造山動(dòng)力學(xué)定量研究--理論與方法

第20卷第5期地球科學(xué)進(jìn)展Vol 20 No 52005年5月ADVANCES IN EARTH SCIENCEMay.2005文章編號:001-81662005)54053308造山動(dòng)力學(xué)定量研究—理論與方法劉潔劉啟元宋惠珍!童曉光2(1.中國地震局地質(zhì)研究所北京1009;2.中石油國際合作司北京100724)摘要造山動(dòng)力學(xué)定量研究近10年來(lái)取得了重要進(jìn)展形成了較完整的理論技術(shù)體系并獲得了大量有說(shuō)服力的實(shí)例分析結果成為當前大陸變形研究的熱點(diǎn)之一。造山動(dòng)力學(xué)定量研究采用數值方法求解控制方程獲得造山帶演化動(dòng)態(tài)過(guò)程的圖像了解不同因素對該過(guò)程的影響作用從力學(xué)解析的角度確定造山動(dòng)力學(xué)模型的合理性。研究造山演化過(guò)程需要耦合固體力學(xué)、流體力學(xué)和熱力學(xué)方程進(jìn)行描述。造山演化過(guò)程中發(fā)生的強烈大位移、大應變(幾何非線(xiàn)性)使得數值求解過(guò)程更復雜。對于強烈大應變可能需要采用重分網(wǎng)格技術(shù)。斷裂的發(fā)生、運動(dòng)與變形涉及巖石破裂準則與內部邊界處理。同時(shí)還必須綜合分析地表剝蝕與沉積、重力均衡等作用。關(guān)鍵詞造山動(dòng)力學(xué)漖值模擬非線(xiàn)性耦合中圖分類(lèi)號:542文獻標識碼:A大陸動(dòng)力學(xué)是當今固體地球科學(xué)研究的一個(gè)主導方向其核心問(wèn)題是大陸變形及其動(dòng)力學(xué)機制。1研究歷史概述造山帶是大陸變形最強烈、地表形態(tài)最明顯的構造,造山動(dòng)力學(xué)數值模擬研究與大陸變形數值模擬它所涉及的地表地質(zhì)結構、地球物理場(chǎng)特征、深部作研究緊密相關(guān)。大陸變形數值模擬的開(kāi)山之作當屬用過(guò)程以及地表作用一直以來(lái)就是人們關(guān)注的熱 Tapponnier等S的滑移線(xiàn)場(chǎng)理論與大尺度大陸構點(diǎn)-4。造山動(dòng)力學(xué)研究對推動(dòng)大陸變形及其動(dòng)力造”的研究。他們采用剛性推板作用于理想剛塑性學(xué)機制研究具有不可替代的作用,體所產(chǎn)生的變形模擬亞洲大陸新生代以來(lái)所經(jīng)歷根據地質(zhì)、地球物理等資料可以對造山帶旳成的大尺度碰撞變形并以滑移線(xiàn)模擬斷層的產(chǎn)生和因、演化過(guò)程、初始狀態(tài)進(jìn)行推測提岀造山動(dòng)力運動(dòng)趨勢。他們的研究結果對板塊構造理論提岀質(zhì)學(xué)演化模式″但這只限于定性解釋。這種定性模疑冋時(shí)也為板塊內部強烈變形提供了有力證據引型是否符合物理學(xué)基本定律?其內因和外因在造山起了人們的廣泛關(guān)注。Bird等6通過(guò)平面應力有過(guò)程中各扮演什么角色?造山過(guò)程中變形幾何學(xué)與限單元方法研究了南加州非線(xiàn)性連續介質(zhì)(剛塑性動(dòng)力學(xué)參數如何變化?類(lèi)似問(wèn)題必須通過(guò)造山動(dòng)力或位錯蠕變)的構造流動(dòng)問(wèn)題。Viot·等η以不可學(xué)的定量研究才能解決。造山動(dòng)力學(xué)的定量研究依壓縮黏塑性介質(zhì)在無(wú)限厚巖石圈板塊(平面應變)據物理學(xué)守恒方程和邊界條件采用數值方法求解和薄板平面應力)2個(gè)極端狀態(tài)下的變形為特例有關(guān)變量從力學(xué)解析的角度確定造山動(dòng)力學(xué)模型分析了實(shí)際為厚板狀態(tài)的大陸碰撞可能形成的板內的合理性。變形。 ngland等8]提出大陸變形的黏性薄板模本文將概略介紹造山動(dòng)力學(xué)數值模擬研究歷型中國煤佇力變化分析了由此造史并重點(diǎn)闡述有關(guān)的理論基礎和數值技術(shù)對其發(fā)成的CNMHG展趨勢進(jìn)行總結和分析1對上W元平可不足(小應變、忽略垂米收稿日期200440706修回日期2004-11409*基金項目國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目天山陸內造山動(dòng)力學(xué)的寬頻帶流動(dòng)地震臺陣研究"(編號:0234043)資助作者簡(jiǎn)介瀏1967-)女江西宜豐人副研究員主要從事計算構造力學(xué)研究E-mail:li_iasb@soh.com534地球科學(xué)進(jìn)展第20卷向應變或重力作用等) Houseman和 England9對大陸變形速度場(chǎng)、應力分布、應變速率、有限應變、側自由表面向位移量、有限旋轉等進(jìn)行了較全面的分析并將結yk=w果與印度一歐亞碰撞帶的地形高度、區域應變速率、可變形層Vx=OIVz=o主壓應力方向、古地磁等數據進(jìn)行對比。與此同時(shí)VXO Vz=OⅤilte等也分析了黏性薄板受常速度推擠作用剛性運動(dòng)板塊剛性靜止板塊所產(chǎn)生的大變形特征其中考慮了浮力作用和介質(zhì)非均勻性的影響。高祥林等儂據靜態(tài)三維彈塑性模型研究位地表過(guò)程作用移邊界條件的小變形響應并討論了印度歐亞大陸形侵入剝蝕分m氣候風(fēng)的碰撞問(wèn)題。張東寧等13采用三維線(xiàn)性黏彈性材料和幾何線(xiàn)性模型對青藏高原的受力與變形進(jìn)行了研究探討了青藏高原邊界作用力及運動(dòng)特征。