強地震形變過程的有限元數(shù)值模擬及其動力學(xué)環(huán)境的研究.pdf

1、通過全球定位系統(tǒng)(GPS)和衛(wèi)星孔徑干涉雷達(InSAR)等大地測量觀測強地震引起的同震和震后形變，結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造條件分析，利用有限元數(shù)值模擬，可以對地震區(qū)域地球動力學(xué)環(huán)境有更加詳細地了解，進而對地震孕育和地殼動力學(xué)演化等地質(zhì)過程有更深入的認識和理解。本文利用固體力學(xué)理論，針對不同粘彈介質(zhì)、孔隙介質(zhì)以及粘彈-孔隙等介質(zhì)的本構(gòu)方程，建立和導(dǎo)出了其適用于FEPG(有限元程序生成系統(tǒng))的虛功方程。以GPS觀測所得地表形變做約束，用FEPG(有限

2、元程序生成系統(tǒng))實現(xiàn)了強地震引起的同震和震后形變有限元數(shù)值模擬，并據(jù)此分析了以介質(zhì)物性為中心的強地震區(qū)域的環(huán)境動力學(xué)特征。 本文在前人震后形變分析和模擬基礎(chǔ)之上，根據(jù)粘彈松弛和流體調(diào)整所引起的震后形變的物理含義，建立孔隙-粘彈本構(gòu)方程以及適應(yīng)于FEPG平臺的有限元數(shù)值模擬所必需的虛功方程。同時針對震后形變所表現(xiàn)比的粘彈松弛特點，以Burgers體粘彈模型特點以及本構(gòu)方程出發(fā)，建立相應(yīng)虛功方程，實現(xiàn)了以Burgers體為粘彈介質(zhì)模

3、型的震后形變有限元數(shù)值模擬。以Burgers體為粘彈介質(zhì)模型探討了強地震引起的三個階段的形變效應(yīng)，同震的瞬時彈性瞬態(tài)響應(yīng)、呈指數(shù)衰減的短期形變響應(yīng)和線性增加的長期穩(wěn)態(tài)形變響應(yīng)。 在理論模擬和分析的基礎(chǔ)上，本文以實際地震為例詳細討論地震引起的同震和震后形變過程。 本文以1999年Mw7.6級集集地震為例，討論不同的位錯模型和介質(zhì)模型(均勻、層狀均勻及橫向不均勻等)對同震形變的影響。通過數(shù)值模擬分析本文認為，在條件允許的情況

4、，在討論地震形變時有必要考慮小斷層位錯模型和更加接近實際的非均勻介質(zhì)模型，計算和探討了集集地震引起的庫侖應(yīng)力變化及其與集集地震余震對應(yīng)關(guān)系。 本文以2001年Ms8.1級地震為例，以GPS觀測形變?yōu)榧s束，通過有限元數(shù)值模擬，解釋GPS所觀測的震后形變表現(xiàn)出較為奇特的的區(qū)域特征。用數(shù)值模擬結(jié)合網(wǎng)格搜索法確定了羌塘塊體和柴達木盆地下地殼的粘滯系數(shù)分別約為5.0×10<'17>Pa.s，9.0×10<'18>Pa.s相差十余倍。正是由

5、于昆侖斷裂帶南北兩側(cè)下地殼粘滯系數(shù)的這十余倍的差異引起了斷層兩側(cè)震后形變格局明顯不同，這也可能是羌塘塊體和柴達木盆地表現(xiàn)為不同現(xiàn)代地殼運動的直接原因。與此同時，本文還通過數(shù)值模擬定性地討論了斷層北側(cè)地表形變在震后短期內(nèi)轉(zhuǎn)向的現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)對于靠近斷裂附近的測點上的形變轉(zhuǎn)向也許是粘彈性松弛和孔隙流體調(diào)整共同作用的結(jié)果，而單獨的粘彈性松弛或者孔隙流體調(diào)整不能引起這種轉(zhuǎn)向。所以在分析短期震后形變時綜合考慮粘彈-松弛介質(zhì)物性和孔隙流體調(diào)整很有必要。

6、本文探討了震后不同時間尺度的形變機理問題。研究表明，簡單的粘彈介質(zhì)模型(Maxwell體)不能同時解釋震后短期和長期的形變過程，該模型表現(xiàn)出對同一地震同一地區(qū)而言，使用震后不同時期內(nèi)形變資料，將得到不同的介質(zhì)粘滯性質(zhì)。本文證明了，以Burgers體為粘彈介質(zhì)模型可以較好地解決使用Maxwell體等簡單的粘彈介質(zhì)模型所不能解釋的震后形變過程隨時間變化的問題，即模擬預(yù)測表現(xiàn)出來的震后短期和長期形變不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象。通過數(shù)值模擬分析了1960年M