范桃園，龍長興，楊振宇，陳群策，吳中海，邵兆剛，仝亞博

國土資源部新構(gòu)造運(yùn)動與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081

中國大陸現(xiàn)今地應(yīng)力場黏彈性球殼數(shù)值模擬綜合研究

范桃園，龍長興，楊振宇，陳群策，吳中海，邵兆剛，仝亞博

國土資源部新構(gòu)造運(yùn)動與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081

中國大陸現(xiàn)今實(shí)測地應(yīng)力場的狀態(tài)與板塊構(gòu)造環(huán)境、活動斷裂帶分布、地形地貌以及地殼結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)一定相關(guān)性.在中國大陸西緣，印度洋板塊與歐亞板塊陸發(fā)生陸碰撞，在中國大陸東緣，菲律賓海板塊、太平洋板塊俯沖到歐亞板塊之下.中國大陸內(nèi)部被大型活動斷裂帶分割為多個塊體，各個塊體的地殼結(jié)構(gòu)和厚度呈不均勻分布，地形地貌起伏具有很大的差異.筆者以中國大陸塊體模型為基礎(chǔ)，把板塊構(gòu)造作用和重力勢作為主要影響地應(yīng)力狀態(tài)的兩個主要要素，在現(xiàn)今活動構(gòu)造、GPS和實(shí)測地應(yīng)力等成果的約束下，利用線性黏彈體球殼有限元模擬分析了中國大陸現(xiàn)今地應(yīng)力場的分布特征和控制因素.結(jié)果表明：（1）構(gòu)造應(yīng)力場總體上呈現(xiàn)出西部擠壓，東部拉張的特征，印度板塊與歐亞板塊的持續(xù)碰撞形成了青藏高原及其周緣的擠壓性質(zhì)的構(gòu)造應(yīng)力場，而東部菲律賓板塊與太平洋板塊的俯沖形成了黃海、東海和環(huán)渤海區(qū)域的拉張性質(zhì)的構(gòu)造應(yīng)力場，中間為拉張環(huán)境和擠壓環(huán)境的過渡，最大主應(yīng)力的方向受到板塊構(gòu)造環(huán)境和活動構(gòu)造分布的控制；（2）重力的影響主要體現(xiàn)在地形梯度大和地殼厚度結(jié)構(gòu)變化大的地殼淺部區(qū)域，在藏南、滇西北局部地區(qū)的地殼淺部由于受到重力勢控制，呈現(xiàn)為張性應(yīng)力場，在塔里木地區(qū)由于重力勢引起的應(yīng)力場與構(gòu)造應(yīng)力場同為擠壓性質(zhì)，因此該區(qū)的擠壓強(qiáng)度得以增加；（3）中國大陸淺部地應(yīng)力場的狀態(tài)主要受到區(qū)域板塊構(gòu)造環(huán)境、塊體邊界活動構(gòu)造帶的展布和地形的控制，總體上以南北構(gòu)造帶為界，西部以較強(qiáng)的壓性構(gòu)造環(huán)境為主，東部為較弱的壓性構(gòu)造環(huán)境，藏南和滇西北局部地區(qū)存在有張性構(gòu)造環(huán)境；構(gòu)造應(yīng)力對地應(yīng)力的貢獻(xiàn)比重隨著深度增加而增加；（4）采用黏彈性模型的構(gòu)造應(yīng)力場模擬結(jié)果比完全彈性模型的模擬結(jié)果能夠更好地與實(shí)測地應(yīng)力場相吻合，利用完全彈性模型分析由地震等誘發(fā)的地應(yīng)力瞬時變化是有效的；（5）青藏高原東南緣最大主應(yīng)力方向發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)，其主要控制因素有：印度板塊持續(xù)的碰撞、中下地殼對上地殼拖曳以及印度板塊通過實(shí)皆斷裂對歐亞板塊的剪切拉伸作用.中國大陸現(xiàn)今地應(yīng)力場是整個地殼巖石黏彈特性長期演化和斷裂活動的結(jié)果，是地應(yīng)力場動態(tài)演化過程中在現(xiàn)今時間點(diǎn)上的狀態(tài)，受到板塊構(gòu)造環(huán)境、大陸內(nèi)部活動斷裂分布、地形地貌和地殼結(jié)構(gòu)等因素不同程度的控制，模擬結(jié)果為中國大陸地應(yīng)力場提供了一個定量的參考模型.

