Modeling transient and long-term postseis-mic deformation: A case study of 1995 M_w9.5 Chile earthquake

In this paper, we firstly use finite element method (FEM) with Burgers model to simulate the postseismic viscoe-lastic relaxation taking 1960 Chile earthquake as an example. The postseismic deformation modeled with Burgers model includes co-seismic deformation, transient postseismic deformation and long-term postseismic deformation. So if we apply Burgers model to calculate postseismic deformation of 1960 Chile earthquake, there is no discrep-ancy phenomenon due to different durations of postseismic deforma...     

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.     

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。     

Viscoelastic relaxation of the upper mantle and afterslip following the 2014 MW8.1 Iquique earthquake

An improved understanding of postseismic crustal deformation following large subduction earthquakes may help to better understand the rheological properties of upper mantle and the slip behavior of subduction interface. Here we construct a three-dimensional viscoelastic finite element model to study the postseismic deformation of the 2014 M_W8.1 Iquique, Chile earthquake. Elastic units in the model include the subducting slab, continental and oceanic lithospheres. Rheological units include the mantle wedge, the oceanic asthenosphere and upper mantle. We use a 2 ​km thick weak shear zone attached to the subduction fault to simulate the time-dependent stress-driven afterslip. The viscoelastic relaxation in the rheological units is represented by the Burgers rheology. We carry out grid-searches on the shear zone viscosity, thickness and viscosity of the asthenosphere, and they are determined to be 10¹⁷ ​Pa ​s, 110 ​km and 2 ​× ​10¹⁸ ​Pa ​s, respectively. The stress-driven afterlsip within the first two years is up to ~47 ​cm and becomes negligible after two years (no more than 5 ​cm/yr). Our results suggest that a thin, low-viscosity oceanic asthenosphere together with a weak shear zone attached to the fault are required to better reproduce the observed postseismic deformation.     

2010年马乌莱MW8.8地震震后形变三维黏弹性数值模拟

2010年智利马乌莱M_W8.8地震发生在纳斯卡板块与南美板块的板块边界处,引起了显著的同震和震后效应。GPS台网数据显示记录到的同震海向位移最大约5 m,垂向沉降最大约50 cm。在经过对俯冲效应、季节变化等效应的校正后,震后6年的海向最大位移约68 cm,垂向抬升最大约20 cm。马乌莱地震显著的震后形变对该区域的地下三维黏弹性结构有良好的约束。本文建立了智利中南部俯冲带区域的三维有限元模型,黏弹性的地幔楔及海洋地幔均使用伯格斯体材料,并在断层面上设置2 km厚的软弱层以模拟震后余滑。在与GPS台站震后位移数据进行比较后,模拟结果表明,大洋地幔顶部存在约120 km厚,黏度为1×1019 Pa·s的软流圈。模拟震后余滑效应的软弱层黏度为5×1017 Pa·s,其等效震后余滑的最大值在震后前两年接近2 m,且随着时间的增长而快速衰减。      

2001年MW7.8昆仑山地震震后形变观测、机制与青藏高原中北部岩石圈流变:认识与挑战

2001年M_W7.8昆仑山地震是近半个世纪以来青藏高原发生的最大震级地震。同震破裂产生的巨大应力扰动驱动控制着显著震后形变。二十年尺度的大地测量数据记录了地震后长时间、大范围、时空依赖的震后形变演化过程及差异,揭示了昆仑山地震破裂段复杂的断层分段震后运动学特征、分段摩擦性质差异和青藏高原中北部岩石圈流变性质/结构横向各向异性。本文简要回顾昆仑山地震后基于二十年尺度时序InSAR和GPS的震后形变观测方法和时空特征,特别是时空密集的InSAR观测,是该构造区震后GPS观测的重要补充及其不可替代的观测手段;总结大范围震后形变模拟方法及其揭示的震后运动过程、多种动力学机制及其关系。最后总结提出昆仑山地震震后形变20年研究取得的科学认识及尚待深入研究的科学问题,一方面要持续性地对东昆仑断裂带大范围地表形变进行观测研究;另一方面,要不断更新震后形变模型,进一步深化对该断裂带地震周期形变、区域构造对周期形变控制作用、复杂断层运动时空演化机制的认识。      

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.     

