利用黏弹性有限元模型研究挪威北海北部地区末次冰期以来的冰后回弹和应力演化

挪威北海北部在末次冰期存在较大范围的冰盖,其冰盖的加载和卸载会对地表变形和内部应力调整产生重要影响.本文基于Maxwell黏弹性本构关系,根据初应力法自主开发了一套Maxwell黏弹性体有限元程序,它可以考虑重力和构造加载、地球介质弹性的纵向和横向不均匀性以及黏性的分层性,可以计算冰川载荷变化引起的地球表面变形及内部应力状态的变化.利用它研究了挪威北海北部1.1 Ma以来的冰川载荷变化、特别是两万多年以来冰盖的消退引起的地表冰后回弹.结果表明,自2万年以来,冰后回弹效应在冰盖载荷变化的不同阶段呈现明显的时空变化,现今地表垂直变化速率为几个毫米/年,与观测结果一致.下地壳和上地幔的黏弹性松弛效应明显,上地壳的应力状态在现今海岸线两侧存在差异性,水平和垂直正应力变化可达几十兆帕,剪应力变化有一个先增加后迅速减小至零的过程,与古地震、现今地震时空分布及应力测量结果也比较符合,研究结果有助于加深对冰后回弹的动力学过程的认识.

     

利用黏弹性有限元模型研究挪威北海北部地区末次冰期以来的冰后回弹和应力演化

挪威北海北部在末次冰期存在较大范围的冰盖,其冰盖的加载和卸载会对地表变形和内部应力调整产生重要影响.本文基于Maxwell黏弹性本构关系,根据初应力法自主开发了一套Maxwell黏弹性体有限元程序,它可以考虑重力和构造加载、地球介质弹性的纵向和横向不均匀性以及黏性的分层性,可以计算冰川载荷变化引起的地球表面变形及内部应力状态的变化.利用它研究了挪威北海北部1.1 Ma以来的冰川载荷变化、特别是两万多年以来冰盖的消退引起的地表冰后回弹.结果表明,自2万年以来,冰后回弹效应在冰盖载荷变化的不同阶段呈现明显的时空变化,现今地表垂直变化速率为几个毫米/年,与观测结果一致.下地壳和上地幔的黏弹性松弛效应明显,上地壳的应力状态在现今海岸线两侧存在差异性,水平和垂直正应力变化可达几十兆帕,剪应力变化有一个先增加后迅速减小至零的过程,与古地震、现今地震时空分布及应力测量结果也比较符合,研究结果有助于加深对冰后回弹的动力学过程的认识.     

横向非均匀介质中弹性地震波传播的数值模拟

应用混合变量弹性动力学方程和线性常微分方程组的矩阵指数解法，将层状介质中广泛应用的弹性波传播矩阵解法推广至横向非均匀介质，给出了一种可计算复杂地质体中弹性波传播的广义传播矩阵数值解法。该方法可模拟任意震源及所产生的各种体波、面波，数值结果表明具有很高的计算精度。     

二维非均匀饱和土体的地震反应分析

将饱和土体视为由弹性骨架和不可压缩流体组成的两相孔隙介质,取固相位移,液相位移,孔隙水压力为场变量。从两相孔介质的动力耦合微分方程出发,利用伽辽金原理和Ｗｉｌｓｏｎ－θ法导出了三场有限元积分方法,该方法可进行二维非均匀饱和土体的地震反应分析,文中通过算例讨论了非均匀饱和土体地震反应的一些特征。     

非均匀电磁波在导电媒质界面反射的横向偏移

由电磁场边值关系给出了非均匀电磁波在导电媒质界面反射时反射系数所产生的附加相角. 利用这一附加相角导出了非均匀电磁波在导电介质界面的横向偏移,并进行了横向偏移的相关计算,绘出了横向偏移随入射角的变化曲线. 结果表明：在导电媒质界面反射电磁波的横向偏移随入射角的增大而增大,当入射角接近90°时,电磁波在界面要传播较长时间后才返回第一种媒质. 在同一入射角电场偏振化方向在入射面的电磁波要比电场偏振化方向垂直于入射面的电磁波的横向偏移大,随着电磁波频率的增加横向偏移变小.     

