空气气氛中滑石的热分解动力学实验研究

含水矿物的热分解动力学研究对于了解俯冲带中-深源地震的成因机制具有重要意义.本文用综合热分析仪（TG-DSC）研究滑石在动态空气气氛下的热分解过程,利用热重（TG）数据对滑石的热分解动力学进行分析.利用Friedman法和FWO法,分别计算滑石热分解过程中的表观活化能Ea和指前因子A,并以Friedman法求得的活化能为初始值,通过非线性回归拟合得到热分解过程最可能的反应机理和动力学参数.研究结果表明,滑石在830-1 050℃内发生热分解,此过程为n级反应,表观活化能Ea为344.2 k J/mol,指前因子A为4.9E12 s-1.

MODFLOW不同算法及参数设定对计算精度的影响

为了提高MODFLOW中模型计算的精确度,减少不收敛情况的发生,通过建立数值模型算例,分析了不同解算器对计算精度的影响差异、主要参数值的设定对计算精度产生的影响以及收敛指标与迭代次数的定量关系。结果表明,PCG、SAMG和GMG计算精度较高,WHS和SOR计算精度较低。PCG算法中,低收敛指标使得计算精度有所提高,但稳定性却明显降低;计算精度对PCG算法中的阻尼因子的敏感性比对SIP算法中的加速因子敏感性低,二者的减小均导致计算精度降低;SIP算法中,计算过程中的迭代次数、运行时间与水头变化的收敛指标值呈明显的反比关系。当收敛指标设定小于一定值时,迭代次数和收敛指标的对数值呈现明显的线性关系。

一种基于有限元的岩石圈长期变形数值计算方法

有限单元法以其灵活性和精确性,成为固体地球科学中广为使用的数值方法。从短周期的地震活动到长周期的岩石圈变形、地幔对流,甚至行星演化,有限单元法几乎在固体地球科学的各个领域都占据着十分重要的位置。随着研究的深入,某些特定的地学问题给有限元计算带来挑战,尤其是岩石圈尺度大变形的数值计算,比如俯冲带的演化、剪切带中塑性流变导致的应力集中。基于显式有限元,尝试考虑粘弹塑性岩石圈大变形过程的数值计算。应用Marker-In-Cell (MIC)方法处理物质迁移。在描述基本原理和流程的基础上,对粘弹性变形、弹塑性变形、大变形过程及热传递过程等核心模块分别做了基准测试,而这四个模块是模拟岩石圈长期变形的关键。由测试结果和其他学者的(解析或数值)研究结果比对情况来看,受测试的核心模块基本达到了测试要求。可以预见,现有的基本算法可以满足研究岩石圈大变形的需要,进一步的具体研究工作将探讨这类问题。从科学问题层面讲,逐渐复杂的科学问题有利于数值模型的成熟。已达到基准测试的数值方法对下一步开展一些具体的地球动力学数值模拟研究有实际意义。

自重可压缩层状球体地球模型下地震变形算法的优化研究

本文利用龙格库塔法求解球坐标系下微分方程组,基于自重、可压缩和连续分层地球模型研究地震引起的地球变形,优化相关算法.首先对传统的两次同向积分法进行调整,对微分方程的齐次部分进行两次相向积分,分别由地心向上积分至震源和由地表向下积分至震源.接着利用震源间断条件求解震源上方和震源下方通解的组合系数,得到微分方程组的解矢量.基于该积分方法可以避免高阶微分方程组求解中精度丢失的问题.接着与均质地球模型下微分方程组解析解的比较,发现自重效应对走滑震源低阶求解结果的影响较大,对垂直引张震源变形解y_(4)的影响超过100阶.最后比较了均质地球模型和层状地球模型下高阶求解结果,发现两者的比值趋于稳定,当均质地球模型参数设置为震源所在层参数时,并且变形深度和震源处于模型同一层,两种地球模型下高阶变形解的比值趋于1.基于该发现,结合均质地球模型下渐近解,可解决实际分层地球模型下震源附近地震变形发散的问题.

