 km,均衡调整初始加载比为0.5～0.6,垂向构造应力为15～20 MPa,岩石圈参数对应的地震活动性较强,相关结果对于新区建设具有一定参考价值.

济阳坳陷晚古生代—中生代构造演化特点

利用奥陶系和石炭系灰岩地层中的垂直缝合线构造,对济阳坳陷古生代古构造应力场进行的判别结果表明,自奥陶纪开始华北克拉通盆地就受到NNE—SSW向的水平挤压而整体抬升,在遭受长达140Ma的剥蚀作用后,即至晚古生代古构造应力场仍未发生改变。对地震剖面、断层活动特点以及火山活动的研究表明,晚三叠世济阳坳陷区挤压作用达到最强;早侏罗世—中侏罗世是构造转换过渡期;晚侏罗世开始以近南北向的伸展作用为特征,这是华北东部地区地幔柱上涌的结果。利用岩石薄片数据对晚古生代和中生代物源区性质和构造背景进行了判别。结果表明,石炭-二叠纪物源区性质为再旋回造山带和破裂岩浆弧;中生代物源区性质为再旋回造山带和岩浆弧,古老的基底陆块尚未遭受明显的剥蚀,说明济阳坳陷为活动大陆边缘陆相盆地。

当今测量的岩石圈应力及其空间分布规律探讨

根据已积累的由多种不同方法所测得的丰富的构造应力资料客观地揭示了驱动构造运动所需应力的大小及其空间展布规律。统计分析结果表明，现今不同类型的构造单元，包括构造活动区在内，其构造应力绝大部分都以近水平方向的压应力为主；上地壳最大主应力一般为（１０～３０）ＭＰａ，最小主应力一般为（２～２０）ＭＰａ，最大差应力一般为（２～２５）ＭＰａ。在造山带，构造应力的大小与造山作用强度呈明显的正相关关系。岩石圈底部构造应力一般为（０．１～１．０）ＭＰａ的量级。岩石圈表部的构造应力随深度的增加而加大，岩石圈深部的构造应力随深度的增加而减小。

深部逆断层圆弧形断面诱发煤岩动力灾害的力学分析

为了探索逆断层附近易于发生煤岩动力灾害的力学机制,构建了由构造应力为主导的圆弧形断层面简化力学模型,得到了构造应力以及由其引起附加垂直应力的分布规律,进而建立了断层上盘逆冲滑动临界角度的数学模型。研究表明:水平构造应力与附加垂直应力随着断层倾角的增大而增大,当断层倾角接近90°时,附加垂直应力突然增大且其值数倍高于水平构造应力;基于逆断层滑动的力学分析,理论计算了煤层沿断层逆冲滑动的临界角度,这将对煤岩动力灾害的危险性预测有一定的参考意义。

金川二矿区垂直矿柱的屈服破坏过程

金川二矿区2号矿体采用大面积不留矿柱回填采矿法,存在1150标高之上的采矿平面和1150标高之下的采矿平面,其间的矿体被称为水平矿柱。水平矿柱之上和水平矿柱之下,都按矿体走向从东到西划分为七个机械化盘区。水平矿柱之下靠近东部的三、四盘区的分界线上,预留了宽度约20~30 m的垂直矿柱,用来支持水平矿柱。2004年,垂直矿柱的高度已经达到50 m,矿区亟待论证未来向下采掘中是否有必要继续预留垂直矿柱。通过建立三维有限元弹塑性力学模型,模拟计算了采矿过程中水平矿柱和垂直矿柱中应力场和变形场的发展变化过程。结果显示,垂直矿柱中的塑性屈服破坏过程开始于矿柱中央,然后蔓延扩展到矿柱的顶部和底部,2005年的垂直矿柱已经基本上整体进入屈服破坏状态。根据研究结果,认为已经屈服破坏的垂直矿柱对水平矿柱和上下盘围岩的支持作用将衰减,其存在与否,不会对矿区大范围内的应力场和变形场分布规律造成显著影响,所以建议二矿区在未来开采中不再继续预留垂直矿柱。

新疆精河6.6级地震周边地区密度构造、均衡异常以及岩石圈挠曲机理

依据EIGEN-6C4重力模型和ETOPO1高程模型数据,围绕新疆精河6.6级地震展开岩石圈均衡与挠曲机理研究,得到如下结论:(1)震中附近的布格与自由空气重力异常分别为-221和-92mGal(10^-5 m·s^-2),震中位于重力异常高梯度带上;(2)震中周边地区地壳厚度约为50km,密度结构总体变化平缓,东西方向地壳厚度变化较小,但自南向北地壳厚度逐渐变薄,精河6.6级地震初始破裂发生在上中地壳分界面附近;(3)震中附近岩石圈承载的垂向构造应力为20MPa左右,震中位于岩石圈垂向构造应力极大值附近的高梯度带上;(4)地震周边地区岩石圈有效弹性厚度最优解为26km,加载比最优解为F1=1,F2=F3=0,表明该区域岩石圈相对坚硬,且导致岩石圈变形的初始加载全部来自地表.

