青藏高原壳-幔边界(Moho)属性与物质运移和地震槽波数学-物理模拟

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青藏高原具有全球典型的大陆岩石圈特征,是世界上“最理想的地球动力学实验室”。目前,对高原物质运移的变形机制的研究尚存在着一定的争论,其争论的焦点主要围绕着两个端元模型:一是岩石圈连续变形模型,二是通道流模型。  通道流模型作为一种可能的动力学演化机制,在解决诸如喜马拉雅造山带和青藏高原东缘、南缘等区域地壳中岩层的通道流或韧性剪切挤出等方面的解释给出了相应的模型和阐述。近年来,随着深部地球物理探测的深入发展,人们对通道流模型有了更加深化的认识,尽管如此,人们对于青藏高原地区特异壳幔结构与构造类型对通道流模型的影响,特别是Moho界面的展布形态对深部物质运移的动力学响应目前并没有明确的认识。青藏高原的高精度人工源深部地震探测发现:壳-幔边界(Moho)并非是一物理学上的“刚性”界面,它不仅起伏变化强烈,极为凹凸不平,而且被一系列规模不一,产状各异的深大断裂所切割,故必然会导致复杂的地表构造和深部物质运移的动力学响应。  为此,本研究拟基于青藏高原实际资料提取的壳、幔介质平均速度结构,利用有限单元法构建黏弹性壳幔介质模型,并在此基础上通过数值模拟方法讨论Moho界面起伏变换样式对通道流模型产生的制约与动力学响应。研究结果表明:通道流效应的影响仅限于小区域内,当Moho面存在起伏样式变化时,确会对通道流产生影响,Moho界面的起伏增强了下地壳和岩石圈地幔的同步运动效应,但是其影响范围是有限的;Moho界面起伏形态变化对地表和Moho界面水平位移产生的影响各异,在Moho界面发生错断的地方,呈现为地表水平位移开始发生明加速减小的地方,即地表与深部介质水平位移解耦,模型深部动力学效应与地表的响应并非为局部性效应,而至少体现出区域性的响应。  从物理性质角度看,造成高原内部壳、幔物质能有序运移的关键边界条件是存在于青藏高原上地壳底部和上地幔软流圈顶部的两处低速层。类似的低速层也常见于煤层槽波地震勘探中。为了进一步深入理解低速介质层在不同空间尺度及时间尺度上,由于不同的力学特征所带来的不同地球物理学效应,我们的研究针对地震波的传播特性,以煤层内的地震槽波勘探为例开展了低速层内槽波波场的数值模拟和物理模拟研究工作。  物理模拟方面,选用不同比例配比的环氧树脂和硅橡胶类材料构建地震槽波物理模型,通过透射法和反射法观测系统,获得了清晰的地震槽波记录。  数值模拟研究方面,首先用四边形网格谱元法对Rayleigh型槽波进行了二维数值模拟,进一步用高阶交错网格有限差分法对煤层中的地震槽波进行三分量全波场数值模拟。基于波场快照和人工合成地震记录研究了不同模型中的波场特征和各种波型的传播规律。研究表明,在煤层内以爆炸震源激发的地震波场中,Love型槽波的能量小于Rayleigh型槽波的SV分量,大于Rayleigh型槽波的SH分量。相对于Rayleigh型槽波的SH分量和Love型槽波,Rayleigh型槽波的SV分量在围岩中的泄露能量较强。在煤层界面附近的围岩中地震波仍以槽波形式传播。随着煤层变薄,煤层槽波主频向高频方向移动,频散现象增强,传播速度增大。
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