上地幔变黏度小尺度对流的数值研究

基于二维模型，利用有限元方法，研究上地幔-岩石圈系统的变黏度小尺度对流. 考虑该系统的黏度随温度以指数形式变化，数值结果表明，当黏度随温度变化较剧烈时，由于低温高黏度，系统的最上部物质不参与对流，系统发育形成一个类似于岩石圈的静止盖层. 计算表面热流、地形起伏及重力异常与对流格局有较好的相关性，高热流、上升地形对应于对流的上升区，反之低热流、下降地形与对流的下降区对应.     

论浮力对热液喷发型（SEDEX）矿床成矿的作用：以澳大利亚北部为例

采用有限元法模拟了北澳大利亚Mount Isa盆地古流体迁移及温度场的分布,特别评价了浮力对沉积喷发型SEDEX矿床成矿的作用.数值模拟结果表明浮力驱动的热液循环主要由断层深度及其与含水层的空间关系所控制.海水从一条断层向下迁移,然后沿着主要的含水层横向流动.在此过程中地热导致温度逐渐增高,最后在浮力作用下加热后的富含金属元素的流体从另外一条断层向上运动并喷发到海底.计算表明喷发到海底的热液温度范围在115～160℃之间,并在一百万年的时间内保持了2.6～4.1m·a-1的流速.这些条件在适当的化学圈闭环境下有利于形成Mount Isa规模的SEDEX矿床.因此,浮力是盆地范围热液循环的一个重要驱动机制,其强度之大足以形成类似于北澳大利亚Mount Isa规模的超巨型热液喷发型矿床.     

地幔对流与岩石层板块的相互耦合及影响──（Ⅱ）地幔混合对流理论及其应用

观测到的板块运动包含两种能量分布几乎相等的运动形态：极型场和环型场．纯粹的由热驱动的地幔自由对流不能预期和解释环型运动的产生．本文提出地幔混合对流理论，既考虑了热驱动的自由对流，也考虑了由板块自身激发的强迫对流．根据板块处于动力学平衡状态的观测事实，建立了相应的模型．数值结果表明，根据混合对流模型所预期的板块速度场，既能产生极型场，也能产生环型场，而且在空间分布特征及功率谱分布上与观测资料符合相当好．地幔物质的上升流动基本和洋脊对应，而下降流动和俯冲带对应．     

地幔对流与岩石层板块的相互耦合及影响──（Ⅱ）地幔混合对流理论及其应用

观测到的板块运动包含两种能量分布几乎相等的运动形态：极型场和环型场．纯粹的由热驱动的地幔自由对流不能预期和解释环型运动的产生．本文提出地幔混合对流理论，既考虑了热驱动的自由对流，也考虑了由板块自身激发的强迫对流．根据板块处于动力学平衡状态的观测事实，建立了相应的模型．数值结果表明，根据混合对流模型所预期的板块速度场，既能产生极型场，也能产生环型场，而且在空间分布特征及功率谱分布上与观测资料符合相当好．地幔物质的上升流动基本和洋脊对应，而下降流动和俯冲带对应．     

时间域起伏自由地表正演模拟综述

起伏地表对地震波有着非常大的影响,在起伏地表条件下,地震波的解析解不存在的,所以只能用数值方法来模拟地震波在地下的传播形式,起伏地形使得各种特殊的波现象出现,散射波、波的干扰、地滚波、以及体波和面波之间的转换,都给地震勘探带来了巨大的困难,因此,国内外学者对起伏自由地表的正演模拟做了大量的研究.本文从起伏地表的数值模拟方法、网格离散形式和自由边界实现方法三个方面系统的概括了时间域起伏自由地表正演模拟的研究进展.     

瑞利面波地形效应的数值模拟研究

在地震工程中,经常观测到地震波受地表起伏的影响而产生地形效应.本文基于数值模拟,研究了地震远场区域起伏地形对地表瑞利面波传播影响和对应的地形效应特征.结果表明:起伏地形的转折点或面的散射或反射,产生反方向传播的反射RR波和向空间扩散传播的转换RS体波,导致通过地形的瑞利面波能量极大的减弱,地形总体表现出强的隔震效应.地形起伏与地震动的波长比越大,隔震效应越强.凹陷地形表现出远比隆起地形更大的隔震效应.起伏地形转折引起的地表张角变化,导致地震动能量分布密度改变,是地形出现局部放大或减弱特征的主要因素.地表张角小于180°,地震动放大,张角越小放大作用越明显.地表张角大于180°,地震动减弱,张角越大减弱作用越强.当地形对地震动产生放大作用时,地震动水平分量比垂直分量放大效果更明显,而当地形产生减弱作用时,相对于水平分量,垂直分量更容易被减弱.     

