不规则载荷影响地表近场垂向位移和倾斜观测的定量计算

基于均匀的、各向同性的半无限弹性体的点状载荷模型引起周边垂向位移场变化的解析解,本文推导了水平倾斜场的解析解计算方法,给出了二维、三维不规则形状载荷对地面或地下某点的垂直位移和水平倾斜的解析解计算方法。并对比分析了质点简化模型和不规则模型的差异性。最后给出了据不规则形状载荷模型得到的近场垂直位移以及水平倾斜场的展布特征。研究结果表明,相对质点简化模型,不规则载荷模型对近场的刻画具有一定优势;二维不规则形状载荷模型的建立,使得将载荷散点化后再将矢量叠加进行计算成为可能;三维不规则形状载荷模型在载荷散点化后,通过赋予散点的不同权重进行载荷重新分配,然后用矢量计算法获取位移场的变化;在二维和三维不规则载荷散点化后的矢量叠加过程中都存在着较明显的收敛过程,表明该计算方法的正确性和可行性。     

载荷变化对涉县台垂直摆干扰研究

分析2011—2016年河北邯郸涉县台垂直摆仪器运行情况并计算其内精度,用质点、二维、三维载荷模型计算仪器周边工程建设载荷变化对垂直摆的影响,结果表明载荷变化对垂直摆数据影响不显著,二维载荷与三维载荷模型结果趋于一致,并得出动土时段可造成垂直摆内精度变差。     

可控源电磁场三维自适应矢量有限元正演模拟

本文实现了可控源电磁(CSEM)场三维自适应矢量有限元正演算法,该算法采用非结构四面体单元进行三维网格剖分,能够真实模拟地形起伏和复杂电性异常体.采用一次场和二次场分离的方式计算电磁场响应,能够有效解决有限元模拟中的源点奇异性,提高场源附近电磁场数值精度,其中一次场利用CSEM一维正演算法解析求得,二次场采用矢量有限元方法求得.并利用基于后验误差估计的自适应网格细化算法指导网格细化,以减少人为设计网格导致的误差.通过一维和三维模型的数值模拟,验证了本文算法的有效性:一维模型有限元解与解析解吻合得很好,电磁场振幅相对误差在1%左右,相位差整体小于1°;三维模型有限元解与有限体积解吻合得也很好.模拟了一个含三维倾斜板状异常体的可控源电磁响应,表明了本文算法模拟复杂地电结构电磁场的能力和有效性.     

施工土体载荷变化对涉县台水管倾斜仪观测的影响

由于地磁观测场地施工动土,引起河北涉县地震台载荷变化。本文分别用质点模型、二维模型和三维模型计算了载荷变化对山洞水管倾斜仪的影响,结果表明,观测曲线年变和月变受影响不明显,但内精度有所降低;与质点模型相比,二维模型与三维模型更接近实际情况。     

三维不规则地形河谷场地地震响应分析方法研究

本文提出了不规则地形地震响应分析的自由场计算方法,并以小湾拱坝场址作为三维场地模型,比较了三维不规则场地侧边界自由场的精确解和近似解;同时,采用大型有限元软件Ansys/Ls-Dyna计算了自由场对场地内部场点地震响应的影响.计算结果表明,三维场地模型的二维自由场近似解与精确解有很大差异,其结果对三维场地内部场点地震响应影响显著,因此,要准确求解三维不规则地形的地震响应必须采用真实的二维侧边界模型.     

水库触发地震研究中二维与三维有限元模拟结果比较

紫坪铺水库蓄水载荷引起的库仑应力变化以及是否可以触发汶川M_S8.0地震是地学界关注的一个热点问题。 已有较多研究均建立在二维有限元模拟基础上, 然而二维与三维结果存在较大差异, 本文定量给出了该差异的大小。 首先比较了有限元方法与解析方法求解半无限空间点载荷下弹性问题结果, 确认了三维有限元计算在百万网格下具有足够的计算精度; 然后数值计算并比较了二维、 三维模型中紫坪埔水库蓄水的弹性力学及渗流效应。 结果表明, 总体上弹性加载会造成逆断层更趋安全, 而水压渗透使其趋于危险, 两者叠加仍然没有导致增加汶川地震危险性; 但现有的二维有限元模拟夸大了真实结果, 在汶川震源位置三维计算的应力大小仅为二维计算的1/3到1/4, 因此在严格的讨论中必须使用三维建模。     

电导率任意各向异性海洋可控源电磁三维矢量有限元数值模拟

现有海洋可控源电磁三维数值模拟方法大多基于电导率各向同性介质理论,不能模拟海底地层电导率各向异性的实际情况.本文给出了电导率各向异性三维介质中电性源海洋可控源电磁二次电场的边值问题以及相应的变分问题,采用长方体单元对研究区域剖分,将场分量定义在剖分单元的边上,利用矢量有限单元法求解变分问题,实现了电导率任意各向异性海洋可控源电磁三维矢量有限元数值模拟.这个新的正演方法可以计算电导率任意各向异性三维地电模型的海洋可控源电磁响应,基于二次场矢量有限元法直接求解电磁场,避免了传统有限元方法可能遇到的伪解问题和难于处理电场法向分量不连续的问题,提高了数值模拟计算精度.一维电导率各向异性模型电磁场数值解与解析解吻合得相当好,无论在源附近还是远离源处相对误差均不超过1%.电导率各向异性二维模型的计算结果与已有文献采用的非结构有限元模拟结果十分吻合.三维地电模型数值模拟结果显示,电导率各向异性张量电导率主轴分量和欧拉角对不同装置海洋可控源电磁响应均有着明显的影响.     