中國大陸，地應(yīng)力場，活動構(gòu)造，黏彈性，有限元模擬

1 引 言

地應(yīng)力是地震活動、造山事件、沉積盆地形成以及地下流體運(yùn)動等地質(zhì)過程的直接控制因素，也是采礦、水利、橋梁等工程建設(shè)中必須考慮的地質(zhì)條件.中國大陸屬于歐亞板塊的一部分，被夾持在印度板塊、菲律賓海板塊、太平洋板塊和西伯利亞—蒙古塊體之間，受印度板塊與歐亞板塊的碰撞和菲律賓板塊的俯沖的影響，其內(nèi)部構(gòu)造運(yùn)動極為活躍，板塊構(gòu)造環(huán)境所控制的地應(yīng)力場是活動構(gòu)造的直接動力因素.通過活動斷裂、原地應(yīng)力測量和地震活動的震源機(jī)制等研究能夠反映局部的地應(yīng)力場狀態(tài)，并在一定程度上反映區(qū)域地應(yīng)力場的分布趨勢特征［1］，盡管中國大陸地應(yīng)力場在區(qū)域上受控于周緣的板塊構(gòu)造環(huán)境，而在局部地區(qū)則顯示了活動斷裂構(gòu)造和塊體構(gòu)造單元地殼結(jié)構(gòu)的影響，地應(yīng)力場在不同的空間尺度具有不完全一致的控制因素.活動構(gòu)造與地應(yīng)力場的關(guān)系相互影響、密不可分，一方面，活動構(gòu)造的活動性體現(xiàn)了局部應(yīng)力場的特征；另一方面，活動構(gòu)造的存在會造成局部地應(yīng)力場的調(diào)整，從而影響地應(yīng)力場在局部地區(qū)的分布狀態(tài)［2－5］.地形起伏和地殼介質(zhì)密度分布不均勻引起的重力勢所產(chǎn)生的地應(yīng)力場也是地應(yīng)力分析中重要的因素之一，并引起許多學(xué)者的關(guān)注和研究［6－8］.中國大陸在不同區(qū)域地殼厚度分布不均勻，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也存在很大的差異［9－16］，青藏高原的地殼厚達(dá)70多公里，而東部華北地區(qū)只有30km左右；地形地貌起伏很大，青藏高原平均高程達(dá)4km.地應(yīng)力場在不同區(qū)域、不同深度其主要控制因素也有所區(qū)別.眾多學(xué)者［17－19］利用數(shù)值模擬方法從總體上分析了中國大陸構(gòu)造應(yīng)力場的特征和成因，模擬過程中主要有以下幾點(diǎn)考慮不夠：（1）模擬過程中都采用平面直角坐標(biāo)系，而對于中國大陸整體上經(jīng)緯度跨度都比較大，選用球殼模型更能夠接近實(shí)際；（2）在模擬過程中，邊界條件和模擬結(jié)果約束或者只選用GPS，或者只選用實(shí)際地應(yīng)力場觀測數(shù)據(jù)，沒有把二者給予統(tǒng)一考慮；（3）重力作為影響地應(yīng)力場分布的重要因素之一，缺乏對其定量的分析.完整地理解現(xiàn)今地應(yīng)力場的狀態(tài)，不僅需要現(xiàn)今的構(gòu)造環(huán)境和巖石圈展布特征，而且需要了解巖石圈在最近地質(zhì)歷史時期內(nèi)的運(yùn)動狀態(tài)和動力學(xué)演化過程，特別是活動構(gòu)造所反映的地應(yīng)力場狀態(tài)和演化.本文以中國大陸主要活動斷裂所控制的塊體模型為基礎(chǔ)，采用黏彈性殼體有限單元，綜合考慮GPS、地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果以及重力等影響，分析中國大陸地應(yīng)力場的特征和控制因素.

2 基本方法

從巖石力學(xué)上來說，盡管整個地殼的巖石主要表現(xiàn)為彈性，但是目前在中地殼普遍存在一個巖石強(qiáng)度相對弱的區(qū)域.地殼上部的構(gòu)造塊體單元可以看作是完全彈性介質(zhì)，活動斷裂作為塊體邊界具有與構(gòu)造塊體本身完全不同的性質(zhì)，活動斷裂運(yùn)動除了伴隨地震發(fā)生瞬間明顯的斷層滑動外，更多的運(yùn)動則表現(xiàn)為大量的無震滑動和長期蠕動等形式［20］，活動斷裂帶可以視為調(diào)整塊體彈性應(yīng)力的軟弱帶.

