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岩石学报 2023年第8期39卷 2533-2540页

作者：张佳蕾马麦宁张吉凯曾欢中国科学院计算地球动力学重点实验室中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049

地幔楔是俯冲带系统的重要组成单元,在地球内部物质循环、壳幔相互作用过程中起着承上启下的关键作用。俯冲板片脱水可以引起上覆地幔楔中橄榄岩类的蛇纹石化,而蛇纹石的波速显著低于地幔橄榄岩,所以不同蛇纹石化程度的地幔楔表现出不... 详细信息

地幔楔是俯冲带系统的重要组成单元,在地球内部物质循环、壳幔相互作用过程中起着承上启下的关键作用。俯冲板片脱水可以引起上覆地幔楔中橄榄岩类的蛇纹石化,而蛇纹石的波速显著低于地幔橄榄岩,所以不同蛇纹石化程度的地幔楔表现出不同的低速特征。本研究首先利用天然叶蛇纹石热压合成纯的蛇纹岩样品,利用橄榄石和斜方辉石热压合成方辉橄榄岩样品,然后在高压下分别测量合成的方辉橄榄岩和蛇纹岩样品的纵波速度(VP)和横波速度(VS),结合Voigt-Reuss-Hill岩石物理模型计算得到不同蛇纹石含量的方辉橄榄岩的波速,最后结合地震波资料,估算出不同俯冲带地幔楔的蛇纹石化程度。研究表明,在地幔楔蛇纹石化程度和含水量的估算中,必须考虑斜方辉石蛇纹石化的影响。相比前人研究,方辉橄榄岩的蛇纹石化可能更接近于实际情况。

关键词：弹性波速方辉橄榄岩叶蛇纹石蛇纹石化地幔楔

利用热-孔隙流体耦合有限元数值模拟研究干热岩开发温度下降过程——以青海共和盆地恰卜恰地区干热岩开发为例

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地球物理学报 2023年第7期66卷 2887-2902页

作者：刘汉青胡才博赵桂萍石耀霖中国科学院大学地球与行星科学学院中国科学院计算地球动力学重点实验室北京100049

水力压裂是干热岩(HDR)开发最常用到的压裂方式,水力压裂形成的裂缝网络为增强地热系统的运行(EGS)提供了高渗透率的人工储层.本文在系统总结前人关于共和盆地水力压裂实验、数值模拟资料和现场水力压裂监测结果的基础上,引入了离散裂... 详细信息

水力压裂是干热岩(HDR)开发最常用到的压裂方式,水力压裂形成的裂缝网络为增强地热系统的运行(EGS)提供了高渗透率的人工储层.本文在系统总结前人关于共和盆地水力压裂实验、数值模拟资料和现场水力压裂监测结果的基础上,引入了离散裂缝网络(DFN),利用多物理场模拟软件COMSOL Multiphysics建立了共和盆地恰卜恰地区干热岩开采过程中的二维裂缝-基质热-孔隙流体耦合模型,并讨论了裂缝开度和基质渗透率对干热岩开采温度下降过程的影响.结果表明,裂缝网络是流体运移的主要通道.温度下降和早期压力变化范围沿着裂缝延伸,并向周围被裂缝分割的基质扩展.裂缝开度和基质渗透率是影响干热岩地热开采过程中温度下降的重要因素.当裂缝开度越大时,流体运移范围就越大,储层温度和产出水温下降就越快,储层下降范围就越广,热突破时间和运行寿命就越短.当基质渗透率越大时,越有利于流体进入基质进行热量交换,越容易从干热岩中提取热量,产出水温下降越快,运行寿命越短.

