哀牢山构造岩浆带晚二叠世-早三叠世火山岩特征及其构造环境

本文对中国云南哀牢山构造岩浆带内的雅轩桥、帽盒山、绿春火山岩等开展了相关研究.雅轩桥附近的火山岩为晚二叠世,岩性主要为橄榄粗安岩-玄武岩(少量安山岩),在TAS图上既有碱性又有亚碱性.钾含量较低(＜1.19％),为低钾钙碱-中钾钙碱性,Peacock碱钙指数以钙碱性为主.与MORB相比,其痕量元素蛛网图亏损Nb、Ta,而富集Pb,从Zr-V曲线呈平坦型,并且整体比MORB亏损.稀土元素配分模式与MORB相近,但略显轻稀土元素富集和重稀土元素亏损.在构造环境判别图上均位于火山弧环境.他郎河边(雅轩桥地区)火山岩为英安岩,属亚碱性,中钾钙碱性,Peacock指数为钙性.痕量元素蛛网图、REE模式图以及大地构造环境判别图,均表明其属于弧的构造环境.由上推测雅轩桥火山岩在晚二叠世属于弧火山岩.帽盒山玄武岩的锆石SHRIMP U-Pb测年结果为249±1.6Ma,为早三叠世.岩性为亚碱性钠长玄武岩,低钾钙碱性系列,Peacock碱钙指数以钙性为主.痕量元素蛛网图和REE配分模式图与MORB相比,LREE略微富集.在构造环境判别图中位于从E-MORB向岛弧过渡的构造环境.绿春地区流纹岩的锆石SHRIMP U-Pb年龄为247.3±1.8Ma,为早三叠世,属亚碱性,钾玄岩系列,Peacock碱钙指数为碱钙性.痕量元素蛛网图、REE配分模式图及大地构造环境判别图显示其为成熟岛弧向陆陆碰撞的过渡环境.结合前人研究,推测哀牢山洋在晚泥盆世形成,可能在石炭世-早二叠世(?)处于洋的扩张期.晚二叠世时,在哀牢山洋的西侧出现了雅轩桥的初始孤火山岩,预示着至少在这一时期,哀牢山洋已经开始俯冲.到三叠世早期(249±1.6Ma),在哀牢山洋的东侧出现了具有弧和MORB的双重特性的帽盒山玄武岩,可能指示此时哀牢山洋盆已经变小,或已转化为孤间或弧后盆地,洋的演化进入了晚期阶段,并且在局部地段,如绿春地区,此时(247.3±1.8Ma)已经进入到成熟岛弧向陆陆碰撞的过渡阶段.因此支持哀牢山洋在晚三叠世闭合的结论,亦符合上三叠统一碗水组不整合在哀牢山蛇绿混杂岩之上的事实.     

冷泉形成的数值模拟研究

海底冷泉形成的一种可能机制是海平面下降引起天然气水合物的分解.本文基于对冷泉渗漏特征的分析,建立了二维轴对称模型,利用有限元方法定量分析了南海区域海平面下降对冷泉形成的影响.结果表明,末次冰盛期(26.5~19.0ka BP)海平面下降引起的冷泉活动可以持续到现在,但是从水合物停止分解至今,超孔隙压力的极值在持续减小,而流体向海底的渗漏达西速度先快速减小、然后缓慢减小.同时发现,流体向海底的渗漏达西速度与管状通道的渗透率、通道周围介质的渗透率以及通道的半径等有关,估计目前的冷泉活动还可以持续10000年以上.海平面下降引起的天然气水合物分解,可能是影响全球气候变化的一个重要因素.     

2015年4月25日尼泊尔M_S8.1大地震的同震效应

应用有限单元方法,计算了2015年尼泊尔MS8.1大地震发生产生的同震变形和应力变化.计算中考虑地球为球体以确保远场应力场变化得到可靠结果,采用PREM模型的地球分层模型,考虑了中国地震局(CEA)和美国地质调查局(USGS)各自提供的断层滑动模型.结果表明:尼泊尔MS8.1地震是一个比较典型的低角度逆冲地震,水平位移和应力降较大;地震造成南北方向上的水平位移最突出,且集中在首都加德满都附近区域.USGS断层滑动模型地表最大位移量达到3.5m,CEA滑动模型最大为1.2m;东西向和垂直方向上的同震位移相对较小;同震位移量级在0.1m的影响区域可达300km;地震造成尼泊尔地区最大库仑应力变化可达到MPa量级,地震危险性依然较大.此次MS8.1地震对我国西藏地区有一定影响,特别是雅鲁藏布江地区和拉萨块体南北走向的正断层,库仑应力变化为正,量级可达数千帕乃至十余千帕,应该注意该区被诱发中强震的可能性.     