現(xiàn)今中國大陸地應(yīng)力場是在周緣板塊構(gòu)造環(huán)境條件下，地應(yīng)力場長期演化過程中的一個瞬間狀態(tài).地殼巖石在大時間尺度上通?？捎脴?biāo)準(zhǔn)線性體來近似，Maxwell體為標(biāo)準(zhǔn)線性體的一個特例（圖1）［21－24］，作為黏彈性的巖石具有應(yīng)力松弛和應(yīng)變?nèi)渥兊奶匦?其本構(gòu)關(guān)系在Laplace域可表示為

其中

τ為弛豫時間：

圖1 Maxwell標(biāo)準(zhǔn)線性黏彈體（a）及其蠕變（b）和松弛曲線（c）Fig.1 （a）The Maxwell form of standard linear solid；（b）The creep compliance；（c）The relaxation modulus

中國大陸塊體通過板塊邊界受到相鄰板塊的作用力，這些作用力一方面通過完全彈性變形作用于中國大陸內(nèi)部，另一方面，相鄰板塊持續(xù)的作用通過巖石的黏滯性對中國大陸內(nèi)部作用，這種作用不同于完全彈性，在不同的時間不同塊體具有不同的狀態(tài).由于受到斷層庫侖摩擦破裂強(qiáng)度的限制，塊體內(nèi)能夠維持的地應(yīng)力通常符合Byerlee準(zhǔn)則［25］.當(dāng)板塊邊界作用于大陸地殼內(nèi)部時，板塊邊界的作用力不會超過Byerlee準(zhǔn)則所確定最大應(yīng)力，所以邊界作用力在一定的地質(zhì)歷史時間內(nèi)，當(dāng)板塊構(gòu)造環(huán)境沒有發(fā)生變化時，應(yīng)為一個持續(xù)恒定的應(yīng)力，這種邊界作用力除了瞬時的彈性應(yīng)力作用于塊體內(nèi)部，還會由于不同塊體具有不同巖石黏滯性，導(dǎo)致在不同的時段具有不同的應(yīng)力狀態(tài)，并最終達(dá)到平衡，大陸地殼整體都處于一個臨界的斷裂平衡的狀態(tài)，全球廣泛存在有水庫蓄水和流體注入引起的地震活動、一個地震的發(fā)生會觸發(fā)另一個地震的發(fā)生，原地深孔地應(yīng)力測量結(jié)果符合Byerlee準(zhǔn)則，這些現(xiàn)象恰好說明了目前大陸內(nèi)部，特別是活動構(gòu)造斷裂附近處于臨界斷裂平衡狀態(tài)［26－27］.

地應(yīng)力場通常為構(gòu)造應(yīng)力場與重力勢引起的應(yīng)力場的疊加，重力勢引起的應(yīng)力場主要是由地形起伏和巖石層密度不均勻造成的，當(dāng)?shù)貏萜骄徢业叵聨r石分布均勻時，重力對地應(yīng)力場影響可以忽略不計，構(gòu)造應(yīng)力場通常由于受到巖石強(qiáng)度的限制，在不同的構(gòu)造環(huán)境具有不同的變化規(guī)律.

3 地質(zhì)模型

3.1 中國大陸活動構(gòu)造塊體模型

中國大陸是由不同活動塊體組成，塊體之間以大型的活動斷裂帶為分界，板內(nèi)塊體具有不同活動程度的次級斷裂［28－29］.中國大陸及其鄰區(qū)的活動地塊主要有拉薩、羌塘、巴顏喀拉、柴達(dá)木、祁連、川滇、塔里木、天山、準(zhǔn)噶爾、華北等（圖2）.隨著現(xiàn)代GPS觀測資料的不斷積累，初步構(gòu)建了中國地殼活動的運(yùn)動模型［30－33］，并在此基礎(chǔ)上分析了其應(yīng)變場的特征［34－35］，中國大陸的現(xiàn)今構(gòu)造變形主要以剛性地塊運(yùn)動為主，如塔里木、鄂爾多斯、華南等地塊；只有少數(shù)塊體內(nèi)部存在比較明顯的連續(xù)變形，如青藏高原和天山.塊體分界的大型活動斷裂區(qū)是變形的主要區(qū)域，邊界斷裂區(qū)的應(yīng)變率遠(yuǎn)大于塊體內(nèi)部的應(yīng)變率，通常邊界斷裂帶都具有數(shù)十公里的寬度，發(fā)育了中國大陸的主要地震活動［29，36］.周緣的印度板塊、菲律賓板塊和太平洋板塊的運(yùn)動是中國大陸板塊內(nèi)部構(gòu)造活動的主要動力來源.印度板塊與歐亞板塊為陸陸碰撞，形成擠壓環(huán)境；菲律賓板塊和太平洋板塊與歐亞板塊為洋陸碰撞，太平洋洋殼和菲律賓的洋殼向歐亞板塊之下俯沖，形成了日本海和沖繩海槽，形成拉張的邊界環(huán)境.