二维起伏地形瑞利面波速度频散特性数值模拟研究

瑞利面波在起伏地形下传播的特性不仅与介质性质有关,而且与地形起伏程度有关.目前,国内外对水平地形下瑞利面波频散特性研究较为成熟,但对起伏地形下瑞利面波的频散研究较少.由于地形影响,面波和体波是耦合在一起的,完备的理论尚在探索中.本文以水平地形瑞利面波传播理论为基础展开起伏地形下瑞利面波传播特性研究.首先应用二维有限元数值模拟方法,基于波场快照和合成地表地震记录研究了起伏地形条件下瑞利面波波场的传播特征.在此基础上,研究了起伏地形引起的波场畸变对多道瑞利面波速度频散分析的影响.研究表明:由于起伏地形对波场能量的散射和反射产生传播波的模式转换,导致起伏地形远场为瑞利面波和转换S波叠加的复杂波场,该复杂波场会影响多道瑞利面波的速度频散特征.当地形高差小于0.2个优势波长时,地形影响较小可以近似忽略;而当地形高差接近或大于面波的优势波长时,地形影响较大,在资料解释需考虑.     

伽利略卫星磁异常起源的数值模拟

伽利略号任务探测到了起源于伽利略卫星的磁异常.这些磁异常很可能来自于卫星内部,并且受到强大的木星背景磁场的影响.观测磁异常可能来自各种不同的产生机制,这里通过数值模拟主要研究卫星内部磁对流和发电机行为.为了模拟卫星周围的电磁环境,在模型中引入了一个固定取向、空间均匀,但是强度可变的外磁场B0.模拟结果显示,强度足够大的B0可以显著的改变核内的发电机过程.当B0增加到原发电机磁场强度的40%时,核内对流的改变非常显著：整体对流强度减弱了80%,但是在大部分区域的差动旋转却增强了,这导致了核内总磁场的增加.磁场的形态趋向于同背景场一致,而流场则显示出背景场对原有对称性的抑制作用.此外,磁场在时间变化上也趋向于更加稳定.     

日本海沟俯冲带热结构与深源地震

本文利用有限差分方法,计算了全地幔对流模式和双层地幔对流模式下日本海沟俯冲带热结构、浮力及P波速度异常分布,基于亚稳态橄榄石相变模型推测亚稳态橄榄石的存在范围,同时分析了热传导系数、热膨胀系数和热源对俯冲带热结构的影响,以及俯冲带所受浮力与俯冲带形态的关系.结果表明,双层地幔对流模式下模拟的P波速度异常分布与层析成像结果更为相符,也与深源地震的分布有较好的相关性.板块内部亚稳态橄榄石的存在范围随热传导系数和热膨胀系数的减小而增大,同时忽略相变潜热和剪切生热的影响也会造成模型所预测的亚稳态橄榄石范围偏大.俯冲带所受负浮力在400 km深度附近达到最大值,亚稳态橄榄石的存在使负浮力逐渐减小,甚至在板块内部产生正浮力,不利于俯冲带穿透660 km相变界面.     

