利用流固耦合模型模拟地震海啸全过程

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海底地震引起的海啸过程在力学上是一个流-固耦合问题。地震引起的海底变形会影响流体的运动,流体运动会影响地震引起的海底变形。海啸的数值模拟,通常采用浅水波控制方程,把地震引起的海底变形作为海啸波动的边界条件或初始条件,不考虑他们之间的相互作用。本文采用势流体的流-固耦合有限元方法模拟了地震和海啸的全过程。地震过程的模拟与断层位错地震模型不同,在那里断层的位错是事先指定的。在本文中,首先形成在自重作用下的初始应力场,然后通过断层材料的突然软化引起的错动模拟地震震源的动力学过程。 本文分别模拟了正断层地震引发的海啸的动力学过程和由逆断层地震引起的2004年苏门答腊岛的海啸。模拟结果均显示,在海面除了可以看到大振幅的海啸波外,还可以发现体波震相和面波震相。其中正断层的模拟结果显示,在600km的海面震中距上,它们要比海啸波早到48分钟,在此处面波的最大平均振幅可以达0.5m,它是相同震中距海底面波最大平均振幅的2倍.因此,海啸预警信息在海面可以比在地表更早地得到。海啸波的传播速度在水深3km的开阔海面是175.8m/s,它要比理想长波理论预测的大,其平均振幅为2m,波长可达32km。到达大陆架后速度、波长都减小,在岸边可以激起10m高的巨浪,水平方向深入陆地达55m。震中附近海面和地震断层上的最大垂直加速度分别为5.9m/s2和16.3m/s2,后者是前者的2.8倍,由此看来,海水是很好的减震器。海啸波的加速度到达岸边会衰减10倍。与加速度不同,海面震中处的振动速度为3.2m/s,它是海底震源处的1.4倍。震源处的最大位移小于震中海面的最大位移,其差就是海啸波源的振幅。苏门答腊地震海啸模型的模拟结果显示发生在苏门答腊西部的地震不仅可以引发其附近的海啸,还可以引发苏门答腊东部的泰国海域的海啸,两地的波高比值与实际观测到的两地波高的比值一致。海啸波的周期与地震断层的厚度有关,断层越后,海啸波的周期越大。
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