采用有限元等效体力方法数值分析火山区岩浆压力变形源——以长白山火山为例

火山区岩浆压力变形源的反演计算采用解析方法存在难以考虑地形的限制,采用传统有限元方法则存在网格依赖和计算量大的问题,反演过程中每一次正演由于岩浆房位置和大小变化都需要重新生成一次网格,耗费巨大的计算量和网格生成时间.为了克服上述问题,首次在长白山火山区使用"有限元等效体力"方法考虑地形影响反演地下岩浆压力变形源,计算岩浆应力扰动对周边断层稳定性的影响.在火山区地下压力变形源引起的地表形变计算中,地表地形影响不可忽略.埋深越浅,地表最大径向位移u_r所在的位置越靠近岩浆囊中心.当坡度达到30°时,最大垂向位移u_z所在位置不再位于岩浆囊正上方.椭球状岩浆囊压力源可以较好地模拟长白山火山地区2002—2003年间的GPS和水准测量.岩浆房扰动应力场和区域构造应力场的叠加有可能造成天池西部近EW向,天池北部以NW-NNW向为主的现今应力方向.岩浆房压力源引起的库仑应力变化有利于天池火山口NW向震群在空间上主要分布于火山口的西南和东北部.     

亚洲大陆下的地幔流动及其对亚洲地壳的作用力

运用并行Lagrange乘子非协调区域分解法（LMDDM）与并行Lagrange乘子非连续变形分析法（LMDDM）耦合的有限元算法，研究了四维球壳内不可压缩、常粘度牛顿流体非定常地幔流动，在大并行计算机上分别求解了全球15个板块运动的速度场、压力场、温度场和应力场，也包括求解出亚洲大陆下地幔流动的各种物理场，以及对亚洲地壳的作用力．      

基于GNSS和InSAR约束的2021年玛多MS7.4地震同震滑动分布及应用

2021年5月22日青海省果洛藏族自治州玛多县发生M_S7.4地震,震中位于青藏高原中部的巴颜喀拉块体,这是近20多年来在巴颜喀拉块体周边发生8次M≥7级强震后,块体内部的一次强震,也是汶川地震以来中国大陆发生的最大一次地震,因此该地震的成因及周边地区未来的地震危险性值得重点关注.本文利用震后及时获取的39个近场流动GNSS观测,联合61个GNSS连续观测、Sentinel-1和ALOS-2 InSAR观测获取了本次地震精细的同震形变场,以此为约束,基于均匀弹性半无限位错模型,反演了发震断层的滑动分布,并计算了同震库仑应力变化.GNSS水平同震形变十分显著,断层南北两侧的GNSS点位,最大水平形变分别达0.7 m和-1.2 m,距震中200 km的测点仍有1 cm左右的同震形变.Sentinel-1和ALOS-2的升降轨InSAR同震形变场显示此次地震造成了约160 km长的地表破裂,最大视线向形变分别达0.9 m和1.2 m.同震滑动分布模型显示,发震断层由主段和次段组成,长度分别为170 km和20 km,主段倾向北,倾角85°,平均滑动角为-4.36°,表明玛多地震是一次典型的走滑型地震.次段倾向南,倾角68°,平均滑动角为-11.84°.地震破裂主要集中在0~15 km深度范围,最大滑动量为4.4 m,对应深度6.97 km.反演给出的矩震量为1.61×10²⁰N·m,对应矩震级M_W7.4.主发震断层上存在4个凹凸体,玛多地震是一次不对称双侧破裂事件.结合余震精定位、野外调查及地质资料,我们认为主发震断裂为昆仑山口—江错断裂,东部的次级破裂与主破裂机制不同.同震库仑应力结果显示,东昆仑断裂玛沁段应力有所增加(>0.01 MPa),处于应力加载状态,未来发生强震的危险性较高.     

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．     

自转速率快速变化引起的全球位移场和应力场

该文建立了百万网格的分层PREM地球模型, 利用并行有限元方法计算了自转速率快速变化所引起的全球附加的位移场和应力场。 计算模型中不仅考虑了地球的径向分层, 同时还考虑椭率和地形的影响。 利用数值试验的方法, 系统分析了地球自转速率变化为Δω/ω=2×10^-10时所引起的全球应力分布特征, 研究表明椭率对地表各个应力分量的影响在千分之几, 而地形的影响则表现为径向应力与地形正相关, 且相同高度的地形在低纬度影响较大, 纬向和经向的应力大小分别与地形在SN向和EW向的地形梯度直接相关。     

