不同距离力源作用下脆性破裂的稳定性和止裂

根据断裂力学的原理, 提出了脆性破裂的止裂准则, 给出了最小止裂方程. 利用Erdogan的集中力的零频Green函数解, 分析了点力和简单分布力的位置对脆性破裂的稳定性和止裂的作用, 给出了若干典型条件下临界载荷、 失稳边界线、 止裂点的计算结果. 近距离力源引起的稳定性破裂, 对于解释一些蠕裂和构造的形成是有意义的; 不同距离力源引起的失稳破裂, 对于解释不同震级地震的发生和停止是有意义的. 强地震的发生有可能是远场力与近场力各种复合作用的结果. 本文的结果对于认识诱发地震的力学机制也有重要意义.      

昆仑山8．1级地震期间长的超剪切破裂的观测

2001年昆仑山地震是一次不寻常的事件，产生了400km长的地表破裂。这次事件的区域宽频带记录提供了精确观测地震期间断层破裂速度的机会，对于认识地震危险性和理解地震物理具有重要意义。我们得到破裂在长为400km的地震断层上传播的平均速度为3．7～3．9km／s，超过了地壳脆性部分的剪切波速。破裂以亚瑞雷波速开始，以后增大到超剪切波速，经过100km的传播之后可能达到5km／s。     

断层阶区对产生超剪切地震破裂的促进作用

地震时若断层发生超剪切破裂,地震灾害会显著加剧.因此研究超剪切破裂的形成机理有着非常重要的科学意义.本文利用动力有限单元方法,模拟断层破裂从初始断层跳跃传播到另一条平行的次级断层(断层阶区)时破裂速度的变化情况,并分析断层阶区几何特征等物理参数对产生超剪切地震破裂的促进作用.计算结果表明,断层阶区的诸多物理因素(如:重叠长度、相隔距离以及摩擦系数等)都会对破裂的传播速度产生影响.在一定条件下,破裂传播速度会由在初始断层上的亚剪切波速度,转换为在次级断层上的超剪切波速度.在破裂速度转换过程中,断层间隔起着重要作用,当断层阶区中两断层垂直间隔距离小到一定程度时,破裂跳跃阶区后,破裂速度不会发生变化.所以对于分段断层(可视为一种特殊的断层阶区),由于其断层垂直间隔为0,也就不会出现破裂速度变化的现象,模拟结果对此也进行了证实.然而,若断层间隔太大,当其距离超过一定的限度后,破裂通常无法跨越断层阶区继续传播,而是终止在初始断层上.模拟结果还表明,初始断层与次级断层之间的重叠距离也十分重要,只有当断层阶区中两平行断层之间的重叠部分达到一定长度后,断层的破裂速度才有可能发生转换.此外,计算结果显示,破裂过程中断层面上的应力变化可能是破裂传播速度发生转换的直接原因.最后,模拟还发现,当破裂跨越断层阶区发生速度转换时,破裂需要停顿一定的时间,以便积聚足够的能量来实现破裂速度的增快.     

青海玉树地震(M_s=7.1)产生超剪切破裂过程的动力学机制研究

由于2010年玉树地震(Ms=7.1)产生了超剪切地震破裂,所以地震灾害特别严重.国内外地球科学家对该地震产生超剪切破裂过程的物理机制一直非常关注,但至今没有给出满意的解答.为此,文中根据玉树地震发震断层的实际几何构建有限单元数值模型,模型中的断层由2个断层段构成,它们之间有约10°的夹角,形成断层拐折.模拟结果表明,玉树地震的破裂由2个子事件组成;当破裂在震源所在的断层上成核后,先在第一个断层段上传播,其速度为亚剪切波速度;当破裂一旦越过断层拐折,在第二个断层段上传播时,破裂速度就立即转变为超剪切波速度.计算结果显示,当断层发生超剪切破裂时,断层上的位错幅度、破裂产生的地震波速度及加速度都会显著增大,从而造成地震灾害大大增加,这很可能是玉树地震的震害特别严重的重要原因.从模拟实验中还看到,若是模型中的断层没有发生拐折,在模型的其他参数都保持不变的情况下,破裂速度不会发生变化.但是,若初始应力场的方位与断层之间的夹角发生变化,这时断裂系统中尽管存在断层拐折,也不是一定能产生超剪切破裂.只有当初始应力方位与断层之间的夹角以及断层走向变化的偏角二者之间的关系恰到好处时,断层拐折才有可能促使断层破裂由亚剪切转化为超剪切破裂.所以,玉树地震之所以能产生超剪切地震破裂,恰恰是发震断层几何与初始应力场方位之间的关系达到某种"最佳状态"的结果.这也可能是天然地震中超剪切破裂事件稀少的原因之一.因此,研究超剪切地震破裂过程的动力学机制,对于深入研究地震震源过程、地震灾害评估等有着非常重要的科学意义.     

