华北地区现今地壳运动及形变动力学数值模拟

摘要

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。本文构建和测试了三个基本模型：即三维模型3DCM_I，3DCM_Ⅱ和二维模型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(10～15kin)的软弱带，模型含14736个节点，24829个三维实体单元。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1．17lmm<'2>/year(三维模型)、1．176 mm<'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(三维模型结果为～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。三维模型还显示，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。三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三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1.35～1．45 mm/year，远高于其他断层以及三维模型结果。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，基于三维模型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，张家口一渤海断裂带、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，论文分别使用三种有限元模型(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。

目录

文摘

英文文摘

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致谢

第一章绪论

1.1地壳运动观测及其动力学研究

1.1.1地壳运动观测

1.1.2基于地壳运动观测结果的动力学研究

1.2中国大陆GPS观测结果

1.3华北地区现今地壳运动及形变动力学数值模拟的研究意义

1.3.1华北地台构造演化概述

1.3.2板块构造及华北地区动力学环境

1.3.3华北地区现今地壳运动的动力学研究意义

1.4华北地区动力学研究现状、存在问题以及本文主要研究内容

1.4.1华北地区动力学研究现状及存在问题

1.4.2论文主要研究内容

1.5本章小结

第二章有限单元方法基本理论及其在地学研究中的应用

2.1有限元方法的起源、基本思想、特点及发展现状

2.2有限元求解问题的基本原理及步骤

2.3有限元非线性结构分析

2.3.1地球动力学研究中几种常见材料的本构关系

2.3.2接触问题分析

2.3.3 Ansys有限元软件中接触单元CONTAC48原理

2.4本章小结

第三章华北地区有限元模型的构建

3.1构建华北地区有限元模型的基本要素

3.2华北地区新生代构造的主要特征

3.3华北地区现今构造活动分区及重要活动断裂带

3.3.1华北地区活动地块划分及其现今构造活动特征

3.3.2华北地区重要活动断裂带

3.4华北地区地壳—上地幔地震波速度结构

3.4.1华北地区地壳—上地幔速度结构

3.4.2华北地区地壳—上地幔速度结构的基本特征

3.5华北地区3维有限元模型(3DCM_Ⅰ，3DCM_Ⅱ)

3.5.1华北地区3D有限元模型的几何构架

3.5.2三维均匀分层模型—3DCM_Ⅰ

3.5.2三维实际分层模型—3DCM_Ⅱ

3.5.3二维非连续模型—2DDM_Ⅰ

3.6模型框架构建小结

3.7本章小结

第四章GPS约束下华北地区形变及构造应力场特征

4.1研究思路和计算流程

4.2华北地区最新GPS观测结果

4.3基于华北地区3D有限元分析

4.3.1基于GPS观测结果的3D模型的边界约束条件

4.3.2模型中非断层单元的材料参数

4.3.3模拟结果评价标准以及模形计算

4.3.4 3DCM_Ⅱ模拟显示的华北地区表面水平运动及变形特征

4.4基于华北地区有限元模型2DDM_Ⅰ的计算分析

4.4.1 2DDM_Ⅰ模型的边界约束条件

4.4.2 2DDM_Ⅰ模型的单元材料参数及模拟计算

4.4.3 2DDM_Ⅰ模型显示的华北地区表面水平运动及变形特征

4.5华北地区2D、3D模型计算总结

4.6本章小结

第五章华北地区形变及构造应力场的动力学机理——基于GPS观测结果的有限元分析

5.1中国大陆地壳运动以及构造应力场的稳定性问题

5.2本章研究的基本思路

5.3华北地区三维有限元模型的流变参数

5.4华北地区现今构造应力场、地壳运动及形变特征分析

5.5基于华北地区模型3DCM_Ⅰ(均匀分层模型)几何框架的模拟结果

5.5.1基于3DCM Ⅰ的松弛时间剖面

5.5.2 3DCM_Ⅰ(均匀分层模型)的边界条件及参数设置

5.5.3基于华北地区3DCM_Ⅰ(均匀分层模型)的模拟结果分析

5.5.4华北地区3DCM_Ⅰ(均匀分层模型)模拟计算的总体认识

5.6基于华北地区三维有限元模型3DCM_Ⅱ(实际分层模型)的模拟结果

5.6.1基于3DCM_Ⅱ的松弛时间剖面

5.6.2基于3DCM_Ⅱ的模拟计算结果分析

5.6.3对华北地区有限元3DCM_Ⅱ模拟计算结果的总体认识

5.7对华北地区形变及构造应力场动力学机理的初步认识

5.8本章小结

第六章基于数值模拟的GPS差异形变分析方法及应用

6.1隐伏断层活动对区域表面形变、构造应力场影响及GPS差异形变分析方法

6.1.1含有隐伏断层的三维地块模型及其构造运动有限元数值模拟

6.1.2基于数值模拟计算的GPS差异形变分析方法

6.2华北地区GPS观测结果与有限元模拟结果的差异场分析

6.2.1华北地区GPS观测与有限元模拟结果的差异速度场

6.2.2华北地区差异速度场分析

6.3利用GPS差异形变分析方法研究中国大陆GPS观测结果的动力学含义

6.3.1中国大陆GPS观测结果及相关研究

6.3.2中国大陆构造运动三维有限元模型

6.3.3中国大陆构造运动三维有限元模拟计算

6.3.4中国大陆构造运动三维有限元模拟结果

6.3.5中国大陆GPS观测结果与有限元模拟结果的差速度场分析

6.3.6中国大陆GPS观测结果与有限元模拟结果的差异场分析小结

6.4本章小结

第七章结论与展望

7.1结论与讨论

7.2未来研究展望

参考文献

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