基于岩石圈公共数据库的含断裂的三维粘弹性建模方法

摘要

基于岩石圈公共数据库的含断裂的三维粘弹性建模方法，它包括以下步骤：步骤一：进行各层起伏建模；步骤二：进行几何模型单元的构建；步骤三：进行断层建模；步骤四：进行模型力学的参数赋值。在步骤一中，对大型断裂带进行三维建模，大型断裂带包括上地壳、中地壳、下地壳和岩石圈地幔。本发明的目的是为了更准确的反映岩石圈的多层起伏特征和分层粘弹性特征，为岩石圈空间建模、数值模拟、数据共享的统一，而提供的一种基于地球圈层公共数据库的含大型断裂带的三维岩石圈粘弹性模型建立方法。

说明书

技术领域

本发明属于地质研究技术领域，具体涉及基于岩石圈公共数据库的含断裂的三维粘弹性建模方法。

背景技术

岩石圈的流变强度和粘度有着明显的分层特征，上地壳上部为脆性区，下部有可能是以蠕变为主的延性区；中地壳可以是以脆性破裂为主的脆性区，也可以是上层以脆性破裂为主而大部分是以蠕变为主的延性区；而下地壳几乎均是以蠕变为主的延性区；壳下岩石圈上部是以脆性破裂为主或以蠕变为主的高强度区。岩石圈粘弹性构造研究对构造运动,地球深部动力过程,地幔对流,资源勘探及防灾减灾有重大意义,而三维建模与可视化是研究岩石圈构造的重要手段。

新近发展的全球三维格网建模技术的格网划分存在收敛,叠置,非正交及非经纬一致性等缺陷，无法考虑到粘弹性力学参数在岩石圈的精确分布，也不能充分考虑到大型断层带对结构的影响。目前对于含大型断裂带的三维岩石圈粘弹性建模，尚无高效的准确建模方法。

发明内容

本发明的目的是为了更准确的反映岩石圈的多层起伏特征和分层粘弹性特征，为岩石圈空间建模、数值模拟、数据共享的统一，而提供的一种基于地球圈层公共数据库的含大型断裂带的三维岩石圈粘弹性模型建立方法。

基于岩石圈公共数据库的含断裂的三维粘弹性建模方法，它包括以下步骤：

步骤一：进行各层起伏建模；

步骤二：进行几何模型单元的构建；

步骤三：进行断层建模；

步骤四：进行模型力学的参数赋值。

在步骤一中，对大型断裂带进行三维建模，大型断裂带包括上地壳、中地壳、下地壳和岩石圈地幔。

在步骤二中，对层面埋深数据进行差值处理，包括以下步骤：

步骤1：对模型顶面进行二维网格划分，得到一系列2D三角形网格；

步骤2：然后提取三角形网格中每一个节点的坐标，在层面深度数据库中获得相应的埋深值，得到该处一系列2D三角形网格；

步骤3：最后将相邻的两组2D三角形网格连接成3D三棱柱单元网格。

在步骤三中，在进行断层建模时，除主断裂带外，将同一条构造带的断层系统处理为一条宽约5km至10km的垂直力学薄弱带。

在步骤三中，详尽的刻画出断裂系统内各次级及分支断裂，并赋予各段断层不同的深度；在构建起三维模型的几何形态之后，进一步进行网格划分，得若干单元构成的岩石圈模型。

在步骤四中，所述模型为岩石圈模型，它自上至下包括依次为水层、冰层、上中下沉积层和上中下结晶地壳，获取每层的厚度、密度和Vp、Vs波速结构。

由岩石圈波速结构反演以获取弹性参数数据和粘滞系数结构，具体采用以下步骤：

步骤1：由岩石圈速度结构模型建立大型断裂带及其邻区的岩石圈分层、密度、P-波波速、S-波波速数据库；

步骤2：获得研究区三维弹性参数数据库；

步骤3：将计算得到的各层杨氏模量、泊松比和粘滞系数赋予3D模型网格划分后的各单元中，从而得到模型力学参数。

模型中大型断裂带设为构造软弱带，其材料属性设定为周围材料的0.1-0.4倍。

在步骤2中，采用以下公式获得三维弹性参数数据库；

E＝μ(3λ+2μ)/λ+μ (3)

ν＝λ/2(λ+μ) (4)

其中，V

同时岩石的有效粘性系数通过η

其中，A、n、E

进一步，将计算得到的各层杨氏模量、泊松比和粘滞系数赋予3D模型网格划分后的各单元中，从而得到模型的流变学参数结构。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

