断层对钻孔地应力测量影响的初步分析

获得初始地应力最直接最有效的方法是进行地应力测量,但在地应力测量打钻的过程中,初始地应力会遭到破坏,使得测量值与实际初始地应力值有差别.本文应用有限元方法研完了断层对打钻前后地应力变化的影响规律,考虑因素包括断层的力学性质(弹性模量、泊松比)、断层到钻孔的距离、边界应力、复合断层.研究表明,断层泊松比对初始地应力的变化影响很小,不是影响初始地应力变化的敏感因素.断层弹性模量、断层到钻孔距离、边界应力、复合断层是影响初始地应力变化的敏感因素.研究结果可为钻孔地应力测量研究提供参考价值.     

瓜什则盆地的地应力场分析与模拟

基于水压致裂法地应力测试的原理,系统性研究分析了瓜什则盆地区域内的地应力场特征,这为成宁铁路控制性工程甘青特长隧道的选线设计提供了重要的参考依据。首先,根据区域内钻孔的地应力测试结果,采用有限元方法进行了区域地应力场的三维数值模拟,确定了该区域内的水平应力大于垂直应力的基本特征;其次,根据多个水平构造应力场的水平切片,分析了水平构造应力场随深度的变化,说明了该区域内水平构造应力场具有由东北向西南挤压的应力变化特征;然后,根据区域岩体抗拉强度分布,发现该区域内存在一个低抗拉强度带,它的地层结构相对较复杂,且其工程地质特征主要表现为地层破碎带或断层;最后,采用最小二乘法拟合了CK方案隧道横截面最大切向应力与最大水平主应力的线性回归模型,并预测了该方案隧道地层的岩爆发育程度。     

基于岩体波速和Hoek-Brown准则的初始地应力场参数计算模型研究

在初始地应力场参数计算中引入岩体波速,通过基于岩体波速的Hoek-Brown准则建立初始地应力场中水平地应力σ_H的取值范围Δ_(σ_H)计算模型,并通过实测地应力数据验证了Δ_(σ_H)计算模型的合理性。在Δ_(σ_H)计算模型的基础上,推导出了σ_H/σ_V(水平地应力/垂直地应力)的取值范围Δ(σ_H/σ_V)计算模型,并通过Δ(σ_H/σ_V)计算模型从岩体稳定性的角度对σ_H/σ_V在地壳表面和深部的分布现象进行合理解释。通过Δ(σ_H/σ_V)计算模型给出的σ_H/σ_V的取值下限(σ_H/σ_V)_(min)和取值上限(σ_H/σ_V)_(max)算出侧压系数λ,并给出了侧压系数λ与深度h之间的函数关系λ=ah~b+1。     

中国大陆现今地应力场黏弹性球壳数值模拟综合研究

中国大陆现今实测地应力场的状态与板块构造环境、活动断裂带分布、地形地貌以及地壳结构呈现一定相关性. 在中国大陆西缘,印度洋板块与欧亚板块陆发生陆碰撞,在中国大陆东缘,菲律宾海板块、太平洋板块俯冲到欧亚板块之下. 中国大陆内部被大型活动断裂带分割为多个块体,各个块体的地壳结构和厚度呈不均匀分布,地形地貌起伏具有很大的差异. 笔者以中国大陆块体模型为基础,把板块构造作用和重力势作为主要影响地应力状态的两个主要要素,在现今活动构造、GPS和实测地应力等成果的约束下,利用线性黏弹体球壳有限元模拟分析了中国大陆现今地应力场的分布特征和控制因素. 结果表明: (1)构造应力场总体上呈现出西部挤压,东部拉张的特征,印度板块与欧亚板块的持续碰撞形成了青藏高原及其周缘的挤压性质的构造应力场,而东部菲律宾板块与太平洋板块的俯冲形成了黄海、东海和环渤海区域的拉张性质的构造应力场,中间为拉张环境和挤压环境的过渡,最大主应力的方向受到板块构造环境和活动构造分布的控制;(2)重力的影响主要体现在地形梯度大和地壳厚度结构变化大的地壳浅部区域,在藏南、滇西北局部地区的地壳浅部由于受到重力势控制,呈现为张性应力场,在塔里木地区由于重力势引起的应力场与构造应力场同为挤压性质,因此该区的挤压强度得以增加;(3)中国大陆浅部地应力场的状态主要受到区域板块构造环境、块体边界活动构造带的展布和地形的控制,总体上以南北构造带为界,西部以较强的压性构造环境为主,东部为较弱的压性构造环境,藏南和滇西北局部地区存在有张性构造环境;构造应力对地应力的贡献比重随着深度增加而增加;(4)采用黏弹性模型的构造应力场模拟结果比完全弹性模型的模拟结果能够更好地与实测地应力场相吻合,利用完全弹性模型分析由地震等诱发的地应力瞬时变化是有效的;(5)青藏高原东南缘最大主应力方向发生了较大的偏转,其主要控制因素有:印度板块持续的碰撞、中下地壳对上地壳拖曳以及印度板块通过实皆断裂对欧亚板块的剪切拉伸作用. 中国大陆现今地应力场是整个地壳岩石黏弹特性长期演化和断裂活动的结果,是地应力场动态演化过程中在现今时间点上的状态,受到板块构造环境、大陆内部活动断裂分布、地形地貌和地壳结构等因素不同程度的控制,模拟结果为中国大陆地应力场提供了一个定量的参考模型.     