跨断层位移测量与地震预报

本文以震例、实验成果及粘滑理论,证实跨断层测量已经成为目前中短期预报地震的手段之一,不跨断层测量则效果较差。宁河水准点观测到的唐山地震前“临界破裂前兆蠕滑”,不同于圣安德烈斯蠕动断层震前的加速蠕滑,它是板内首次测到的大震前兆蠕滑,并更强有力地证实国内外各种岩石破裂实验中普遍观测到的前兆蠕动在震前存在。“临界破裂前兆蠕滑”可能是一种必然出现的前兆现象,因此具有一定的理论意义和实用价值。根据跨断层位移测量点预报地震的经验,可将前兆异常分为三级,列出各种干扰,建立构造、前兆二判式。这套判别系统经过验证不仅实用,且为地震预报提出了一条新的思路。     

强地震前兆低频波的实验研究

声波透射实验表明，对于板状材料，声音的一部分能量可以透射到空气中。另一部分能量在板中产生简正波，使板产生较大的振幅，在空气中产生能被话筒接收到的声音信号，而信号的简正频率与板的尺寸有关。另外，破裂过程中的声发射实验证实：随着微破裂的集结和裂纹的扩展，所辐射波的频谱会逐渐向低频移动，而且当频率很低时，可以透射出岩石，被话筒接收到。根据尺度相似性原理，推广到野外，强地展前破裂集结可能会辐射出超低频波，这种超低频波不能被常规的地震仪记录到，但可以被超低频传感器或次声接收器记录到。在地震前，产生前兆的源非常复杂，大多数情况下可能并非脆性破裂，而是塑性蠕滑或者有流体的参与。而后两种情况产生的波的周期会更长，而且缺乏脆性破裂所固有的高频成分，这可能就是多数地震前缺乏前震的原因。     

新疆库尔勒活动断裂和断层破裂段探讨

新疆南疆重镇库尔勒市及附近地区，至少分布着９条颇具规模的活动断裂。尤其斜切库尔勒市区北部的库尔勒断裂，新活动十分强烈。库尔勒断裂东段与兴地断裂西段很可能是连通的一条地震破裂段，两者均存在着丰富的多期次古地震事件的遗迹，为较稳定的断层“破裂单元”。该破裂段上现代地震活动异常平静，但发现了明显的蠕滑错开形迹。这种地震的发生与断层滑动不协调现象，说明断层运动受到了抑制，能量在某处得以积累，有酿成大震的条件和危险。     

断层破裂传播速度与破坏性地震的烈度分布——浅源地震的断层不均匀性与短周期波动的多普勒效应

地震的等震线不仅反映了地震的大小,而且也反映了地震断层过程的类型和破裂速度.单侧破裂的断层过程呈现出蛋型的等震线,而双侧破裂的断层过程呈现出椭圆的等震线,等震线的长轴与短轴之比对于破裂传播速度十分敏感.本研究利用理论等震线与观测结果相比较的方法,确定了1964年日本新地震、1983年日本海中部地震、1975年中国海城地震和1976年中国唐山地震的破裂传播速度、断层类型以及断层走向.得到的断层破裂速度是剪切波的0.7——0.9倍.这些值比用长周期地震波所确定的要稍大.产生这种差异的原因是:对烈度起主要影响的短周期地震波强烈地依赖于小尺度的断层不均匀破裂过程,以及局部的破裂传播的开始和终止;而由长周期波所得到的破裂速度却反映了在整个断层上破裂传播的平均过程.根据等震线图所得出的断层类型及断层走向与其它独立方法的结果相一致.这意味着本方法可以应用于推断某些历史地震的断层类型、破裂传播速度及破裂传播方向.      

具有分形结构强度分布的二维地震断层模拟

提出一种二维地震断层破裂模式，这是在一维弹簧-滑块模式的基础上建立的．利用这种断层的二维向量模型，研究了地震断层的动力学平面-应变的破裂问题．形象、直观地模拟了具有均匀或不均匀破裂强度分布的二维地震断层的破裂成核、扩展、传播直至停止的动力学全过程．阐明了在均匀预应力条件下，断层将获得足够的动量以克服破裂传播路径上的高强度障碍体．破裂锋面亦可绕过孤立的障碍体继续向前传播．整个模拟过程表明:断层破裂过程的停止条件对模拟地震破裂的全过程起着重要作用；我们还研究了断层面上破裂强度分布不均匀条件下断层的动态破裂过程，模拟了具有分形结构强度分布的二维地震断层产生的地震序列．它具有类似自然界地震现象的某些特征．这些特征主要取决于断层面上破裂强度的分布及初始应力降的大小．建立在实验和观测基础上的断层破裂过程模拟研究，为解释地震活动性统计规律的某些特征提供了物理基础.      

