刘峡[1]2007年在《华北地区现今地壳运动及形变动力学数值模拟》文中进行了进一步梳理华北地区位于我国北部，阴山、燕山以南，秦岭、大别山以北、鄂尔多斯高原以东延伸至沿海一带的广袤区域，地理坐标范围为东经112°～124°，北纬31°～42°，是我国政治、经济、文化中心。同时，该区域囿于太平洋板块、菲律宾板块和印度板块之间，新生代以来构造运动活跃，为我国大陆强地震频发区域之一。因此，研究该区域现今地壳运动及形变、构造应力场特征，继而探讨其动力学机理，具有重要理论和现实意义。本文采用有限元方法在大型有限元软件平台ANSYS基础上，综合现有地质、地球物理资料构建华北地区岩石层(地壳和上地幔顶部)框架。以区域GPS观测、地形变观测以及震源机制解结果作为约束条件及检验标准，通过数值模拟的方式，研究该区域现今地壳运动和形变、构造应力场特征，并将表层运动与深部运动相联系，以区域动力学环境和驱动力为中心，探讨其动力学机制。根据华北地区新生代构造发育特征和深部地球物理观测数据，本文选取了108°E～127°E，32°N～42°N矩形区域构建有限单元数值模拟的几何框架。与此同时，还将现今活动断层及断裂带分布、地形起伏以及地壳—上地幔速度结构等纳入模型中。本文构建和测试了叁个基本模型：即叁维模型3DCM_Ⅰ，3DCM_Ⅱ利二维模型2DDM_Ⅰ。模型3DCM_Ⅰ不考虑地壳—上地幔的实际分层，将模型沿纵向分为七个厚度均匀的水平层，分别代表上、中、下地壳和上地幔(四层)。模型3DCM_Ⅱ则依据该区域深反射地震研究结果进行水平分层。在模型3DCM_Ⅰ、3DCM_Ⅱ中，区域内主要活动断裂带处理为宽度5—6Km，深度不等(10～15km)的软弱带，模型含14736个节点，24829个叁维实体单元。在模型2DDM_Ⅰ中断层及断裂带则处理为非连续接触边界，模型含1843个节点，3547个二维实体单元。论文采用有限元弹性静力分析方法，以模型区周边GPS观测作为边界约束，计算华北岩石层形变的水平速度场和应力、应变增量场。并以模型区内部GPS观测作为标准，通过调整模型中断层的物理参数方式，寻求与GPS观测的最佳吻合的有限元解。计算显示，水平运动场的最佳数值解和GPS观测值的平均离散度为10171mm~2/year(叁维模型)、1.176mm~2/year(二维模型)。与此同时，数值模拟预测的区内主要活动断层的错动方式、水平错动速率(叁维模型结果为～0.1mm/year，二维模型结果为～0.3mm/year)与地质及跨断层形变观测结果基本一致。叁维模型还显示，在10～15Km深度上，最大、最小主应力轴接近水平，主张应力为主压应力的2～8倍，主张应力方向为NNW，主压应力方向为NEE。这一结果与震源机制解、地应力观测结果比较吻合。叁维模型得到的全区应变率较低约10~(-9)/year。并且，大致沿汾渭地堑断裂系、唐山—河间—磁县断裂带和郯庐断裂带存在叁个北东走向的剪应变梯度带。不过二维模型预测的张家口—渤海断裂带水平运动速度为1.35～1.45mm/year，远高于其他断层以及叁维模型结果。数值模拟结果可以推论：华北地区岩石层水平形变运动主要受控于周边大型构造块体的相对运动，其次才是岩石横向、纵向非均匀性的影响。同时，在周边块体运动的控制下，区内主要断裂带现今的错动方式基本是继承性的，且错动速率较低。只有张家口—渤海断裂带错动速度较高，值得关注。论文考虑岩石应力—应变遵从幂指数本构关系，基于叁维模型3DCM_Ⅰ，3DCM_Ⅱ的基本框架，采用弹性—蠕变静力学有限元方法对华北地区晚近时期(～4Ma)构造运动进行数值模拟，探讨华北地区现今地壳运动演化的动力学环境和驱动力因素。模拟时以模型周边GPS观测数据作为表层的边界约束，计算时顾及岩石的流变性、重力作用以及大变形导致的位移—应变非线性。本文通过选择侧面、底面边界约束方式，调整岩石的物性参以及分析板块运动、周边块体运动、断层活动、岩石层流变分层等因素的影响，寻求与区内GPS观测、构造应力场观测数据最佳符合的预测模型。论文计算了22个模型。结果表明，当侧面以深部稍快、浅部稍慢的方式运动，并考虑岩石层下部的拖曳运动时，则模拟预测果更接近实际观测。在该约束方式下，相应于模型3DCM_Ⅰ、3DCM_Ⅱ框架的预测与GPS观测的最低平均离散度分别为1.1529mm~2/year、1.1451mm~2/year，低于弹性模型，而且断层错动与地质研究结果相一致。在相同边界条件下，3DCM_Ⅱ结果优于3DCM_Ⅰ结果，考虑断层运动结果优于不考虑断层运动结果。模型预测应力场显示，深度10Km处的最小主压应力轴均接近水平，方向为NNW向，最大主压应力轴在南部区域接近水平，在北部区域则垂直于水平面，方向以NEE为主。这与其它研究显示的最大、最小应力主轴的方向基本吻合，但与现有的最大、最小主应力轴均接近水平的基本认识存在一定差别。预测应力场随深度的变化明显受控于边界加载方式(应力环境)，而断层的影响仅局限于断层内部以及断层附近较小区域内。为研究局部特别是隐伏构造对地表形变的影响，提取形变异常信息，论文发展了GPS差异形变分析方法。并用此方法，对华北地区和中国大陆GPS观测结果进行了GPS差异形变分析。华北地区GPS差异形变分析显示，张家口—渤海断裂带、唐山—河间—磁县断裂带为该地区现今构造活动较强烈区域，在未来若干年内需密切关注及防范强震发生。对中国大陆而言，论文分别使用叁种有限元模型(均一、分块和多驱动力模型)而进行了GPS差异形变分析。结果表明，中国大陆现今构造运动是多种驱动力共同作用的结果。其中，印度板块向北的强烈推挤以及地幔对流对岩石层底部的拖曳作用占据着非常重要的地位。前者主导了以青藏高原为中心的大陆西部地区构造变形运动，而后者则对华北、华南地区的影响重大。同时，现今构造运动十分活跃大型断裂系(如阿尔金、张家口—渤海等)对大陆岩石层构造变形的影响也是不可忽视的。综合数值模拟结果可以得到如下认识：华北地区岩石层形变的区域动力学环境和驱动力十分复杂。总体而言，一方面在太平洋板块的俯冲和印度—欧亚板块的碰撞挤压作用下，鄂尔多斯活动地块、华南活动地块以及东北亚活动地块的运动状态决定了华北地区表层运动的基本格局。另一方面，地幔对流对岩石层底部的拖曳作用将直接影响该区域岩石层形变运动。与此同时，以张家口—渤海断裂为代表的现今构造运动十分活跃大型断裂系以及岩石层内流变性非均匀分布(特别是中地壳软弱层的存在)，对区域构造变形的影响也是不可忽视的。