关键词：水压致裂共和盆地干热岩离散裂隙网络

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华北平原地下水开采对区域地震活动性的影响

地球物理学报 2022年第8期65卷 2931-2944页

作者：窦甜甜程惠红周元泽石耀霖中国科学院大学地球与行星科学学院计算地球动力学重点实验室北京100049

华北作为中国大陆强震区,同时也是我国人口最多的平原,20世纪60年代以来经历了大规模的地下水开采.本文基于华北平原1959—2016年地下水水位变化,结合区域地质背景建立了有限元孔隙弹性模型,定量分析地下水开采对区域地震活动性的影响.... 详细信息

华北作为中国大陆强震区,同时也是我国人口最多的平原,20世纪60年代以来经历了大规模的地下水开采.本文基于华北平原1959—2016年地下水水位变化,结合区域地质背景建立了有限元孔隙弹性模型,定量分析地下水开采对区域地震活动性的影响.结果显示,地下水开采引起的卸载作用导致区域地壳隆升,最大约35 mm,同时在垂直方向上产生拉伸,地下10 km深度处拉应力最大达92 kPa.根据华北地区历史地震震源参数计算库仑应力变化,结果表明地下水弹性卸载增大了断层面上的正应力,但开采引起的孔隙压力减小使开采区内库仑应力变化为负,而开采区外结果为正.通过分析认为库仑应力变化结果受断层产状、位置等的影响,华北平原地下水开采减小了该地区强震发生的可能性,但随着开采速率放缓及未来可能的水位抬升,会对区域地震活动性产生进一步影响.

关键词：华北平原地下水开采应力变化地震活动性

为何塔里木盆地独立于青藏高原整体变形之外而柴达木盆地却并入其中?

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地球物理学报 2022年第11期65卷 4259-4272页

作者：裴旭皇甫鹏鹏李忠海石耀霖中国科学院大学地球与行星科学学院计算地球动力学重点实验室北京100049

青藏高原北缘盆地与高原之间的协调变形是青藏高原壳幔演化变形的核心问题之一.塔里木盆地和柴达木盆地虽然都位于青藏高原北缘,但最终表现出不同结果;其中,柴达木盆地并入青藏高原并随之整体变形,而塔里木盆地仍然保持其几何和力学完整... 详细信息

青藏高原北缘盆地与高原之间的协调变形是青藏高原壳幔演化变形的核心问题之一.塔里木盆地和柴达木盆地虽然都位于青藏高原北缘,但最终表现出不同结果;其中,柴达木盆地并入青藏高原并随之整体变形,而塔里木盆地仍然保持其几何和力学完整性,从而独立于青藏高原的整体变形之外.两盆地差异性演化的物理机制研究目前仍较为薄弱.本文基于塔里木盆地与柴达木盆地的共性与差异性,以青藏高原一级构造演化为约束,建立二维热-动力学数值模型,通过系统的数值模拟实验,研究坚硬块体并入高原的壳幔变形过程及其控制因素.实验结果表明,坚硬块体是否并入高原并成为其一部分主要受控于坚硬块体的长度和地壳强度.具体地,坚硬块体越长,地壳强度越大,越不容易并入高原内部.因而,相比于柴达木盆地,面积更大更坚硬的塔里木盆地更难并入青藏高原.

关键词：柴达木盆地塔里木盆地青藏高原岩石圈变形数值模拟

长短时记忆神经网络在中期地震预报中的探索--以川滇地区为例

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地球物理学报 2022年第1期65卷 12-25页

作者：李林芳石耀霖程术中国科学院大学地球与行星科学学院计算地球动力学重点实验室北京100049

利用机器学习方法对地震活动大数据进行挖掘,识别出一些过去认识不到的异常,提高地震预测的准确性,是一个非常具有挑战性的科学问题.本文基于川滇部分地区(24°N—32°N,98°E—106°E)地震目录,采用滑动的时空窗口,选取16个反映地震时... 详细信息

利用机器学习方法对地震活动大数据进行挖掘,识别出一些过去认识不到的异常,提高地震预测的准确性,是一个非常具有挑战性的科学问题.本文基于川滇部分地区(24°N—32°N,98°E—106°E)地震目录,采用滑动的时空窗口,选取16个反映地震时空强度分布特征的地震预测因子,建立了长短时记忆(LSTM)神经网络,对研究区域9个子区块未来一年的最大地震震级进行预测.通过设置训练集∶测试集=8∶2和训练集∶测试集=7∶3两个不同的训练测试模型,对过往发生的地震进行了回溯性预报.结果表明:训练集∶测试集=7∶3模型能够利用1970年1月至2004年9月的地震目录进行学习,成功回溯性预报2008年汶川地震;训练集∶测试集=8∶2模型利用1970年1月至2009年5月资料进行训练,回溯性预报2010—2019年间6级以上地震的R评分为0.407,回溯性7级地震预报时准确率高达92.31%.本文还探讨性给出预测意见:2022年2月前研究区西部、中部、东部、西南部存在发生5.1~5.3级地震的潜在危险性.

