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深部探测技术与实验研究专项第七项目(SinoProbe-07)岩石圈三维结构与动力学数值模拟

2014-10-24

地球是人类居住的唯一场所,通过深部探测了解地下的物质、结构和动力学过程,不仅是人类探求自然奥秘的必然过程,更是人类汲取资源、保障自身安全的基本需要。2008年,我国启动了“深部探测技术与实验研究”专项(英文简写SinoProbe),标志着我国地球科学的深部探测计划拉开帷幕。深部探测技术与实验研究专项设9个项目,其中第7项目(SinoProbe-07“岩石圈三维结构与动力学数值模拟”的主要任务是建立覆盖中国大陆不同构造单元主要岩石类型物性参数数据库,构建包含三维计算模拟需要的网格库、三维有限单元法计算程序库及可视化工具的计算平台,对典型问题进行实例计算。从地球系统科学的角度,高度集成地质、地球物理和地球化学观测资料,运用数理科学定量方法和高性能并行计算技术,对中国大陆深部地幔对流与岩石圈耦合演化过程的时空特征与机理进行数值模拟。认识中国大陆深部地幔对流与岩石圈耦合演化过程中地球内部不同物理过程和不同圈层物质的相互作用,提升对大陆形成与演化的认知水平,为了解局部成矿基本机理与动力学演化关系、矿产资源形成、减轻地震灾害危害等提供参考意见。

SinoProbe-07“岩石圈三维结构与动力学数值模拟”项目下设5个课题,分别是:地壳深部探测高性能数值模拟平台建设、岩石物理性质测试与实验研究、中国大陆主要岩石物性参数测试与数据库构建、中国大陆岩石圈热状态和流变性质研究、基于高性能数值模拟的华北克拉通及青藏高原隆动力学研究。其中,“地壳深部探测高性能数值模拟平台建设”、“中国大陆岩石圈热状态和流变性质研究”、“基于高性能数值模拟的华北克拉通及青藏高原隆动力学研究”由中国科学院大学主持承担,“岩石物理性质测试与实验研究”、“中国大陆主要岩石物性参数测试与数据库构建”两项课题由中国地质科学院地质力学研究所主持承担。

在专项专家组、项目组长石耀霖院士以及关联课题专家的支持下,各课题团队全力以赴集智攻关,取得了一系列重要成果。中国科学院大学研究团队整合和开发了我国首个大规模的地球动力学数值模拟平台,在开发的地球动力学数值模拟平台上,采用中国大陆主要岩石类型物性参数测试与数据库的物性参数,反演了中国大陆岩石圈上地幔温度分布,计算了中国大陆及邻区岩石圈三维热结构,给出了包括强度和等效黏滞性系数在内的中国大陆及邻区岩石圈三维流变结构;评估了温度、含水量、岩性等测量的不确定性对岩石圈热和流变结构反演的影响,以及由此引起的流变性质的不确定性。同时,中国科学院大学研究团队以我国华北地区和青藏地区为例,利用SinoProbe07“岩石圈三维结构与动力学数值模拟”项目中其他四个课题关于物性、地下结构和性状的研究结果,开发了高性能计算和可视化平台,并进行了高性能地球动力学数值模拟计算的示范性研究。

中国地质科学院地质力学研究所科研团队通过实验研究,进一步探讨目前岩石物性领域存在的问题,充分挖掘地球物理探测数据中的地质信息,提高地质解释的精度和可靠度,构建了地球物理探测与地质解释桥梁,为地壳探测专项中其他有关项目、课题提供了岩石物性方面的支撑。针对本专项中地球物理探测及地球动力学模拟工作的部署,结合中国大陆主要岩石类型、重点区域(首都圈、西南三江等),采集岩石标本,进行了岩石物性参数的测试,研究不同温度-压力条件下的岩石物理力学参数及岩石变形特征和变形本构,构建了岩石物性参数数据库。

 