巖石圈撓曲陳開(kāi)平等14在印度—歐亞大陸碰撞變形的數值模擬研究中,考慮了大陸變形的三重非線(xiàn)性(材地幔巖石圈耦合海洋地幔料非線(xiàn)性、幾何非線(xiàn)性及邊界非線(xiàn)性)特征,獲得了地幔作用擠壓過(guò)程中的變形分布、塊體轉動(dòng)及斷層相對滑動(dòng)圖1造山動(dòng)力學(xué)模型a物理模型b)地球等結果與實(shí)際地質(zhì)觀(guān)測資料吻合較好。動(dòng)力學(xué)模型15wilt!在前人有關(guān)逆沖構造、增生楔、褶Fig 1 Dynamic models of orogenic belt( a ) Physicalmodel( b)Geodynamical model l5 J皺沖斷帶等擠壓型構造的幾何學(xué)與動(dòng)力學(xué)研究的基礎上16-1提出了雙側向擠壓造山 doubly vergen國加利佛尼亞州南部海岸山脈、阿巴拉契亞造山帶、compressional orogens"模型標志著(zhù)造山動(dòng)力學(xué)數喜馬拉雅一青藏高原等。實(shí)際上 Beaumont及其合值模擬研究進(jìn)入一個(gè)全新發(fā)展階段。雙側向擠壓造山模型是一個(gè)二維平面應變模作者已經(jīng)建立起了造山動(dòng)力學(xué)數值模擬研究的一完整體系。他們的工作包括理論方法、計算技型包含上部可變形層和底部剛性板塽(圖1a底術(shù)21、不同底部邊界條件的計算分析23-261、平面薄部板塊分為兩部分:一個(gè)靜止其前端為楔形;另板模型應用實(shí)例2、地殼介質(zhì)特征影響分柝2、個(gè)以穩定的速度向靜止板塊運動(dòng)。它們的交匯點(diǎn)為S"點(diǎn)。運動(dòng)板塊前端過(guò)S點(diǎn)之后沿靜止板塊的斜向匯聚碰撞與巨型造山帶模擬分析、地球物楔形邊緣向下俯沖。剛性板塊的運動(dòng)拖曳上部物質(zhì)理模型綜合分析33并涉及表面過(guò)程對造山帶的影響34以及熱一力學(xué)耦合模型的應用335。運動(dòng)引起可變形層在S點(diǎn)之上向兩側逐步隆起。兩側分別形成剪切抬升帶、造山楔、前陸盆地等結2理論基礎構但在物質(zhì)流入(運動(dòng)板塊一側)的前端(pro造山動(dòng)力學(xué)數值模擬研究依據連續介質(zhì)力學(xué)理y和物質(zhì)流出(靜止板塊一側)的后端(reto論。連續介質(zhì)力學(xué)用統一的觀(guān)點(diǎn)研究固體和流體的y”造山楔和盆地等結構的形態(tài)不對稱(chēng)。該模型不僅直觀(guān)地模擬了造山演化過(guò)程中的地殼縮短、山力學(xué)問(wèn)題。固體和黏性流體之間是難以準確界定的。對于具體材料人們可以簡(jiǎn)單地根據流動(dòng)性的體隆升、斷層的產(chǎn)生與變形、深淺部物質(zhì)在垂直面上極限來(lái)區分流體和固體亦即流體與固體的主要區的運移特征而且包括了地表剝蝕與沉積、底部撓曲均衡等過(guò)裰圖1b)。該模型被稱(chēng)為造山演化的通別在于本構方程的差異。在這二模導下究人員物對具體帶用模型YHS中國煤化工學(xué)就是平衡方程。直CNMH位置平衡方程表示又發(fā)展了不同的模型包括:橫剖面平面應變模型、為熱動(dòng)力學(xué)模型、薄地殼模型、全三維模型以及巖石圈(1)整體變形的水平推擠模型。不同模型應用的地區包其中為應力張量p和g分別表示密度和重力加括歐洲阿爾卑斯山新西蘭南島的南阿爾卑斯山美速度pg表示體力。對于流體力學(xué),動(dòng)量守恒方程第5期劉潔等造山動(dòng)力學(xué)定量研究——理論與方法535即為 Navier- Stokes方程。由于地球介質(zhì)旳高黏滯性非線(xiàn)性。大變形包括大位移、大轉動(dòng)和大應變。大和低速流動(dòng)特征雷諾數近于零 Navier-Stokes方程應變又稱(chēng)為有限應變。幾何非線(xiàn)性應變一般用格林可簡(jiǎn)化為 Stokes方程應變張量E:表示+pg=0(2)0aXaXaX aX其中,r為剪切應力〃為流體動(dòng)力學(xué)壓力(壓為其中u1為位移,u/X表示相對于初始構形度量正的位移梯度。當位移梯度值很小時(shí)格林應變退化考慮到流體正應力的無(wú)方向差異特性,可有為柯西應變s=(u+l1),即小變形情況下的線(xiàn)-6P這里為克羅內克符號。實(shí)際上(1)性幾何方程(2)兩式是等價(jià)的如果以速度為基本未知量幾何方程也可以用相應力與應變之間關(guān)系由本構方程確定。造山動(dòng)對現時(shí)構形的變形率v和速度梯度/ax,表示力學(xué)模擬研究較常用的本構關(guān)系有4種(1)黏彈性。如果忽略總應變中比例很小的彈性應變則黏彈性本構簡(jiǎn)化為黏性本構。黏性本構通常在平衡方程或 Stokes)方程、本構方程、幾可以表示為何方程確定后結合邊界條件就可以獲得該方程組Bσ3)的解。對于流體動(dòng)壓力作為獨立未知量的情況可其中為應變速率張量B為常系數n為應力指能還需要結合連續性方程V·U=0進(jìn)行求解。對數。(3)式常被稱(chēng)為冪次流變方程。當n=1時(shí),于必須考慮流體浮力的情況需要將(2)式中的體(3)式表示線(xiàn)性黏性>1時(shí),表示非線(xiàn)性黏性。力項置換為浮力頂pg其中密度差8可由狀態(tài)方(2)由溫度和活化能確定的本構關(guān)系程p=p[1-aT-7)]確定。這時(shí)流體與固體不8= Aoexp-Q/RT)(4)僅本構方程不同動(dòng)量守恒方程的具體表達形式也其中A為比例系數Q為活化能R為氣體常數,T不同了。若在同一體系中對問(wèn)題進(jìn)行求解該過(guò)程為絕對溫度。(4)式可以簡(jiǎn)化為3)式的形式二者也可以稱(chēng)為流體力學(xué)與固體力學(xué)的耦合求解。的不同之處在于(4)式直接給出了溫度等參數對3數值模擬方法本構方程的影響。