利用球形地球位错理论研究日本M_(W)9.0地震引起的稳态变形与库仑应力变化

稳态地震变形是指由地震引起的、超长时间尺度内震后黏弹性松弛效应的累加,通过对稳态地震变形的研究,可以研究大地震导致的地球总体震后形变场,有利于分析周边地区对该地震的极限响应.本文首先利用球形地球地震位错理论,计算了日本M_(W)9.0地震在日本列岛和中国东部地区产生的稳态水平位移.结果表明,日本M_(W)9.0地震在日本本岛引起的稳态水平位移最大可达到8 m,大体上是同震水平位移的两倍;在中国东北地区产生的稳态水平位移最大值超过0.8 m,在华北地区产生的稳态水平位移最大值为0.5 m左右,是同震水平位移的30~40倍.接着,本文根据前人研究成果,结合地质资料,建立了中国东北和华北地区15条主要断裂带的几何与滑动构造模型,然后利用球形地球位错理论计算了日本M_(W)9.0地震在上述断裂带上引起的同震与稳态库仑应力变化.结果表明,该强震在中国东北和华北地区主要断裂带上引起的同震库仑应力变化均不超过1 kPa;稳态库仑应力变化显著超过同震结果,但除了依兰—伊通断裂带北段和嫩江断裂带南段的一部分以外,其他断裂带上的稳态库仑应力变化均未超过10 kPa这个地震触发阈值.因此日本M_(W)9.0地震对中国东北和华北地区地震危险性影响有限,不会显著改变区内主要断裂带的应力状态和地震活动性.

黏弹地球地震变形理论研究进展和展望

自Love(1911)研究了自重球体的弹性变形后,基于不同的黏弹性地球模型,许多科学家都对地震变形问题进行了深入研究,主要发展了基于半无限空间和球形地球模型的黏弹地球地震变形理论.地震变形问题通常经积分变换、基函数展开等技术处理后,简化为求解满足特定震源和地表边界条件的常微分方程组问题.针对这一独特的数学物理边值问题,本文以全解析、半解析和数值积分解等求解形式概述了近几十年发展的基于规则几何形态地球模型的黏弹地球地震变形理论,并讨论了各种方法的特点.此外,针对三维地球模型,本文也简单回顾了目前的研究进展和存在问题.总之,本文综述了过去半个多世纪以来的黏弹地球地震变形理论的发展历史、研究现状和最新进展,并讨论目前存在的问题和未来的发展趋势.

基于机器学习的长宁地震三维断层面几何特征建模

结合长宁地区大量的地震精定位数据和其它研究成果,利用监督分类和聚类分析等机器学习算法,基于地震簇的形态特征和地震震源机制解,编写了一套自动化提取三维破裂面形态特征的程序,获取了长宁地区地震破裂面的精细结构,可为相关研究提供可参考的发震构造模型。结果显示通过聚类分析最终获取了四个地震簇,结合对应的震源机制解节面信息,最终拟合出四条破裂面,其中:长宁背斜上的破裂面沿狮子滩背斜下部的高速体呈NW−SE方向展布,破裂面平直,倾角较陡,倾向SE;建武向斜内部的三条破裂面,主要分布在向斜两翼,规模较小,走向分别为NW,NNE和NNW,从外部包围了建武向斜核部的高速体,破裂面的展布方向与该地区三个主要震源机制解节面的产状一致,其中新城镇附近的NNW向破裂面切割深度较深,约为20 km,且倾向ENE,倾角约为70°。此外,结合地质构造背景和速度结构等反演结果推断,地震破裂面主要存在于先期形成的构造薄弱带或断裂带,例如背斜的核部和向斜的翼部因节理面贯通所形成的薄弱带以及高速体周围的软弱带,在构造应力的加载和工业开采下更容易微破裂成核,形成典型的发震构造。

利用接收函数研究河北及邻区地壳厚度与泊松比分布特征

本文收集了河北及邻区174个宽频带地震仪2007年1月至2011年12月记录到的全球范围内体波震级6.0以上、共488个远震波形资料。利用H-k叠加搜索方法得到河北及邻区143个台站下方接收函数、地壳厚度和泊松比值分布特征。结果表明,河北及邻区地壳厚度具有明显的分块特征并与区域构造背景有较好的相关性,泊松比值在0.25上下变化,与全球的泊松比估计值相当。河北及邻区地壳厚度以太行山山脉为界呈现出东薄西厚的特征并与地表地形起伏呈正相关;山西地震带南北地壳厚度存在明显差异,大同、宁武及安泽盆地地区泊松比值超过0.3;张—渤地震带的地壳厚度自东向西逐渐增厚,泊松比值则表现为相对较强的横向变化。华北平原带的薄地壳和低泊松比值特征可能与华北克拉通拆沉作用相关联。