关键词：中期地震预报长短时记忆神经网络预报因子 R值川滇地区

智利三联点南部含洋脊海洋板块俯冲过程的数值模拟

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地球物理学报 2022年第1期65卷 96-107页

作者：原一哲郭长升胡才博魏东平中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049 中国科学院计算地球动力学重点实验室北京100049

“三联点”是全球板块运动系统的重要组成部分.扩张的智利洋脊向南美板块俯冲形成了智利三联点,并造成了智利三联点以南数百千米范围内剧烈的地形变化.智利三联点区域的初始板块俯冲角度、洋脊扩张速率等因素的差异对南美板块岩石层热... 详细信息

“三联点”是全球板块运动系统的重要组成部分.扩张的智利洋脊向南美板块俯冲形成了智利三联点,并造成了智利三联点以南数百千米范围内剧烈的地形变化.智利三联点区域的初始板块俯冲角度、洋脊扩张速率等因素的差异对南美板块岩石层热结构及地形起伏造成了显著影响.本文采用有限差分方法,构建了智利三联点区域洋脊俯冲的二维数值模型,模拟洋脊俯冲的动力学过程,探究扩张洋脊俯冲过程中的岩石层变形机制、地表热流的分布特征及其影响因素.结果表明,与俯冲速率相比,俯冲角度对地表热流的影响相对较大,较小俯冲角度(15°)情况下的计算热流分布与基于观测点的插值数据较为吻合,并且俯冲速率越大,上覆板块岩石层温度异常区的水平长度越大,其距海沟的距离最大可至190 km.我们的模拟结果支持智利三联点南部南极洲板块以低角度俯冲至南美大陆板块下方的观点.

关键词：三联点伴随洋脊俯冲岩石层热结构热流

2011年日本东北大地震（M_W=9.0）震间与震前变形场特征及其对强震预测的启示

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地球物理学报 2020年第2期63卷 427-439页

作者：朱守彪中国地震局地壳应力研究所(地壳动力学重点实验室) 中国科学院计算地球动力学重点实验室

强震震前(preseismic)动力学过程的研究对于地震预测具有十分重要的意义,但由于观测资料的限制,目前对强震前孕震区力学状态及其演化过程的认识还非常有限.2011年日本东北9.0特大地震(Tohoku-Oki)发生在GPS观测台站最为密集的地区,为研... 详细信息

强震震前(preseismic)动力学过程的研究对于地震预测具有十分重要的意义,但由于观测资料的限制,目前对强震前孕震区力学状态及其演化过程的认识还非常有限.2011年日本东北9.0特大地震(Tohoku-Oki)发生在GPS观测台站最为密集的地区,为研究特大地震震间(interseismic)与震前的变形状态提供了难得的机会.文中将利用日本东北大地震之前连续的GPS观测资料,分别计算震间与震前的速度场与变形场.通过对比分析发现,日本东北地区(Tohoku)震前的应变状态与震间的有很大的不同,震间的变形主要受到太平洋板块向日本海沟北西西向的俯冲挤压作用所控制,其主压应变以近东西向压缩为主,日本东北地区的运动方向与太平洋板块的运动方向大体一致.但是,临近地震前(震前)日本东北地区的运动方向发生了很大变化,震前30天的连续GPS观测结果显示,速度场的优势方向经常变换,间歇性地出现与太平洋板块运动方向相反的情况.这意味着震前孕震区的力学状态发生了很大的改变.这种变化可能与震前破裂成核或慢滑移及慢地震等过程有关,这些过程将加速或促进大地震的发生,从而为大地震的发生准备了力学条件.值得特别强调的是,这些现象都是可以通过直接观测能够发现的大地震之前的异常现象.由此可见,加密GPS站点进行连续观测,寻找震前变形异常区以及探索异常的物理机制对于地震预测预报有重要的科学意义.

