断层地震孕育和发生的不稳定性模型

在以前的工作中,考虑直立走滑型断层地震,假设断层面微元破裂强度遵循Weibull概率分布,由细观力学方法推导出断层面的宏观本构关系是一个非线性函数,表现为弹性-软化塑性特征,在此基础上用稳定性理论研究了地震稳定性问题.而实际断层大多是倾斜的,为此,本文首先建立了由围岩和倾斜断层构成的平面地震力学模型,采用宏观的断层载荷-变形的全过程曲线,详细讨论了倾斜断层地震的不稳定性问题.结果表明,远场一旦施加位移,断层也同时错动,这可能与实际情况不符合.为了更好的模拟断层的初始能量累计过程,进一步对断层本构模型进行改进.考虑断层面破裂强度,采用Coulomb破裂准则,则断层表现为刚塑性本构关系,只有当断层面剪应力达到一个临界值时,断层才开始错动.研究表明,对于倾斜断层地震,与直立走滑型断层地震一样,系统刚度比β(围岩切线刚度与断层刚度最大值之比)是决定地震失稳的重要参数,只有当β1时才会出现地震失稳,且伴随应力突跳和围岩应变能释放.当β≥1时,仅仅是断层无震滑动,不会发生地震.在远场应施以位移形式边界条件,以致地震失稳发生在平衡路径的位移转向点并伴有应力突跳.     

地震不稳定性的一个简单模型

基于断层面强度的非均匀性,将断层面的宏观破裂过程看作是断面局部微元的破裂累积过程,假设断层局部微元强度遵循Weibull概率分布,从统计力学角度推导出了宏观的断层载荷.变形的全过程本构关系.采用一维地震力学模型,以远场位移a为控制变量,用稳定性理论研究了地震不稳定性问题.研究表明,系统刚度比(围岩刚度与断层刚度之比)β是影响地震发生的重要参数,只有当β<1时才会出现地震失稳,且应力突跳发生在平衡路径曲线的位移转向点,并给出了地震过程的3个重要参数(地震后断层半错距、地震应力降和释放的弹性能)的表达式.当β≥1时,不会发生地震,仅是缓慢的断层滑动,属于无震滑动.     

断层地震的尖角型突变模型

本文对直立走滑断层地震提出一个简单的力学模型,用尖角型（Cusp）的突变模型研究了地震过程的机制。从理论上阐明了围岩与断层带的刚度比和远场位移参数在地震过程中的重要作用,得到了地震时断层错距和能量释放值的简单公式。研究结果表明,岩石系统的稳定性首先取决于系统内部的刚度分布;其次在一定的外界条件下,系统才可能从稳定状态进入非稳定状态,而在外界扰动下失稳,于是从整体上深化了对断层地震过程的认识。     

断层地震孕震的椭圆形区域及其前兆规律

首先运用岩石介质的损伤本构关系式和断层地震的简单力学模型，讨论了断层和围岩介质系统的相互作用及其失稳过程，通过差分计算，得到了与地震变形和声发射等有关的前兆序列曲线，然后根据实际断层带滑移与错动的分布规律，通过计算机模拟出断层地震的椭圆形孕震区并此解释了Ｐ波初动分布规律。     

汶川地震失稳机制的数值模拟研究

考虑断层的软化特性,建立垂直于龙门山断裂带并包含四川盆地和川西高原在内的汶川地震不稳定性地震力学模型.采用有限元方法计算得到了描述整个岩石力学系统稳定性状态和过程的平衡路径曲线.在此基础上,采用稳定性理论研究了汶川地震从孕育到发生的过程,讨论了断层倾角和断层材料参数对地震失稳的影响.数值模拟结果显示,系统只存在稳定的断层无震滑动和不稳定的地震失稳2种状态.断层倾角、初始内摩擦系数、初始黏聚力和强度曲线形状参数的增加会导致系统趋向不稳定的地震失稳状态.而强度曲线胖度参数的增加有助于系统进入稳定的断层缓慢无震滑动状态.地震失稳前,在平衡路径曲线的应力峰值点和失稳点之间,断层错动加速,应变能开始释放并且应力开始减小,是失稳的前兆.最后在失稳点发生应力突跳,地震发生,其间伴随应变能的急剧释放、应力降和断层突然错动.无论是稳定的断层无震滑动还是不稳定的地震失稳,系统重新进入应力和应变能增加状态后应力和应变能的增速由远场加载速度、岩石力学系统的结构和围岩材料属性决定,与断层软化特性参数无关.     

