基于卷积滤波的谱元法在长时程波场模拟中的应用

地震波波场数值模拟是深入认识复杂地下介质的重要手段.谱元法兼顾了有限元方法的传统优势,并提高了数值精度和稳定性,已成为目前地震波波场数值模拟中最常用的方法之一.随着超大规模并行计算的普及和发展,高分辨模拟所需的网格尺寸越来越小,网格规模越来越大,导致长时程模拟的大步长需求越来越高,成为倍受关注的研究热点.区别于传统的保结构算法,本文采用时间频散变换对时间离散引起的误差进行补偿,并引入空间滤波用于打破CFL(Courant-Friedrichs-Lewy)条件对时间采样间隔的限制.为了克服谱元法中因为非均匀空间采样点引起的滤波频谱计算难题,本文采用空间卷积滤波替换传统频率域滤波,有效的降低了算法的计算需求.该滤波方法也适用于复杂起伏模型的波场模拟.将本文方法用于保结构算法,并针对四阶辛Nyström方法进行了测试,显著增大了四阶辛Nyström方法的时间采样步长.新方法可以有效的用于地球自由振荡的模拟以及其他需要长时程数值模拟的工作中.

天山造山带壳幔速度结构及深部构造过程综述

天山作为陆内造山带的典型地区,其深部构造一直是国内外地学界关注的热点问题.天山造山带下方速度异常结构的分布特征,是天山造山带深部构造过程响应的深刻体现,对深入理解其活化机制具有重要的指示作用.本文系统总结了天山不同区段的壳幔速度异常结构研究结果,讨论了天山造山带下方不同速度异常结构的形成机制以及天山隆升变形的动力学演化过程.天山造山带不同区段的层析成像结果以及接收函数图像等多种地震学探测与GPS观测研究成果显示,区域速度异常结构分布特征与天山造山带及周边地区的地质构造特点、动力学演化过程具有相关性:天山造山带下方高速异常结构的倾斜方向、形态、位置,凸显了天山地区独特的陆内俯冲机制;不同区域的低速异常结构表明,存在软流圈热物质上涌形成的小地幔柱或小尺度地幔对流,以及岩浆底侵作用导致壳内物质发生部分熔融.相关研究结果对进一步理解天山陆内俯冲、地壳缩短变形、岩石圈拆沉和软流圈热物质上涌等动力学过程具有重要意义,并对深入研究天山地区地震活动性分布规律提供有利的参考依据.

牡丹江和海拉尔台下方地幔间断面结构及推论

利用牡丹江 (MDJ)和海拉尔 (HIA)台 1 988— 2 0 0 0年的宽频带三分量数字地震记录 ,通过地幔间断面产生的P SV转换波 ,研究台站下方地幔间断面的分布以及日本海俯冲带对 6 6 0km间断面的影响 .为了提高所得结果的可靠性 ,采用了线性 -偏振滤波方法和修正的N次根倾斜叠加方法来提取P SV转换波 .前一方法通过实验选取适当的光滑平均和提出立体角的约束 ;对后一方法进行了震源深度校正和间断面倾斜的修正 .结果表明 ,在MDJ和HIA台下方 ,除在 6 6 0 ,41 0 ,2 2 0和 5 2 0km深度附近均存有间断面外 ,在 1 40 ,3 5 0 ,5 70 ,740和1 0 80km深度附近也存在间断面 ,显示了地幔中径向分层的复杂性 ;另外 ,MDJ台下方 6 6 0—840km之间的间断面结果比HIA台下方的复杂 ,似有分层结构 ,可能反映了俯冲带的影响 .

伊豆—小笠原下方660km间断面的区域性差异

利用南、北加州地震台网、华盛顿州西北太平洋地震台网单分量短周期地震仪和德国、瑞士地震台网 /台阵的三分量宽频带地震仪记录的 1 981～ 2 0 0 0年伊豆—小笠原地区下方地震的波形资料 ,使用 N次根倾斜叠加方法提取近源一侧来自间断面 Sd P转换震相 ,以研究6 6 0 km间断面区域性差异 .研究发现 ,自 3 5°N到 2 6°N的各剖面依次体现了和达 -本尼奥夫带 (Wadati- Benioff zone)倾角逐渐加大 ,且地震分布的最大深度也逐步增大 ,俯冲板块对6 6 0 km间断面存在的影响也因此产生了差异性 :没有俯冲板块影响的情况下 ,该间断面出现在 CM) 6 6 0 km深度处 ,而受到俯冲板块明显作用的地区 ,则该间断面普遍出现下陷 .转换点分布的一定程度分散性可能是间断面本身复杂结构、震相误判或一维球对称地球模型假定等因素造成的 .