一、地壳深部探测高性能数值模拟平台建设

“地壳深部探测高性能数值模拟平台建设”课题由中国科学院大学张怀教授负责,课题总体目标在于建立能够利用中国大陆岩石圈热结构和三维流变结构来模拟中国大陆地球动力学过程,特别是重点研究区域(华北和青藏高原)的三维流变结构的大规模并行计算平台系统及可视化系统,同时建设数值计算模型,专门针对中国大陆深部地幔对流与岩石圈耦合关系的精细数值模拟实验问题中的壳–岩石圈地幔–软流圈地幔和上地幔演化,涉及到牛顿流体(地幔)与非牛顿流体(地壳)方程、温度场(能量方程)、壳幔热化学演化方程、质量守恒方程等强耦合系列地球动力学过程重要问题。

1.工作情况

按照专项立项的根本目的、建设目标和具体到“地壳深部探测高性能数值模拟平台建设”课题的规划,“地壳深部探测高性能数值模拟平台建设”课题组进行了大量的调研,分析主要研究任务,主要认识如下:

1)数值模拟平台建设。主要包括数值模拟相关的三维有限元并行计算程序库,同时建设数值计算模型,将专门针对中国大陆深部地幔对流与岩石圈耦合关系的精细数值模拟实验问题的壳–岩石圈地幔–软流圈地幔和上地幔演化,涉及到牛顿流体(地幔)与非牛顿流体(地壳)方程、温度场(能量方程)、壳幔热化学演化方程、质量守恒方程等强耦合系列地球动力学过程重要问题;将ANSYS平台的部分功能结合到本项目的数值模拟平台中。

2)三维大规模可视化平台建设。主要用于显示数值模拟结果,便于分析和展示海量地学观测数据和数值模拟结果。

课题组根据现有的研究全球性大规模地幔对流、区域性地幔对流和区域性强震演化物理和数值试验模拟的工作成果和科研经验,建立一个专门针对数值模拟研究华北克拉通破坏问题的壳–地幔岩石圈–地幔耦合大规模并行有限元分析计算平台系统。这个系统以大规模和超大规模数值模拟为核心,辅以能够生成百万量级三维非结构化网格的前处理系统和对这些大规模模拟数据进行有效可视化与数据挖掘分析的后处理系统。该系统强调专用性、针对性与实用性,即除了课题组可以使用其作为数值模拟试验平台以外,还能够将中国大陆的最新科研结果和资料及时纳入到模型的考虑之内,服务于“华北克拉通破坏”重大项目的相关研究项目,如提供大规模三维体绘制并行可视化系统,地质学家可以用来显示物理探测的最新结果,对科学结果进行重现,检验其可行性等,共同完善实际的物理模型,加深对该地区科学问题的认识。

根据以往的研究结果,研究青藏高原隆升以及华北克拉通破坏这样的典型的壳–地幔岩石圈–地幔耦合的地球动力学演化模式,需要数值模拟试验平台能够对局部小的对流环的动力学和热化学进行三维建模模拟。特别需要说明的是,根据多年的研究经验,数值计算模型绝对不能强调同一数值试验模型的大而全,而恰恰相反,对这些关键性参数应尽量分别处理、分别讨论。即在讨论一个关键参数(如控制对流的瑞雷数Rayleigh number)时,尽量对其他关键参数进行分离处理;对于强耦合性的一个或几个关键参数(温度场分布与对流速度耦合问题),也尽量做到用最简单的物理模型来进行建模和分析。这样才能保证科研过程和方法的可行,同时对最本质的科学问题进行刻画和研究。

数值模拟及可视化与具体科学问题相结合。依据已有关于青藏高原隆升以及华北克拉通破坏的地质学、岩石学、地球化学、地球物理学和地球动力学等多学科综合研究结果,在课题团队承担完成的973计划项目成果“区域强震活动演化的物理模型和预测模型试验”基础上,利用三维有限元壳幔耦合数值模型,解开这一地区的深层克拉通破坏与浅层地震活动性之间本质性物理联系,即探讨当前控制该地区强烈地震发生的主要因素及其与克拉通破坏导致的岩石圈减薄之间的关系,为板内强地震孕育环境的动力学研究提供合理的物理解释。数值模型系统中尽量全面地考虑实际地学问题中涉及到的各种物理学参数,如地表高程、沉积层厚度分布、断层信息、地震剖面速度结构、区域岩石自然分布与岩石学物性参数值、MOHO面深度分布等。