地壳流变结构控制作用下的龙门山断裂带地震发生机理

青藏高原东缘低地形变速率的龙门山断裂带上相继发生了2008汶川M_w7.9级地震和2013芦山M_w6.6级地震.地震勘探与震源定位结果揭示了龙门山区域地震空间分布特征：纵向上,龙门山断裂带这两次地震主震均发生在龙门山断裂带上地壳的底部（14~19 km）,绝大部分余震均发生在上地壳范围（5~25 km）,而在其中、下地壳深度范围内鲜见余震发生;横向上,地震（M_w>3）在龙门山断裂带青藏高原一侧密集分布且曾有大震发生,而四川盆地地震稀少（M_w>3）.为探讨龙门山断裂带地震发生机理,并解释以上龙门山区域地震空间分布特征,本文建立了龙门山断裂带西南段跨芦山地震震中区域的四种不同流变结构的龙门山断裂带三维岩石圈模型,以地表GPS观测资料为约束边界条件,数值模拟龙门山断裂带岩石圈在数千年以上长期匀速构造挤压作用下的应力积累特征,探讨了地壳分层流变性质对地壳应力积累的影响,分析了该区域地震空间分布与构造应力积累速率的关系.计算结果表明：该区域在数千年的应力积累过程中,脆性上地壳中应力表现近于恒定值的线性增长趋势,龙门山断裂带上地壳底部出现应力集中积累现象,这一应力集中现象可以解释龙门山断裂带汶川地震与芦山地震主震的发生,及其大部分余震在脆性上地壳中的触发;青藏高原一侧上地壳应力积累速率远远高于四川盆地的应力积累速率,这一应力积累分布现象可以解释龙门山区域青藏高原一侧地震密集而四川盆地地震稀少的地震空间分布特征;通过比较不同流变结构模型中的应力积累状态,认为导致这一应力积累空间分布状态的重要控制因素在于青藏高原中、下地壳较低的黏滞系数与四川盆地中、下地壳较高的黏滞系数的差异.在柔性的中、下地壳内,应力增长近于指数形式,稳定状态之后其应力增长速率近于零,构造应力积累难以达到岩石破裂强度,因而鲜见地震发生.地壳各层位的应力增长率差异与地震成层分布的现象共同揭示了龙门山区域岩石圈分层流变结构：脆性上地壳、韧性中、下地壳（青藏高原一侧较弱,四川盆地一侧较强）、韧性岩石圈上地幔.     

水库触发地震研究中二维与三维有限元模拟结果比较

紫坪铺水库蓄水载荷引起的库仑应力变化以及是否可以触发汶川M_S8.0地震是地学界关注的一个热点问题。 已有较多研究均建立在二维有限元模拟基础上, 然而二维与三维结果存在较大差异, 本文定量给出了该差异的大小。 首先比较了有限元方法与解析方法求解半无限空间点载荷下弹性问题结果, 确认了三维有限元计算在百万网格下具有足够的计算精度; 然后数值计算并比较了二维、 三维模型中紫坪埔水库蓄水的弹性力学及渗流效应。 结果表明, 总体上弹性加载会造成逆断层更趋安全, 而水压渗透使其趋于危险, 两者叠加仍然没有导致增加汶川地震危险性; 但现有的二维有限元模拟夸大了真实结果, 在汶川震源位置三维计算的应力大小仅为二维计算的1/3到1/4, 因此在严格的讨论中必须使用三维建模。     

基于应变率场的全球地震活动特征模拟探索

本文提出利用全球应变率资料模拟全球地震活动特征的基本思想, 并作了初步探索。 利用GSRM的全球应变率场结果, 初步设计了模拟全球地震活动时空分布特征的细胞自动机模型。 该模型把地球考虑为一个自组织的整体系统, 制定了细胞自动机的演化规则, 获得了模拟的人工地震目录。 初步的模拟结果基本反映了全球地震活动的主要分布特征, 体现了全球构造活动强弱的主要格局, 初步达到了利用GPS等实测资料计算的应变率作为细胞自动机网格状态及其改变量来模拟复杂的全球地震活动特征的实验目的。     

利用海啸数值模拟结果进行海底地震有限断层模型验证

基于地震有限断层模型进行海啸的数值模拟通常被用来估计海啸的到时、 波高等, 另一方面, 海啸数值模拟的结果也可以作为限定条件用来考察同一地震的不同断层模型之间的相对合理性。 采用国际上各地震研究机构在震后各自得出的不同的有限断层模型作为海啸源, 使用基于二维浅水波方程的海啸传播模型对2011年日本东北地震海啸的传播过程进行模拟, 以海啸模拟所得到的沿岸浪高分布、 平均波高、 最大波高等与实际观测值相比较, 进而判断由各有限断层模型所计算得到的海啸中哪个结果与实际的海啸情况更为符合, 由此推断断层模型的相对合理性。     

