震后短期和长期形变模拟——以1960年智利Mw9.5地震为例

以1960年5月智利瓦尔迪维亚(Valdivia)Mw9.5地震为例分析震后不同时期的形变,实现了以Burgers体为粘弹介质模型来模拟震后粘弹松弛效应有限元数值模拟.计算结果表明,该粘弹介质模型可以模拟地震引起的瞬时同震弹性响应及震后粘弹松弛的短期和长期响应.由1960智利Mw9.5地震震后模拟的应变率显示以Burgers体为粘弹介质模型可以解决Maxwell体在模拟震后短期和长期形变不协调问题.     

昆仑山Ms 8.1级地震震后变形场数值模拟与成因机理探讨

2001年11月14日,在青海和新疆交界处发生了昆仑山M_s8.1级强烈地震,GPS后观测显示,此次地震震后形变不仅在断裂南北两侧存在很大的差异,而且在短时间调整后断裂南北两侧表现为同向运动.本文以观测的地震形变为约束,通过有限元数值模拟分析昆仑山地震震后形变的物理机制.建立有关的有限元虚功方程,通过有限元数值方法模拟震后形变,从理论上分析介质的非均匀性、黏滞性松弛、流体调整对震后形变的影响.采用网格搜索确定昆仑断裂南北两侧下地壳的黏滞系数分别为5.0×10¹⁷Pa·s, 9.0×10¹⁸Pa·s左右,正是这十余倍的差异引起了断裂两侧震后形变的非对称性和同向运动,这一差异既是长期地质作用的结果,又是现代地球动力学环境的决定因素之一.通过数值模拟定性讨论了断裂北侧地表形变在震后短期内的调整,对于靠近断裂附近的测点可能是黏弹性松弛和孔隙流体调整共同作用的结果,所以在分析短期震后形变时综合考虑黏弹松弛和孔隙流体调整是很有必要的.     

鲁甸地震同震与震后形变、重力时空分布的理论模拟

基于位错理论,考虑重力和黏弹性的影响,在分层介质模型下计算鲁甸地震引起的同震、震后形变和重力变化.结果表明形变和重力的显著变化主要发生于断层在地表投影附近区域.同震形变场显示发震断层有明显的走滑性质.考虑黏弹松弛效应,随着时间的推移,震后形变和重力有了明显改变,同震效应为正的区域得到加强,为负区域进一步减弱.震后松弛效应的影响范围相比同震明显增加.在靠近断层的GPS观测台站处,计算了由黏弹松弛效应引起的震后形变和重力时间序列.震后松弛效应引起的重力变化在50年之后均达到同震水平,除了NJ13的纬向、垂直位移,NJ16的垂直位移,NJ15的径向位移,其余台站的所有震后形变都超过1mm.观测台站的震后重力和垂直位移时间序列在震后100年趋于稳定,纬向位移和经向位移在震后50年趋于稳定.     

1976年唐山强震群震后库仑应力演化及其与2020年古冶5.1级地震的关系

采用能够综合协调长期变形和震后短期变形的Burgers流变模型,模拟了1976年唐山强震群引起的震后形变场以及同震和震后库仑应力变化。结果显示:1976年唐山强震群中主震的两个破裂面以及滦县和宁河两次强余震均对2020年古冶5.1级地震表现为库仑应力加载。岩石圈粘弹性松弛效应引起的库仑应力变化显示,震后15年前后,库仑应力演化状态呈现显著的差异性:震后15年内,库仑应力变化剧烈;而震后15年后,库仑应力呈现缓慢的稳定增加状态。该过程与唐山强震群余震区地震活动过程相似,可能暗示1976年唐山强震群余震区应力调整过程已基本稳定。     

