吉林大学学报(地球科学版) ›› 2025, Vol. 55 ›› Issue (1): 98-124.doi: 10.13278/j.cnki.jjuese.20240106

• 地质与资源 • 上一篇    下一篇

地球动力学数值模拟算法的应用现状与展望

魏虹羽,李世超,王伟安   

  1. 吉林大学地球科学学院,长春 130061
  • 收稿日期:2024-05-12 出版日期:2025-01-26 发布日期:2025-02-07
  • 通讯作者: 李世超(1980—), 男, 教授,博士,博士生导师,主要从事构造地质学方面的研究, E-mail: lsc@jlu.edu.cn
  • 作者简介:魏虹羽(1996—),女, 硕士研究生, 主要从事矿产普查与勘探方面的研究,E-mail:weihy21@mails.jlu.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(41872234)

Current Status and Future Prospects of Numerical Simulation Algorithms in Geodynamics

Wei Hongyu ,Li Shichao,Wang Weian   

  1. College of Earth Science, Jilin University, Changchun 130061, China
  • Received:2024-05-12 Online:2025-01-26 Published:2025-02-07
  • Supported by:
    the National Natural Science Foundation of China (41872234)

摘要: 当前,数值模拟技术已成为探究地球动力学过程的重要手段。本文综述了数值模拟在地球动力学研究中的应用现状、主要算法和代码并探讨了发展前景。数值模拟通过对连续方程组进行离散化,并利用数值算法求解,从而高效模拟地质过程,预测地球系统的动态变化。本文系统阐述了有限元法、有限差分法、边界元法和有限体积法等主流数值方法的原理、特点和适用条件;并重点探讨了有限元法在构造应力场和断层动力学模拟中的应用、有限差分法在地震波传播模拟中的应用、边界元法和有限体积法在断层力学和孔隙流体流动模拟中的应用。通过对比分析不同方法的优缺点,揭示了多种数值方法耦合是未来地球动力学数值模拟的重要发展方向;随着高性能计算技术的进步和大数据时代的到来,数值模拟技术将在地球系统科学研究中发挥越来越重要的作用。

关键词: 数值模拟, 地球动力学, 地质建模, 数值方法, 地球系统, 有限元法, 多物理场耦合模拟

Abstract: Numerical simulation technology has emerged as a crucial tool for exploring geodynamic processes. This paper reviews the current applicationsof numerical simulations in geodynamics, focusing on key methods, algorithms, and codes, with outlining future development prospects. By discretizing continuous equations and employing numerical algorithms, these simulations efficiently model geological processes and predict dynamic changes in the Earth’s system. The paper systematically discusses the principles, characteristics, and applicable conditions for mainstream numerical methods, including the finite element method, finite difference method, boundary element method, and finite volume method. It explores the finite element method for simulating tectonic stress fields and fault dynamics, the finite difference method for seismic wave propagation, and the boundary element and finite volume methods for fault mechanics and pore fluid flow. A comparative analysis highlights the strengths and weaknesses of each method, indicating that coupling various numerical methods is a key future direction in geodynamics. Furthermore, this paper anticipates the growing significance of numerical simulation technology in Earth system scientific research, propelled by advancements in high-performance computing and the era of big data.

Key words: numerical simulation;geodynamic;geological modeling;numerical methods;Earth system;finite element method, multiphysics coupling simulation

中图分类号: 

  • P541
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