构造活动与地表作用耦合下的河流演化过程及动力学机制——以青海湖和倒淌河为例

新生代以来,青海湖在河流侵蚀与构造活动耦合下由外流湖泊转化为内流湖泊,但其动力学成因一直悬而未决。倒淌河作为青海湖由外流转换为内流的关键通道,其动力学演化历史记录着这一重要的构造与地貌转变地质事件。基于最新开发的地貌演化有限体积法数值计算程序,模拟山脉隆升与河流下切共同作用下的河流倒淌形成与演化过程,定量分析隆升速率和河流下切系数对不同的流域演化模式的影响,探讨倒淌河演化的动力学机制,为认识倒淌河流域形成过程与青海湖形成成因提供支撑。结果表明,倒淌河流域的水系重组和倒淌河流向的转变主要受到由日月山断层活化引起的山脉快速隆升与河流下切影响;日月山隆升速率是影响倒淌河流域能否发生水系重组的控制因素;当河流被隆升的山脉阻挡而倒淌时,河流下切系数是控制流域重组速率的因素。

2021年5月22日青海玛多M_(S)7.4地震同震变形的数值模拟及其动力学启示

2021年5月22日青海玛多M_(S)7.4地震是近年来唯一一次发生在巴颜喀拉块体内部的强震,其同震变形及应力调整受到很多学者的高度关注。采用分裂节点技术研发了一套研究大地震同震变形的三维并行弹性有限元程序,并使用弹性地震位错模型的解析解验证该程序的正确性和有效性。在此基础上,研究2021年5月22日青海玛多M_(S)7.4地震同震变形及研究区域主要断层上的同震库仑应力变化,结果表明:计算得到的地表同震变形与不同大地测量数据和有限断层模型反演得到的结果一致,显示该地震主要为左旋走滑断层,有部分正断层分量;9~11 km深度范围内除主震断层带两侧大于1.0级的余震基本位于10 km深度水平面内平行于主震的库仑应力变化大于零的区域;玛多地震引起不同断裂带上的库仑应力变化的分布是不均匀的,其中鄂拉山断裂南段、昆中断裂东段、东昆仑断裂带的大部分(除中部靠西的小部分外)、玛多—甘德断裂北西段、南东段及主震震中附近、达日断裂带北西段库仑应力增加明显,地震危险性提高,需要密切关注。

利用有限元热应力计算方法对热事件月震成因的探讨

在前人工作的基础上,考虑月表向内吸收的太阳光照热量和向外释放的月球热辐射热量,以及与温度、深度相关的月壤热力学参数的非线性,开发了适合研究月壤温度、变形和热应力时空演化的热弹性耦合有限元并行程序,利用4组有限元模型研究不同的月壤特征厚度对月表温度、变形和热应力时空演化的影响。计算结果表明,月表月壤温度呈现1个月球日(29.5个地球日)的周期性变化,赤道月表的温度在100~385 K之间变化,变化幅度随深度增加指数衰减,影响深度约达50 cm。温度的周期性变化引起月表垂直位移也呈现上升和下降的周期性变化,以及月表水平正应力的挤压和拉张的周期性变化。总体而言,水平应力白昼是挤压,夜晚是拉张,其中拉应力增长速率最快的时刻是18:00,拉应力最大的时刻是06:00。月壤特征厚度对温度、水平正应力的时空分布的影响较大。热应力的量级有可能达到月表岩土抗张强度,张应力增长最快和幅值最大时段与观测到的月球浅表热事件发生的早晚频度较高相吻合。

无限元-谱元混合法在2.5维引力位计算中的应用

引力位是地球自由振荡数值模拟中不可或缺的一部分,也是重力异常研究中需要计算的对象。由于引力位满足无界的泊松-拉普拉斯方程,其在无穷远边界处为零,这对数值模拟造成了困扰。针对此,采用无限元-谱元混合法,直接对无穷远边界进行拟合,不再对边界条件做近似;同时考虑到三维地球模型计算效率问题,采用2.5维控制方程;最后,通过数值试验,验证了方法的准确性。

