断层错动引起的上覆土体破裂演化规律研究

断层引起的地面永久大变形是工程特别是生命线工程地震破坏的重要原因之一, 而研究断层错动下上覆土体变形和破裂的发展演化规律, 则是预测地面永久变形状态和分析断层危害性的基础． 本文采用有限元方法对垂直断层错动引起的上覆土体破裂演化规律进行了研究, 建立了垂直断层作用下上覆土体模拟的有限元模型, 对断层错动作用下上覆土体的破裂发展过程进行了模拟分析, 并分析了加载速率、 土体特性及断层倾角等参数对上覆土体的破裂演化发展过程的影响． 结果表明: ① 断层倾角越陡, 地表出现破裂时需要增加的垂直位移越大; ② 由于惯性力的影响, 断层加载速率对地表破裂所需施加位移和土层破裂角产生一定的影响; ③ 断层类型对土层地表破裂角与膨胀角、 摩擦角之间的关系有很大影响． 该分析结果可为新建工程的抗震设计和已建工程结构的抗震加固等工作提供依据．     

覆盖土层场地地震断裂反应分析方法

基于有限元和拟静力的根本原理，提出了一种基于断层位错的覆盖土层场地地震断裂反应弹塑性有限元分析方法，计算中考虑了土层厚度、断层种类和倾角、软弱夹层以及土的非线性等因素，通过编制的程序计算了地表断裂位移，模拟了土层的破裂过程。     

地震动有限元模拟方法的精度验证

假定破裂断层到地面覆盖层之间的地壳结构为均匀的各向同性介质,将移动位错源在全空间辐射的地震波作为覆盖层底部的入射波,采用有限元方法进行覆盖层地震响应分析,就能得到考虑断层破裂过程的地震动数值模拟结果。这种方法可以大大减小计算区域,从而提高计算效率。本文对基于位错源得到的均匀弹性全空间的解析解和有限元法的结果进行了比较,验证了该方法的计算精度。     

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。     

汶川MS8.0地震逆冲滑动沿断层深度的分布特征及其数值模拟解释

汶川MS8.0地震逆冲滑动量沿断层深度的分布有明显的特点,可以分解成三个破裂的滑动量叠加：深度18 km附近的底部破裂滑动、深度11 km附近的中部破裂滑动和两个局部破裂以外的主体滑动。扣除局部破裂滑动量后,沿断层走向从映秀到南坝近200 km范围内,逆冲滑动量沿断层深度的分布形态是一致的。基于滑动反演几何模型的有限元模拟显示,汶川地震逆冲滑动分布的整体性特征可能源自于断层浅部构造及巴彦喀拉块体SE向挤压强度沿断层走向上的一致性。     

断层破裂过程对边坡的广义荷载场的动态影响

利用基于FEPG的有限元新模型,从动力学的角度对地震中断层的破裂过程进行了研究,探讨其对边坡的位移场、应力场的动态影响,从而用数值模拟的方法印证了现有的地震滑坡动力学模型理论.     

近地表倾角和无地表破裂前期逆冲地震对汶川MS8.0地震逆冲滑动量随深度分布形态的影响

逆冲滑动是汶川地震的初始和主要震源过程,其破裂滑动量随断层深度的分布形态与多数板内逆冲强震不一致.本文用摩压比值来表征断层沿线的局部破裂危险程度,通过数值实验讨论了底部破裂源、近地表倾角和无地表破裂的前期地震等对铲形逆冲断层的破裂危险分布和破裂滑动分布的影响.有限元数值模拟结果显示,在巴颜喀拉块体对龙门山断裂带的高强度挤压下,上陡下缓近地表陡倾角的铲形断层形态使得汶川发震断层近地表对逆冲破裂和滑动有一定的阻碍作用;破裂滑动量集中于发震断层中部的前期逆冲地震是造成汶川M_S8.0地震逆冲滑动分布异于板内逆冲强震滑动分布现象的一个可行解释.     

断层系统摩擦动力学行为的有限元模拟分析

绝大多数大地震发生在先存断层构造上,被广泛认为是一种断层摩擦失稳行为.研究断层上的摩擦动力学行为对地震数值预报具有重要意义.本文围绕地震断层动力学行为,首先回顾了断层摩擦动力学有限元模拟相关的进展,尤其是有限元模拟过程中断层摩擦行为的处理方法,重点分析比较了不同时间积分方案在有限元模拟计算中的差异,探讨了传统有限元方法在模拟断层摩擦失稳非线性的收敛性等难题.考虑到相关差异及问题,本文主要简明介绍了基于R-minimum策略自适应地控制时间步长方案及其有限元计算算法和相关软件,其兼顾了静态隐式与动态显式的优点,将不稳定的隐式迭代计算转变为显式计算;同时利用库仑摩擦定律及速率和状态相关的摩擦本构方程,通过节点-点任意接触单元模拟变形体之间的三维非线性接触摩擦动力学行为,并小结了相关的成功应用实例.此外,为了构建刻画复杂断层形态的有限元网格模型,本文在总结了相关有限元网格生成算法基础上,举例说明了我们最近发展的基于图像的复杂断层约束下非连续四边形和六面体网格的生成方法.最后以此为例,对生成的复杂断层系统模型进行了有限元数值模拟分析.

