近场强地震动数值模拟的简化计算方法

近场强地震动除受场地条件的影响外,还受到震源破裂面上子源的空间分布特点、子源破裂先后顺序的强烈控制,基于数值格林函数法的近场强地震动数值模拟方法可以综合考虑震源、传播途径及局部场地条件的影响,对计算过程进行合理简化,分2步完成地震动模拟:第1步,在介质均匀区采用矩张量的解析解计算所有子源在盖层底面的位移,形成下一步有限元计算的输入场;第2步,在盖层介质不均匀区,结合局部人工透射边界技术,采用时、空解耦的波动显式有限元方法计算地表强地震动。在有限断层模型中,采用具有9个力偶的等效地震矩张量表达断层产状、滑动方向等的影响,采用Brune模型定义各子源的滑动时间函数,描述滑动的时、空不均匀分布特征,从而细化震源模型。通过对Northridge地震中4个基岩台站地表地震动的模拟结果和强震记录,验证了此简化计算方法的可行性     

2018年阿拉斯加湾MW7.9地震震源复杂性

2018年1月23日,在美国阿拉斯加湾海域发生了一次M_W7.9地震.震源机制解表明这次地震以走滑为主,可能发生在近东西向或南北向的陡倾角断层上,早期余震并非线型展布.我们利用视震源时间函数分析确定了此次地震的总体破裂方向,并结合余震的空间展布特征构建了相互交叉的双断层模型,进而通过联合反演远场P波和SH波数据获得了此次地震的时空破裂过程.视震源时间函数分析表明总体破裂方向既非东西也非南北,而且反演结果表明,两个断层上都发生了错动,总体破裂时间~50 s,释放标量地震矩~8.11×10²⁰ Nm.震源时间函数表现出多事件特征,且两个断层破裂的时间过程也不相同.破裂首先在南北向断层的南端开始,很快触发了东西向断层,最后终止于南北向断层的北端.每个断层都具有相当的时空复杂性,位错分布很不均匀.东西向断层具有三个凹凸体,一个位于震源附近,其他两个位于断层两端.南北向断层有两个凹凸体,均位于断层北段,最大滑动量~5.0 m就出现在这里.发生最大位错的南北向断层延伸至阿拉斯加海沟,增加了触发阿拉斯加海沟其他断层发生破裂的可能性.     

2013年MS7.0芦山地震的动力学破裂过程及其影响因素

2013年4月20日在四川芦山发生了M S7.0地震,震源运动学反演结果给出了此次地震的破裂过程和同震滑动分布.为了更好地理解造成芦山地震破裂过程的力学原因,本文综合野外地质调查、余震定位、深地震反射剖面等结果,构建芦山地震铲型断层模型,以震源运动学反演结果为约束,将震源参数与震源附近的构造应力场结合,建立断层面上滑动量和牵引力的时空分布关系,通过试错法给定震源动力学计算参数模拟芦山地震破裂传播的可能情况,进而分析讨论不同动力学计算参数对芦山地震破裂过程和同震滑动分布的影响.结果显示,初始应力是决定断层是否发生错动的关键;临界滑动弱化位移D c对破裂滑动速率有着很大的影响;成核区半径和初始应力主要影响破裂成核的快慢;局部不均匀破裂强度主要影响破裂行为和断层最终滑动量分布.利用边界积分方程法可以有效计算芦山地震铲型断层模型的动力学破裂过程,再现此次地震的主要特征.通过探究动力学参数对破裂过程影响,可解释运动学反演结果所揭示的破裂特征的力学原因,对于深入了解地震震源过程的物理本质和预测未来可能发生的地震的主要特征有着重要的参考意义.     