余祖锋[2]2003年在《非连续变形分析方法及其在华北地区的应用》文中研究指明本文阐述了非连续变形分析方法的理论体系,推导了具体的数学模型,从工程块体系统非连续变形分析方法的基础理论出发,研究了如何利用大地测量数据来获取大范围的块体系统的变形运动信息。此方法可以根据具体情形采用各种形状的弹性块体划分,把系统的大位移和大变形看作小位移和小变形的迭加。根据该方法建立了一套模拟地壳运动速度场及应力应变场的数学力学模型,并用模拟算例证明了该方法的可行性。 在此基础上,结合华北地区的实际地质构造情况,利用GPS测量资料对该地区的位移场进行了模拟,讨论了块体介质参数以及作为起算数据的位移约束点的多少、点位分布对模拟结果的影响。最后给出了一系列与地壳运动与变形相关的图像信息,并和其它相关研究作比较,得到了一些有意义的结论。
许鹤华, 周蒂[3]2004年在《非连续有限元方法的发展及其在地球科学中的应用》文中研究指明有限元方法是近年来在地球科学中被广泛使用的定量化研究方法,传统有限元方法是建立在连续介质力学的基础之上,主要用于解决基于数学物理方程描述的物理场的正演模拟。我国学者在利用有限元方法研究地学问题方面已经做了大量的工作,如王仁和殷有泉等(1980,1982)用弹塑性有限元方法研究了华北地区的大地震迁移规律和非稳定性;汪素云、梅世蓉和许忠淮等利用有限元模型模拟了中国大陆及邻区的板块作用力和现代构造应力场分布。傅蓉栅等用幂次流模型模拟了青藏高原的挤压隆升和中国大陆的演变过程。以上研究都是建立在连续介质假设的基础上,因此所得到的物理场也是连续的。
胡勐乾[4]2010年在《并行计算叁维数值模拟在华北地区现今构造变形分析中的应用研究》文中指出华北地区历史悠久、人口稠密、经济文化发达,是中国的心脏地带。华北地区地质构造演化过程复杂、构造类型多样、构造变形独特、地震活动性强,历来是众多学者研究的焦点。数值模拟方法在地质学方面的应用时间并不长,但已成为研究地学问题不可或缺的手段。在华北地区现有的地质构造、地球物理研究资料基础上,利用高性能并行计算技术,建立逼近实际的华北地区叁维有限元模型,以高精度的GPS观测研究结果为运动边界,通过数值模拟方法研究华北地区的构造变形特征、断层运动性质、地震活动规律以及大地震对华北地区的影响等具有十分重要的意义。数值模拟方法对华北地区构造变形分析的数值模拟虽然取得了一系列非常重要的成果,但依然存在不少问题:1)由于计算机软硬件条件的限制,以往的模型网格较为粗糙,计算精度较低。2)断层在大陆岩石圈的新构造运动中起着重要的作用,华北地区的活动断裂分布密集,活动性强,而现有的数值模拟研究多数仅考虑华北地区的几条主要断裂。3)大地震对地表运动、形变及区域构造应力场影响很大,这些影响不仅仅局限于震中附近区域,有时会传递至很远区域。例如,2008年汶川8.0级地震对全国,特别是华北地区的构造变形和未来的地震活动有什么影响,是值得研究的一个问题。4)数值模拟实验中,模拟结果的对比是工作的重要环节之一,其用来检验数值模型的合理性及数据的可靠性,这在很大程度上决定了数值模拟结果的可信度。遗憾的是,这个环节常常被众多研究人员所忽视,或者仅进行某一方面的结果对比就认定数值模型的可靠性。针对上述问题,本研究主要开展了如下几个方面的工作:(1)华北地区叁维动力学模型建立基于并行版ANSYS数值模拟软件平台,根据华北地区活动地块划分及活动断裂分布,结合GPS资料等,确定模型的几何边界范围是99.8°~121.4°E,27.9°~42.3°N,模型的边界范围包括了华北活动地块区的绝大部分以及周边青藏、西域、南华和东北亚地块的部分地区。华北活动地块区由鄂尔多斯、华北平原和鲁东-黄海叁个二级活动地块所构成。华北地区内部主要活动断裂带有鄂尔多斯西南弧形断裂束、银川-吉兰泰断陷带、河套断陷带、张家口-渤海断裂带、渭河断陷带、山西断陷带、郯庐断裂带、唐山-磁县断裂带及安阳-徐州断裂带。模型考虑了华北地区已知所有晚更新世以来的活动断裂,断裂宽度取5 km。模型单元平均边长为25km,模型共划分为单元416 582个,节点582 392个。模型利用1999~2004、2004~2007两期GPS数据作为边界约束,计算得到华北地区构造变形的数值模拟结果。(2)地壳运动速度模拟与分析对比在GPS边界约束条件下,模拟了GPS站点运动速度,并与实际观测的GPS运动速度进行对比,对物理模型和数值模拟计算结果的可靠性进行评价。模拟结果表明,华北地区地壳运动速率的整体分布呈现由东向西逐渐减小、自北向南逐渐增大的特点。华北地区北部、燕山地块的地壳运动速率总体较小,而在华北地区中部、南部以及华南地块,运动速率逐渐增大。此外,2004~2007年相比1999~2004年,华北地区各地块地壳运动速度加快了1mm/a左右。分析对比结果显示,数值模拟结果与GPS观测运动速度大部分比较吻合,只有少数点在运动方向或速度大小上有较大差异。