横向非均匀介质远震体波接收函数的波场特征

系统研究了台站下方存在倾斜界面时,远震体波接收函数的波场特征及多方位接收函数对台站下方介质横向非均匀特征的反映能力．我们利用合成三维横向非均匀介质接收函数的Maslov方法,具体模拟了台站下方存在倾斜界面时的接收函数响应．结果表明,当台站下方存在倾向一致的倾斜界面时,远震体波接收函数的径向分量和切向分量分别随震源方位角的变化呈现对称和反对称的规律性变化．利用不同震源方位角接收函数径向分量和切向分量的变化规律,可以估计台站下方界面的倾向和倾角．当台站下方各界面的倾向不同时,随方位角的变化,接收函数只能直观给出界面的整体倾向．实际观测数据的分析结果表明,对于利用单个台站接收函数研究台站下方介质的横向非均匀特征来说,简单倾斜界面可以看作较好的一级近似．     

考虑时空非均匀性的地震危险性分析简易算法

本文以我国第三代烈度区划工作所采用的地震危险性分析思路为基础,沿袭断层破裂模型中分条积分的简易性,提出了考虑地震活动时空非均匀性的地震危险性分析简易算法,使第三代烈度区划的地震危险性分析思路在地震烈度复核和地震小区划工作中得到更好的推广和应用。     

合成三维横向非均匀介质远震体波接收函数的Maslov方法

三维横向非均匀介质远震体波接收函数的合成算法对于三维介质远震体波接收函数研究至关重要．本文发展了基于Ｍａｓｌｏｖ理论的横向非均匀介质接收函数合成算法,针对远震体波接收函数计算的特点,利用遗传算法完成三维动力学射线追踪,并采用递归算法组织射线的追踪过程,从而在保证追踪精度的同时提高了射线追踪的效率,并可完全避免传统射线追踪过程中的射线编码问题．正演计算结果表明,此法是一种高效、实用的三维横向非均匀介质接收函数计算方法．     

合成三维横向非均匀介质远震体波接收函数的Maslov方法

三维横向非均匀介质远震体波接收函数的合成算法对于三维介质远震体波接收函数研究至关重要．本文发展了基于Ｍａｓｌｏｖ理论的横向非均匀介质接收函数合成算法,针对远震体波接收函数计算的特点,利用遗传算法完成三维动力学射线追踪,并采用递归算法组织射线的追踪过程,从而在保证追踪精度的同时提高了射线追踪的效率,并可完全避免传统射线追踪过程中的射线编码问题．正演计算结果表明,此法是一种高效、实用的三维横向非均匀介质接收函数计算方法．     

各向异性,横向非均匀介质中的传播不变量,透射和反射

对于地震波主要特性随深度变化的准层状介质，可根据两个地震波场的位移和作用力的某种组合建立传播不变量计算公式。这样的不变量与深度无关，对于相同的场则趋于零。它是空间和波数域中为各向异性和横和变化介质而建立的一种计算方法。这些传播不变量可大大简化横向变化介质中反射和透射过程的综合分析，其中包括了波数间耦合作用的计算。本文通过分析ＳＨ波在自由表面下的非规则界面上的入射过程，阐明了这种方法的实现过程。其结     

