华北地区水位下降是否会减缓气温上升——浅部地温影响的数值模拟分析

华北地区由于长期持续的地下水过量开采,导致了大面积地下水位大幅下降,引发地面塌陷、地下水质污染等一系列地质环境问题,这些现象早已为人们所熟知和关注.然而地下水位下降还会造成百米量级浅部地温及其梯度的变化,因此即使来自地球深部的大地热流密度没有变化,年度平均的从表浅部位通过地表实际传导进入大气的热流密度会减小,这是中外文献中尚未见讨论过的问题.我们通过数值模拟发现假定大地热流密度不变的条件下,华北数万平方公里地下水位下降会造成百米尺度内的地温降低,从而传入大气的热流密度降低40%以上,且会持续数百年以上的时间.这种长时间大范围的传导入大气的热流密度变化对环境会造成什么影响是一个十分值得关注的问题.这一预测在一定程度上得到了气象站地温观测数据的支持,但由于目前气象观测站只有3.2m深度范围内的地温资料,累计不超过5、60年,中间还有10余年的间断,而且表浅深度地温受地表多种因素的影响也较大,这些资料难以对我们关心的地下水位下降引起流入大气的热流密度变化这一问题提供直接确凿的数据来进行分析,因此今后有必要开展对地下数十乃至数百米地温进行持续精确的监测工作.     

先存组构对各向异性岩石流变强度的影响

地壳深部岩石普遍存在变形组构,花岗质岩石中的变形组构不仅影响岩石强度,而且对后期变形具有显著控制作用。近年来,先存组构对各向异性岩石的流变强度影响成为高温高压实验研究的热点之一。文中对前人给出的各向异性岩石(包括云母片岩-片麻岩、石英-钙长石均匀混合体与层状组构样品)半脆性-塑性流变实验数据进行了重新整理与分析,结合作者开展的不同组构条件下花岗片麻岩与糜棱岩流变实验结果,讨论了先存组构对各向异性岩石流变强度的影响。实验数据表明:1)各向异性岩石的面理与最大主应力方向的角度是影响强度的主要因素。在半脆性破裂域,样品压缩方向垂直于面理(PER)和平行于面理(PAR)的强度基本相同,在压缩方向与面理呈30°夹角时,岩石破裂强度最小;在塑性流变域,垂直于面理方向的强度显著高于平行于面理方向的强度,当面理与最大主应力方向的角度为45°时,岩石强度最小。2)后期变形对原有组构的继承与改造程度,决定了各向异性岩石强度高低。3)样品中矿物的含量、分布与粒度对各向异性岩石强度有显著影响。理论模型预测结果与云母片岩实验结果比较吻合,但其他类型各向异性岩石的流变比理论模型结果要复杂得多。因此,进一步开展具有先存组构的各向异性岩石的流变实验,并将实验变形与实际地质条件下更为复杂的岩石变形进行对比分析,是认识各向异性岩石流变和变形机制最有效的方法。     

固体潮应变各向异性研究

钻孔应变仪的观测过程中发现潮汐应变响应存在方向各向异性, 推测是受到台站附近断层影响导致的。 我们对此展开数值模拟研究, 讨论软弱断层对潮汐变形传播的影响。 我们的研究结果证实了软弱断层的存在确实能够产生能够观测到的各向异性现象。 同时我们还发现其各向异性变化对断层弹性参数较为敏感。 观测到的部分地震震前反映固体潮应变各向异性的潮汐因子"玫瑰图"变化有可能是由于台站附近断层在震前的性质变化引起的。     

致密砂岩水压瞬态致裂液化格子波尔兹曼及有限元数值研究

水压瞬态致裂液化在地应力测量、 地震破坏评估和机理研究、 油气(天然气、 页岩气)及地热资源开发等地学领域都具有重要的理论和应用价值。 自20世纪60年代至今在理论和实际应用方面取得了一些奠基性和开创性成果, 但鉴于问题复杂性, 瞬态致裂液化机理至今尚不清楚。 本研究应用格子波尔兹曼及有限元多孔介质流固耦合物理模型, 对地震波载荷作用下致密砂岩水压瞬态致裂液化过程进行数值模拟研究。 首先, 以鄂尔多斯盆地某油田延长组致密砂岩为例, 利用X射线CT断层成像技术, 应用基于量子力学第一性原理格子波尔兹曼方法, 建立致密砂岩数字岩芯模型。 进而, 推导格子波尔兹曼及有限元多孔介质流固耦合数值模型公式, 建立致密砂岩水压致裂液化物理模型。 最后, 应用地震波载荷边界和初始条件, 模拟瞬态致裂液化流固耦合过程, 讨论了地震波载荷幅值、 频率及作用时间对致密砂岩孔隙结构(孔隙度大小及连通性)、 致密砂岩破裂最大主应力之间关系, 得到了地震波作用下致密砂岩致裂液化准则。     

华北盆地强震孕育的动力学机制研究

强震活跃区通常出现在地壳变形剧烈的地区.但是,华北盆地地壳变形速率小,而破坏性强震却十分频繁.文中利用有限元方法对华北盆地发震断层下方可能存在的速度异常体进行了力学分析,计算结果显示：无论这个异常区是低速异常还是高速异常,在水平构造力的作用下（无论是挤压还是引张力作用）,应力及应变能密度都在空间某些区域积聚.根据本文的工作及前人的研究结果,认为华北盆地强震孕育的物理机制如下：华北克拉通在减薄、破坏过程中,浸入的岩浆或上涌的地幔物质经过漫长的地质时期演化,成为低速异常体.当断裂带下面存在这种低速异常体时,水平向构造力的作用,会使异常体上方应力集中、应变能积聚.当异常体上方的应力水平达到某种限度,介质发生破坏.在破坏过程中,异常体释放的能量,使断裂带上的应变能集聚速度加快;另一方面,异常体的破坏使断层的闭锁面积减小.随着外部构造应力的持续加载,当发震断层上的应力及能量积累达到一定极限,断层产生错动,发生强震.同时,文中结果还显示,断层在从闭锁、积累能量到解锁、发生强震的过程中,其下方的低速异常体起着重要的推进作用.     