本发明利用地球圈层公共数据库，建立了一种含大型断裂带的三维岩石圈建模方法，该方法较传统建模方法更为快速且精确，反映了岩石圈的多层起伏特征和分层粘弹性特征，为岩石圈空间建模,数值模拟，数据共享的统一空间格网提供了一种新的解决方案；随着尺度模型的演进，更详细的板块划分，更精细的岩石圈层结构与边界凹凸以及更丰富的岩石圈属性可被渐次呈现出来。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为3D四棱柱单元网格图；

图2为3D三棱柱单元网格图；

图3为示例的岩石圈三维模型几何图；

图4为图3所示模型的分层结构图；

图5为图3所示模型的三维断层带几何图；

图6为图3所示模型的边界条件俯视图；

图7为图3所示模型的切面边界条件图。

具体实施方式

基于岩石圈公共数据库的含断裂的三维粘弹性建模方法，本方法包括对模型各层起伏建模、几何模型单元构建、断层建模和模型力学参数赋值这四部分。

CRUST1.0(Laske et al.,2013)是一个全球的地球圈层公共数据库，分辨率是1度。提供了地球各大层面的深度、密度、Vp、Vs等数据。

本发明利用CRUST1.0地壳模型，基于三维建模,建立了一种大型断裂带三维岩石圈建模方法.

模型范围选取：为了降低边界效应对模型结果的影响，我们尽量扩大了模型的边界范围并使其略宽于大型断裂带的展布。此外，由于主要考虑地壳中，应力应变分布情况(尤其是地壳内的低速体对其上下应力应变的影响)，我们将岩石圈厚度取为60km-120km，使其远大于断裂带地壳厚度，既包含了Moho面的起伏又突出了地壳结构的作用。

模型各层起伏建模：同时，大型断裂带三维模型自上而下分为四个大层，分别为：上地壳、中地壳、下地壳和岩石圈地幔，为了更好地研究层面起伏对于应力场的影响，我们依据Crust 1.0模型(Laske et al.,2013)中的各层埋深对模型进行分层。

几何模型单元构建：由于Crust 1.0模型中数据的空间分辨率为1°(经纬度)，所以在网格划分过程中我们需要对层面埋深数据进行差值。

首先对模型顶面进行二维网格划分，得到一系列2D三角形网格；

然后提取三角形网格中每一个节点的坐标，在层面深度数据库中利用Matlab的插值函数计算出相应的埋深值，得到该处一系列2D三角形网格；

最后将相邻的两组2D三角形网格连接成3D三棱柱单元网格。为了使模型的垂向精度更高，每个大层又被等间距地细分为三个小层，建立了研究区三维分层模型。

断层建模：此外，在构建三维模型的过程中，考虑到大型断裂带往往有数条断裂及分支断裂组成，空间分布异常复杂。垂向上，一条断裂带由浅部到深部，也往往自浅部脆性破裂(如断层、节理等)性质向深部韧性剪切带转化，但总体在空间上表现为一条力学薄弱带。在模拟过程中对这些断裂做了简化，即除主断裂带外，将同一条构造带的断层系统处理为一条宽约5至10km的垂直力学薄弱带。

除了详尽的刻画出断裂系统内各次级及分支断裂外，考虑到地球物理资料揭示的各段断裂深度的差异性，在模型中赋予各段断层不同的深度。

以此，我们构建起了三维模型的几何形态，进一步进行网格划分后，得若干单元构成的三维模型，每个单元由15节点的三棱柱组成。

模型力学参数赋值：模型流变学参数的获得基于Laske et al.(2013)提出的覆盖全球空间分辨率1°的Crust 1.0岩石圈模型，该模型将地壳分为8层，自上至下依次为水层、冰层、上中下沉积层和上中下结晶地壳，并给出了地壳每层的厚度、密度和Vp、Vs波速结构。

Crust 1.0模型(Laske et al.,2013)的岩石圈波速结构反演得到了研究区的弹性参数数据和粘滞系数结构，具体方法如下

通过Crust 1.0岩石圈速度结构模型(Laske et al.，2013)，建立了大型断裂带及其邻区的岩石圈分层、密度、P-波波速、S-波波速数据库，并通过以下公式计算获得了研究区三维弹性参数数据库。

E＝μ(3λ+2μ)/λ+μ (3)

v＝λ/2(λ+μ) (4)

其中，V

同时岩石的有效粘性系数通过η

其中，A、n、E

进一步，将计算得到的各层杨氏模量、泊松比和粘滞系数赋予3D模型网格划分后的各单元中，从而得到模型的流变学参数结构。

模型中大型断裂带设为构造软弱带，其材料属性设定为周围材料的十分之一左右。

本发明的基于地球圈层公共数据库的含大型断裂带的三维岩石圈粘弹性快速精确建模方法，基于免费的公共数据库获得岩石圈数据，可以快速低成本建立地球任意区域的含大型断裂带的三维岩石圈粘弹性模型，并且具有高精度的优点。