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

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[1] 夏英杰, 陈华斌, 陈健, 姚明宇, 杨海. 不同施工参数下深层页岩水力压裂数值模拟[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(3): 924-936.
[2] 涂君汕, 陈辉, 邓居智, 陈康, 李焱, 余辉. 水库堤坝对高密度电法的影响及校正技术[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(3): 1013-1025.
[3] 束龙仓, 位书静, 澈丽木格, 温中琦, 刘波. 西辽河平原生态输水的地下水响应及不确定性量化[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(2): 647-660.
[4] 张阳阳, 杜威. 基于超收敛单元片梯度恢复的自适应有限元法音频大地电磁正演[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(2): 673-683.
[5] 黄兴国, 翁央央, 韩丽. 基于广义递归卷积的孔隙黏弹地震波正演模拟[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(1): 377-385.
[6] 周柳湘, 余思琴, 陈俊华, 刘城, 陈义, 张鑫鑫, . 潜孔锤与冲击钻机联合钻进工艺成孔碎岩过程数值模拟[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2025, 55(5): 1608-1618.
[7] 苑成旺, 张敏, 张少龙, 秦磊, 郭海洋, 墨海滢, 信旸. 长春地铁基坑支护结构变形与地表沉降特征[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2025, 55(3): 879-892.
[8] 于子望, 卢帅屹, 白林, 郑天琪. CO2地质封存岩石力学问题研究进展[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2025, 55(3): 930-942.
[9] 程瑶, 陆丹丹, 赵龙飞.

微波加热油页岩储层的热响应 [J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2025, 55(2): 387-400.

[10] 刁国君, 何昕.

地铁明挖车站下穿越既有建筑物的局部暗扩挖施工关键技术 [J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2025, 55(2): 536-549.

[11] 李航, 孙宇航, 李佳慧, 李学贵, 董宏丽, .

基于波动方程的地震波数值模拟研究综述 [J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2025, 55(2): 627-645.

[12] 蔺学旻, 肖红琳. 缝洞型储层声波远探测测井响应模拟及应用——以塔河油田碳酸盐岩缝洞型储层为例[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2025, 55(1): 312-327.
[13] 徐鑫, 刘阳, 张勇, 褚小磊, 徐智恺, 孙景贵, 刘晨. 大兴安岭东坡中北段六九山斑岩铜成矿系统浅成岩成因与地球动力学背景[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2024, 54(5): 1558-1574.
[14] 吴泽坤, 何来胜, 白晓宇, 麻栋栋, 牛永昌, 赵广, 桑松魁, 闫楠, 张明义. 层状土中静压桩连续贯入现场试验与数值模拟[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2024, 54(4): 1291-1304.
[15] 庞志超, 肖华, 毛晨飞, 陈国军, 梁琬坤, 高明, 张啸. 准噶尔盆地南缘地区含膏质地层岩性特征及测井识别方法[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2024, 54(4): 1419-1431.
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[1] 尤敏鑫,刘建民. 同位素地球化学在峨眉山大火成岩省研究中的应用现状与进展[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2014, 44(4): 1231 -1243 .
[2] 杨春梅, 李洪奇,陆大卫,张方礼,高 原,邵英超. 不同驱替方式下岩石电阻率与饱和度的关系[J]. J4, 2005, 35(05): 667 -671 .
[3] 祝洪臣,张炯飞,权 恒. 大兴安岭中生代两期成岩成矿作用的元素、同位素特征及其形成环境[J]. J4, 2005, 35(04): 436 -0442 .
[4] 朱建伟, 赵刚, 刘博, 郭巍, 成俊. 油页岩测井识别技术及应用[J]. J4, 2012, 42(2): 289 -295 .
[5] 陈力,梁海安,张文娟,荣帆. 模糊数学方法在城市工程地质环境区划中的应用--以抚顺市城区为例[J]. J4, 2008, 38(5): 837 -0840 .
[6] 高桂梅,苏 克,王文颖,甘树才,刘招君. 吉林省桦甸油页岩中稀土元素和微量元素的研究[J]. J4, 2006, 36(6): 974 -0979 .
[7] 吴孔运,蒋忠诚,叶 晔. 不同植物群落对灰岩试块溶蚀速率的影响[J]. J4, 2007, 37(5): 967 -0971 .
[8] 周彦章,迟宝明,刘中培. 山东夏甸金矿床充水机理构造控制模式[J]. J4, 2008, 38(2): 255 -0260 .
[9] 张渊,刘连登,孙景贵,陈国华,张洪喜,闫复传,杨开春. 胶东西北部黄埠岭金矿床两期次叠加成矿[J]. J4, 2008, 38(1): 21 -0026 .
[10] 鲁程鹏, 束龙仓, 苑利波, 张蓉蓉, 黄币娟, 王彬彬. 基于示踪试验求解岩溶含水层水文地质参数[J]. J4, 2009, 39(4): 717 -721 .