课题组在取得多项重要成果的同时发表学术论文18篇,其中SCI论文9篇;登记软件著作权3项。

2.主要成果

1)一个平台。在原有工作的基础上,完成了一个运行可靠的专门用来模拟中国大陆问题的数值模拟实验平台,重点整合和开发了一个三维粘弹介质动力学计算的有限元大规模并行数值模拟平台系统,网格计算能力达到5001000万网格,模型分辨率达到1km(水平和深度三个方向)。

2)一个系统。三维大规模可视化平台建设主要用于显示大规模数值模拟结果,便于分析和展示海量地学观测数据和数值模拟结果。

3)四个模型。数值模拟平台支持Maxwell模型;牛顿流体(地幔)与非牛顿流体(地壳)方程;线弹性模型;温度场(能量方程)以及各个模型之间的强耦合。

二、岩石物理性质测试与实验研究

“岩石物理性质测试与实验研究”课题由地质力学研究所龙长兴研究员负责。该课题通过实验研究,进一步探讨目前岩石物性领域存在的问题,充分挖掘地球物理探测数据中的地质信息,提高地质解释的精度和可靠度,构建地球物理探测与地质解释桥梁,为地壳探测专项中其他有关项目、课题提供岩石物性方面的支撑;研究涉及的物性参数包括P波、S波、密度、电导率、渗透率、热导率、岩石变形以及水岩反应等。

1.工作情况

该课题研究工作为期五年,重点开展了典型岩石物理性质的实验研究。课题针对辽宁岫岩地区蛇纹岩、延长油田砂岩、云南高黎贡山角闪岩、云南丙中洛地区板岩等野外采集的典型岩石样品,通过实验研究,探讨了目前岩石物性领域存在的科学问题,如岩石组构、矿物组成、温度、压力、流体等因素对岩石地震波速的影响、(高压超高压变质带)典型岩石地震波及其各向异性、砂岩渗透率分析,并基于波速对比进行了龙门山区域地壳岩石结构重建尝试。在SinoProbe0703建立的中国大陆主要岩石类型物性参数数据库基础上,进行数据挖掘研究,绘制了典型参数分析图表。由中国地质科学院矿产资源研究所专门研究了中地壳的高温高压流体与岩石反应动力学实验,研究了地壳的高温高压流体性质(电导率),提出了对中地壳性质的解释。

通过综合研究,充分挖掘了地球物理探测数据中的地质信息,为提高地质解释的科学性和可靠性,构建地球物理探测与地质解释桥梁,提供了岩石物性实验支撑。

课题组完成了设计的目标任务,共发表学术论文25篇,其中SCI/EI论文20篇。培养1名博士研究生。

2.主要成果

1)用叶蛇纹石的速度测试结果对俯冲带蛇纹石化程度进行了重新估计,发现高温蛇纹石化的估计值是传统用低温型蛇纹石估计值的两倍以上;获得的三种各向异性方式对应于三种不同的应变方式,可用于探讨俯冲带的变形特征。

2)通过对采自延长油田砂岩在干燥、饱水及饱油条件下纵波、横波速度的实验研究,获得了该地区地震波速随围压及孔隙流体性质变化的规律。从云南高黎贡山板岩与角闪岩波速性质的研究中,获得了P波和S波的各向异性系数,查清了波速各向异性的主导因素。

3)完成了大别–苏鲁造山带典型高压工样品超高压变质岩石地震波性质的研究,建立了拉梅参数和剪切模量与压力、温度以及矿物组成的定量关系;根据实测的龙门山地区变质杂岩地震波性质、区域地震波探测和地表热流的测量结果,初步确定了龙门山地壳的成分、波速、泊松比和温度随深度的变化规律,估算了5.12汶川大地震的矩震级。