2011年日本9.0级地震的同震位错以及震后应力松弛过程对中国大陆的影响

本文基于日本GEONET的GPS观测资料, 对日本2011年9.0级地震的同震和震后形变过程进行了研究。 结果表明, 日本9.0级地震使中国大陆出现了显著的同震位移, 几乎对整个中国大陆都有影响。 位移量在中国东北地区最大, 接近甚至超过该地区的年运动速率。 震后1年观测到的形变基本上可由沿着断层面的蠕滑进行模拟, 粘弹松弛的贡献不大。 根据所得到的震后蠕滑模型, 震后1年形变所释放的能量等同于发生一个8.7级地震, 其影响主要在东部地区, 最大位移约为年运动速率的30%。 预测在未来2年, 该地震的影响范围将逐渐减小。 地震造成的粘弹松弛在未来50~100年的尺度上, 对东北地区有拉张效应。 日本9.0级地震整体上起到了卸载中国大陆在板块间挤压过程中所累积应变能的作用, 因此该地震发生后的几个月, 中国大陆东部的地震活动水平较震前明显降低。     

盲逆断层震后变形耦合机制研究——以2017年伊朗MW7.3地震为例

震后变形是地震周期中一个重要阶段,深入研究其产生机制有助于提高对地震演化过程、断层性质及地震危险性评估的认识.2017年伊朗M_W7.3地震InSAR观测资料丰富,为研究扎格罗斯造山带山前褶皱带盲逆冲断层震后变形机制提供了切入点.合理详细的震源模型及高精度的形变观测是开展震后余滑或黏弹松弛研究的首要前提,本文采用多视角InSAR资料联合远场波形数据反演该地震的破裂滑动分布,并解算得到伪三维地表位移,利用InSAR时序分析提取震源区主震后一年半内变形特征,显示震源区震后形变特征与同震位移场类似,LOS向形变速率最大值约8 cm·a^-1,震后变形预示震源区可能存在明显的震后应力调整现象.利用震后半年内形变资料约束的纯运动学余滑模型表明同时期释放能量为矩震级M_W6.7,进一步探讨应力驱动震后余滑及下地壳黏弹性松弛对震后变形的贡献,基于分层黏弹模型的模拟计算表明震后余滑和黏弹松弛效应的耦合模型可以更好地解释地表震后变形特征,其中震后余滑主要分布在同震破裂区的上方浅部,对主震后一年半内震后地表变形起主导作用,震源区壳下黏滞系数量级下...     

震后形变和岩石圈流变学结构

岩石圈流变学结构是控制不同构造环境下岩石圈形变的关键因素之一. 随着空间大地测量观测技术的发展, 基于空间大地测量数据的震后形变研究对揭示断裂带内的力学性质和区域性岩石圈流变学结构已成为可能. 该文首先基于岩石力学的摩擦和流变学实验, 对余滑和分布式韧性流的构造物理背景进行了分别阐述, 并介绍了震后形变数值模拟中本构关系和数值模型的发展. 数值模型主要有解析、 半解析和纯数值3类, 涉及的本构关系包括基于速率-状态摩擦准则的余滑以及分布式韧性流中常用的线性流变学模型(麦克斯韦尔体和标准线性固体)和瞬态流变学模型(宏观经验性的伯格斯(Burgers)体和微观幂律流变律). 然后以美国南加州1992年Landers M_W7.3地震和1999年Hector Mine M_W7.1地震震后形变研究为例, 介绍了震后形变的研究进展. 最后回顾了大陆岩石圈流变学结构的研究进展, 并以震后形变研究中的流变学结构(“三明治模型”和“焦糖布丁模型”)存在的争议为例, 说明了岩石圈流变学结构研究所具有的挑战性.      

基于GRACE RL05数据研究智利地震长期震后重力变化特征

利用GRACE卫星重力可对地震引起的大范围重力变化进行观测,并从重力数据中发现主要的变化特征.发生于2010年的MW8.8智利地震震级较高,可观测到震中附近广泛的同震和震后长期重力变化.本文基于GRACERL05Level-2时变重力场数据,对2010年智利地震的同震和震后长期变化进行了计算.对同震变化的计算发现,智利地震引起的同震变化极值达-5μGal,而本文为减小水文信号的干扰而采用的3年平均的方法可以获得良好的效果.在对震后重力变化的计算中发现,智利地震震后在2011-2016年间的重力变化存在先增大后逐渐衰减的过程.对震后变化的拟合表明,智利地震震中附近有约1μGal的震后重力变化,震后变化的特征时间约1.1年.同时,在智利地震中未出现较明显的两个震后变化阶段(短期、长期).     

