岩石圈三维结构与动力学数值模拟

通过基于专项所属各项目的探测数据和成果, 结合课题组已经积累的数据与建模基础, 以及本项目组特定需要进行岩石物性参数测试及相关的流变本构关系研究, 进而开发并集成大规模并行有限元数值模拟平台系统, 进行地球动力学过程的综合定量模拟分析。同时建立高性能并行可视化平台, 据此进行中国大陆深部地幔对流与岩石圈耦合关系的探测数据与数值模拟结果的并行可视化研究分析, 探讨回答中国部分典型构造区域的典型地球动力学过程的关键问题。     

基于Boussinesq型方程的钱塘江涌潮数值模拟

钱塘江因其恢弘的涌潮现象而举世闻名,对钱塘江涌潮形成机理的探究具有理论与应用双重价值.本文建立了考虑非线性、频散以及耗散作用的二维高阶Boussinesq型方程,并结合有限体积数值方法来描述钱塘江涌潮这一物理过程,复演了最具代表性的"交叉潮"、"一线潮"和"回头潮"三大潮景,同时展现了涌潮的二次自由面起伏现象,重现了钱...     

地应力测量中钻孔偏心分析

将有限元数值法与解析解相结合,对载荷下探头钻孔偏心问题进行研究。研究结果表明,偏移量δ≤1/5时,径向位移误差均值＜15%,周向位移误差均值＜10%;偏移量δ≥2/5时,径向位移误差均值＞30%,周向位移＞25%;而当δ＞1/2时,误差值更大,具体的数值在实际工程中需进一步验证。     

卡里巴水库蓄水引起库区应力场变化影响分析

水库地震是近几年国际上地震学和地球动力学领域研究的热点问题。 作为世界上库容最大的卡里巴(Kariba)水库在其蓄水后库区地震活动性不断增加, 并于1963年9月23日发生M6.1地震, 是世界上公认发生过6级以上水库地震的四大水库之一。 对该水库蓄水引起库区应力场变化进行量化估算, 有助于对特大—大型水库蓄水后库区应力场变化及应力触发地震这一基础性科学问题的深入了解。 本文分别应用解析解和数值解方法对卡里巴水库蓄水引起库区弹性应力场、 不排水和排水孔隙压力变化进行了计算分析。 结果表明, 卡里巴水库蓄水引起M6.1地震震源处孔压变化为0.015~0.22 MPa, 库仑应力变化约0.03~0.17 MPa, 触发了此次地震的发生。     

全球气候变化模拟结果数据的远程抽取及其可视化

本文针对气候模式在超大规模数值模拟中产生的Tb至Pb量级的四维体数据的可视化和分析诊断方法, 提出了基于Server-Client方式的远程数据抽取和并行可视化解决方案。 针对气候模拟数据中的海洋模式和大气模式数值模拟结果数据的抽取和可视化数值试验分析, 验证了解决方案的可行性和抽取算法的高效性、 可靠性和灵活性。 本文提出的远程数据抽取方法对于帮助气候模式领域中的专家快速抽取、 快速可视化和实现实时交互式模拟结果的诊断分析具有重要的应用价值。     

利用有限元方法模拟力学拉伸试验以钢纤维混凝土为例

力学试验是获取岩石等许多工程材料力学性能的主要方法之一。 但是对某些特殊材料, 由于影响其力学性能的因素众多, 单纯通过试验来获取其力学性能, 成本高, 过程复杂。 如工程抗震中目前普遍使用的钢纤维混凝土(SFRC), 很难单纯通过力学试验来获取钢纤维的分布对其力学性能的影响。 本文基于随机方法对钢纤维混凝土建立有限元模型, 利用数值模拟的方法来估计钢纤维的分布和体积率对钢纤维混凝土拉伸性能的影响。 通过与试验结果比较验证了其可行性, 结果表明钢纤维的分布对钢纤维混凝土屈服前的力学性能影响较小, 对屈服后的应力-应变特征影响较大。 当钢纤维体积率从1%变化到2%, 钢纤维混凝土的屈服强度与体积率大致为线性关系, 强度随之增加。     

利用三维孔隙弹性模型探讨紫坪铺水库对汶川地震的影响

本文基于三维孔隙弹性理论,建立了紫坪铺水库及周边地区的有限元模型.根据紫坪铺水库开始蓄水到汶川地震发震时刻的水位变化情况,计算了整个区域的孔隙压力和库仑应力.详细讨论了断层及周围地层的弹性模量和扩散系数对计算结果的影响.计算结果表明:从弹性角度看,断层的弹性模量对汶川地震震源处的库仑应力影响很小;震源处的库仑应力随着断层和周围地层的扩散系数增大而增大.当给定弹性模量和扩散系数代表性值的时候,计算结果表明在汶川地震发震时刻,震源处的库仑应力变化量为+1 kPa左右,这表明紫坪铺水库使得汶川地震发震断层更加危险.是否这个量级的库仑应力就能够触发汶川地震还需要进一步探讨.通过分析库区周边小震的分布,发现小震分布区域均是库仑应力增加的地区,因此紫坪铺水库周边的小震应该与紫坪铺水库蓄水有直接关系.     

