华北地区水位下降是否会减缓气温上升——浅部地温影响的数值模拟分析

华北地区由于长期持续的地下水过量开采,导致了大面积地下水位大幅下降,引发地面塌陷、地下水质污染等一系列地质环境问题,这些现象早已为人们所熟知和关注.然而地下水位下降还会造成百米量级浅部地温及其梯度的变化,因此即使来自地球深部的大地热流密度没有变化,年度平均的从表浅部位通过地表实际传导进入大气的热流密度会减小,这是中外文献中尚未见讨论过的问题.我们通过数值模拟发现假定大地热流密度不变的条件下,华北数万平方公里地下水位下降会造成百米尺度内的地温降低,从而传入大气的热流密度降低40%以上,且会持续数百年以上的时间.这种长时间大范围的传导入大气的热流密度变化对环境会造成什么影响是一个十分值得关注的问题.这一预测在一定程度上得到了气象站地温观测数据的支持,但由于目前气象观测站只有3.2 m深度范围内的地温资料,累计不超过5、60年,中间还有10余年的间断,而且表浅深度地温受地表多种因素的影响也较大,这些资料难以对我们关心的地下水位下降引起流入大气的热流密度变化这一问题提供直接确凿的数据来进行分析,因此今后有必要开展对地下数十乃至数百米地温进行持续精确的监测工作.     

固体潮应变各向异性研究

钻孔应变仪的观测过程中发现潮汐应变响应存在方向各向异性, 推测是受到台站附近断层影响导致的。 我们对此展开数值模拟研究, 讨论软弱断层对潮汐变形传播的影响。 我们的研究结果证实了软弱断层的存在确实能够产生能够观测到的各向异性现象。 同时我们还发现其各向异性变化对断层弹性参数较为敏感。 观测到的部分地震震前反映固体潮应变各向异性的潮汐因子"玫瑰图"变化有可能是由于台站附近断层在震前的性质变化引起的。     

气候模式模拟中海量数据的并行抽取与可视化分析诊断

在地球动力学和气候模拟等领域, 数值模拟产生的数据规模达到Tb至Pb量级。 实现这些海量数据的实时可视化和实时诊断分析面临很大的困难, 时空多尺度数据抽取可以解决这一瓶颈。 高精度数据的可视化结果展示需要高分辨率的显示设备, 并行的大屏幕显示技术是解决这一问题的有效手段。 地球科学数值模拟、 并行数据抽取和高分辨率显示都需要搭建高性能计算机集群。 本文在基于Lagrange插值的多维度、 多尺度、 多分辨率并行数据抽取算法的同时, 利用并行计算节点及LCD显示器, 基于Rocks cluster系统搭建起一个176核, 4×10×1024×1280分辨率的高性能计算模拟、 数据抽取和并行显示输出的集成平台, 并将该平台成功应用到气候模式模拟产生的海量数据的并行抽取和并行显示。     

欧亚大陆东缘存在一个巨型深断裂系统——基于卫星重力的新发现

通过对卫星重力数据的精细处理,发现欧亚大陆东缘存在一个规则分布的重力异常组合,这个异常组合与中国大陆上的已知断裂严格对应。SinoProbe探测计划实施的反射地震探测出这些断裂下方存在Moho破裂,幔源物质上涌,剩余重力异常,莫霍面破裂,高密度的幔源物质上涌和深断裂之间存在密切联系。依照这个联系规律,对已有断裂的延伸补充,显示出欧亚大陆东缘存在一个巨型深断裂系统,主断裂带南起中国广州向北延伸直至鄂霍次克海,绵延逾3000 km。沿主断裂带东侧近似等间距的平行分布着9条北东向断裂,北东向断裂向东入海至大陆边缘。采用数值方法模拟了断裂系统的形成过程,在菲律宾板块和太平洋板块近NW方向构造力的作用下,欧亚大陆东缘产生NNE向走滑断层,其东侧生成彼此平行,间距大体相等的派生断层。断层形成过程中,Moho破裂,大量地幔物质上涌,形成中国东部中生代以来的巨量火山岩浆活动,控制了内生金属矿床的分布。这个断裂系统近代还在活动,导致了郯城8.5级大地震和长白山的火山喷发。     

2020年第八届青藏高原东部构造与地球物理研讨会(8-WTGTP)顺利召开

第八届青藏高原东部构造与地球物理研讨会(8-WTGTP)暨中国地球物理学会中国大陆动力学专业委员会和中国地球物理学会固体地球物理委员会2020年学术年会,于2020年9月17日至11月24日顺利召开.由于疫情影响,今年的会议以网络直播的形式,分别在9月17日、9月24日、10月13日、10月28日、11月16日和11月...     