2001年1月2 6日印度古杰拉特(Gujarat)Ｍem>Ssub>7.8地震时空破裂过程

从全球数字地震台网的长周期记录中，选择了震中距小于90的27个台站的54个P波震相和44个S波震相资料．首先，用波形反演方法确定了2001年1月26日印度古杰拉特(Gujarat)ＭS7.8地震的地震矩张量、震源机制、震源时间函数和时空破裂过程等震源参数．通过矩张量反演，并根据Kutch Mainland断层的走向、地震烈度的空间分布、余震震源的空间分布和震害的空间分布，确认2001年1月26日印度古杰拉特ＭS7.8地震的发震断层的走向为92、倾角为58、滑动角为62，即一走向近东-西向、断层面向南倾斜、以逆冲为主的左旋-逆断层．这次地震所释放的地震矩为3.51020 Nm，矩震级ＭW＝7.6．然后，借助合成地震图，采用频率域求谱商的方法，得到了依赖于台站方位的27个P波震源时间函数、22个S波震源时间函数以及平均的P波震源时间函数和S波震源时间函数．对震源时间函数的分析表明，这次地震是一次连续的破裂事件，开始比较急遽，但结束比较迟缓，总持续时间约19 s．最后，以所提取的P波和S波震源时间函数为资料，采用时间域的反演技术得到了断层面上滑动的时空分布．滑动量在断层面上的静态分布表明，断层面上的最大滑动量约为7 m．断层面上的最大应力降约为30 MPa，平均应力降约为7 MPa．滑动量大于0.5 m的区域在走向方向长85 km，在断层面倾斜方向宽约60 km(相应地，在深度方向约51 km)．破裂向东扩展约50 km，向西扩展约35 km．滑动量大于0.5 m的区域的主要部分呈椭圆形，其长轴取向与断层滑动方向一致．表明此区域破裂扩展的方向即是断层错动的方向．这种现象对于走滑断层情形是多见的，但对逆冲断层情形却少见．断层面上初始破裂点以东、以上部分面积大于初始破裂点以西、以下部分的面积，这是破裂非对称性的表现，表明破裂具有自西向东、自下向上单侧破裂的特征．从滑动率随时空变化的快照可以看出，滑动率在第4 s达到最大值，此时滑动率约为0.2 m/s，滑动基本上发生在破裂起始点及其周围．从第6 s开始，起始点的破裂基本结束，破裂开始向外围扩展．破裂向西的扩展速度明显小于向东的扩展速度．在第15 s，这种环形的扩展基本结束．自16 s以后，主要是一些零星的破裂点分布在破裂区的外围．从滑动量随时空变化的快照看，破裂自起始点开始后，逐渐向四周扩展．主要的破裂(滑动量大于5 m的区域)在6～10 s，具有明显的自西向东、向上的单侧破裂特征．在第11～13 s，破裂的西端向西、向下有所扩展．整个破裂过程持续约19 s．在整个破裂过程中的平均破裂速度约为3.3 km/s．      

2008年汶川大地震的时空破裂过程

利用全球地震台网（GSN）记录的长周期数字地震资料反演了2008年5月12日四川汶川Ms8．0地震的震源机制和动态破裂过程,并在反演所得结果的基础上定量分析了汶川大地震同震位移场的特征,探讨了汶川大地震近断层地震灾害的致灾机理．反演中采用了单一机制的有限断层模型,使用了从全球范围内挑选的、方位覆盖较均匀的21个长周期地震台垂直向记录的P波波形资料．通过反演得出：汶川大地震的发震断层走向为225°、倾角为39°、滑动角为120°,是一次以逆冲为主、兼具小量右旋走滑分量的断层;这次地震所释放的标量地震矩为9．4×10^20～2．0×10^21 Nm,相当于矩震级Mw7．9～8．1．汶川大地震是在破裂长度超过300km的发震断层上发生的、破裂持续时间长达90s的一次复杂的震源破裂过程．整个断层面上的平均滑动量约2．4m,但断层面上滑动量（位错）的分布很不均匀．有4个滑动量集中且破裂贯穿到地表的区域,其中最大的两个,一个在汶川-映秀一带下方,最大滑动量（也是本次地震的最大滑动量）所在处在震源（初始破裂点）附近,达7．3m;另一个位于北川一带下方,一直延伸到平武境内下方,其最大滑动量所在处在北川地面上,达5．6m．其余2个滑动量集中的区域规模较小,一个在康定以北下方,最大滑动量达1．8m;另一个位于青川东北下方,最大滑动量达0．7m．汶川地震整个断层面上的平均应力降约18MPa,最大应力降约53MPa．由反演得到的断层面上滑动量分布计算得出的汶川大地震震中区地表同震位移场表明,汶川大地震地表同震位移场的分布特征与该地震烈度分布的特征非常一致,表明了汶川大地震的大面积、大幅度、贯穿到地表的、以逆冲为主的断层错动是致使近断层地带严重地震灾害在震源方面的主要原因．     

