地震活动性研究中的非线性动力学模型

本文利用非线性动力学模型研究了断层带的地震活动特性.断层系由多个耦合非线性单元模拟,每个基本单元由Maxwell体和刚性滑块组成.滑块的运动满足静、动摩擦强度本构关系.理论模拟的地震活动在短时间内是随机的,但当时间尺度足够大时,断层带的总体活动表现出某种规律性.多数实际观测到的地震活动现象均在这些非线性动力学模型中出现. 本文提出转换概率的观点来度量断层间和孕震区间的地震转移.模拟中发现活动地震带中存在条件安全区,这可能对地震预报的实践有重要的意义.     

具有分形结构强度分布的二维地震断层模拟

提出一种二维地震断层破裂模式，这是在一维弹簧-滑块模式的基础上建立的．利用这种断层的二维向量模型，研究了地震断层的动力学平面-应变的破裂问题．形象、直观地模拟了具有均匀或不均匀破裂强度分布的二维地震断层的破裂成核、扩展、传播直至停止的动力学全过程．阐明了在均匀预应力条件下，断层将获得足够的动量以克服破裂传播路径上的高强度障碍体．破裂锋面亦可绕过孤立的障碍体继续向前传播．整个模拟过程表明:断层破裂过程的停止条件对模拟地震破裂的全过程起着重要作用；我们还研究了断层面上破裂强度分布不均匀条件下断层的动态破裂过程，模拟了具有分形结构强度分布的二维地震断层产生的地震序列．它具有类似自然界地震现象的某些特征．这些特征主要取决于断层面上破裂强度的分布及初始应力降的大小．建立在实验和观测基础上的断层破裂过程模拟研究，为解释地震活动性统计规律的某些特征提供了物理基础.      

断层结构非均匀性对地震活动性影响的细胞自动机模拟

基于断层强度分布的非均匀性,构建了由81×81个细胞单元组成的4种不同匀质度及其各自6种不同随机构型共计24个非均匀二维单断层模型样本,并通过设计的细胞自动机模拟程序,在保持其它模拟参数不变的条件下对它们进行了模拟试验.研究结果表明,随着断层结构非匀质度的增加,其宏观变形破坏行为由相对脆性向塑性变化;地震序列类型依次表...     

青藏高原的隆升过程与地球动力学模型研究进展

综合对比、分析了现有青藏高原隆升过程和地球动力学模型相关成果，认为：（1）高原岩石圈以多圈层为特征，其内部层圈相互作用复杂，从而导致隆升过程和机制的复杂性以及构造演化的阶段性，高原的隆升是多种机制联合作用的产物，具有多阶段、非均一、不等速的特征；（2）现有地球动力学模式多力求用一种动力学体制对高原整体构造格架和成因演化进行解释，然而，高原的隆升过程、状态和动力学机制具有非线性、非周期性和无序性等特征，其隆升作用存在非线性效应；（3）以数值模拟为手段，开展物理与数学的定量模拟研究，建立组合动力学模型，是青藏高原隆升过程和地球动力学研究中有待深化的重要课题。     

粘弹性有限元与弹簧滑块耦合模型——断层与地块相互作用的数值模拟

建立了粘弹性有限元方法和弹簧滑块的耦合模型,模拟了缓慢的大尺度地壳构造运动转化为急剧的小尺度断层失稳的时间过程,展示了地壳块体系统在板块边界作用下的相对运动,断层分配了主要的变形,导致了应力的积累,通过弹簧滑块模型模拟出服从Gutenberg-Richter定律的地震序列。断层摩擦强度的不均匀性控制了地震的发生以及块体的应力状态,地震破裂过程由成核点开始向两端扩展,伴随有应力的触发、应力释放和应力再分配的过程。断层的破裂事件释放了地壳块体的部分应力,靠近断层的地块应力受到局部破裂段的影响,而远离断层的地块应力状态受到断层整体地震活动的控制。     

