虚拟川滇——基于千万网格并行有限元计算的区域强震演化过程数值模型设计和构建

利用合理的数值模型,对区域性的强震活动性分析,是近些年来地震学研究领域的一个热点问题.但无论从时间还是空间角度来讲,区域性强震演化的理论与数值模拟模型都是多尺度问题,对该问题的充分研究需要借助于大规模并行数值模拟技术.侧重于基于千万有限元网格技术,采用大规模并行有限元计算手段,对该问题的理论建模与并行数值算法实现,以及如何应用到对川滇地区区域强震演化过程的模拟进行了具体论述.本研究的关键目标是为中长期地震危险性估计提供一个大规模数值预报模拟平台系统.     

历史大地震断层滑动模型的建立及其对同震数值计算的影响——以1920年宁夏海原MS8.5大地震为例

大地震的发生会引起区域位移场和应力场发生变化,进而改变区域内及临近断层的应力状态和地震活动性.目前,研究学者可据已有的断层滑动模型来计算分析大地震同震应力变化,同时采用库仑应力触发理论来进一步分析震后余震分布和断层危险性.然而,历史上曾经发生过不少大地震,例如,1920年的海原M_S8.5大地震,是全球范围内少见的特大地震之一.局限于无确切的地震台站地震波等资料,前人在研究历史地震的影响时往往给出一些简单的断层滑动模型,将断层面上错动量视为均匀分布.为更准确地了解历史地震对后续地震的影响,基于前人研究和一般地震滑动形态分布规律及地震反射剖面等资料,以海原M_S8.5大地震为例,探讨了如何建立海原大地震断层滑动模型,并分别搭建了简单断层滑动模型和复杂断层滑动模型的全球同震横向不均匀并行椭球型地球模型.通过对海原M_S8.5地震的同震位移场和应力场的计算,发现采用复杂断层滑动模型比简单断层滑动模型地表位错分布更切合实际.同时,进一步计算和分析了此次大地震对青藏高原东北缘近100年历史地震和周围断层的应力触发作用,得出断层滑动模型对同震计算结果的影响集中在发震断层附近而对远场影响较小.     

巴颜喀拉块体东缘形变及九寨沟地震孕震环境数值分析

2017年8月8日四川发生九寨沟M7.0地震,是继2008年汶川M8.0地震后发生在巴颜喀拉块体东部的又一强震.现今GPS速度观测数据显示,2008年汶川地震前后的1999-2007年和2011-2016年两个时间段内巴颜喀拉块体东部地表速度场存在明显的差异.本文以实际GPS速度观测资料为约束,构建三维有限元地球动力学模型,分别计算分析了两个时段内震源区及周边现今地壳形变、弹性应变能和应力积累特征,进一步探讨汶川地震的发生对九寨沟地区变形及应力的影响.数值模拟结果显示,汶川地震之后(2011-2016年)巴颜喀拉块体东部的地壳形变、弹性应变能积累及应力积累速率均明显大于震前,增加量值达1.5-3倍;九寨沟地震发震断裂上库仑应力增长率在1999-2007年约为0.7 kPa·a~(-1),2011-2016年间增至1.2 kPa·a~(-1).上述结果表明,现今巴颜喀拉块体东部地壳应力积累过程有利于左旋走滑型九寨沟地震的发生,汶川地震的发生调整了区域应力状态,加速了九寨沟地震的孕育过程.     

有限元模拟弹性位错的等效体力方法

计算地震位错造成的位移场和应力场,对于估计大地震引起的后续地震活动发展趋势十分重要.本文提出在弹性位错问题的有限元模拟中,用等效体力代替位错源,从而在构建几何模型时不用包含断层,却可以处理包含任意复杂断层的问题,极大降低建模的难度.使用此方法,本文计算并讨论了在球形地球模型下2011年日本Tohoku-Oki特大地震对华北地区断层的影响,结果表明此次地震使华北主要断层趋于稳定.     

动力地形控制下的大河水系演化

大河既是人类文明的发源地,也是大陆地貌乃至地球表层系统中最重要的组成部分。大河水系形成与演化的决定性因素是大陆构造演化引起地形的改变。传统观念认为,大河水系的演化主要受板块构造的影响即“构造地形”,但越来越多的证据表明,地球地形并非单纯由板块水平运动塑造,还包括由地幔对流造成的“动力地形”的影响。从深部地幔对流控制下的动力地形与地貌演化模型两方面,分别介绍了其概念,模拟计算以及模型验证。并以北美、澳大利亚、南美以及非洲的大河水系演化为例,阐明了大河水系的演化与长波长动力地形之间存在的耦合关系,相对于构造作用的局部影响,长波长动力地形能影响甚至改变大陆尺度上的水系演化模式。最后简要综述了亚洲的构造背景及动力地形研究进展,亚洲特别是东亚地区从侏罗世开始就受到了多阶段板块汇聚与俯冲的影响,动力地形情况复杂,但最近的研究表明东亚地区的水系演化与动力地形之间存在相应联系,这对亚洲地区的构造—沉积演化研究具有重要的指示意义。     

