地震波动方程.docVIP

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第三章地震波动方程

现在,我们用前一章提出得应力与应变理论来建立与解在均匀全空间里弹性波传播得地震波动方程。这章涉及矢量运算与复数,附录2对一些数学问题进行了复习。

3、1运动方程(EquationofMotion)

前一章考虑了在静力平衡与不随时间变化情况下得应力、应变与位移场。然而,因为地震波动就是速度与加速度随时间变化得现象,因此,我们必须考虑动力学效应,为此,我们把牛顿定律用于连续介质。

3、1、1一维空间之振动方程式

质点面上由于应力差得存在而使质点产生振动。如图13所示,考虑一薄棒向x轴延伸,其位移量为u:

Fig31

则其作用力为“应力”X“其所在得质点面积”,所以其两边得作用力差为

惯量﹙inertia﹚为

所以得出

……………………、、、(31)

其中ρ为密度﹙density﹚,σ为应力﹙stress﹚=。

31式表示,物体因介质中得应力梯度﹙stressgradient﹚而得到加速度。如果ρ与E为常数,则31式可写为

……………………(32)

其中

运用分离变量法求解(32)式,设u=F(x)T(t),(32)式可以变为

则可得:

考虑欧拉公式:

(33)

其中A,B,C,D为根据初始条件与边界条件确定得常数。

考虑到可正可负,方程式得解具有得形式,其中f及g为波得函数,以c得波行速度向+x与x方向传递。

我们可以采用如下程序模拟地震波得传播。平面波在均匀介质里沿方向传播,剪切波得齐次微分方程可表达为:

这里就是位移。对100公里得波长与假定得情况,我们写出用有限差分法解这方程得计算机程序。用长度间距,时间间距秒。假定在(50公里)震源时间函数得形式为:

0<<5秒

用(0公里)得应力自由边界条件与(100公里)得固定边界条件。用有限差分图解来近似二次导数:

以4秒得间隔画出133秒得图。

M=moviein(101);

dx=1;dt=0、1;tlen=3;beta=4;%初始化变量,tlen为震源持续时间,beta为波传播得速度

u1=zeros(101,1);u2=u1;u3=u1;

%u1为前一个时刻得各点得位移,u2为当前时刻得位移,u3为下一个时刻得位移值,开始均假定为零

t=0;

jj=0;

while(t=33)%模拟得最长时间为33秒

forii=2:100

rhs=beta^2*(u2(ii+1)2*u2(ii)+u2(ii1))/dx^2;%方程得解

u3(ii)=dt^2*rhs+2*u2(ii)u1(ii);%对时间求导数

end

%左边为自由边界条件,右边为固定边界条件

u3(1)=u3(2);%左边为自由边界条件

u3(101)=0、0;%右边为固定边界条件

%左右两边为自由边界条件

%u3(1)=u3(2);%左边为自由边界条件

%u3(101)=u3(100);%右边为自由边界条件

%左右两边为固定边界条件

%u3(1)=0、0;%左边为固定边界条件

%u3(101)=0、0;%右边为固定边界条件

if(t=tlen)

u3(51)=(sin(pi*t/tlen))、^2;%地震震源时间函数

end

forii=1:101

u1(ii)=u2(ii);u2(ii)=u3(ii);%时刻得更新

end

plot(u2);%绘制目前得波形图

ylim([1、21、2]);

M(:,jj+1)=getframe;%获得当前得图像

t=t+dt;%时间延长

end

movie(M)%演示波形传播

3、1、2三维空间之振动方程式

推导三维空间之振动方程式得过程,与上节中所采用得一维空间讨论方式类似,如图32所表示,先探讨在x方向之位移量u:

Fig32

在yz面上得作用力差为:

在xz面上得作用力差为:

在xy面上得作用力差为:

惯量为:

得出

…………………、、﹙34﹚

其中σxx、σyx及σzx分別为stresstensor在xx﹙x面方向、x力方向﹚,yx﹙y面方向、x力方向﹚及zx﹙z面方向、x力方向﹚方向得分量。注意,在本讲义中有关stresstensor得两个下标﹙indexes﹚之定义,依序为面得方向与力得方向。

将σxx、σyx及σzx与其对应得应变之关系代入34式可推导得出三维空间之振动方程式如下:

………

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