根据动力学模式进行的三维近场强地面运动的模拟

使用三维有限差分法模拟了由浅走滑断层破裂过程产生的强地面运动。此破裂过程是用一种具有固定破裂速度的裂纹模式来模拟的。还研究了与断层位置和震源参数（像应力降或破裂速度）相关的峰值地动速度图象的变化。我们的发现表明，这些图象受到破裂方向和断层或凹凸体最上部所在深度的强烈影响。当断层突破地下时，平行于断层的高峰值地动速度分量所在的区域距断层迹线有一段与断层深度相当的距离。另一方面，垂直于断层的峰值地动速度则是沿断层迹线最大。断层长度（或凹凸体长度）对峰值地动速度并无太大影响。对有关应力降和破裂速度的非均匀性对强地面运动的影响也作了研究。当应力降不均匀且在最浅的深度处从震开始线性增加时，峰值地运速度减小。这些结果有助于更好地预测由有潜在的危险断层所产生的强地面运动。     

地震序列障碍体模型的数值模拟试验研究

运用岩石破裂过程分析RFPA2D系统,研究了断层上含非均匀性障碍体对地震序列类型的影响。通过对断层障碍体不同均质度系数m=1.1、m=1.5、m=6.0这3个样本进行破裂过程的模拟,发现均质度不同会产生不同地震序列类型,这些序列类型主要是前震主震余震型、主震型和震群型。此外,对3种不同均质度的障碍体的岩石样本破裂过程的模拟表明,岩石介质的非均匀性不但对岩样宏观强度和宏观变形非线性行为有显著的影响,而且对试样破裂模式也有显著的影响。     

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.     

震源孕育模式的数值模拟研究

在充分考虑地质体材料力学性质非均匀性特点的基础上，运用岩石破裂失稳过程有限元分析新方法(RFPA)，以不存在明显孕震构造特征的包体模式为例，模拟研究了挤压边界条件下的震源孕育模式，包括断层的形成过程和地震活动特征，演示出孕震体由变形、破裂到宏观贯通的地震全过程以及它们的时空强基本规律．计算所得到的应力、变形和微震空间分布，形象地给出了变形局部化、震源迁移、膨胀或隆起，弹性回跳和X型共轭变形带等直观图象．      

近场强地面运动的三维模拟：由破裂方向性推断盆地边缘效应

神户地震造成严重破坏的地区呈狭窄的带状分布是１９９５年兵县南部（神户）地震非常显著的特征。形成强地面运动放大的过程至今未见阐述。通过构造一个掩埋于靠近盆地的走滑断层的一个Ｍ＝７地震的动力学破裂过程,我们模拟了由破裂方向性产生的盆地边缘效应。通过三维有限差分法计算了频率达１Ｈｚ的速度的地面运动地震图。峰值地面速度曲线的状态显示,当断层与盆地边缘平行时,峰值地面运动在沿盆地边缘一个宽度在几公里范围的狭     

断层破裂方式对银川盆地强地面运动的影响

银川盆地是受断层控制的断陷性盆地,边缘和内部发育了多条断裂带,特别是其内部晚更新世-全新世活动的银川隐伏断层可能对银川市的建设规划和抗震设防影响较大.为了研究银川隐伏断层活动对银川盆地强地面运动特征的影响,本文以银川隐伏活动断层作为目标断层,模拟了断层发生Mw6.5特征地震时,在单侧破裂和双侧破裂两种方式下,银川盆地的强地面运动分布特征.分析结果表明在两种破裂方式下,盆地内强地面运动表现出不同形态的地震条带状分布特征和上盘效应;同时受到银川盆地边缘断裂"西陡东缓"构造特征的影响,地表强地震动分布和断层附近观测点的时程也呈现出独特的盆地边界反射作用.在单侧破裂和双侧破裂两种模式下,近场强地面运动集中区总体上呈现北强南弱的现象,银川市及附近的芦花台等地区是强地面运动分布的主要区域.     