3.2 中國大陸地殼結(jié)構(gòu)

中國及鄰區(qū)地殼厚度分布的特點(diǎn)為從東到西逐漸增厚，在構(gòu)造塊體內(nèi)部地殼厚度通常變化較緩，如蒙古高原、華北、華中、華南、青藏高原內(nèi)部等地區(qū)（圖2）.西部青藏高原的地殼厚度平均為60～70km，局部達(dá)到74km，而東部地區(qū)的厚度平均為30～36km，沿海地區(qū)僅有28～30km；地殼局部厚度變化與構(gòu)造環(huán)境密切相關(guān)，大型地塊的邊界帶處的地殼厚度梯度也比較大，南北構(gòu)造帶以東地殼厚度為40km，而在南北構(gòu)造帶以西達(dá)到60km，在很短的距離上地殼厚度發(fā)生了很大的變化.中國大陸的地殼在沉降帶或盆地發(fā)育地方的地殼較周圍薄一些，如塔里木、準(zhǔn)格爾、柴達(dá)木、鄂爾多斯等盆地，而抬升區(qū)或造山帶處的地殼較周圍厚一些，如青藏高原、天山、太行山等地區(qū)［37－39］.穩(wěn)定的克拉通塔里木、華南、鄂爾多斯地塊處，其地殼內(nèi)低速層不發(fā)育，而其它地區(qū)都普遍有地殼低速層發(fā)育，特別在青藏高原的中地殼低速層整體上普遍存在［9］.而細(xì)致地殼的流變結(jié)構(gòu)成果［40］為本文進(jìn)行地應(yīng)力場的數(shù)值分析提供了直接的參數(shù)依據(jù).

4 有限元模型的建立

4.1 有限元網(wǎng)格模型

在模擬過程中，以中國大陸塊體模型為基礎(chǔ)，采用三維球殼黏彈線性體單元，對塊體模型進(jìn)行無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分（圖3），模型的地形分布參照GTOPO30數(shù)字高程模型，按照區(qū)域板塊構(gòu)造環(huán)境，設(shè)定邊界條件和加載.塊體邊界的大規(guī)模活動斷裂帶的網(wǎng)格單元劃分相對細(xì)密，從而保證邊界斷裂帶的數(shù)值計算的穩(wěn)定性.各個塊體和斷裂帶分層巖石物性參數(shù)見表1，各個塊體分為上地殼、中地殼和下地殼三層，表中的楊氏模量和泊松比為瞬態(tài)泊松比，剪切模量系數(shù)是指巖石剪切模量在經(jīng)過足夠長的時間后，其長期剪切松弛模量與瞬時剪切模量的近似比值，長時間的泊松比近似為0.5，巖石密度上地殼取為2750kg／m3，中下地殼為3300kg／m3.

圖2 中國大陸構(gòu)造塊體分區(qū)及板塊構(gòu)造環(huán)境Fig.2 China mainland tectonic blocks and its surrounding plate tectonics

圖3 有限元網(wǎng)格模型及邊界條件Fig.3 FEM mesh model and boundary condition

4.2 邊界條件和加載

模型北邊界中段為南北向和東西向均為約束邊界；北邊界東西兩端和南邊界東段均為南北向約束，東西向自由；西邊界北段和東邊界南端均為東西向約束，南北向自由；其他邊界均按照構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境加載應(yīng)力.

根據(jù)Anderson斷層理論可以確定不同性質(zhì)的斷層所在區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力特征［27，41］.在正斷層、走滑斷層和逆沖斷層活動的不同區(qū)域，其應(yīng)力特征分別為：

其中σ1為最大主應(yīng)力，σ3為最小主應(yīng)力，SHmax為水平最大主應(yīng)力，Shmin為水平最小主應(yīng)力，SV為垂向應(yīng)力，Pf為孔隙流體壓力，μ為斷層臨界摩擦系數(shù)，根據(jù)Byerlee實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［25］和深部地應(yīng)力測量結(jié)果［27］，其取值范圍在0.6～1.0之間.由此可得出正斷層區(qū)域，垂直斷層的方向?yàn)樽钚≈鲬?yīng)力方向，也是水平最小主應(yīng)力，其大小約為

表1 模型巖石物性參數(shù)Table 1 Physical property parameters of rocks in model

在逆沖斷層區(qū)域，垂直斷層的方向?yàn)樽畲笾鲬?yīng)力方向，也是水平最大主應(yīng)力，其大小約為

通常巖石流體密度比ρrock／ρliquid約為3.0，

當(dāng)μ＝0.6時，Shmin≥0.55ρrockgh，SHmax≤2.41ρrockgh，當(dāng)μ＝1.0時，Shmin≥0.45ρrockgh，SHmax≤4.22ρrockgh.