(3)彈黏塑性本構關(guān)系。黏塑性應變速率表示為:造山動(dòng)力學(xué)數值求解過(guò)程遇到的問(wèn)題之一是塑性或黏性材料的非線(xiàn)性。處理材料非線(xiàn)性問(wèn)題一般(5)f o采用迭代求解方法。有關(guān)細節見(jiàn)諸參考文獻這里y是控制塑性流動(dòng)速率的流度參數∫是應力[3738]這里不再贅述空間表示的屈服函數f是一個(gè)使表達式無(wú)量綱化3.1幾何非線(xiàn)性的、正的參考值并有幾何非線(xiàn)性可以采用拉格朗日( Lagrangian)方<(x)>=x),當x≥0法、歐拉 Eulerian)方法或任意拉格朗日—歐拉(Ar-(6)0當x<0bitrary Lagrangian- Eulerian ALE)法求解公式5)將塑性應變與黏性應變合并表宗但拉格朗日方法也稱(chēng)為物質(zhì)描述方法。它以變形它既可以退化為塑性本構關(guān)系也可以退化為黏性前的構形為參考構形。應力和應變度量分別采用克本構。?；舴驊透窳謶?。對初始構型進(jìn)行剖分后,(4)彈塑性本構相應的網(wǎng)格和節點(diǎn)是物質(zhì)線(xiàn)和物質(zhì)點(diǎn),它們隨變形(7)而運動(dòng)一般以質(zhì)點(diǎn)位移u為基本未知量。質(zhì)點(diǎn)中國煤化工其中D為彈性系數M為應變AA是由一致性條速度CNMHG為n=就和a件確定的尺度因子F是應變空間表示的屈服函數彈塑性本構一般用于模擬地殼淺部脆性層。a2°拉格朗日方法又分為2種:1完全拉格朗日應變與位移之間關(guān)系由幾何方程表示。在大變表述( Total lagrangian),它以t=0時(shí)刻的構形作形情況下應變與位移之間為非線(xiàn)性關(guān)系稱(chēng)為幾何為參考構形簡(jiǎn)稱(chēng)T方法;修正的拉格朗日表述地球科學(xué)進(jìn)展第20卷Updated Lagrangian),它在[t,t+Mt]的時(shí)間步長(cháng)3.3重力均衡處理內以時(shí)刻t的構形為參考構形簡(jiǎn)稱(chēng)UL方法3造山隆起之后山體巨大的附加載荷將造成巖對于大應變問(wèn)題拉格朗日方法存在的最大問(wèn)題是,石圈的下彎形成了低密度的山根。這意味著(zhù)造山由于網(wǎng)格變形強烈導致計算精度太差。帶的質(zhì)量被深部低密度的山根所均衡。造山動(dòng)力學(xué)歐拉方法也稱(chēng)為空間描述方法。它以當前構形數值模擬研究有必要對這一過(guò)程進(jìn)行客觀(guān)的描述。為參考構形。應力和應變度量分別采用歐拉應力和Airy重力均衡假設地殼漂浮于高密度、黏性易相對當前構形的格林應變。歐拉描述以瞬時(shí)運動(dòng)狀流動(dòng)的地幔之上。由阿基米德原理,人們可以計算態(tài)為研究目標并把空間坐標x和時(shí)間t作為彼此地殼隆起高度與下沉深度之間的關(guān)系。根據我們的獨立的量處理。一般以空間某一點(diǎn)x上的速度矢初步嘗試依此對造山隆升量進(jìn)行修正可以簡(jiǎn)便地獲得重力均衡的大致結果。但是,該方法僅考慮浮量υ;為基本未知量。質(zhì)點(diǎn)加速度表示為a;=;a力作用并且依據密度均勻的假設對造山動(dòng)力學(xué)深即速度的物質(zhì)導數”的形式。相對應地質(zhì)入研究來(lái)說(shuō)顯然是十分粗略的?，F在一般較通行的方法是將巖石圈假設為一個(gè)點(diǎn)位移u1的計算則需要對速度值進(jìn)行積分即跟尋彈性梁汁算彈性梁在造山載荷的作用下產(chǎn)生的撓質(zhì)點(diǎn)的運動(dòng)軌跡進(jìn)行物質(zhì)積分"。同樣應變場(chǎng)也曲變形量v。撓曲變形計算方程為需要通過(guò)對變形率進(jìn)行物質(zhì)積分來(lái)獲得31DVw+pgw =A(p.gh)(11)ALE描述是在歐拉描述方法基礎上發(fā)展起來(lái)其中D為撓曲剛度p為軟流圈密度p為地殼密的。ALE方法定義了物質(zhì)介質(zhì)拉格朗日介質(zhì))度MpgH)表示當前位置垂直線(xiàn)上地殼重量與初和非物質(zhì)介質(zhì)歐拉介質(zhì))其參考系為以任意速度始位置上地殼重量之差。以計算的撓度值v對造運動(dòng)的非物質(zhì)連續介質(zhì)。對于大應變問(wèn)題,AE方山演化過(guò)程中幾何模型的垂向位移值H進(jìn)行修正法可以將網(wǎng)格畸變控制在最小。由于拉格朗日介質(zhì)可以較客觀(guān)地描述伴隨山體隆升而發(fā)生的巖石圈下和歐拉介質(zhì)的軌跡、應變等需要分別計算AE方彎。 Fullback2和Bat等均采用該方法模擬重法的計算量較大。ALE方法的最大優(yōu)越性在于可力均衡作用。以考慮包括自由表面、層間界面或底界面等物質(zhì)界3.4地表過(guò)程影響面的運動(dòng)。對于造山動(dòng)力學(xué)過(guò)程通過(guò)ALE非物質(zhì)地表過(guò)程指伴隨山體隆升而發(fā)生的巖崩、滑坡、網(wǎng)格的變化可以簡(jiǎn)便地處理造山帶物質(zhì)的剝蝕與河流沖刷、盆地沉積等作用其影響因素包括構造沉積2。作用所引起的隆升速度、山體坡度、氣候特征、地表巖3.2耦合處理體的巖性特征等。地表過(guò)程對造山帶的影響不是決考慮地殼深部高溫及其熱傳導的影響我們需定性的但它所造成的質(zhì)量重新分布足以影響局部重要引入熱動(dòng)力學(xué)方程。熱力學(xué)方程用于描述擴散、力均衡進(jìn)而影響后續變形過(guò)程。同時(shí)地表強烈剝對流過(guò)程中溫度場(chǎng)隨時(shí)間發(fā)生的變化。根據能量守蝕作用也可能使地下深處巖石快速出露影響巖石的恒定律熱力學(xué)方程表示為壓力一溫度一時(shí)間(PT-t)變化曲線(xiàn)。