利用近场高频GPS、 强地面运动和远场地震波形数据联合反演2008年汶川MS8.0地震的震源时空破裂过程

联合近场GPS测站1-Hz运动学位移、 强震仪加速度波形和全球台站P震相波形作为约束, 以时空滑动分布约束条件和ABIC模型参数选择方法, 结合先验的滑动方向变化范围, 反演2008年汶川M_S8.0地震的震源时空破裂过程, 给出了能够综合反映震源破裂过程的统一模型。 结果表明, 汶川地震总体上存在4个主要的破裂区, 最主要的一个破裂区位于震源东北40~120 km, 断层面上的最大位错量约为10 m, 主体滑动分布在2~20 km深度范围, 破裂达到地表; 第二个主体破裂区位于断层破裂带南段, 最大滑动量达到6 m; 另外2个主体滑动区位于断层破裂带北段, 但滑动破裂量小于断层南段破裂区的滑动量, 滑动破裂值最大值为4 m, 超过1 m的区域在走向上超过70 km。 反演得到的断层滑动模型的地震矩为9.5×10²¹ Nm, 相应的矩震级为M_W7.95。 汶川地震破裂表现为单侧破裂, 起始破裂在汶川下方16 km深度, 向东北方向一致性地传播, 过程持续~120 s。 在地震发生后0~10 s内, 破裂集中在震源起始破裂区, 滑动破裂值为~1.0 m, 之后破裂向东北方向扩展, 震后20~40 s是主要的破裂时段。 在40~60 s, 破裂跨越断层南段和北段。 在80~90 s破裂最大值开始下降, 在100~110 s时, 下降为~0.5 m, 在110~120 s时, 下降为~0.1 m。 加入近场GPS测站1-Hz 波形数据与近场强震仪波形和远场长周期体波联合反演, 提高了震源破裂模型的空间分辨率, 特别是浅部滑动破裂区的分辨率, 反演的最大滑动破裂值比不用1-Hz 波形数据反演的结果增大, 表明近场1-Hz GPS波形数据对于揭示汶川地震的时空破裂过程具有重要的作用。     

2014年3月10日加州西北岸M_w6.9级地震震源破裂过程

2014年3月10日13时18分(北京时间)美国加利福尼亚州西北岸发生Mw6.9级地震,震中位于戈尔达板块内部.本文利用国际地震学研究联合会(IRIS)地震数据中心提供的远场体波数据,通过波形反演的方法来研究此次地震的震源破裂过程,并分析未造成重大人员伤亡及诱发海啸的原因,为该地区地球动力学的研究提供依据.选取19个方位角覆盖均匀的远场P波垂向波形记录和13个近场P波初动符号进行约束,基于剪切位错点源模型确定此次地震的震源机制解.结合地质构造背景资料,确定断层破裂面的走向.在考虑海水层多次反射效应的影响下,采用18个远场P波垂向波形数据和21个远场SH波切向波形数据,利用有限断层模型,将断层面剖分为17×9块子断层单元来模拟破裂面上滑动的时空分布,通过波形反演的方法获得此次地震的震源破裂过程.利用海水层地壳模型,剪切位错点源模型的反演结果为:走向323°,倾角86.1°,滑动角-180°,震源深度为10.6km.有限断层模型的反演结果表明,此次地震的破裂过程相对简单,主要滑动量集中于震源上方35km×9km的区域内,破裂时间持续19s左右,平均破裂传播速度约为2.7km·s-1,较大滑动量均沿着走向分布,最大滑动量为249cm.此次地震为发生在戈尔达板块内部的一次Mw6.9级的陡倾角走滑型地震.此次地震为单纯的走滑型地震,断层面接近竖直方向,且发生在洋壳底部,因此破坏力不大,不会对沿岸城市造成重大损失.陡倾角断层在走滑错动的过程中不会使海底地形发生大幅度变化,不会引起大面积水体的突然升降,因此不会诱发大规模海啸.     