由于板塊邊界的最大主應(yīng)力方向與板塊邊界近似垂直，所以按照板塊構(gòu)造環(huán)境對邊界加載最大主應(yīng)力或最小主應(yīng)力的應(yīng)力載荷，除去重力作用的影響，邊界條件見表2.

表2 邊界加載應(yīng)力表Table 2 The load on the boundary

5 模擬結(jié)果分析

圖4為在邊界加載壓力約10萬年后的近地表的速度分布，在這一時間點(diǎn)上，模擬速度整體上能夠很好地與現(xiàn)今實(shí)測的GPS速度場吻合，因此，現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場的分布特征可參考該時點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)模擬結(jié)果.圖5為在只加載邊界應(yīng)力，而不考慮重力作用，約10萬年后的距地表1000m深度的構(gòu)造應(yīng)力場模擬結(jié)果，總體上構(gòu)造應(yīng)力場在西部為擠壓，東部為拉張，構(gòu)造應(yīng)力場最大主應(yīng)力的方向受到板塊構(gòu)造環(huán)境和活動構(gòu)造分布的控制，印度板塊與歐亞板塊的持續(xù)碰撞形成了青藏高原及其周緣的擠壓性質(zhì)的構(gòu)造應(yīng)力場，而東部菲律賓板塊與太平洋板塊的俯沖形成了黃海、東海和環(huán)渤海區(qū)域的拉張性質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場，中間為拉張環(huán)境和擠壓環(huán)境的過渡區(qū)域.

圖4 模擬速度與現(xiàn)今實(shí)測GPS速度對比圖圖中白色的箭頭為實(shí)測的GPS速度場，參照系為穩(wěn)定歐亞大陸板塊（據(jù)王琪等［42］和中國地殼運(yùn)動觀測網(wǎng)絡(luò)），黑色箭頭為數(shù)值模擬結(jié)果.Fig.4 Comparison between the modeling velocity and the measured velocity with GPSThe white arrows are GPS measured velocity，the reference frame is stable Europe－Asia continental plate（reference Wang［42］and the China Crust Movement Observation Network），the black arrows are modeling results.

圖5 中國大陸構(gòu)造應(yīng)力場水平最大主應(yīng)力模擬結(jié)果分布圖（黏彈性模擬，1000m深度）其中紅色箭頭為水平最大主應(yīng)力的方向，云圖為水平最大主應(yīng)力值，h為深度，紅色為張應(yīng)力，藍(lán)色為壓應(yīng)力Fig.5 Modeling tectonic horizontal maximum principal stress of China mainland with viscoelastic model at 1000 meters depthRed line arrows are the direction of maximum principal stress，cloud image is the value of maximum principal stress，h is depth，red zone is extensive，blue zone is compressive.

圖6 中國大陸重力引起的水平最大主應(yīng)力模擬結(jié)果分布圖（1000m深度）其中紅色箭頭為水平最大主應(yīng)力的方向，云圖為水平最大主應(yīng)力值，h為深度，紅色為張應(yīng)力，藍(lán)色為壓應(yīng)力.Fig.6 Modeling maximum principal stress of China mainland induced by gravity（at depth 1000m）Red line arrows are the direction of maximum principal stress，cloud image is the value of maximum principal stress，h is depth，red zone is extensive，blue zone is compressive.

