[发明专利]火山和地震粘弹性形变自动建模有限元计算方法

说明书

本发明公开了一种火山和地震粘弹性形变自动建模有限元计算方法，利用等效体力公式将地震剪切位错和火山膨胀压力源等效为有限元计算中的体力项，再通过局部网格自适应加密技术在地震与火山源处产生足够密的网格，即可省略传统地震和火山形变有限元计算中最费时的前处理步骤‑‑划分断层/火山岩浆房网格，实现火山和地震粘弹性形变的自动建模功能。本发明的有益效果是：该发明一种火山和地震粘弹性形变自动建模有限元计算方法自动完成有限元前处理和计算，计算方法高度并行化，通过软件实现自动处理，既节省建模时间又保证计算精度。

技术领域

本发明涉及地球物理领域，具体地说，涉及一种火山和地震粘弹性形变自动建模有限元计算方法。主要应用于测震学和火山形变学领域，其功能是在无需划出断层和岩浆房网格的情况下，利用有限元计算因为地震静态滑动分布/火山膨胀压力源引起的形变以及应力变化，完全实现自动化，节省大量前处理建模时间。

背景技术

地震、火山是地球科学的重要研究对象，二者带来的巨大破坏力都对人类生存具有潜在威胁，但目前相关的解析计算方法仍存在较大局限性：大地震往往发生于俯冲带地区或者板内的地形和介质突变区，比如2010年Maule地震、1960年智利Valdivia MW9.5地震、2004年Sumatra Mw9.3地震、2011年的Tohoku-Oki Mw9.0地震和2008年汶川地震等。这些区域往往地形剧烈起伏、陆壳和洋壳厚度差异巨大、介质性质具有很大的非均匀性，如果使用传统的解析/半解析位错理论，如：Okada弹性半无限空间解析式(Okada,1985；1992)和球形位错理论(Sun and Okubo,1998)将无法考虑地表地形起伏、Moho面等地球重要圈层的起伏以及介质的强非均匀性。此外，目前对于火山区岩浆囊压力源引起的地表变形研究多采用解析的Mogi模型，该方法具有表达式简单、计算快速的优点，但Mogi模型无法考虑地表地形，而真实火山区往往具有较大地表地形起伏，例如长白山火山区最高峰海拔约2691m，日本富士山海拔为3776米。综上所述，采用数值方法能够克服解析方法带来的局限性，考虑地表地形、Moho面起伏、介质非均匀性，在地震和火山应变、应力计算中尽可能模拟真实地球，对地震危险性分析和火山区岩浆活动的认知具有重要意义。

但目前通用的地震和火山形变的有限元计算方法仍然存在改进空间，最突出的问题就是前处理网格划分十分繁琐。在传统有限元方法里，地震破裂的模拟往往需要在前处理中划出具体的断层破裂面，而火山地区的地下压力膨胀源一般要在前处理中刻画出球/椭球的岩浆房网格然后施加面力边界条件。但这种前处理方式存在以下困难：1、当断层数量较少、且断层主要为高倾角或者近直立时，前处理建模难度相对较低，但当断层倾角较低或者断层数量较多时，前处理往往十分费时且网格质量不能保证；2、当岩浆房形状复杂、或者岩浆房数量较多时，前处理建模难度大，且往往只能采用四面体网格，计算精度低于六面体网格。

鉴于以上实际应用原因，非常有必要发展一种新的火山和地震粘弹性形变有限元计算方法，要求这种计算方法自动完成有限元前处理和计算，既节省建模时间又保证计算精度。

如果还按照传统有限元方法，寻找一种策略能让程序自动划分出断层和岩浆房网格，显然这种策略的难度很高，而且难以保证网格不过度畸形。因此，我们采用另一种策略，即把断层(剪切位错)和岩浆房膨胀(膨胀位错)等效为体力。此方法不需要像传统有限元设置内边界条件(对于地震是内部位移间断边界条件，对于火山是内部压力边界条件)因此可以自然地避免内部边界的网格划分，再利用成熟的结构化网格生成技术结合网格自适应加密技术，在断层或岩浆房位置加密网格，就可以实现自动化建模和有限元计算，同时有效保证计算精度。

发明内容

本发明正是为了解决上述技术问题而设计的一种火山和地震粘弹性形变自动建模有限元计算方法。通过等效体力替代的方式，无需划分断层/岩浆房网格，实现火山和地震引起的形变问题的自动化建模和自动化计算功能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：