2007年云南宁洱M_S6.4地震震源过程

通过反演全球范围内20个地震台的宽频带波形资料,获得了2007年6月3日在云南宁洱发生的MS6.4地震的矩张量解、震源时间函数和断层面上滑动随时间和空间的变化过程.根据反演结果,这次地震的标量地震矩为5.51×1018Nm,相当于矩震级MW6.4.震源机制解中,最佳双力偶对应的节面Ⅰ的走向、倾角和滑动角分别为152°,54°和166°,节面Ⅱ的走向、倾角和滑动角分别为250°,79°和37°.结合震后考察得到的烈度等震线分布特征以及当地的地质构造,可以判定这次地震的发震断层的走向为152°,倾角为54°,滑动角为166°,是一次以右旋走滑为主的地震.从震源时间函数的形态来看,震源破裂持续时间为14s,地震矩的释放主要集中在前11s,在11~14s之间释放的地震矩很少.震源的时空破裂过程图像表明,破裂过程分为3个阶段,在前4s的时间段内,破裂主要沿着走向方向和朝深处发展;在4~7s间,破裂呈扇形向着深处扩展;在7s之后的时间段,破裂点比较零散.地震破裂总体上表现为双侧破裂方式,但在走向方向和深度方向上的滑动略占优势.破裂较强的区域呈菱形,长约为19km.地震断层面上最大滑动量为1.2m,平均滑动量为0.1m,最大滑动速率为0.4m/s,平均滑动速率为0.1m/s.由反演得到的静态位错模型计算的震中区地表位移场的特征与地震的烈度分布特征具有很好的一致性.     

2007年云南宁洱Ms6．4地震震源过程

通过反演全球范围内20个地震台的宽频带波形资料,获得了2007年6月3日在云南宁洱发生的Ms6．4地震的矩张量解、震源时间函数和断层面上滑动随时间和空间的变化过程．根据反演结果,这次地震的标量地震矩为5．51×10^18 Nm,相当于矩震级Mw6．4．震源机制解中,最佳双力偶对应的节面Ⅰ的走向、倾角和滑动角分别为152°,54°和166°,节面Ⅱ的走向、倾角和滑动角分别为250°,79°和37°．结合震后考察得到的烈度等震线分布特征以及当地的地质构造,可以判定这次地震的发震断层的走向为152°,倾角为54°,滑动角为166°,是一次以右旋走滑为主的地震．从震源时间函数的形态来看,震源破裂持续时间为14s,地震矩的释放主要集中在前11s,在11-14s之间释放的地震矩很少．震源的时空破裂过程图像表明,破裂过程分为3个阶段,在前4S的时间段内,破裂主要沿着走向方向和朝深处发展;在4～7s间,破裂呈扇形向着深处扩展;在7s之后的时间段,破裂点比较零散．地震破裂总体上表现为双侧破裂方式,但在走向方向和深度方向上的滑动略占优势．破裂较强的区域呈菱形,长约为19km．地震断层面上最大滑动量为1．2m,平均滑动量为0．1m,最大滑动速率为0.4m／s,平均滑动速率为0．1m/s．由反演得到的静态位错模型计算的震中区地表位移场的特征与地震的烈度分布特征具有很好的一致性．     