圖6為中國大陸在1000m深度重力勢引起的偏應(yīng)力模擬結(jié)果，由于中國大陸地勢西高東低，整體上形成三級階梯，第一級最高的階梯為青藏高原，平均海拔在4000m以上；第二級階梯位于青藏高原與大興安嶺─太行山─巫山─雪峰山之間，包括內(nèi)蒙古高原、黃土高原、云貴高原和塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、四川盆地等地區(qū)，海拔一般為1000～2000m，惟四川盆地較低，海拔在500m以下；第三級最低階梯，在大興安嶺─太行山─巫山─雪峰山以東，自北而南，有海拔200m以下的東北平原、華北平原和長江中下游平原.重力勢引起的應(yīng)力場與構(gòu)造應(yīng)力場的結(jié)果大致相反，在青藏高原的藏東南、四川西部和云南西北地區(qū)為拉張性質(zhì)的應(yīng)力場，而在塔里木盆地和東部的平原區(qū)為擠壓性質(zhì)的應(yīng)力場，應(yīng)力場的方向受地勢展布特征控制.圖7為1000m深度位置的中國大陸地應(yīng)力場，是由構(gòu)造應(yīng)力的模擬結(jié)果與重力作用模擬結(jié)果進(jìn)行張量求和合成，可以作為淺部地應(yīng)力場的定量參考模型，地殼深部的地應(yīng)力場應(yīng)與構(gòu)造應(yīng)力場相近.模擬地應(yīng)力場與實(shí)測的地應(yīng)力分布特征［43］（圖8）也比較一致，水平最大主應(yīng)力的方向主要受到板塊構(gòu)造環(huán)境和活動斷裂帶的控制，總體上以南北構(gòu)造帶為界，以西以較強(qiáng)的壓性構(gòu)造環(huán)境為主，以東為較弱的壓性地應(yīng)力環(huán)境，由于受到重力的影響，藏南和滇西北局部地區(qū)的淺部存在有張性地應(yīng)力環(huán)境，而在塔里木區(qū)域，由于重力勢引起的應(yīng)力場與構(gòu)造應(yīng)力場都為擠壓性質(zhì)，因此擠壓強(qiáng)度得以增加.圖9為初期瞬時的模擬結(jié)果，可作為完全彈性結(jié)果，完全彈性模型的構(gòu)造應(yīng)力場模擬結(jié)果與實(shí)測的地應(yīng)力場存在一定的偏差，如在龍門山斷裂帶的北段地區(qū)，水平最大主應(yīng)力的方向總體為北西—南東向，而完全彈性模型的結(jié)果為北東—南西向.青藏高原南緣在重力作用下形成了張性應(yīng)力環(huán)境，但是由于重力作用影響有限，在深部的張性環(huán)境應(yīng)與深部物質(zhì)上涌等局部構(gòu)造活動有更為密切的關(guān)系.

圖7 中國大陸地應(yīng)力場的水平主應(yīng)力模擬結(jié)果分布圖（1000m深度）（a）水平最大主應(yīng)力，其中紅色箭頭為水平最大主應(yīng)力的方向，云圖為水平最大主應(yīng)力值，h為深度，紅色為張應(yīng)力，藍(lán)色為壓應(yīng)力；（b）水平最小主應(yīng)力，其中紅色箭頭為水平最小主應(yīng)力的方向，云圖為水平最小主應(yīng)力值，h為深度，紅色為張應(yīng)力，藍(lán)色為壓應(yīng)力；（c）為剪應(yīng)力，其中紅色箭頭為水平最大主應(yīng)力的方向，云圖為剪應(yīng)力值，h為深度.Fig.7 Modeling crustal horizontal stress in China mainland（at depth 1000m）（a）Horizontal maximum principal stress，Red line arrows are the direction of maximum principal stress，cloud image is the value of maximum principal stress，his depth，red zone is extensive，blue zone is compressive；（b）Horizontal minim principal stress，Red line arrows are the direction of minim principal stress，cloud image is the value of minim principal stress，his depth，red zone is extensive，blue zone is compressive；（c）Shear stress，Red line arrows are the direction of maximum principal stress，cloud image is the value of shear stress，his depth

圖8 中國現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場圖（謝富仁等［43］，2003）Fig.8 The measured crust stress of China（reference the Crust Stress Databese of Institute of Crustal Dynamics［43］）

中國大陸地應(yīng)力場和現(xiàn)今活動構(gòu)造的性質(zhì)總體上主要受到印度洋板塊的碰撞擠壓和太平洋板塊與菲律賓板塊俯沖的影響.由于受到華南板塊、塔里木克拉通以及鄂爾多斯塊體的阻擋，使得印度洋板塊碰撞作用集中在青藏高原及其周邊，青藏高原主體多為活動斷裂的走滑，塊體內(nèi)部的連續(xù)變形較主要斷裂活動要小很多.華北塊體、山西地塹除了受到印度洋板塊碰撞的影響之外，菲律賓和太平洋俯沖板塊所形成的弧后張性環(huán)境的影響不容忽視.