三维黏弹性模型在月球冷却产生的热应力计算中的应用

月球冷却过程中积累的热应力是影响月球内部力学环境的重要因素之一。使用三维黏弹性有限元模型计算月球热应力的积累过程,并通过对比实验分析黏性参数对热应力大小的影响。计算结果表明月幔深部和浅部的热应力状态存在截然的分界。浅部热应力以切向挤压为主,挤压应力最大值出现在月壳底部;深部径向和切向正应力的大小主要受浅部径向正应力的控制,径向和切向热应力均为拉张,但由于黏性松弛差应力的积累和松弛动态平衡,而处于接近“静水压”状态。假设月球岩石圈的黏度大于10^(28)Pa·s,则现今月壳和浅部月幔水平挤压热应力可以达到数百MPa,而月幔深部的拉张热应力可达到数十~100 MPa。因此,震源深度较浅的浅源月震可以用热应力来解释。而深源月震成因仍是一个困难的问题,推测深部月幔的拉张热应力为孔隙结构的发育提供了条件,而月幔底部的熔融层提供了高压孔隙流体,从而降低了深部月幔介质的破裂强度。

敦煌造山带南部红柳峡混杂带基质的沉积学、地球化学和年代学特征及其大地构造意义

敦煌造山带南部红柳峡混杂带基质的研究,为认识敦煌造山带的形成和演化提供了新的依据。本文从沉积学、地球化学和年代学等方面系统讨论了该混杂带基质的特征和形成环境。结果显示,基质的岩石类型主要包括变泥质岩(云母石英片岩)和变质砂岩,普遍发生强烈变形。局部弱变形变质的基质仍保留有原生沉积构造(如T_(ab)、T_(de)、T_(bde)组合的鲍马序列),反映原岩是一套浊积岩复理石。显微岩相学特征显示,基质碎屑组分以长石、石英和岩屑为主,长石和岩屑含量较高,分别为47%和27%,反映大量火成岩物质的加入,且碎屑颗粒的分选性和磨圆度较差,说明搬运距离较近。地球化学方面,低的化学蚀变指数(CIA=49~67),反映复理石基质物源区母岩经历的风化程度较低。高的成分变化指数(ICV>0.8)以及Zr/Sc-Th/Sc投图结果显示,沉积物再循环程度低,为近物源区的初次沉积。基质Sc、Cr、Co、Ni含量低,Eu/Eu*、La/Sc、Th/Sc、La/Co、Th/Co和Cr/Th等元素比值类似于来自长英质源区的沉积物,暗示其物源区母岩以中-酸性岩石为主。La/Sc-Ti/Zr和Th-ScZr/10投图结果显示,复理石基质形成于陆缘弧或活动大陆边缘构造背景。弱变形浅变质砂岩的碎屑模式表明,基质的物源来自"切割型弧-过渡型弧"源区。综上,红柳峡混杂带基质在碎屑组成方面,以再循环程度低、近物源堆积的"切割型弧-过渡型弧"源区长英质碎屑组分为主,在沉积构造方面,发育鲍马序列和深水块体搬运沉积(MTD)构造,表明基质形成于陆缘弧或活动大陆边缘的俯冲带海沟环境。碎屑锆石年代学显示三组年龄:2300Ma、1850Ma和423Ma,结合区域地质背景分析,初步认为物源碎屑可能来自混杂带北侧的三危山弧和东巴兔-蘑菇台弧的古生代花岗岩类以及俯冲折返的变质基性岩岩块。复理石基质的变质砂岩中获得的最年轻的岩浆碎屑锆石年龄为389Ma,说明该砂岩形成于中泥盆世之后,暗示敦煌造山带南部红柳峡地区洋盆尚未俯冲完毕,碰撞作用尚未开始。

CO_(2)在高岭石(001)晶面吸附的第一性原理计算

吸附是封存CO_(2)的一种重要手段,也是降低CO_(2)温室效应的一种有效途径。高岭石作为主要的黏土矿物,不仅具有较大的比表面积,而且分布广,封存CO_(2)后不污染环境,是CO_(2)的天然吸附剂。基于密度泛函理论的第一性原理计算CO_(2)在高岭石(001)晶面的吸附,讨论吸附后的稳定构型、电子转移情况、密立根布居和分波态密度。结果表明在Top(1~3),Bridge(1~3)和Hollow(1~6)不同位点的吸附构型中,Hollow4-X构型最稳定,其吸附能为-0.41 eV。在Hollow4-X吸附构型中,CO_(2)的O原子与晶面的H原子形成H—O键,其中CO_(2)的O原子的2p轨道对成键贡献较大;高岭石(001)晶面H原子的电子转移到CO_(2)的O原子上。