南美地区下地幔速度界面结构研究

下地幔间断面是地球内部结构研究的重要课题,对于理解地球深部的动力过程具有重要意义.美国西部密集地震台网记录到的南美洲太平洋地区深震的短周期波形资料有利于震源下方下地幔间断面的研究.本文收集了美国西北太平洋地震台网和犹他大学地震台网所记录的南美洲西部俯冲地区15个深震的19组短周期垂向台网资料,并利用4次根倾斜叠加方法提取震源下方下地幔中速度界面上发生转换的次生震相SdP,据此发现南美洲西部下方下地幔中800～1200 km深度范围内存在明显的转换点集中,主要分布在900,1000和1100 km三个深度附近,三个速度界面具有不同的起伏形态,应为在研究区域双层地幔对流中间边界层.

福州盆地强地面运动特征的有限元数值模拟

区域性地震波强地面运动的量化数值模拟分析结果可以用来指导城市规划建设,并在防震减灾中发挥重要作用.本文采用有限元数值模拟方法来模拟由地震激发的区域地震波强地面运动过程,并得到地表峰值速度和加速度的分布特征.考虑到福州是东南沿海的重要省会城市,其明显的盆地结构特征使它很容易遭受强地震灾害的影响.因此本文以福州盆地为主要研究对象,假定盆地的主要断层某一位置在未来可能发生灾害性地震,则该地震会激发地震波的强地面运动,并由于地形、沉积层等主要影响,在盆地内部发生放大.通过对地震波传播过程的数值模拟和后处理分析,给出了该盆地的地表峰值位移、峰值速度和峰值加速度分布图谱.该图谱可为未来的福州城市规划和抗震减灾提供定量科学参考依据.

克拉玛依砾岩油藏储层分类特征及水驱油规律

克拉玛依砾岩油藏目前处于高含水开发阶段,储层精细分类特征研究及不同油藏类型水驱油机理和影响因素分析成为油藏提高采收率的基础和关键.首先利用储层综合对比技术,从沉积物源、岩石学特征、物性特征、渗流特征及孔隙结构等方面分析三类油藏,明确导致不同类型砾岩油藏水驱油机理存在差异的根本原因;然后基于核磁共振岩心分析技术进行微观水驱油机理研究.实验结果表明:水驱过程中大孔隙中的原油采出程度最高,而渗吸过程中主要动用中小孔隙中的原油,水驱方式与渗吸作用的结合可有效提高砾岩油藏采收率.分析三类砾岩油藏储层物性、孔隙结构、微观非均质性、润湿性及原油黏度对水驱油效率的影响,其中物性及微观孔隙结构的不同导致微观水驱油机理的差异,而在宏观上储层的非均质性、润湿性和原油黏度又对注入水的渗流体系和驱替路径起决定作用.综合分析结果表明:Ⅰ类油藏水驱油效率最高,Ⅱ类的次之,Ⅲ类的最差.最后结合测井与生产动态资料,讨论水驱油特征对储层整体水淹规律的控制作用.当储层性质相似时,注水条件越强,水淹程度越高;当注水条件相似时,储层物性越好,水淹越强,另外,相同油藏类型物性较差的Ⅲ、Ⅳ类流动单元储层在非强水洗条件下,一般表现为弱水淹层,甚至为油层,成为剩余油富集的有利区.

基于改进型图像信息方法的汶川地震前电离层参量时空特征研究

震前加速破坏阶段地壳岩石破裂过程中可能辐射电磁信号,提取与之相关的电磁信号异常有助于认识地震孕育及破坏过程,从而为防震减灾提供支持.本文提出了改进型图像信息方法(Modifled Pattern Informatics Method,MPI方法),并用于汶川地震前电离层参量时空特征信息的提取.通过分析对比处理前后的DEMETER电磁卫星时空图像可以发现,原始时空图像一般存在季节性和空间性的变化规律,较难获得有意义的信息;而采用MPI方法处理后,则发现汶川大地震前,电离层参量存在明显的异常变化.从而,证明了MPI方法具有消除背景趋势、突出短期变化的能力,可以有效地提取强震相关的电磁前兆信息.

青藏高原东北缘地壳结构变化的地球动力学意义

由于印度板块和欧亚板块的碰撞作用,且扬子地块和鄂尔多斯地块的阻挡,位于青藏高原东北缘的甘东南地区成为地形变化极为剧烈的一个梯度带.该区域地壳发生了明显缩短,形成了复杂的地壳结构,因此,该地区地壳内部结构的探测对于青藏高原隆升机制的认识具有重要意义.本研究利用布设在该区39个固定宽频带台站远震接收函数,得到了该区域地壳底界面起伏形态以及波速比分布的详细结果.该结果表明,该区域地壳底界面存在着可达20km的起伏;接近青藏高原内部的研究区西部地壳较厚、波速比较大,该特性说明这一区域地壳中存在低速流变物质,是软地壳;位于鄂尔多斯和扬子地块的东边区域,地壳较薄、波速比较小,可能是硬地壳.在地形剧烈变化且位于软硬地壳之间的梯度带内,地壳厚度和波速比也呈现较为复杂分布,这可归结为长期复杂块体相互作用的结果.在历史上发生过海原巨大地震的局部区域,地壳起伏和波速比呈现较强烈的横向变化,这可能是该区域孕育巨大地震的一种深部结构条件.

