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许强教授团队 基于时序InSAR的平山造城工程潜在滑坡早期识别与运动学趋势评估 环境与土木工程学院王丹老师在国际顶级期刊 Geophysical Research Letters 上发表重要研究成果，在格林兰岛地幔转换带结构成像及其地球动力学意义方面的研究取得了重要进展 四、 我校本科生戴艺欣同学在地学高水平期刊 EPSL发表论文，揭示青藏高原东北缘地壳和地幔各向异性特征
许强教授团队基于时序InSAR的平山造城工程潜在滑坡早期识别与运动学趋势评估 黄土高原大规模平山造城工程前所未有，其高达上百米的“削山造地”为城市扩张提供大量平坦建设用地的同时，也带来了空前的重大工程灾变隐患。 为此，许强教授及其团队成员蒲川豪研究员等针对黄土高原大规模平山造城工程相关的边坡稳定性问题开展了研究 ，相关成果以Refined mapping and kinematic trend assessment of potential landslides associated with large-scale land creation projects with multitemporal InSAR International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation 。 自2012年以来，黄土高原开展了大规模“平山造城”（MECC）工程，旨在为城市发展建造额外的平地。然而，大规模的削山填沟显著改变了局部地质环境，形成了大量的黄土工程边坡。本研究基于滑坡破坏前的普适性时空变形规律，构建了一种基于时序InSAR的潜在滑坡早期识别和稳定性评估新方法，并用于识别和评估黄土高原最大的平山造城区-延安新区（YND）的潜在滑坡。 首先，通过光学遥感解译与SBAS-InSAR分析得出的空间差异变形图相结合，确定潜在滑坡的空间位置和边界。然后，使用指数模型对时序位移进行定量分析，评估识别到的潜在滑坡运动学演化趋势。最后，对潜在滑坡可能的影响因素和破坏模式进行讨论。 结果表明，InSAR差异变形结果较好地反映了潜在滑坡的外部边界，并首次在延安新区识别到18处潜在滑坡。在InSAR监测期间，这些潜在滑坡中超过82%的相干目标（CT）呈初始或稳定蠕变；然而，在几个边坡上也观测到明显加速的三级蠕变。因此，利用多时相InSAR和/或地面设备对大规模平山造城区的工程边坡进行持续监测至关重要。时空变形模式与环境因子的高度相关性表明，这些潜在滑坡的活动性主要受填土厚度控制，而降雨则加速了边坡的位移。研究成果可为大规模平山造城工程滑坡灾害隐患识别与防治提供决策参考。 ▲潜在滑坡早期识别和长期稳定性评估流程图 潜在滑坡早期识别与运动学趋势评估方法 尽管InSAR技术在滑坡识别和监测的巨大优势早已被证明并广泛应用，但是目前大多数基于InSAR的滑坡识别和稳定性评估是通过考虑一个变形速率阈值来确定其空间范围和活动性大小。事实上，同一或不同地区的不同滑坡具有显著异质性的时空变形模式和破坏机制，使得很难确定具有普适性的速率阈值。 然而，滑坡在破坏前通常具有相对普适性的空间差异变形和时间加速变形规律，基于此，本研究提出了一个联合遥感解译、时序InSAR、无人机摄影测量和现场调查等手段的潜在滑坡早期识别和稳定性初判的新方法。基于时序InSAR结果计算变形速率梯度以表征边坡空间差异变形，识别潜在滑坡边界；应用指数模型表征InSAR时序位移的长期演化趋势，评估潜在滑坡的运动学状态和长期稳定性。 ▲滑坡时空变形模式 （a 典型滑坡示意图；b 滑坡空间差异变形特征；c 滑坡失稳前时间变形特征） 联合光学影像解译和由Sentinel-1 SBAS-InSAR结果衍生的差异变形图，可以清晰的识别和绘制延安新区大规模平山造城区活动性工程边坡（潜在滑坡）的外部边界，并通过详细的野外调查和无人机摄影测量验证了识别结果的可靠性。该方法不仅为潜在滑坡及其边界的识别提供了一种通用的解决方案，而且还克服了传统基于速率阈值的滑坡识别方法的局限性。
此外，利用指数模型表征InSAR时间序列位移，可以高效、快速地评估识别到的潜在滑坡长期运动学演化趋势及稳定性，评估结果揭示了识别到的潜在滑坡空间异质的运动学演化模式，为地面设备重点关注和持续高精度监测以支持灾害风险管理提供重要支撑。
