华北地区历史悠久、人口稠密、经济文化发达,是中国的心脏地带。华北地区地质构造演化过程复杂、构造类型多样、构造变形独特、地震活动性强,历来是众多学者研究的焦点。数值模拟方法在地质学方面的应用时间并不长,但已成为研究地学问题不可或缺的手段。在华北地区现有的地质构造、地球物理研究资料基础上,利用高性能并行计算技术,建立逼近实际的华北地区三维有限元模型,以高精度的GPS观测研究结果为运动边界,通过数值模拟方法研究华北地区的构造变形特征、断层运动性质、地震活动规律以及大地震对华北地区的影响等具有十分重要的意义。数值模拟方法对华北地区构造变形分析的数值模拟虽然取得了一系列非常重要的成果,但依然存在不少问题:1)由于计算机软硬件条件的限制,以往的模型网格较为粗糙,计算精度较低。2)断层在大陆岩石圈的新构造运动中起着重要的作用,华北地区的活动断裂分布密集,活动性强,而现有的数值模拟研究多数仅考虑华北地区的几条主要断裂。3)大地震对地表运动、形变及区域构造应力场影响很大,这些影响不仅仅局限于震中附近区域,有时会传递至很远区域。例如,2008年汶川8.0级地震对全国,特别是华北地区的构造变形和未来的地震活动有什么影响,是值得研究的一个问题。4)数值模拟实验中,模拟结果的对比是工作的重要环节之一,其用来检验数值模型的合理性及数据的可靠性,这在很大程度上决定了数值模拟结果的可信度。遗憾的是,这个环节常常被众多研究人员所忽视,或者仅进行某一方面的结果对比就认定数值模型的可靠性。针对上述问题,本研究主要开展了如下几个方面的工作:(1)华北地区三维动力学模型建立基于并行版ANSYS数值模拟软件平台,根据华北地区活动地块划分及活动断裂分布,结合GPS资料等,确定模型的几何边界范围是99.8°~121.4°E,27.9°~42.3°N,模型的边界范围包括了华北活动地块区的绝大部分以及周边青藏、西域、南华和东北亚地块的部分地区。华北活动地块区由鄂尔多斯、华北平原和鲁东-黄海三个二级活动地块所构成。华北地区内部主要活动断裂带有鄂尔多斯西南弧形断裂束、银川-吉兰泰断陷带、河套断陷带、张家口-渤海断裂带、渭河断陷带、山西断陷带、郯庐断裂带、唐山-磁县断裂带及安阳-徐州断裂带。模型考虑了华北地区已知所有晚更新世以来的活动断裂,断裂宽度取5 km。模型单元平均边长为25km,模型共划分为单元416 582个,节点582 392个。模型利用1999~2004、2004~2007两期GPS数据作为边界约束,计算得到华北地区构造变形的数值模拟结果。(2)地壳运动速度模拟与分析对比在GPS边界约束条件下,模拟了GPS站点运动速度,并与实际观测的GPS运动速度进行对比,对物理模型和数值模拟计算结果的可靠性进行评价。模拟结果表明,华北地区地壳运动速率的整体分布呈现由东向西逐渐减小、自北向南逐渐增大的特点。华北地区北部、燕山地块的地壳运动速率总体较小,而在华北地区中部、南部以及华南地块,运动速率逐渐增大。此外,2004~2007年相比1999~2004年,华北地区各地块地壳运动速度加快了1mm/a左右。分析对比结果显示,数值模拟结果与GPS观测运动速度大部分比较吻合,只有少数点在运动方向或速度大小上有较大差异。其中,差异较大的点主要分布在华北平原块体的东北部,其原因可能与2006年7月4日文安5.1级地震的孕育发生有关,也可能是数值模拟的边界效应和GPS观测误差所致。