断层破裂传播速度与破坏性地震的烈度分布——浅源地震的断层不均匀性与短周期波动的多普勒效应

地震的等震线不仅反映了地震的大小,而且也反映了地震断层过程的类型和破裂速度.单侧破裂的断层过程呈现出蛋型的等震线,而双侧破裂的断层过程呈现出椭圆的等震线,等震线的长轴与短轴之比对于破裂传播速度十分敏感.本研究利用理论等震线与观测结果相比较的方法,确定了1964年日本新地震、1983年日本海中部地震、1975年中国海城地震和1976年中国唐山地震的破裂传播速度、断层类型以及断层走向.得到的断层破裂速度是剪切波的0.7—0.9倍.这些值比用长周期地震波所确定的要稍大.产生这种差异的原因是:对烈度起主要影响的短周期地震波强烈地依赖于小尺度的断层不均匀破裂过程,以及局部的破裂传播的开始和终止;而由长周期波所得到的破裂速度却反映了在整个断层上破裂传播的平均过程.根据等震线图所得出的断层类型及断层走向与其它独立方法的结果相一致.这意味着本方法可以应用于推断某些历史地震的断层类型、破裂传播速度及破裂传播方向.     

构造地震的前兆理论——震源孕育的膨胀-蠕动模式

较详细地讨论了构造地震的震源孕育情况;在考虑了动摩擦效应后,进一步对震源孕育过程和各种物理量的变化规律进行了分析和计算,提出了震源孕育的膨张一蠕动模式.该模式将孕震过程划分为:弹性变形、非弹性变形（膨胀）、前兆蠕动（断层面局部破裂）、加速蠕动（短期和临震）、整体错动（断层面全部破裂）--发震、震后调整等六个阶段.最后讨论了两类不同前兆、蠕裂和崩裂、非弹性变形（膨胀）速度的变化、各种前兆异常的基本形态、短临前兆的物理基础等问题.研究结果表明,膨胀-蠕动模式可能是认识地震前兆现象本质和发展预报技术的一个物理和力学基础.     

Quake Catalogs from an Optical Monitoring of an Interfacial Crack Propagation

Using an experimental setup which allows to follow optically the propagation of an interfacial crack front in a heterogeneous medium, we show that the fracture front dynamics is governed by local and irregular avalanches with large velocity fluctuations. Events defined as high velocity bursts are ranked in catalogs with analogous characteristics to seismicity catalogs: time of occurence, epicenter location and energy parameter (moment). Despite differences in the fracturing mode (opening for the experiments and shear rupture for earthquakes), in the acquisition mode and in the range of time scales, the distributions of moment and epicenter jumps in the experimental catalogs obey the same scaling laws with exponents similar to the corresponding distributions for earthquakes. The record-breaking event analysis also shows very strong similarities between experimental and real seismicity catalogs. The results suggest that the dynamics of crack propagation is controlled by the elastic interactions between microstructures within the material.     

Weak Zone Related Seismic Cycles in Progressive Failure Leading to Collapse in Brittle Crust

Until quite recently our understanding of the basic mechanical process responsible for earthquakes and faulting was not well known. It can be argued that this was partly a consequence of the complex nature of fracture in crust and in part because evidence of brittle phenomena in the natural laboratory of the earth is often obliterated or obscured by other geological processes. While it is well understood that the spatial and temporal complexity of earthquakes and the fault structures emerge from geometrical and material built-in heterogeneities, one important open question is how the shearing becomes localized into a band of intense fractures. Here we address these questions through a numerical approach of a tectonic plate by considering rockmass heterogeneity both in microscopic scale and in mesoscopic scale. Numerical simulations of the progressive failure leading to collapse under long-range slow driving forces in the far-field show earthquake-like rupture behavior. En Echelon crack-arrays are reproduced in the numerical simulation. It is demonstrated that the underlying fracturing induced acoustic emissions (or seismic events) display self-organized criticality—from disorder to order. The seismic cycles and the geometric structures of the fracture faces, which are found greatly depending on the material heterogeneity (especially on the macroscopic scale), agree with that observed experimentally in real brittle materials. It is concluded that in order to predict a main shock, one must have extremely detailed knowledge on very minor features of the earth's crust far from the place where the earthquake originated. If correct, the model proposed here seemingly provides an explanation as to why earthquakes to date are not predicted so successfully. The reason is not that we do not understand earthquake mechanisms very well but that we still know little about our earth's crust.     

