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.     

2008年汶川大地震单侧破裂过程的动力学机制研究

2008年汶川大地震的破裂过程极其发杂,向东北方向的破裂距离长达300 km,而向西南方向的破裂长度很小,呈现出单侧破裂的主要特征.尽管汶川地震破裂呈单侧传播的现象引起许多地震学家的关注,但其物理机制至今还不是十分清楚.本文利用有限单元计算方法,模拟了汶川地震的破裂过程.模型中根据龙门山断裂带两侧（东南侧为四川盆地,西北侧为川西高原）实际的地震波速度来确定模型的介质物性参数,利用目前观测的应力环境来选定初始应力条件.模拟结果表明：破裂在汶川地震的震中处成核后,先向断层两侧自发传播,但向东北方向的传播距离明显大于向西南方向;断层面上的正应力在东北方向（破裂的正方向）随着传播距离的增大而不断减小,位错速率随着破裂的传播距离而越来越大,其脉冲变得越来越尖锐,即产生了Weertman脉冲.研究结果显示：由于这种脉冲的出现,破裂在正方向上（东北方向）能够自己放大、自己愈合、自行维持,摩擦热极小,所以破裂能够沿着东北方向一直传播,直到应力场方位发生变化,不利于破裂时才最后终止.但在西南方向,破裂过程中断层面上的正应力增大,阻碍破裂继续扩展.最后就出现了汶川地震中破裂朝东北方向单侧优势传播的基本格局.模拟结果还表明：若断层面两侧介质均匀,则破裂向两侧是对称传播,且破裂距离很短,因此这种情况无法产生像汶川大地震那样的特大地震.因此,文中的模拟结果表明龙门山断裂带两侧的物性差异是造成汶川大地震单侧传播的决定性因素.断层两侧物性差异（bimaterial contrast）影响断层破裂过程的研究对于深入认识地震动力学过程、地震灾害预测及评估等有重要的科学意义.     

基于边界积分方程方法的弯折断层破裂传播过程控制因素分析

本文利用边界积分方程方法,以基于三角形网格的全空间格林函数及离散积分核计算为基础,进行了最常见的弯折断层的破裂传播过程模拟.为了去除边界积分方程方法中格林函数计算存在的高度奇异性,研究采用分部积分等方法对动力学方程进行了重整化和离散化处理.地震力学过程可以被视为断层由静摩擦转为动摩擦的过程,对于震源破裂过程的动力学模拟,摩擦准则起着重要作用,本研究采用常用的滑动弱化摩擦准则.计算引入Courant-Friedrich-Lewy比值来表达场点的影响,并控制计算的收敛性和稳定性.通过与典型算例的比对,检验了方法的正确性和有效性.地震破裂能否穿越断层弯折部位继续传播是震源动力学研究的重要内容,基于此,本文建立了多种理论弯折断层模型,模拟了断层弯折对地震破裂传播的控制作用,并通过改变断层周边初始应力场、断层弯折角度大小以及滑动弱化距离大小等来分析各个因素对破裂传播的影响.模拟结果表明:断层面上初始破裂区域内外的应力越高,破裂越容易越过断层弯折部位继续传播;初始破裂区域半径越大,或滑动弱化距离越小,破裂也越容易发生,并越过弯折部位继续传播.同样的初始条件,断层弯折角度越大,断层弯折作为障碍体,对破裂传播的阻碍作用越显著.小的弯折角,其破裂传播过程与平面断层差别不明显,基本仍以椭圆方式对称向两侧传播.     

断层几何形态和自发破裂的动力学参数对地震波场的影响

断层的自发破裂及其产生的地震波场是地震学研究的重要内容.断层几何形态和自发破裂过程中的动力学参数不同,往往会导致不同的震源破裂过程,进而对地震波场产生显著的影响.本文基于不同几何形态的断层上的自发破裂过程,通过计算研究其产生的地震波场的特征.针对弯折和分叉的断层系统,我们考察了初始成核区位置以及超剪切破裂对于地震波场的...     

