Geophysical Finite-Element Simulation Tool (GeoFEST): Algorithms and Validation for Quasistatic Regional Faulted Crust Problems

GeoFEST (Geophysical Finite Element Simulation Tool) is a two- and three-dimensional finite element software package for the modeling of solid stress and strain in geophysical and other continuum domain applications. It is one of the featured high-performance applications of the NASA QuakeSim project. The program is targeted to be compiled and run on UNIX systems, and is running on diverse systems including sequential and message-passing parallel systems. Solution to the elliptical partial differential equations is obtained by finite element basis sampling, resulting in a sparse linear system primarily solved by conjugate gradient iteration to a tolerance level; on sequential systems a Crout factorization for the direct inversion of the linear system is also supported. The physics models supported include isotropic linear elasticity and both Newtonian and power-law viscoelasticity, via implicit quasi-static time stepping. In addition to triangular, quadrilateral, tetrahedral and hexahedral continuum elements, GeoFEST supports split-node faulting, body forces, and surface tractions. This software and related mesh refinement strategies have been validated on a variety of test cases with rigorous comparison to analytical solutions. These include a box-shaped domain with imposed motion on one surface, a pair of strike slip faults in stepover arrangement, and two community-agreed benchmark cases: a strike slip fault in an enclosing box, and a quarter-domain circular fault problem. Scientific applications of the code include the modeling of static and transient co- and post-seismic earth deformation, Earth response to glacial, atmospheric and hydrological loading, and other scenarios involving the bulk deformation of geologic media.     

大型直流电压发生器塔架结构地震响应分析

本文以某一大型直流电压发生器塔架结构为例,建立有限元计算模型,采用调幅正弦五波、Taft地震波、El-Centro地震波、云南澜沧地震波和正弦三波5种地震动输入,通过数值计算,讨论了不同输入地震波对于结构抗震设计的影响。结果表明,地震作用效应在这类特种结构的组合响应中起重要影响,采用调幅正弦五波、正弦三波作为地震输入,过分夸大了实际的地震作用效应。最后,对这类特种结构的输入地震动提出了相应建议。     

内蒙古敖汉旗大黑山金矿床地球化学异常模式

根据已有的地质和科研工作成果，探讨了大黑山金矿床地质地球化学特征、元素地球化学异常特征及某些特征及某些地球化学指标的变化规律，归纳出了该矿床的地球化学异常模式和地球化学找矿预测标志。     

柴达木盆地东部石炭系页岩三维裂缝网络模型研究

裂缝既是页岩气的聚集空间,同时也是页岩气的运移通道, 对页岩气成藏起着重要控制作用。裂缝的产状、密度、组合特征等很大程度上决定了页岩气是否具有开发价值。该研究对柴达木盆地东部的13个露头的岩石裂缝进行了野外观测统计,实测裂缝1 000多条,选取了三个具有代表性的页岩露头进行统计分析建模。通过野外观测和室内统计分析发现,工作区页岩裂缝发育有三组(某些地段一组不发育),各组裂缝的方向满足Fisher分布,迹线长度满足对数正态分布。确定了各组裂缝方向、长度的均值和方差,以及各组裂缝的密度,建立了三维裂缝网络模型,绘出了模拟的三维裂缝网络图。裂缝三维模型为圆盘模型,即假设单个裂缝三维空间上具有圆盘形状。建模过程采用了逆建模方法,其基本原则是通过拟合实测的二维露头观测数据,优化裂缝三维大小和密度参数,使模型能够准确再现野外所观测到的实际现象,包括露头面上不同裂缝的数量、密度和长度。该研究对柴达木盆地东部石炭系页岩裂缝描述达到了定量化,为研究页岩中油气运移提供了很好的基础数据。     

钱塘江口涌潮的二维数值模拟

应用二维有限体积法、Osher格式及间断拟合法,计算了钱塘江河口涌潮产生、发展到消亡的全过程。该算法能保证水量和动量守恒,且能适应水深巨大变化和动边界。根据钱塘江涌潮的特点,可将其合理概化为一线潮。在网格尺寸较大情况下,计算的一线潮仍保持高分辨率,能准确满足水力学间断条件,且计算量小,可以在微机上实现。在对某实测半日小潮进行率定后,对随后的大潮进行了验证计算,涌潮的主要特征(如涌潮高度、移速、水位和流场等)与实测资料符合良好,证实了模型的合理性和模拟能力。     

亚洲大陆主要活动块体的现今构造应力数值模拟

亚洲大陆晚新生代和现代构造变形以活动地块为主要特征,表现为在统一构造格局下不同地块间具有不同的运动方式和速度。为了研究这些具有不同运动学性质块体间的相互作用以及构造变形特征,基于亚洲大陆的总体构造格局构建了二维有限元模型。根据模拟结果,对比已知GPS数据、震源机制解以及地质调查数据等,定量分析了大陆内部主要活动地块构造应力场的分布特征,并探讨了影响亚洲大陆现今构造变形特征的主要因素。结果表明：在我国的西部陆块内,由于周边一系列近EW向弧形活动构造带的存在,导致其内部次级块体运动速率的衰减,从而进一步导致应力环境的变化,由青藏中部的挤压-拉张环境逐渐转变为塔里木、天山地区的完全挤压环境;在西伯利亚地块和印度板块的联合挤压作用下,华北地块上地壳的应力表现为较弱的挤压环境,而在该种应力环境下块体内部伸展构造的成因很可能与其深部的动力学环境有关;华南地块的运动方向与台湾造山带相反,从而形成一个秦岭-大别造山带以南的较强烈的挤压-拉张区;在印度-澳大利亚板块和菲律宾俯冲板块的联合挤压作用下,巽他地块作为华南地块和印支地块的逃逸窗口,表现出以婆罗洲、南海为中心近圆弧形的弱挤压区以及环绕挤压区外缘挤压-拉张区的应力分布特征。     