基于P波三重震相的下扬子克拉通地幔转换带顶部低速层初探

本文基于中国地震观测台网记录到的震中距为10°～23°之间琉球俯冲区一个中深源地震的P波三重震相信息，研究了下扬子克拉通转换带顶部P波速度结构．通过射线追踪和理论地震图与观测地震波形的对比，发现下扬子克拉通下方的410km间断面为一厚度20km的梯度带，其上存在一由西南向东北变厚的低速层，厚度变化40～57km，P波速度减低2．7％～4．5％．该低速层可以被认为是由于地幔橄榄岩部分熔融引起的．

地球内部结构和物质性质的研究

对 1999～ 2 0 0 2年中国地球物理学家在地球内部结构和物质性质方面的研究工作进行了总结 .分别对地球内部结构的地震波速度成像研究 ,中国及其周边地区上地幔介质各向异性的研究 ,S波介质品质因子Qβ,俯冲带研究 ,地幔间断面的研究 ,地球物质性质的实验研究以及其它方面的一些研究工作进行了综述 .指出了各方面的主要研究内容、使用的主要方法和得到的结果 .从这 4年的研究中可以发现 ,中国的科学家在地球内部结构和物质性质的研究中又取得了新的进展 ,主要表现在 3个方面 :一些原有领域中的研究更加深入 ;开辟了新的方向 ;

茂县新磨特大滑坡-碎屑流的发育特征与运移机理

2017年6月24日茂县叠溪镇新磨村发生体积近800×10~4m^3的灾难性特大型滑坡-碎屑流灾害。通过现场调查、遥感解译和资料分析,本文对灾害发育的地质环境条件,崩滑危岩体及运移堆积特征,降雨及地震对崩滑的触发作用等进行了研究,探讨了影响碎屑流运动性的主要效应及其致灾机理,并评价了类似灾害的监测预警新方法。研究认为:(1)新磨村位于1933年叠溪MS7.5地震前已经存在的大型老滑坡堆积体上,多次历史强震和历年降雨循环使滑源区砂板岩坡体表层卸荷带失稳剥离,内部岩体完整性和强度进一步损伤劣化,滑源区在2003年之前已经发育了多条宽大裂缝,并存在显著滑前变形前兆,新磨滑坡本质上是一次后地震机制的灾难性高速岩质滑坡-碎屑流。(2)新磨基岩顺层滑坡体积约150×10~4m^3,但有约600×10~4m^3沟道老崩坡积体被刮铲、裹携。滑坡体高位撞击使老堆积体内"土拱效应"快速丧失并获得加速,"刮铲-裹携效应"促进了滑坡-碎屑流的流动性和扩散性,但大规模的裹携也限制了碎屑流运移得更远。这种冲击加载-刮铲裹携的破坏机制与1986年新滩滑坡、2000年易贡滑坡和2004年贵州纳雍左营滑坡等类似。(3)滑坡-碎屑流产生的地震信号分析可再现整个滑坡、冲击、运移、停积等全过程,震前InSAR形变资料分析则揭示了显著的变形前兆,两者结合应是未来这类超视距崩滑-碎屑流灾害早期识别、评价和预警的新方法。(4)鉴于滑后新磨流域仍然存在大量新老裂缝及其切割而成的危险块体,建议立即开展详细的灾害调查、风险评价和监测预警工作,避免类似灾害重复发生。

华北克拉通东部滞留板块下方低速异常的地震三重震相探测

本文基于中国数字地震台网记录的中国东北与俄罗斯交界地区发生于2011年5月10日的一个深源地震的P波宽频带波形资料,研究了华北克拉通东部660km间断面附近的P波速度结构.通过一维射线追踪拟合P波三重震相的相对到时,并进行观测波形与理论地震图的对比,发现华北克拉通东部660km间断面下沉约15～20km,其上方存在厚度约115～120km的高速异常,P波速度升高1.5%～2.0%,应为滞留的太平洋俯冲板块;660km间断面下方存在局部的低速异常,P波速度降低0.6%～0.9%,该异常可能与滞留板块从其底部向下地幔顶部脱水或坍塌进入下地幔深处滞留体的脱水有关,也可能与板块深俯冲及板块碎片崩塌所引起的地幔热物质上涌有关.