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.     

地震过程的燕尾型突变模型

考虑断层介质的损伤弱化和水致弱化效应, 提出一个断层地震的非线性力学模型。将远场位移、渗水量和刚度比作为控制参数, 得到一个燕尾型的地震突变模型。用这个模型研究了渗水、远场位移和刚度比等因素对地震孕育和发生的影响, 从整体上深化了对地震过程的认识。      

地震动和断层错动联合作用下隧道纵向响应解析解

隧道穿越地震活动断层带时可能遭受严重破坏,以内马铁路一期三标段工程为依托,对地震动和断层错动联合作用下隧道结构纵向响应进行研究。针对穿越断层破碎带的隧道结构,基于地下结构抗震拟静力法,将其简化为弹性地基梁,并将地震动和断层错动位移简化为作用在隧道上的静荷载,建立地震动和断层错动联合作用下隧道纵向响应理论模型并进行求解,利用有限元数值模拟方法验证解析解的正确性。通过解析解进行参数敏感性分析,揭示断层错动位移、两侧围岩地基系数与断层破碎带地基系数比及围岩与隧道结构刚度比对隧道结构纵向响应的影响规律。研究结果表明,断层错动位移增加使隧道结构截面弯矩、剪力峰值接近线性增加,隧道内力沿隧道纵向分布的影响范围不变,且断层破碎带界面出现了截面剪力突变;两侧围岩地基系数与断层破碎带地基系数比对隧道结构截面剪力的影响较大,在地震动和断层错动联合作用下隧道结构剪力在断层破碎带界面急剧减小;随着围岩与隧道结构刚度比的减小,地震动引起的隧道挠度减小,断层错动作用引起的隧道挠度变化范围增大,同时隧道结构内力响应明显增大。     

地震破裂过程的研究

研究震源力学模型的一个新方向是用动态扩展的剪切裂纹模拟地震破裂过程。本文利用裂端有塑性区薄层且断层面上有摩擦力的平面剪切裂纹错动模式来表示地震破裂过程,对运动方程和边界条件进行拉氏变换和傅氏变换,利用维纳-霍普（Wiener-Hopf）方法和卡格尼阿（Cagniard）方法得到了断层面上的位移和应力表达式。根据裂端附近的能量平衡条件,计算了地震破裂的平均速度和塑性区尺度,还讨论了断层面上的位错分布函数,并对某些前震地震波高频成分增多的现象提出了解释。在本文假定的参数条件下,地震破裂的平均速度c=0.72β,β是介质的剪切波速。塑性区尺度约为地震新断层总长度（包括塑性区）的12％。按本文的结果,由于破裂速度的增加,前震的震波初动半周期减小的异常幅度不会超过39％。     

含粗糙面断层的远场体波辐射

本文用位错模式研究了含粗糙面断层的远场地震体波辐射。假设粗糙面大小和整个错动面大小的比值为C,并假设破裂从中心开始,计算了不同C值对远场地震波谱的影响。结果表明,与均匀圆盘状断层的远场振幅谱相比,不同之处是,由于粗糙面的存在,当裂纹前端传播至粗糙面的边缘处时,引起波谱开始部分的分裂,表现在谱的第一个波谷处。粗糙面的大小对振幅谱的影响不显著。另外,比较P波和S波振幅谱,发现S波波谱的拐角频率比P波的低。     