4)开展了中地壳条件下的高温高压流体与岩石反应动力学实验研究,组装运行了新的大型水热实验体系,扩大了实验温度压力范围(大于300℃),提出了中地壳高导低速层成因的新认识。

5)开发了数据挖掘算法模型,分析得到了地震波速、渗透率、磁性、电性、热物理等各类数据间的34种关系。

三、中国大陆主要岩石类型物性参数测试与数据库构建

   该课题由地质力学研究所王红才研究员负责。课题主要针对专项中地球物理探测及地球动力学模拟工作的部署,结合中国大陆主要岩石类型、重点区域(首都圈、西南三江等),采集岩石标本,进行岩石物性参数的测试,研究不同温度–压力条件下的岩石物理力学参数及岩石变形特征和变形本构,构建岩石物性参数数据库。为国家的抗灾救灾、工程应用、专项的物探解译、中国大陆深部地幔对流与岩石圈耦合关系的数值模拟等研究提供基础数据支撑。

1.工作情况

2008年立项开始,课题组即开展针对性实验研究,重点在首都圈和西南三江地区及部分矿山采集、实验测试获取了2300余件岩石样品的物性参数(涉及密度、地震波、磁性、电导、岩石强度参数等),开发了物性数据库系统,其中收录了岩石物性数据4000余条,开展了多项岩石物理力学性质的针对性实验研究。

该课题完成了预定计划,建立了我国首个网络运行的中国主要岩石类型岩石物性参数数据库,针对典型岩石物理力学性质对地质过程的响应进行了深入研究,定量刻画岩石的物性指标,为工程建设和地球动力学模拟提供基础数据。发表学术论文12篇,其中SCI论文7篇;获得软件著作权1项。培博士研究生1名、硕士研究生2名。

2.主要成果

1)在Java平台上,利用InternetGISDatabase等技术,建立了中国大陆主要岩石类型岩石物性参数数据库,实现了岩石地震波、电导、磁性、变形性质等数据的综合管理、空间导航、资料查询应用和实验测试数据的处理和分析等功能,具有先进性。

数据库有以下特点:①通过标准互联网浏览器访问项目成果,实现研究成果的网络共享使用; ②先进的地理空间数据库技术立体展示和便捷的研究成果检索;③三级权限验证控制数据库访问机制,数据安全可靠;④建立了较为完善的物性实验数据拓扑模型,使数据挖掘成为可能;⑤跨平台部署,成本低。

2)通过实验研究建立了从三轴压缩资料确定粘聚力参数C(κ)和内摩擦角φ(κ)随塑性内变量κ等塑性参数的技术和方法,并给出了试验室得到的一些岩石(如:长庆砂岩、房山大理岩)的C(κ)φ(κ)值结果。在各向同性强(软)化模型下,深入研究了初始塑性屈服面及后继屈服面,建立了Mohr-Coulomb塑性屈服准则,丰富了岩石物性的内涵。

3)开展了天然岩石样品高温高压条件下的变形实验测试,为震源深度岩石变形本构的研究提供了实验支持。

4)针对2008512四川省汶川县特大地震,数值模拟了同震应力场,分析了地震同震位移与应力场变化,揭示了地震前后地应力的变化规律及其影响程度、范围和力学机理。

5)依据中国东部苏鲁地区高压–超高压榴辉岩中钛–赤铁矿固溶体含铁钛矿物成分与丰富的出溶薄层结构与系统岩石磁学及矿物化学配套分析结果,结合区域深部地质背景,提出了岩石磁化率κ和天然剩余磁化强度(NRM)分别受到铁–钛矿物成分及含量和出溶薄层控制的认识。

在我国重要大陆下地壳岩石出露地区河北张家口汉诺坝地区和曼菁沟–瓦窑口地区,利用太古代麻粒岩相地质体与新生代麻粒岩相包体岩石作为研究对象,探讨了大陆下地壳岩石的磁性特征及其在大陆深地壳演化与华北克拉通北部区域磁异常解释中的意义。