▲由InSAR结果衍生的差异变形图绘制的活动工程边坡（潜在滑坡） 潜在滑坡影响因素及潜在失稳模式 时空变形模式为研究潜在滑坡的影响因素和可能的变形破坏模式提供了条件，基于时空变形模式与环境因素的相关性分析，揭示了填方黄土厚度和降雨对潜在滑坡活动性的重要控制作用。不同厚度的填方黄土控制着边坡表面的差异变形，并因此引起地表裂缝；雨水沿裂缝形成的优先通道快速入渗，加速了边坡的位移，最终可能导致滑坡发生。 ▲潜在滑坡变形与（a）填方黄土厚度和（b）降水的关系 ▲活动边坡（潜在滑坡）潜在变形破坏模式 基于滑坡破坏前普适性的时空变形规律，本研究构建了一种联合光学遥感、时序InSAR和现场调查的潜在滑坡早期识别与稳定性评估的新方法，实现了对大规模人类工程活动区潜在滑坡的快速识别与初步评估。 随着SAR影像数量、类型、空间分辨率和重访频率的增加，以及InSAR处理技术的优化，利用时序InSAR技术进行滑坡识别和监测的能力将会不断增强。因此，本研究提出的新方法在区域性潜在滑坡精细识别和早期预警中具有较大的应用潜力，可为滑坡灾害的风险管理提供重要参考依据。
环境与土木工程学院王丹老师在国际顶级期刊Geophysical Research Letters 上发表重要研究成果， 在格林兰岛地幔转换带结构成像及其地球动力学意义方面的研究取得了重要进展 近日，成都理工大学环境与土木工程学院王丹老师及其合作作者在格林兰岛地幔转换带结构成像及其地球动力学意义方面的研究取得了重要进展，相关研究成果以“A Tilted Broad Plume Underneath the Greenland Cratonic Keels ” 为题在地球科学自然指数（Nature Index）权威期刊、中科院一区TOP期刊《地球物理研究快报》(Geophysical Research Letters )上发表。 格林兰大陆起源于劳伦大陆核心部分，具有漫长而复杂的构造历史。格陵兰岛壳幔由包括太古代克拉通和若干个古元古代造山带的前寒武纪大陆地盾构成。北大西洋及随后的拉布拉多海和巴芬湾的海底扩张导致了格陵兰岛东西部沿岸的大规模火山活动，形成了北大西洋大火成岩省的一部分。 ▲图1.（a）格林兰岛及其周边主要的区域构造特征，背景颜色为NAT2021区域速度模型上地幔及地壳（0-410km）的平均S波波速异常（Celli et al.,2021），不同颜色的实线代表前人研究的可能的冰岛热点的轨迹，白色圆圈和数据是基于Forsyth et al.（1986）研究提出的地幔柱的年代及位置，彩色三角代表格林兰岛的火山分布及其对应的年代范围（Wilkinson et al., 2017），粗的黑色虚线代表本研究中观测的地幔转换带厚度异常区域的位置（A区和B区）。（b）研究区域的地形图及地震台站分布。黄色圆圈代表本研究所用的地震台站分布，黑点代表了在地幔转换带中部535km深度投影的射线穿透点的位置，右上方的插图代表本研究用的远震事件的分布位置。 然而，由于格林兰岛被大量冰盖覆盖，人迹罕至，观测数据缺失，这限制了对格林兰岛的内部的壳幔结构、北大西洋大火成岩省和冰岛热点轨迹的地球动力学成因的认识，而这些科学问题对解释地幔不均一性及地球动力过程至关重要。 本研究利用分布在格林兰岛不同位置的44个地震台站观测到的P到S的转换波的远震数据，采用基于非平面波假设的改进接收函数计算方法，对整个格林兰岛地下410km和660km的地幔转换带上下的两个不整合面（分别简称d410和d660）进行了成像，并进一步利用近期发表的三个包含P波和S波波速的格林兰岛区域及全球速度模型进行了深度校正，且通过计算不同模型校正后的平均值来减小模型选取带来的校正误差。 ▲图2.四个穿越地幔转换带厚度异常区域的纬度剖面的叠加过后的接收函数波形。白色圆点代表选取的不整合面的振幅最大值的位置，背景颜色显示了NAT2021(Celli et al., 2021)速度模型中的S波波速异常结果，顶部的曲线显示了基于三个速度模型算出的剖面S波速度异常的变化及其标准差（每个点的小竖线）。 ▲图3.a-d为基于标准地球速度模型IASP91计算的格林兰岛地幔转换带不整合面“视”深度、厚度分布及厚度的标准差；e-h为经过三个速度模型深度校正后的地幔转换带不整合面的校正深度的平均值、对应的厚度分布及厚度的标准差。 