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随着观测资料的海量增长，高性能计算技术在地球动力学数值模拟中日显重要。近年来基于纵核模式的通用图形处理器计算(General-Purpose GraphicsProcessing Unit)已成为高性能计算前沿应用技术，考虑在地球动力学特别是计算地球动力学研究中引入这一前沿技术是本文的基本出发点。博士论文将考虑基于CUDA(Compute Unified Device Architecture)的GPU(GraphicsProcessing Unit)并发技术和基于MPI的PC cluster并行技术在内的最新高性能计算技术用于数值计算程序开发，并针对地球动力学中的一些典型问题应用进行讨论，具体涉及:1、基于GPU的Stokes流体问题的多重网格法有限差分程序实现和最小残差法求解器实现;2、基于GPU的三维地震波传播有限元程序的实现;3、紫坪铺水库蓄水活动与汶川地震的关系数值模拟。4、粘弹性本构下的华北和川滇地震孕育机理模拟研究; 在基于GPU的Stokes流体问题的多重网格法实现中，使用Matlab调用CUDA内核的形式改写了用于Stokes方程求解的有限差分数值程序。在实现中针对GPU的特定体系结构，引入了红黑Gauss-Seidel迭代法，求解了地球动力学领域经典的粘性块体下沉问题，证明了GPU实现的多重网格法求解器能够在小型GPU工作站上产生很好的加速效果。另外，针对有限元离散的Stokes方程组，实现了GPU上的最小残差法(MINRES)求解器，并在用于求解稳态地幔对流的算例中验证了程序的实用性。这两种基于GPU实现的先例在国内外的相关研究中均较少报道，属于计算地球动力学领域前沿探索。 在基于GPU的三维地震波传播有限元程序实现中，首先利用一个开发成熟的MPI框架将原有地震波传播程序并行化，然后针对地震波有限元程序中的性能瓶颈一单元循环部分进行了GPU移植，得以实现小型GPU Cluster上的高性能数值模拟。 在紫坪铺水库蓄水活动与汶川地震关系模拟中，首先比较了二维和三维有限元模拟的差异，得出了二维模拟夸大了蓄水影响，更细致的研究应该考虑使用三维模型;然后使用了近似真实的有限元模型模拟了真实断层存在下的弹性和渗流作用影响，得到了弹性效应降低了汶川地震危险，渗流效应增大了危险，但二者的叠加效应仍没有导致触发汶川地震的可能性。进一步，从理论角度探讨了孔弹性模型下的排水和不排水孔隙渗流效应，得出了在快速反应的水库地震研究中不可忽略不排水效应的结论。 在地震孕震研究中，分别以华北和川滇这两个典型强震多发区域为例，通过求解粘弹性方程模拟了千年尺度的地震构造孕震问题，从数值模拟结果可以发现大地震的孕震机制与区域流变结构息息相关。在华北结果可以很好的解释地幔上涌与大地震发生的关系，还得到地震震源深度分布与流变结构存在密切联系的结论;在川滇，模拟显示了构造应力迁移过程，以及重现了汶川地震的逆冲型虚拟震源球，而这也与流变结构的横向不均匀性有关。