龙门山断裂带东北段现今地应力环境研究

2008年5月12日汶川Ms8.0级地震后,为了解发震断裂附近地应力分布特征,于2009年10月-12月期间,在龙门山断裂带东北段江油、北川地区3个200 m钻孔中开展水压致裂地应力测量工作;本文首先依据研究区域内3个200m钻孔的水压致裂地应力测量结果,分析了汶川8.0级地震发生1年后,龙门山断裂带东北段附近现今地应力状态分布特征;其次,基于龙门山断裂带基础地质、地球物理等研究资料,采用线弹性有限元模拟方法,运用ANSYS有限元模拟软件,模拟得到了地震后研究区内现今地应力状态;再次,综合研究区内地应力测量结果和应力场的三维有限元数值模拟结果,揭示了断裂带附近江油～北川剖面现今应力场的变化规律;文章最后探讨了龙门山断裂带东北段江油和北川地区的地震危险性.     

武威地震的地应力前兆场特征

本文由点到面系统地总结了1984年元月6日武威地震(Ms=5.3级)前,甘肃东部地应力观测台网所接收到的地应力前兆场特征。认为,这些地震前兆特征具有判断未来地震的地点、时间和强度的意义。为今后的地震预报提供了经验。     

青藏高原东缘活动构造与现今地应力场三维粘弹性模拟研究

青藏高原东缘地区活动断裂极其发育,强震繁发,特别是2008年5月12日的汶川Ms8.0级地震的发生,使得众多地球科学家认识到有必要更为全面地了解和认识该地区的地应力场背景和地球动力学环境.本论文结合活动构造的性质和分布特征,在考虑重力因素的条件下,利用三维粘弹性有限元模拟分析青藏高原东缘现今地应力场的分布特征和控制因素.模拟结果表明,印度板块与欧亚板块的持续碰撞和稳定华南块体的阻挡控制着青藏高原东缘总体的动力学环境,主要活动断裂和次一级活动断裂的展布对地应力场分布特征具有不同程度的影响,在不同的构造位置具有不同的地应力场特征,同时决定了相应活动断裂的性质.巴颜喀拉块体的水平最大主应力方向总体上为东西向;印度板块向北运动过程中对缅甸块体产生的剪切拉伸的作用和南海伸展性的边界使得水平最大主应力方向在川滇地块发生了偏转,同时造成了围绕喜马拉雅东构造结的旋转变形.青藏高原东缘在近地表区域由于受到地形地貌的影响,地应力随深度发生了不同程度的变化,在地形梯度较大和块体边界地壳结构发生较大变化的区域,如龙门山断裂带附近,地壳浅部的地应力随深度发生较为明显的变化,而地势比较平缓和地壳岩石物性比较稳定的地区,由浅到深的地应力变化较小.     

修正辛格式有限元法的地震波场模拟

三角网格有限元法具有网格剖分的灵活性,能有效模拟地震波在复杂介质中的传播.但传统有限元法用于地震波场模拟时计算效率较低,消耗较大计算资源.本文采用改进的核矩阵存储（IKMS）策略以提高有限元法的计算效率,该方法不用组合总体刚度矩阵,且相比于常规有限元法节省成倍的内存.对于时间离散,将有限元离散后的地震波运动方程变换至Hamilton体系,在显式二阶辛Runge-Kutta-Nystr m（RKN）格式的基础之上加入额外空间离散算子构造修正辛差分格式,通过Taylor展开式得到具有四阶时间精度时间格式,且辛系数全为正数.本文从理论上分析了时空改进方法相比传统辛-有限元方法在频散压制、稳定性提升等方面的优势.数值算例进一步证实本方法具有内存消耗少、稳定性强和数值频散弱等优点.

     

钻孔对初始应力场扰动影响的初步研究

地应力测量是获得初始地应力最直接最有效的方法,但在地应力测量打钻的过程中初始地应力会遭到扰动,岩体在打钻后出现卸载现象,初始地应力重新分布,使得测量值与实际初始地应力值有差别.本文应用有限元方法对钻孔地应力测量过程进行模拟,重点研究岩体的性质、边界应力、断裂在钻孔过程中对初始地应力变化的影响,并总结影响初始地应力变化的敏感因素.     

地下岩体应力场-渗流场-热场三场耦合作用的数值模拟研究初探

在地下岩体变形、地震的孕育与发生过程中,多种物理场、化学场是同时存在并相互影响的,其中应力场、渗流场和热场是其最重要的物理场.文中综述了近40年来地下岩体应力场-渗流场-热场三场耦合作用的研究现状,基于渗流场与热场、应力场与热场、以及三场耦合作用的研究,从场与场之间相互影响关系入手,综合分析了从以变量为媒介到以场为媒介,从松散耦合到强耦合,从观测统计模型到数值模拟的发展历程,并阐述了地下岩体三场耦合存在的问题和发展趋势.     