1990年青海共和7.0级地震震后垂直形变研究

根据1990年青海共和地震震后地表垂直形变,通过模型拟合得到了支配共和地区震后形变场时空演化的形变源及其力学机制.分析穿过断层的震前1期和震后6期水准数据,结果表明震后垂直形变具有以下特征:①震后震区上盘继续发生继承性的大幅度上升,其中震后头一年上升速率最大;②震后上升区范围显著,范围随时间变化不大,但较同震形变上升区范围增大;③震后相邻测站高差观测值的时间序列明显具有对数衰减特征或指数衰减特征,衰减特征时间分别为0.165年和1.344年.本文还发展了一个利用水准数据与连续介质位错模型研究震后形变机制的新方法.该方法用相邻水准点之间的原始高差观测值而非它们相对参照点的积分值来约束连续介质位错模型,可以有效减少误差累积带来的偏差并充分利用观测数据.利用这一方法的初步分析结果表明,断层震后滑移和介质黏弹性松弛共同导致了共和地震震后形变.前者表现为发生在断层面及其延伸部分的滑移,特别是位于主破裂上方沉积层内的滑移;后者则表现为下地壳与上地幔内的黏弹性松弛,黏滞系数为1020Pa.s量级.     

基于2001年MW7.8可可西里地震震后形变模拟研究藏北地区岩石圈流变学结构

青藏高原岩石圈的流变学结构和形变机制是地学界长期争论的重大科学问题.2001年发生在东昆仑断裂带的M_W7.8可可西里地震造成青藏高原北部地区岩石圈构造应力场的很大改变,引起下地壳与上地幔的快速弛豫形变,从而为研究这一问题提供了难得的机会.本研究采用该区域的GPS震后观测,反演这一地区岩石圈的流变学参数并探讨其形变机制.反演所采用的数据来自45个GPS观测点,其中包括一个中国地壳运动观测网络的基准站,数据最长时间跨度达6.4年.大地震震后形变场主要来源于地壳、上地幔的黏弹性松弛与断层面上的震后余滑,因此本研究同时反演介质的黏滞系数和断层的震后余滑.考虑到东昆仑断层南侧的巴颜喀拉-羌塘地区与北侧的柴达木盆地地区具有明显不同的地壳结构,断层南北两侧采用不同的Burgers体流变学结构,其下地壳-上地幔的短期和长期黏滞系数采用网格搜索法获得;断层震后余滑反演则同时施加近似正比于库仑应力的约束.最终结果显示：东昆仑断层北侧柴达木盆地地区下地壳-上地幔短期和长期黏滞系数分别为5×10¹⁸ Pa·s和1.5×10²⁰ Pa·s;东昆仑断层南侧巴颜喀拉-羌塘地区下地壳-上地幔短期和长期黏滞系数分别为1.5×10¹⁸ Pa·s和1.5×10¹⁹ Pa·s.这一结果表明：巴颜喀拉-羌塘地区下地壳-上地幔黏滞系数显著低于柴达木盆地,意味着巴颜喀拉-羌塘地区下地壳可能存在部分熔融,其地壳形变模式更趋近于连续形变,而柴达木盆地形变模式更趋近于块体运动.研究区下地壳长期黏滞系数比下地壳流模型所主张的黏滞系数高2~3个数量级,表明下地壳流在本地区可能不存在.     

伪谱法在常Q粘弹介质地震波场模拟中的应用效果

本文采用伪谱法推导了常Q粘弹介质中地震波场的运动方程和波动方程,并进行了地震波场数值正演模拟,模拟结果达到了其它模拟方法同样的效果.但与其它方法相比,采用伪谱法不仅简洁明了,更便于理解;更重要的是它比以往的方法更具有通用性.由此可以说,如果采用伪谱法模拟其它更复杂的粘弹介质模型时,完全可以避免不必要的而且烦杂的数学推导过程;直接将体积松弛模量和剪切松弛模量代入即可得其波动方程.     