2019年四川长宁6.0级地震主震及中强余震(MS≥4.0)的震源机制及其应力场

北京时间2019年6月17日22时55分43秒,四川省宜宾市长宁县发生MS6.0地震,震源深度16km。为了更好地了解此次地震的发震构造,文中利用四川省地震局提供的震相观测报告资料,采用HYPOINVERSE 2000方法对四川长宁MS6.0主震进行重定位,并使用四川、云南、重庆和贵州区域地震台网的波形资料,采用g CAP方法反演了2019年6月17日长宁MS6.0地震序列主震的双力偶机制解、全矩张量解以及中强余震序列(MS≥4.0)事件的双力偶机制解。重定位结果显示,此次地震的主震位置为(28.35°N,104.88°E),震源深度为6.98km,为极浅源地震。震源机制结果表明,长宁MS6.0主震的发震断裂主要为逆断兼左旋走滑性质,且全矩张量解显示其含有一定比例的非双力偶成分。主震发生后,连续发生的中强余震序列表现为走滑和逆冲型断层机制,发震类型在空间上呈现分段差异分布的特征,反映了发震断层错动过程的复杂性。基于震源机制解确定的震源区域应力场方向与整体区域的构造应力场相比存在较大差异,说明整体区域构造主压应力轴方向由长宁地震前的NWW向变为震后的NEE向。综合长宁地区的区域构造地质特征和余震展布方向分析认为,此次长宁MS6.0地震是在背景应力场作用下,长宁背斜上的先存断裂破裂引起滑动而引发的,发震断层为NW走向的高倾角逆冲兼左旋走滑趋势断层。

合肥地区近55年气候极值与农业气候指标动态变化趋势

气候极值与农业气候指标研究对分析气候变化和灾害对粮食的影响具有重要的意义。利用位于江淮平原的合肥地区1953-2007年的逐日气象观测资料,选取主要的气候要素与农业气候指标,包括积温、参考作物蒸散、霜冻日数等,采用统计检验和Gamma分布概率分析法,对合肥地区气温和降水的极值进行了系统的分析;趋势分析及Mann-Kendall突变检验结果表明:近55 a来,合肥地区降水极值呈减小的趋势,且春季旱灾会增大;气温极值呈增大趋势,且每年极端低温的天数在减少,高温日数没用显著变化;每年≥0℃和≥10℃的积温均呈增大趋势,且在1997年积温出现突变性增大;年参考作物蒸散量呈减少趋势,同时夏季参考作物蒸散量下降趋势明显。每年霜冻日天数的减少表明了霜冻灾害对作物影响的风险在减少。

2019年四川长宁MS6.0地震序列重定位和震源特征分析

采用双差定位方法对2019年1月1日至2019年10月20日期间四川区域台网记录到的地震进行重定位,得到7030个重定位事件,并获得了四川长宁MS6.0地震序列较准确的空间分布,并据此计算了震后长宁震源区的平均b值,分析了地震序列的活动性;利用近震全波形拟合方构深法东造,获浅获得的得了趋如主势下,震且主及西要4部结次地果MS:区≥①地5.0震四地的川震频长的度宁震远余源远震机高序制于列解东呈和部N矩W地-心区SE深;向②度分,b初布值倸步,空余分间震析分嬃深了布度本显分次示布地,整震震体后序呈长列现宁的出地发西区震呈现出明显的挤压构造环境;③主震和4次震级较大余震的矩心深度均较浅,尽管均为逆冲型为主的地震事件,但破裂面走向有所差异;④推测主震及中强余震是长宁背斜地区既有断裂或者同震过程中所产生的新生断层长期受到外力挤压而错断所致。

大洋平板俯冲的数值模拟再现：洋–陆汇聚速率影响

利用地球动力学数值模拟方法探讨了洋-陆汇聚时,大洋岩石圈的绝对俯冲速率和上覆大陆岩石圈的向洋绝对逆冲速率对俯冲模式的影响,尤其是上覆大陆的向洋绝对逆冲速率与平板俯冲之间的关系。模型结果显示,对于年龄为40 Ma的含正常洋壳厚度的大洋岩石圈,在初始俯冲角度为现今洋–陆俯冲平均倾角的极小值(19°)条件下,低速大洋俯冲(绝对俯冲速率≤3 cm/a)且上覆大陆岩石圈向洋绝对逆冲速率≥1 cm/a时,具备形成平板俯冲的条件。当中–高速大洋俯冲(绝对俯冲速度>3 cm/a)时,在上覆大陆的绝对逆冲速率不小于俯冲速率时可以形成平板俯冲。当增加初始俯冲角度到平均倾角的极大值(36°)时,仅在低速大洋俯冲(绝对俯冲速率≤3 cm/a)且绝对逆冲速率达到10 cm/a时(自然界中基本不存在),才有可能出现平板俯冲,其他情况均表现为陡俯冲。我们的模拟结果表明:(1)较高的大洋岩石圈绝对俯冲速率更容易克服板间耦合作用力而有利于陡俯冲形成;(2)较高的上覆大陆绝对逆冲速率更有利于俯冲板片弯曲而趋向于平板俯冲形成;(3)上覆大陆朝向海沟的逆冲速率会在俯冲板片下方产生水平向陆的地幔流,绝对逆冲速率越大该地幔流越强烈,导致作用于板片下表面的水平剪切分量越大而有利于板片弯折和平板俯冲发生;(4)初始俯冲角度的增加对平板俯冲的形成起到强烈抑制作用。这些能被现今平板俯冲,如具相似洋–陆汇聚速率条件的南美洲西海岸平板俯冲实例所验证。