其中,差异较大的点主要分布在华北平原块体的东北部,其原因可能与2006年7月4日文安5.1级地震的孕育发生有关,也可能是数值模拟的边界效应和GPS观测误差所致。(3)断层运动性质模拟与分析对比华北地区有限元模型考虑了华北地区已知所有晚更新世以来的活动断裂,根据数值模拟的计算结果,将模拟结果所得的断层运动性质与活动断裂地质调查的运动性质进行比较,结果显示,在统计的48条具有走滑性质的活动断裂中,1999~2004模拟结果共有43条断裂活动性质符合,符合率为89.6%;2004~2007模拟结果共有45条断裂活动性质符合,符合率为93.8%。数值模拟结果能较好的反映断层的运动性质,说明华北地区数值模型具有一定的合理性。另外,利用1999~2004数据进行数值模拟得出的断层运动性质与杨国华等根据高精度GPS复测资料反演水平位移场得出的断层运动性质进行比较,结果显示数值模拟得到的断层运动性质与实测GPS资料得出的结果也吻合得较好。(4)应力应变场模拟与分析对比通过数值模拟,计算了1999~2004和2004~2007华北地区地表第一主应力、第叁主应力(最大压应力)、第一主应变和第叁主应变(最大压应变)的大小和方向。结果显示,华北地区的水平应变场总体上比较一致:第一主应变的方向为北北西-南南东,第叁主应变的方向为北东东-南西西。这与前人利用震源机制结果、GPS测量结果等资料反演得到的华北地区主应变场比较一致。将数值模拟得出的华北及邻区主应变场与张静华等得出的华北及邻区主应变图进行比较,两者也具有比较好的一致性。(5)汶川大地震对华北地区构造变形的影响分析在模型的合理性得到验证的基础上,初步模拟了汶川大地震对华北地区应力应变场及断层活动方式的影响。通过比较汶川地震引起华北地区附加应力应变场和华北地区的基本应力应变场,发现在华北平原地块和鲁东-黄海地块,附加应力应变场与基本应力应变场的主应变方向差异较大(>45°),说明汶川地震对这些地区应力应变场的影响起卸载作用;而在鄂尔多斯地块,两者的主应变方向差异较小,说明汶川地震对其区域应力应变场的影响起加载作用。模拟汶川地震引起的断层运动性质与断层原有运动性质相比,主要表现为同向运动的断裂带有银川-吉兰泰断陷带和山西断陷带,表现为反向运动的断裂带有河套断裂带、安阳-徐州断裂带和郯庐断裂带。通过华北地区现今构造变形的叁维数值模拟研究,得到如下主要结论:(1)华北地区地壳运动速率的整体分布呈现由西向东、自北向南逐渐增大的特点。华北地区数值模拟节点运动速度与观测GPS测点运动速度大部分比较吻合。少数差异较大的点主要分布在华北平原块体的东北部,其原因可能与2006年7月4日文安5.1级地震的孕育发生有关,也可能是数值模拟的边界效应和GPS观测误差所致。(2)华北地区大部分地块模拟平均运动速度与GPS平均运动速度近似。2004~2007年相比1999~2004年,各地块无论是GPS平均运动速度还是平均模拟值都提高了1mm/a左右,反映了2004~2007年华北地区地壳运动速度加快。(3)数值模拟结果能较好地反映断层的运动性质。在统计的48条具有走滑性质的活动断裂中,1999~2004模拟结果共有43条断裂活动性质与地质调查结果相符,符合率为89.6%;2004~2007模拟结果共有45条断裂活动性质符合,符合率达93.8%。(4)华北地区的数值模拟水平应变场与前人利用震源机制结果、GPS测量结果等资料反演得到的华北地区主应变场一致:第一主应变的方向为北北西-南南东,第叁主应变(最大压应变)的方向为北东东-南西西。模拟结果还显示,活动断裂对模拟结果的影响较大,活动断裂成为应力应变的较为集中的区域。(5)模拟结果显示,汶川地震对华北平原地块和鲁东-黄海地块的区域应变场的影响起卸载作用;而对鄂尔多斯地块的区域应变场的影响起加载作用;汶川地震引起断层同向运动的断裂带有银川-吉兰泰断陷带和山西断陷带,引起断层反向运动的断裂带有河套断裂带、安阳-徐州断裂带和郯庐断裂带。
武艳强[5]2012年在《叁维数值流形方法研究及其在地学中的初步应用》文中提出伴随地震孕育、发生与震后调整过程的应力、应变问题在地震研究中占有重要地位。以GPS为代表的空间观测技术为大尺度地壳运动监测提供了高效、稳定、精确的测量结果，并为研究上述应力、应变问题提供了有效数据约束。GPS速度场和应变率场结果既可用于变形分析又可作为数值模拟的有效约束和检验，为了获取研究区域可靠的应变率场结果，有必要开展GPS应变率场计算方法的对比研究。另一方面，由于在整个地震过程中应力、应变存在动态演化现象，因此需要研究适合于动态资料约束、大变形模拟、连续与非连续变形耦合的叁维数值流形方法。基于上述分析，本文包括如下叁个方面研究内容。第一、通过模拟与实际数据分析，讨论了四种连续应变率场计算方法的解算精度与抗差性等问题，发展了能够较客观反映实际变形分布的最小二乘配置球面应变率解算方法，并与其它几种常用方法进行了对比分析。首先，对大空间尺度（东经75°~135°，北纬20°~50°）模拟数据计算结果的分析表明，采用1°×1°采样数据及其50%限定（对1°×1°数据进行50%数据量的离散化采样，并剔除2个5°×10°区域）采样数据作为输入的情况下，Delaunay叁角形方法因噪声对解算结果影响太大不可取，其它叁种整体应变率场解算结果具有一致性，但抗差性有所差别。通过分析理论结果与附加了不同误差的计算结果的相关系数表明，抗差性由好到坏排列如下：最小二乘配置方法、球谐函数方法、多面函数方法和Delaunay叁角形方法。从输入数据的稀疏程度对不同应变率计算方法影响程度看，在数据采样率介于2°~1°网格之间时最小二乘配置方法受数据稀疏的影响最小，球谐函数和多面函数对输入数据的密集性要求较高。