如何用有限元新模型研究地震触发和应力场连续演化

首先提出了一种考虑构造应力场影响的有限元新模型和地震触发因子C.新有限元模型可以用来研究地震序列中的地震触发和应力场演化.地震触发因子C定义为滑动面上的剪应力和摩擦强度的比值,它可以用来预测地震能否触发以及触发区的范围.然后利用这个有限元新方法和地震触发因子C研究了1976年唐山地震序列的余震触发情况.结果表明唐山地震的应力场和断层带的非均匀性对余震触发有重要影响.落入新有限元模型预测的地震触发区中的余震要明显多于落入地震位错理论预测的地震触发区中的余震.     

未来月球熔岩管科研工作站能源供给的数值模拟

在月球熔岩管内建立科研工作站可以避免很多自然灾害, 因此月球熔岩管长期被认为是人类探索月球建造科研基地的理想场所.Apollo 15和Apollo 17实测资料表明月表具有极低的导热系数, 所以月球风化层的温度在深度超过50 cm的区域保持在较低的恒定值(~250 K).因此, 在熔岩管内建立科研工作站需要考虑维持人类宜居温度的供热问题.在不考虑熔岩管轴向热量流失的情况下, 本文建立了二维瞬态热传导的有限元数值模型, 定量研究了位于赤道和极地地区的单位轴向长度(1 m)熔岩管加热到宜居温度的时间、维持在宜居温度所需要的供给功率以及利用太阳能给熔岩管供电等问题.结果表明, 对于直径为20 m的单位长度的管洞, 在Apollo测量点和极地地区分别采用6280 W及16328 W的加热功率一个月球日内就可以将其加热到宜居温度(~293.15 K).在维持宜居温度阶段, 熔岩管壁热量在向四周传递的同时热流也在逐渐减小.结果也表明, 为了节约能源, 月球科学研究站应建在赤道地区平均温度较高、深度较深、直径较大的熔岩管处.而且如果在熔岩管壁处增加0.5 m厚度的风化层作为绝热层可以进一步减小加热功率和热量损失.因此, 在加热阶段位于赤道地区直径为20 m且含绝热层的熔岩管在前三年需要20L~120L W(L(m)为实际熔岩管的轴向长度)的加热功率和0.06L~0.4L m²的太阳能电池板.3年后, 仅需15L W的功率和0.05L m²的太阳能电池板即可满足室温需求.我们的研究将为今后在月球熔岩管内建立科学研究基地提供科学指导.

     

利用地表变形直接推算地震断层破裂深度

地震断层几何形态的确定是研究断层震源破裂过程和地面运动的先决条件.其中断层的破裂深度和倾角是两个未知的关键参数.半无限空间的地震弹性位错理论公式表明,除纯走滑断层以外,对于断层破裂至地表的地震产生的地表变形,其上盘水平应变的零值点与破裂深度之间存在简单的对应关系,可由地表的零应变点直接推算断层深度.本文通过数值计算方法探讨了盲断层与非均匀介质情形下,利用地表零应变点推算断层破裂深度的可行性.结果显示,介质和应力场的非均匀性一定程度上影响了对应关系;对于盲断层,当埋深在~1 km以内时,对应关系近似成立.此外,根据地表水平变形还可估算断层倾角的范围.最后探讨了如何根据大地震后的孔径雷达干涉方法记录推算断层破裂深度的方法,并将此方法应用于2008年汶川大地震,获得了这次地震的断层破裂深度.这种利用地表变形观测确定断层几何参数的方法简便易行,没有余震的影响,可以为反演提供有价值的约束.     

底辟热流体上涌的数值模拟及其对早古生代青藏高原柴北缘祁连弧形成的启示

底辟流是研究地球内部物质循环与迁移的重要窗口,其动力学演化过程对于我们认识区域地质构造与演化具有重要意义.本文从热结构力学的角度,建立三组不同的数值模型,研究底辟流上涌的动力学过程,分析底辟流半径、热-结构耦合、岩浆上涌通道对底辟流上涌过程的影响.该研究对认识早古生代祁连弧的形成过程具有重要启示.数值实验结果表明,底辟...     