(3)断层运动性质模拟与分析对比华北地区有限元模型考虑了华北地区已知所有晚更新世以来的活动断裂,根据数值模拟的计算结果,将模拟结果所得的断层运动性质与活动断裂地质调查的运动性质进行比较,结果显示,在统计的48条具有走滑性质的活动断裂中,1999~2004模拟结果共有43条断裂活动性质符合,符合率为89.6%;2004~2007模拟结果共有45条断裂活动性质符合,符合率为93.8%。数值模拟结果能较好的反映断层的运动性质,说明华北地区数值模型具有一定的合理性。另外,利用1999~2004数据进行数值模拟得出的断层运动性质与杨国华等根据高精度GPS复测资料反演水平位移场得出的断层运动性质进行比较,结果显示数值模拟得到的断层运动性质与实测GPS资料得出的结果也吻合得较好。(4)应力应变场模拟与分析对比通过数值模拟,计算了1999~2004和2004~2007华北地区地表第一主应力、第三主应力(最大压应力)、第一主应变和第三主应变(最大压应变)的大小和方向。结果显示,华北地区的水平应变场总体上比较一致:第一主应变的方向为北北西-南南东,第三主应变的方向为北东东-南西西。这与前人利用震源机制结果、GPS测量结果等资料反演得到的华北地区主应变场比较一致。将数值模拟得出的华北及邻区主应变场与张静华等得出的华北及邻区主应变图进行比较,两者也具有比较好的一致性。(5)汶川大地震对华北地区构造变形的影响分析在模型的合理性得到验证的基础上,初步模拟了汶川大地震对华北地区应力应变场及断层活动方式的影响。通过比较汶川地震引起华北地区附加应力应变场和华北地区的基本应力应变场,发现在华北平原地块和鲁东-黄海地块,附加应力应变场与基本应力应变场的主应变方向差异较大(>45°),说明汶川地震对这些地区应力应变场的影响起卸载作用;而在鄂尔多斯地块,两者的主应变方向差异较小,说明汶川地震对其区域应力应变场的影响起加载作用。模拟汶川地震引起的断层运动性质与断层原有运动性质相比,主要表现为同向运动的断裂带有银川-吉兰泰断陷带和山西断陷带,表现为反向运动的断裂带有河套断裂带、安阳-徐州断裂带和郯庐断裂带。通过华北地区现今构造变形的三维数值模拟研究,得到如下主要结论:(1)华北地区地壳运动速率的整体分布呈现由西向东、自北向南逐渐增大的特点。华北地区数值模拟节点运动速度与观测GPS测点运动速度大部分比较吻合。少数差异较大的点主要分布在华北平原块体的东北部,其原因可能与2006年7月4日文安5.1级地震的孕育发生有关,也可能是数值模拟的边界效应和GPS观测误差所致。(2)华北地区大部分地块模拟平均运动速度与GPS平均运动速度近似。2004~2007年相比1999~2004年,各地块无论是GPS平均运动速度还是平均模拟值都提高了1mm/a左右,反映了2004~2007年华北地区地壳运动速度加快。(3)数值模拟结果能较好地反映断层的运动性质。在统计的48条具有走滑性质的活动断裂中,1999~2004模拟结果共有43条断裂活动性质与地质调查结果相符,符合率为89.6%;2004~2007模拟结果共有45条断裂活动性质符合,符合率达93.8%。(4)华北地区的数值模拟水平应变场与前人利用震源机制结果、GPS测量结果等资料反演得到的华北地区主应变场一致:第一主应变的方向为北北西-南南东,第三主应变(最大压应变)的方向为北东东-南西西。模拟结果还显示,活动断裂对模拟结果的影响较大,活动断裂成为应力应变的较为集中的区域。(5)模拟结果显示,汶川地震对华北平原地块和鲁东-黄海地块的区域应变场的影响起卸载作用;而对鄂尔多斯地块的区域应变场的影响起加载作用;汶川地震引起断层同向运动的断裂带有银川-吉兰泰断陷带和山西断陷带,引起断层反向运动的断裂带有河套断裂带、安阳-徐州断裂带和郯庐断裂带。