横向非均匀椭球形地球表面载荷粘弹性响应的并行计算方法研究

Understanding the loading responses of visco-elastic Earth to surface load is important in the study of many branches of science, including geodynamics and geodesy. Currently, sensitivities of the loading responses to geological structure, surface topography and Moho topography are not well understood yet. The traditional spectral method assumes that the Earth model is 1D with material variation in the radial direction only. And current numerical techniques are limited, which only study the effect of lateral variations in lithospheric thickness and mantle viscosity. Unfortunately, these assumptions disagree with the lateral variations in crust and topography inferred from seismic tomography and geomorphology. Base on high performance parallel computing and Adaptive Mesh Refinement (AMR) technique, We develop a new code for calculating visco-elastic deformation and stress changes on the lateral heterogeneous ellipsoidal Earth. It can be a powerful tool to study the loading responses of visco-elasic Earth to surface load under complex geological conditions. Meanwhile, To demonstrate the effectiveness of this new method, we will apply it to the New Madrid Seismic Zone (NMSZ), and sensitivities of the loading responses to different surface loads under geological conditions will be investigated.

地球表面载荷变化(冰川消融、陆地水及海水质量迁移、岩石剥蚀卸载等)的响应过程，是地球动力学、大地测量学的热点问题。目前，固体地球地表载荷响应对地球三维精细结构、地表高程和壳幔界面起伏等真实地质条件的敏感性如何尚存疑问，对于该问题的探索仍缺少合适的研究手段。传统的谱方法采用横向均匀地球，现有数值方法则仅考虑地幔粘滞度和岩石圈厚度的横向非均匀，均与地震层析成像、地貌学等揭示的地壳非均匀和地形起伏相矛盾。本项目拟采用高性能并行有限元计算和自适应网格加密技术，发展一套全球横向非均匀椭球形地球表面载荷粘弹性响应的计算程序(包括地形、Moho面起伏等)，适用于真实地质条件下的地球表面载荷粘弹性响应研究。同时，将新方法应用于新马德里地震带，验证方法的有效性，并初步分析快速河流下切剥蚀和冰川消融两类地表载荷响应对真实地质条件的敏感性。

以冰川消融为代表的地球表面载荷变化响应过程，是地球动力学研究的热点问题。需要发展一套能够考虑地球三维精细结构、地表高程和壳幔起伏界面的固体地球地表载荷响应计算方法来模拟真实地球。在这种背景下，通过本项目的资助，采用高性能并行有限元计算和自适应网格加密技术，发展了一套全球横向非均匀椭球形地球表面载荷粘弹性响应的计算程序(包括地形、Moho面起伏等)，适用于真实地质条件下的地球表面载荷粘弹性响应研究。通过和解析解的对比，验证了方法和程序的可靠性。同时，将新方法应用于新马德里地震带，验证方法的有效性，并初步分析快速河流下切剥蚀和冰川消融两类地表载荷响应对真实地质条件的敏感性差别。由于该方法具有自动化建模和高性能计算的优点，在不同地质实例中可以通过参数化建模节省建模时间，通过并行计算节省求解时间。本项目发展的方法不局限于GIA计算，已经发展为通用有限元计算软件DEF3D，DEF3D的粘弹性计算框架已经扩展到可以用来计算地震、火山以及冰后回弹等固体地球对表面载荷的粘弹性响应问题。除了正演计算，本项目的方法与程序将在横向非均匀的地幔粘滞系数等反演问题上发挥作用，例如，借助InSAR技术，利用高原冰湖的周期性形变资料以及水位资料可以反演地幔粘滞系数。