西藏南部地堑构造成因的数值模拟

青藏高原上地壳在印度洋板块的挤压作用下发育出大量断层，因此上地壳的破碎已经从整体上降低了其有效粘滞系数。其所承受的水平向压应力逐渐转移到中、下地壳中。随着应力转移的进行，上地壳和上地幔内σ１可能已转为垂直方向，处于拉张减薄状态，并在藏南地区形成了一系列张性地堑构造。而目前在中、下地壳内σ１可能仍为近南北的水平方向。在印度洋板块的强烈挤压下，该深度范围内柔性的中、下地壳物质仍在垂直方向继续膨胀、增厚，并导致青藏高原的继续抬升。本文利用粘弹性蠕变本构关系的有限元方法模拟了上述设想的可能性。     

山西断陷盆地带形成机制的初步数值模拟

本文在分析山西断陷盆地带的各种地质、地球物理资料的基础上,用三维粘-弹塑性有限元方法对该断陷带的形成机制进行了模拟计算。表明山西断陷盆地带的形成是地壳深部的上隆作用和北东—南西向挤压应力场在深部隐伏断裂上派生的右旋滑动共同作用的结果。地壳深部的上隆是一个主要的不可忽视的因素     

西藏高原南部雅鲁藏布江缝合带地区地壳电性结构研究

为了探测西藏高原南部雅鲁藏布江缝合带地区地壳浅部和深部构造沿东西和南北方向的变化特征,在雅鲁藏布江缝合带地区布设了三条南北向剖面(错那—墨竹工卡、亚东—雪古拉、吉隆—措勤),采用超宽频带大地电磁测深方法进行了地壳、上地幔电性结构探测研究,发现该区主要电性结构特征为：1. 雅鲁藏布江缝合带附近表层发育大规模的高阻体,岩体延伸最深达30km以上,是冈底斯花岗岩体的反映. 2. 雅鲁藏布江缝合带的南部有小规模的良导体,在其下方和北侧发育有大规模良导体. 3. 沿剖面从南往北壳内普遍发育良导体,各良导体主体间是不连续的,规模逐渐增大,总体北倾,在缝合带附近产状较陡. 4. 在雅鲁藏布江缝合带附近良导体由西往东规模逐渐增大,导电性逐渐变好,相对雅鲁藏布江在剖面上的位置逐渐南移. 这些重要的电性特征可能是印度板块向北俯冲所形成的,深部大规模的良导体特征沿东西向的差异可能是板块碰撞引起物质沿东西向运移作用的结果.     

青藏高原现代构造应力状态及构造运动的三维弹粘性数值模拟

根据现有的地球物理和地质资料，建立了青藏高原三维弹－粘性有限单元模型，模拟了由地震震源机制解和地质调查资料推断的高原岩石圈的构造应力状态，并模拟岩石圈物质的运动特征，着重考察高原物质向东南方向运动的可能性，并把模拟结果与实际资料结果进行比较。施加载荷时考虑了处于Ａｉｒｙ均衡条件下的高原地壳的重力势能和底面浮力，以及水平边界的挤压作用，根据试错法的试验结果，能够符合观测结果的模型边界条件表明：①印度     

有限单元法在首都圈地区跨断层水准测量监测能力初步评价中的应用

以首都圈地区布设在不同断层上的24处跨断层水准观测为研究对象, 建立了地壳分层结构、 含不同倾角断层的三维有限元模型, 模拟计算了断层倾角和走向对跨断层水准观测结果的影响, 并结合跨断层水准测量资料、 震例研究及R值预测评分, 对首都圈地区跨断层水准测量监测能力进行了初步评价。 结果表明: ① 跨断层水准观测能力一定程度上受倾角和走向因素的共同影响; ② 跨断层水准布设于倾角30°~70°且走向与地面水平最大位移方向近垂直时具有较好的映震效能; ③ 首都圈跨断层水准监测体系总体而言具备较强的监测能力。     