用爆炸源和天然地震源对圣安德烈斯断层成像

现有证据说明,断层带的不均匀性可能在地震破裂局域化中起决定性的作用(Aki,1995)。这种不均匀性可以呈现多种形式,如物理性质(弹性、孔隙流体压力等)随空间的变化,或断层面的复杂性(弯曲、错断等)。P波和S波速度(v_p和v_S)结构的高分辨率三维模型以及精确的震源为研究断层带不均匀性对破裂局域化的作用     

随机有限断层法模拟乌鲁木齐县-昌吉市M_S5.6地震的地震动

<正>由于大震复发周期较长,很多区域较难遇到,所以越来越多的工程项目开始关心近场中强震的破坏。中强地震的地震动模拟主要受到断层破裂面上距场地近的、局部的有限部分影响,高频成分丰富,持时一般较短;考虑到地震破裂的不均匀性和传播过程的随机性,在模拟近场中强震时,往往采用随机法进行模拟,随机有限断层方法是目前发展比较成熟的方法之一。     

用算法复杂性分析地震活动演化特征

以非线性动力学理论为依据，用非线性动力学中分析时间序列的算法复杂性研究地震活动规律和构成地震活动复杂现象的动力学特征。提出了按震级计算的地震算法复杂性ＡＣ值和按发震时间计算的地震算法复杂性ＴＡＣ值。选取１９７０年以来中国东部ＭＳ≥６．０地震，西部ＭＳ≥６．５的强震，对ＡＣ值和ＴＡＣ值进行回顾性分析；利用１９７０￣１９８０年大华北地区展望性空区识别结果，对ＡＣ值和ＴＡＣ值进行展望性检验分析，并进行了     

具有脆性形变和蠕动变形的复合单断层系模型中的应力、滑动与地震

对弹性半空间中的几个含有不连续断层系的三维弹性连续介质模型，在沿单元垂直走滑断层发生的滑动过程进行了数值模拟，模型的几何形状和所使用的边界条件大致与圣安德烈斯断层中部的情形相符合，数值模拟综合考虑了脆性形变和蠕动变形，断层带的总形变率为蠕变和摩擦滑动率之和。脆性断层的性质由破裂段（数值单元）的不同地震应力降的分布来给定。所假设的分布描述了两种理想化的情形，它们分别对应于不同断层滑动的极限状态：（1）以大尺度范围为特征的强无序状态，表示不成熟的断层带及扩展空间域。（2）相对有序的状态，以小尺度范围为特征，表示成熟的完全滑动断层。假定断层的蠕变特性在所有的情形中都相同。并且是用蠕滑速率与应力的幂次律关系来刻画的。利用这种脆性蠕变过程和模型参数可以得到一个在12．5km深度含有“脆性－延性”过渡带的应力－深度剖面，以及一个在1857年地震破裂西北65km处存在有“脆性－蠕变”过渡带的沿走向的应力剖面。模拟的震源空间分布在统计意义上与观测数据相类似，结果表明，断层强烈不均匀性的特征尺度范围会在断层系统的地球地震响应中显著表现出来，若尺度范围小，则会使震级－频率分布接近于特征地震分布，在时间上会层致如地震空区说所预言的大地震的准周期分布，而大尺度范围的地震活动性符合古登堡－里克特的震级－频度关系以及大地震的随机或是成簇的时间分布特征。数值模拟的结果表明，各种形式的震级－频度关系以及地震时间分布的统计特征都可以通过表征断层带不均匀性的尺度范围统一起来，这可以通过借助一个给定的断层带或是岩石层的结构特征给出一个清晰的物理解释，并且得到地震及断层观测资料的支持。在一些模拟中，小地震的震级－频度关系曲线明显低于自的古登堡－里克特关系曲线。这说明在构造加载过程中，小地震通过平滑应力的长波成分，为大地震的发生创造了条件。这一过程是通过与小地震的大量断裂有关的短波应力的消失过程来完成的，大地震的大尺度破裂的发生正好导致与上述长，短波应力的平滑与消失变化相反的过程。     