川滇地区强震序列库仑破裂应力加卸载效应的数值模似

通过建立较精细的川滇地区三维有限元模型,数值模拟了川滇地区主要活动断裂的强震活动对于其他活动断裂潜在强震孕育进程的库仑破裂应力加卸载效应.模拟结果显示在川滇地区主要活动断裂带的几何学展布形态和运动学性质的构造背景之上,川滇地区强震活动相互影响的主要特征是活动断裂面库仑破裂应力变化大多处于增大状态.其中,金沙江断裂带、小江断裂带、楚雄—建水断裂带、鲜水河断裂带和安宁河断裂带上的强震所产生的加载作用比较强,而丽江—小金河断裂带和腾冲—澜沧断裂带则较弱.1981～2000年川滇地区M≥6.5地震序列的模拟结果显示,后续地震全部位于已发生地震所引起的库仑破裂应力增大区之内.数值模拟结果显示,在川滇地区,一个强震发生之后,发震断层本身强烈卸载的同时,库仑破裂应力的加载效应在其他主要活动断裂带潜在强震孕育进程中占据了主导地位,强震活动之间相互作用的主要效应是应力加载,已发生的强震加速了下一个强震的孕育进程,进而导致一系列地震的发生,直至整个区域所积累的应变能处于较低水平之后,区域地震活动进入一个新的平静期.     

川滇地区强震序列库仑破裂应力加卸载效应的数值模拟

通过建立较精细的川滇地区三维有限元模型,数值模拟了川滇地区主要活动断裂的强震活动对于其他活动断裂潜在强震孕育进程的库仑破裂应力加卸载效应.模拟结果显示在川滇地区主要活动断裂带的几何学展布形态和运动学性质的构造背景之上,川滇地区强震活动相互影响的主要特征是活动断裂面库仑破裂应力变化大多处于增大状态.其中,金沙江断裂带、小江断裂带、楚雄—建水断裂带、鲜水河断裂带和安宁河断裂带上的强震所产生的加载作用比较强,而丽江—小金河断裂带和腾冲—澜沧断裂带则较弱.1981~2000年川滇地区M≥6.5地震序列的模拟结果显示,后续地震全部位于已发生地震所引起的库仑破裂应力增大区之内.数值模拟结果显示,在川滇地区,一个强震发生之后,发震断层本身强烈卸载的同时,库仑破裂应力的加载效应在其他主要活动断裂带潜在强震孕育进程中占据了主导地位,强震活动之间相互作用的主要效应是应力加载,已发生的强震加速了下一个强震的孕育进程,进而导致一系列地震的发生,直至整个区域所积累的应变能处于较低水平之后,区域地震活动进入一个新的平静期.     

Approximate solutions of the surface mass loading of a spherical Earth model

Summary Simple linear representation of the components of an approximate plane solution of point mass loading of the Earth's surface in a conveniently chosen coordinate system leads to selection of a 2nd-degree curve which is the best fit of the spherical solution for the given Earth model. The new approximate solution, which, analogously to the plane solution, can be called a parabolic solution, enables the simple input parameters of the plane solution to be used also for substantially larger angular distances. The comparison with the spherical solution is carried out by computing the effects of the M₂-wave of ocean tides. The results of the computations for the tidal station Brussels prove the two solutions to be in sufficient agreement for global problems as well.

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球坐标系下三维大地电磁正演研究

大地电磁正演理论研究热点一直以来主要集中在如何提高计算效率和精度,但在剖面足够长、探测深度足够大的情况下,传统的笛卡尔坐标系数值模拟方式难以准确拟合地球曲率形态.本文研究了基于球坐标系的三维大地电磁正演,推导了交错网格有限差分三维正演公式,与一维解析解和三维标准模型测试对比,验证了正演算法的正确性.通过理论模型计算,对比分析球坐标和笛卡尔坐标系正演结果表明：球坐标系模拟更合理,避免了传统笛卡尔坐标拉伸投影所引入的误差,可代替目前的笛卡尔坐标模拟方法.基于球坐标和笛卡尔坐标系的三维大地电磁正演响应值随着频率变低差异越明显.球坐标和笛卡尔坐标计算结果差异度与频率、模型结构和电阻率有关.本文模型计算结果在数万秒周期处已出现接近10%的差异,对于较大尺度的长周期大地电磁,地球曲率的影响不能忽略.