抗震分析反应谱法和时程分析法数值仿真比较

基于ANSYS有限元软件比较抗震分析反应谱法和时程分析法的地震数值仿真结果,研究二者的共同性和仿真结果的可比较性。结果表明,反应谱法和时程分析法在抗震反应计算中都体现了地震动特性和结构动态特性对结构地震响应的影响,二者在响应最值和响应频率上的仿真结果具有一致性。     

冷泉形成的数值模拟研究

海底冷泉形成的一种可能机制是海平面下降引起天然气水合物的分解.本文基于对冷泉渗漏特征的分析,建立了二维轴对称模型,利用有限元方法定量分析了南海区域海平面下降对冷泉形成的影响.结果表明,末次冰盛期(26.5~19.0 ka BP)海平面下降引起的冷泉活动可以持续到现在,但是从水合物停止分解至今,超孔隙压力的极值在持续减小,而流体向海底的渗漏达西速度先快速减小、然后缓慢减小.同时发现,流体向海底的渗漏达西速度与管状通道的渗透率、通道周围介质的渗透率以及通道的半径等有关,估计目前的冷泉活动还可以持续10000年以上.海平面下降引起的天然气水合物分解,可能是影响全球气候变化的一个重要因素.     

非均匀介质热蠕变流动的数值求解

针对非均匀介质中热蠕变流动问题,给出了有限单元方法与网格－粒子方法联合求解新技术,即有限单元方法求解欧拉网格节点上的未知量,分布于单元内部作为物质成分标记的粒子反映变形过程.有限元法求解动量方程和连续性方程时引入了速度场和压力场等阶插值的压力场稳定的Petrov-Galerkin方法,求解能量方程时采用了流线迎风Petrov-Galerkin方法,网格－粒子算法中采用双线性插值与有限单元插值函数对应.有限单元计算与网格－粒子计算相对独立,两种方法计算的数据通过有限单元节点传递.同时,实现了三角形单元的算法和程序,解决了复杂结构条件下不规则网格计算的问题.通过经典方腔热对流问题验证了程序,给出了不规则形态块体沉降算例,并分析了数值解的稳定性.     

中国东部地区地震活动与构造应力场关系的有限元数值模拟

运用有限元数值模拟方法结合板块构造边界条件和板内构造分布特征对中国大陆东部地区的基本构造应力场进行数值模拟,根据研究区受周边板块作用的情况分析板块边界作用力的变化对内部应力场的影响。对比有限元数值模拟结果解释了中国大陆东部地区地震活动空间分布的特点。     

西藏高原上地幔的精细结构与构造--地震层析成像给出的启示

用布置在亚东—格尔木的164个流动地震台站记录的926个远震事件的24241条射线,进行远震P波层析成像处理,高分辨率的西藏高原上地幔的速度结构图,显示了印度巨厚地幔岩石圈在向高原之下推进的过程中,在高喜马拉雅之下拆分成上、下两层,这是发生的第一次拆沉. 下层从高喜马拉雅以下约以22°的角度向高原北部插入到350km 深;而其上层则向北伸展直到雁石坪,并构成了高原薄的地幔岩石圈. 在雁石坪北（33.7°N）,当其与亚洲大陆岩石圈地幔相遇后发生断离并下沉. 再次证实了五道梁（35.27°N）深部低速体的存在,本区内地壳内低速物质可能与上述运动有联系,反映了深层热物质的上涌.     