6)利用物理模拟与数值模拟手段,试验验证了等距性断裂现象,揭示了其变形机理。

四、中国大陆岩石圈热状态和流变性质研究  

“岩石圈三维结构与动力学数值模拟”课题由中国科学院研究生院周元泽副教授主持,课题主要基于专项所属各项目的探测数据和成果数据以及前人的观测和研究成果,给出中国大陆岩石圈三维速度结构模型以及三维流变结构模型,进而据此给出适用于地球动力学数值模拟的结构化网格库,为SinoProbe-07“岩石圈三维结构与动力学数值模拟”项目课题一和课题五提供必要的参数保障和模型网格库保障。课题进一步分析不同时间、空间尺度下地球介质流变性质效应以及不同基础参数不确定性对流变性估计产生的误差评估。

1.工作情况

2008年开始,课题组按照年度计划进行全面的资料收集整理与甄别,首先基于地震波速结构进行热结构反演,并利用相关的热边界约束,获得中国大陆三维岩石圈热结构,据此计算出三维流变结构,并将其剖分出满足数值模拟需要的多尺度、自适应有限元网格,进行了相关测试,取得了较好的成果;同时全面分析了不同时间、空间尺度下地球介质流变性质效应以及不同基础参数不确定性对流变性估计产生的误差评估。  

课题实施过程中培博士生2人,硕士生2人。

2.主要成果

1)课题组基于地震波速度结构(CRUST2.0等)反演出中国大陆岩石圈上地幔温度分布,并在气象观测提供的地表地温等资料的约束下,根据三维稳态热传导方程,计算出中国大陆及邻区岩石圈三维热结构,进而利用GPS观测数据等得到的应变率,参考一定的岩石物性分层,给出了包括强度和等效粘滞性系数在内的中国大陆及邻区岩石圈三维流变结构。

2)根据项目的安排,课题组在获取前人和关联项目提供的地震波速度结构的同时,取到三维流变结构,构建了满足SinoProbe-07“岩石圈三维结构与动力学数值模拟”课题一和课题五需要的1000万多尺度有限元网格,特别是根据断层存在的需求网格最小尺度可以达到0.2公里;同时还对剖分出来的网格进行了模拟效果测试,取得了较好的效果。

3)针对温度、含水量、岩性等测量中存在的不确定性,对岩石圈热和流变结构反演的影响引起的流变性质不确定性进行了全面的分析评估,并对实验室尺度物性在地球动力学尺度上的变化进行了分析研究。

五、基于高性能数值模拟的华北克拉通及青藏高原动力学研究 

“基于高性能数值模拟的华北克拉通及青藏高原动力学研究”课题由中国科学院大学地球科学学院石耀霖院士主持,该课题主要是以我国华北地区和青藏地区为例,利用SinoProbe07“岩石圈三维结构与动力学数值模拟”项目中其他四个课题关于物性、地下结构和性状的研究结果,开发高性能计算和可视化平台,进行高性能地球动力学数值模拟计算的示范性研究。展示计算平台可以深入定量化地解决实际地球动力学问题以及在地球动力学计算模拟中需要注意的关键性问题,提供计算模拟平台开展工作所必需的技术和方法。

1.工作情况

在地幔对流与岩石圈动力学过程的耦合关系研究方面,进行了以层析成像为基础的全球地幔对流研究、青藏高原动力学研究、太平洋俯冲带后撤对我国华北影响的研究。通过多尺度的逼近把大规模深部研究和局部岩石圈和地壳变形研究有机结合起来。

在中、新生代华北克拉通的动力学过程的数值模拟研究中,对热对流进行不同参数和控制因素下的数值试验,通过模拟重力失稳和对流侵蚀不同机制,加深了对华北克拉通破坏控制因素的认识。

在青藏高原隆升过程动力学特征的数值模拟方面,根据地球物理和地质资料,重点考察青藏高原复杂的流变结构和横向不均匀性对动力学过程的影响,通过模拟,对下地壳流动存在的条件、特征、控制因素进行了研究,可以解释目前观测到的GPS位移和震源机制特征以及与大地震发生的联系。对汶川地震的成因定量化分析及其对后续地震影响进行了数值模拟。

