基于辛-谱元方法的地球自由振荡保弥散衰减数值模拟

对大地震激发的全球自由振荡的研究是探查地球内部结构的重要研究方向之一.以地球自由振荡数值模拟高精度、长时程、全球模拟的需求为导向,本文提出了一种适用于地球自由振荡高精度模拟的辛格式-谱元保弥散数值模拟方法.真实地球介质中弹性波能量的衰减成因复杂,对于甚低频情形,地球自由振荡的弥散衰减不容忽视.本文将保结构数值方法拓展至非保守动力学系统,发展了适用于弥散-黏弹阻尼介质弹性波方程的保弥散低阶辛格式数值模拟方法,将其应用于全球尺度地球自由振荡衰减效应数值模拟.数值模拟结果表明等效弥散衰减为地球深部(地核)自由振荡衰减的重要成分,并得出地球外核的等效弥散衰减系数.本文提出的方法为通过自由振荡研究探索地核非均匀性提供了一条的新途径.     

地球自由振荡弹性简正模研究进展与展望

在构建现代地球模型时,地球内部分层结构主要是根据地震波资料确定的;而地球内部密度及弹性参数,特别是地幔以下大尺度结构的密度分布,则主要是根据地球自由振荡的弹性简正模观测资料确定的.本文概述了地球自由振荡简正模本征值的求解理论和方法,介绍了球型和环型模态位移场表达式,讨论了地球自由振荡模态的衰减、分裂与耦合效应;总结了多线态分裂谱线探测和分裂参数估计的方法,综述了利用弹性简正模开展地震矩张量、地球三维非均匀性结构和内核超速旋转约束与反演研究的主要进展和存在的问题.最后作为展望,本文还讨论了地球自由振荡简正模的未来研究趋势.     

核幔边界地幔侧不同尺度横向非均匀对地球自由振荡的影响

地球自由振荡携带着丰富的地球内部结构信息,地球内部核幔边界的横向非均匀性问题是当今地球物理学相关学科研究的热点和难点.为了研究不同尺度横向非均匀结构对地球自由振荡的影响,本文在PREM地球模型中分别引入具有横向非均匀结构的D"区和超低速异常带(ULVZ),构建了有针对性的、新的不同尺度横向非均匀结构地球模型,采用波动方程的谱元解法开展地球自由振荡与地震波传播的长时程数值模拟、频谱分析及功率谱密度分析,以评估不同尺度横向非均匀结构对地球自由振荡的影响,从而为研究地球自由振荡的影响因素、优化地球内部结构模型等提供参考.本文的数值结果及其分析显示,除0S27、0S28、0S29和0S30振型外,核幔边界的这两类横向非均匀结构对自由振荡大部分基频振型的特征频率几无影响,仅对幅值有不同程度的影响.这一结果表明:基频振型中0S27、0S28、0S29和0S30振型适合于利用地球自由振荡谱线分裂现象分析核幔边界地幔侧横向非均匀结构的研究,而其余基频振型则不适合此类研究.     

日本M_w9.0大地震激发全球地震波传播特性的数值模拟研究与对比分析

2011年3月11日日本东北部海域发生Mw9.0级特大地震,并诱发海啸.本文利用Centroid Moment Tensor(CMT)震源机制解作为震源项,以地震波传播理论为基础,基于横向各向同性PREM地球模型,考虑地表地形及海洋等地球特性,利用谱元法结合高性能并行计算,对日本大地震激发的地震波传播特性进行了数值模拟研究.计算结果显示了全球地震波的传播形态.将数值模拟结果与理论模型的走时曲线和实际观测数据进行拟合对比,验证了模拟结果的可靠性和可行性.分别就考虑海洋和不考虑海洋两种数值模型下的地震波传播特性进行了对比分析.结果显示,海洋的存在对地震波强地面运动存在明显的影响.海洋会使P波运动位移峰值和速度峰值相对较小;海洋对S波的影响较复杂,不考虑海洋效应时使得位移和波速随时间推移迅速减小.因此,对沿海地区的地震灾害评估应该考虑海洋效应.此外,考虑地球重力因素情况下,对数值计算得到的2004年印尼苏门答腊地震、2008年汶川地震及2011年日本福岛大地震激发的球型场和环型场特征进行对比研究,通过对功率谱密度结果的观察并与理论值的对比分析,可以清晰的看到三个大地震释放的能量有很明显的不同,同时认识到数值模拟结果可以较准确重现长周期理论频率值,主要表现在0T2～0T13的环型振型及0S7～0S31的球型振型.结果显示数值模拟方法可以成功的用于地球自由振荡研究,未来可以作为一个主要工具深入探讨地球的横向不均匀性等特性对地球自由振荡特性的影响.     

