一、WSM小組為什么要開發(fā)GeoStress？

隨著技術(shù)的發(fā)展，高分辨率4D地質(zhì)力學數(shù)值模型已可模擬3D應(yīng)力張量及其因自然（例如板塊構(gòu)造，地震，侵蝕，沉積）和人為過程（例如流體注入或生產(chǎn)，排熱、采礦）而引起的時空變化。高效且用戶友好的可視化模型結(jié)果已成為模擬工作流程中最耗時的步驟。通常，在解釋模型結(jié)果期間會出現(xiàn)三個問題，特別是應(yīng)力張量分析：

1. 商業(yè)有限元軟件包的后處理工具中提供的可視化功能不提供標量和矢量值，例如構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)，最大水平應(yīng)力方向或地球科學所需的應(yīng)力比率。 此外，如果不花費大量精力并在后處理代碼中進行內(nèi)部編程，則不可能得出相對于任意表面的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力。
2. 輸出數(shù)據(jù)主要基于屏幕截圖，因此，與其他數(shù)據(jù)的組合使用會受到限制，且圖形質(zhì)量在大多數(shù)情況下無法用于出版。 此外，很難訪問ASCII文件中的值以進行進一步的后處理，或在數(shù)據(jù)存儲庫中發(fā)布和/或與其他數(shù)據(jù)組合。
3. 內(nèi)部插值方案幾乎沒有文檔記錄，在分析模型中先存斷層的相對位移（接觸面模擬）時會受到限制或效率低下。

為加快分析速度并提高模型結(jié)果分析的質(zhì)量和靈活性，World Stress Map小組基于商業(yè)可視化軟件Tecplot 360 EX（2019 R1版）開發(fā)了GeoStress插件。GeoStress獨立于內(nèi)置的有限元求解器。

Tecplot 360 EX專門用于分析和可視化來自商業(yè)有限元軟件包的流體動力學代碼和其他數(shù)值求解器的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。 Tecplot 360 EX的數(shù)據(jù)加載器可以從先進的商業(yè)有限元代碼（例如Abaqus或Ansys）中讀取二進制文件，并為ASCII數(shù)據(jù)提供讀取器。 Tecplot 360 EX允許對C或Fortran 90中的附件進行專業(yè)編程，并訪問所有模型變量，網(wǎng)格的詳細信息以及所包含的插值方案。 輸出可以是ASCII，用戶定義的分辨率后記的圖像，矢量文件和不同輸出格式的動畫。 GeoStress插件專門用于分析應(yīng)力張量和位移矢量，但是Tecplot 360 EX還可以處理溫度場-滲流場-應(yīng)力場（THM）模型的結(jié)果，并可視化溫度和孔隙壓力場。

二、相比GeoStress 1.0有哪些變化

盡管 GeoStress v2.0 的通用功能與圖形用戶界面保持原貌，但其底層技術(shù)架構(gòu)已實現(xiàn)重大革新。新版 2.0 版本主要包含以下三項核心改進：

1. 對外部表面與多段線的應(yīng)力插值方案進行全面重構(gòu)。在 GeoStress v1.0 版本中，所有應(yīng)力變量皆由三維應(yīng)力張量分量導出，而后再對外部表面及多段線進行插值處理；然而當涉及雙極數(shù)據(jù)（如 SHmax 方位角）時，若表面一側(cè)為 179°N 而另一側(cè)為 1°N，傳統(tǒng)插值方法將產(chǎn)生 90°N 的均值誤差。新版 GeoStress v2.0 則基于應(yīng)力張量的六個獨立分量重新構(gòu)建外部表面與多段線上的應(yīng)力值，僅對三維應(yīng)力張量六分量的幾何特征實施插值運算。

2. GeoStress 附加模塊 2.0 版本現(xiàn)已兼容 2019 年 10 月發(fā)布的 Tecplot 360 EX 2019 R1 版本，該版本可加載 Abaqus 2019 生成的 *.odb 文件。同時 Tecplot 360 EX 2019 R1 在模型結(jié)果的載入與處理速度上實現(xiàn)顯著提升。除 64 位 Windows 版本外，我們現(xiàn)在還同步提供 Linux 版本的附加模塊。

3. 新增支持 Tecplot 宏命令與 PyTecplot 協(xié)同工作的函數(shù)庫。該特性尤其適用于需要批量自動分析模型數(shù)據(jù)而無需啟動 GeoStress 圖形界面的應(yīng)用場景。