其次，中等空间尺度（东经90°~120°，北纬25°~40°）模拟数据（1°~0.5°网格）结果表明，叁种整体方法在测点分布足够密的情况下均能满足实际计算需求。此时，叁种方法对附加的误差敏感程度有一定差别但不显着，对比而言最小二乘配置稍强于其他两种方法。通过对不同空间采样数据的应变率计算结果的分析表明，随着输入数据越来越稀疏，多面函数和球谐函数方法计算结果与理论值的相关性减弱的幅度要快于最小二乘配置方法，表明此两种方法对数据的分布密度要求较高。最后，通过对中国大陆1999~2004期应变率计算结果的分析，发现最小二乘配置方法的稳定性最高，即使仅用50%的数据作为输入得到的应变率结果与全部数据输入基本一致，误差水平也没有明显的变化。球谐函数方法受点位分布稀疏程度的影响较大，表现为边缘效应的量值有所增大，影响范围也有所扩大。多面函数方法受测点稀疏程度的影响较大，表现为计算的不稳定性。另外，多面函数方法和球谐函数方法受点位分布的几何形状影响较大，比如中国东北地区应变率计算结果的失真。因此，总体而言，从抗差性、边缘效应、误差分布、稳定性角度来看最小二乘配置方法最佳。究其原因在于最小二乘配置的协方差函数是对实际观测数据统计计算得到的，能够反映数据的真实分布特征，而球谐函数的展开阶数，多面函数的光滑因子、核函数、平差结点等的选择都是通过反复试算得到的，很难做到对输入数据的最优描述。在输入数据分布密度满足的情况下，最小二乘配置方法的计算过程无需人工进行参数选择，即使不同人员进行解算也能得到一致的结果。第二、通过单纯形积分特性研究、具体的矩阵元素表达式推导、模拟结果的理论测试等过程，从多角度对叁维数值流形方法开展了研究。首先，通过对单纯形积分公式的分析，给出了二维和叁维单纯形积分的C++算法实现，并结合具体实例描述了单纯形积分的求解过程。在对中空规则形状积分区域的面积（体积）和重心的计算值与理论值对比分析的基础上，对单纯形积分的精度进行了讨论。通过对比不同边长比（10~(-6)~10~6）情况下计算值与理论值的差异，讨论了积分区域图形条件对积分结果的影响；通过对中空非规则形状积分区域计算结果的分析，讨论了单纯形积分的普适性特征。最后，分析了高阶多项式在中空非规则形状积分区域的积分精度。结果表明，积分项为低价或高价多项式情况下计算值与理论值的相对误差均约为10~(-15)~10~(-14)，图形条件对积分结果的影响极小且不存在系统性。综合分析认为，计算结果与理论结果的差异是由计算机的计算误差造成的，单纯形积分结果具有高度的稳定性和精确性。该积分算法为本文叁维数值流形方法的研究奠定了基础。其次，在真实坐标下推导了叁维数值流形方法的所有矩阵的元素表达式，具体包括单元刚度矩阵、初应力矩阵、点荷载矩阵、体荷载矩阵、惯性矩阵、速度矩阵、点位移矩阵、接触矩阵、摩擦矩阵。将所有矩阵装配起来即可实现连续、非连续叁维数值流形方法模拟。由于数值流形方法不做等参变换，因此该方法的点荷载、点位移等约束可以施加到单元内任意一点。同时，在叁维数值流形方法实现过程中，添加了多点位移组合约束算法，可实现相对运动约束，其求解策略包括最小二乘方法和强制约束等。最后，通过连续变形和非连续变形具体计算实例分析，验证了固定点矩阵、点荷载矩阵、体荷载矩阵、惯性矩阵、速度矩阵、接触矩阵、摩擦矩阵等的正确性。16单元悬臂梁模拟结果与理论结果的对比分析表明程序具有高效性，同时还验证了应力逐步累积模块的有效性；多接触面剪切破坏实例模拟了弹性回跳现象，验证了开闭迭代算法的有效性，证明现有程序可以在极限平衡条件下开展静-动单次转化模拟。通过对单纯形积分算法、矩阵元素表达式推导、关键算法描述、实例测试等的研究，对叁维数值流形方法的算法实现及模拟效果进行了讨论，验证了程序的有效性和模拟结果的高精度特性。第叁、汶川地震的发生与青藏高原的运动与变形密切相关，由于巴颜喀拉地块东向运动受阻，致使龙门山断裂带积累了大量的应变能。因此，开展震前区域变形特征研究有利于更加清楚的认识汶川地震孕育过程。该部分从主应力与主应变率方向差异、不同空间尺度的GPS应变率场分布特征和多步叁维数值流形方法模拟等叁个方面对汶川地震前地壳变形特征开展了针对性研究。首先，利用最小二乘配置方法对中国大陆及周边World Stress Map（WSM）计划应力方向数据和GPS速度场数据进行了处理，经过数据预处理、经验协方差参数估计和拟合推估等过程得到了中国大陆范围内应力方向和应变率场结果。数据处理过程中，对应力方向数据和GPS速度场拟合残差的无偏性和正态性进行了检验，并对应力方向和主压应变率网格结果的误差分布特征及其成因进行了分析。在充分考虑数据结果精度的基础上，讨论了中国大陆主压应力和主压应变率方向特征的异同，结果表明二者分布总体一致。在青藏地块东部存在显着差异，应力方向表现为近NE向而GPS主压应变率表现为近EW向，该特征表明青藏地块东部地区近年来东西向挤压应变积累显着；另一显着差异区域位于西域地块西部，应力方向表现为自西向东由NW向NE的转变过程，GPS主压应变率以近NS向为主。其次，利用前文GPS应变率计算方法对比分析择优推荐的最小二乘配置球面应变率解算方法，基于1999~2007年中国大陆西部约700个GPS测点的速度场结果，分析了汶川8.0级地震前的区域应变率场分布特征。GPS主应变率场结果显示青藏高原主要表现为南北—北北东向挤压、东西—北西西向拉伸的特性。青藏中东部地区呈现由南到北、自西向东主压应变率方向逐步向东偏转的有序分布特征。青藏块体东西向GPS应变率场结果表明，块体西部（92°E以西）以东西向拉张变形为主；青藏块体东部（92°E以东、100°E以西）以东西向挤压为主，该结果反映了青藏高原物质东向流动受到了华北-华南地块的阻挡的动力学特征。