稀疏台网的中小地震震源机制解反演研究——以2017年1月4日西藏仲巴4.7级地震为例

本文应用ISOLA近震全波形方法,以2017年1月4日西藏仲巴4.7级地震为例,反演稀疏台网记录的中小地震震源机制解。该地震反演所得最佳双偶机制参数为:节面Ⅰ的走向109°/倾角85°/滑动角-177°,节面Ⅱ的走向19°/倾角88°/滑动角-4°,最佳矩心位置为30.590°N、83.784°E,最佳质心深度为6km,矩震级M_W4.6。震源机制反演结果表明此次地震是一次走滑型为主的事件,其与震源区域附近历史地震震源机制解具有相同性质。本文还应用CSPS初动扫描法,利用P波初动资料和近震波形联合约束反演此次地震的震源机制,并与ISOLA近震全波形反演结果进行比较,结果表明,联合少量台站的的三分量波形数据,能够定量地判断最佳震源机制解,降低了P波初动反演结果的非唯一性,同时也约束了由于少量台站参与全波形反演引起的解的不稳定性。本文研究为中小地震震源参数测定提供了一种简单有效的方法,具有较高的稳定性和可靠性。

西藏奥陶纪和志留纪海相红层的分布与时代

本文对曾经考察过的西藏自治区主要研究剖面(即:聂拉木、定日、定结和申扎剖面)重新研究,参照国内已知的西藏奥陶纪和志留纪地层资料,对西藏地区奥陶系和志留系的海相红层进行系统研究。在西藏奥陶—志留系中,识别出11层海相红层。其中,在奥陶纪地层中识别出6层海相红层,在志留纪地层中识别出5层海相红层。已识别出的11层海相红层中,除奥陶纪青泥洞组海相红层(XORB1)属于深水大洋红层外,其它10层海相红层均属于浅水-半深水的陆棚红层。依据海相红层及其上下层位所含化石,本文初步讨论了各海相红层的大致时代,并与我国主要地区的同期海相红层进行了对比。

姑咱台钻孔应变观测值年变化的数值模拟解释

中国是最早开始以地震预测为目标的钻孔应变观测的国家之一。YRY-4四分量应变仪等中国自行研制的应变仪已达到世界先进水平,其分辨率可达10-10量级,且可以稳定工作。为了捕捉构造应力变化的信号以及探讨它们与地震活动的联系,首先需要识别并排除降雨、气压变化、地下水位变化、河流涨落、抽注水等非构造因素引起的地应变。在某些台站(如大渡河谷旁的姑咱台),YRY-4型应变仪观测到年周期变化的应变信号。截至目前,没有相关文献解释产生这种信号的物理机制。文中试图解释该信号的成因。考虑地形因素,建立了三维有限元热-弹性耦合模型,模拟了地表温度年变化引起的热应变,说明了春季和秋季达到波峰和波谷的年周期变化的信号是地表温度年变化引起的热应变信号。建议高分辨应变仪(例如YRY-4型应变仪)地应变台站选址时应尽量选择开阔的区域而避免地形起伏较大的区域。

基于数值模拟的潮汐应力触发月球深震机制的探讨

月震发生在约700~1 200 km的深度,且具有27天多的活动周期.本文对月球所受地球引力而产生的固体潮汐作用的位移场和应力场进行百万网格的并行有限元方法计算模拟.计算结果显示最大剪应力随深度变化,如果月球可能有半径为700 km左右的液态核,或者虽然月核较小,但月幔底部处于部分熔融状态,则月震发生深度恰好就是剪应力最大的深度.月核是否存在一直没有直接的地震学观测证据,本文的计算从另一个角度在一定程度上支持了液态月核可能存在的观点.

