非連續(xù)變形分析與現(xiàn)代地殼運動

前言

現(xiàn)代地殼運動，作為一門獨立的學科和學術(shù)領(lǐng)域范疇而出現(xiàn)，既有它的理論和學術(shù)意義，也是人類社會發(fā)展的實際需要。其研究的內(nèi)容相當廣泛，核心是研究如何定量確定地殼運動和變形的空間分布、時間過程、運動學與動力學模型，以及在預測和減輕自然災害中的應用。本書針對采用現(xiàn)代測量手段獲得的大量地殼運動監(jiān)測數(shù)據(jù)，如何分析研究，如何進行深層次的加工并揭示其蘊涵的內(nèi)部機理，這一項亟待解決的重點、難點問題，采用數(shù)值分析方法，對特定區(qū)域的地殼運動、應力分布及演化規(guī)律進行了深入研究。數(shù)值分析方法在現(xiàn)代地殼運動研究中起著至關(guān)重要的作用，現(xiàn)實世界的客觀描述無一不是建立在物理模型的精確數(shù)學表達上。板塊構(gòu)造學說的提出，促進了用剛體運動模型來描述地殼宏觀大尺度的機械運動，該模型在解釋過去幾百萬年全球總體構(gòu)造運動方面是成功的，但在局部區(qū)域（例如大陸板塊邊界及內(nèi)部）則誤差很大。另一類描述地殼運動的物理數(shù)學模型是固體變形模型，在數(shù)值計算中多采用有限元法（FEM），對于連續(xù)介質(zhì)力學問題，有限元法獲得很大成功。事實上，無論是大到全球（可分為數(shù)個大板塊），還是小到一塊巖石（充滿著節(jié)理），都是不連續(xù)的塊體系統(tǒng)，在變形運動過程中都是不連續(xù)的。因此，采用塊體系統(tǒng)非連續(xù)變形數(shù)值分析方法來研究地殼運動更科學，而用有限元法處理眾多的斷裂和不連續(xù)裂縫則是相當困難的。非連續(xù)變形分析（DDA）方法是從巖石力學分析中發(fā)展起來的一種全新的數(shù)值方法。這種方法用位移作為未知數(shù)，解平衡方程時則是用與有限單元法中結(jié)構(gòu)矩陣分析相同的方法。非連續(xù)變形分析以嚴格遵循經(jīng)典力學規(guī)則為基礎(chǔ)，它可用來分析塊體系統(tǒng)的力和位移的相互作用，對各塊體允許有位移、變形和應變；對整個塊體系統(tǒng)，允許滑動和塊體界面間張開或閉合。如果知道每個塊體的幾何形狀、荷載及材料特性常數(shù)，以及塊體接觸的摩擦系數(shù)、粘著力和阻尼特征，DDA方法便可計算應力、應變、滑動、塊體接觸力和塊體位移。本書的核心內(nèi)容是研究非連續(xù)變形分析與現(xiàn)代地殼運動的理論和應用。在系統(tǒng)地闡述了現(xiàn)代地殼運動的研究內(nèi)容、方法和技術(shù)手段的基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)代地殼運動研究數(shù)值分析方法的局限性，采用DDA方法來研究地殼運動。為了科學有效的把DDA方法應用于地殼運動研究，本書首先把DDA方法從平面數(shù)值模型發(fā)展到適用于大范圍地殼運動研究的球面數(shù)值模型。在此基礎(chǔ)上，編制了球面非連續(xù)變形分析（SDDA）數(shù)值分析軟件，并應用該軟件對新疆伽師地區(qū)的地震活動進行了數(shù)值模擬研究，得出一些有益的結(jié)論。

內(nèi)容概要

本書系統(tǒng)地探討了非連續(xù)變形分析與現(xiàn)代地殼運動的理論和應用，針對采用現(xiàn)代測量手段獲得的大量地殼運動監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用數(shù)值分析方法，對特定區(qū)域的地殼運動、應力分布及演化規(guī)律進行了深入的研究。