2010年4月14日玉树Ms7.1地震加速度场预测

基于有限断层震源、且使用动力学拐角频率的地震动随机模拟方法预测玉树地震近断层的加速度场.首先,基于有限断层震源建模方法建立该次地震的震源模型;然后,基于上述地震动模拟方法预测玉树地震近断层191个节点的加速度时程.在此基础上,取每个结点的加速度峰值绘制该次地震的近断层加速度场.结果表明:(1)近断层加速度场主要受震源破裂过程和断层面上滑动分布的影响.断层面上凹凸体投影到地表的区域附近,加速度峰值最大,也是震害最严重的区域;(2)对于走滑地震,断层沿线附近的场地并非均会发生破裂方向性效应;发生破裂方向性效应的场地与凹凸体在断层面上的位置有关.     

新生破裂影响地震破裂跨越断层阶区传播过程的扩展有限单元法模拟

采用扩展有限元方法计算了断层阶区内介质产生的新生破裂对地震破裂跨越断层阶区传播过程的影响。模型中新生的断层扩展遵循最大剪应力破坏准则，当最大剪应力超过岩石的承受极限时，完整介质产生破裂形成新的断层，并且新断层的扩展方向为最大剪应力方向。扩展有限元法模拟结果表明，断层阶区内新生的断层改变了断层阶区的几何形态，同时也改变了断层破裂后的应力状态。新生破裂可以改变库仑应力在空间的分布格局，特别是可以提高断层上的应力水平，从而提高地震破裂跨越断层阶区的能力。模拟结果还显示，断层阶区内新生破裂的产生，可以使得地震破裂跨越10 km宽的断层阶区，若阶区内部介质没有产生新生破裂，则地震破裂无法跨越该断层阶区。本研究有助于进一步认识地震破裂跨越断层阶区的传播过程，特别是对地震震源过程分析及地震灾害评估等具有重要的科学意义。     

基于非结构化网格的边界积分方程方法的断层自发破裂模拟

地震自发破裂模拟是震源动力学研究的重要内容,了解复杂的断层动力学破裂过程对深入认识震源特征和解释运动学反演结果具有重要意义.基于边界积分方程方法的破裂模拟已经被广泛使用,大多采用的是平面断层模型的结构化网格划分.由于实际的断层往往具有较为复杂的几何特征,为了更为灵活地刻画断层几何复杂性,我们建立断层模型的三角形网格离散方案,通过精确的解析解形式来计算断层各个单元之间的应力格林函数,联立滑动弱化摩擦准则和非奇异边界积分方程,对断层的自发破裂过程进行了模拟.在简单的平面断层模型下,将计算结果与前人的结果进行了对比,验证了方法的正确性与有效性.对于几种常见的复杂断层模型,例如弯折、阶跃、含障碍体断层等,我们模拟了其破裂过程并对计算结果进行了比较与分析.模拟结果表明,非结构化网格划分的边界积分方程方法能够很好地模拟平面矩形断层或由其组成的规则断层,同时也能成功地模拟具有复杂几何形状的不规则断层上的动力学破裂过程.本研究的结果显示了边界积分方程方法在模拟复杂断层系统的动力学破裂问题上具有较广阔的应用前景.     

利用断层首波分析2010年玉树M_W6.9地震断裂带的速度差异特征

<正>断层首波是在断裂带两侧介质的地震波速度存在差异,在地震波速度较慢一侧的台站可记录到比直达体波优先到达的初至波。目前,断层首波主要在板块边界附近的断裂带观测到,但没有得到很好的应用。但由于断层首波的存在,对地震初至波识别、地震定位、震源机制解及震源破裂过程的分析研究带来了更大的误差。另外,断裂带两侧介质存在速度差异会影响地震的震源特征,例如,地震破裂的优势方向。对     