基于GPS观测研究2010年青海玉树MS7.1地震震后地壳形变特征及其机制

2010年4月14日青海玉树M_S7.1地震发生在青藏高原东南部甘孜-玉树地震带,在震后7~10天内,我们快速建立了由15个GPS测站组成的跨地震破裂带观测剖面,包括1个连续站,3个半连续站和11个流动站,对所有站进行了240多天的观测,获取了该次地震的震后形变时空特征.采用欧拉矢量和位错模型解算了背景速度场,并从GPS观测的形变场中扣除该分量.采用分层黏弹性位错模型计算余震引起的地表形变,结果表明余震对部分测站的位移造成不可忽视的影响.采用对数模型拟合位移时间序列,表明特征衰减时间为6.7±1.2天.利用最速下降法反演震后余滑时空分布,反演结果表明震后断层活动以左旋滑动为主,断层南盘具有少量的抬升.在空间分布上,余滑主要位于同震破裂区的两侧,西北侧的余滑几乎达到地表,而东南区的余滑基本在同震破裂区的下方,余滑最大的区域位于结古镇东南下方10~20 km的深度范围.随着震后离逝时间的增加,2个余滑区在空间上保持不变,余滑区的面积逐渐扩大.余滑的矩释放为（1.5~5.1）×10¹⁸Nm,相当于1个M_W6.1~6.4地震释放的能量.分层岩石圈黏弹性模型计算的地壳孔隙弹性反弹形变与地表观测值相差较大,不能解释观测到的震后变形.采用麦克斯维尔流变体模型计算下地壳和上地幔松弛引起的地表形变,显示出其对地表形变的贡献较小.GPS观测得到的震后形变所具有的快速衰减特征,以及余滑模型能够较好地拟合GPS地表形变,表明2010年玉树M_S7.1地震后早期阶段的地壳形变主要是由余滑机制决定的.     

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.     

Effective relaxation time and viscosity of the earth inferred from the postseismic vertical deformations of the 1990 M S=7.0 Gonghe earthquake

The postseismic vertical deformation rates of the 1990 Gonghe M _S=7.0 earthquake appears to have decreased exponentially. Based on Okada’s coseismic surface displacement solution caused by a uniform fault slip in an elastic homogeneous half space, we derived its postseismic surface displacement by using a single-layer standard linear solid model, and further derived a simplified formula for determining the effective relaxation time and viscosity of the earth, which is independent of the dislocation parameters of the causative fault. From the postseismic vertical deformation of the 1990 Gonghe earthquake, we inferred that the effective relaxation time defined by τ=η/μ is 2.6 years, and the effective viscosity η is about 10¹⁸ Pa · s. This work was supported by Chinese Joint Seismological Science Foundation under the grants 92088 and 196098.     

中国及邻域强震震后变形监测及岩石流变性质研究

大地测量技术观测的震后变形是地壳和地幔岩石对同震应力扰动的变形响应,震后变形的强度及时空演化特征主要受断层面的摩擦性质、下地壳及上地幔岩石的流变参数等控制。震后大地测量被广泛用于研究断层及深部岩石的流变性质及其动力学过程,是对岩石力学实验、冰后回弹等手段探测结果的检验和补充。本文回顾性地总结了中国及邻域中强地震震后变形监测成效,这些震例主要集中在青藏高原内部和边界带。通过对包括昆仑山口西地震、汶川地震和尼泊尔地震在内的发生在青藏高原及周缘的强震震后变形机制、岩石圈流变参数约束等方面的研究,大大提升了对青藏高原不同区域深部岩石流变结构和性质的认识,为研究地震周期变形、地震危险性、青藏高原的形变模式、高原演化动力学提供了观测依据和定量参数。同时,指出进一步约束青藏高原深部岩石流变参数,一方面需要进一步提高西部地区连续GNSS监测能力,另一方面需要与地球物理成像技术进行融合。     

Combined GPS and InSAR Models of Postseismic Deformation from the Northridge Earthquake

--Models of combined Global Positioning System (GPS) and Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) data collected in the region of the Northridge earthquake indicate that significant afterslip on the main fault occurred following the earthquake. Additional shallow deformation occurred to the west of the main rupture plane. Both data sets are consistent with logarithmic time-dependent behavior following the earthquake indicative of afterslip rather than postseismic relaxation. Aftershocks account for only about 10% of the postseismic motion. The two data sets are complimentary in determining the postseismic processes. Fault afterslip and shallow deformation dominate the deformation field in the two years following the earthquake. Lower crustal deformation may play an important role later in the earthquake cycle.     

1999年台湾集集地震震后地表变形的力学机制

1999年台湾集集地震震后450天的GPS观测资料显示了几十到几百毫米的地表位移.下地壳的震后黏性松弛和断层无震蠕变产生的震后滑动是用来解释地表震后变形的两个主要机制.本文利用接触问题的黏弹性有限元(LDDA)方法,以GPS观测数据作为约束,分别考察了黏性松弛和震后滑动机制对地表震后变形的影响.计算结果表明,黏性松弛机制产生的地表位移与观测数据吻合较好,通过试错法由震后GPS观测约束得到的下地壳黏度为10¹⁷Pa·s,而上地幔黏度对计算结果影响不大.考察震后滑动机制对地表变形的影响时,在LDDA方法中结合了速率状态摩擦定律,结果显示震后滑动机制不能很好地解释震后450天的观测数据,它产生的地表变形只在震后50天内与观测大致吻合,之后位移值基本不随时间变化.这些结果有助于增进对集集地震震后变形机制的认识.     