2019年吉林宁江M_S5.1地震全矩张量反演及其发震机理初探

采用吉林、黑龙江、辽宁和内蒙古地震台网记录的地震波形数据,利用ISOLA近震全波形反演方法对2019年5月18日吉林宁江MS5.1地震进行全矩张量反演。结果表明,该地震的最佳断层面解节面Ⅰ走向304°/倾角81°/滑动角26°,节面Ⅱ走向210°/倾角65°/滑动角170°;最佳矩心深度6km,矩震级MW5.0。根据宁江MS5.1地震序列展布形态,推断节面Ⅱ可能为优势发震断层面,即本次地震的主控断裂为扶余-肇东断裂,和与其正交的第二松花江断裂共同控制着余震展布方向。全矩张量解在Husdon震源类型图上的投影显示本次地震具有明显的非双力偶成分,是1次体积增加的张性破裂。根据区域地质构造特征和震源区接收函数、电磁测深和地下热结构等地球物理研究结果,综合分析认为在西太平洋板块作用形成俯冲带的同时,也相应地产生了热物质上涌,这些地球物理过程可能会改变莫霍面形态,使其向上突起并作用于活动断层,从而形成此次吉林宁江MS5.1地震。

基于热点参考系的板块绝对运动模型

本文在最新一代板块相对运动模型(MORVEL模型)的基础上,通过最小二乘反演观测热点方向数据建立板块绝对运动模型.经过对前人用于约束板块绝对运动模型的所有热点数据与MORVEL模型的一致性作系统的统计学检验,发现存在离群数据.相应地,提出两种系统剔除离群数据的新方法:逐一剔除法和全局搜索法.结合对总残差的卡方检验和对残差频率分布的正态检验,逐步筛选最优模型,最终得到一个基于热点参考系的板块绝对运动新模型(T87模型).该模型能够合理拟合全球分布的87个热点方向数据,而模型预测的板块绝对运动速率比观测热点火山的迁移速率系统偏小,最大偏差达到4 cm·a^(-1).这样的偏差可由观测热点速率的系统误差或地幔返回流造成的热点间运动解释.不论是哪种解释成立,本文结果表明热点方向数据能够独立、有效地定义全球热点参考系.这样定义的热点参考系可方便地应用于板块绝对运动、地幔对流及真极移的研究.

2019年秘鲁北部M7.8地震的矩张量解与破裂过程快速反演

2019年5月26日(北京时间)秘鲁北部发生M7.8地震,震源深度为100km。本文利用国际地震学研究联合会数据管理中心(IRIS/DMC)提供的远场波形数据,通过波形反演方法快速反演得到此次地震的矩张量解和破裂过程。W震相快速矩张量解反演结果表明此次地震是一次中深源正断层型地震事件,可能是由于正在向下俯冲的纳斯卡板块产生规模巨大的伸展变形所致。远震体波反演有限断层模型结果显示此次地震的发震断层为高倾角的NNW向断层面,破裂从初始破裂点开始,由震中主要向NNW方向延伸破裂,最大滑移量约3m;地震破裂时间约为70s,在40~60s时释放了整个地震80%的地震矩能量,主要破裂区域在震后40s后才开始形成,在40s之前,破裂的集中程度和地震矩释放的规模均较弱,断层在破裂开始后逐渐加速破裂,约50s时地震矩释放速率达到峰值,60s后破裂迅速愈合。

2019年11月14日印尼马鲁古海7.1级地震的震源机制及海啸数值模拟

2019年11月14日16时17分(UTC),印尼马鲁古附近海域发生了M_(W)7.1地震,并引发小规模海啸。为深入理解和认识该地震的震源参数和发震构造特征,评估其引发海啸的危险性,文中初步分析了该地震的区域构造背景、震源机制以及海啸数值模拟等内容。W震相快速矩张量解反演结果表明马鲁古海地震是一次浅源、以高倾角右旋斜向逆冲为主的地震事件,余震呈SSW-NNE向带状分布,推测此次地震是在马鲁古海东、西两侧哈马黑拉弧-桑义赫弧碰撞所产生的区域应力场的作用下发生的以挤压破裂为主的地震事件。海啸的数值模拟结果表明,在高倾角发震断层近垂直倾滑的逆冲过程中,海底地形产生了同震垂直位移,使得震源上方的水体突然抬升,从而产生了小规模的局地海啸;震源周边大部分潮位站记录的海啸首波理论波形和观测波形的到达时间和波形幅度都较为一致,说明结合W震相反演所得的地震断层面的几何参数能够用于海啸早期预警,可有效地预测海啸地震产生的海啸波高,并对于认识海啸成灾过程及灾害分布具有重要的现实意义。