收藏本站
《中国地震局地质研究所》 2007年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

含有岩浆囊的浅部地壳应力场的数值模拟

刘辉  
【摘要】: 复杂结构地壳非均匀介质的非弹性构造变形是近年构造物理研究的一个热点。地震和火山喷发等地质灾害除了浅部地壳活动外,也涉及深部岩石的粘弹性变形在时间过程中应力松弛并传递给浅部地壳弹性层的结果,除了考虑岩石圈纵向的不均匀还必须考虑横向的不均匀。 火山区地壳(包括岩浆囊、通道、围岩等)介质是一种最典型的复杂结构的非均匀地球介质,岩浆囊是地球内部活跃的低粘滞性体,其围岩是粘弹性转换带,在应力传递过程中扮演重要角色,岩浆通道和裂隙的形成及火山区的地震是应力传递和释放的结果。长白山火山2002年至2004年出现了一个扰动期,火山区震群频发,GPS结果也显示出上拱膨胀的特点。火山的活动不仅与深部的活动有关,还受到浅部的构造变形的影响,因此除了理解岩浆活动的作用,还需要理解区域应力场和局部应力场共同作用下的火山区浅部地壳的活动特性。 本论文以长白山天池火山地区为例,研究水平方向和垂直方向结构与介质不均匀的局部应力场特征。从概念模型出发,用低粘滞系数体代替岩浆囊,把火山区浅部地壳看作为非均匀粘弹性组合,分析含有岩浆囊的浅部地壳的粘弹性结构的应力分布、传递及其物理机制;同时模拟断层与低粘滞性体共同存在的条件下应力的调整;用粘弹性三维有限元模型,在区域性构造应力和局部岩浆的共同作用下,模拟火山区应力场特征,探讨粘滞性差异导致的局部应力异常以及与火山地震发生机制的关系,说明岩浆粘滞性在火山活动和区域应力调整中的重要影响。 1、首先分析在没有岩浆活动情况下,横向粘弹性结构对应力场的影响。含有低粘滞性体的分层粘弹性组合的模型分析表明,在常速度条件下,应力传递不仅在垂向不均匀,而且在水平向也不均匀,它是由低粘滞性体与周围相对刚性的介质间的应变差异产生的,这种内部的不均匀性最终会在地表弹性层体现出来。由于介质粘弹性分层,弹性层中应力可以更快地集中,而低粘滞系数体的存在除了影响了局部应力分布外,还加快了局部弹性层中的应力积累速度。模拟结果说明在深度一定的情况下,低粘滞性体横纵比越大,对局部形变及应力场的影响就越小,反之,这种影响就越大。距地表越近的低粘滞性体引起区域应力场显著变化的可能性就越大,在浅部地壳,低粘滞性体赋存深度对局部区域的影响较之低粘滞性体形状大。低粘滞性体上方刚性壳体厚度影响着应力在其中的积累,厚度越小应力积累效果越明显,积累速度也越快。同时发现低粘滞性体达到一定深度以下时在上部壳体中的应力积累就基本没有差别,即对局部应力场和地表变形的影响趋于稳定。 2、分析断层对含有低粘滞性体的地壳应力场的影响。模拟了具有不同的断层和低粘滞性体组合方式(断层分别位于低粘滞性体上方,低粘滞性体单侧和两侧)的模型的应力分布,发现断层对构造背景应力场的传递具有一定的阻隔作用,多数情况下断层的存在会减弱低粘滞性体对周围应力场的影响;当低粘滞性体两侧存在断层时,在距离低粘滞性体一定范围之外时,这种削弱作用较大;随着断层与低粘滞性体距离的缩短,这种削弱作用反而逐渐变小;另外,与没有断层存在的情况相比,断层的存在不仅会使局部应力场弱化,而且这种弱化作用会随着断层数量的增多而增强。 3、利用火山区浅部地壳模型研究了岩浆活动时(岩浆压力作用下)的应力分布与变形特征。分析了2002年以来长白山固定台站以及流动台监测到的Ms≥1的地震数据,根据震级与时间的关系将长白山火山地震震群划分为了四个震群类型,同时发现长白山火山震群有周期发生的特点,大约每隔半年左右都会有一次大的震群。然而地震活动并没有持续活跃,2005至今长白山地震活动又趋于平静。因此推测2002年至2004年的地震活动可能是由于2002年6月29日汪清M7.2深震触发作用引发的一个较短时间的岩浆压力扰动过程,这种岩浆压力扰动过程与地壳和地幔介质的粘滞性应力传递活动有关,因为这种应力传递过程会通过耦合变形引起了上地壳应力场的调整,加上岩浆囊周围的差异应力,导致浅部地壳中形成网状裂隙,导致震群的发生。用三维粘弹性耦合模型模拟了在岩浆压力增大条件下,周围地壳应力场的变化特征,得到地表最大剪应力集中在岩浆囊上部以及岩浆囊端部对应上方表壳,这也解释了长白山地区火山地震发生在岩浆囊上方以及火山侧翼有很多喷泉(该区域最大剪应力大,易形成裂隙、通道)。 