因此地表過(guò)t at 2T(10)程是造山動(dòng)力學(xué)定量研究必須考慮的因素之一。atBeaumont等∞較全面的分析了擠壓造山演化其中T為溫度A為時(shí)間n1為速度矢量為熱擴過(guò)程中山體抬升引起的附加重力、剝蝕過(guò)程對質(zhì)量散系數。方程(10)左側第二項描述物質(zhì)對流所造的重新分配以及由此造成的應變變化。他們給出成的溫度變化右端項描述熱擴散造成的溫度變化。了構造變形與剝蝕過(guò)程的耦合數值求解方法。該耦在造山動(dòng)力學(xué)過(guò)程中除了熱擴散與熱對流溫度所合過(guò)程不包含基本變量的耦合求解只是在每一個(gè)起的作用還包括因溫度變化而使巖石本構方程發(fā)生時(shí)中國煤化工之后根據剝蝕模型計的變化見(jiàn)4)式)算剝CNMHG。其中汁算地殼變形連續介質(zhì)力學(xué)與熱力學(xué)的耦合處理涉及方程抬升的模型為受擠壓作用的剛塑性或黏性平面應變10)與前面方程的聯(lián)合求解。 Christensen4、Fl-模型計算剝蝕量的地表剝蝕模型為包括了長(cháng)距離sack2、Bat等等對熱—力學(xué)耦合問(wèn)題給出了相的河流搬運作用和短距離的巖崩、滑坡、沖刷等擴散應的結果。作用的網(wǎng)格地形模型。大部分有關(guān)造山動(dòng)力學(xué)數值第5期劉潔等造山動(dòng)力學(xué)定量研究——理論與方法模擬的研究都采用了 Beaumont等的這一地表過(guò)程處理技術(shù)。 Fullback21采用重分網(wǎng)格方法代替求解模擬方法15232H。含對流項的偏微分方程重分網(wǎng)格僅限于流動(dòng)速度4進(jìn)展與趨勢變化不大的情況。他們認為,對于低CFL數(Courant-ax- Friedrichs number=t△/△x,為速度,△t總體而言在近10年來(lái)造山動(dòng)力學(xué)定量研究的為時(shí)間間隔Δx為單元尺度)的蠕變流動(dòng)問(wèn)題該方發(fā)展過(guò)程中進(jìn)步和創(chuàng )新主要圍繞物理模型、數值技法是合適的。故其整體技術(shù)稱(chēng)之為ALE-R方法術(shù)、應用實(shí)例這三方面發(fā)生這也將是未來(lái)發(fā)展的大4.3與實(shí)際資料的擬合趨勢。Beaumont等4認為,擠壓造山帶的地震反射4.1物理模型的復雜化結構多為構造成因反射剖面在很大程度上反映了物理模型中材料本構由最初嘗試階段的理想地殼受擠壓所形成的應變發(fā)展模式因而可以將擠剛塑性5A]到隨后的線(xiàn)性黏性、非線(xiàn)性黏性6]再壓變形的應變特征與觀(guān)測的反射結構進(jìn)行對比。他到淺部物質(zhì)為彈塑性、深部物質(zhì)為非線(xiàn)性黏性或黏們首先分析了9種不同旳俯沖擠壓模型包括熱的塑性3。幾何學(xué)描述從小變形33發(fā)展到大變或冷的、單層或雙層地殼、地幔俯沖或(中)下地殼形911并且成為了造山演化幾何學(xué)描述的基本要俯沖以及是否完全剝蝕等不同條件的組合以便獲求。對擠壓破裂的產(chǎn)生由塑性屈服的最大剪應力得不同情況下的變形及應變特征并與新英格蘭阿判別31,到根據庫侖臨界楔形理論判別2,以及巴拉契亞、比利牛斯、科羅拉多等造山帶的地震反射Murrell破裂準則的判別。所考慮的控制方程則剖面進(jìn)行對比。他們的結果表明大部分造山帶的從單純的連續介質(zhì)力學(xué)方程,到熱—力學(xué)耦合方反射模型可以與某一有限單元模擬的應變分布程2特別是其中部分工作包含了考慮深部物致或與幾種應變分布的組合一致。質(zhì)所受流體浮力作用和狀態(tài)方程,可稱(chēng)之為固體力Beaumont等3還對比利牛斯山 ECORS剖面進(jìn)學(xué)—流體力學(xué)—熱力學(xué)耦合方程3]。這些發(fā)展反行了更為細致的研究。根據資料分析他們獲得了映了對造山動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的描述由簡(jiǎn)單到復雜。物理該剖面80Ma以來(lái)總的縮短量為165km的結論并模型的復雜化往往意味著(zhù)對自然現象旳描述更加詳通過(guò)采用不同模型模擬試驗旳方法對比數值模擬細、真實(shí)。的結構模型與實(shí)際剖面的差異不斷修改模型。最4.2數值技術(shù)的改進(jìn)后他們給出了上、下地殼及地幔之間為強耦合、中地采用修正的拉格朗日方法求解控制方程可以殼含軟弱帶、上地殼含有鹽層,剝蝕速率均勻的模直接獲得位移場(chǎng)、速度場(chǎng)、應變場(chǎng)等參數。但對于單型在縮短165km之后形成的結構。該結構與比利元形態(tài)變化強烈的大應變情況其求解精度將下降,牛斯山現今結構最為接近(圖2〉。由此他們不僅甚至岀現畸形單元而停止計算。這時(shí)需要采用重分獲得了可信旳初始模型、造山演化的動(dòng)態(tài)過(guò)程而且網(wǎng)格的方法修正強烈變形單元的形態(tài)。該過(guò)程需要揭示了不同因素對造山過(guò)程的影響及物質(zhì)的運移守實(shí)現可視化、網(wǎng)格自動(dòng)剖分和重啟動(dòng)等技術(shù)。Bat恒等規律。等41采用了動(dòng)態(tài)拉格朗日重分網(wǎng)格( Dynamical Lagrangian Remeshing DLR)技術(shù)“處理大應變問(wèn)題5結論通過(guò)在產(chǎn)生大應變的單元內插入節點(diǎn)的方法DLR造山動(dòng)力學(xué)定量研究不僅是當前大陸動(dòng)力學(xué)研使網(wǎng)格形態(tài)正常。