构造与地表过程相互作用:正断层陡崖形态和几何特征分析

量化分析构造、侵蚀与气候之间的相互作用关系是现代地球动力学的前沿.断层陡崖是伸展构造环境中的一种常见地貌特征,是构造与地表过程密切耦合作用下演化的结果.断层崖面形态各异,如断层陡坎、断层三角面和断层梯形面等.本文基于数值模拟方法,对断层滑动速率、断层滑动周期、河流下切系数、山坡蠕移系数等关键性控制因素对断层崖形态和几何特征的影响进行了系统分析,主要结论为：依据参数空间的动力学对比模拟结果,可以将断层陡崖分为三个主要类型,即沟壑型、断层三角面型和尖锥型;断层陡崖的最终形态主要受地表演化过程（即河流下切、山坡蠕移）的控制;三角面型陡崖的高度和宽度随时间增大,但坡度角在演化过程中基本不变,其几何特征主要受控于断层滑动速率,且在相同的气候和岩性条件下,与断层滑动速率呈正相关;在十万年时间尺度下,断层滑动周期与三角面的形态和几何特征基本无关.断层滑动速率与三角面坡度角间的正相关关系可用于解释观测数据的统计结果,如希腊和保加利亚的观测数据.     

Parallel Numerical Analysis on the Rheology of the Martian Ice-Rock Mixture

The distribution and amount of ground ice on Mars is an important issue to be addressed for the future exploration of the planet.The occurrence of interstitial ice in Martian frozen ground is indicated by landforms,such as fluidized ejecta craters,softened terrain,and fretted channels.How-ever,experimental data on the rheology of ice-rock mixture under Martian physical conditions are sparse,and the amount of ground ice that is required to produce the viscous deformation observed in Martian ice-related landf...     

基于钻孔应变地震波记录确定地震面波应变震级

近年发展的高采样率的钻孔应变仪可以记录到地震波造成的水平应变,是动态库仑应力研究的重要手段.利用钻孔应变仪记录的应变地震波确定地震震级,是一个重要的科学课题.本文收集了我国10个应变台站四分量钻孔应变仪2020年1—3月记录的10 Hz采样应变地震波资料,共选出震级M≥4.0的浅源地震68个,用最小二乘法求得应变震级公式为Mε=lg E max+1.65 lg(Δ)+1.43.对于6.5级以下的地震,计算得到的应变震级ε与中国地震台网中心公布的震级M CENC基本一致:M CENC=1.03ε-0.23,但本研究中的两个7级地震,应变震级出现了震级饱和现象.本文的基本结论是:应变定震级是可行的,但对于两个7级地震的饱和现象需要进一步深入研究,因为它们不但涉及震级确定,而且涉及远震动态库仑应力触发地震的研究.今后要对更多的大震钻孔应变波形记录进行分析.     

中国大陆及邻区岩石圈三维流变结构

依据地震波速得到的上地幔温度和气象台站记录的地表温度为约束,结合地表热流和热导率观测数据,利用有限元方法计算了中国大陆及邻区岩石圈三维热结构.基于此温度结果和GPS观测得到的应变率数据,以滑动摩擦、脆性破裂和蠕变三种强度机制为约束,计算得到了中国大陆及邻区岩石圈三维流变结构.结果显示:弱强度和低等效黏滞性系数的下地壳在中国大陆及邻区普遍存在,并且下地壳的流变强度和等效黏滞性系数比上地壳和岩石圈地幔一般要低1~2个数量级;中国大陆范围内青藏高原存在着厚度最大、强度最低的下地壳;青藏高原的岩石圈强度和等效黏滞性系数比华北、华南和印度板块的都要低;岩石圈流变结构的横向分布特征与重力梯度带和地形过渡带比较一致.     

间断的Galerkin方法在地震波场数值模拟中的应用概述

通过数值求解描述地震波传播的微分方程来模拟波的传播角度而言,在日趋繁荣的地震波场数值模拟方法的探索中,间断的Galerkin方法(Discontinuous Galerkin,DG)是继有限差分法、伪谱法、有限元法以及谱元法之后出现的另一种有效的数值模拟方法,该方法从2005年以来在地震波场模拟中得到了迅速发展,给这一学科注入了新的活力.但是从国内的发展来看,在地震波场数值模拟方面还没有得到足够的关注.尤其是现有的综述性文献都忽略了这一方法得到的有益的成果,本文将重点介绍间断的Galerkin方法的发展及其在地震波场数值模拟的最新应用研究.