4、考虑长白山火山地震是岩浆囊膨胀和区域(挤压)应力场的共同作用的结果,设计两个对比模型:只考虑区域应力场和考虑区域应力场与岩浆囊膨胀共同作用。模拟结果发现岩浆囊膨胀过程中考虑区域应力场的最大剪应力比不考虑岩浆囊膨胀应力场的大,这是由于岩浆囊膨胀过程中岩浆囊上方的区域东西向挤压应力场受到了抑制,而与垂直方向的挤压力却增大很多,即岩浆囊膨胀导致的局部应力与区域应力的共同作用会导致更大的剪切应力,这是岩浆压力扰动阶段火山地震多数为剪切型地震的一种解释。 5、讨论了地壳与岩浆粘滞性比的影响及其在火山区变形过程中的作用。火山喷发的形式以及地表的隆起量都受粘滞性比的影响,地壳与岩浆粘滞性比值越小,岩浆上涌过程中地表的隆升就越显著,达到一定临界条件时大规模喷发的可能性就越大。通过粘弹性模型计算出了火山区变形的特点:上拱膨胀。同时用有限元模型与Mogi模型进行了对比:Mogi点源模型无法体现不同形状岩浆囊的结果,无法进行应力场分析,强调等效体积的作用弱化了其他参数的作用,而有限元模型可以完善这些不足。通过模拟,认为岩浆的活动与上地壳的形变关系可以分为三个阶段:①岩浆上涌在岩浆囊积累(压力积累,但此时囊内压力不能使上部地壳发生形变)→②压力大于外部压力时地表开始隆起→③囊内压力等于或小于外部压力时停止隆升,①~③阶段可视为一个周期。 本论文的主要创新点在于: 利用三维粘弹性有限元模型研究了岩浆压力作用下长白山火山区的非均匀地壳应力分布,并用以解释长白山天池火山区地震的时空分布及其机制特征,探讨了岩浆粘滞性、岩浆囊、岩浆活动在火山区域构造中的作用。 研究了局部低粘滞性体对区域构造的重要影响,在分层粘弹性模型的基础上加入了横向非均匀结构的影响,通过模拟低粘滞性体和一些构造元素(断层以及不同边界条件)的组合,说明组合体内的应力分布不均匀以及差应力的突变可能是引发板内局部区域地震的动力因素。
【学位授予单位】:中国地震局地质研究所
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:P553

手机知网App
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 于海丰;张学辉;李其廉;;钢支撑低周疲劳性能研究综述[J];河北工业科技;2011年04期
2 尹媛媛;林江莉;尹光福;;剪切波成像中剪切波速度变化规律[J];四川大学学报(工程科学版);2011年S1期
3 张赋;李旭东;李晓东;;微胶囊自修复材料塑性参数的研究[J];甘肃科技;2011年11期
4 刘双庆;盛菊琴;曾宪伟;解朝娣;;汶川8.0级地震对鄂尔多斯块体西南缘断裂体系影响的数值模拟[J];华北地震科学;2011年02期
5 陈建康;宋慧;;混凝土材料损伤耦合的非线性粘弹性本构关系[J];应用力学学报;2011年04期
6 王其勇;王义重;潘孝城;傅旭东;;土石坝安全监测与有限元模拟[J];西北地震学报;2011年S1期
7 王海兵;;大规模面向对象有限元程序的并行性能监测[J];计算机应用;2011年S1期
8 周帼彦;涂善东;轩福贞;王正东;;开孔泡沫金属紧凑式换热器高温力学性能研究[J];机械工程学报;2011年16期
9 陶俊林;李奎;;水泥砂浆的一个热粘弹性率型损伤本构模型[J];爆炸与冲击;2011年03期
10 刘阳;郭子雄;;基于ADINA的CSRC节点抗震性能有限元模拟[J];工程力学;2011年08期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 丁中一;杨友卿;姚振兴;阎志梅;;台湾地区碰撞造山运动的三维粘弹性有限元模拟[A];1999年中国地球物理学会年刊——中国地球物理学会第十五届年会论文集[C];1999年
2 范桃园;石耀霖;;新西兰北岛构造特征的三维粘弹性有限元模拟[A];2000年中国地球物理学会年刊——中国地球物理学会第十六届年会论文集[C];2000年
3 何金华;吴逸群;;软土基坑工程数值模拟研究[A];第六届全国结构工程学术会议论文集(第三卷)[C];1997年
4 张西正;匡震邦;蔡绍皙;王远亮;徐世荣;黄岂平;;应变作用下Wistar大鼠成骨细胞增殖和粘弹性的实验研究[A];21世纪医学工程学术研讨会论文摘要汇编[C];2001年
5 苏飞;;Flip Chip(倒装焊)电子封装件中的残余应力评估[A];北京力学会第13届学术年会论文集[C];2007年