圖9 中國大陸構(gòu)造應(yīng)力場水平最大主應(yīng)力模擬結(jié)果分布圖（完全彈性模擬）其中紅色箭頭為水平最大主應(yīng)力的方向，云圖為水平最大主應(yīng)力值，h為深度，紅色為張應(yīng)力，藍(lán)色為壓應(yīng)力.Fig.9 Modeling tectonic horizontal maximum principal stress in China mainland with pure elastic modelRed line arrows are the direction of maximum principal stress，cloud image is the value of maximum principal stress，h is depth，red zone is extensive，blue zone is compressive.

巖石蠕變曲線表明，在給定的應(yīng)力條件下，巖石蠕變逐漸趨于一個常數(shù)，這就意味著隨時間的演化，巖石塊體整體可能會運(yùn)動，但是由于其應(yīng)變率逐漸趨于0，所以巖石塊體內(nèi)部處于一個穩(wěn)定的無變形狀態(tài).一方面，上地殼的變形受控于自身的構(gòu)造塊體結(jié)構(gòu)，在板塊構(gòu)造環(huán)境控制下，如果不考慮其底部中下地殼的作用，在僅受板塊構(gòu)造環(huán)境的作用，其應(yīng)力狀態(tài)和變形特征應(yīng)接近于完全彈性模型的數(shù)值分析結(jié)果；另一方面，當(dāng)柔性較強(qiáng)的中下地殼受到與上地殼同樣的板塊構(gòu)造環(huán)境的作用時，中下地殼會表現(xiàn)出更強(qiáng)的運(yùn)動性，從而對上地殼的變形和應(yīng)力分布產(chǎn)生影響.例如在青藏高原，由于中下地殼向兩側(cè)擠出，導(dǎo)致上地殼被中下地殼拖曳，使得上地殼在活動斷裂的控制下隨中下地殼運(yùn)動，現(xiàn)今中下地殼對上地殼的變形模式和應(yīng)力分布特征的影響作用不容忽視.

青藏高原東南部主應(yīng)力方向出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，主要有以下幾個因素控制：（1）由于印度板塊持續(xù)的碰撞，使得青藏高原整體受到塔里木克拉通、華南板塊和鄂爾多斯塊體的阻擋，使得青藏高原隨著活動斷裂的滑動向兩側(cè)擠出［44］，在擠出過程中，剛性的上地殼塊體構(gòu)造的運(yùn)動受邊界斷裂的控制；（2）由于中下地殼較上地殼有更強(qiáng)的柔性，所以擠出時上地殼的運(yùn)動受到中下地殼拖曳的影響；（3）印度板塊向北運(yùn)動過程中，通過緬甸的實(shí)皆斷裂（Sagaing Fault）剪切拉伸作用于歐亞板塊，使得上地殼中青藏高原東南部應(yīng)力和地表運(yùn)動方向都發(fā)生了轉(zhuǎn)向.

6 結(jié)論與討論

本文基于線性黏彈體模型對現(xiàn)今中國大陸的構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，其前提假設(shè)是中國大陸周邊的板塊構(gòu)造環(huán)境相對穩(wěn)定，且維持了足夠長的時間，從而能夠保證模擬分析過程中邊界條件的一致性；大型活動斷裂所決定的塊體結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，從而保證在模擬分析過程中地質(zhì)模型的物性參數(shù)保持一致.該結(jié)果主要考慮了板塊構(gòu)造作用和區(qū)域性的地貌和地殼結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的重力的影響，在進(jìn)一步的研究中需要考慮底部地幔上涌和巖石圈熱演化等影響因素，深入討論地應(yīng)力場控制因素.

整體上，中國大陸構(gòu)造應(yīng)力場的分布特征與活動構(gòu)造的展布密切相關(guān)，是在板塊構(gòu)造環(huán)境控制下，整個地殼巖石黏彈特性長期演化和活動斷裂無震蠕動的結(jié)果.而伴隨地震發(fā)生的斷層滑動引起的地應(yīng)力場的瞬時或短期調(diào)整，可參考完全彈性分析的結(jié)果.陳群策等（私人通信）最近在廣元附近進(jìn)行的汶川地震后的地應(yīng)力測量，所測的地應(yīng)力水平最大主應(yīng)力方向?yàn)楸睎|—南西向，而該地區(qū)通常的區(qū)域應(yīng)力場的分布特征為北西—南東向.應(yīng)力場作為動態(tài)演化的過程，特別是斷層附近的地應(yīng)力場，由于受到斷層蠕動和滑動的影響，地應(yīng)力的變化會更為突出.郭啟良［45］和廖椿庭［46］分別在汶川地震前后和昆侖山地震前后的地應(yīng)力測量所反映的地應(yīng)力的變化，也同樣說明，活動斷裂附近的地應(yīng)力場受到局部構(gòu)造的影響，從而體現(xiàn)了不穩(wěn)定性.隨著地應(yīng)力監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建立，可以有效地利用地應(yīng)力動態(tài)的信息，更好地認(rèn)識區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力與局部地質(zhì)構(gòu)造和巖石物性之間的關(guān)系.