拉分盆地形成机制三维数值模拟——以海原断裂带老龙湾盆地为例

拉分盆地是走滑断层系中受拉伸作用形成的断陷盆地.一般在两条平行断层控制下发育.盆地形似菱形,几何形态主要受两条主控走滑断层错距和叠接长度影响.本文以青藏高原东北缘海原断裂带老龙湾拉分盆地第四纪所处的构造环境为基础,参考盆地周围断层几何分布,建立了三维有限元数值模型,模拟该拉分盆地的演化过程;进一步分析了断层力学性质、地壳分层结构等各因素对盆地形成和演化的影响.模拟结果显示,盆地地表沉降伴随有下地壳物质的上涌,此上涌对盆地地表沉降存在阻碍作用.各因素的影响具体表现为:(1)断层力学性质(弹性模量和黏滞系数)越弱,其对构造应力较低的传递效率导致盆地两端差异性运动越明显,从而形成较大的盆地地表沉降和明显的上地壳减薄.(2)平行主控断层的叠接长度反映盆地形成的拉伸作用范围,叠接长度越大,相同的差异性运动在单位面积形成的拉伸应力越小,盆地地表沉降较小.(3)下地壳流变性影响其物质的上涌量,下地壳黏滞系数越小,其对上部拉伸作用的响应越明显,上涌量越大,此上涌对上地壳沉降形成的阻碍作用也越明显.根据老龙湾拉分盆地所处的构造格局,将平行断层的叠接长度取20km,当断层黏滞系数取值为周围基岩的1/10,参考该盆地第四纪构造演化历史,模拟得到的盆地第四纪下沉量与盆地内第四系沉积层厚度在规模上近似,下地壳黏滞系数取值在(2.5~5.0)×1021 Pa·s范围内时,盆地下沉量模拟结果与老龙湾拉分盆地第四系地层厚度吻合较好.     

华北地区地下水开采对地壳应力的影响

近50年来华北地区遭受持续大面积过量开采地下水,已形成区域地下水漏斗、地面沉降、地陷地裂等地质灾害.然而,地下水的抽取减小了地壳的载荷,造成地壳应力场变化,这一点至今尚未被充分认识.为探索华北地区地下水超采对地壳应力场的影响,本文建立了二维有限元模型,定量计算地下水超采引起地壳变形和应力场变化.结果表明:华北地区地下水开采会引起地表抬升达+12.4cm;漏斗区上、中地壳的水平拉应力增量分别达到70kPa和35kPa;而在地下水开采区外围,水平压应力增量达20kPa;而华北地区构造主压应力积累速率约为0.5kPa·a-1.通过对比华北地区1980年前后5级以上地震的分布状况,本文认为地下水开采对区域构造应力场的扰动不可忽略,其卸载过程可能对华北地区大地震孕震过程存在减缓作用.     

2004年苏门答腊地震的几个断层滑动模型的全球同震位移对比

2004年苏门答腊大地震后,不同作者根据地震波和/或GPS观测,提出了不同的断层错动模型.在利用同震位移观测资料反演断层滑动模型时,由于使用半无限空间均匀介质模型或半无限空间分层介质模型,一般只能利用近场位移GPS观测约束,无法利用远场资料,这些模型有时差别颇大,如何区别这些模型的优劣是一个仍尚未解决的问题.本文采用等效体力有限元方法,在考虑地球球形和分层的条件下,对四个不同作者提供的2004年苏门答腊地震的断层滑动模型计算全球同震位移.由于采用了球形模型,所以不仅可以把四个模型的近场位移计算结果与GPS数据进行对比,而且可以把远场位移计算结果与GPS数据进行对比.我们发现,垂直位移对断层滑动模型的依赖性小于水平位移.四个模型计算的近场位移与GPS位移符合程度均较好,但是四个模型计算的远场位移与GPS位移符合情况有很大不同,其中Chlieh等（2007）模型在近场与远场符合程度均很好,是四个模型中最好的.另外还探讨了断层反演数据资料、断层几何模型以及地球模型对计算结果的影响.对于特大地震,全球同震位移观测与计算值吻合程度的好坏是衡量断层滑动模型的合理性的一个重要依据.