同時(shí)重分網(wǎng)格技術(shù)也應用于地表究的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)而且也是難點(diǎn)之一。其原因在于剝蝕、沉積等過(guò)程的模擬。造山動(dòng)力學(xué)涉及的學(xué)科領(lǐng)域較多。一方面由于地殼采用ALE方法求解方程組對于大應變問(wèn)題無(wú)介質(zhì)具有不同的變形特征以及地下高溫影響造山需特別處理。但是在處理材料可壓縮性而造成的動(dòng)力學(xué)模擬需要耦合固體力學(xué)、流體力學(xué)和熱力學(xué)有記憶的流動(dòng)”問(wèn)題時(shí)由于本構方程中引入了焦方中國煤化工蟲(chóng)與沉積以及重力均衡曼應力率而中應力的物質(zhì)導數又包含了等CNMHG且所有相關(guān)方程相互影響或耦合這使相應的定量化研究構成了一個(gè)較對流項ax°求解類(lèi)似的含對流項的偏微分方為復雜的方程系。程往往需要采用迎風(fēng)格式或特征積分方法等特殊538地球科學(xué)進(jìn)展第20卷前端前陸盆地逆沖堆垛(a)后端前陸盆地Pg (Trepm)Ri O NNPF(b)NPFPg (Trepm)aquitaine繼承性結構圖2(a) ECORS剖面變形中心的逆沖構造(粗線(xiàn)廂和 Hereynian劈理結構中粗線(xiàn)b)計算的 Lagrangian網(wǎng)榴(縮短165km時(shí))和推測的劈理方向「31Fig 2 (a Thrust structure( bold lines ) and observed orientation of primary Hercynian cleavageb) Model Lagrangian grid Ax=165km )and inferred cleavage orientation( medium lines圖中Pg表示背馱盆地i0N分別代表Rilp,Om和 Nogueres逆沖席NPF為 North Pyrenean fault31Pg rers to a piggy back basin. Ri, O and N refer to the Rialp, Orri and Nogueres thrust sheets, respectively NPF refers North Pyrenean fault復雜的非線(xiàn)性、熱一力學(xué)耦合方程系對數值求當然也包括外部作用的條件、方式和強度等。這些解技術(shù)提岀了較高的要求。這也是造山動(dòng)力學(xué)定量影響因素是我們理解造山帶動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵性因素研究的一個(gè)難點(diǎn)。雖然重分網(wǎng)格等單個(gè)的技術(shù)難題同樣也是大陸動(dòng)力學(xué)研究所關(guān)注的重要問(wèn)題。因都已可以解決但是在同一計算系統中需要同時(shí)處此開(kāi)展造山動(dòng)力學(xué)定量研究所具有的理論和實(shí)踐理多重非線(xiàn)性、熱—力學(xué)耦合、地表過(guò)程與重力均衡意義將不僅僅局限于造山帶本身作用如何能夠保證數值計算的可靠性、穩定性和精度必須引起足夠的重視參中國煤化工已有的研究表明造山動(dòng)力學(xué)數值模擬研究不[1]HCNMHGForm and Process[ M ] New僅可以給出造山演化發(fā)展的進(jìn)程圖像更重要的是York Cambridge University press 1972.它還可以給出造山演化過(guò)程中介質(zhì)的非均勻性地[2] Molnar p, Tapponnier. Cenozoic tectonics of Asieffects of acontinental collision[J]. Science, 1975 189: 419-426殼不同圈層的耦合程度先期演化形成的局部軟弱【3] Coukroune, ECORS Team, The ECORS Pyrenean deep seismic帶、巖石圈強度與俯沖載荷等不同因素的影響作用。profile reflection data and the overall structure of an orogenic belt第5期劉潔等造山動(dòng)力學(xué)定量研究——理論與方法539[J] Tectonics,1989,8:23-39pelts and accretionary wedges: Cohesive Coulomb theory[ J].[4] Deng Qidong Feng Xianyue Zhang Peizhen, et aL. Active tecton-Journal of Geophysical Research, 1984, 89: 10 087-10 101cs of the Chinese Tianshan mountain M Beijing: Seismological [18] Dahlen F A. Noncohesive critical Coulomb wedges: an exactP'ess,2000[鄧起東,馮先岳,張培震,等.天山活動(dòng)構造lution[ J] Journal of Geophysical Research, 1984, 89: 10 125[M]北京地震出版社2000.