三维分层流动过双山脉地形激发的大气船舶重力波动力学理论和数值试验

利用我们建立的三维分层线性理论计算模式和中尺度数值模式ARPS, 分别研究了三维分层流动过双山脉地形产生的三维线性和非线性山脉重力波和大气船舶的结构特征及其形成机制.线性理论计算结果表明三维三层流动过双山脉地形时，两个山脉各自强迫出一个发散模态的山脉背风波，在第二个山脉背风面，三维三层流动过双山脉地形可以强迫出两个发散模态的拦截背风波，大大加强了对大气环流的拖曳作用.非线性数值模拟结果表明，流动过山所产生的非线性山脉重力波和大气船舶完全不同于三维分层线性理论计算模式所产生的山脉重力波和大气船舶的结构和特征，由于分层流体之间的非线性相互作用，三维三层流动过双山脉地形时，可在第二个山脉背风面激发4个发散模态的拦截背风波. 三维三层流动过双山脉地形所强迫的山脉重力波和大气船舶，具有同三维三层流动过孤立山脉所产生的山脉重力波和大气船舶完全不同的结构和特征，三维流动过双山脉地形对两个山脉之间的距离表现出极大的敏感性.对于相距较远的两个山脉，流动过双山脉所强迫的山脉重力波表现为4个发散模态的拦截背风波，波动的能量相对于相距较近的两个山脉能传播到更高的高度.     

罗斯海海域大地水准面异常的成因研究

本文利用数值法求解瞬时地幔对流问题以模拟大地水准面异常.利用两个较新的S波速度异常层析模型SEMUCB_WM1和TX2019slab,将其转换为密度异常作为控制方程的浮力驱动项;采取的黏度结构模型中,上下地幔的黏度比为1∶50.为了研究地幔不同结构对罗斯海海域大地水准面异常的影响,分别提取上、下地幔的密度异常正/负值,作为对流控制方程的输入项,计算相应的模拟大地水准面异常.将模拟大地水准面异常与观测值进行对比,发现罗斯海海域的大地水准面异常主要来自下地幔及上地幔的负密度(波速)异常,下地幔正密度异常对该区域大地水准面负异常也有一定的贡献.本文认为,地幔密度负异常在罗斯海海域大地水准面异常的形成中占据主导作用,地幔对流的动力学效应对该区域大地水准面异常的形成影响较弱.     

起伏地表下基于改进BISQ模型双相介质中曲线网格有限差分法波场模拟

本文以基于改进BISQ模型的二维双相各向同性介质一阶速度-应力方程为基础,推导出了曲线坐标系下对应的方程,然后采用低频散、低耗散的同位网格MacCormack有限差分法来离散方程,并采用紧致的单边MacCormack差分格式结合牵引力镜像法来施加自由地表边界条件,实现了地震波场数值模拟.曲线网格有限差分法采用贴体网格来描述自由表面,地表的网格线紧贴地形,避免了台阶近似造成的数值散射.数值模拟结果表明,在双相介质起伏自由地表和分界面处,各类波型复杂的反射透射规律可以清晰展现,曲线网格有限差分法可以精确地解决地震波在含起伏地表的双相各向同性介质中的传播问题.     

小行星撞击对地球的上地幔对流的影响

本文分别基于数值结果和地质学模型,在假定地球的上地幔存在稳定Rayleigh-Bénard对流的基础上,模拟了直径为10 km（陨石坑直径约180 km,以Chicxulub为例）和直径为100 km（陨石坑直径约1000 km）的小行星撞击对地球的上地幔对流格局的影响.本文将直径10 km小行星的撞击效果等效为热异常,将直径100 km小行星的撞击效果等效为热异常和速度异常（主要指陨石坑底部的回弹）的叠加.计算结果表明,当小行星的直径在10 km左右时,撞击对上地幔对流的影响十分微弱,热扰动时间仅2—3 Ma;而当小行星的直径达到100 km时,撞击就会对上地幔对流产生强烈影响.这时,对流从扰动到新的稳态有一定模式可循（依次为：调整、多个对流环、调整、稳定）,扰动的持续时间受黏度和撞击点位置影响,同时稳定后地幔热柱会向着撞击点的方向产生一定的位移.     

山脊线与坡度和峰值速度放大系数的相关性研究

地形效应是地震工程和地震学的重要研究内容.数值方法是研究地形效应的重要工具.然而以往关于地形特征对地形效应的影响的研究大多是基于二维简单模型.对三维真实地形特征和地震动放大的关系缺乏详细的研究.为了更好地描述三维地形特征,本文将地形用不同的地形特征因子来描述,并用算法将它们从地形数据中提取出来.从而使地形和放大系数的相关性的研究转换为不同地形特征因子和放大系数的相关性的研究上.本文中,我们选择芦山地区作为研究对象,用算法提取出特征因子山脊线和坡度.它们分别表征了山脊形态和山体的陡峭程度.我们又用谱元法分别模拟三种不同主频Ricker子波的地震波在起伏地表和水平地表模型中的传播,并得到了它们各自的峰值速度(PGV)放大系数.通过分析三个主频的PGV放大系数在山脊线上分布,我们发现放大系数幅值在山脊线上分布不均匀.放大系数较高的地方位于山脊线弯曲或宽度发生变化的附近.我们又统计了三个放大系数在滑动平均坡度上分布,并得到了放大系数均值和坡度的正相关曲线.结果表明坡度和放大系数两者在幅值分布上具有正相关性.     