因此，应变能在块体边界处积累，有利于汶川地震的发生。虽然汶川8.0级地震震源区不处于剪应变率的高值区，但是处于面应变率挤压区和东西向挤压应变率高值区；发震断裂在震前存在挤压兼右旋剪切变形背景，且震源区西侧的挤压变形幅度明显大于东侧；在断裂带尺度上，应变积累较为缓慢、存在变形趋于极限现象。最后，通过多步叁维数值流形模拟方法研究了汶川地震前挤压应力特征和变形特征。结果表明，最小二乘配置GPS速度场、应变率场结果和叁维数值流形方法模拟结果一致性较高，验证了叁维数值流形方法模拟结果的可靠性。GPS主应变率场和叁维NMM模拟结果均显示在1999~2007年间龙门山断裂带南段的应变积累速率大于中北段，中北段的挤压应变积累已趋于极限，南段依然可以继续进行应变积累。汶川地震前地壳变形特征表明孕震后期龙门山断裂带及其附近区域的弹性变形已接近极限，与邻近区域相比处于显着弱变形状态。龙门山断裂带南段的应变积累速率大于中北段的结果表明，龙门山断裂带中北段的闭锁程度要大于南段，更有利于地震破裂发生。因此，在研究GPS应变率场分布特征时应该结合构造变形的背景从不同空间尺度进行分析。总体而言，本文侧重于方法研究，其中GPS应变率场既可用于地壳变形分析又可用于检验模拟结果的正确性；叁维数值流形方法的研究侧重公式推导、结果测试等，以保证算法的正确性为首要任务。文章最后给出的叁维数值流形模拟实例较为简单，在地学领域进行更广泛的应用尚需开展更加深入的研究工作。
陈兵, 江在森, 张希, 王双绪[6]1999年在《块体系统非连续变形数值方法──DDA及其在地壳应力分析中的应用》文中指出介绍了块体系统非连续变形分析数值方法的基本理论及特点，讨论了DDA解算大地测量资料应解决的问题根据地质构造背景建立大华北块体网络系统，利用华北GPS网3期观测资料进行地壳应力场反演，结果与原地应力测量资料和传统网平差最小二乘配置法吻合，表明DDA具备实际应用前景。最后对研究方向做了探讨。
邹镇宇[7]2015年在《地表动态大地测量资料反映的孕震断层变形机制研究》文中研究指明构造地震孕育、发生、震后调整过程中应力应变积累、释放必然伴随有相应的地壳形变发生。利用大地测量动态资料研究与地震过程密切关联的地壳形变时空动态特征是地震预测研究的重要途径之一。由于构造地震发生在活动断层上(通常在10公里以下的深部),因此如何建立逼近真实的地表形变动态变化与孕震断层深浅部应力应变状态的关系以揭示孕震断层变形机理,是地震机理与预测研究中至关重要的科学问题。开展这方面的研究具有重要的科学意义。本论文首先研究了利用GPS观测资料获取与地震孕育关联的地表形变动态变化特征方法,进一步研究了深浅部地壳运动状态与断层应变积累之间的关系。主要研究内容、结果和取得认识如下：1.地壳变形动态特征分析方法研究及其在南北地震带的应用。研究解决了速度场稳定基准选取和变形频域一致等建立多期可比较速度场的关键技术问题；研究讨论了微元转动参数的基本特性及其在构造形变分析中的意义。a.利用“中国地壳运动观测网络”和“中国大陆构造环境监测网络"GPS区域站1999年～2013年7期复测资料,建立了南北地震带地区相对于稳定华南地块统一参考基准的多期速度场,基于该具有可比性速度场,对2008年汶川8.0级地震前后的地壳形变动态过程进行了分析。(1)为构建各期速度场的统一参考基准,发展了拟准检定法(QUAD法)剔除观测点群中的不稳定点,改进了初选指标稳定点选取准则,有效抑制了初算结果可能出现的基准偏移对稳定点的筛选影响,提高了结果的可靠性。(2)选择统一且适当的协方差衰减参数,利用最小二乘配置进行GPS速度场拟合推估,保证了各期速度场具有相同的变形频域,并解决了不同期资料测点分布存在差异的问题。(3)对任意两期网格化速度场求差分获取了这段时间的地表位移动态变化。汶川地震前后的两期速度场差值结果显示,在2007-2009年间汶川地震的影响范围较大,包括祁连地块、柴达木地块东部都有明显的南东东向运动响应,但距破裂带更近的鄂尔多斯西南缘响应很小,可能属于背景应力应变积累水平较高的地带,但巴颜喀拉地块北边界带东部的东昆仑断裂带左旋剪切的响应明显。汶川地震震后效应对龙门山断裂带南段表现为显着的应变加载过程,而鲜水河断裂带则表现为与应变积累背景相反的右旋扭动响应。(4)汶川地震发生后,川滇地块中北部及其边界有近东西向挤压增强,但整个川滇地块南东向挤出滑移的运动背景并没有增强,直到2011-2013时段南东向运动才有所增强。b、通过应变张量计算得到的转动参数反映计算单元的有限转动但不包含纯应变信息,与应变参数配合使用可以更客观的反映地表的变形状态。(1)该特征与剪应变参数不同,转动参数与坐标方向的选取无关,值的大小表示微小单元的转动。(2)转动参数与参考基准的选取有关。当研究多期资料时,需考虑参考基准的统一,可采用研究区域无整体旋转基准速度场进行计算。(3)转动参数反映了微元在变形中主应变轴的偏转。基于区域无整体旋转基准速度场计算的转动参数可表示最大剪应变在两个方向的不对称,从而确定区域构造运动决定的实际剪切变形最大方向。(4)对于纯走滑断层,震间位移曲线的斜率反映了转动参数的大小。当断层的变形宽度较窄时,转动参数非零值的区域较窄；当断层的变形宽度较宽时,转动参数非零值的区域较宽。当区域剪应变较大时,如果转动参数量值较大,说明断层的应变积累程度可能较高；当区域剪应变较大,而转动参数量值较小,说明断层的应变积累程度可能较低,甚至断层处于蠕滑状态。2.一般倾角断层下地表震间／同震位移场的变形特征研究。通过对特定断层的剖面分析研究,从力学特性分析了断层倾角对地表位移的影响。