[5] Tapponnier P, Molnar P. Slip-line field theory and large-scale 19] Silver E A, Reed D L. Backthrusting in accretionary wedge J]continental tectonic J]. Nature, 1976, 264: 319-324Journal of Geophysical Research, 1988, 93: 3 116-3 126[6] Bird P, Piper K. Plane-stress finite element models of tectonic 20] Beaument C, Fullsack P, Hamilton J. Erosional control of activeflow in southen California[ J]. Physics of the Earth and Planetarycompressional orogens. In: McClay K R, eds. Thrust tectonicInteriors,1980,21:158-175[C] London Chapman and Hall, 1992. 1-18[7] Vilotte J P, Diagnieres M, Madariaga R. Numerical modeling of 21] Willett S. Dand kinematic growth and change of a Cou-intraplate deformation: Simple mechanical models of continentallomb wedge. In: McClay K R, eds. Thrust tectonic C] Lon-llisior[ J]. Journal of Geophysical Research, 1982, 87: 10 709don: Chapman and Hall, 1992. 19-3122] Fullsack P. An arbitrary Lagrangian-Eulerian formulation for[8] England P, McKenzie D. A thin viscous sheet model for continerping flows and its application in tectonic model[ J]. Geo-tal deformation[ J ] Geophysical Journal of the Royal Astronomicalphysical Journal International, 1995, 120: 1-23Society,1982,70:295-32123] Beaumont C, Kamp P J J, Hamilton J, et aL. The continental[9] Houseman G, England P, Finite strain calculation of continentaldeformation, 1. Method and general results for convergent zonesnd observations[ J ] Journal of Geophysica[J] Journal of Geophysical Research, 1986, 91( B3): 3 651search,1996,10(B2):333333663[24] Waschbusch H10] England P, Houseman G, Finite strain calculation of continentalzone on deformation in simple regions of plate convergence J].ysical Research, 1996, 01 28 133-28 I[J]. Journal of Geophysical Research, 1986, 91(B3): 3 664- 25] Beaumont C, Ellis $, Pfiffner A. Dynamics of sediment subdue3676tion-accretion at convergent margins: Short tem modes, long-termcal study of continental collision: influence of buoyancycal research,1999,104:17573-17601and initial stiff inclusion[ J ] Geophysical Journal of the[ 26] Ellisastronomical Society 1986,84: 279-31012] Gao Xianglin Luo Huanyan Neugebauer H J. Three dimensionalzone[ J]. Journal of Geophysical Research, 1999, 104: 15 1691519J]. Seismology and Geology, 1987, 9(2): 65-73.[ M4*, 27 Ellis S, Fullsack P, Beaumont C. Oblique convergence of the羅煥炎大陸碰撞動(dòng)力學(xué)的三維數值模擬[J]地震地crust driven by basal forcing: implications for length-scales of de-1987,%2):65-73.]13 Zhang Dongning, Xu Zhonghuai. Three dimensional elasto-visconumerical simulation of Qinghai-xizang Plateau s recent tecton28 Beaumont C, Fullsack P, Hamilton J, Styles of crustal deforma-stress field and its motion[ J ] Earthquake research in Chinetion in compressional orogens caused by subduction of the under-994,1α2):136-143.