超算有限元分析系统SciFEA—地质与地球物理行业应用解决方案

1、行业计算模拟现状

随着计算机技术的发展以及观测水平的提高，数值模拟在地质研究中得到越来越多的应用。以前必须通过实地观测和试验才能得到的结果，可以通过计算机数值模拟来实现；很多不可重复的过程，例如地球动力学演化、大尺度长时间的缓慢运动等问题，同样可以通过数值计算来重现；而且数值方法已成为大多数反演过程不可缺少的重要组成部分。

在众多的数值方法中，有限元方法以其严谨的理论、方便的操作、相对可靠的结果、利于计算机实现，尤其能够方便的实现复杂几何模型下的数值计算分析等优点，在地质模拟中得到广泛的应用。在资源勘探、地球动力学、地震学等地球科学研究中，很多学者利用有限元方法取得了显著的成果。但是我们注意到，地质中不断提出的问题对有限元的要求也越来越高，有限元数值方法的完善反过来大大促进了地质科学的发展。基于多物理耦合的高性能有限元数值模拟必将在地震波场数值模拟、现代地质运动、地震孕育与触发、盆地演化、地幔对流等方面发挥越来越显著的作用。

2、超算解决方案

SciFEA软件提供的固体弹性、弹塑性、粘弹性模块、热固耦合模型、孔隙介质模型、结构单元（杆、梁、板、壳）、弹簧单元、传热模块（稳态、瞬态）、点对单元、接触模块等，可以直接满足地质行业地震勘探、现代地质运动、盆地演化、地幔对流方面的计算需求。

超算科技为用户提供针对地质计算模拟的特定的处理技术，如考虑地质的非均匀性；考虑地质体的生成与剥蚀；考虑幂率流体、弹塑性损伤等材料非线性；考虑地质的褶皱等几何非线性；考虑不同地质体之间的碰撞、摩擦等边界非线性问题；考虑大尺度地幔对流时任意拉格朗日－欧拉描述；考虑地震破裂的节点分裂、地震波传播模拟的吸收边界、谱有限元技术等。

为满足用户计算结果分析的需要，超算科技提供可考虑不同时刻的断层启动、倾斜断层、地表不均匀地形、不均匀的地温分布；可输出区域任意点的变形速度、任意方位的库仑应力、可用户自定义摩擦模型和断裂准则。

超算地质行业解决方案图

为满足用户大规模计算的需要，超算科技提供用户定制化的并行计算模块开发和并行计算咨询服务。并行计算可以根据用户预算的情况提供基于机群的MPI并行和基于GPU的众核并行两种解决方案。

3、应用案例

板块推挤粘弹塑性接触模拟分析

中国科学院青藏高原研究所为研究板块推挤过程，采用弹塑性和粘弹性相结合的模型。上地壳采用弹塑性模型，屈服准则采用D-P准则和Von-Mises准则；粘弹性用Maxwell模型。模型要求考虑速度边界、静水压力边界、弹簧边界三种边界条件。按库仑接触准则考虑断层的接触效应，同时摩擦系数可随时间变化。为考虑温度场对地壳岩石特性的影响和地形变化对变形与应力的影响，可以根据数据文件给定模型的温度场和地形。计算模拟时边值、粘度可以随时间变化，可以用函数的形式，也可以用分段的形式加以定义。

塑性-粘弹性接触变形

 塑性-粘弹性接触应力

地震位错下孔隙介质变形与应力分析

中国科学院地质与地球所为模拟地震位错发生时的孔隙压力、地应力的变化，要求采用孔隙弹性本构关系，基于Biot固结理论考虑流固耦合的影响，模拟在给定的地震位错条件下库仑应力随时间的变化、孔隙压力随时间的变化。计算考虑；静水压力；流体流量三种边界条件，同时采用节点分裂法由地震反演得到的位错数据模拟发震和震后地质变形演化和库仑应力、孔隙压力演化。通过模拟反映了孔隙压力在震后的规律性变化。

地震位错后的孔隙压力变化

三维地质建模

4、携手计算

地质计算由于物性、参数、边界条件的许多不确定性，对于地质的模拟相当困难，所以地质行业有许多挑战性的课题。超算科技将携手广大科技工作者结合理论、实验和数值模拟共同面对这样的挑战。结合超算科技计算模拟技术积累，我们希望在以下具体的开发方向上和您携手进行计算模拟分析与研究。
基于有限元的地震波模拟；
岩石损伤与破裂机理模拟；
地震孕育与触发机理模拟；
孔隙介质变形与动力过程模拟；
地震发生的力学稳定性问题；
地震导致的强地面运动分析；
地质运动与前陆盆地形成机理研究。