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Comprehensive modeling on the present crustal stress of China mainland with the viscoelastic spherical shell

FAN Tao－Yuan，LONG Chang－Xing，YANG Zhen－Yu，CHEN Qun－Ce，WU Zhong－Hai，SHAO Zhao－Gang，TONG Ya－Bo
Key Laboratory of Geotectonic Movement ＆Geohazard，Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing100081，China

The observed crustal stress of China mainland is related to the surrounding platetectonics，active tectonics，topography and the crustal structure.On the west of China mainland the Eurasia plate collides with the India plate，on the east the Philippine plate and Pacific plate subducts under the Eurasia plate.Large active faults divide China mainland into many blocks.The topography，crustal structure and thickness vary with the different block.Taking GPS and measured crust stress as restriction，we model the crustal stress using the viscoelastic spherical shell finite element（FE）method including the gravity factor.The finite element mesh was adapted to the active tectonics model，the topography and crust structure.The results are as follows.（1）The tectonic stress generated by the plate movement varies with different tectonic area and depth.Qingzang area is compressive，the Yellow Sea，East China Sea and the Bohai Sea are extensive，the middle area including North China and South China is transition zone.The direction of maximum principal stress is controlled by the plate movement and the active faults.（2）In the area of large topography gradient and crustal thickness gradient the gravity plays an important role in the distribution of shallow crustal stress.The shallow crustal stress in southern Tibet is extensive and is induced by the gravity，in the Tarim area the gravity influence enforces the tectonic compressive stress so the stress is strengthened.（3）The surround plate movement，interior active faults and topography determine the characters of shallow crustal stress of China mainland.The north－south seismic zone is the division of crustal stress state，west of which is strongly compressive zone，east of which is weakly compressive zone，some areas of southern Tibet and northwestern Yunnan are extensive zone.The tectonic stress contribution to crustal stress becomes more and more important as the depth increases.（4）The result of viscoelastic FE modeling fits better to the measured crustal stress than the elastic FE modeling.The result of elastic FE modeling is helpful to analyze the instantaneous stress change generated by the earthquake.（5）The crustal stress of southeast Qingzang plateau varies greatly with space.The crustal movement and the direction of maximum principal stress rotate around the Eastern Himalayan Syntaxis.The predominant controlling factors include plate collision of India plate and Eurasia plate，the India plate shear dragging through Sagaing fault and the lower crust dragging.The present crustal stress of China mainland is a time slice of viscoelatic stress evolution of crustal blocks and active tectonics.The crustal movement and deformation are related to the viscoelasticity of crust rock and the active tectonic aseismic creep.The active tectonic deformation is larger than the blocks.The surround plate tectonics，inner active tectonics，topography and crustal structure contribute to the crustal stress with different ratio in different area and different depth.Near the active fault the direction of maximum principal stress changes due to the weak fault zone.We provide a quantitative model of crustal stress of the China mainland which can be used for the crustal stress extrapolation.

China mainland，Crustal stress，Active tectonics，Viscoelastic，F(xiàn)E modeling

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P313

2011－08－17，2012－02－20收修定稿

中央級科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)資助項(xiàng)目（DZLXJK201101、DZLXJK200801），中國地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目（1212010911049，1212011120163）和國土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（SinoProbe－06）共同資助.

范桃園，男，1971年生，2001年畢業(yè)于中國科學(xué)院研究生院獲博士學(xué)位，現(xiàn)為中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所副研究員，主要從事地球動力學(xué)、地殼應(yīng)力場方面的研究.E－mail：fan3ty＠gmail.com

范桃園，龍長興，楊振宇等.中國大陸現(xiàn)今地應(yīng)力場黏彈性球殼數(shù)值模擬綜合研究.地球物理學(xué)報，2012，55（4）：1249－1260，

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.04.020.

Fan T Y，Long C X，Yang Z Y，et al.Comprehensive modeling on the present crustal stress of China mainland with the viscoelastic spherical shell.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2012，55（4）：1249－1260，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.04.020.

（本文編輯 胡素芳）