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CAE仿真分析应用之地球物理——元计算pFEPG

已有 4132 次阅读 2012-9-4 17:09 |个人分类:学习|系统分类:科研笔记| 地球物理, 有限元, pFEPG, 元计算, CAE仿真分析

http://www.ectec.asia/hy_dqwl.asp

地球物理学，如果狭义的理解，指的就是固体地球物理学。这一般又可分为两大方面：研究大尺度现象和一般原理的叫做普通地球物理学，利用由此发展出来的方法来勘探有用矿床和石油的，叫做勘探地球物理学（或物理探矿学）。应用于工程地质勘探、工程检测的发展为工程地球物理学，应用于环境探测和监测及环境保护而形成的环境地球物理学。pFEPG在解决此类问题表现出明显的优势。

地球物理领域应用案例：

1、地壳运动的幂律流分析

该项目合作对象为地质与地球物理研究所。

2、在盆地演化数值模拟上的应用

中科院数学所与美国加州大学柏克莱分校地质地球物理研究所合作，用有限元程序自动生成系统进行盆地演化的数值模拟取得成功。到目前为止可以计算包括任意多条断层的平面古热力场，古水动力场，古生物和化学反应场的时空演化过程，并考虑了这三种场的相互作用(即耦合在一起)，同时算出这三种场。地质条件考虑了最复杂的任意多种不同介质地层及各向异性，断层考虑了沿着断层方向和垂直断层方向岩石的渗透率有显著的差别，断层两边的岩层随着时间的推移有相对运动。该软件已应用于我国海洋石油的勘探，为石油地质研究和目标勘探提供了有力的手段。经国内知名专家的评审鉴定，一致认为该软件总体达到国际水平，部分达到国际领先水平。

3、青藏高原地壳扩展分析

Missouri-Columbia大学地球科学系运用pFEPG生成了考虑岩石圈流变学及相关边界条件的三维粘弹性问题的有限元程序，讨论了重力等因素对青藏高原地壳扩展的影响，文章发表在《JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH》Vol.108.图为求解出的表面速度（箭头）和GPS测量的速度（带椭球的箭头）。

4、在地质构造动力学（地球科学）中的应用

北京大学和美国加州大学的地质学家们用“有限元程序自动生成系统”计算了地质构造动力学，地壳中地幔对流等大型非线性问题，模拟了造山、盆地演化等地质过程，考虑了断层影响的热、流体及化学耦合作用。研究成果发表在Nature 等学术刊物上。在第30届世界地质大会上关于盆地演化的报告受到广泛的关注和好评。这些问题的有限元程序是如此复杂，它们的编写是人力难以胜任的，可是加州大学伯克利分校的C.Y.Wang教授用该系统一年就完成了十个问题的计算。他在正式评价信中写到：“地质构造动力学是复杂的动态过程，很少有有限元程序可以计算，我很高兴能找到梁国平教授的自动生成系统，很成功地模拟了造山过程和盆地生成过程的温度变化、流体流动和化学变化，并把结果写成论文在各种杂志发表。我们将继续用这个系统研究其它的地质问题。梁教授的自动生成系统是一个有用的发明创造，我估计它会被广泛地应用于其它很多领域。”

5、亚洲地幔流动分析

北京大学地球动力学研究中心运用pFEPG生成了三维速度、压力、温度耦合求解的有限元程序，讨论了亚洲大陆下的地幔流动及其对亚洲地壳作用的应力。该问题采用了带拉格朗日乘子的不连续变形分析（LMDDM）方法及并行求解技术，将地球板块分为16块，每块放在一个CPU上并行求解。该问题在中国地球物理学会第16届年会做过报告。

6、地震勘探：

中科院数学所以pFEPG为平台开发了地震波传播数值模拟程序系统SWS。它是根据石油地震勘探的需要而设计的，可计算声波方程、各向同性和各向异性弹性波方程、双相介质波动方程及以上几种方程任意组合的情况。它不仅可用于地震波传播机理的理论研究，还可供从事地震资料采集、处理、解释和反演的实际工作者使用。