汶川与昆仑山强烈地震激发的地球自由振荡频谱的对比分析

强烈地震激发的地震波信息非常丰富,高频信息能量部分会在小范围短时间内迅速衰减,而低频信息特别是较低频信息能量部分则衰减较慢,会绕地球很多圈后才会消耗殆尽,从而激发地球的自由振荡.虽然地球自由振荡的固有频率不变,但不同震源机制的地震激发的地球自由振荡频率成分会随着震级、震源机制、方位等的不同而有显著差别.本文利用2008年5月12日汶川(M_w7.9)地震与2001年11月14日昆仑山(M_w7.8)地震这两个能量震级相当但震源机制不同的地震,基于地震波传播理论,考虑横向各向同性PREM地球模型并融合Crust2.0地壳模型、S20RTS地幔模型及PREM径向衰减模型,利用谱元法结合高性能并行计算,对这两次强烈地震激发的全球地震波传播进行了数值模拟,计算它们激发的地球自由振荡频谱特征差异.计算结果显示了汶川地震的逆冲-走滑特性及昆仑山地震的水平左旋走滑特征.利用理论计算得到的地震波动记录进行功率谱密度估计对比分析,研究结果显示这两次强烈地震释放的低频信息能量大小相当,但总体上看昆仑山地震释放的能量略小于汶川地震的.对比分析表明,不同地震激发的地球自由振荡模式在同一台站处的发育程度不同;同一地震激发的地球自由振荡在不同台站处记录到的振型频率成分也有很大差异.对于不同地震激发的地球自由振荡,有一些频率成分共同出现,表现为地球自由振荡功率谱能量均较大;也有一些振型由于相长干涉,仅在某些地震中被激发而得以良好发育,表现为功率谱能量明显较大;而一些振型由于相消干涉,在一些地震激发方式下被压制,表现为功率谱能量明显很小,甚至接近于0.计算结果清楚地显示了不同地震激发方式下地球振荡模式丰富而复杂的特性,需要对不同地震激发的地球振荡信息进行综合深入的分析,才能对地球内部结构尤其横向不均匀特性给予全面的科学解释.     

各向同性膨胀点源模拟长白山火山区岩浆囊压力变形源

2002～2003年长白山火山区的水平运动缺乏中心对称性分布特征,本文采用同一深度沿三个互相垂直方向拉张的点源模式模拟了长白山火山区的岩浆囊压力变形源. 在介质参数为V_p＝6.700 km/s,V_s＝3.8700 km/s,ρ＝2900 kg/m³的均匀弹性半空间中, 联合利用2002～2003年长白山火山区的GPS观测数据和水准数据, 结合PSGRN/PSCMP代码和遗传算法反演长白山火山区的压力变形源特征. 反演结果表明,由三个垂直的不等量扩张方向确定的椭球状点源模型可以较好地模拟长白山火山区岩浆囊压力变形源. 岩浆囊深处9.2 km,在走向为34.4°,倾角为82.2°的断层面的法向方向体积扩张量最大,达到7000000 m³;在走向为3028°,倾角为78.5°的断层面的法向方向体积扩张量次之,达到6598071 m³;在走向为337.7°,倾角为14.0°的断层面的法向方向体积扩张量最小,达到5220160 m³.     

青藏高原东北缘断层系统的大地震迁移概率及断层滑动速度的分段特征

青藏高原东北缘是青藏高原隆升、生长及变形前缘.区域地震活动频繁,且地震在其主要断层带之间时空迁移.为了研究区域大地震在主要断层带之间的迁移规律与概率,以及主要断层带大地震破裂的时空分布特征,本文建立了青藏高原东北缘地区的三维黏弹塑性有限元模型,模拟了区域断层系统的地震循环,得到了人工合成的万年时间尺度的地震目录.根据模拟的地震目录,并结合古地震数据,计算分析了大地震(MW≥7)在研究区各个主要断层带之间的迁移概率,探讨了黏度、高程、统计时间长度等因素对大地震在各主要断层带之间的迁移概率和大地震在各主要断层带上的发生概率的影响,并且初步调查了海原断层带和香山天景山断层带的大地震破裂时空分布特征.研究结果显示:继区域最近两次大地震(1920年海原断层带上的M8.5海原大地震和1927年香山天景山断层带上的M8古浪大地震)之后,下一次大地震(MW≥7)发生在海原断层上的概率最大,约为51%～81%;其次是在香山天景山断层上,概率约为9%～37%.模型结果显示,不同的青藏高原中下地壳上地幔黏度大小,对大地震在各个断层带之间的迁移规律和迁移概率的影响较小;而研究区的高程载荷对地震迁移则有显著的影响:高程载荷易于使得海原断层地震活动减弱及香山天景山断层的地震活动增强.研究结果也显示了青藏高原东北缘地区主要断层带的地震活动与断层滑动速率分布的分段性显著;大地震在断层带上的破裂位置并不固定,呈现不均匀性;并暗示了断层几何形状对地震活动、断层滑动速率分布与大地震破裂位置的控制作用.