中国地震科学实验场-流变模型

一、模型研制的目的、必要性和需求分析目的:建立川滇地区壳幔粘滞结构模型,为川滇地区运动学模型和动力学模型的构建提供流变结构的参考。

必要性:流变结构对岩石圈的变形有很大的影响。在地球动力学数值模拟研究中,壳幔粘滞结构的数值量级将极大地影响定量模拟的结果,对等效粘滞系数合理的估计是取得可靠科学结果的基础(张晁军等,2008;石耀霖和曹建玲,2008)。

需求分析:震后形变因其包含有地球介质的流变信息,已成为研究地球介质粘性特征的重要手段。以往粘滞系数的研究通常是在某次大地震或特大地震发生之后,该区域的粘滞系数可以通过震后形变得以确定(沈正康等,2003;邵志刚等,2008;张晁军等,2008;Copley et al., 2012)。然而大地震发生后粘滞系数计算存在一定局限性,在更多的没有大地震震后形变观测而又重要的块体或断裂带,粘滞结构的确定仍然具有重要的意义。故可采用岩石实验室资料、壳幔温度状态以及震间期GPS观测资料求得的应变速率来估算粘滞结构,从而进一步分析川滇地区地下流变特征并应用于地球动力学模拟中。

二、模型预期指标和技术路线

预期指标:建立川滇地区壳幔粘滞结构模型,获得剖面流变结构。

技术路线:本任务采用岩石实验室资料、壳幔温度状态以及震间期GPS观测资料求得的应变速率来估算粘滞结构。主要参考石耀霖和曹建玲(2008)的方法,利用中国大陆岩石圈温度估计成果和GPS计算的应变速率结果,计算了川滇地区地壳和上地幔的等效粘滞系数。经典地估计岩石流变结构的一种方法是:利用一维稳态热传导方程计算的温度,再利用库仑摩擦强度和流变强度公式计算不同深度的岩石强度,得到强度随深度变化的包络线,由包络线可以确定岩石处于脆性域还是柔性域。对于处于柔性变形的岩石,在温度和应变速率确定时,可以计算其等效粘滞系数:

其中,τcreep是柔性域内一定温度和应变速率下的强度,ε是应变率,T是绝对温度,R是普适气体常数,A、n、E是可以通过岩石实验得到的特定岩石的流变常数。

三、模型数据来源和质量分析

(1)温度场数据:Sun Y J, Dong S W, Fan T Y, et al. 3D rheological structure of the continental lithosphere beneath China and adjacent regions. Chinese Journal of Geophysics, 2013, 56(5), 546-558.

(2)速度场数据:Zheng, G., Wang, H., Wright, T. J., Lou, Y., Zhang, R., Zhang, W., … Wei, N. (2017). Crustal deformation in the India-Eurasia collision zone from 25 years of GPS measurements. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 122. https://doi.org/10.1002/2017JB014465

(3)地壳厚度:采用crust1.0的地壳厚度数据

(4)岩石流变常数:石耀霖,曹建玲. 中国大陆岩石圈等效粘滞系数的计算和讨论. 地学前缘, 2008, 15(3): 82~95.

Sun Y J, Dong S W, Fan T Y, et al. 3D rheological structure of the continental lithosphere beneath China and adjacent regions. Chinese Journal of Geophysics, 2013, 56(5), 546-558.

四、模型研制关键技术方法

利用库仑摩擦强度和流变强度公式计算不同深度的岩石强度,得到强度随深度变化的包络线,由包络线可以确定岩石处于脆性域还是柔性域。对于处于柔性变形的岩石,在温度和应变速率确定时,可以计算其等效粘滞系数。

五、模型完成情况与成果

获得了川滇地区壳幔粘滞结构,并给出不同深度粘滞系数的分布(图1),给出端点为(96.5,24.5)和(105,30.5)的剖面上粘滞系数随深度的变化(图2),同时给出东经105°、北纬30°处的粘滞系数随深度的分布(图3)。

图1 川滇地区不同深度粘滞系数分布(20km,40km,60km,80km)

图2 川滇地区剖面粘滞结构(lon1: 96.5, lat1: 24.5, lon2: 105, lat2: 30.5)

图3 东经105°、北纬30°处的粘滞系数随深度的变化

六、模型验证(测试)与精度评价

流变模型精度与所用温度场、应变率、地壳厚度等多种数据有关,目前获得的川滇流变模型为参考现有数据的初级版本,结果精度和分辨率与输入数据密度和质量相关,观测密集的区域精度较高,缺乏观测的区域(例如模型西南)精度较差。

七、模型使用说明

流变模型使用说明,参考计算文件夹文档readme.txt。

八、应用案例

流变模型所给出的川滇地区壳幔粘滞系数估值,应用于川滇地区运动学模型分析、川滇地区断层应力演化计算以及动力学模型构建中。

Please cite the following reference if this model is used in your research:

Xu Jing. (2019). The rhelolgical model in China Seismic Experimental Site. CSES Scientific Products., doi:10.12093/04md.02.2019.03.v1

流变模型基础数据