边界驱动对流与克拉通岩石圈减薄:二维热-力学模拟

古老克拉通与相邻的年轻活动带之间通常存在着岩石圈厚度的突变,二者之间温度和密度的横向差异能引发小尺度地幔对流(边界驱动对流).在这里我们利用二维热-力学数值模拟方法探讨克拉通与活动带之间的岩石圈台阶引发的边界对流及其在克拉通岩石圈减薄中的作用.模拟结果显示:在同等初始条件下,边界对流对克拉通的改造作用取决于克拉通岩石圈自身的性质及其与周缘物质的物性差异.当克拉通岩石圈密度相对较大时,高强度的克拉通岩石圈抵御边界驱动对流的能力强,克拉通岩石圈减薄仅局限于边缘.而低强度的克拉通岩石圈抵御边界驱动对流的能力弱,克拉通岩石圈在下降流的作用下被逐渐侵蚀,从而造成了克拉通岩石圈的大规模减薄.当克拉通岩石圈的密度相对较小时,无论克拉通岩石圈的强度高低,低密度的克拉通岩石圈都很好的抑制了边界驱动对流的影响,上升流驱使克拉通岩石圈边缘流向活动带岩石圈的底部,岩石圈减薄仅发生在边缘.太古代的华北克拉通被显生宙的活动带所围限,其岩石圈减薄最早发生在北缘和东缘,且经历了一个缓慢的过程.我们认为边界驱动对流可能在华北克拉通岩石圈减薄过程中发挥了重要作用,尤其是在岩石圈减薄的启动过程中,但不排除其他多元机制的共同作用.     

模型扩展和地形平化起伏地形处理方案在地震走时层析成像中的对比研究

中国大陆中西部普遍具有强烈的地形起伏,起伏地形会对地震资料的处理分析产生严重干扰.精细处理起伏地形成为高精度地震成像的必然要求.传统方法通过填充低速介质将不规则模型扩展为规则模型来处理起伏地形.近年来,借助坐标变换将物理空间不规则模型转换为计算空间规则模型的地形平化方法,为解决起伏地形问题提供了新思路.本文基于经典的模型扩展和新发展的地形平化方法分别处理起伏地形,从走时正演、射线追踪和反演成像三个方面,全面细致地评判了两种地形处理方法在起伏地形层析成像中的适用性和有效性.结果表明,模型扩展中阶梯状近似和填充介质速度参与计算,会造成起伏地形走时计算精度损失,出现虚假射线路径和错误出射角,导致反演分辨率降低,成像结果模糊甚至失真;地形平化中采用贴体网格参数化,能够保证离散模型完全匹配起伏地形,并且保持起伏地形在物理空间和计算空间中均为自由表面.在此基础上发展的层析成像技术具有高度的保真性,有效地处理了地形起伏效应,为起伏地形区域精细速度成像提供了有力的技术保障.     

河谷地形对地震动的影响分析

基于时域隐式动力有限元结合黏弹性人工边界的方法,实现了地震动垂直入射下三维河谷地形地震反应的数值模拟。在此基础上,针对河谷地形对地震动的影响,对峰值差异、质点运动轨迹等进行了分析,继而分析了地震动相干性及相位差等频域特性。结果表明:河谷地形对地震动强度具有显著影响,其与河谷特征及场点位置相关;河谷地形能产生明显的地震动转换,且坡度越大地震动转换越明显;河谷地形效应会减小地震动的相干性,表现为河谷两岸地震动之间相干性较好,而边坡下降会导致相干性的减小;河谷地形效应导致地震动产生相位差,相位差大小与场点位置相关,但河谷两岸地震动之间几乎不存在相位差,而斜坡及谷底相位差均较大。     