孔隙介质方腔内自然对流的动力学演化

流体饱和孔隙介质腔体内的自然对流是非线性流体动力学研究的经典问题。受早期计算条件限制,前人研究主要侧重于中心对称对流模态的时空演化动力学机制,不能完整刻画实际孔隙自然对流系统中包含全部对流模态的动力学行为,因而无法直接应用于实际工程。基于伽辽金法和配点伪谱法数值模拟底部加热的孔隙介质方腔内模态完备的二维自然对流,首次得到自然对流从发生到走向混沌的完整动力学演化路径。模拟结果揭示,随着Ra从4π~2单调增加到1 200,自然对流演化历经21个不同阶段(包括1个稳态对流阶段、6个单频振荡阶段、9个准周期振荡阶段、2个锁频共振阶段和3个非周期混沌振荡阶段)。对流模态的空间变化与时间振荡是对流形态反复发生交替的根本原因。采用时间序列、功率谱、相图和洛伦兹映射4种作图方法,系统对比Nu表征的计算热流作单频、准周期、锁频和混沌振荡的不同特征。计算平均热流和振荡主频随Ra的变化可由简单的解析公式拟合(在很宽的Ra区间内近似服从经典边界层标度律),为相应条件下实际工程设计和应用提供了便捷的计算工具。

天山造山带壳幔速度结构及深部构造过程综述

天山作为陆内造山带的典型地区,其深部构造一直是国内外地学界关注的热点问题.天山造山带下方速度异常结构的分布特征,是天山造山带深部构造过程响应的深刻体现,对深入理解其活化机制具有重要的指示作用.本文系统总结了天山不同区段的壳幔速度异常结构研究结果,讨论了天山造山带下方不同速度异常结构的形成机制以及天山隆升变形的动力学演化过程.天山造山带不同区段的层析成像结果以及接收函数图像等多种地震学探测与GPS观测研究成果显示,区域速度异常结构分布特征与天山造山带及周边地区的地质构造特点、动力学演化过程具有相关性:天山造山带下方高速异常结构的倾斜方向、形态、位置,凸显了天山地区独特的陆内俯冲机制;不同区域的低速异常结构表明,存在软流圈热物质上涌形成的小地幔柱或小尺度地幔对流,以及岩浆底侵作用导致壳内物质发生部分熔融.相关研究结果对进一步理解天山陆内俯冲、地壳缩短变形、岩石圈拆沉和软流圈热物质上涌等动力学过程具有重要意义,并对深入研究天山地区地震活动性分布规律提供有利的参考依据.

兰家沟钼矿成矿热力学参数研究

成矿热力学参数是矿床成因研究的重要内容,共生的矿物必然能共同反映其形成时的成矿热力学环境。基于此,通过分析兰家沟钼矿不同成矿阶段的矿物共生组合,利用流体包裹体测定不同成矿阶段的成矿温度和压力范围,并基于热力学计算获得不同成矿阶段的矿物共生组合相图,进而得到兰家沟钼矿床3个成矿阶段的成矿热力学参数。在石英斑晶阶段,氧逸度的区间范围为10^-40~10^-25,硫逸度的区间范围为10^-40~10^-5。在斑岩型矿化阶段,pH值为6.9~6.1,氧化还原电位在-1.3~0.3 V。在石英大脉型矿化阶段,氧逸度应小于10^-13,硫逸度为10^-14~10^-6,矿床的成矿环境属于弱还原环境。这些研究结果有助于对兰家沟钼矿成矿环境的认识。