二维各向同性介质P波和S波分离方法研究

通过对波场矢量计算散度与旋度可将P波和S波进行分离,这种方法是波场传播与计算散度和旋度进行波场分离两部分的结合.基于二维各向同性介质速度模型,首先使用弹性波动方程对速度模型进行波场传播模拟;然后在地表接收多分量记录的同时计算散度代表P波、计算旋度代表S波,由于计算散度和旋度包括对空间各分量求导,这就导致了π/2的相位移,使用Fourier变换在频率域对记录进行-π/2的相位校正,就分别获得P波和S波的波场记录.通过对二维模型试算,并分析结果可知,采用计算散度和旋度进行波场分离是一种有效的方法.     

利用不规则形状载荷模型研究周边矿山开采对营口倾斜观测的影响

在对比地表集中荷载模型和二维有限载荷模型的基础上, 结合营口台SQ-70模拟水平摆倾斜仪2009~2016年异常变化时段受矿山开采影响的实例, 采用二维有限不规则荷载模型定量计算了矿山开采的不同阶段对石英摆倾斜量的影响程度。 结果表明: 营口倾斜观测受周边矿山开采影响严重; 2009年以后矿山开采量引起营口地区地表倾斜的理论值与实际观测值基本相符, 该时段数据破年变异常为矿山开采影响的可能性较大; 2013年以后营口石英摆观测值与矿山开采引起地表倾斜的理论值相差较大, 因此2013年后的数据异常变化不完全是矿山开采引起, 可能是地壳倾斜变化的实际反映。     

断层走滑不均匀性对地面变形的影响

根据塞积群理论导出了走滑断层两端点固定时位移场随位置的不均匀分布解析表示关系,分析和讨论了断层上不同位置的位移场分布特征, 采用新导出的断层滑动不均匀分布公式对地面的水平位移场和垂直位移场进行了数值模拟计算,并与传统的Okada 位错模型在理论和计算结果上进行了对比分析.理论和计算结果分析表明：断层滑动不均匀分布公式是Okada位错模型在一定条件下理论上的扩展,而Okada位错模型是走滑不均匀公式的零阶近似;断层滑动不均匀分布公式与Okada 位错模型计算的地面位移场在走滑方向、垂直于断层走向和垂直于地面方向的近场变形差异最大在50%至65%之间,而最小差异在1%以内.     

三维半球形凹陷饱和土场地对平面P波散射

以Biot饱和多孔介质动力学理论为基础，利用Fourier Bessel 级数展开法，得到饱和多孔介质半空间中半球形凹陷地形对入射平面P波三维散射问题的解析解.利用这一解析解数值计算给出地表位移幅值，分析入射角、入射波频率对地表位移幅值的影响，并与现存的单相介质情况下三维半球形凹陷问题和两相介质情况下二维圆弧形凹陷问题得到的结论进行对比.     

海洋可控源电磁三维非结构矢量有限元数值模拟

本文实现了海洋可控源电磁三维矢量有限元数值模拟.由于采用非结构四面体单元进行三维网格剖分,该方法可以模拟复杂电性异常体和海底地形.一维模型的数值模拟结果表明,电场实、虚部均与解析解吻合得相当好,计算误差基本小于1%.二维模型的计算结果与已有的二维自适应非结构有限元模拟结果吻合很好.带地形模型的数值模拟结果显示,海底地形对电场影响很大,有可能掩盖海底油气藏产生的异常.     

两类热弹性问题的准静态解及其地震前兆场的时空分布特征.

控制内陆浅源地震孕育及发生的应力场可视为基本应力场与变化应力场的叠加，后者往往起着重要的作用．本文讨论两类与地热有关的产生变化应力场的问题:一类是局部高温区问题，包括载热流体侵入竖直或水平裂隙的情况和存在静态局部高温区的情况；另一类是断层在稳态扩展中出现位移间断的同时也释放热能的情况．将它们理想化为热弹性理论的三维准静态问题，并给出各自的解．求得其在地表附近某平面上所产生的若干地震前兆附加场的近似表达式，如温度场、体应变及地下水位场、垂直形变及地倾斜矢量场．讨论它们在该平面上的时空分布特征，并就诸情况进行对比．为综合利用它们的前兆观测资料，探索阶段性的地震前兆信息提供某些可能的理论基础．      

三维地形直流电阻率有限元法模拟

基于稳定电流场的基本方程、三维区域满足的边值问题以及相应的变分问题,研究了三维起伏地形条件下电阻率的有限单元数值模拟算法. 离散积分区域时,以三棱柱为最小研究单元,推导了含有地形特征信息的三线性插值型函数以及单元刚度矩阵. 采用变带宽、一维数组方式只存储稀疏刚度矩阵中非零元素,能够节约内存. 利用Cholesky分解法只分解一次大型稀疏矩阵,通过回代可以求出方程组的全部解,当求解有多个供电点的测深问题时可以缩短计算时间. 模型计算表明,在水平层状介质模型上,三维计算结果与解析解或二维数值解十分吻合,计算精度满足误差要求. 在二维山脊上的二极剖面或三维山谷上的中间梯度剖面上,其三维计算结果与相应模型的土槽实验结果或边界元法计算结果也非常接近.     