断层自发破裂动力学过程的有限单元法模拟及其在地震研究中的应用

地震是断层的自发破裂动力学过程。数值模拟断层的自发破裂动力学过程对于认识地震的力学本质、减轻地震灾害等有着重要的科学意义及应用价值。本文首先对经典的滑移弱化摩擦关系进行了改进,然后对断层的破裂过程进行动态数值模拟。模拟结果表明,利用改进后的摩擦关系能够产生脉冲型(pulse-like)破裂模式。断层自发破裂过程受初始应力场及摩擦关系影响,若初始应力场中的剪应力水平较低或滑移弱化摩擦本构关系中的动摩擦系数较大,则容易产生脉冲型破裂;反之,则容易产生裂纹型(crack-like)破裂。另外,为了研究双材料(bimaterial)断层破裂对强地面运动的影响,我们采用正则化的速率-状态相关摩擦本构关系计算了破裂沿着双材料断层传播的二维有限元模型。模拟结果表明,双材料机制对地震破裂过程以及断层周边区域的强地面运动有显著影响。由断层破裂辐射出的地震波导致的强地面运动在整个空间上的分布是不对称的,其不对称性会随着断层两侧材料差异程度的增加而增加。断层破裂能否跨越断层阶区(stepover)继续传播,从而引发更大震级的地震,地震时断层是否发生超剪切破裂导致地震灾害加剧,都是震源动力学研究的重要内容。本文利用有限单元方法模拟断层阶区对地震破裂传播的控制作用以及对产生超剪切地震破裂的促进作用。研究结果表明:断层面上的摩擦系数减小、断层周边区域内初始剪应力增大以及较小的阶区间距等,都将增加断层破裂跳跃阶区传播的可能性;此外,这些物理因素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为在次级断层上的超剪切波速度。结合以上在概念模型中对断层自发破裂过程的模拟研究结果,我们根据汶川地震和玉树地震发震断层的实际几何情况分别构建有限单元数值模型,研究了汶川地震单侧破裂过程的动力学机制以及玉树地震产生超剪切破裂过程的动力学机制。2008年汶川大地震的破裂过程极其复杂,向东北方向的破裂距离长达300 km,而向西南方向的破裂长度很小,呈现出单侧破裂的主要特征。文中模拟并分析了汶川地震的破裂过程,结果表明:龙门山断裂带两侧的物性差异是造成汶川大地震单侧传播的决定性因素。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。文中在模拟并分析玉树地震的破裂过程后认为:玉树地震发震断层走向与初始主应力方向之间的关系断层破裂是亚剪切转化为超剪切破裂的可能原因。     

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.     

根据2001年Mw 78可可西里强震InSAR同震测量结果反演东昆仑断裂两侧地壳弹性介质差异

利用2001年 Mw 78 可可西里强震InSAR同震测量结果，反演了青藏高原北部东昆仑断裂两侧地壳弹性介质差异.InSAR测量结果显示断层南侧的同震位移比北侧的大20％～30%.根据人工地震反射剖面建立岩石圈模型，以断层两侧杨氏模量差异和震源破裂深度为反演变量，通过有限元方法模拟实测得到的同震位移剖面.反演得到最佳断层破裂深度为20～22km，断层南侧杨氏模量相对北侧比值为81%～92%.结果表明，断层两侧弹性介质性质存在明显差异，由于构造运动作用，断层南部地壳不及北部地壳坚硬.前人利用地震层析成像和大地电磁测深等手段推断青藏高原内昆仑山断裂以南可可西里－羌塘地块地壳内广泛发育低速高导层，我们通过形变场力学分析得到与此相一致的结果.     