基于迭代PCA的GPS时间序列震后形变估计方法和应用

GPS时间序列的震后形变分析对于研究区域震后形变机制和岩石圈流变学特性以及维持国际动态地球参考框架具有重要意义.本文在现有参数估计方法的基础上,提出兼顾震后形变衰减特征空间相关性和整体建模的"迭代PCA参数估计方法",并利用模拟数据证实了新方法可以获取更稳健可靠的震后形变、同震形变和震间速度参数.最后,以37个新西兰GPS连续站坐标时间序列为例,利用迭代PCA方法提取了2016年11月13日Kaikoura地震共性的震后形变时间演化过程和各站点的震后形变,并定量分析了震后形变对地表速度的影响.结果表明各站的震后形变在时间域上以衰减常数τ为4天的对数模型持续松弛;空间域上南岛北东部和北岛最南部震后形变较大,其中,最大震后形变点为cmbl站,截至2017年6月10日NEU方向累计的震后形变分别达到107mm,135mm和187mm,地表速度分别达到133.58mm·a-1,112.05mm·a-1和175.58mm·a-1,仍高于稳定的震间速度.     

尼泊尔M_W 7.9地震同震及震后地表形变及重力变化模拟

基于USGS公布滑动分布模型,本文利用用地壳分层模型,考虑到自重及黏弹特性,采用数值模拟的方法,对尼泊尔M_W7.9大地震同震及黏弹松弛效应引起的震后形变场及重力变化进行模拟计算,并与发震断层地表投影面附近区域实测同震GPS水平形变数据对比,结果显示:(1)同震形变场及重力变化均显示该次地震主要表现为逆冲型,且主要形变及重力变化主要发生在发震断层地表投影区域,离断层越远区域,形变量及重力变化值越小;(2)震后形变量及重力变化均增大,且影响范围逐渐增大,其中,垂直形变变化趋势与重力变化相反,表明地表高程变化与重力变化具密切的联系;(3)模拟同震结果与实测同震水平形变结果比较符合,少数台站点差异较大,但运动趋势与实测结果基本一致,一定程度上验证了模拟同震及震后形变量及重力变化的可靠性.     

玉树M_S7.1地震同震效应模拟与绝对重力检验

利用玉树震后地质调查获取的地表破裂位移,参考余震精定位结论以及地震波和InSAR反演结果,构建了玉树Ms7.1地震发震断层模型.基于弹性-粘弹分层介质模型中平面矩形位错理论,考虑介质自重的影响,模拟了玉树地震同震形变和重力变化.图像显示,玉树绝对重力点刚好位于同震重力变化极值附近,变化量达到25.02 ×10-8 m·s-2.通过对震前重力变化以及对两台FG-5绝对重力仪的一致性进行讨论,认为实测玉树台27.2 ×10-8 m·s-2为同震重力变化,这与基于位错理论的同震模拟结果一致,是对位错理论近场变化的1次很好的验证.     

较复杂介质波场计算中的一种透射边界

传统的人工边界是在声波或弹性波分解为内行和外行分量的基础上设计的.对于较复杂的介质模型（如粘弹介质、弹塑介质、塑性介质模型等）,地震波不能简单地分解为各自满足其运动方程的纵波、横波等成分,且地震波在传播过程中还有衰减现象,因此传统的人工边界已不能有效地用于非弹性的较复杂介质的波场模拟.本文提出了一种适合于更一般的地震模型的波场计算的透射边界条件,并以粘弹介质的一个较简单的二维几何模型为例,通过有限元数值求解这种透射边界和刚性边界下粘弹波的激发和传播,得到地面合成地震记录,证明了这种透射边界用于较复杂介质波场计算是可行的.     

线性粘弹介质中地震波场数值模拟

本文将以往两种粘弹介质中地震波模拟方法的优点结合起来，以模型理论和积分本构方程为基础，从理论上分析了模型对地震波场的影响；采用交错网格有限差分法对粘弹介质中的地震波进行数值模拟.数值计算结果表明该方法不仅便于计算，同时也便于从力学的角度来分析地震波的传播.数值计算结果与理论分析一致，说明这种方法可以更为有效地模拟粘弹介质中地震波的传播.     