GPS measurements of postseismic deformation due to October 8, 2005 Kashmir earthquake

Relaxation of the coseismic stresses following an earthquake causes postseismic crustal deformation, which can last for days to years. Continuous monitoring of postseismic deformation facilitates the understanding of the mechanism of deformation and postseismic relaxation and viscous rheology. After the October 8, 2005 Kashmir earthquake, global positioning system data for 8 months, starting from October, 2005 have been analyzed from three continuous sites located at Gulmarg, Amritsar, and Jaipur. The average velocity during the observation period at Gulmarg (8.6 cm/year) is significantly higher than the Indian plate velocity exhibiting postseismic crustal deformation. The velocity at Amritsar (5.9 cm/year) and Jaipur (5.1 cm/year) is comparable to the Indian plate velocity. At Gulmarg, the logarithmic function fits well to the north–south component of postseismic transients (~in the coseismic slip direction). The nature of decay in these transients suggests that the deformation is mainly due to an afterslip, and the second possible contribution may be from the viscous relaxation process. This paper presents the characteristics of postseismic transients and possible contributions from various postseismic mechanisms subsequent to the Kashmir earthquake.     

2021年青海玛多Mw7.3地震地壳变形及区域孕震环境

北京时间2021年5月22日02时04分,在青海省果洛藏族自治州玛多县发生Mw7.3地震.本文利用震中及邻区2009-2021年GNSS观测资料,研究了此次地震的区域孕震环境、同震和震后初期的变形特征.首先,给出了较高空间分辨率的GNSS速度场,表明震中及其邻区的构造活动以左旋剪切为主,巴颜喀拉块体南北两侧的相对运动是...     

1976年唐山地震震时和震后变形的模拟

本文采用三维粘弹性有限元方法拟合唐山地区１９７６-１９８５年观测到的地震震时和震后的水平与垂直地形变，反演华北板块下方深部物质的流变学性质．模型采用多层弹性覆盖层与线性粘弹性层的有限块体，发展断层面上存在着位错运动，并用正交设计法拟合观测数据．模拟计算表明，华北板块下方软流层粘度为７．１×１０^１８Ｐａ·ｓ；上地幔粘度为２．１×１０^１９Ｐａ·ｓ．     

Rapid afterslip and short-term viscoelastic relaxation following the 2008 M_W7.9 Wenchuan earthquake

Significant postseismic deformation of the 2008 M W 7.9 Wenchuan earthquake has been observed from GPS data of the first 14 days after the earthquake. The possible mechanisms for the rapid postseismic deformation are assumed to be afterslip on the earthquake rupture plane and viscoelastic relaxation of coseismiclly stress change in the lower crust or upper mantle. We firstly use the constrained least squares method to find an afterslip model which can fit the GPS data best. The afterslip model can explain n...     

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.     

2010年青海玉树地震同震-震后形变场特征及演化过程

基于星载合成孔径雷达差分干涉测量技术(DInSAR)和4期ENVISAT/ASAR雷达数据,获得了不同时间基线的三个同震干涉形变场和两个震后干涉形变场,并对这五个在时段上互有重叠的形变场进行了综合分析.结果表明,玉树地震同震形变场为围绕发震断层NW展布的椭圆形干涉条纹,覆盖范围约89 km×59 km.断层运动性质为左旋走滑.两盘最大视线向相对形变量至少达45 cm,最大形变出现在结古镇附近.时间基线不同的同震形变场总体上基本一致,但两盘最大相对形变量和局部形变存在差异.震后时间较长的干涉对反映的最大形变量反而减小;在震后时间较短的干涉对上于结古镇西南侧观测到的局部形变,在震后时间较长的干涉对上却没有出现.分析认为在形变量最大的结古镇附近可能出现了震后快速弹性回弹,导致随震后时间延续,形变量反而减小的现象.玉树地震震后形变主要出现在断层附近、震后不久的时段内,形变量在8 cm以下,具有与同震方向一致和相反的两种震后形变方式.在结古镇西南观测到一个与同震形变相反的局部沉降,应为震后弹性回弹.在微观震中处的断层附近观测到与同震方向一致的震后形变,可能是震后余滑.通过对地震前后不同时间基线的多个干涉对的联合对比分析,可以在一定程度上区分同震形变与震后形变,更好地研究地震引起的变形过程,特别是地震断层附近短期震后形变场的演化过程,为进一步研究断层带的岩性特征、物理力学及运动特性提供约束.     

2008年汶川MS8.0地震对周边断层地震活动的影响

为分析2008年5月12日四川汶川M_S8.0级地震对周边断层地震活动的影响,本文首先基于Burgers体黏滞松弛模型计算汶川M_S8.0级地震引起的库仑应力动态演化,分析认为2008年汶川M_S8.0级地震在周边断层上引起的库仑应力显著增加的主要有四个断层段,分别为鲜水河断裂道孚-康定段、东昆仑断裂东段玛曲段、青川断裂和龙门山断裂南段.而且震后4年内黏滞松弛引起的库仑应力变化量可能与同震变化相当,相当于再发生一次汶川地震所造成的影响,因此震后效应在分析强震影响时不应忽略.本文基于强震引起的库仑应力变化动态演化,结合背景地震发生率、由Dieterich(1994)模型给出地震发生概率,结合相关构造地质、历史地震、余震活动等方面资料的综合分析认为,上述4个断裂段地震危险性由高到低依次为鲜水河断裂道孚-康定段、龙门山断裂南段、东昆仑断裂东段玛曲段和青川断裂.