GRACE卫星观测到的与汶川Ms8.0地震有关的重力变化

利用GRACE卫星重力资料,计算了中国大陆及周边的卫星重力时变场和地表密度变化分布,获取了具有代表性的点位区域的每月重力变化时间序列.同时获得了WUSH、LHAS、KUNM、LUZH站相对于区域参考框架的GPS位移时间序列.卫星重力观测结果显示喜马拉雅弧形带的重力在2004年苏门答腊M_w9.3地震后快速下降, 2006~2008年尤为明显,西域地块西北边界带上震后重力下降也较为显著;而沿青藏高原北至东边界2007年出现明显的重力上升沿构造边界的弧形分布,且2008年南北地震带中南段重力上升变化显著.这些苏门答腊地震后的重力变化趋势到汶川地震发生后才开始改变.GPS位移结果显示四个台站均记录到苏门答腊大地震的同震信号,震后WUSH、LHAS、KUNM站水平位移向量出现明显的运动趋势改变,且一直持续到2008年汶川M_s8.0地震的发生.GRACE卫星揭示的青藏高原及周边地表质量的变化为解释汶川地震的动力机制提供了新的观测途径和资料.本文结合区域构造运动的特点和GPS位移,对GRACE观测的时变重力场特征及汶川地震的动力机制进行了初步解释和讨论.     

河北文安5.1级地震前后重力场动态变化

分析了2006年7月4日文安5.1级地震前后文霸流动重力测网的观测结果,讨论了垂直形变和浅层地下水位变化引起的重力改变,并对重力资料进行了高程改正.研究结果认为,文安地震前后,测网出现了明显的异常变化,测区的重力异常以重力上升为主,且上升幅度大的区域主要在测网南部;地震震中在震前形成重力高梯度带,2005年10月至2006年4月短期内的重力变化表现最为明显;测区内的正负重力变化的分界线,地震前后出现逐渐偏转的特点,且在2007年10月逐渐恢复.     

汶川大地震地震波传播的谱元法数值模拟研究

汶川大地震震中位于震害活跃的龙门山断裂带上,其强度超过1976年唐山大地震．地震激发的地震波可以用来研究震源破裂过程及地球内部的层次结构．从弹性波理论基础出发,采用AK135理论地球模型,考虑地表地形、地球介质衰减及地球椭率等特性,利用谱元法结合高性能并行计算,分别对人工点源和复合源所激发的汶川大地震地震波的全球传播过程进行数值模拟重现．数值模拟结果显示了地震波在地球表面的传播形态．通过比较发现,复合源数值模拟结果较点源数值模拟结果更能体现汶川地震震源破裂过程的时空特性．另外,将两种震源的数值模拟结果分别与实际观测台站记录波形资料进行拟合对比,进一步定性地认识到多个点源组成的复合源的数值模拟结果较单个点源的数值模拟结果与实际观测资料的拟合程度更好,证明了汶川大地震破裂过程为多阶段破裂组成的一个复合破裂过程．     

虚拟川滇——基于千万网格并行有限元计算的区域强震演化过程数值模型设计和构建

利用合理的数值模型,对区域性的强震活动性分析,是近些年来地震学研究领域的一个热点问题.但无论从时间还是空间角度来讲,区域性强震演化的理论与数值模拟模型都是多尺度问题,对该问题的充分研究需要借助于大规模并行数值模拟技术.侧重于基于千万有限元网格技术,采用大规模并行有限元计算手段,对该问题的理论建模与并行数值算法实现,以及如何应用到对川滇地区区域强震演化过程的模拟进行了具体论述.本研究的关键目标是为中长期地震危险性估计提供一个大规模数值预报模拟平台系统.     

Small variation of annual temperature in deep tunnel can produce annual variation in tilt and strain

In this paper,finite element method (FEM) of axisymmetric linear elastic model has been used to calculate the tilt and strain induced by small annual temperature variations in a deep tunnel. The results show that even if the am-plitude of the annual variation meets the construction standard of seismic station issued by China Earthquake Ad-ministration (the annual temperature variation amplitude in the tunnel is no more than 0.5 °C),a small annual tem-perature variation of amplitude just 0.2 °C in the tunnel would produce 10?7 rad changes in tilt and 10?7 changes in strain. Especially,at the end and the corner of the tunnel,changes of tilt and strain can be even larger. Therefore,in the future,it is an important task to reduce the annual temperature variation in the tunnel as far as possible. Within the tunnel,for both baseline instrument and pendulum instrument,the modeling suggests ways of construction of the tunnel and installation of the instrument to decrease the influence of the annual temperature variation.