含有单-粗糙面的走滑断层的滑动弱化不稳定性h

本文研究了有限长度含有单一粗糙面的垂直走滑断层的滑动弱化不稳定性.我们假定断层强度在其深度方向是均匀的,而在走滑方向是不均匀的,即存在一个高强度段.并假定断层上的粗糙段及断层上的其它部分具有相同类型的本构律,只是峰值应力不同.断层周围的地壳材料用上、下表面应力自由的弹性平板来模拟.我们用有限元方法研究了理论位移场、应力场和应变场随远场位移的演变情况.此时,断层位移和摩擦应力并不是预先给定的,而是在求解过程中同时确定的.根据计算结果,我们比较了理论位移场及断层上摩擦应力分布在稳定和不稳定滑动情况时的差别.并与内部含有低强度段的走滑断层的场合做了比较.      

Analysis of slip-softening instability on a fault with asperities

Slip-softening instability on a vertical strike-slip fault with asperities has been analysed. The fault strength is uniform in depth, but the strength is nonuniform in the strike direction, i.e., there are asperities on the fault. These asperities and other segments of the fault have the same type of constitutive law but different peak stresses. The material surrounding the fault is represented by elastic plates, of which the top and bottom surfaces are stress-free.We use a finite element method to study the evolution of theoretical displacement, stress and strain field with a growing displacement applied at the remote plate ends. The slip and frictional stress are obtained as part of the solution. We have compared the difference of theoretical displacement, strain field and the distribution of frictional stress on the fault between unstable and stable slip. In addition, we have studied the effect of size and strength of asperities on instability, and the softening behaviour of asperities before instability.We find that (1) the failure of the fault zone may be due to either dynamic instability or rapid quasistable slip. A general characteristic of unstable mode is that slippage, on some parts of asperities increases indefinitely for a small finite increase in remote imposed displacement until, immediately before the unstable slip; (2) the size and peak strength of asperities have a large effect on instability. Reducing the size and peak strength of asperities tends to replace inertially unstable deformation with stable deformation; (3) the location with maximum acceleration during unstable slip, as the plausible nucleating seismic source, is in asperities; (4) the shapes of the changes in theoretical stress and strain at a given location, caused by the nonlinear constitutive property of the fault, are all similar whether instability, happens or not. This fact suggests that the changes of peak type or bend type in crustal deformation are not required for earthquake instability.     

Forecast model for great earthquakes at the Nankai Trough subduction zone

An earthquake instability model is formulated for recurring great earthquakes at the Nankai Trough subduction zone in southwest Japan. The model is quasistatic, two-dimensional, and has a displacement and velocity dependent constitutive law applied at the fault plane. A constant rate of fault slip at depth represents forcing due to relative motion of the Philippine Sea and Eurasian plates. The model simulates fault slip and stress for all parts of repeated earthquake cycles, including post-, inter-, pre- and coseismic stages. Calculated ground uplift is in agreement with most of the main features of elevation changes observed before and after the M=8.1 1946 Nankaido earthquake. In model simulations, accelerating fault slip has two time-scales. The first time-scale is several years long and is interpreted as an intermediate-term precursor. The second time-scale is a few days long and is interpreted as a short-term precursor. Accelerating fault slip on both time-scales causes anomalous elevation changes of the ground surface over the fault plane of 100 mm or less within 50 km of the fault trace.     