青藏高原东北隅似三联点构造特征

在大陆内部,对于一定尺度的构造块体,似三联点构造是一种普通的构造形式。由于大陆内部块体旋转的普遍性,似三联点构造可形成顺旋型和逆旋型两种构造型式。     

Numerical modelling of drop load tests

Assessment of the attenuation of induced vibrations in the ground plays an important role in evaluating comfort and structural safety. Analytical and empirical wave attenuation relationships of increasing complexity and detail are presented in the paper, as well as a numerical model that accurately reproduces wave attenuation for a well-documented site, namely the one of the Tower of Pisa, Italy. A new source model is calibrated on near-field data and used as input for the dynamic coupled consolidation finite element analysis to achieve a satisfactory simulation. The accuracy of simpler analytical and empirical approaches is then comprehensively assessed through comparison with the validated numerical model and the field data obtained from geophones at various distances from the impact source.     

新型贴井壁式阵列方位侧向测井数值模拟与响应特性

在现有侧向测井仪器基础上,提出了一种新型贴井壁式阵列方位侧向测井电极系,该仪器能提供径向和周向方位电阻率测量.该电极系采用贴井壁测量方式,提供5种径向探测深度.利用三维有限元方法模拟了阵列方位侧向测井电极系的井眼影响特性、径向探测特性、纵向分层能力、方位分辨能力,并模拟其对井周地层、水平井非对称泥浆侵入和倾斜地层的响应.在导电泥浆中最大探测深度为1.23m,纵向分辨率为0.3m,可以识别出0.1m薄层,方位分辨率为20°.贴井壁测量时,纵向分辨率不受泥浆和围岩电阻率的影响,能够准确测量井周方位电阻率,较不贴井壁测量具有很大优势,同时利用12条方位电阻率曲线能够反映出水平井泥浆非对称侵入特性,倾斜地层倾角和倾斜方向.     

断层阶区对产生超剪切地震破裂的促进作用

地震时若断层发生超剪切破裂,地震灾害会显著加剧.因此研究超剪切破裂的形成机理有着非常重要的科学意义.本文利用动力有限单元方法,模拟断层破裂从初始断层跳跃传播到另一条平行的次级断层（断层阶区）时破裂速度的变化情况,并分析断层阶区几何特征等物理参数对产生超剪切地震破裂的促进作用.计算结果表明,断层阶区的诸多物理因素（如：重叠长度、相隔距离以及摩擦系数等）都会对破裂的传播速度产生影响.在一定条件下,破裂传播速度会由在初始断层上的亚剪切波速度,转换为在次级断层上的超剪切波速度.在破裂速度转换过程中,断层间隔起着重要作用,当断层阶区中两断层垂直间隔距离小到一定程度时,破裂跳跃阶区后,破裂速度不会发生变化.所以对于分段断层（可视为一种特殊的断层阶区）,由于其断层垂直间隔为0,也就不会出现破裂速度变化的现象,模拟结果对此也进行了证实.然而,若断层间隔太大,当其距离超过一定的限度后,破裂通常无法跨越断层阶区继续传播,而是终止在初始断层上.模拟结果还表明,初始断层与次级断层之间的重叠距离也十分重要,只有当断层阶区中两平行断层之间的重叠部分达到一定长度后,断层的破裂速度才有可能发生转换.此外,计算结果显示,破裂过程中断层面上的应力变化可能是破裂传播速度发生转换的直接原因.最后,模拟还发现,当破裂跨越断层阶区发生速度转换时,破裂需要停顿一定的时间,以便积聚足够的能量来实现破裂速度的增快.

     

汶川地震失稳机制的数值模拟研究

考虑断层的软化特性,建立垂直于龙门山断裂带并包含四川盆地和川西高原在内的汶川地震不稳定性地震力学模型.采用有限元方法计算得到了描述整个岩石力学系统稳定性状态和过程的平衡路径曲线.在此基础上,采用稳定性理论研究了汶川地震从孕育到发生的过程,讨论了断层倾角和断层材料参数对地震失稳的影响.数值模拟结果显示,系统只存在稳定的断层无震滑动和不稳定的地震失稳2种状态.断层倾角、初始内摩擦系数、初始黏聚力和强度曲线形状参数的增加会导致系统趋向不稳定的地震失稳状态.而强度曲线胖度参数的增加有助于系统进入稳定的断层缓慢无震滑动状态.地震失稳前,在平衡路径曲线的应力峰值点和失稳点之间,断层错动加速,应变能开始释放并且应力开始减小,是失稳的前兆.最后在失稳点发生应力突跳,地震发生,其间伴随应变能的急剧释放、应力降和断层突然错动.无论是稳定的断层无震滑动还是不稳定的地震失稳,系统重新进入应力和应变能增加状态后,应力和应变能的增速由远场加载速度、岩石力学系统的结构和围岩材料属性决定,与断层软化特性参数无关.

