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典型地质构造应力场数值模拟

作　者: 杨宏伟
导　师: 魏文博
学　校: 中国地质大学（北京）
专　业: 固体地球物理
关键词: 青藏高原隆升典型地质构造模式 ANSYS 应力场数值模拟
分类号: P55
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

近十几年来,随着计算机计算速度的飞速提高,作为地球动力学定量化研究手段的数值模拟方法也得到了长足的进展。这些数值模拟方法帮助科学家们从力学、热学、流变学等各个物理学的角度建立各种地球动力学模型,从而深入地了解地球动力学的演化过程,为进一步研究地球深部构造驱动力机制提供了有利的手段。ANSYS——大型有限元分析软件,是本文建立模型的基础。ANSYS软件是利用有限元数值模拟技术分析各种物理场及其耦合场的大型工程设计软件(即CAE,Computer Aided Engineering)。本文之所以利用ANSYS软件的意义就在于可以建立最佳的数值计算方法,避开不必要的数值计算问题,将研究思路直接建立在模型设计和力学机制上。本文将利用有限元的数值模拟方法,在ANSYS软件平台上建立各种地质构造的力学模型。通过得到这些典型的地质构造的应力场来分析不同力学参数和边界条件与相应应力场之间的关系。为进一步分析和建立青藏高原的动力学模式提供理论基础。青藏高原——世界屋脊,被誉为地球的第三极,是现今大陆上最年轻、最典型、最神奇的大陆构造单元,集中体现了大陆动力学的重大前沿科学问题,其地球动力学模型始终是国际地学研究的热点之一。现阶段根据青藏高原的隆升机制确定了5种不同的动力学模式(或模型):俯冲作用模式、挤压加厚模式、大陆挤出模式、地幔对流模式和多因驱动模式。尽管这些模式都能在一定程度上解释某些有关青藏高原演化问题,并且都得到这样或那样的地质和地球物理的证据,但这些证据之间存在较大差异,同时也存在许多不确定性。因此,有必要利用分析得到的典型地质构造应力场的模拟结果来对这些“模式”进行检验。本文将从以下几个方面来建立模型:1、对盆地、隆起、褶皱、裂谷和逆冲、推覆等基本地质构造模式的演化进行应力场模拟,研究其演化过程的力学机制。2、在基本构造模式演化过程力学机制研究的基础上,整理前人提出的青藏高原演化模式,构建青藏壳、幔弹性力学参数模型及模型边界条件。3、根据所构建青藏壳、幔弹性力学参数模型及模型边界条件,分别针对这些演化模式对高原演化过程进行力学机制的模拟,检验青藏高原演化机制的理论模型。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-10
1 引言  10-13
  1.1 研究背景  10
  1.2 研究目的  10-11
  1.3 研究内容  11-13
    1.3.1 ANSYS 软件简介  11-12
    1.3.2 具体研究思路  12-13
2 典型地质构造模式成因理论基础  13-24
  2.1 应力莫尔圆和库仑莫尔理论  13-17
    2.1.1 应力莫尔圆  13-15
    2.1.2 库伦莫尔理论  15-17
  2.2 断层构造模式  17-19
    2.2.1 安德生构造模式  17-18
    2.2.2 哈弗勒模式  18-19
  2.3 褶皱构造模式  19-24
    2.3.1 褶皱构造的构造形式  19-21
    2.3.2 褶皱的力学模式  21-24
3 构造模拟的数学物理基础  24-37
  3.1 弹性应力场理论  24
  3.2 梁的弯曲理论  24-26
  3.3 结构屈曲的稳定理论  26-27
  3.4 有限元法  27-30
    3.4.1 有限元法简介  27-28
    3.4.2 有限元法基本构架  28-30
  3.5 ANSYS 软件  30-37
    3.5.1 ANSYS 软件的优势  31-32
    3.5.2 ANSYS 软件建模流程  32-37
4 典型地质构造的ANSYS 模拟  37-75
  4.1 典型地质构造体ANSYS 模拟  37-69
    4.1.1 Anderson 断层构造  37-62
    4.1.2 褶皱构造  62-69
  4.2 复杂地质构造体ANSYS 模拟  69-75
    4.2.1 盆地、隆起和裂谷  69-73
    4.2.2 逆冲和推覆  73-75
5 青藏高原岩石圈演化的应力场模式  75-81
  5.1 青藏高原岩石圈演化模式  75-78
  5.2 青藏高原活动构造单元应力场特征  78-81
6 结论和建议  81-82
致谢  82-83
附录  83-90
参考文献  90-93

典型地质构造应力场数值模拟

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