基于分层结构参数变化的地球自由振荡简正模研究

大地震激发导致的地球自由振荡可为获得地球深部结构提供重要手段,通过理论计算自由振荡简正模的本征周期,并与实测结果进行比较,可为地球深内部结构和新地球模型的研究提供有效约束.采用微分方程数值积分技术和G-D1066A地球模型,本文计算了0~48阶的187个球型自由振荡简正模的本征周期,将计算结果与Gilbertt和Dziewonski等3组模型理论结果及Ness等4组观测结果进行比较,相对偏差在0.3%以内.分析说明由于考虑了地幔、外核和内核等不同分层密度和拉梅参数变化的影响,获得了较高精度的地球自由振荡简正模周期.本文提供的理论计算结果可为修正真实地球内部参数提供有效参考.     

地球自由振荡的保结构模拟

大地震等诸多激励均能激发全球自由振荡现象,通常表现为驻波形式的全球整体振荡.现有的地震波数值模拟方法多为非保结构方法,无法压制长时程计算中的积累误差.本文采用优化的三阶辛格式谱元法,对地球自由振荡及全球尺度的地震波传播进行了长时程模拟.通过与传统的基于Newmark算法的谱元方法结果对比分析,明确验证了本文所得优化的三阶辛格式谱元法在模拟地球自由振荡等大规模长时程问题上的优越性和准确性.上述进展在方法论层面为今后探测、刻画全球尺度地球非均匀结构的驻波数值方法奠定了部分基础,并为相关研究领域提供了新的选择.     

重力技术在地球自由振荡检测研究中的应用

地球自由振荡是一种十分重要的地球动力学现象,用重力技术检测地球自由振荡,结合地震技术可为获得地球内部精细结构提供一种重要手段.本文概要综述了地球自由振荡理论研究的发展和重力技术检测现状,详细讨论了利用我国武汉超导重力仪检测到的地球自由振荡本征周期和谱峰分裂现象,结合我国实际情况提出了研究展望,旨在给出需解决的学科问题和相应的策略探讨.     

南极上地幔结构异常对长周期自由振荡的影响

2012年发生的苏门答腊大地震激起了强烈的环形地球自由振荡,本文利用南极26个地震台站记录的此次大地震激发的₀T₁₀简正模,分析南极上地幔结构异常对长周期自由振荡的影响,我们将震后20 h的自由振荡观测数据与利用PREM地球模型模拟的结果进行比较,结果表明：在震后较短时间内区域性（区域的范围远远小于简正模的波长）上地幔结构异常能显著影响长周期自由振荡质点的偏振,引起简正模强烈的偏振异常.以往研究主要关注地球自转和全球范围的上地幔结构异常对长周期自由振荡简正模的影响,局部范围的上地幔结构异常对长周期自由振荡的影响并未被重视.对南极地区₀T₁₀垂向偏振异常的进一步分析表明：南极大陆上地幔存在方位各向异性,上地幔各向异性主要分布在横贯南极山脉下方,深度范围约为70~660 km.利用震后较短时间内的长周期地球自由振荡观测资料可以对局部区域上地幔的各向异性及其深度范围提供约束,可作为剪切波分裂和面波层析成像技术的补充.     

地震各向异性研究进展

简要介绍了各向异性介质中地震波传播理论的最新研究进展，总结了地震各向异性在地球动力学，地震灾害监测以及资源探查等方面的应用研究新进展。目前，主要通过数值模拟和物理模拟来研究地球内部典型各向异性介质中波的传播规律；利用横波分裂，Pn波的方位变化，面波成像方法研究地球内部的结构和物质交换，应力场的变化以及地震的孕育和发生过程。在资源探查中，地震各向异性理论主要用于解决测线不闭合，中长排列动校，时深转换以及裂缝分布等问题。     

远场差异构造应力作用下包体-地层地应力分析

地应力场的不均匀分布是地球科学非常关心的问题,远场差异构造应力及介质本身的不均匀性对地应力场的不均匀分布都有重要影响.本文利用弹性力学理论,以地球科学的包体-地层系统为例,推导了边界差异构造应力条件下包体-地层系统位移场和应力场的解析表达式.将远场差异构造应力分解为均匀构造应力和偏构造应力两部分,通过边值问题的一般求解方法,分别得出了这两种情况下的理论解.通过将两部分理论解叠加,得到了边界差异构造应力条件下包体-地层系统的位移场、应力场和连接载荷.通过推导的解析解与有限元数值解进行比较,两者非常一致.通过分析包体-地层系统、材料参数、几何尺寸、远场构造应力的大小和方向等因素对包体-地层位移场和应力场分布的影响,可以用于探讨钻孔应变等包体应力(应变)计观测的地震应变阶、慢地震、地震孕育、火山喷发、地球自由振荡、地震波等现象的地球动力学机制.结果表明,远场地应力的分布主要受控于边界构造应力的大小和方向.在包体内部,应力场基本是均匀分布的;而在包体附近,由于介质差异,地应力场的不均匀性非常显著,并且有一定的优势方向,对地应力集中部位的分析为钻孔应变观测等地球动力学研究手段提供了基础理论参考.