关于强震后地表变形机制的讨论——以1999年台湾集集为例

大震后变形的动力学机制问题是近年来地学研究的一个热点.然而学术界观点不一,提出了不少物理模型来加以解释.其中主要观点有:下地壳或上地幔的黏弹性松弛;震后余滑,孔隙弹性回跳,等;或两种因素共同影响所致.     

断层阶区对产生超剪切地震破裂的促进作用

地震时若断层发生超剪切破裂,地震灾害会显著加剧.因此研究超剪切破裂的形成机理有着非常重要的科学意义.本文利用动力有限单元方法,模拟断层破裂从初始断层跳跃传播到另一条平行的次级断层(断层阶区)时破裂速度的变化情况,并分析断层阶区几何特征等物理参数对产生超剪切地震破裂的促进作用.计算结果表明,断层阶区的诸多物理因素(如:重叠长度、相隔距离以及摩擦系数等)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,转换为在次级断层上的超剪切波速度.在破裂速度转换过程中,断层间隔起着重要作用,当断层阶区中两断层垂直间隔距离小到一定程度时,破裂跳跃阶区后,破裂速度不会发生变化.所以对于分段断层(可视为一种特殊的断层阶区),由于其断层垂直间隔为0,也就不会出现破裂速度变化的现象,模拟结果对此也进行了证实.然而,若断层间隔太大,当其距离超过一定的限度后,破裂通常无法跨越断层阶区继续传播,而是终止在初始断层上.模拟结果还表明,初始断层与次级断层之间的重叠距离也十分重要,只有当断层阶区中两平行断层之间的重叠部分达到一定长度后,断层的破裂速度才有可能发生转换.此外,计算结果显示,破裂过程中断层面上的应力变化可能是破裂传播速度发生转换的直接原因.最后,模拟还发现,当破裂跨越断层阶区发生速度转换时,破裂需要停顿一定的时间,以便积聚足够的能量来实现破裂速度的增快.     

地壳破裂及地震的非线性讨论

地震是以岩石为介质的破裂所形成的,所以,了解岩石破裂发展的物理规律应该是研究地震活动标志的根本途径。该文根据岩石破裂理论及震源物理研究已取得的成果,进一步综合讨论地壳破裂（地震）过程的物理特性,并着重探讨岩体应变积累和释放的非线性等问题。     

断层两侧各向异性介质对地震破裂过程影响的有限单元法模拟研究

断层两侧介质物理性质的差异（bimaterial contrast）会对震源破裂过程产生重要影响,而地球介质的各向异性十分常见,但对于断层两侧材料的各向异性对断层破裂动力学过程有何影响,目前不甚了解,而国内外也未见相关研究报道.为此,研究中利用有限单元法,对断层两侧材料存在各向异性时的破裂行为进行模拟研究.计算结果表明,断层两侧材料的各向异性性质对断层破裂动力学过程有重要作用,并且材料性质与破裂之间的关系非常复杂.对于正交各向异性材料,当断层两侧各向异性材料主方向上的杨氏模量不同时,特别是当平行于断层走向的材料其一侧杨氏模量显著大于另一侧时,断层出现不对称的双侧破裂,成核中心一侧的位错显著大于另外一侧,破裂长度也是一侧显著大于另一侧（亦称单侧破裂）.沿着断层走向的材料主轴方向上的杨氏模量对于破裂过程的影响大于垂直于断层走向的杨氏模量,但随着各向异性材料主轴方位的变化,这种影响也发生相应地改变.模拟结果表明材料主轴方向的变化对破裂过程的影响也很显著.此外,通过模拟还发现,若断层两侧材料为相同的各向异性介质时（即断层两侧为同样的各向异性材料）,则不会影响断层破裂的空间对称性分布;而当其中一侧的各向异性材质主轴方位发生变化时,断层破裂的空间对称性会受到一定程度的影响,但其影响很小;然而,随着正交各向异性材料剪切模量的增加,断层破裂会被终止,无法产生特大地震.可见,本研究对于深入认识震源动力学过程及地震灾害评估等有重要的科学意义及实用价值.     

为什么自然界中超剪切破裂的地震是如此之少?