地震失稳的滑动弱化模型的有限元分析

本文采用有限元方法,对直立的、无限长的二维走滑断层上的地震不稳定性的滑动弱化模型进行分析,研究断层参数对失稳的影响,从理论上探索当断层强、弱区均有弱化现象时,断层破裂的前兆信息,进而分析摩擦应力弱化规律与地震预报的关系,讨论失稳前后位移场、应变场和应力场的演变过程。     

2014年新疆于田MS7.3地震同震位移及位错反演研究

利用于田震中300 km范围内的1个GPS连续站和12个GPS流动站数据,解算得到了2014年新疆于田M_S7.3地震地表同震位移,并反演了发震断层滑动分布,探讨此次地震对周边断裂的影响.地表同震位移结果显示,GPS观测到的同震位移范围在平行发震断裂带的北东-南西向约210 km,垂直发震断裂带的北西-南东方向约为120 km,同震位移量大于10 mm的测站位于震中距约120 km以内;同震位移特征整体表现为北东-南西方向的左旋走滑和北西-南东方向的拉张特征,其中在北东-南西方向,I069测站位移最大,约为32.1 mm,在北西-南东方向,XJYT测站位移最大,约为28.1 mm;位错反演结果表明,最大滑动位于北纬36.05°,东经82.60°,位于深部约16.6 km,最大错动量为2.75 m,反演震级为M_W7.0,同震错动呈椭圆形分布,以左旋走滑为主并具有正倾滑分量,两者最大比值约为2.5：1,同震错动延伸至地表,并向北东方向延伸,总破裂长度约50 km,地表最大错动约1.0 m;同震水平位移场模拟结果显示贡嘎错断裂、康西瓦断裂和普鲁断裂等不同位置主应变特征具有差异性,这种差异特征是否影响断裂带以及周围区域的应力构造特征,值得关注.     

汶川M_S8.0地震地表破裂带

2008年5月12日14时28分4秒,四川省汶川县发生MS8.0大地震。发震断裂为龙门山断裂带中的映秀-北川断裂。该次地震的地表破裂可分成2条,分别出现在龙门山断裂带中的映秀-北川断裂、彭县-灌县断裂上,前者破裂长度约200km,后者破裂长度约80km。本次地震的最大垂直和右旋水平同震位移出现在都江堰市虹口乡附近的映秀-北川断裂上,分别为(5±0.2)m和(4.8±0.2)m。破裂带南段出露的地表断层产状为N32°E/NW∠76°,其上的侧伏角为S75°～80°W,反映了该次地震在南段以逆冲运动为主,兼有少量的右旋走滑分量     

Coseismic deformation of the 2020 Yutian MW 6.4 earthquake from Sentinel-1A and the slip inversion

A remarkable earthquake struck Yutian, China on June 26th, 2020. Here, we use Sentinel-1 images to investigate the deformation induced by this event. We invert the InSAR observations using a two-step approach: a nonlinear inversion to constrain fault geometries with uniform slip based on the rectangular plane dislocation in an elastic half-space, followed by a linear inversion to retrieve the slip distribution on the fault plane. The results show that the maximum LOS displacement is 22.6 ​cm, and the fault accessed to the ruptured characteristics of normal faults with the minor left-lateral strike-slip component. The fault model indicates a 210° strike. The main rupture zone concentrates in the depth of 5–15 ​km, and the fault slip peaks at 0.89 ​m at the depth of 9 ​km. Then, we calculate the variation of the static Coulomb stress based on the optimal fault model, the results suggest that the Coulomb stress of the Altyn Tagh fault and other neighboring faults has increased and more attention should be paid to possible seismic risks.     

Slip-weakening instability on a strike-slip fault with asperity

In this paper, we studied the slip-weakening instability on a finite and vertical strike-slip fault with asperity. We assumed that the fault strength is uniform in depth, but it is non-uniform in the strike direction, i.e., there is an asperity on the fault. The segments of the fault with and without asperity follow the same type of constitutive law, but the peak stresses are different. The material surrounding the fault is represented by elastic plates whose upper-surface and bottom are stress-free. We use finite element method to study the evolution of theoretical displacement, stress and strain fields that vary with a remote displacement. Here the displacement and frictional stress are not given in advance, but are determined in the solving process. According to the results, we compared the theoretical displacemeut and the distribution of frictional stress on the fault between the stable and unstable slips. In addition, we compared the results in this paper with known results for the strike-slip fault with a segment of lower strength.