基于力矩平衡的板块驱动力研究

基于刚体稳定运动的力矩平衡原理研究现今岩石圈板块运动的驱动力。提出通过计算力矩与板块角动量间夹角来识别板块驱动力的方法,并定量分析在板块底部黏性剪切阻力的约束下刚性板块运动的稳定性。采用最新的岩石圈结构模型和板块绝对运动模型计算各板块的转动惯量和角动量,进而基于简单的物理模型计算得到各板块受到的边界力矩及板底剪切力矩。结果表明:与洋脊力矩和板底力矩平衡的剩余力矩可由俯冲板片、碰撞带、裂谷带产生的力矩解释;洋脊与俯冲板片力是板块运动的主要驱动力;板块碰撞是欧亚板块运动的重要驱动力。

右江盆地构造演化与卡林型金矿成矿作用

右江盆地(又称南盘江盆地)经历了古生代—早中生代原型盆地-叠合盆地的复杂构造演化,最终表现为残留盆地。根据大地构造背景、沉积系列组合和岩浆岩发育情况,加里东运动之后右江盆地演化过程分为6个阶段:陆内伸展盆地(早期裂谷)演化阶段(D^(2)_(1)-D^(1)_(2))、大洋伸展盆地(裂陷洋盆)演化阶段(D_(2)-T_(1))、洋盆消亡及前陆挠曲盆地演化阶段(T^(2)_(1)-T^(1)_(3))、褶皱造山及碰撞后伸展阶段(T^(1)_(3)-J_(1))、NW向陆内挤压造山阶段(J_(2)-K^(2)_(1))和局部伸展阶段(K^(3)_(1)-E)。盆地内产出中国重要的卡林型金矿,矿体多赋存于冲断-褶皱带中。这些金矿具有多期成矿特征,大规模成矿主要开始于挤压背景,并持续至造山后伸展阶段,其中集中成矿期有2个。第1期形成于挤压碰撞相关的前陆挠曲盆地演化阶段-碰撞后伸展阶段(235~193 Ma,盆地中南部卡林型金矿),该期成矿受扬子板块和印支板块碰撞造山与古太平洋板块向欧亚板块的俯冲叠加诱发的岩浆熔融作用及其相关热液活动或变质热液控制。第2期为NW向陆内挤压造山-局部伸展阶段(148~103 Ma,整个右江盆地卡林型金矿),该期成矿主要受NW向挤压造山对先存构造叠加改造过程中的岩浆-热液活动影响。早三叠世前伸展背景下岩浆-热液活动对金具有初次富集作用,早白垩世晚期后岩浆-热液活动对金成矿具有叠加改造作用。成矿流体具有混合来源特征,盆地中南部卡林型金矿成矿热液以变质热液为主,盆地中部多为混合来源热液,盆地北部则主要为岩浆热液。通过对比分析,认为不同测年方法获得的年龄可在一定程度上代表成矿年龄,建议利用多种方法联合应用限制卡林型金矿的成矿时代。

基于弹性位错理论的2004年Mw6.0 Parkfield地震断层应力降分布

地震的发生伴随着区域应力状态调整,地震学上通常采用应力降表征震源区的应力释放水平。作为重要震源参数之一,应力降被广泛用于地震类型判断、震后应力状态分析及破裂扩展预测。目前,地震学家们常常根据拐角频率给出一个平均应力降结果,但是,一方面,发震区域和断层面岩石强度及应力状态存在不均匀性,单一的平均值难以呈现出空间变化,很难反映整个断层面上的应力调整情况;另一方面,由于观测台网限制、各个台站场地、射线路径等震源谱数据及相关计算参数获取方式和精确度不同而往往导致不同研究结果存在较大差异。为此,从力学角度出发,利用Okada静力学方法计算断层错动所引起的断层面上的剪应力变化,即基于位错滑动模型得到断层面上的地震应力降分布。数值计算结果表明,地震的发生虽然释放了断层面上的集中应力,但由于断层面上存在障碍体或者滑动量不均匀分布,断层面上位错量大的局部区域应力释放反而会使得其邻近区域应力集中,呈现出地震应力降非均匀分布现象,增大了断层面局部段落再次破裂的风险。应力降的非均匀性分布和断层几何形状的变化一定程度上也决定了断层的非均匀滑移行为。以2004年Mw6.0 Parkfield地震为例,计算其断层面上应力降分布:主震最大错动区域地震应力降约9.2 MPa,但是在发震断层上部分段落的应力反而增加,可达-3.5 MPa。相较于单一的平均地震应力降,基于位错模型获取应力降分布可更好地反映出震源破裂过程及对余震发展的分析预测。