一个观测冰核的15 L混合云室

小型混合云室常用于自然冰核浓度的观测和人工冰核成核率的检测。使用表明:由于受云室容积、造雾方法和操作程序等因素的影响, 检测结果有很大差异, 难以相互比较。为提高检测数据的可信性, 设计并制作了15 L混合云室。云室由F22压缩机系统制冷, 最低能达到-28℃。为减小云室温度的波动, 在云室外围设计有装满乙二醇-水溶液的夹套。在溶液中, 安装了1个1 kW的电加热器, 接通后可使云室升温。在夹套外, 采用发泡技术形成约10 cm厚的绝热层, 以使云室与外界绝热。云室运行时, 可通过控制压缩机和电加热器得到实验温度。此外, 为拓宽检测冰核浓度的检测范围, 设计了玻璃片接取显微镜读数和糖盘接取目测读数两种可供选择使用的冰晶观测方法, 前者在冰晶浓度高时使用 (人工冰核), 后者在低浓度时使用 (自然冰核)。另一个重要改进是:先由一个超声雾化器产生常温雾, 而后使常温雾穿过一个低温狭缝进行预冷, 当雾温等于或低于云室温度后再进入云室。这一措施不仅避免了瞬时高度过饱和, 而且还减小了对云室温度的扰动。该云室在弹载催化剂成核率的改进实验中发挥了重要作用, 曾用它对多个人工冰核复合配方进行了检测和对比。结果表明:云室具有较好的稳定性和重复性, 整体性能优于以往的同类云室。这一结果是由于改进了提供过冷雾的设计和冰晶接取方法得到的。     

吸湿性播撒对暖性对流云减雨影响的数值模拟

利用以色列特拉维夫大学二维面对称分档云模式（two-dimensional slab-symmetric detailed spectral bin microphysical model of Tel Aviv University）,对2016年9月4日16:00（北京时）前后我国华东地区的一次暖性浅对流云降水过程进行模拟,模式模拟的强回波中心高度和最大回波强度范围与观测基本一致。并在此基础上进行了小于1 μm的吸湿性核的播撒减雨试验,分别考虑了不同播撒时间、不同播撒高度以及不同播撒剂量的敏感性测试。结果表明:在云的发展阶段早期播撒能起到更好的减雨效果,播撒时间越早对大粒子生长过程的抑制作用越强,随着播撒时间向后推移,受抑制作用最显著的粒径段向小粒径端偏移;在云中心过饱和度大的区域下方进行播撒,减雨效果更加明显,当播撒剂量为350 cm-3时,地面累积降水量减少率可达23.3%;另外,随着播撒剂量的增加,减雨效果更加显著,甚至能达到消雨的效果。因此,在暖性浅对流云中合理地播撒小于1 μm的吸湿性核能达到较好的减雨或消雨效果。     

对流云降水过程中地形作用的数值模拟

该文利用地形追随坐标三维云模式，对湖北的一次对流降水过程进行了平坦地面和理想斜坡地形的模拟试验。结果发现平坦地面模拟的回波强度、最大降水强度和累积降水都与实况有相当的差距。理想地形的对流过程虽然不能模拟出对流群中多单体的生消过程，但最大降水强度和累积降水都比平坦地面的大，更接近实测结果。模拟试验表明，在地形坡度较大时，会产生较强的上升气流，从而使系统对流发展旺盛，产生较大的降水和较强的回波。所以在模拟山区和丘陵地带的对流系统时，采用地形坐标并考虑地形将会改善模式的模拟结果。     

基于北斗/GNSS的中国-中南半岛地区大气水汽气候特征及同降水的相关分析

本文采用统一的处理模型和处理策略对中国-中南半岛地区地基北斗/GNSS测站2006—2016年历史观测数据进行高精度重处理和水汽反演,获得近10年的大气可降水含量（PWV）产品。基于北斗/GNSS PWV产品,研究了该地区大气水汽平均含量、年周期振幅和半年周期振幅等气候特征,发现这些特征主要受到了测站纬度、高程以及季风的影响。通过分析PWV同并址气象站降水观测的关联特性,揭示了该地区大气水汽含量同降水相关性随测站纬度减小而降低的特点（在云南相关系数可达0.8,在靠近赤道的泰国南部相关系数约为0.2）。此外,PWV和降水的距平值相关分析表明,相比于历史同期,大气水汽含量较高的月份在一定程度上对应着降水异常偏高,两者相关系数为0.2~0.4。