基于向错理论研究断层运动与地表重力变化的关系

It has important scientific significance that the relationship between fault activity and gravity changes of the earth's surface was studied. Fault activity is one of main reasons that lead to the local crust deformation.The theory model of fault disclination on the gravity changes was established in infinite half plane elastic space based on the related theory of Geophysics.The characteristics of ground gravity changes distribution that caused by the different types of disclination movement was studed with the numerical simulation method.Ground gravity change distribution was computed with the dislocation model and the disclination model in western region of China. The results are analyzed and compared with the geodetic observation data.The fault motion parameters of Longmen and Qilian Mountains was calculated by the genetic algorithm and particle swarm optimization algorithm.The relationship between gravity change and the fault Kinetic process was interpretated by the inversion results.In order to improve the existing theoretical models, the project is studied. It provides the theoretical basis and reference for geodesy and geodynamics.

断层活动是引起地壳局部变形的主要原因之一，对地表重力变化与断层活动之间的关系进行深入研究具有重要的科学意义。本项研究以地球物理及相关理论为基础, 在无限大半平面弹性空间理论模型的条件下，建立已知几何形状的断层向错与地面重力变化的模型。采用数值模拟方法研究断层不同类型的向错运动引起地面重力变化的分布特征。结合我国西部地区典型的断层和大地测量观测资料，采用位错模型与向错模型两种模型对地面的重力变化分布进行正演计算研究，并与观测结果进行对比分析；利用遗传算法、粒子群优化算法结合上述模型，对祁连山断层、龙门山断层的运动参数进行反演计算，通过反演结果对断层的动力学过程与地面重力变化的关系进行物理解释。通过本项目研究，可对现有的位错理论模型进一步补充和完善，为大地测量学、地球动力学等研究工作提供理论研究基础和参考依据。

目前研究大地形变的位错理论模型只能描述断层在空间运动的平动方式，而向错理论是描述断层在空间运动的转动方式，其是对位错理论的进一步补充与完善。本项研究以地球物理及相关理论为基础,定义了断层扭张(W1)、扭转(W2)、扭翘(W3)等向错模式。在无限大半平面弹性空间理论模型的条件下，建立已知几何形状的断层向错与地面重力变化的模型。首先采用长方体模拟直立断层向错引起的重力变化，其次利用三维角点法剖分地质体，建立了带有倾角的断层，并讨论断层倾角、深度、以及向错基准点、基准轴的选择对地表重力变化的贡献。断层扭张 W1模式对倾角的变化最敏感，重力变化随倾角的增加总体呈现出先减小后增大的变化特征。扭转W2 、扭翘 W3模式具有相似的响应，随倾角的增大而重力变化减小，但其响应特征相对较弱。当断层埋深超过200km时其向错引起的地表重力变化趋于0 。. 断层在单一转动模式下产生的重力变化场变化分布以断层为轴线对称分布；断层在同一转动模式与不同平移模式组合的重力变化的响应程度不同，当断层处于W1转动模式下，与U2平移组合模式引起的重力变化最为显著，重力值最大变化100×10-8ms-2当断层处于W2转动模式下，与U3平移组合模式的重力变化最为显著，重力值最大变化120×10-8ms-2，而断层在转动W3模式下，与U3平移组合模式的重力变化分布形态由U3模式向外扩张运动原因所致，重力值最大变化-50×10-8ms-2；断层在混合转动与混合平动组合运动模式下引起的地表重力变化分布，主体分布与混合转动模式的分布一致，同时呈现出混合平动模式的响应。. 从汶川同震的GPS观测资料表明:向位错理论的模拟计算结果比位错理论更接近实际观测资料，该研究有助于我们更清楚得了解和认识地震以及地壳形变运动机制，对于进一步研究岩石圈构造运动、地震动力学特征及判定未来地震趋势解释提供了一个新的思路。