有限元数值模拟方法在华北地区地震地质研究中的应用进展.pdf

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1、第32卷第1期地震地质V0I．32．No．12010年3月SEISMOLOGYANDGEOLOGYMar．，2010doi：10．3969／j．issn．0253—4967．2010．O1．016有限元数值模拟方法在华北地区地震地质研究中的应用进展胡勐乾邓志辉陆远忠)1)中国地震局地质研究所，北京1000292)中国地震局地壳应力研究所，北京100085摘要文中综述了近3O年来有限元数值模拟方法在华北地区地震地质研究中的应用和发展情况，从华北地区地震地质数值模拟的有限元模型、有限元数值模拟所采用的实测资料以及模拟结果

2、3方面进行了讨论，综合分析了华北地区有限元数值模拟从弹性到弹塑性、黏弹性和蠕变性，从二维线性到三维非线性，从连续变形到非连续变形，从个别资料的应用到GPS网络观测资料拟合的发展过程。简单阐述了华北地区有限元数值模拟工作的意义、存在问题和发展趋势。关键词有限元数值模拟华北地区中图分类号：P315．2文献标识码：A文章编号：0253—4967(2010)01—0162—120引言有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。现代有限元方法的起源可以追溯到20世纪初，然而直到1960年，Clough才提出

3、了广为人们接受的“有限元”这一术语。20世纪50年代该方法首先应用于飞机结构等连续体力学领域，随后很快广泛应用于求解热传导、地磁场、流体力学等问题。在地球科学领域，由于地质构造形态的复杂性、地球介质分布的不均匀性、岩石物理性质的多样性(王仁，1994)，定量化地分析地球科学问题具有很大的难度。有限元法在2O世纪60年代后期被引入地质构造分析工作中以来得到了迅速的推广，7O年代中期有限元方法被引进到构造应力和变形分析上。目前，随着高性能计算机和并行计算处理的高速发展，有限元分析软件具备更强大的网格处理能力，求解问题也从

4、简单的线性、单一场问题发展到复杂的非线性、耦合场问题。华北地区(106。～124。E，31。～42。N)，位于燕山、阴山以南，秦岭、大别山以北，贺兰一六盘断裂带以东一直到黄海的区域内，包括3个二级地块：鄂尔多斯活动地块、华北平原活动地块和鲁东一黄海活动地块。华北地区一直就是地质、地震研究工作的重点区域，而数值模拟的研究工作也多将华北地区作为研究对象，主要体现在以下几点：1)华北地区构造运动的动力学成因(收稿日期]2009—05—11收稿，2009一lO一2O改回。[基金项目】中央公益性研究院所基本科研业务专项(DFI

5、GCEA0607114)与国家自然科学基金(40841016。40372131，40702056)共同资助。通讯作者：邓志辉，研究员，电话：010—62009089，E—mail：zhihui@ies．aC．ca。1期胡勐乾等：有限元数值模拟方法在华北地区地震地质研究中的应用进展163复杂。在中生代和新生代，华北地区处于裂陷伸展构造阶段，整个区域呈现以广泛的裂陷伸展运动、岩石圈减薄和大规模岩浆活动为基本特征的构造运动格局(马杏垣等，1983)。对于华北地区构造演化过程中的上述动力学作用的成因存在着不同的观点，而数值模

6、拟的方法有助于深入认识华北地区构造演化的机制。2)华北地区断层活动性强，是中国大陆的强震区。该区域记录有7．0级以上的地震共17次，近几十年来经历了邢台、河间、海城、唐山、大同以及张北等6级以上地震，其中1976年唐山7．8级地震更是造成了巨大的生命财产损失。而通过模拟华北地区的地震过程，有利于探索华北地区地震活动的深部背景。3)华北地区的实测资料非常丰富。华北地区是中国GPS点位密度最高、资料积累时间最长、复测周期最多的地区，并且在华北地区累积了大量的原地应力测量资料和断层形变测量资料，而数值模拟从建立模型、模型加

7、载到结果对比都需要各种数据和资料，所以丰富的实测资料是华北地区数值模拟的基础。1华北地区地震地质数值模拟的有限元模型建立与实际地质情况相符合的模型是数值模拟工作的必要条件，模型的正确性、合理性直接决定了模拟结果的实际意义。地质模型一般包括模拟区域的范围、模型的本构关系、岩石参数的选取、是否考虑断层及断层的选择和如何处理、选择使用的单元、边界条件等，而三维的模型还应考虑地壳的纵向分层、地壳分界面的处理、深部岩石的蠕变性或黏滞性等。地质模型尤其是像华北地区这种大范围的模型，与工程上模拟的力学模型有很大的区别。工程上的模型

8、需要非常精确，模拟结果要反映模型的细节，而现有的资料程度和计算机水平，要完全模拟地质模型是不可能的，所以好的地质模型并不在于反映细节到何种程度，而在于在模型的复杂程度和计算求解效率之间达到一个平衡点。1．1华北地区的二维模型华北地区的二维有限元模型主要分为2类，一类是只用有限元方法(FEM)进行模拟，而另一类是用非连续变形分析方法与有限元方法相