结果显示，大多数格林兰岛南部的克拉通区域在速度校正后呈现出正常的不整合面深度以及地幔转换带厚度，说明该区域的速度异常主要集中在上地幔区域。然而，在格林兰岛的东海岸及中北部地区观测到了异常的地幔转换带厚度，在这些地区，校正后的d410和d660两个不整合面均呈现出比正常深度要更深的下沉结构特征。 但由于两个不整合面下沉程度的不同，导致了东海岸地区的地幔转换带明显增厚，而中北部的地幔转换带减薄。利用所有以往公开发表的克拉伯龙斜率（Clapeyron Slope）数值的平均值，研究人员进一步根据两个不整合面不同的矿物转化特征计算了该区域的温度异常，并结合矿物学实验结果及地球动力学模型，揭示了一个在格林兰克拉通块体之下倾斜上涌的宽地幔柱。 这进一步反映了地幔转换带横向温度变化以及不均一性，并通过观测手段验证了在高温度异常状态下660km地幔转换带不整合面处的另一种由石榴石矿物主导的“后石榴石相变”（post-garnet phase transition）对地幔柱动力学的影响，这对揭示该地区地幔不均匀性、冰岛热点轨迹以及整个北大西洋大火成岩省的形成与演化规律提供了重要的观测结果及科学依据。 ▲图4.基于观测结果及温度异常计算的最终的地球动力学模型。在整个地幔转换带厚度异常区域（A区和B区），660km不整合面主要是由石榴石矿物主导的“后石榴石”矿物相变，而A区和B区不同的两个不整合面深度的变化是由于在地幔转换带倾斜上涌的地幔柱带来的横向温度异常的变化导致的，结合上地幔和地表地热观测结果，推测倾斜上涌的地幔柱在上地幔又一次因为克拉通地区岩石圈厚度的不同而发生了再次的改向。 论文第一作者（独立）为我校环境与土木工程学院地质工程系王丹老师，成都理工大学环境与土木工程学院为第一单位，美国密苏里科技大学Kelly H. Liu教授为论文的通讯作者，其他合作作者包括美国密苏里科技大学Stephen S. Gao教授及博士生廖杨杨。 王宇杰教授团队揭示颗粒物质从蠕变到流动的独特屈服行为 近日，我校地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室和数理学院王宇杰教授团队及其合作者研究了颗粒物质在循环剪切下的微观动力学，揭示了颗粒物质的独特弛豫机制和屈服行为。该研究近期以“From creep to flow: Granular materials under cyclic shear ” 为题发表在《自然通讯》（Nature Communications ）。该项成果标志着成都理工大学在颗粒物理以及土力学基础研究方向取得的重要突破。 颗粒物质是由大量宏观粒子组成的离散体系，包括土壤、谷粒、矿石等。颗粒物质与许多重要的工程应用问题密切相关，同时也是地震、泥石流等地质过程的主要载体。自然界中的颗粒物质在没有外力作用时往往像固体一样保持静止，并以无序堆积结构存在，与金属玻璃、胶体玻璃等相似，因而被视为无序固体中的一类。 屈服（Yield）是固体材料的一大特性，指材料在应变的积累下，从弹性区域过渡到塑性区域的转变点。在弹性区时，材料在外应力作用下会发生弹性形变，又在外加载荷卸载后恢复到原样，而当应变超过屈服点后，体系则会发生不可逆的塑性形变。 颗粒物质在简单剪切下的宏观应力-应变曲线与一般非晶固体类似，然而，在受循环载荷作用时其微观动力学存在更复杂的屈服现象，是否存在完全弹性区域存在争议，表现为在屈服应变下仍会发生蠕变最终导致材料被破坏。这对颗粒物质作为工程材料或地质载体在地震、水流冲击等长期循环载荷下的稳定性问题带来了巨大的挑战。同时，颗粒的表面粗糙度对其力学响应行为的影响也缺乏理解。通过对不同幅度循环剪切下的颗粒体系开展系统研究，能更有效地帮助我们从微观动力学的角度厘清上述疑问。 王宇杰团队及合作者采用X射线CT成像技术追踪了两种不同粗糙度的颗粒系统在循环剪切下的三维运动轨迹。两种系统在不同的剪切幅度下都呈现出从蠕变（亚扩散）到流动（简单扩散行为）的转变，证实了颗粒物质不存在完全弹性响应区域，在屈服点之前材料仍会发生蠕变。同时，在实验中发现当颗粒粗糙度较小时，在幅度约为0.1的循环剪切下，颗粒体系表现出显著的动力学变慢和动力学非均匀性；而当粗糙度较大时，动力学随着剪切幅度连续演化。这些结果说明颗粒粗糙度在经典的玻璃态能量景观中引入了新的尺度，进而改变了系统的弛豫机制。
