[发明专利]非均匀椭球地球地震和地表载荷库伦应力计算方法

说明书

本发明公开了一种非均匀椭球地球地震和地表载荷库伦应力计算方法，利用将地震剪切位错和地表载荷分别等效为有限元计算中的体力项和面力项，再通过局部网格自适应加密技术保证计算精度，此方法可计算地震包括震间、同震和震后，以及地表载荷包括地形剥蚀、冰川消融和水库抽蓄水的加卸载引起的库伦应力变化；具体步骤是：地震剪切位错与地表荷载的等效替代、网格自适应加密、粘弹性maxwell体积分型本构递推实现和横向非均匀椭球形地球的实现，最后通过程序实现自动计算。本发明的有益效果是：其计算更为全面和准确的体现了地球浅表圈层地震和火山库伦应力变化的全过程。

技术领域

本发明涉及地球物理学领域，具体地说，涉及一种用于真实的考虑地形、考虑横向非均匀介质的椭球形地球的地震、地表载荷等过程的弹性-粘弹性库伦应力变化计算方法。主要应用于大地测量学、地震危险性领域，其功能是根据地震静态滑动分布或者地表冰川消融、水库蓄水等地球物理资料，考虑真实地球的地表地形起伏、介质横向非均匀性，计算这些加载/卸载过程引起的周边断层库伦应力变化。

背景技术

地球系统永久变形可以改变周围弹性介质的应力分布，最典型的就是大地震、冰川消融、水库蓄水等过程引起的应力分布往往会对周围断层产生应力加载，库伦应力就是描述断层上应力加载的一个物理量。近年来静态库仑应力通常被用来解释余震的分布、预测地震危险性，讨论地震的触发机制，但目前的库伦应力变化计算方法仍然存在改进空间。

目前国际上广泛使用的地震引起的库伦应力变化计算方法主要基于地震位错理论，将计算得到应力降投影到接收面上得到库伦应力变化。Steketee(1958) 最早把位错理论引入地震学，导出了弹性半无限空间中走滑断层的位移格林函数。Okada(1985,1992)给出了经典的半无限空间介质剪切与张拉断层引起的地表和内部的位移、应变表达式，简称为半空间平面模型。Wang等(2003)发布程序 EDGRN/EDCMP用于计算层状地球模型中地震位错引起的位移和应力，简称为平面分层模型。位错理论的进一步发展是能够考虑地球曲率和分层的球形位错理论，例如，Sun(1992)、Sun和Okubo(1993)发展了考虑重力位的球状分层地球模型位错理论，简称为球面分层模型。但基于这些理论的库伦应力变化计算因为未能考虑实际地球的地表地形起伏、介质横向非均匀性等特性，因此计算均距离实际地球有较大差距，还有很大改进空间。

同时，国际上广泛使用的地表载荷过程引起的库伦应力变化计算主要采用谱方法(Haskell,1935,1936；van Bemmelen and Berlage,1935；McConnell,1968； Peltier,1974；Cathles,1975；Wu and Peltier,1982)。谱方法的基本假设是地球模型径向分层、横向均匀，但当地球粘弹性具有横向非均匀性时会发生模的耦合现象。耦合现象的出现使得谱方法不能处理具有不同类型和幅度横向非均匀的地球模型(汪汉胜和许厚泽，2009)。然而，地震学结果显示壳幔的密度、剪切模量、粘滞度以及厚度等性质均具有横向非均匀性(Vasco and Johnson,1998；Mé gnin and Romanowicz,2000；Kozlovskaya et al.,2008)，这与谱方法的基本假设(横向均匀)相矛盾。

综上所述，位错理论和谱方法的局限性带来的库伦应力变化计算局限性，迫切要求有一种新的计算方法能够计算真实地球地质条件下的库伦应力变化。除此之外，目前的库伦应力变化计算方法，例如Coulomb3.3或者其他有限元等数值计算方法往往只能考虑同震库伦应力变化、或者同震震后库伦应力变化，迫切需要发展一种同时考虑地震循环的同震、震后、震间库伦应力变化和地表载荷过程引起的粘弹性库伦应力变化的计算方法。因此，我们通过等效体力和等效面力的方式集成考虑地震和地表载荷过程，同时通过粘弹性积分型本构关系计算地震循环的同震、震后、震间库伦应力变化和地表载荷过程引起的粘弹性引起的库伦应力变化，并且利用数值方法的优点综合考虑了地球椭率、地形起伏和介质的横向非均匀性。

发明内容