超剪切破裂的地震由于比同震级的亚剪切地震造成更为严重的地震灾害,因而受到广泛重视.可是,自然界中超剪切破裂的地震数量极其稀少;到目前为止,全球只是发现了十几个超剪切破裂的震例.那么是哪些因素造成了超剪切破裂地震是如此之少?这个科学问题,至今未见前人有系统的分析和研究;为此,本文利用有限单元的计算方法,对触发产生超剪切破裂的几种常见力学因素进行定量分析.有限元模拟结果显示,地表作为触发产生超剪切破裂效率最高的因素,但当地表附近具有沉积层、未固结的断层泥等松软介质时,地表附近断层介质是由速度强化的摩擦本构关系所控制,此时亚剪切破裂无法转换为超剪切破裂,近地表的这层薄薄的摩擦速度强化层会有效抑制超剪切破裂的发生.此外,模拟结果还表明,断层上的障碍体、反凹凸体、断层阶区虽然可以促使亚剪切破裂转换为超剪切破裂,但在转化过程中,由于破裂出现时间上的停顿,这样整个断层上的破裂速度就被平均为亚剪切破裂,即远场地震台站接收的地震信息很可能无法辨别局部超剪切破裂的发生.若要产生一个目前可以识别的超剪切破裂地震事件,其条件十分苛刻,通常需要断层的长度足够长,断层几何要足够平直,初始应力水平要足够高,地表的摩擦速度强化层厚度要足够薄,近场要有足够多的地震台站,等.由此可见,上述这些因素导致了自然界中可以辨别的超剪切破裂地震非常稀少.本研究有助于我们深入理解超剪切破裂发生的力学机制,有助于我们更好地评估地震灾害.     

1999年集集地震前后台湾地区地应变率场的分布及其动力学成因

利用集集地震震前(1990-1995年)及震后(2003-2005年)的GPS观测资料,对台湾及附近地区的地应变率场进行了计算.计算结果显示,集集地震前后,台湾地区的应变率场分布格局基本一致,最大主压应变率的最大值位于台湾东部的海岸山脉地区,方向与台湾岛倾斜相交;主压应变由东向西迅速衰减,在中央山脉地区主压应变率小于主...     

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中国大陆震源机制深度变化反映的地壳-地幔流变特征

大陆岩石层流变性质是一个重要而又没有完善解决的问题：既存在支持Moho面附近为强地幔-流动弱地壳模式的实验和观测事实，也存在支持流动弱地幔-强地壳模式的观测事实. 本文利用哈佛震源机制矩张量解及有关震源深度资料，对我国震源机制随深度的变化进行分析，发现虽然表浅地震震源机制主应力轴倾角接近水平或竖直，但中、下地壳和上地幔震源机制主应力轴倾角则多样化. 这与某些存在柔性下地壳软弱层地区具有孕震层下缘震源机制主应力轴也接近水平或竖直的特征明显不同. 它可能表明上述两种壳-幔流变模式在我国均存在，对我国岩石层流变性质还需要分区进行更细致的多方面研究.     

地震发生过程的有限单元法模拟——以苏门答腊俯冲带上的大地震为例

地震预报由目前的经验预报走向物理预报,数值模拟地震过程是其中的关键.文中应用统一的数学公式表述了速率相关的摩擦接触中黏着（sticking）和滑移(sliding)这两种不同的运动状态;有限元计算中采用静力显示的时间积分方法,基于R最小策略,控制时间步长以保持力学状态变化稳定,从而保证有限元计算过程平稳、收敛.以2004年发生过M_m=9.3特大地震的苏门答腊俯冲带为例,模拟了俯冲带上俯冲板片与上伏板块之间的闭锁、解锁、滑动到再闭锁这一准周期性过程,即地震的孕育、发生过程.计算结果表明,俯冲带上具有较大尺度、介质均匀、摩擦系数相同的区域是产生大规模、大幅度整体突然滑动（即大地震）的条件;模拟的苏门答腊俯冲带上的大地震在时间上有准周期性,空间上有迁移特征,破裂由深部向浅部进行;此外,俯冲带的几何特征对大地震的震源位置有很大的影响.     

2008年汶川Ms8．0地震发生过程的动力学机制研究

2008年5月12日汶川地震突发在现今并不活动的龙门山断裂带上,该地震发生的动力学机制问题引起广泛关注.文中利用黏弹性接触问题的有限元方法,考虑重力作用,对青藏高原东缘的应力场空间分布及其随时间的演化进行了数值模拟,结果显示应力在空间由分散分布逐渐向龙门山及周边地区转移集中.基于前人的研究成果及计算分析,初步认为汶川地震孕育发生的动力学过程如下:青藏高原的物质东流在向东运动过程中由于受到稳定的四川盆地的阻挡,一部分东流物质在川西地区囤积,造成龙门山隆升;高角度(50°～70°)、犁状的龙门山断层面上的正应力随着川西高原向东运动而不断增大,导致该断层的闭锁性逐步加强,并且分布在断层附近的变质杂岩为存贮高密度弹性应变能提供物质保障.但另一方面随着青藏高原较柔软的下地壳物质的不断向东运动,囤积的东流物质对龙门山断裂带上盘的推挤作用会不断加强,从而导致断裂带上剪应力越来越大;当剪应力超过摩擦强度时,断层解锁产生滑动,发生地震.模拟结果还表明龙门山断层面上的摩擦系数较高,断裂带上地震的平均复发周期约为3163年,这与其他资料结果有一致性.