▲图 两种粗糙度的颗粒体系（左：小粗糙度；右：大粗糙度）在循环剪切下的扩散行为（上）与能量景观（下）。 王宇杰研究团队所看到的实验现象和对应的物理解释表明颗粒体系的多尺度特性在理解其独特的微观动力学、宏观屈服和流变行为时十分关键。同时，这一结果对于理解多个重要的工程和地质过程，例如微小地震下的滑坡启动行为以及堆石坝等土木工程结构在长期循环载荷下变形等难题非常关键。 论文第一作者是上海交通大学物理与天文学院博士后袁野（合作导师王宇杰教授），通讯作者为我校王宇杰教授与我校兼职教授Walter Kob教授。该工作得到了国家自然科学基金No. 11974240、上海市科委项目No. 22YF1419900以及中国博士后科学基金项目No. 2021M702151的支持。 Yuan, Y., Zeng, Z., Xing, Y. et al. From creep to flow: Granular materials under cyclic shear. Nat Commun 15, 3866 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48176-6 我校本科生戴艺欣同学在地学高水平期刊EPSL发表论文，揭示青藏高原东北缘地壳和地幔各向异性特征 青藏高原地壳变形复杂，是研究陆陆碰撞作用下岩石圈变形的理想场所。通过研究该地区的形变，对理解青藏高原隆升机制至关重要。 戴艺欣同学自大二开始进入成都理工大学地球物理学院梁春涛研究团队，开展应用波场梯度法（Wave Gradiometry Method）构建青藏高原东北缘三维方位各向异性S波速度模型（图1）的科学研究。其成果揭示了青藏高原东北缘形变模式（图2）。研究发现祁连块体和巴颜喀拉块体在25~40km深度处存在相对弱的低速层，且地壳和地幔各向异性快波方向解耦。 也就是说中下地壳快波方向大致与青藏高原向外扩张方向垂直，平行于区域深大断裂走向，体现中下地壳各向异性可能主要与地壳强剪切变形有关；而岩石圈地幔各向异性与青藏高原向外扩张方向平行，体现了北东－南西向挤压应力作用下地幔橄榄石晶格的定向排列。论文推断，青藏高原东北缘以地壳横向缩短导致纵向增厚为主要的隆升机制。 ▲图1 20 km(a)、40 km (b)、60 km (c)、90 km (d)深度S波速度图和方位各向异性图。黑条的方向为快波方向；黑条的长度表示各向异性的大小；白线是块体边界；灰线表示主要断层；粗灰色虚线表示海拔2500米的地形等高线。红色箭头表示GPS速度方向。 ▲图2 青藏高原东北缘地壳与岩石圈地幔解耦FPDs三维模型。灰线表示断层。紫色箭头表示不同区域的快波方向。绿色杏仁状体代表了断层周围的形状优选方向。粉红色杏仁状体和紫色杏仁状体分别代表下地壳和上地幔矿物的定向排列。红色箭头表示假定的地幔运动方向。地幔快波方向大致平行于地幔运动方向或青藏高原向北东向的扩张方向一致，而地壳各向异性主要平行于深大断裂，体现地壳以剪切形变为主。 以上成果发表在地球科学自然指数(Nature Index)权威期刊《地球与行星科学快报》(Earth and Planetary Science Letters )上。论文的第一作者为成都理工大学地球物理学院2019级本科生戴艺欣同学，通讯作者为成都理工大学地球物理学院梁春涛教授。该研究得到国家重点研发计划项目(2022YFF0800601)，国家自然科学基金项目(42174071)和四川省重点研发计划项目(23ZDYF2412)的联合资助。 Dai, Y., Liang, C., Cao, F., Chen, L., Liu, Z., Fan, X., & Wang, C. (2024). Decoupled anisotropy in the lower crust and upper mantle extracted by the Wave Gradiometry method resolves the differential deformation mechanisms beneath the northeastern Tibetan Plateau. Earth and Planetary Science Letters, 633, 118654. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.118654 ▲ 祝贺！成理侯明才教授团队参与荣获2023年度国家科学技术进步二等奖