     

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ur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uz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.     

2001年昆仑山口西MS8.1地震对周围断层的应力影响数值分析

大地震的发生往往会引起周围区域形变场和应力场变化,且对临近断层上的应力状态也有影响.2001年11月4日,昆仑山口西发生了半个世纪以来中国最大的M_S8.1级地震.本文基于已有的滑动模型,建立了三维含地形高程的横向不均匀性椭球型地球有限元模型,采用等效体力方法,分析了此次M_S8.1地震产生的全球同震位移和应力场变化.与解析方法相比,该模型考虑了地形、Moho面起伏和地球介质横向不均匀性;与一般的有限元数值模拟相比,该模型考虑了地球曲率和椭率,合理地规避了有限块体模型假定边界位移为零所引入的误差.计算得出同震位移与GPS观测数据可以很好地吻合.据库仑破裂应力准则和震源参数,计算得出昆仑山口西M_S8.1地震的发生造成了汶川、芦山、改则和当雄地震的发震断层上库仑应力增加,对这些地震的发生起促进作用;而造成玉树和德令哈地震发震断层上的库仑应力变化为负值,在一定程度上抑制了这些断层的地震活动性.此外,计算结果显示地球地形高程、介质非均匀性和椭率对昆仑山口西M_S8.1地震同震变化计算有一定的影响,其中地形和椭率造成的同震位移场相对误差约10%.

     

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.     

2011年M_W9.0东日本大地震动力学破裂过程的数值模拟

力学上,地震可以看作在应力场作用下由于断层带介质的突然损伤或软化导致的断层带失稳事件.本文基于这个地震动力学模型,利用一种可以模拟断层大位错的有限元方法,研究了2011年MW9.0东日本大地震(Tohoku-Oki)的动力学破裂过程.比较了无障碍体和具有不同刚度障碍体的断层带模型产生的断层位移、位错和应力降.主要结果表明,障碍体的存在并不明显地改变障碍体区域的初始构造应力场.对有障碍体情形,准静态结果显示断层上盘最大逆冲位移和最大剪切位错分别为51m和58m,均发生在海底表面海沟处,与无障碍体的结果(最大剪切位错约55m)相比差别不大;下盘最大倾向位移(-10m)并不与上盘最大值出现在同一位置,而是在障碍体处.障碍体处剪应力降(约11 MPa)大于周围非障碍体区域.障碍体处正应力降的最大值约为3 MPa.模拟结果似乎不支持海山是导致本次地震异乎寻常大位错的原因,而倾向于断层带剪切刚度在地震过程中极度损伤或软化.     

唐山地震孕震过程的三维有限元分析及其在地震预报研究上的意义

本文分析了唐山地震孕震过程的物理力学特征。首先分析孕震体的物理性状及其所处的力学环境,认为孕震体承受着一个力系的作用,提出了唐山地震孕震的物理力学模型。接着以有限元方法对孕震过程进行三维力学分析,注意尽可能应用地球物理观测资料或其反演结果,以便适当确定模型的边界条件与物理参数。文中认为摩擦滑动破坏的机制比较符合实际地震情况,提出摩擦破坏危险度F_s 是否大于1.0来识别破裂危险点。还具体分析了唐山地震的破裂特征,并对分析方法与结果在预报上的意义进行了讨论。