[張東寧許忠淮青藏高原現代構造lying lithosphere[ J ] Tectonophysics, 1994, 232: 119-132應力狀態(tài)及構造運動(dòng)的三維彈粘性數值模撕J]中國地震,【29] Ellis s, Beaumont c, Jamieson R A,era. Continental collision1994,10(2):136-14314 Chen Kaiping, Ma Jin. Numerical analysis of tectonic deformaNewfoundland Appalachian[ J ]. Canadian Journal of Earth Sci-tion by continental collision between India and Eurasia J ]. Seis-mology and geology,1995,17(3):277284.[陳開(kāi)平,馬瑾.[30]wltS, Beaumont C. Subduction of Asian lithospheric mantle印度與歐亞大陸碰撞構造變形數值分析J]地震地質(zhì)beneath Tibet inferred from models of continental collision[ J].1995,17(3):277-284.][15] Willett S, Beaumont C, Fullsack P. Mechanical model for the [31中國煤化工 I numerical experimentics of doubly vergent compressional orogen[ J ] GeologyC N MH Gate boundaries: Impli16] Davis D J, Suppe J, Dahlen F A. Mechanics of fold-and-thrustnia, and central South Island New Zealand J] Journal of Geo-Its and accretionary wedges[ Journal of Geophysical Re-physical Research, 1995, 100( B9): 18 059-18 074search,1983,88:1153-1172.32] Beaumont C, Munoz J A, Hamilton J, et al. Factors controlling17] Dahlen F A, Suppe J, Davis D J. Mechanics of fold-and-thrustthe Alpine evolution of the central Pyrenees inferred from a com-540地球科學(xué)進(jìn)展第20卷parison of observations and geodynamical models[ J ] Journal of限元引論M]北京沘北京大學(xué)出版社和清華大學(xué)出版社,Geophysical Research, 2000, 105( B4): 8 121-8 14533] Beaumont C, Jamieson, RA, Medvedev $, et aL. Crustal chan- 39] Hirt C W, Amsden AA, Cook J L. An arbitrary Lagrangian-Etnel flows 1. Numerical models with applications to the tectonicslerian computing method for all flow speed[ J]. Journal of Ceof the Himalayan-Tibetan Orogen[ J ] Journal of Geophysical Re-utational Physics, 1974, 14: 227-253search,2004,l09B064061-29[ 40] Christensen U R. An Eulerian technique for thermo-mechanical34] Kooi H, Beaumont C. Escarpment evolution on high-elevation rif-odeling of lithospheric extension[ J ]. Journal of GeophysicalResearch,l992,97(B2):20152036combines diffusion advection and reactior[ J ]. Journal of Geo- [41 Batt G E, Braun J. On the thermo-mechanical evolution ofsearch,1994,99B6):12191-12209al orogen[ J ] Geophysical Journal International, 1997[ 35] Jamieson R A, Beaumont C, Fullsack P et al. Barrovian regionalmetamorphism: Where s the heat A ] In: Treloar P BRier[42 Braun J. Three-dimensioeds. What Controls Metamorphism and Metamorphic Reactionsorogenies: Thrust geometry and oblique convergence J ] Geolo-[C I London: Geology,1993,2l:153-15638:235143] Braun J. Three-dimensional numerical simulations of crustal-scale36]esonra beaumont c. medvedev s, et alflows: 2, Numerical models with implications for metamorphismStructural Geology, 1994, 168): 1 173-1 186in the Himalayan-Tibetan Orogen[ J] Journal of Geophysical Re- [44] Braun J, Sambridge M. Dynamical Lagrangian Remeshingsearch,2004,l09B06407-24.