非均匀半无限介质中振荡电偶极子地表电场的数值模拟

以数值模拟方法对层状介质中振荡电偶极子电场进行了研究，结果表明：（1）在典型层状介质结构下，地表不可能观测到此种信号源产生的电场信息。（2）有断层存在时地表偶极子电场值可增大2－3个最级。在常见的地壳电性结构中，地表可得到零点几至几毫伏每公里的异常；在特殊电性结构中可达上百毫伏每公里，电场强度的最大点并不在震中，而是在断层带上，这表明地下介质的不均匀性一方面有利于地电异常的观测，另一方面也是引起地表电场异常出现复杂性的原因。     

国外研究动态

俯冲带大地震的非特征行为与重复发生的复杂性特征地震概念最早是由Ｆｅｄｏｔｏｖ（１９６５）在研究西北太平洋俯冲带地震时提出的，以后美国学者在研究ＳａｎＡｎｄｒｅａｓ断层和Ｗａｓａｔｃｈ断层的古地震时对这个概念做了发展并建立了模型。最近，ＳｕｓａｎＹ．Ｓｃｈｗａｒｔｚ对太平洋的一些俯冲带大地震重新做了分析。好采用的方法是用震源时间函数反演确定大地震的滑动分布，该函数是由长周期面波和宽频带体波的经验格林函数分析导出得到的。对序列地震破裂空间分布的比较表明，重复断层滑动的格局有很大差别。１９９４年本州北地震和１９９５年所罗门群岛地震主要是填补了以前地震留下的滑动空区，而不是破裂粗糙部位（ａｓｐｅｒｉｔｉｅｓ）。１９９５年千岛地震和１９９６年阿留申地震则是使以前地震留下的粗糙段破裂，但滑动量不同。本文研究认为，环太平洋板块边界地震的重复发生比粗糙体模型的预测复杂得多。所研究的４个板块边界段的重复断层滑动与特征地震模型不相符合，说明地震破裂不仅仅是由固有的几何与物质不均匀性控制的，其它动力学因素也很重要。（据Ｊ．Ｇｅｏｐｈｙｓ．Ｒｅｓ，Ｖｏｌ．１０４，Ｎｏ．Ｂ１０，ｐｐ．２３，１１１～２３，１２５，Ｏｃｔｏｂｅｒ１０，１     

祁连山与龙首山断层的分维特征

本文利用分维几何学方法对祁连山和龙首山断层进行了定量性研究。结果表明,分维数可以表征断层的不均匀性、不规则性和复杂性等,但是,与地震活动无明显的相关关系。分维数的大小与断层分枝数、断层迹线的展布面积有一定关系。     

关于有限断层计算模型的研究——考虑位错时、空不均匀分布的滑动时间函数

断层面上某一点的滑动时间函数需要用三个参数来表达:断层的平均位错量、上升时间和破裂传播的时间延迟。本文基于有限断层模型,根据断层面上每个子源的位错量时、空不均匀分布特征,采用Brune模型系统确定了相应滑动时间函数的三个参数,构建了位错量呈时、空不均匀分布的有限断层滑动模型。该方法可以表现破裂面上断层位错量在时间和空间上分布的不均匀特征,既能够表现震源的复杂性同时又能够简化震源模型的构建过程,为考虑断层附近的强地震动数值模拟计算提供了有效的途径。     

大陆强震的动力学模型及其在地震活动性研究和地震预测中的应用

本文以中国大陆为具体研究对象 ,从大陆强震活动成组特征的客观性出发 ,开发了一种非线性动力学模型 ,用于模拟大陆强震成组活动特征及孕震环境对地震成组性的影响 ,运用此模型对一些地震活动特征和前兆场的演化特征进行了模拟和解释。地震活动的分布具有空间不均匀性和时间非平稳性。地震的空间不均匀性表现为地震在空间上往往成带、成区分布 ,地震的时间非平稳性表现为地震活动在时间轴上具有活跃和平静 (高潮和低潮 )相交替的特性。分析表明大陆地震具有明显的成组活动特征。强震活动的成组性是指强震活动在某些时段十分集中 ,呈成丛或丛…