地震孕育体源流变模型(三)--前兆场

在三维流变介质体源孕震模型的粘弹性位移场与应变场理论基础上,建立了流变介质体源孕震模型的前兆场理论解,导出了流变介质中任意一点（x,y,z）的地倾斜、地下水位、电阻率的粘弹性解析解,并对地电阻率的应用作了初步分析,为地震孕育过程中前兆分析提供了一定的理论基础.      

球体和黏弹性球体位错理论在尼泊尔Ms8.1地震中的应用与分析

本文利用球体位错理论和黏弹性球体位错理论,基于USGS发布的尼泊尔地震断层滑动模型,分别计算该地震造成的同震水平和垂直位移场,两种位错理论计算结果高度吻合,且都与实测GPS同震位移在空间分布和量级上具有较好的一致性,表明了两种位错理论的可靠性和实用性.为了更好的比较和分析这两种位错模型,分别模拟尼泊尔地震同震水平和垂直位移场,两种位错模型模拟结果均验证了尼泊尔地震主要以逆冲滑动为主,该次地震造成的水平位移较大,地震造成的南北方向上的水平位移最突出,且集中在加德满都附近区域;但模拟结果也存在差异,在近场两组结果水平位移和垂直位移差异占同震信号的不足3%,在远场两组结果的水平位移差异占信号的5%～9%左右,而垂直位移差异占信号的比例普遍在10%以上,显示出地球的黏滞性对近场水平同震位移和垂直同震位移影响较小,对远场水平位移影响有限,但是对垂直位移影响较大,即表明在计算远场同震位移时应该考虑地球黏滞性的影响.     

基于多卫星平台永久散射体雷达干涉提取三维地表形变速度场

永久散射体雷达干涉(PSI)技术及其应用于区域地表形变监测已成为雷达遥感领域的研究热点之一.使用单一卫星平台所获取的单侧视SAR影像时间序列进行PSI分析,仅能获取沿雷达视线(LOS)方向的一维地表位移信息.本文提出了基于多平台永久散射体雷达干涉提取三维地表形变速度场的模型与算法,其基本策略是:首先针对每一卫星平台的SAR影像时间序列进行PSI分析,并计算各地面目标沿LOS向的位移速度值,然后联合各平台所对应的LOS向位移速度值进行建模,并基于最小二乘方法解算各地面目标的三维位移速度分量.实验选取天津市西北部作为测试区,使用2007—2010年所获取的39幅TerraSAR-X影像、23幅ENVISAT ASAR影像和16幅ALOS PALSAR影像进行分析,经联合解算得到了该测试区域的垂直位移速度场以及南北向和东西向水平位移速度分量.与地面水准和已有GPS观测结果对比分析表明:多平台PSI的垂直位移速度场精度可达毫米级,而其水平位移速度分量与已有GPS结果基本一致.多平台PSI分析无需引入任何外部形变参考信息,便可以实现形变场的偏差校准和三维形变场的恢复.     

基于二次场电导率分块连续变化的三维可控源电磁有限元数值模拟

从电偶源三维地电断面可控源电磁法的二次电场边值问题及其变分问题出发,采用任意六面体单元对研究区域进行剖分,并且在单元分析中同时对电导率及二次电场进行三线性插值,实现电导率分块连续变化情况下,基于二次场的可控源电磁三维有限元数值模拟.这个新的可控源电磁三维正演方法可以模拟实际勘探中地下任意形状及电性参数连续变化的复杂模型.理论模型的计算结果表明,均匀大地计算的视电阻率误差和相位误差分别为0.002%和0.0005°.分层连续变化模型的有限元计算结果表明,其与对应的分层均匀模型解析结果有明显差异.三维异常体组合模型以及倾斜异常体等复杂模型的有限元计算结果也有效地反映了异常形态.     

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.     

应用GPS监测城市地表形变的初步分析

根据实例,总体介绍了用ＧＰＳ监测城市地表形变的观测及数据处理方法,首先根据ＧＰＳ获得的基线结果进行３维自由网平差,由定期观测获得了各个监测点的水平位移和垂直位移。然后针对城市监测范围较小,在将其按照矩形格网划分后,给出了两种拟合方法;线性内插法和多面函数拟合法。据此,计算获得了城市地表的水平位移场和垂直位移（沉降）面,并对两种方法获是的结果作了比较。根据计算结果绘制了水平位移场、垂直沉降面及其等级