复杂场地条件下震源参数对断层附近长周期地震动的影响

基于显式有限元方法和运动学震源模型并利用昆明盆地三维地下构造模型,本文研究了震源参数对断层附近长周期地震动的影响.结果表明,断层的破裂方式、埋藏深度、破裂速度以及断层面上位错的不均匀分布对断层附近长周期地震动有重要影响.不同破裂方式下,破裂的方向性强的区域分布不同,由于破裂的方向性效应和复杂场地条件的共同作用,导致不同破裂方式的断层附近地震动分布差别很大.随着破裂速度的增加,方向性效应更加明显,断层附近的长周期地震动也随之增大;对于浅源地震,随着断层埋深的增加,地震动明显下降.对于埋藏深度很浅的断层,当Asperity靠近断层上沿时,会显著增大其在地表投影附近的长周期地震动.能否合理地估计这些基本震源参数,是预测未来发震断层周围地震动场的关键.     

伴随断层蠕动传播的准静态变形——模型理论分析及唐山地震前孕震断裂运动过程的讨论

根据形变测量资料和有关实验结果以及某些地震前兆特征,本文提出了一种在粘弹性介质半空间中断层滑动面沿断裂带走向扩展,即断层蠕动传播的力学模型.为了研究其附近的形变特征,导出了蠕动传播所产生位移场的解析表达式,并通过数值积分计算了在广义开尔文介质中,滑动时间函数为△U=B(1-e-t/T),而蠕动事件沿断裂带单侧和双侧传播导致的附近介质位移的时空分布.根据1976年唐山地震前沧东断裂带上的短周期测量资料并参考模型所得出的结果,对震前的断层运动作了反推.结果表明,地震前沿沧东断裂带发生过明显的蠕动传播,其初始蠕动发生在小站和沧州之间,随后蠕动沿着断裂带向东北和西南传播,向西南扩展的滑动面是顺扭走滑运动,向东北扩展的滑动面以顺扭走滑运动为主并略有压性倾滑运动分量.      

震源时间函数与震源破裂过程

简要介绍了现代数字地震学的两个重要概念。一个是震源时间函数，另一个是地震震源的时空破裂过程。首先，从地震断层位移表示定量出发，介绍震源时间函数和震源破裂过程的基本概念。然后，分别介绍两种从远场地震记录中提取震源时间函数和获取有限断层面上时空破裂过程图像的反演方法。     

近断层速度脉冲与震源机制的关系浅析

本文初步分析了近断层速度脉冲的成因和特点,主要包括方向性效应与滑冲效应,并通过中国台湾集集地震的脉冲记录,分析了断层破裂方向和位移大小等震源参数对脉冲强度的影响。此外,基于有限移动源理论,说明了断层辐射与速度脉冲分布的关系,并探讨了利用运动学震源模型研究近断层地震动对速度脉冲影响的技术路线;评述了7种典型的等效速度脉冲模型,建议进一步研究等效速度脉冲函数与震源机制之间的关系。最后,简述了不同类型的断层引起速度脉冲的差异,并推测了产生脉冲型地震动的下限条件,同时展望该研究在地震预警方面的可能性。     

走滑断层位移作用下山岭隧道非线性反应分析

为了研究穿越断层的山岭隧道结构在走滑断层位错作用下的反应,基于有限元和拟静力的基本原理,建立了隧道围岩的相互作用模型,提出了一种以围岩沿断层位错为输入荷载的跨断层隧道衬砌的反应分析方法。利用有限元分析软件ANSYS的位移荷载功能,使该反应分析方法得以实现。分析过程中以上盘为主动盘,通过给上盘施加强制位移来描述围岩的错动,采用荷载步为100步的逐步加载的方式来描述围岩错动的过程。对比研究了走滑断层工况下,加载断层位错由小到大的过程中,隧道衬砌各部分的应力反应状态。结果表明:当断层位错在20cm以下时,隧道衬砌各部分均处于安全状态;随着错动量的增大,衬砌不同部分的破坏顺序为:边墙先产生破坏,然后顶板产生破坏,最后破坏延伸至底板。     

伴随前兆蠕动和震后滑动的准静态形变——模型与观测实例

为了建立断层蠕动与其周围地壳形变的关系, 本文给出了线性粘弹性半空间中任意倾角的断层滑动引起的准静态位移场的完整的解析表达式.其中, 滑动时间函数的形式是根据经验拟定的, 而介质被视为广义开尔文体或麦克思韦体.通过数值计算讨论了介质的流变性对位移场的影响.根据1976年唐山地震前后在地震区取得的短期观测资料的分析, 论证了唐山主震前夕在极震区地壳上部曾发生过前兆蠕动, 而且主震后断层仍继续滑动, 但其速率呈指数型衰减.估算了符合观测数据的断层滑动参数, 并对这些结果的意义作了简要的讨论.      