大柴旦Ms6.3级地震序列精确定位及发震构造初步研究

利用双差地震定位法对2009年8月28日青海省大柴旦地区发生的Ms6.3级地震及余震序列进行重新定位。结果显示:余震序列主要沿宗务隆山南缘断裂带分布;余震序列优势分布方向为北东东。该序列与宗务隆山南缘断裂带走向一致,与震源区的区域构造基本一致,余震主要分布于主震的南侧。此次地震主震发生在宗务隆山南缘断裂带北侧,Ms6.3级地震主破裂面走向、倾向、倾角与该断裂带产状基本一致,主震破裂面南侧余震活动强于北侧。     

First-order perturbation approximation for rock elastic moduli in transversely isotropic media

Seismic anisotropy is a relatively common seismic wave phenomenon in laminated sedimentary rocks such as shale and it can be used to investigate mechanical properties of such rocks and other geological materials. Young’s modulus and Poisson’s ratio are the most common mechanical properties determined in various rock engineering practices. Approximate and explicit equations are proposed for determining Young’s modulus and Poisson’s ratio in anisotropic rocks, in which the symmetry plane and symmetry axis of the anisotropy are derived from the constitutive equation of transversely isotropic rock. These equations are based on the media decomposition principle and seismic wave perturbation theory and their accuracy is tested on two sets of laboratory data. A strong correlation is found for Young’s modulus in two principal directions and for Poisson’s ratio along the symmetry plane. Further, there is an underprediction of Poisson’s ratio along the symmetry axis, although the overall behavior follows the trend of the measured data. Tests on a real dataset show that it is necessary to account for anisotropy when characterizing rock mechanical properties of shale. The approximate equations can effectively estimate anisotropic Young’s modulus and Poisson’s ratio, both of which are critical rock mechanical data input for hydraulic fracturing engineering.     

龙门山断裂带北段深部结构与反射地震特征

2008年5月12日汶川M_W7.9特大地震发生在龙门山断裂带,龙门山断裂带深部结构的复杂性制约了地震的破裂过程.通过对研究区区域地质、汶川地震前后采集的地震反射剖面等研究,在对龙门山北段汶川地震断裂带的深部结构和反射地震特征进行了分析的基础上,探讨了它对地表破裂过程的制约.研究结果表明,在地震剖面上,断裂带表现为能量破碎、联系性差;频率剖面上显示整体剖面频率在5~45 Hz,断裂带呈现频率低（15~26 Hz）等特征.龙门山北段映秀-北川断裂在10 km以上是一条倾向北西的高角度走滑兼逆冲性质的断裂,倾角50°~70°.它分割了西侧的轿子顶杂岩和东侧的唐王寨推覆体,错断了早期形成的逆冲岩片,从南到北总位移量由大变小.它高角度的几何形态约束了断裂以走滑为主兼逆冲分量的运动性质,降低了地表滑移量,影响了地震破裂过程以及余震沿断裂带两侧分布的特性.     

2011年M_W9.0东日本大地震动力学破裂过程的数值模拟

力学上,地震可以看作在应力场作用下由于断层带介质的突然损伤或软化导致的断层带失稳事件.本文基于这个地震动力学模型,利用一种可以模拟断层大位错的有限元方法,研究了2011年MW9.0东日本大地震(Tohoku-Oki)的动力学破裂过程.比较了无障碍体和具有不同刚度障碍体的断层带模型产生的断层位移、位错和应力降.主要结果表明,障碍体的存在并不明显地改变障碍体区域的初始构造应力场.对有障碍体情形,准静态结果显示断层上盘最大逆冲位移和最大剪切位错分别为51m和58m,均发生在海底表面海沟处,与无障碍体的结果(最大剪切位错约55m)相比差别不大;下盘最大倾向位移(-10m)并不与上盘最大值出现在同一位置,而是在障碍体处.障碍体处剪应力降(约11 MPa)大于周围非障碍体区域.障碍体处正应力降的最大值约为3 MPa.模拟结果似乎不支持海山是导致本次地震异乎寻常大位错的原因,而倾向于断层带剪切刚度在地震过程中极度损伤或软化.     