     

活动断裂地震变形与重大工程场地安全距离研究

在不考虑地表覆盖层的情况下，采用三维有限元方法计算了不同震级、不同断层活动方式以及不同断层倾角下断层上、下盘地表的地震位移及形变分布，通过设定的安全距离判定标准，研究了各种情况下工程场地距断层的安全距离。研究表明，活动断裂的安全距离应根据断裂性质、活动方式、活动强度、断裂上下盘等因素及工程设防要求共同确定。     

Coupling multiscale finite element method for consolidation analysis of heterogeneous saturated porous media

The multiscale finite element method is developed for solving the coupling problems of consolidation of heterogeneous saturated porous media under external loading conditions. Two sets of multiscale base functions are constructed, respectively, for the pressure field of fluid flow and the displacement field of solid skeleton. The coupling problems are then solved with a multiscale numerical procedure in space and time domain. The heterogeneities induced by permeabilities and mechanical parameters of the saturated porous media are both taken into account. Numerical experiments are carried out for different cases in comparison with the standard finite element method. The numerical results show that the coupling multiscale finite element method can be successfully used for solving the complicated coupling problems. It reduces greatly the computing effort in both memory and time for transient problems.     

工程结构三维疲劳裂纹最大应力强度因子计算

介绍了裂纹的类型、裂纹尖端应力场的奇异性。以一维问题为例,推导论证了奇异单元能够很好的反映裂纹尖端应力场的奇异性。应力强度因子一般表达式表明应力强度因子与载荷呈线性关系,并依赖于物体和裂纹的几何形状和尺寸。本文借助大型通用有限元软件ANSYS,采用位移外插法计算了三维表面裂纹前沿不同位置处的应力强度因子,并与《应力强度因子手册》基于实验的理论公式计算结果相比较。结果表明:有限元结果与理论解误差较小,裂纹最深处应力强度因子最大。     

From the pore scale to the lab scale: 3-D lab experiment and numerical simulation of drainage in heterogeneous porous media

A well-controlled 3-D experiment with pre-defined block heterogeneities is conducted, where neutron tomography is used to map 3-D water distribution after two successive drainage steps. The material and hydraulic properties of the two sands are first measured in the laboratory with multistep outflow experiments. Additionally, the pore structure of the sands is acquired by means of image analysis of synchrotron tomography data and the structure is used for pore-scale simulation of one- and two-phase flow with Lattice-Boltzmann methods. This gives us another set of material and hydraulic parameters of the sands. The two sets of hydraulic properties (from the lab scale and from the pore scale) are then used in numerical simulations of the 3-D experiment.     

金属大棚对周口台地电阻率干扰定量分析

周口地电阻率观测2015年出现异常变化,因异常期间该台场地存在较多干扰源。为正确评价该次异常,在电测深结果的基础上建立三维数值模型,采用有限元数值计算,定量评估该台测区周围金属蔬菜大棚等干扰源对地电阻率观测的影响量。结果表明:金属大棚可能是周口台本次地电阻率异常的主要影响因素。     

Analysis of biodegradation in a 3-D heterogeneous porous medium using nonlinear stochastic finite element method

Probabilistic analysis by Monte Carlo Simulation method (MCSM) is a computationally prohibitive task for a reactive solute transport involving coupled PDEs with nonlinear source/sink terms in 3-D heterogeneous porous media. The perturbation based stochastic finite element method (SFEM) is an attractive alternative method to MCSM as it is computationally efficient and accurate. In the present study SFEM is developed for solving nonlinear reactive solute transport problem in a 3-D heterogeneous medium. Here the solution of the biodegradation problem involving a single solute by a single class of microorganisms coupled with dynamic microbial growth is attempted using this method. The SFEM here produces a second-order accurate solution for the mean and a first-order accurate solution for the standard deviation of concentrations. In this study both the physical parameters (hydraulic conductivity, porosity, dispersivity and diffusion coefficient) and the biological parameters (maximum substrate utilization rate and the coefficient of cell decay) are considered as spatially varying random fields. A comparison between the MCSM and SFEM for the mean and standard deviation of concentration is made for 1-D and 3-D problem. The effects of heterogeneity on the degradation of substrate and growth of biomass concentrations for a range of variances of input parameters are discussed for both 1-D and 3-D problems.