( DLR ) a new algorithm for solving large strain deformation[ 37] Owen D R J. Hinton E. Finite Elements in Plasticity - Theoryproblems and its application to fault-propagation folding[ J].and Practice M]. Pinerige Press Limited, 1980Earth and Planetary Science Letters, 1994, 124: 211-22038 Yin Youquan, General Introduction of Nonlinear Finite Element [45] Beaumont C, Quinlan G. A geodynamic framework for interpretingfor Solid Mechanics[ M ] Beijing: Peking University Press andcrustal-scale seismic- reflectivity pattems in compressional orogensTsinghua University Press,1987.[殷有泉固體力學(xué)非線(xiàn)性有[J] Geophysical Journal international, 1994, 116: 754-783A QUANTITATIVE STUDY OF THE OROGENICDYNAMICS-THEORY AND APPROACHLIU Jie, LIu Qi-yuan', SONG Hui-zhen TONG Xiao-guang(1. Institute of Geology China earthquahe Administration Beijing 100029 China2. International Cooperation Department, PetroChina, Beijing 100724 ChinaAbstract: In the last decade great advances have been made on the numerical simulation of the orogenic dynamics. Not only an integrated theory has been built up, but also many convincing results were obtained from theconcrete example analysis. The quantitative study of the orogenic dynamics has been a hot research point of theontinental deformation. In the quantitative study of the orogenic dynamics a series of control equations need to besolved by means of the numerical technique. The results will provide the image of the orogenic dynamic evolutionThis makes it possible to understand the role of different factors in the orogenic process and to identify the accepta-bility of an orogenic model from the mechanical analysis. The investigation of the orogenic evolution requires an equation system integrated from the solid-mechanics and fluid-mechanics as well as the thermodynamics. The intensive large-displacement and large-strain taking place in the orogenic evolution make the numerical simulation morecomplicated. The re-meshing technique becomes necessary in this case. The criterion of rock failure and innerboundary condition need to be considered carefully while processing the fault growth, movement and deformationIn addition the surface erosion and sediment as well as the isostet he considered comprehen-sively in the orogenic simulation中國煤化工Key words: Orogen Dynamics Numerical simulation NCNMHG