青藏高原及中国地区大陆地壳岩石层变形演化动力学数值模拟

摘要

本文以GPS观测结果为边界约束，利用有限元分析方法模拟了青藏高原及邻区的地壳运动速度场、应力-应变场。为了对比不同的地壳物质性质和断层接触对青藏高原变形、应力-应变场分布的影响，模型按照青藏高原及临近区域的材料性质和接触方式分成了四种不同的情况，并在模型边界的选取、断层的引入以及有限单元的网格划分做了改进和创新。　　为了研究青藏高原及中国大陆地壳岩石层近期的动力学演化过程，本文以印度板块向北挤压作为大陆变形运动的主要驱动力。考虑岩石层的情况，将中国大陆地壳按照地质构造性质划分为10个不同的构造块体，利用ANSYS有限元软件建立了青藏高原及中国大陆地壳岩石层变形的三维动力学有限元模型。模型假定各块体之间运动连续，并将青藏高原及周边区域视为幂指数蠕变性材料。　　论文对四种不同边界条件模型进行了数值模拟。模拟结果显示，东部边界和南部边界的红河断裂带区域为自由边界的模型MⅠ结果比较合理，同时蠕变幂指数n=3时结果与实际情况比较吻合。在此基础上，计算了青藏高原及邻区高原的隆升速率、中国大陆地壳岩石层形变速率以及应力场，并将计算结果与实际观测资料和其他模拟工作进行对比。结果表明，本文模型预测的结果与观测数据有较好的吻合。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章引言

§1-1数值模拟在青藏高原运动、构造和动力学演化研究中的意义

§1-2青藏高原运动学及数值模拟研究

1.2.1地壳形变的观测方法

1.2.2 GPS测量中国大陆及青藏高原地壳运动

1.2.3基于GPS观测的地球动力学研究历史和现状

§1-3青藏高原隆升动力学机制的研究

§1-4 青藏高原隆升动力学研究中存在的问题

§1-5 小结

第二章结构非线性理论和有限元方法及其在地球物理中的应用

§2-1有限元的概念及其发展的历史

§2-2有限元方法求解弹性力学问题的一般过程

2.2.1有限元法的基本要素

2.2.2最小位能原理及有限元方程的建立

2.2.3位移边界条件

2.2.4有限元分析的一般过程

§2-3非线性结构分析

2.3.1 地球物理地球动力学问题中几种常见材料的本构关系

2.3.2 几何非线性问题

2.3.3 状态非线性(接触分析)

§2-4小结

第三章GPS约束下青藏高原运动学的有限元数值模型

§3-1青藏高原形变的有限元模型的地球动力学基础

§3-2青藏高原二维形变的有限元模型

3.2.1青藏高原及临近地区各子块体的地球物理和地质特征

3.2.2几何模型

3.2.3数值模拟的控制方程和计算方法

§3-3有限元网格模型

3.3.1连续体模型

3.3.2非连续体模型

§3-4 GPS数据和边界条件

§3-5数值模型计算过程

§3-6小结

第四章基于GPS观测约束的青藏高原变形运动学数值模拟

§4-1青藏高原及周边区域形变速度场的数值模拟

4.1.1弹性连续体模型(M-EC)

4.1.2 D-P塑性连续体模型(M-PC)

4.1.3弹性接触模型(M-ET)

4.1.4 D-P塑性接触模型(M-PT)

§4-2青藏高原及周边区域数值模拟应力场

4.2.1弹性连续体模型(M-EC)模拟应力场

4.2.2 D-P塑性连续体模型(M-PC)模拟应力场分布

4.2.3弹性接触分析模型(M-ET)模拟应力场

§4-3青藏高原速度场的最佳数值模拟及误差分析

§4-4青藏高原及周边区域数值模拟应力场分布及意义

§4-5 GPS观测约束下阿尔金断裂的走滑速率及构造学意义

4.5.1阿尔金断裂带的位错量、启动时间及走滑速率的确定

4.5.2数值模拟确定的阿尔金断裂带的滑移率

4.5.3阿尔金断裂带滑移率的构造学意义

§4-6小结

第五章GPS观测约束下青藏高原二维运动学模拟的讨论与下一步的工作

第六章现代青藏高原及中国大陆演化动力学的三维数值模拟

§6-1青藏高原演化动力学三维数值模拟的必要性

§6-2青藏高原地壳岩石层演化动力学研究的现状和问题

§6-3三维动力学数值模拟的物理-力学构架

§6-4中国大陆构造块体的力学特性

§6-5物理-力学模型

6.5.1控制方程

6.5.2三维有限元模型的建立及边界条件

6.5.3模型各地质块体材料参数

§6-6小结

第七章青藏高原及中国大陆近20万年演化动力学三维数值模拟

§7-1数值计算方法和步骤

§7-2中国大陆地表水平速度场20万年演化的模型预测

§7-3 20万年期间青藏高原隆升及中国大陆垂直形变

§7-4 20万年期间中国大陆不同剖面形变速度分析

7.4.1沿喜马拉雅南部到祁连山的A-A’剖面(剖面1)地表速度结果

7.4.2沿喜马拉雅南部经塔里木盆地、天山到准噶尔盆地北部的B-B’剖面地表速度

7.4.3沿喜马拉雅北麓从东到西的弧形C-C’剖面(剖面3)地表速度

7.4.4沿青藏高原东部D-D’剖面(剖面4)地表速度图

7.4.5 E-E’剖面(剖面5)地表速度和GPS观测的对比

7.4.6沿华北地区F-F’剖面地表运动速度

7.4.7中国大陆南部东西向剖面G-G’和H-H’速度分布

§7-5 20万年期间中国大陆各块体形变速度及演化分析

7.5.1喜马拉雅中部(669点)速度演化曲线分析

7.5.2青藏高原中部地区(1134点)不同模型速度演化分析曲线图

7.5.3青藏高原东部地区(788点)不同模型速度演化

7.5.4青藏高原西部地区(364点)不同模型速度演化

7.5.5青藏高原不同地区的速度演化的差异及分析

7.5.6塔里木盆地(1650点处)不同模型速度演化

7.5.7柴达木盆地(1793点处)不同模型的速度演化

7.5.8华南地块(2252点)不同模型速度演化

7.5.9鄂尔多斯地块(2382点处)不同模型速度演化

7.5.10中国大陆各地块速度演化小结

§7-6近20万年中国大陆应力场演化及分析

7.6.1模型M_Ⅰ应力场分布及演化过程

7.6.2模型M_Ⅱ应力场分布及演化过程

7.6.3模型M_Ⅲ的应力场分布及演化过程

7.6.4模型M_Ⅳ的应力场分布及演化过程

§7-7中国大陆20万年演化过程三维动力学模拟特点

第八章中国大陆20万年三维动力学演化数值模拟与观测结果的对比分析与讨论

§8-1地表水平速度场与观测结果的异同

8.1.1青藏高原及其周边地区速度场比较与分析

8.1.2中国大陆其它地区速度场的比较与分析

§8-2地表隆升速度场分布格局

§8-3中国大陆应力场分布模型及其与地震活动性的关系

§8-4中国大陆地壳和岩石层变形的稳定性分析

§8-5结论与讨论

第九章结论与展望

§9-1结论与讨论

§9-2展望未来

参考文献

附 录

本人攻博期间发表文章如下