[發(fā)明專利]火山和地震粘彈性形變自動建模有限元計算方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811227425.0
• 申請日: 2018-10-22
• 公開（公告）號: CN109460587B
• 公開（公告）日: 2020-02-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃祿淵;張貝;王成虎
• 申請（專利權(quán)）人: 中國地震局地殼應(yīng)力研究所
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F111/10
• 代理公司: 北京興智翔達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11768
• 代理人: 蔣常雪

本發(fā)明公開了一種火山和地震粘彈性形變自動建模有限元計算方法，利用等效體力公式將地震剪切位錯和火山膨脹壓力源等效為有限元計算中的體力項，再通過局部網(wǎng)格自適應(yīng)加密技術(shù)在地震與火山源處產(chǎn)生足夠密的網(wǎng)格，即可省略傳統(tǒng)地震和火山形變有限元計算中最費時的前處理步驟??劃分?jǐn)鄬?火山巖漿房網(wǎng)格，實現(xiàn)火山和地震粘彈性形變的自動建模功能。本發(fā)明的有益效果是：該發(fā)明一種火山和地震粘彈性形變自動建模有限元計算方法自動完成有限元前處理和計算，計算方法高度并行化，通過軟件實現(xiàn)自動處理，既節(jié)省建模時間又保證計算精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及地球物理領(lǐng)域，具體地說，涉及一種火山和地震粘彈性形變自動建模有限元計算方法。主要應(yīng)用于測震學(xué)和火山形變學(xué)領(lǐng)域，其功能是在無需劃出斷層和巖漿房網(wǎng)格的情況下，利用有限元計算因為地震靜態(tài)滑動分布/火山膨脹壓力源引起的形變以及應(yīng)力變化，完全實現(xiàn)自動化，節(jié)省大量前處理建模時間。

背景技術(shù)

地震、火山是地球科學(xué)的重要研究對象，二者帶來的巨大破壞力都對人類生存具有潛在威脅，但目前相關(guān)的解析計算方法仍存在較大局限性：大地震往往發(fā)生于俯沖帶地區(qū)或者板內(nèi)的地形和介質(zhì)突變區(qū)，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。這些區(qū)域往往地形劇烈起伏、陸殼和洋殼厚度差異巨大、介質(zhì)性質(zhì)具有很大的非均勻性，如果使用傳統(tǒng)的解析/半解析位錯理論，如：Okada彈性半無限空間解析式(Okada,1985；1992)和球形位錯理論(Sun and Okubo,1998)將無法考慮地表地形起伏、Moho面等地球重要圈層的起伏以及介質(zhì)的強非均勻性。此外，目前對于火山區(qū)巖漿囊壓力源引起的地表變形研究多采用解析的Mogi模型，該方法具有表達(dá)式簡單、計算快速的優(yōu)點，但Mogi模型無法考慮地表地形，而真實火山區(qū)往往具有較大地表地形起伏，例如長白山火山區(qū)最高峰海拔約2691m，日本富士山海拔為3776米。綜上所述，采用數(shù)值方法能夠克服解析方法帶來的局限性，考慮地表地形、Moho面起伏、介質(zhì)非均勻性，在地震和火山應(yīng)變、應(yīng)力計算中盡可能模擬真實地球，對地震危險性分析和火山區(qū)巖漿活動的認(rèn)知具有重要意義。

但目前通用的地震和火山形變的有限元計算方法仍然存在改進空間，最突出的問題就是前處理網(wǎng)格劃分十分繁瑣。在傳統(tǒng)有限元方法里，地震破裂的模擬往往需要在前處理中劃出具體的斷層破裂面，而火山地區(qū)的地下壓力膨脹源一般要在前處理中刻畫出球/橢球的巖漿房網(wǎng)格然后施加面力邊界條件。但這種前處理方式存在以下困難：1、當(dāng)斷層數(shù)量較少、且斷層主要為高傾角或者近直立時，前處理建模難度相對較低，但當(dāng)斷層傾角較低或者斷層數(shù)量較多時，前處理往往十分費時且網(wǎng)格質(zhì)量不能保證；2、當(dāng)巖漿房形狀復(fù)雜、或者巖漿房數(shù)量較多時，前處理建模難度大，且往往只能采用四面體網(wǎng)格，計算精度低于六面體網(wǎng)格。

鑒于以上實際應(yīng)用原因，非常有必要發(fā)展一種新的火山和地震粘彈性形變有限元計算方法，要求這種計算方法自動完成有限元前處理和計算，既節(jié)省建模時間又保證計算精度。

如果還按照傳統(tǒng)有限元方法，尋找一種策略能讓程序自動劃分出斷層和巖漿房網(wǎng)格，顯然這種策略的難度很高，而且難以保證網(wǎng)格不過度畸形。因此，我們采用另一種策略，即把斷層(剪切位錯)和巖漿房膨脹(膨脹位錯)等效為體力。此方法不需要像傳統(tǒng)有限元設(shè)置內(nèi)邊界條件(對于地震是內(nèi)部位移間斷邊界條件，對于火山是內(nèi)部壓力邊界條件)因此可以自然地避免內(nèi)部邊界的網(wǎng)格劃分，再利用成熟的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成技術(shù)結(jié)合網(wǎng)格自適應(yīng)加密技術(shù)，在斷層或巖漿房位置加密網(wǎng)格，就可以實現(xiàn)自動化建模和有限元計算，同時有效保證計算精度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明正是為了解決上述技術(shù)問題而設(shè)計的一種火山和地震粘彈性形變自動建模有限元計算方法。通過等效體力替代的方式，無需劃分?jǐn)鄬?巖漿房網(wǎng)格，實現(xiàn)火山和地震引起的形變問題的自動化建模和自動化計算功能。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：