洋壳渗透率结构对其内部热液对流的影响研究——基于热力学数值模拟

洋底特殊环境的限制使数值模拟成为研究海底热液对流与成矿机制的有效方法.本文通过数值模拟的方法,研究洋壳渗透率单因素变化对热液对流系统的形态和输出参数(热液喷发温度和热流值)进行研究.模拟结果表明,洋壳平均渗透率分别与热液喷发温度和热量输出呈反相关和正相关关系,符合达西流体热对流的基本解析规律.另外,洋壳渗透率的垂向变化不会使洋壳内部的对流系统产生明显的横向偏移,只使热液羽规模在垂向上产生规律性变化,且渗透率越大,热液羽规模越小.渗透率在水平方向的变化则是引发热液羽和热液喷发位置横向偏移的主要因素,且只有在特定的渗透率水平变化率范围内,上涌热液羽才会发生向高渗区的明显偏移,这也从一定程度上解释了现今拆离断层相关的热液系统均未发育于断层终止线上的事实.以大西洋Trans-Atlantic Geotraverse(TAG)热液区为例,断裂带高渗区必然影响相邻洋壳内部热液的上涌路径,但受区内拆离断裂带周缘的渗透率水平变化规律的影响,上涌热液羽不至于完全偏移至断裂带,从而产生拆离断层上盘的热液活动.     

青藏高原东南缘边界层对流与湍能结构特征

通过对青藏高原东南缘大理2008年3~8月大样本边界层铁塔观测系统超声和梯度资料、风廓线雷达和GPS探空资料的综合分析,研究发现高原东南缘湍能分量(湍流动能、切变项和浮力项)强弱依赖于下垫面植被的变化状况,且与局地稳定度特征及其动力、热力条件存在显著关系.近地层处于中性层结时,机械湍流较强,湍流动能主要贡献来源于切变项;当不稳定层结时大气湍流运动则以热力湍流为主,即浮力项较强,切变项较弱;在稳定层结时湍流发展呈间歇性特征,其中浮力项与切变项亦较弱,且湍流动能显著小于中性和不稳定状态.研究亦发现春季位于青藏高原大地形南坡的林芝站浮力项贡献显著大于高原大地形东南缘大理站,这反映了青藏高原南坡强对流活动过程中热力湍流的重要贡献,但位于高原东南缘山谷起伏、复杂地形区域的大理站近地层的机械湍流却显著大于高原南坡林芝站;从湍流-对流运动不同尺度相互作用视角,研究发现高原东南缘午时对流边界层CBL(Convective Boundary Layer)顶高可达1500~2500 m,边界层湍流动能、切变项、浮力项与对流边界层顶高、局地垂直运动均呈显著相关,且白天地面感热通量或浮力项的热力湍流作用对CBL发展高度亦有明显影响,而机械湍流的剪切作用影响却相对小;另外,近地层切变项机械湍流输送对垂直运动影响显著,尤其午前其对垂直运动影响高度可达2500~3000 m;春、夏季浮力项、切变项与垂直运动相关的日变化峰值均为大气层结显著不稳定阶段,尤其夏季层结不稳定背景下浮力项午后对垂直运动贡献显著.本文研究结论揭示出高原东南缘对流活动的湍能源驱动特征及其两者的相互作用.     

SH波地表散射的局域边界元模拟

本文提出了一种计算不规则起伏地形中SH波散射的有效方法——局域边界元法.本方法基于传统边界元法,为计算复杂地表散射问题提供了一种更加高效的解决方案.根据地震波满足的边界积分方程中牵引力格林函数的特性,我们将自由边界分解成水平部分和起伏部分.通过公式推导,可将水平部分的位移由起伏部分的位移通过格林函数线性叠加表示,因此只需对起伏部分的位移进行直接求解,从而极大地减少了待求解的未知数个数,显著提高了计算效率.通过与半圆形山谷SH波平面波入射的解析解比较,验证了方法的正确性.数值模型比较显示,局域边界元模拟结果与传统边界元数值解完全吻合,但是大幅提高了计算效率.因此,局域边界元法可以作为模拟不规则地形中地震波散射的有效工具.