書籍目錄

第一章　緒論　1．1　現(xiàn)代地殼運動研究的意義和內(nèi)容　1．2　現(xiàn)代地殼運動的研究方法和技術(shù)手段　1．3　現(xiàn)代地殼運動研究的數(shù)值分析方法　1．4　非連續(xù)變形分析(DDA)方法概述　1．5　本書研究的主要內(nèi)容第二章　球面坐標系中塊體的位移和變形　2．1　球坐標系中彈性力學的基本方程組　2．2　球面上塊體的變形　2．3　球面上塊體變形的矢量運算推導第三章　球面坐標系中的聯(lián)立方程式　3．1　球面聯(lián)立方程的建立　3．2　球面上單一塊體的應力、應變及荷載分析　3．3　單一塊體的慣性力子矩陣　3．4　粘性力子矩陣　3．5　位移觀測量對塊體運動和變形的約束　3．6　長度基線觀測量對塊體系統(tǒng)的約束第四章　塊體系統(tǒng)運動學　4．1　塊體間接觸的概念　4．2　塊體間的相互嵌入　4．3　法向彈簧子矩陣　4．4　切向彈簧的設(shè)置及其子矩陣　4．5　摩擦力的處理　4．6　彈簧的施加原則第五章　球面DDA軟件的設(shè)計及功能分析　5．1　球面DDA軟件的模型　5．2　球面DDA軟件中的一些基本假定和約束　5．3　球面DDA軟件程序設(shè)計流程圖　5．4　球面DDA軟件程序模塊簡介　5．5　球面DDA軟件的主要特點　5．6　球面DDA軟件的運行環(huán)境及算例第六章　新疆伽師地區(qū)地震活動的數(shù)值模擬研究第七章　青藏高原及中國大陸其它地區(qū)的現(xiàn)今地殼運動特征第八章　結(jié)論與建議參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：1.1.1 現(xiàn)代地殼運動研究的意義現(xiàn)代地殼運動，作為一門獨立的學科和學術(shù)領(lǐng)域范疇而出現(xiàn)，既有它的理論和學術(shù)意義，也是人類社會發(fā)展的實際需要。人們從對漫長的地質(zhì)時期的地殼運動研究，發(fā)展到新構(gòu)造運動的研究，進而必然發(fā)展到探索最近時期的地殼運動。現(xiàn)代地殼運動是地球活動的一部分，是億萬年地殼運動發(fā)展至目前的自然延伸，它還是地球動力學研究的重要內(nèi)容和基礎(chǔ)。因為要研究地球動力學的演化和規(guī)律，首先要研究巖石圈的組成和運動，而現(xiàn)代地殼運動正是上述諸方面的可以直接察覺、觀測的反映。地殼運動研究的趨勢，也從定性研究走上定量研究，而現(xiàn)代地殼運動正是發(fā)生在不久的過去時期和現(xiàn)今，可以用儀器直接進行觀測。大地測量學和地球物理學也確實觀測到大量地殼運動的信息數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)許多與地殼運動有關(guān)的重要現(xiàn)象，都需要得到解釋，這就必然促使“現(xiàn)代地殼運動”作為獨立學科而提出并得以快速發(fā)展。人類生活在地球上，無時無刻不受到現(xiàn)代地殼運動的影響和制約。其中一個重要問題是地震災害。地震是現(xiàn)代地殼運動的表現(xiàn)形式之一，它直接威脅人類的生存、生活和各項建設(shè)事業(yè)，要提高地震預測預報的準確率，減輕地震帶來的危害，就必須研究現(xiàn)代地殼運動的時空規(guī)律。盡管人們可以從各自的學科，利用不同的手段、方法去研究，但其中心都是探索現(xiàn)代地殼運動的機制和規(guī)律。城市建設(shè)、水工建設(shè)和礦山建設(shè)都存在一個穩(wěn)定性問題，這也涉及現(xiàn)代地殼運動的研究。人類的活動又反過來影響地殼運動，如水利建設(shè)或其它工程建設(shè)會誘發(fā)地震或增強地震活動的強度和頻度，大規(guī)模礦產(chǎn)和石油開發(fā)會造成現(xiàn)代地殼運動的不均衡和重新調(diào)整，城市生活、工業(yè)用水可能引起地面大面積沉降。如我國天津、上海等沿海城市因過度開采地下水使地面持續(xù)沉降，速率達5cm／a。這些都與地殼運動平衡狀態(tài)遭到破壞有關(guān)?？傊F(xiàn)代地殼運動直接影響人類的生存和生活，對此進行研究意義重大。

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