走滑断层地表位移动态演化特征研究

在经典走滑断层位移公式基础上引入时间变量, 研究断层运动中地表位移与时间的动态变化关系, 得到走滑断层地表位移时空动态演化公式。 当观测点处于断层近、 中场或者孕震阶段处于孕震中、 晚期时, 地表位移近似正比于时间对数函数。 得到以下结果: ① 走滑断层随时间的位移是不收敛的, 但发散速度十分缓慢。 ② 目前多数GPS水平方向的时间序列良好的线性特征为时间对数函数的局部线性近似。 ③ 在孕震中、 晚期的任意时刻, 断层近、 中场的地表任意一点的位移与其距断层的距离成正比, 即垂直于断层方向的地表位移曲线近似一条直线。 ④ 从震前的某个时刻开始计时, 震前距断层远的站点产生的位移比距断层近的站点产生的位移大; 震后距断层近的站点产生的位移比距断层远的站点产生的位移大。 走滑断层地表位移动态演化公式适用于断层的近中场, 孕震的中晚期, 可为断层地震危险性的判定提供理论支持。     

断层错动引起的上覆土体破裂演化规律研究

断层引起的地面永久大变形是工程特别是生命线工程地震破坏的重要原因之一, 而研究断层错动下上覆土体变形和破裂的发展演化规律, 则是预测地面永久变形状态和分析断层危害性的基础． 本文采用有限元方法对垂直断层错动引起的上覆土体破裂演化规律进行了研究, 建立了垂直断层作用下上覆土体模拟的有限元模型, 对断层错动作用下上覆土体的破裂发展过程进行了模拟分析, 并分析了加载速率、 土体特性及断层倾角等参数对上覆土体的破裂演化发展过程的影响． 结果表明: ① 断层倾角越陡, 地表出现破裂时需要增加的垂直位移越大; ② 由于惯性力的影响, 断层加载速率对地表破裂所需施加位移和土层破裂角产生一定的影响; ③ 断层类型对土层地表破裂角与膨胀角、 摩擦角之间的关系有很大影响． 该分析结果可为新建工程的抗震设计和已建工程结构的抗震加固等工作提供依据．      

鲜水河断裂带上特征地震的初步研究

特征地震是大地震原地重复的重要表现形式.现有资料的初步研究表明,鲜水河断裂带上大地震属特征地震模式,其地震破裂长度、同震位错量以及断层错动方式,在原地保持较长时间的一致性.由于大地震屡屡在原地重复发生,沿断裂特定地段累积位错分布与一次地震的位错相一致,从而导致断层滑动速率的同步变化.本文以1973年炉霍地震为例,研究了鲜水河断裂的特征地震现象.该段的地震活动属特征地震模式,不服从古登堡-里克特的线性震级频度关系.特征地震不仅对断错地貌、滑动速率有重要的影响,由于这种地震模式是以特定震级的大地震为主导,几乎没有中等震级地震发生,这对地震活动性研究也具有重要的意义.      

逆断层地震近场地震动影响场和地表形变模拟

本文设计了一个MW7.0级地震的简单的逆断层有限移动源破裂模型,计算了断层周围64个观测点的加速度、速度和位移时程及峰值,简单讨论了近场地震动峰值、断层附近地表永久位移(或地表形变)的分布特点,并讨论了永久位移和地面运动速度大脉冲的关系。重点研究了断层附近三分量的永久位移(或地表形变)大小、方向和地震动作用特点。