此外，我們修復了 GeoStress v1.0 手冊中的若干細節(jié)問題，優(yōu)化了用戶界面的操作邏輯。手冊新增章節(jié)詳細闡述了如何在 Windows 系統(tǒng)下通過 PyTecplot 調(diào)用 GeoStressCmd.dll 函數(shù)庫，并同步提供適用于 Linux 操作系統(tǒng)的 libGeoStressCmd.so 版本。

三、應(yīng)力有關(guān)術(shù)語

• In situ stress state
  原位應(yīng)力狀態(tài)。原位應(yīng)力是在給定點上影響巖石應(yīng)力狀態(tài)的所有自然應(yīng)力和自然過程的總和；。
• Disturbed stress state
  人為變化而干擾了的原位應(yīng)力；
• principal stress (S1, S2, S3)
  主應(yīng)力：對稱應(yīng)力張量始終可以轉(zhuǎn)換為主應(yīng)力系統(tǒng)（Jaeger et al.，2007）。 在得到的對角線形式中，三個剩余值是特征值，主應(yīng)力方向?qū)?yīng)于應(yīng)力張量的特征向量。 根據(jù)定義，S1是最大主應(yīng)力，S3是最小主應(yīng)力（S1≥S2≥S3）。
• differential stress (Sd = S1 - S3)
  差應(yīng)力：最大和最小主應(yīng)力之差
• mean stress (Sm)
  這是應(yīng)力張量的第一個不變量，定義為它的跡線的三分之一，即:
• Sm =?（SXX + SYY + SZZ）=?（S1 + S2 + S3）
• effective stresses (S')
  有效應(yīng)力(S'): 總應(yīng)力S減去孔隙流體壓力pf。
• vertical stress (Sv)
  Sv的大小是過載負荷的積分。 在較大的深度，Sv方向可能會偏離主應(yīng)力方向。
• magnitude and orientation of maximum and minimum horizontal stress (S_Hmax, S_hmin, S_Hazi)
  S_Hmax和S_hmin是S_Hmax≥S_hmin的3D應(yīng)力張量的2D水平部分的主應(yīng)力。 它們的方向由正北向順時針方向旋轉(zhuǎn)定義。 假設(shè)S_V是主應(yīng)力，S_Hmax和S_hmin也是主應(yīng)力。 SHazi是SHmax在2D水平方向上的方向。
• reduced stress tensor
  通常認為，在深度上，S_V的方向也是主應(yīng)力方向。 在這種情況下，僅需要四個應(yīng)力張量分量來描述3D原位應(yīng)力狀態(tài)：S_Hmax方向以及S_V，S_Hmax和S_hmin的大小。
• stress regime
  與應(yīng)力有關(guān)：應(yīng)力狀態(tài)是主應(yīng)力的相對大小的表達。 可以使用Regime Stress Ratio（RSR）將其表示為0到3之間的連續(xù)值（Simpson，1997）。
• tectonic stresses
  根據(jù)Engelder（1992）的觀點，構(gòu)造應(yīng)力是指原位應(yīng)力狀態(tài)中偏離特定參考應(yīng)力狀態(tài)（如單軸應(yīng)力或巖石靜壓力狀態(tài)）的水平分量。 這些參考應(yīng)力狀態(tài)指示S_Hmax和S_hmin的大小相等。 但是，文獻中的定義并不一致或不清楚。
  構(gòu)造應(yīng)力不一定等于偏應(yīng)力，偏應(yīng)力是應(yīng)力張量的非各向同性部分（各向同性部分是平均應(yīng)力Sm）。 僅當S_V是主應(yīng)力并且假設(shè)參考應(yīng)力狀態(tài)為巖石靜力學，即三個主應(yīng)力的大小相等時（S_Hmax = S_hmin = S_V），這才是正確的。
• tectonic regime
  與斷層運動學有關(guān)：安德森（1905）定義的沖斷層，正斷層和走滑斷層。 只有當斷層在應(yīng)力場中最優(yōu)定向時，應(yīng)力狀態(tài)才與構(gòu)造狀態(tài)一致（Célérier，1995）。
  正斷層： S_V > S_Hmax > S_hmin
  走滑斷層：S_Hmax > S_V > S_hmin
  逆斷層： S_Hmax > S_hmin > S_V