在原有公式基础上推导给出了带断层倾角的震间、同震的走滑、倾滑地表位移公式,该公式能够较好的拟合与断层闭锁关联的地表位移,与位错模型中的复杂公式相比是一种简化公式,但已能达到相当高的拟合精度,便于对用实测GPS速度场资料做拟合的实际应用。(1)对于非直立型走滑断层而言,震间变形中心一般不位于断层出露地表处,而是位于断层的滑动段上边沿,即断层闭锁段与滑动段的分界线在地表投影处。(2)无论走滑断层还是倾滑断层的震间形变,断层闭锁段与滑动段的分界线在地表投影与断层地表出露处之间的距离doftset、断层闭锁深度d和断层倾角δ之间存在关系tanδ=d/doffs,此关系揭示了断层的闭锁深度与断层倾角之间的内在关系。(3)由于断层倾角的影响,震间形变曲线以断层闭锁段与滑动段的分界线在地表投影为中心,同震时上下盘错动沿断层发生错动,导致上下盘同震释放的位移不对称。而当发震断层为盲断层时,地震错动不达到地表时的特例情况与震间的情况类似。(4)基于实际观测数据利用带倾角的公式拟合安宁河断裂带的倾角,得到的倾角结果小于地质考察结果,原因可能由于实际断层是曲面而非平面,在地表处断层陡峭,随着断层深度增加倾角变小。由于断层闭锁段以下滑动,对地表位移的影响,相当于断层出露地表处与断层闭锁与滑动分界之间存在一条“平面断层”对地表的作用。利用反正切函数拟合的倾角结果为这条“平面断层”的倾角。3.应用叁维数值流形方法研究孕震断层深浅部力学特性。基于叁维数值流形方法的连续与非连续耦合计算的优势,通过断层切割算法构建了叁维模型,对孕震断层的力学特性进行研究。设置断层上部闭锁,下部滑动,对研究块体侧向和底部加载“动力源”进行走滑剪切数值试验,给出了不同加载方式下地表位移场分布差异特性。基于该结果,对汶川地震后龙门山断裂带和川滇块体东边界断裂带闭锁深度反演的动态变化给出了机理上的解释。(1)利用叁维数值流形方法的断层切割算法建立了叁维块体模型,块体中的断层设置为上部闭锁,下部滑动,对研究区域块体加载“推挤”和“拖曳”两种力源来模拟块体所受其他块体对其的推挤作用和脆性层底部软流物质对其拖曳作用。模拟结果显示,两种动力模式下地表位移场均呈现较精确的反正切函数特性,与位错解析结果有很好的一致性。(2)针对两种不同“力源”输入,模拟得到的位移分布曲线表现出显着差异,在一定程度上反映力源的力学特征。“推挤”力源的力学特性是沿水平方向传递,得到的反正切曲线在断层远端相对平直,曲线远端基本反映“推挤力源”的加载量,变形宽带较小,利用反正切函数拟合得到的闭锁深度小于模型设定值。“拖曳”力源的力学特性是垂直向上传递,得到的反正切曲线在断层远端略有上翘,由于力在垂直方向传递时衰减导致曲线远端不能反映“推挤力源”的加载量,曲线变形宽带较大,利用反正切函数拟合得到的闭锁深度大于模型设定值。(3)实际块体应既受到其他块体对其的推挤作用,又受到下部软流物质对其的拖曳作用。将两种力源按不同比例同时加载,得到的结果表明：哪种力源增强,地表形变动态变化就体现出此力源加载下的曲线特征。基于此认识可以对汶川地震之后川滇地区地壳深浅部运动特征和DEFNODE负位错反演动态结果给出可能的解释。汶川地震之后,龙门山断裂带南段西侧的巴颜喀拉块体南东向运动增强,是由于龙门山断裂带脆性层同震释放所导致,可理解为块体的“推挤”作用,所以反演得到的龙门山断裂带南段闭锁深度变浅。上部脆性层的突然加速对下部软流物质提供加载动力。获得加载动力的巴颜喀拉块体下部软流物质由通道进入川滇块体下部,对川滇块体上部脆性层提供了“拖曳”力源,由此计算的小江断裂闭锁深度增加。(4)“推挤”与“拖曳”力源计算得到断层不同深度的位移结果均表明断层的闭锁段以下位移量随深度逐渐加大,并非位错理论中闭锁与滑动的突变分界而是渐变的过程,这与Tse and Rice (1986)、Scholz (1998)的模型的示意图具有一致性。(5)考虑下部软流物质应为渐变的可能性,对“拖曳”力源进行改进,使之逐渐加载,加载量与距断层距离呈现单调递增函数关系。模拟得到的地表位移结果表明,渐变“拖曳”力源的加载使得地表位移曲线相比于无渐变“拖曳”力源得到的变形宽度更大,因此实际断层由于可能存在软流物质渐变拖曳而使得地表变形宽度更宽。(6)南北地震带中段叁维数值流形模拟结果表明,在弹性本构模型下水平主应力增量和水平主应变增量的方向具有一致性,但主张应力增量与主压应力增量的比值和主张应变增量与主压应变增量的比值存在差异。汶川地震前龙门山断裂带处于挤压面应力积累状态,汶川震源区处于该挤压应力速率高值区的边缘,以汶川震源区为界龙门山断裂带南段的挤压应力速率明显快于龙门山断裂带北东段。汶川地震后的2009-2013年龙门山断裂带中北段处于震后调整过程,而龙门山断裂带南段则处于应力积累状态。鲜水河断裂带中北段以张性应力增量为主,而其中南段以张剪应力增量为主。芦山地震震源区处于龙门山断裂带中北段和鲜水河断裂带中南段最大剪应力快速积累区的弱化地带。安宁河断裂带的最大剪应力积累速率小于其北侧的鲜水河断裂带南段以及其南侧的则木河断裂带。总体而言,本文通过定量描述地表形变动态变化特征；从理论上研究断层倾角对震间和同震的地表位移影响；利用叁维数值流形方法研究断层深浅部力学特性对地表位移的影响,分析了地壳动态变形特征及其反映的孕震断层力学特性,对孕震断层应变积累状态与地表位移的动态变化之间关系有了初步认识。为今后进一步结合不同期GPS资料,利用叁维数值流形方法研究实际断层不同时间段地表形变动态变化的深部动力加载影响、科学揭示孕震断层闭锁与深浅部应力应变状态奠定了理论基础。