基于数值模拟与含水层垂向应力反演的静乐井水位异常分析

利用数值模拟与含水层垂向应力反演的方法,对降雨与河流荷载作用下静乐井区应力进行定量计算,并从区域应力场与同一构造区其他前兆测项变化特征对2种方法计算结果进行分析。数值模拟结果显示,降雨与河流荷载的共同作用使静乐井所在区域产生的最大垂向位移约为0.7mm,最大垂向应力约为30h Pa;同时段静乐井-含水层垂向应力反演结果显示静乐井-含水层最大垂向应力约为79h Pa;数值模拟与静乐井-含水层垂向应力反演结果均表明,静乐井水位高值异常与同时段降雨量增多、河流荷载效应增强关系密切,但2种结果存在一定差异。通过可反映井区应力场变化特征的山西地震带3级地震缺震和b值、穿过静乐井的GPS基线、地震矩释放、同一构造单元同时段其他前兆测项与静乐井水位高值异常对比等分析结果可知,2017年静乐井水位高值异常期间井区应力场存在显著异常,推测静乐井水位高值异常除受降雨与河流荷载作用的影响外,也可能受构造活动增强的影响。

中国东南地区地壳垂直形变基本特征

本文利用现有的Ⅰ、Ⅱ等多期水准复测成果,编制了我国东南地区垂直形变图。按区内垂直形变特征划分为三大区,南、北以上升为主,中部呈现大面积下降。文中还应用区内近期跨断裂测量资料,综合分析区域现代构造活动特点,并对区域构造应力场的变化进行了讨论。

青藏高原岩石圈多层构造应力场

青藏高原构造应力场可按岩石圈下层、多震层和浅层地壳区分为三层。除了震源机制解方法和井孔原地测量方法可分别用于推测多震层和浅层的应力状况外 ,还可根据下层塑性流动网络 ,采用平分网络共轭角的方法估计下层的应力方向。对比岩石圈下层与上层 (多震层 )的构造应力场 ,其结果表明 :由于板块边缘驱动力主要通过下层的网络状流动实现其远程传递 ,故在总体作用趋势上 ,上层的应力方向受控于下层 ;又由于高原靠近喜马拉雅驱动边界 ,部分驱动力直接沿上层传递 ,致使局部地区上。

基于地应力测量的地应力场研究

分析了我国多个矿区的200多个测站的水压致裂地应力测试数据,在测试数据的基础上对典型矿区进行了地应力场研究,并对测试结果进行了统计分析,得出了我国煤矿不同深度矿区的构造应力场特征及水平主应力与垂直主应力的比值随深度变化的规律,测量结果可为煤矿生产实践提供重要的参考价值。

亚洲中东部岩石圈塑性流动网络与构造应力场

:板块边缘驱动作用主要通过岩石圈下层的网络状塑性流动实现其向板内的远程传递 ,并控制上层的构造变形。相应地造成构造应力场的的多层分布格局 ,主要包括下层 (含下地壳和岩石圈地幔 )、多震层 (属于上部地壳 )和浅层 (浅表地壳 )应力场。这些层中最大压应力方向可分别采用塑性流动网络共轭角平分线、震源机制解和井孔应力测量等方法加以确定。根据对亚洲中—东部下层与多震层应力场的对比表明 ,大部分地区二者的应力方向基本一致 ,表明了下层对上层的控制 ,这对了解板内应力场的一般趋势与格架提供了基础。靠近驱动边界的局部地段 ,由于上部地壳直接的传递作用 ,往往导致上、下层应力方向的显著偏差 。

连云港─银川岩石圈壳─幔组合结构剖面构造应力场的有限元数值模拟

从岩石圈壳－幔组合结构出发，选择了大华北岩石围块体内一条NWW向连云港－银川的岩石圈壳－幔组合结构剖面，试图先从一个简单的力学模型开始，用二维有限元法得到岩石围（地壳和上地幔顶盖层）中的构造应力场的分布特征，从而解释板内地震与 岩石围亮－幔结构比值（R）相关的力学原因。