数值模拟在地球动力学中的研究进展

本文主要针对有限单元法,对近10几年来数值模拟在地球动力学中的应用和发展作了回顾,分为构造应力场模拟;地幔热对流模拟;板块碰撞模拟;岩石圈流变学模拟;以及地震机制与预测模拟等部分.简单阐述了当前地球动力学数值模拟的发展趋势并论述了其面临的主要问题.     

An explicit method for numerical simulation of wave equations

In this paper, a method to develop a hierarchy of explicit recursion formulas for numerical simulation in an irregular grid for scalar wave equations is presented and its accuracy is illustrated via 2-D and 1-D models. Approaches to develop the stable formulas which are of 2M-order accuracy in both time and space with M being a positive integer for regular grids are discussed and illustrated by constructing the second order (M = 1) and the fourth order (M = 2) recursion formulas.     

数值模拟方法在应力场演化及地震科学中的研究进展

本文对数值模拟方法(主要针对有限单元法)在应力场演化及地震科学中的应用和发展做了回顾与总结,主要包括构造应力场模拟、地震活动性模拟、地震危险性模拟等部分,并对数值模拟方法的发展趋势、方法的优势及其所存在的主要问题做了探讨.     

铁轨干扰浚县地震台地电阻率观测的有限元分析

2016年5月浚县地震台地电阻率EW向测值出现明显变化,为正确评价该变化,依据浚县地震台地质资料、岩层电性资料和EW向电测深曲线,将该台地下介质电性分布简化为二维电性结构,建立三维有限元模型。通过数值模拟,计算测区内地表铁轨干扰对地电阻率观测的影响形态和幅度。结果表明,由数值模拟所得干扰幅度、形态与实际测值的异常变化较吻合,因此从数值分析的角度确定了铁轨对浚县地震台地电阻率观测的干扰。     

海啸传播模型与数值模拟研究进展

海啸在浅水大陆架的传播问题由于其非线性作用和浅水效应而变得十分复杂,然而目前成熟的海啸传播理论及数值模拟结果在这方面与实际并不一致.本文比较分析了可用来模拟大陆架海啸传播的浅水波模型和数值方法,并提出对我国东海陆架边缘可能发生的近海海啸需要开展数值试验研究.     

An explicit method for numerical simulation of wave equations: 3D wave motion

In this paper, an explicit method is generalized from 1D and 2D models to a 3D model for numerical simulation of wave motion, and the corresponding recursion formulas are developed for 3D irregular grids. For uniform cubic grids, the approach used to establish stable formulas with 2M-order accuracy is discussed in detail, with M being a positive integer, and is illustrated by establishing second order (M=1) recursion formulas. The theoretical results presented in this paper are demonstrated through numerical testing.     

饱水介质波动分析的谐波输入初始间断的处理方法

本文以饱水两相介质的土力学模型为研究对象,在假定两相介质为弹性介质条件下,采用了显式有限元法和透射边界进行了饱和弹性半空间动力响应问题的研究。为避免谐波输入初始间断的影响,文中提出了一个处理函数,并以弹性半空间为算例,对饱水介质和单相介质分别进行了在底边界P波垂直入射时的动力响应分析,验证了该处理函数的有效性和实用性。     

有限元法2.5维CSAMT数值模拟

目前国内大多数CSAMT资料处理都用一维反演方法,即假定地球介质是水平层状地电结构,这对于横向变化较大的介质结构的反演则是不真实的．为了合理的模拟可控信号源的三维特征应该使用三维有限元方法．受计算机内存和计算速度的限制,三维方法的实用化受到约束．在许多情况下,地电结构沿走向变化很小,只沿倾向发生变化．这种地电结构是二维的,而人工源是三维的,因此CSAMT资料的观测可用2．5维有限元方法进行数值模拟．本文从麦克斯韦方程组出发,建立了2．5维有限元CSAMT数值模拟方法,其核心是把地电参数变化小的走向方向转化成波数域,用一系列波数模拟三维源的特征．用一个横向均匀的三层地电结构模型展示了2．5维数值模拟的特征,并和一维模拟结果进行了比较,证实了有限元方法2．5维CSAMT数值模拟的可靠性．在此基础上对一个地电结构已知的实际模型进行了2．5维数值模拟并和该剖面的野外实测剖面数据进行了比较,进一步有效地说明了本文介绍的2．5维CSAMT数值模拟方法是仿真和可靠的,为在此基础上的2．5维反演打下了良好的基础．     

采用复合样条有限元方法求解板的动力初值问题

结构动力分析是工程设计中的重要组成部分，传统结构动力分析不能全面反映结构动力的初值特征，而Gurtin变分原理被认为是目前唯一能全面反映结构动力初值特征的变分原理。本文应用以位移为参变量的Gurtin变分原理，采用复合样条有限元的方法，即在时间域及空间域的y方向采用三次B样条函数，而在空间域的x方向采用多项式逼近广义位移，从而建立了精度较高的计算板动力初值问题的样条有限元模型。数值计算结果表明，本文所建立的方法能有效地求解板的动力初值问题，且计算精度高。