王辉[8]2005年在《中国大陆地震应变场研究与青藏活动地块区运动学数值模拟》文中研究表明中国大陆位于欧亚板块的东南部,印度、太平洋、菲律宾海板块与欧亚板块的相互作用及欧亚板内深部动力学作用建造了中国大陆不同类型的活动构造,控制着中国大陆强震的空间展布格局。在前人研究成果的基础上,国家重点基础研究规划项目“大陆强震机理与预测”提出了活动地块科学假说,研究中国大陆强震发生的机理,为大陆强震的预测服务。本文主要以中国大陆活动地块科学假说为理论基础,利用包括地震学、地质学和大地测量学等多种资料综合研究了中国大陆地壳的运动及其应力应变场,将地震活动性研究与现今地壳运动及其应力应变场研究相结合,给出中国大陆地震应变场的基本特征,探讨了中国大陆活动地块对大陆强震的控制作用。然后,围绕中国大陆活动地块运动变形和地震关系,采用数值模型进行模拟研究,为大陆地震机理及其预测研究服务。 首先,根据全球地震的分布及其运动学、动力学特征,全球最活动的构造可以划分为环太平洋构造系,大洋中脊构造系和大陆构造系等叁个全球一级构造系。其中,环太平洋构造系以大洋岩石圈向大陆岩石圈俯冲为构造特征;大洋中脊构造系以大洋岩石圈内裂谷-转换断层的组合构造为特征;大陆构造系则以大陆岩石圈的边缘和内部各种断裂的相互作用为特征。应用包含多种震源参数的哈佛CMT地震目录,研究了全球及其叁个一级构造系的地震震源破裂类型、地震活动特征、震源深度分布特征等。全球地震按破裂类型分类,主要是以逆冲型地震和走滑型地震为主,反映了全球的主压应力方向以近水平方向为主的构造应力格局,叁大构造系的震源机制类型的不同比例差别反映了区域构造动力因素的差别。环太平洋构造系是大洋地壳的收敛地区,逆冲为主的地震破裂显示了该区域以挤压为主的应力状态。大洋中脊是洋壳增生的地区,正断层型的地震破裂显示了洋中脊系的拉张应力状态。而在大陆构造系中,地震破裂的比例则反映了大陆构造系统内部复杂的构造应力状态。从地震活动的水平来看,叁大构造系各不相同,地震活动的水平反映了叁个系构造活动水平的差别。大洋中脊地区的b值较高,大陆地区的b值较低,可能说明了区域的介质强度与应力水平的差异。从地震发生的深度来看,大陆构造系和大洋中脊地区发生的地震基本上是浅源地震,环太平洋地区的中深源地震占的比例较大。从统计的角度来看,对于浅源中强震而言,不同构造系地震均存在震源深度大于其矩心深度的趋势,地震破裂的传播倾向于向上传播。这些结果给出了全球地震活动的基本面貌,明确了中国大陆强震在全球的地位和总体特征,为中国大陆强震研究提供了有意义的背景和约束。 然后,本文利用球面上的非连续变形分析方法(DDA)和最近十年来
陈庭[9]2005年在《球面数值流形方法及其在地壳运动中的应用研究》文中认为以甚长基线干涉测量(VLBI)、卫星激光测距(SLR)、全球定位系统(GPS)和差分合成孔径雷达干涉(D-InSAR)等新兴的空间对地观测技术为代表的现代大地测量为监测和研究地壳运动提供了新途径。大地测量参与地壳形变的主要技术GPS可以10~(-9)的精度监测点距几十至几百公里不同尺度范围的地壳地表运动和形变,用VLBI和SLR技术可以测定相距数千里的全球板块运动;现代精密重力仪可以微伽的精度测定重力场的变化。通过这些运动信息的数据处理,可以直观地描述地壳运动规律。然而地表的地壳运动是地球深部动力学过程的一种表象,研究地壳运动,需要结合地质、地球物理等资料,探讨构造运动的动力学机制,研究构造运动的力源。 地球物理、地质等学科的观测结果提供的是几十年至上百万年的空间上不连续的资料;虽然GPS观测网络越来越多,但相对于广袤的的大陆来说测站数仍严重不足,同时由于GPS观测主要以地震监测和预报为目的,测站分布多位于一些主断裂或构造活跃地区,地理分布极不均匀,许多地域受观测条件限制而成为观测盲区。因此,要获得特定块体或区域的地壳位移场和应力场的连续图像,必须要借助数理方法,由已知测站的观测得来的速度或位移来推求未被GPS观测覆盖地区的形变位移,并进而作应力分析。 在已有数值模拟工具当中,有限元法因其适用性广、解算过程规范而得到广泛的应用,已成为解决数值正反演问题的主要工具。非连续变形分析方法(DDA)中所有单元是被不连续缝所包围的隔离块体,对每个块体允许有位移和变形,块体间允许有滑移。非连续变形分析方法侧重于处理不连续的问题,它要求区域内所有块体都是被完全分割开的。 本文提出了利用数值流形方法进行地壳形变的数值模拟。数值流形方法是利用现代数学“流形”的有限覆盖技术建立起来的。有限覆盖是由物理覆盖和数学覆盖组成,通过它可以处理连续问题和非连续问题,解决了有限元只能计算连续和非连续变形分析方法侧重于不连续问题的不足,这两种方法都是数值流形方法的特例。 本文最主要的工作是将数值流形方法从平面扩展到了球面,以适应模拟大范围地壳运动和形变的要求。
唐方头[10]2003年在《华北地块近期构造变形和强震活动特征研究》文中指出中国大陆现代以块体构造变形为主要特征。随着研究工作的深入，块体活动的普遍性被越来越多的科学工作者所认同，导致了活动地块理论的诞生。活动地块是被形成于晚新生代、晚第四纪(100～120kaB.P.)至现今强烈活动的构造带所分割和围限、具有相对统一运动方式的地质单元。活动地块边界构造活动强烈，绝大多数强震都发生在地块边界的活动构造带上。活动地块具有新生性、层次性、整体性和立体性四个基本特征。中国大陆及邻区可以划分出6个一级活动地块，它们是：青藏、西域、华南、中缅、华北和东北活动地块。华北地块位于中国大陆的东部，与青藏、西域、华南和东北4个一级活动地块相邻，其地震活动强度和构造变形在东部地区最强，也是中国大陆强震活动最强烈的地区之一。华北地区人口稠密、经济发达，也是祖国的首都所在地。