鲜水河断裂带库仑应力演化与强震间关系

以鲜水河断裂带为研究区,首先验证了该断裂带上1893年以来M6.7以上地震的相互触发作用,然后采用更符合实际的分层黏弹介质模型研究强震震后黏滞松弛引起的库仑应力变化对后续地震的影响,并基于负位错理论计算鲜水河断裂带10个断层段的震间长期构造加载作用引起的断层上的应力积累.在此基础上,讨论同震、震后、震间效应引起的累积库仑应力变化与区域强震活动的关系,给出断层上库仑应力随时间的演化.结果表明,鲜水河断裂带上1893年以来发生的7次强震均在其前面一系列强震及构造应力加载的驱使下发生,同震、震后、震间三方面效应均引起了鲜水河断裂带不可忽略的库仑应力变化.对断层上的库仑应力状态的研究,可进一步为揭示地震的发生规律、找寻危险断层段提供线索.     

地震孕育体源流变模型(二)——应变场及其应用.

在弹性包体理论的基础上，建立了流变介质包体模型理论的应变场的理论解，导出流变介质中的包体在任意一点产生的正应变、剪应变及体应变的粘弹性解析解，即正应变、剪应变和体应变的表达式. 通过计算三维粘弹性介质中球形硬包体与软包体在地面引起的体应变场的时空演化过程，得到了一些非常有意义的结果，即球形硬包体在地面产生的体应变随时间的变化曲线出现了特征不同的3个阶段(, , )，它与大量地形变资料出现的, , 阶段相似，而球形软包体却没有这个特征. 这些结果对地震前兆的形态特征、前兆的象限性、前兆时空演化的阶段性、短临前兆突发性以及前兆异常时间的地区性等的解释具有启示意义. 这为地震前兆物理模式的建立提供了理论基础，并将为实现地震的物理预测发挥作用.      

华北地区库仑应力演化与强震活动关系

采用更加符合长期变形和震后短期变形的Burgers流变模型,模拟了华北地区1303年以来6.5级以上地震引起的同震和震后库仑应力演化.结合华北地区历史地震期幕活动特征,分析了不同活跃期之间、同一活跃期内不同地震之间的库仑应力加卸载效应.结果表明：华北地区不同活跃期的强震主体活动区受控于历史强震的库仑应力加载作用;每个活跃期内强震活动主体区在空间上的迁移与该活跃期内首个7.5级以上地震的触发作用有关;华北地区每个活跃期内强震活动在时间上表现出的"平静期—活跃警告期—高潮期—剩余释放期"应该是区域动力加载过程的一种表现.岩石圈流变松弛效应引起的库仑应力变化对华北地区强震活动时空演化有显著的促进作用.本研究讨论了库仑应力变化在华北地区历史地震活动时空演化过程中可能扮演的角色,为探索华北地区强震活动空间迁移和韵律特征蕴含的构造动力学过程,以及与之相关的地震危险性判定提供参考依据.     

华北地区库仑应力演化与强震活动关系

采用更加符合长期变形和震后短期变形的Burgers流变模型,模拟了华北地区1303年以来6.5级以上地震引起的同震和震后库仑应力演化.结合华北地区历史地震期幕活动特征,分析了不同活跃期之间、同一活跃期内不同地震之间的库仑应力加卸载效应.结果表明:华北地区不同活跃期的强震主体活动区受控于历史强震的库仑应力加载作用;每个活跃期内强震活动主体区在空间上的迁移与该活跃期内首个7.5级以上地震的触发作用有关;华北地区每个活跃期内强震活动在时间上表现出的"平静期—活跃警告期—高潮期—剩余释放期"应该是区域动力加载过程的一种表现.岩石圈流变松弛效应引起的库仑应力变化对华北地区强震活动时空演化有显著的促进作用.本研究讨论了库仑应力变化在华北地区历史地震活动时空演化过程中可能扮演的角色,为探索华北地区强震活动空间迁移和韵律特征蕴含的构造动力学过程,以及与之相关的地震危险性判定提供参考依据.