7、印度大地震的成因研究

8、应用pFEPG模拟地层粘弹性接触问题　

本问题计算了一个实际的地壳区域（包括上地壳、下地壳、上地幔），在考虑裂缝、断层、地层温度、地层蠕变下的变形及应力分布及变化过程，对于地层蠕变采用了粘弹性模型，并考虑了其粘性系数的非线性；对断层采用了拉格朗日乘子法模型模拟断层接触与摩擦。

模型及网格图

位移云图剪应力云图

9、Cascadia俯冲带地震运动模拟

加拿大国家地质调查局太平洋地学中心采用粘弹性模型模拟位于美国和加拿大西部的Cascadia俯冲带因地震而引起的变形。

Cascadia俯冲带的计算结果模型显示结果的纵切面图地震发生300年后位移的分布

10、汶川8.0级地震破裂过程

中国地震局地球物理研究所利用pFEPG对汶川8.0级地震破裂过程进行分析，破裂时间80秒，破裂长度216km，破裂方向为北东229度，倾角为32度。

应力分布破裂过程地表位移场的变化

11、中国地震局地质所非均匀介质热蠕变流动的数值求解

地球动力学演化最基本的特征是不均匀结构的非线性演化及大变形流变。其所涉及的本质问题属于非均匀结构密度差异及其伴随的温度差异和黏性差异所控制的热－蠕变流动问题。流动问题一般采用欧拉描述。欧拉描述以瞬时运动状态为研究对象，因此当前时刻位于网格节点上的物质在下一时刻的位置是不确定的。这意味着不均匀物质结构的形态发生变化后，欧拉描述就难以继续。

描述不均匀结构的流动问题有必要采用新的方法，如果在欧拉描述的基础上，引入网格－粒子方法（Marker-in-cell ），则可以弥补欧拉描述的最大不足点，通过粒子的移动显示物质移动及界面变形，中国地震局地质研究所刘洁博士利用此方法模拟了块体沉降过程。

平行四边形高密度块体沉降变形图

12、中国地震局地壳应力所地壳蠕变运动模拟

计算一个实际的地壳区域（包括上地壳、下地壳、上地幔），在考虑裂缝、断层、地层温度、地层蠕变下的变形及应力分布及变化过程，对于地层蠕变采用了粘弹性模型，并考虑了其粘性系数的非线性；对断层采用了拉格朗日乘子法模型模拟断层接触与摩擦。

pFEPG模拟了地壳区域（包括上地壳、下地壳、上地幔）在考虑裂缝、断层、地层温度、地层蠕变下的变形及应力分布及变化过程。

造型及断层的位置

断层界面上的位移

13、流体对1995年神户地震的影响

地下流体对地震孕育、发生的影响是震源力学和地震预测关注的重要问题。地震断层内部的流体孔隙压力可以减小它的有效应力，从而导致其剪切强度降低。地壳内部流体压力的变化可以影响岩石骨架的变形和应力，同时岩石骨架的变形会引起孔隙内部的压力变化。因此孔隙压力和岩石骨架的变形是耦合在一起的。很多大地震前后,例如1976年的唐山地震， 1995年日本神户大地震以及1999年台湾的集集大地震等，都观测到震源区地下水位的异常变化。地震波层析成象显示神户大地震断层的底部存在明显的低速高泊松比异常体，这个异常体形成的可能原因是来自于俯冲海洋板块脱水产生的流体。
计算结果表明对于所给的模型参数，流体压力在底部边界最大不超过1MPa，这部分压力对有效应力的贡献不大。神户地震水平方向最大流速发生的区域与上述波速异常区一致，沿垂直断层方向（东西）流进断层的流速大于平行断层方向（南北）的流速，这个高速区内的流速并不与断层对称，从东面流向断层的流体速度的最大值要比由西流向断层的速度大5倍。