庐枞矿集区矾山—将军庙地区AMT三维反演及地质结构解释

庐江—枞阳矿集区是长江中下游成矿带内的一个重要的多矿种成矿区.为揭示矾山—将军庙地区的地质结构以指导找矿,首先,在庐枞矿集区北部的矾山—将军庙地区开展了三维音频大地电磁数据采集工作,采用Rhoplus方法进行AMT数据死频带校正保证数据质量,利用相位张量分析地下介质的维性特征;其次,利用模块化三维反演并行代码ModEM开展了实测数据的三维反演,获得了一个典型的具有双层结构特征的火山岩盆地三维地下电性模型;最后通过电性模型及其他地质资料的综合解释,依据反演模型中近地表的低阻层和深部的高阻隆起区,分别勾画出了火山岩地层的厚度和深部侵入岩的分布范围,并在小岭地区发现地表浅部下方存在一个含矿次级火山机构的高导体.

顾及下地壳拖曳力的川滇地区地表形变有限元数值模拟

在川滇地区,GPS观测资料揭示了其运动方向为东向—东南向,呈现顺时针旋转的趋势。已有研究表明该区域的下地壳是柔性的,且运动速度快于脆性的上地壳并对其具有拖曳作用,这是造成该区域独特运动特征的主要因素。因此在数值模拟区域形变场时,仅考虑弹性作用是不够的,还需要考虑柔性下地壳的拖曳力作用。拖曳力的分布通常采用人工分区和试错法得到,主观性较强。根据川滇地区的构造活动特征建立二维有限元弹性平面模型,以GPS观测数据为约束,利用未施加拖曳力时的计算结果与实际观测结果之间的位移残差ΔUx,ΔUy与各点位坐标x,y的拟合关系式反映研究区域柔性下地壳对上地壳的拖曳力作用。计算结果表明:拖曳力主要集中在川滇菱形块体内,且块体北部的值最大,高达1.0e8 N,并以南向为主;块体南部拖曳力逐渐减小,约为4.0e7 N,方向上逐渐向东西两侧分流。拖曳力以等效体力的形式加载至模型中,可得到与实测形变场吻合度较高的结果。该方法可以为川滇地区长期地表形变动力学机制的研究提供一种物理上更加合理、方法上更加简洁的新思路。

北京云蒙山变质核杂岩大水峪韧性剪切带的应变特征及构造意义

北京云蒙山变质核杂岩东南缘的大水峪韧性剪切带是认识云蒙山变质核杂岩构造演化的关键。本文通过变形温度区间估算、有限应变测量以及运动学涡度计算等手段对大水峪韧性剪切带的应变特征进行了系统分析。长石石英温度计与EBSD石英组构分析结果表明剪切带的变形温度区间为480~650℃。剪切带南西段的变形温度自北向南逐渐降低,北东段的变形温度由岩基向断层方向先降低后升高。有限应变测量结果指示剪切带的变形整体经受压扁作用为主,南西段的压扁程度与韧性位移量均大于北东段。运动学涡度的计算结果表明剪切带在形成过程中主要受纯剪切控制。南西段的运动学涡度自北向南逐渐增大,北东段的运动学涡度由岩基向断层方向先减小后增大。据此认为岩浆作用是导致云蒙山变质核杂岩形成的主导因素,大水峪韧性剪切带北东段的拆离过程可能受到了东侧岩体的阻挡。