 在我国构造应力场成因和变化特征以及与地震活动性关系的计算模拟方面,对华北、台湾等典型地区进行了研究,计算了复杂构造和流变性质的影响以及大地震对构造应力场造成的变化、应力场分布与强震发生的关系。

课题完成预定计划,协同SinoProbe07的第一和第四课题,共发表论文57篇(第一资助31篇,第二资助17篇),其中SCI论文28篇(第一资助13篇)。培博士生6人,硕士生1人,出站博士后5人。

2.主要成果

1)在地球深部过程和地球动力学研究方面,通过利用实际层析成像结果,进行全球地幔对流计算,从全球、区域再到局部进行多尺度的逼近,得到了深入的认识。认识了影响中国大陆地球动力学基本格局的重要因素,提出在地幔软流层尺度,存在印度板块下地幔软流层向北的运动驱动陆陆碰撞之后五千万年持续的构造运动和高原隆起;而太平洋俯冲带的后撤造成远场弧后扩张及中国西部地幔软流层的向东运动,影响东部新生代的引张和盆地形成。指出青藏高原存在柔性下地壳,由于高原东南侧存在物质流出的缺口,因此形成青藏高原下地壳的大规模流动,它对高原上地壳的拖曳作用形成GPS观测到的绕喜马拉雅东构造结的顺时针旋转。下地壳流动的速度仅可能比上地壳每年快数毫米。还对一些必须考虑全球变形的问题进行计算。例如,计算日本东北Mw9级大地震后在远场造成的位移和应力变化,必须考虑球面曲率。通过300万单元的三维弹性有限单元法并行计算得到的同震位移与实际观测很好吻合,并用于对华北未来地震活动性的物理预测。

2)在汶川地震五年之后,需要对该地震孕育发生条件等一些基本问题做出深入的回答。有些问题不能以一般通俗的定性解释来回答,需要定量模拟才能给出答案。此课题通过综合地质地球物理数据开展层析成像、岩石圈温度和流变性质的研究,构建模型开展数值模拟,结果表明整个地壳发生脆性破裂的纯弹性模型不能解释观测到的现象,高原之下存在柔性最强的下地壳的模型,可以解释三个问题:为什么汶川地震发生在龙门山之下,而不是更东或更西?为什么发生在十几公里的深度,而不是更深或更浅?为什么西南段是逆掩而在东北段转变为右旋走滑?

3)汶川地震是否与紫坪铺水库蓄水有关,这是一个学术界和社会大众关注的问题。除了定性的讨论之外,国内外也有几个研究组各自做了一些定量的计算工作,但所用的方法和得到的结论各不相同。怎样进行模拟?怎样理解模拟的结果?课题对此进行了深入的研究。对于处理水库地震触发的数值模拟问题中必须考虑的因素,影响计算结果的主要参数,如何保证计算结果的可靠性等均进行了细致的讨论。指出目前各家得到的蓄水引起库仑应力变化虽然有所差别(-1kPa10kPa之间),但具有共同的认识,即弹性载荷阻碍汶川地震发生,水的扩散有助于地震发生;但水的作用到底多大,因为方法、参数等不同而有差异。进一步的工作有赖于对深部关键参数的获取能否实现突破性进展。

4)区域应力场与地震活动研究方面,对我国板内地震多发的华北区域,历史多次破坏性大地震的空间分布特征,进行了数值模拟分析。对于两个板块交界存在复杂关系的台湾地区,进行了三维构造应力场分析。这些研究也说明了柔性下地壳在地震孕育发生中发挥重要作用。另外,对如果在马尼拉海沟或琉球海沟发生特大地震,我国东南沿海所存在的海啸危险性也进行了数值模拟和讨论,取得了新的认识。

总之,通过这些工作,显示了数值模拟在地球动力学中应用的可能性以及需要注意的事项,为进一步开展数值模拟提供了基础性的意见。