内应力模式震前蠕裂感生的前兆特征

已有的前兆模型大体上可分两类:一类从完整岩石的破裂试验为基础,得出破裂区（震中）附近完全一致的前兆曲线;另一类以数理理论为基础,推得震源区附近有力学性质不同的区域,而同一性质的区域有与构造应力同步的前兆曲线。由于它们的前提与实际情况有较大的差异,没有考虑孕震区中原有裂纹的存在,这些前兆模型似不能很好地说明许多震例中的复杂的前兆现象。本文在“构造地震的局部内应力源模式”和“失稳破裂与蠕裂”两文的基础上,进一步讨论由于震前蠕裂所产生的应力场的时空变化而感生的前兆特征。     

长周期形变波及其所反应的短期和临震地震前兆

本文应用断裂力学和流变介质中波的传播理论来研究震前长周期形变波的波动源以及这类波传播的一些主要特征,在理论研究结果的基础上,对我国多次较大地震前观测到的短临地震前兆进行了剖析,并从中识别出一些可能与长周期形变波有关的短临地震前兆.首先,从粘滑与破裂这两类主要地震机制出发,提出了粘滑前的预滑与破裂前断裂的预扩展(亚稳态扩展)可能是产生震前长周期波的两类波动源的看法,并着重从理论上讨论了后一类波动源.其次,以地壳流变介质模型为基础,对长周期形变波的传播特性进行了理论研究.选用地壳的广义流变介质模型,求解了所述的两类波动源在这种流变地壳介质中引起的长周期形变波传播的动力学问题,从理论上得出了长周期形变波在地壳内传播的某些一般特征.然后,专门分析了我国多次大地震前实际观测到的短期和临震地震前兆资料,并着重讨论了唐山地震的短临前兆.在这些不同类型的短临地震前兆中,我们得出地下水位、地倾斜及潮位自动记录曲线等的某些振动式及阶跃式短临地震前兆与长周期形变波的理论探讨结果基本相符,因而可以认为它们属于由长周期形变波所反映的地震前兆.在理论研究与实际资料分析的基础上,本文归纳了由长周期形变波所引起的短临地震前兆的一些基本特征,包括传播速度、衰      

Steadiness and stop of brittle fracture driven by the forces in different distances

Introduction The problem of crack stop of fault is of special importance in geosciences. This is because the risk of rupture of large scale fault is taken as the object of investigation in the geosciences. In some meaning, the stop of earthquake rupture is more important than initial because of its influ-ence on the prediction of energy releasing during the earthquake. There are quite a few of factors that cause stop of the fault. For example, the effect of barriers, the rapid healing of shea…     

Physics of Seismic Source Ⅲ. Statistical Mechanics of Earthquakes

The statistical mechanics of earthquakes adopts the concepts and methodology of statistical mechanics, especially the theory of critical phenomena, in studying the preparation, initiation, propagation and healing of earthquake rupture, which forms a new branch in the physics of seismic source in recent years. This article introduces to the fundamental concepts of the statistical mechanics of earthquakes. The introduction includes the seismic Hamiltonian, percolation model, earthquake rupture nucleation, and Burridge-Knopoff spring-block model. It is pointed out that some of the statistical mechanical models of earthquakes have a sound seismological basis. There is a smooth "transition" from the "classical" theory to the "modern" theory of seismic source.     

1992年美国加州兰德斯地震——地壳结构不均匀性对地震发生的影响

为了理解地震的发生和地壳结构不均匀性的关系，利用南加州地震台网的固定台和临时台所记录的2863个兰德斯余震和区域地震，共计107401个P波和19624个S波高质量的到时数据，采用地震层析成像方法得到了兰德斯地震区P波和S波的精细的三维速度结构和泊松比分布．结果显示，地震的发生和分布与地壳结构的横向不均匀性有密切的关系．总体上看，兰德斯地震区余震成丛分布，并被低速块体截断，其中4级以上地震大多分布于P波高、低速异常过渡区域或偏向高速块体一侧，这可能是因为高速区多属地壳脆性介质，易于造成应力集中，导致地震；反之，低速度区则可能代表破碎程度较高、富含流体或温度较高区域，因而更倾向于产生无震变形．基于兰德斯地震区强震震源位置、地震区P波、S波速度异常与泊松比分布推断，兰德斯地震区可能有流体存在．地壳流体易使地壳岩石弱化，从而引发大地震．