关键词： 2011年日本东北MW9.0大地震 GPS连续观测震前变形地应变率场地震预测

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2001年昆仑山口西MS8.1地震对周围断层的应力影响数值分析

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地球物理学报 2018年第12期61卷 4838-4850页

作者：任天翔程惠红张贝石耀霖中国科学院计算地球动力学重点实验室中国科学院大学北京100049

大地震的发生往往会引起周围区域形变场和应力场变化,且对临近断层上的应力状态也有影响.2001年11月4日,昆仑山口西发生了半个世纪以来中国最大的M_S8.1级地震.本文基于已有的滑动模型,建立了三维含地形高程的横向不均匀性椭球型地球有... 详细信息

大地震的发生往往会引起周围区域形变场和应力场变化,且对临近断层上的应力状态也有影响.2001年11月4日,昆仑山口西发生了半个世纪以来中国最大的M_S8.1级地震.本文基于已有的滑动模型,建立了三维含地形高程的横向不均匀性椭球型地球有限元模型,采用等效体力方法,分析了此次M_S8.1地震产生的全球同震位移和应力场变化.与解析方法相比,该模型考虑了地形、Moho面起伏和地球介质横向不均匀性;与一般的有限元数值模拟相比,该模型考虑了地球曲率和椭率,合理地规避了有限块体模型假定边界位移为零所引入的误差.计算得出同震位移与GPS观测数据可以很好地吻合.据库仑破裂应力准则和震源参数,计算得出昆仑山口西M_S8.1地震的发生造成了汶川、芦山、改则和当雄地震的发震断层上库仑应力增加,对这些地震的发生起促进作用;而造成玉树和德令哈地震发震断层上的库仑应力变化为负值,在一定程度上抑制了这些断层的地震活动性.此外,计算结果显示地球地形高程、介质非均匀性和椭率对昆仑山口西M_S8.1地震同震变化计算有一定的影响,其中地形和椭率造成的同震位移场相对误差约10%.

关键词：昆仑山口西地震同震效应库仑应力有限元模拟等效体力方法

历史大地震断层滑动模型的建立及其对同震数值计算的影响-以1920年宁夏海原Ms8．5大地震为例

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地球物理学报 2018年第3期61卷 975-987页

作者：邓园浩程惠红张贝张怀石耀霖中国科学院计算地球动力学重点实验室中国科学院大学北京100049

大地震的发生会引起区域位移场和应力场发生变化,进而改变区域内及临近断层的应力状态和地震活动性.目前,研究学者可据已有的断层滑动模型来计算分析大地震同震应力变化,同时采用库仑应力触发理论来进一步分析震后余震分布和断层危险性... 详细信息

大地震的发生会引起区域位移场和应力场发生变化,进而改变区域内及临近断层的应力状态和地震活动性.目前,研究学者可据已有的断层滑动模型来计算分析大地震同震应力变化,同时采用库仑应力触发理论来进一步分析震后余震分布和断层危险性.然而,历史上曾经发生过不少大地震,例如,1920年的海原MS8.5大地震,是全球范围内少见的特大地震之一.局限于无确切的地震台站地震波等资料,前人在研究历史地震的影响时往往给出一些简单的断层滑动模型,将断层面上错动量视为均匀分布.为更准确地了解历史地震对后续地震的影响,基于前人研究和一般地震滑动形态分布规律及地震反射剖面等资料,以海原MS8.5大地震为例,探讨了如何建立海原大地震断层滑动模型,并分别搭建了简单断层滑动模型和复杂断层滑动模型的全球同震横向不均匀并行椭球型地球模型.通过对海原MS8.5地震的同震位移场和应力场的计算,发现采用复杂断层滑动模型比简单断层滑动模型地表位错分布更切合实际.同时,进一步计算和分析了此次大地震对青藏高原东北缘近100年历史地震和周围断层的应力触发作用,得出断层滑动模型对同震计算结果的影响集中在发震断层附近而对远场影响较小.

关键词：断层滑动模型海原地震同震效应库仑应力