青藏高原东缘岩石圈结构对现今地表垂向运动影响的数值分析

参考青藏高原东缘松潘-甘孜地块至四川盆地陡变地形起伏和地壳密度结构的横向差异,本文建立了二维牛顿黏性流体有限元模型,计算分析构造加载、陡变地形和重力效应控制下青藏高原东缘岩石圈变形特征,探讨横向不均匀的地壳密度结构、陡变地形和岩石圈流变性质对区域现今垂向运动的影响.计算结果显示：在构造加载作用下,松潘-甘孜地块至四川盆地地表抬升微弱.区域横向不均匀的地壳密度结构驱使松潘-甘孜地块地壳整体抬升,速率高达2 mm·a^-1,四川盆地整体下沉,速率约1 mm·a^-1,与龙门山两侧现今观测到的地表垂向变形模式相近.龙门山地区陡变地形驱使柔性地壳流动,调整区域地壳局部变形;岩石圈流变结构影响重力驱动作用下的模型变形量值和岩石圈变形耦合程度,松潘-甘孜地块较低的中地壳黏滞系数引起上、下地壳的变形解耦;模型较高的岩石圈地幔黏滞系数使重力驱动作用下区域垂向变形量降低.因此,青藏高原东缘地壳密度结构差异、地形起伏和岩石圈流变性质是现今区域垂向变形的重要动力学控制因素.     

青藏活动地块区运动与变形特征的数值模拟

利用二维有限元模型，以GPS测量的构造运动为约束条件，探讨了青藏活动地块在弹性应变积累过程中的运动与变形状态。模拟结果表明，青藏活动地块区在整体运动过程中，内部变形以大范围的分布为特征，其内部的应变分布和弹性应变能积累速率表明了Ⅱ级活动地块与活动边界带的显著变形差别：活动地块内部的应变和弹性应变能积累速率相对较小且分布较均匀；活动边界带上变形相对集中，应变和弹性应变能积累速率相对较高，并呈非均匀分布。这反映了青藏地块区内所含的各Ⅱ级活动地块的运动变形的整体性特征及彼此间的差异性特征，也揭示了活动地块构造通过边界带变形等方式对大陆强震的控制作用。     

地球液核自由振荡的三维有限元模拟

根据地球液核基本运动方程,采用有限元方法对液核流体的对流状态进行了数值模拟。计算中为了消除液核对流非线性特征导致的方程求解时出现的病态,引入了算子分裂法。数值结果说明利用有限元方法能成功地模拟地球液核自由振荡。     

东亚季风进退对山西降水的影响

本文通过分析历史气候资料表明：山西地处季风区,受冬季风影响时间长于夏季风影响时间,冬季风期间山西省盛行偏北气流,夏季风期间盛行偏南气流。统计山西季风雨带和季风进退的关系可知,两者之间有明显的相关性,夏季风强且偏北时,山西多雨,夏季风弱且偏南时,山西少雨。经分析对季风前缘提出了一些新的认识并指出对海拔较高的山西而言,取se=340表示夏季风前缘,se=284表示冬季风前缘比较合理。结合风向变化统计得出,每年11月第1候到次年3月第6候山西受冬季风影响,6月第5候至8月第6候受夏季风影响。     

岩石宏观流变性质的数值模拟

本文用有限元方法研究多矿物岩石的流变性质,即在一定温度压力范围内单矿物流变性质已知的情况下,采用随机网格划分和材料性质指定的方法,建立三维多矿物岩石的有限元模型,在计算机上计算该岩石模型在不同温度压力下的变形,根据这种数值模拟实验的结果,确定岩石整体的流变性质,而不必再进行真实多矿物岩石的高温高压实验.用有限元方法进行多矿物岩石流变性质的研究可以更为高效和节省,但其前提是多矿物间没有发生化学反应,变形机制仍与单矿物实验时的主导机制一样.本研究中进行了由锗橄榄石和锗尖晶石组成的双矿物岩石的流变实验,鉴于单个的随机生成的模型不一定居有代表性,因此对每一种矿物比例均随机生成了多个岩石模型,进行大量Monte Carlo实验和统计分析.计算结果表明,由两种矿物组成的双矿物岩石整体流变性质介于两者之间且按一定规律分布,与矿物比例有关;但即使同等矿物比例混合后的岩石会由于内部矿物分布结构的不同仍会出现一定差异,特别在试件尺度小时这种效应更为明显,因此多矿物岩石实验试件应该有足够大的尺度.