N次根倾斜叠加方法在间断面研究中的应用

将N次根倾斜叠加应用于地幔间断面研究 ,通过实例计算 ,给出了不同次根倾斜叠加的结果 ,展示了N次根倾斜叠加方法的特点 ,不但可以增加信噪比 ,而且还提高了信号的清晰度 ,但有时会引起信号的畸变 .N的选取取决于资料的噪声分布、信噪比和台站个数等因素 .本文讨论了间断面倾斜对信号相对于参考震相的走时差、水平慢度差的影响 ,为分析倾斜叠加结果提出了修正标准 。

利用三重震相探测中国东部海域410km深度低速层

基于中国数字地震台网记录的日本本州地区2009年发生的一次震源深度为167.2km、震级为mb6.0地震的宽频带波形资料,利用二维射线追踪方法给出P波三重震相的理论时-距曲线,并采用试错法构建出与观测时-距曲线拟合效果最优的低速异常模型,发现在中国东部海域下方410 km间断面上、下均存在局部的P波低速异常:300—410 km深度范围内低速异常为4%—5%,而410—460/470 km深度范围内的低速异常则达到4%一7%.结合前人地震层析成像结果,发现该区域不存在明确外源热流,因而,本文认为该低速异常与俯冲板片脱水引起的部分熔融有关.

帕米尔—兴都库什深俯冲残留体对410km间断面起伏形态的影响

受俯冲残留体影响的410km间断面起伏形态的研究对于确定地球内部物质构成及地球动力学过程具有重要作用.帕米尔—兴都库什俯冲区域拥有全球少有的中、深源地震,为研究410km间断面起伏提供了良好的资源.利用日本Hi-net地震台网和美国TA台阵记录的帕米尔—兴都库什俯冲区域的6个震源深度为154.0-220.9km、震级为Mb5.6-6.4的中、深源地震的短周期/宽频带波形资料,经过4次根倾斜叠加处理,获得了36组Hi-net子台网和TA记录资料的倾斜叠加灰度图,从中提取了与410km间断面相关的次生转换震相SdP,发现受俯冲残留体影响下的410km间断面的深度位于372-398km.较之持续俯冲的西太平洋地区海洋岩石圈,研究区域俯冲滞留体对于410km间断面的相变线的影响要小得多.

岩石圈三维结构与动力学数值模拟

通过基于专项所属各项目的探测数据和成果,结合课题组已经积累的数据与建模基础,以及本项目组特定需要进行岩石物性参数测试及相关的流变本构关系研究,进而开发并集成大规模并行有限元数值模拟平台系统,进行地球动力学过程的综合定量模拟分析。同时建立高性能并行可视化平台,据此进行中国大陆深部地幔对流与岩石圈耦合关系的探测数据与数值模拟结果的并行可视化研究分析,探讨回答中国部分典型构造区域的典型地球动力学过程的关键问题。

基于三重震相方法探测日本海俯冲区地幔转换带的速度结构

本文基于中国数字地震台网记录的发生于日本北海道地区的一次中源地震的三重震相资料研究了日本海俯冲区地幔转换带的速度结构.结果表明,该区域P波速度结构与S波速度结构的一致性整体上较强.冷的西太平洋俯冲板块导致410km间断面出现了10km的抬升,660km间断面出现了25km的下沉;410km和660km间断面之上均存在与俯冲板块相关的高速层;660km间断面下方存在厚度为65km的低速异常.纵横波波速比vP/vS值在210—400km深度范围内偏低,约为1.827,体现出海洋板块低泊松比的特征;在560—685km深度范围内,该值偏高,约为1.831,可能预示地幔转换带底部含有一定量的水.

汤加—斐济地区300km间断面的SdP转换波证据

上地幔速度间断面的存在形态及其性质的研究对于理解地球构造运动以及地球内部物质运移过程具有重要意义.针对上地幔中可能存在的300km速度间断面,本文收集日本Hi-net地震台网所记录的2004年以来、震源深度在145～219km之间、且震级为mb5.0～6.0之间的6个汤加—斐济地区地震的波形资料.利用4次根倾斜叠加方法对收集到的波形资料进行叠加处理,获得了相应的叠加灰度图,从中提取的离源下行的SdP次生转换震相,进而据此确认了汤加—斐济地区下方的300km深度附近的速度界面.因该界面起伏较小,更倾向于该界面为辉石的斜方到高压单斜相变面;同时基于转换震相的强度差异,我们发现该界面速度跃变量要大于410km间断面,因而俯冲带的化学分异和脱水过程产生的较轻物质可能在该界面处形成一定的聚集,使得汤加—斐济地区的该界面更容易被观测到.