利用热-孔隙流体耦合有限元数值模拟研究干热岩开发温度下降过程——以青海共和盆地恰卜恰地区干热岩开发为例

水力压裂是干热岩(HDR)开发最常用到的压裂方式, 水力压裂形成的裂缝网络为增强地热系统的运行(EGS)提供了高渗透率的人工储层.本文在系统总结前人关于共和盆地水力压裂实验、数值模拟资料和现场水力压裂监测结果的基础上, 引入了离散裂缝网络(DFN), 利用多物理场模拟软件COMSOL Multiphysics建立了共和盆地恰卜恰地区干热岩开采过程中的二维裂缝-基质热-孔隙流体耦合模型, 并讨论了裂缝开度和基质渗透率对干热岩开采温度下降过程的影响.结果表明, 裂缝网络是流体运移的主要通道.温度下降和早期压力变化范围沿着裂缝延伸, 并向周围被裂缝分割的基质扩展.裂缝开度和基质渗透率是影响干热岩地热开采过程中温度下降的重要因素.当裂缝开度越大时, 流体运移范围就越大, 储层温度和产出水温下降就越快, 储层下降范围就越广, 热突破时间和运行寿命就越短.当基质渗透率越大时, 越有利于流体进入基质进行热量交换, 越容易从干热岩中提取热量, 产出水温下降越快, 运行寿命越短.

     

铲形逆冲断层地震破裂动力学模型及其在汶川地震研究中的启示

2008年发生了汶川地震的龙门山断层带是典型的铲形逆冲断层带.利用二维线弹性有限元模型,得到关于铲形逆冲断层带一些具普适性的认识:(1)如果断层带强度不随深度变化,则地震从断层带转换层附近开始发动,破裂沿断层向上传播,当地震蓄积能量足够大时,破裂可以冲破到地表,如汶川地震.(2)一旦到达地表,其最大同震位错将位于断层带出露地表处;且在断层带介质弱化或损伤大致相同条件下,铲形断层倾角越缓,地表的同震位错量越大.(3)与最大同震位错位于地表不同,同震应变能释放最大处位于地壳内十几公里深处的断层带转换层附近.(4)在断层带介质软化或损伤度大致相同条件下,铲形断层倾角越缓,地震对震间期积累应变能的释放越多、范围越广,对地表近断层区域造成的破坏可能越大.(5)冲破到地表的逆冲型大地震会进一步增加铲形断层带下盘转换层以下(约在15~22 km)地壳深处和断层上盘距离断层地表出露点约十几公里处地壳浅部的应变能积累密度;汶川地震之后的余震分布,除了沿主破裂面附近的继续破裂外,也体现了以上地区应变能的继续释放.本文得到的这些认识有助于深入理解汶川地震的动力学机制.     

远场差异构造应力作用下包体-地层地应力分析

地应力场的不均匀分布是地球科学非常关心的问题,远场差异构造应力及介质本身的不均匀性对地应力场的不均匀分布都有重要影响.本文利用弹性力学理论,以地球科学的包体-地层系统为例,推导了边界差异构造应力条件下包体-地层系统位移场和应力场的解析表达式.将远场差异构造应力分解为均匀构造应力和偏构造应力两部分,通过边值问题的一般求解方法,分别得出了这两种情况下的理论解.通过将两部分理论解叠加,得到了边界差异构造应力条件下包体-地层系统的位移场、应力场和连接载荷.通过推导的解析解与有限元数值解进行比较,两者非常一致.通过分析包体-地层系统、材料参数、几何尺寸、远场构造应力的大小和方向等因素对包体-地层位移场和应力场分布的影响,可以用于探讨钻孔应变等包体应力(应变)计观测的地震应变阶、慢地震、地震孕育、火山喷发、地球自由振荡、地震波等现象的地球动力学机制.结果表明,远场地应力的分布主要受控于边界构造应力的大小和方向.在包体内部,应力场基本是均匀分布的;而在包体附近,由于介质差异,地应力场的不均匀性非常显著,并且有一定的优势方向,对地应力集中部位的分析为钻孔应变观测等地球动力学研究手段提供了基础理论参考.     

非均匀应力场下的铲状正断层带位移场和应力场特征

本文利用新的有限元方法研究了铲状正断层带在非均匀应力场下错动引起的位移场和应力场。研究发现：① 铲状正断层错动引起的断层面上的最大错距不是发生在地表,而是发生地表下面断层的中部;② 地表面最大水平位移和垂直位移都不是发生在地表断层上,而是发生在偏离断层一定距离的地方;③ 铲状正断层错动会在地表附近产生两个破裂区,一个在地表断层附近,一个在远离断层的上盘地表附近,这两个区与野外观测到的次生正断层区一致;④ 断层错动的应力降在断层内不是均匀的,最大值也是位于断层中部。     

2008年汶川大地震孕震、同震及震后变形和应力演化全过程的数值模拟

2008年MS 8.0级汶川大地震发生在具有复杂的地质构造背景、 强烈的地表起伏、 不均匀的弹性和黏性结构的龙门山断裂带上.由于震前地震活动性不够强烈且地表构造变形较小,龙门山断裂带的地震危险性在汶川地震之前被低估.从数值模拟的角度,建立黏弹性有限元模型,考虑了初始地形、 重力、构造加载、 黏弹性松弛等因素对2008年...     

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.