巴颜喀拉块体东缘形变及九寨沟地震孕震环境数值分析

2017年8月8日四川发生九寨沟M7.0地震,是继2008年汶川M8.0地震后发生在巴颜喀拉块体东部的又一强震.现今GPS速度观测数据显示,2008年汶川地震前后的1999-2007年和2011-2016年两个时间段内巴颜喀拉块体东部地表速度场存在明显的差异.本文以实际GPS速度观测资料为约束,构建三维有限元地球动力学模型,分别计算分析了两个时段内震源区及周边现今地壳形变、弹性应变能和应力积累特征,进一步探讨汶川地震的发生对九寨沟地区变形及应力的影响.数值模拟结果显示,汶川地震之后（2011-2016年）巴颜喀拉块体东部的地壳形变、弹性应变能积累及应力积累速率均明显大于震前,增加量值达1.5~3倍;九寨沟地震发震断裂上库仑应力增长率在1999-2007年约为0.7 kPa·a^-1,2011-2016年间增至1.2 kPa·a^-1.上述结果表明,现今巴颜喀拉块体东部地壳应力积累过程有利于左旋走滑型九寨沟地震的发生,汶川地震的发生调整了区域应力状态,加速了九寨沟地震的孕育过程.

     

历史大地震断层滑动模型的建立及其对同震数值计算的影响——以1920年宁夏海原MS8.5大地震为例

大地震的发生会引起区域位移场和应力场发生变化,进而改变区域内及临近断层的应力状态和地震活动性.目前,研究学者可据已有的断层滑动模型来计算分析大地震同震应力变化,同时采用库仑应力触发理论来进一步分析震后余震分布和断层危险性.然而,历史上曾经发生过不少大地震,例如,1920年的海原M_S8.5大地震,是全球范围内少见的特大地震之一.局限于无确切的地震台站地震波等资料,前人在研究历史地震的影响时往往给出一些简单的断层滑动模型,将断层面上错动量视为均匀分布.为更准确地了解历史地震对后续地震的影响,基于前人研究和一般地震滑动形态分布规律及地震反射剖面等资料,以海原M_S8.5大地震为例,探讨了如何建立海原大地震断层滑动模型,并分别搭建了简单断层滑动模型和复杂断层滑动模型的全球同震横向不均匀并行椭球型地球模型.通过对海原M_S8.5地震的同震位移场和应力场的计算,发现采用复杂断层滑动模型比简单断层滑动模型地表位错分布更切合实际.同时,进一步计算和分析了此次大地震对青藏高原东北缘近100年历史地震和周围断层的应力触发作用,得出断层滑动模型对同震计算结果的影响集中在发震断层附近而对远场影响较小.

     

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.

     

汶川大地震地震波传播的谱元法数值模拟研究

汶川大地震震中位于震害活跃的龙门山断裂带上,其强度超过1976年唐山大地震．地震激发的地震波可以用来研究震源破裂过程及地球内部的层次结构．从弹性波理论基础出发,采用AK135理论地球模型,考虑地表地形、地球介质衰减及地球椭率等特性,利用谱元法结合高性能并行计算,分别对人工点源和复合源所激发的汶川大地震地震波的全球传播过程进行数值模拟重现．数值模拟结果显示了地震波在地球表面的传播形态．通过比较发现,复合源数值模拟结果较点源数值模拟结果更能体现汶川地震震源破裂过程的时空特性．另外,将两种震源的数值模拟结果分别与实际观测台站记录波形资料进行拟合对比,进一步定性地认识到多个点源组成的复合源的数值模拟结果较单个点源的数值模拟结果与实际观测资料的拟合程度更好,证明了汶川大地震破裂过程为多阶段破裂组成的一个复合破裂过程．     

虚拟川滇——基于千万网格并行有限元计算的区域强震演化过程数值模型设计和构建

利用合理的数值模型,对区域性的强震活动性分析,是近些年来地震学研究领域的一个热点问题.但无论从时间还是空间角度来讲,区域性强震演化的理论与数值模拟模型都是多尺度问题,对该问题的充分研究需要借助于大规模并行数值模拟技术.侧重于基于千万有限元网格技术,采用大规模并行有限元计算手段,对该问题的理论建模与并行数值算法实现,以及如何应用到对川滇地区区域强震演化过程的模拟进行了具体论述.本研究的关键目标是为中长期地震危险性估计提供一个大规模数值预报模拟平台系统.