运用LSTM神经网络对川滇地区的地震中期预报——回溯性预测2008年汶川M_(S)8.0地震的探索

地震预报是当代科学难题,把机器学习方法运用于地震预报探索是一个研究热点。大地震造成巨大的人员伤亡和经济损失,因此对大震的预测是地震预报的主要目标。利用1970年以来的川滇地震目录,选择16个反映地震时空强度分布特征的地震预测因子,采取滑动时空窗口方法有效地挖掘数据的隐藏信息,对川滇部分地区开展了基于长短期记忆(long short-term memory,LSTM)神经网络的为期一年的地震预报研究。结果显示,用1970—2019年地震目录的70%(时间窗口大概为1970年到2004年前后)作为训练集训练网络,对剩余的30%作为测试集(时间窗口大概为2005年前后到2019年底)进行回溯性预报检验时,实际震级落在预测震级±0.5内的准确率为70.2%,虚报率为18.7%,漏报率为11.1%,可以回溯性预测2008年汶川M_(S)8.0地震。为测试模型的稳健性,进行了扩大研究区域范围、改变大震级地震在均方差计算中的权重等测试。在这些测试中,LSTM神经网络模型依然表现良好。

祁连山冰川消融对地表变形、地应力和断层地震危险性时空变化的影响

随着全球气候不断变化,祁连山地区广泛存在的现代冰川,可能会进一步消融乃至完全消失,从而引起祁连山地区的地表变形、地应力及断层地震危险性的时空变化。利用自主开发的平面应变黏弹性有限元程序,计算在冰川不断消融引起的地表载荷和两侧地块的构造挤压作用下,1956—2106年共150 a期间,祁连山地区自地表变形、地应力的时空演化。重点关注祁连山地区典型地质剖面的主要断层的正应力、剪应力及库仑应力随时空的变化,定量评估各个断层地震危险性的变化。结果表明,在祁连山冰川不断消融的情况下,祁连山地区地表抬升速率呈现先快速增加后趋于稳定的冰后回弹现象;研究区域的水平应力、垂直应力及剪应力在冰川载荷卸载和边界构造加载的双重作用发生显著变化;大柴旦—宗务隆山断裂、哈拉湖南山断裂和哈拉湖盆地北缘断裂库仑应力变化持续增大,未来地震危险性增强;阴凹槽断裂和祁连山北缘断裂库仑应力增加很小,反映了在冰川融化影响不大、仅仅在构造应力增加为主的情况下,地震危险性随时间增加是缓慢的。

高压下镁辉石弹性波速的第一性原理研究

辉石是地壳和上地幔中的常见矿物,对其弹性波速的研究有助于更好地理解地球深部地震波速异常及动力学过程等。辉石矿物包括斜方辉石和单斜辉石两个亚族,天然产出的斜方辉石以镁辉石为主。选择镁辉石为研究对象,利用第一性原理对镁辉石在高压下的4种结构相(斜方相Pbca、低压单斜相P21/c、高压单斜相C2/c和高压斜方相P21 ca)的弹性波速度进行模拟计算,结果如下。1)4种结构的镁辉石的弹性波速度均表现出明显的各向异性。2)在压力小于12 GPa时(上地幔压力范围),高压单斜相C2/c的纵波波速各向异性最大;在更高的压力下,Pbca的各向异性最大,且随着压力急剧上升。3)除C2/c结构外,其他结构相都是a轴方向上的横波波速各向异性最明显。研究结果为上地幔的地震波速异常的解释提供了新的依据。

青藏高原东南部地震b值时空演化及其对区域应力场特征的启示

区域应力分布特征是地震危险性评价的重要指标之一。采用青藏高原东南部1970—2019年的地震目录数据,使用最大似然法对该区进行地震b值时空扫描,得到该区b值时空分布特征;利用地震b值与应力的负相关关系,分析青藏高原东南部主要断裂带上的应力分布及变化。研究结果显示:1)在鲜水河—小江断裂系统的中部,大凉山断裂带附近区域的b值比安宁河—则木河断裂带附近区域低,推测大凉山断裂带承担较多的应力,可能是未来地震风险较高的断裂带;2)研究区浅层(0~20 km)比深层(20~40 km)的b值高,这是与浅层区域围压低、岩石倾向脆性破裂,而深层区域围压高、岩石倾向韧性变形的特征相一致的;3)汶川地震发生前后,震源及周边区域的b值经历了降低—升高—降低的过程,揭示了区域内应力的累积—释放—累积过程;地震震级越大,震前b值降低趋势持续越久,该地震的发生对b值的影响范围越大、b值波动越明显,距震中越近的区域的b值在地震前后的波动越明显;4)龙门山断裂带及其附近地区b值较低,推测该区域应力较大。