加强华北地块构造变形和地震活动规律的研究，对于防震减灾，为国民经济建设服务，具有重要意义。本文以华北地块为研究对象，对华北地块近期构造变形和强震活动进行了较为详细的研究，初步认识了华北地块内部与边界带的构造变形、强震活动的关系，并对其成因机制进行了初步探讨。 一、中国大陆的活动地块与强震活动 在前人对中国大陆活动地块划分的基础上，研究了中国大陆活动地块与强震活动的关系。进一步证实了中国大陆的强震活动明显受活动地块的控制，其中52％以上的6级地震、73％以上的7级地震和100％的8级地震发生在一、二级活动地块的边界带内；多个活动地块边界带相互交汇、相互作用的地带往往是强震高发区；特别是几个一级活动地块的交汇部位，更是强震集中发生的地区；而且不同构造部位地块的活动性也有差异，以南北地震带为界，西部地块的活动性等明显高于东部地块，在西部地区，青藏地块活动性最高，而对于东部地区，华北地块活动最强烈。 二、华北地块与强震活动 利用华北地块已有研究成果，对华北地块的构造演化特征进行了研究，认识到华北地块内的主要构造单元都表现出新生与继承的辩证发展。根据地块内地质、地球物理与强震活动等资料，将华北地块进一步划分成3个二级地块(鄂尔多斯、华北平原和鲁东—黄海)，并对其中的一些二级地块进一步细分为叁级和四级地块。 通过对华北地块内强震活动的研究，进一步证实了活动地块对地震活动的控制作用。华北地区二级活动地块边界带和活动地块内部5级以上地震的密度相差2.5倍以上，每平方千米地震释放能量是地块内部的30倍以上；7次8级特大地震都发生在一级、二级活动地块的边界带上；7级大震除一级、二级活动地块的边界带外，在叁级活动地块的边界带上也有分布，而4级活动地块的边界带上只有6级强震发生。研究结果表明，华北地块不同构造部位的构造单元内的活动强度存在差异，对于二级地块：华北平原块体活动最强、鄂尔多斯块体活动最弱；对于叁级地块：东南鄂尔多斯亚块体活动性大于西北鄂尔多斯亚块体，豫皖亚块体活动性明显大于太行亚块体和冀鲁亚块体；对于边界带：鄂尔多斯西南弧活动性最强烈，而华北平原块体和鲁东—黄海块体的南部边界带则活动较弱；大致以NE向大同—环县基底隐伏断裂、豫皖亚块体西边界和鲁西微块西边界的连线之间是华北地区活动最强的区域。 华北地块地震活动在时间上具有明显的活跃期与平静期交替出现的特征，在空间上不同活跃期有不同主体活动区域。第一跃期7级以上大震主要发生在鄂尔多斯块体的边界带；第二活跃期7级以上大震主要分布在鄂尔多斯和华北平原块体的边界带上;而第叁活跃期7级以上大震除在二级活动地块的边界带发生外，在华北平原和鲁东一黄海块体的内部也有分布。研究还发现华北地块不同震级地震在活动地块内部和边界带的分布差异很大，震级越大两者的差异越大;地块级别降低，各震级地震的频度和能量释放在块内与边界带的比值都减，J。叁、华北地块近期构造应力场和断裂活动研究 利用近期震源机制解资料研究华北地块构造应力场，证实了区内主压应力方向为NE一NEE，强震发生主要受区域应力场控制。同时发现，在强震活跃期间，在与强震发生有关的边界带内震源机制解主压应力P轴的方向与区域应力场基本一致，而在地块内和其它边界带上则存在一定的差异;平静期间，则总体与区域应力场基本一致。 利用GIS对华北地块活动断裂与地震活动进行统计研究后现，华北地块内地震活动在不同时期受不同构造控制。具体表现为，在1474一1804地震活动活跃期内，强震主要受NE断裂组控制;1805年以来强震主要受NW断裂组控制。1970年以来，5级以下地震活动主要受NE断裂组控制;6级以上强震主要发生在NE和NW断裂组交汇区内。 跨断层测量资料表明，邦庐断裂带和太行亚块体内断裂的近期构造变形强度明显小于张家口一渤海断裂带和山西断陷带;山西断陷带东缘断裂的近期构造变形强度明显弱于西缘;华北地块对于NE走向断裂作用为主的构造单元(包括地块和边界带)，强震活动时段的断层运动速率明显小于强震活动较弱的时段;对于NW走向断裂作用为主的构造单元，强震活动时段的断层运动速率明显大于强震活动较弱的时段;对于NE、NW走向断裂?
参考文献：
[1]. 华北地区现今地壳运动及形变动力学数值模拟[D]. 刘峡. 中国科学技术大学. 2007
[2]. 非连续变形分析方法及其在华北地区的应用[D]. 余祖锋. 武汉大学. 2003
[3]. 非连续有限元方法的发展及其在地球科学中的应用[C]. 许鹤华, 周蒂. 第七届全国数学地质与地学信息学术会议论文摘要汇编. 2004
[4]. 并行计算叁维数值模拟在华北地区现今构造变形分析中的应用研究[D]. 胡勐乾. 中国地震局地质研究所. 2010
[5]. 叁维数值流形方法研究及其在地学中的初步应用[D]. 武艳强. 中国地震局地质研究所. 2012
[6]. 块体系统非连续变形数值方法──DDA及其在地壳应力分析中的应用[J]. 陈兵, 江在森, 张希, 王双绪. 高原地震. 1999
[7]. 地表动态大地测量资料反映的孕震断层变形机制研究[D]. 邹镇宇. 中国地震局地质研究所. 2015
[8]. 中国大陆地震应变场研究与青藏活动地块区运动学数值模拟[D]. 王辉. 中国地震局地球物理研究所. 2005
[9]. 球面数值流形方法及其在地壳运动中的应用研究[D]. 陈庭. 武汉大学. 2005
[10]. 华北地块近期构造变形和强震活动特征研究[D]. 唐方头. 中国地震局地质研究所. 2003
标签：自然地理学和测绘学论文; 数值模拟论文; 华北地区论文; 构造地震论文; 剪切应变论文; 应力状态论文; 应力应变曲线论文; 应变速率论文; 应力集中论文; 弹性形变论文; 地震预测论文; 地震成因论文;