6 吴春玲;顾贤明;;三维弹性波有限元模拟的研究[A];1993年中国地球物理学会第九届学术年会论文集[C];1993年
7 许政;王庆;付志一;;Maxwell模型粘弹性体本构关系的递推及应用[A];第十二届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ册[C];2003年
8 周朝辉;曹海桥;吉卫;郝爱国;;厚壁椭圆形封头热拉伸成形及有限元模拟[A];中国工程物理研究院科技年报(2005)[C];2005年
9 徐爱红;陈宏;;高层钢框架栓焊连接节点的有限元分析[A];钢结构工程研究(五)——中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会2004年学术交流会论文集[C];2004年
10 王清文;欧荣贤;;生物质材料的塑性加工研究进展[A];第二届中国林业学术大会——S11 木材及生物质资源高效增值利用与木材安全论文集[C];2009年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 ;家用电脑[N];中国计算机报;2001年
2 MSC;借助MSC LEGO从开始就做到准确无误[N];计算机世界;2002年
3 马平东;塑料凹印油墨的性能及调整[N];中国包装报;2006年
4 常天雨;馆陶努力创优经济发展环境[N];邯郸日报;2008年
5 ;为什么有些挂面不耐煮,没有嚼劲儿,而有些又太硬?[N];中国质量报;2003年
6 记者 胡增民;众优麦“皇后”风华尽露[N];粮油市场报;2005年
7 徐在宽 费志良 潘建林;无公害养鳖[N];江苏科技报;2003年
8 赵凤莉;给百年油田一个新支点[N];中国化工报;2007年
9 周祥兴;包装用热封塑料薄膜特性分析[N];中国包装报;2002年
10 本报记者 孟朝红;表面活性剂发展呈现新趋势[N];中国化工报;2002年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 徐赵东;(铅)粘弹性阻尼结构的试验与研究[D];西安建筑科技大学;2001年
2 王珺;含湿热的耦合粘弹性本构、断裂及应用[D];西南交通大学;2002年
3 魏翠玲;粘弹性层状地基的动态反分析[D];大连理工大学;2000年
4 赵宏亮;具局部粘弹性的弹性系统的稳定性[D];浙江大学;2002年
5 周建中;基于模糊—神经元的抗震结构智能混合控制[D];西安建筑科技大学;2003年
6 陈静波;粘弹性聚合物熔体注射成型模型化理论与数值模拟研究[D];郑州大学;2003年
7 张海联;固体火箭发动机药柱的粘弹性不确定结构分析[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2002年
8 李卓;粘弹性分数阶导数模型及其在固体发动机上的应用[D];清华大学;2000年
9 张强;含随机参数结构的动态响应研究[D];中国农业大学;2001年
10 吴远纶;裂缝性油藏射孔完井产能有限元模拟及射孔负压研究[D];西南石油学院;2004年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 常崇义;复合材料粘弹性性能预测的多尺度算法与数值模拟[D];大连理工大学;2003年
2 贾宏禹;材料的粘弹性对摩擦片振动与制动噪声的影响研究[D];武汉理工大学;2003年
3 马海龙;基于粘弹性阻尼器的海洋平台振动控制[D];中国海洋大学;2003年
4 孔凡顺;聚合物溶液的粘弹性对残余油的微观作用机理[D];大庆石油学院;2005年
5 马辉;大型带式输送机动态仿真模型研究与系统开发[D];辽宁工程技术大学;2007年
6 曹秋玲;PTT/毛精纺面料的研制与性能研究[D];东华大学;2006年
7 戴鲲;粘弹性表面活性剂压裂液研究与应用[D];吉林大学;2008年
8 王伟强;苏丹胶凝原油结构破坏特性研究[D];中国石油大学;2008年
9 程红梅;损伤预应力钢筋混凝土介质中波的传播[D];湖南大学;2004年
10 刘志宏;粘弹性多层复合结构吸声特性研究[D];西北工业大学;2005年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026