Research on the seismotectonics of the Jan－uary 17，1995 Hanshin M7．2 earthquake

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｓｅｉｓｍｏｔｅｃｔｏｎｉｃｓｏｆｔｈｅＪａｎ┐ｕａｒｙ１７，１９９５ＨａｎｓｈｉｎＭ７．２ｅａｒｔｈｑｕａｋｅＺＨＵ－ＪＵＮＨＡＮ１）（韩竹君），ＦＵ－ＨＵＲＥＮ２）（任伏虎），ＹｕｊｉｒｏＯｇａｗａ２）（小川雄二郎）ａ...     

剪切破裂源及其近场影响

本文利用有限差分法对垂直走滑断层和垂直倾滑断层两种剪切破裂源在不同埋深和不同破裂尺度(指垂直于地面方向上断层尺度)情况下的近场理论地震图进行了讨论,并得到了地表不同震中距处的加速度付氏谱。通过对上述两种源所产生的近场效应的对比分析,本文得到了以下初步结果: (1) 在埋深相同,断层面宽度相同的情况下,垂直走滑断层源对近场地表的影响比垂直倾滑断层源大。(2) 在垂直倾滑断层源的埋深、破裂尺度相同的情况下,在地表同一震中距处产生的水平位移要比垂直位移大。(3) 两种破裂源在地表同一震中距处产生的位移的最大振幅随破裂尺度的增大而增大,且近似为线性关系;在极震区内不同震中距处产生的位移的最大振幅随震中距的增大而减小,且随震中距的变化率在减小;在地表不同震中距处产生的加速度的付氏谱的主峰周期随震中距的增大而变长,随破裂的增大,付氏谱中主峰周期也加长,且长周期成份愈多;随着破裂源埋深的增加,地表不同震中距处产生的位移的最大振幅变小,即等震线变疏。(4) 走滑断层源产生的加速度付氏谱的主峰周期比倾滑断层源长。     

震源破裂方式和断层性质对近场强地震动特征的影响

基于数值格林函数法的近场强地震动数值模拟方法,以1994年Northridge地震断层面上位错量的不均匀分布模式和该地区的地层剪切波速度结构为震源模型和计算模型,做了两个方面的模拟研究:(1)直立走滑断层(断层倾角为90°)情况下,模拟分析了有限断层单侧破裂模式和双侧破裂模式对强地震动特征——破裂方向性和上盘效应的影响;(2)对于倾斜断层(倾角为45°),模拟分析了正断层、逆断层和走滑断层情况下,单侧破裂模式对其强地震动主要特征——破裂方向性效应和上盘效应的影响.结果表明:断层的破裂方式直接影响着地表地震动峰值和矢量分布;在近场区无论直立断层还是倾斜断层,其地表地震动峰值分布所表达的破裂方向性效应显著,位于破裂传播前方的地震动强度大,反映了波前被压缩的趋势,破裂后方地震强度明显变小;倾斜断层引起的上盘效应明显,NS向分量和竖向分量的地表地震动峰值的最大值出现在上盘靠近断层迹线处,EW向分量的峰值在断层迹线两侧呈不对称分布,且逆断层引起的地震动峰值最大,走滑断层的次之,正断层的最小.     

地震断层对管道压溃压力的影响

利用有限元软件ABAQUS,结合用户自定义Python程序,开展地震断层作用下深海管道局部变形和压溃过程的数值模拟。分析均质土体和随机分布土体模型的地震断层位移大小对管道局部变形的影响,并分析断层诱发的局部挤压变形对管道压溃压力的影响。研究表明:相比于断层走向与管道轴线方向垂直的走滑断层,断层走向与管道轴线方向夹角为45°的走滑断层作用下管道的压溃压力较小,且当断层走向为管道轴线方向逆时针旋转45°时,左旋走滑断层作用下管道的压溃压力低于右旋走滑断层作用下的管道压溃压力。断层位移相同时,管道径厚比越大,压溃压力越小。考虑土壤随机性时,由于APIX65钢制管道刚性较大,且管道两侧土体内聚力和摩擦角分散于均质土壤土体参数均值两侧,因此断层作用过程中管道受到的土压力在均质土壤模型中的土压力数值处上下波动。