     

发震时深浅构造相互作用导致横向断层致锁的有限元分析

本文利用三维有限元方法，研究和计算了大震发生前、发生时，发生后震源断层面与深部同面立接断层之间的相互作用以及发震后促使深部断层发生错动从而对震源区近场横向活动断层致锁的结果，得到以下结果：（１）临近大震前震源断层面端部调整单元下方的深部断层有较高的剪应力水平，造成震时对震源断层面发生底辟作用的条件，即调整单元区对应的深部断层单元首次满足破裂条件并发生破裂。（２）震源端部的调整单元和具有蠕能力的横向     

地震断层的位移分布与发震断层破裂状态之关系初探

本文对国内外10条地震断层实测位移分布特征进行了分析,并将不同形态的实测位移分布曲线与有限元计算曲线对比.结果表明:破裂状态不同的地震断层,其位移曲线不同;位移的分布与发震断层闭锁区强度及闭锁区的破裂程度有关.     

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.     

On the Effects of Non-planar Geometry for Blind Thrust Faults on Strong Ground Motion

— We quantify the effects of complex fault geometry on low-frequency (<1 Hz) strong ground motion using numerical modeling of dynamic rupture. Our tests include the computation of synthetic seismograms for several simple rupture scenarios with planar and curved fault approximations of the 1994 Northridge earthquake. We use the boundary integral equation method (BIEM) to compute the dynamic rupture process, which includes the normal stress effects along the curved fault geometries. The wave propagation and computation of synthetic seismograms are modeled using a fourth-order finite-difference method (FDM). The near-field ground motion is significantly affected by the acceleration, deceleration and arrest of rupture due to the curvature of the faults, as well as the variation in directivity of the rupture. For example, a 6-km-long hanging-wall or footwall splay with a maximum offset of 1 km can change 1-Hz peak velocities by up to a factor of 2-3 near the fault. Our tests suggest that the differences in waveform are larger on the hanging wall compared to those on the footwall, although the differences in amplitude are larger in the forward rupture direction (footwall). The results imply that kinematic ground motion estimates may be biased by the omission of dynamic rupture effects and even relatively gentle variation in fault geometry, and even for long-period waves.     

中卫—同心活动断裂带现代构造应力分布特征及地震破裂危险区判定

采用弹性模型对中卫—同心活动断裂带在区域现代构造应力场作用下的应力分布特征进行数值模拟,并在此基础上应用岩石破裂危险度KR及断层滑动危险系数KF两个判别指标对该断裂带未来地震破裂危险区进行判定。结果显示该活动断裂带上的应力分布具有明显的分段性,大致以红谷梁和同心为界分为三个区段。地震破裂危险区段主要位于红观观至红谷梁东区段,在地震发生时起始破裂区位于中卫南—碱沟,破裂向两侧扩展,向东很快衰减,而向西破裂扩展范围较大,可达红观观。     

Coupling of tectonic loading and earthquake fault slips at subduction zones

Because of the viscoelastic behaviour of the earth, accumulation of elastic strain energy by tectonic loading and release of such energy by earthquake fault slips at subduction zones may take place on different spatial scales. If the lithospheric plate is acted upon by distant tectonic forces, strain accumulation must occur in a broad region. However, an earthquake releases strain only in a region comparable to the size of the rupture area. A two-dimensional finite-element model of a subduction zone with viscoelastic rheology has been used to investigate the coupling of tectonic loading and earthquake fault slips. A fault lock-and-unlock technique is employed so that the amount of fault slip in an earthquake is not prescribed, but determined by the accumulated stress. The amount of earthquake fault slip as a fraction of the total relative plate motion depends on the relative sizes of the earthquake rupture area and the region of tectonic strain accumulation, as well as the rheology of the rock material. The larger the region of strain accumulation is compared to the earthquake rupture, the smaller is the earthquake fault slip. The reason for the limited earthquake fault slip is that the elastic shear stress in the asthenosphere induced by the earthquake resists the elastic rebound of the overlying plate. Since rapid permanent plate shortening is not observed at subduction zones, there must be either strain release over a large region or strain accumulation over a small region over earthquake cycles. The former can be achieved only by significant aseismic fault slip between large subduction earthquakes. The most likely mechanism for the latter is the accumulation of elastic strain around isolated locked asperities of the fault, which requires significant aseismic fault slip between asperities.     

利用PGA快速确定汶川地震破裂特征

快速确定断层破裂特征是烈度速报的一项重要技术,断层破裂特征可为烈度速报提供震源模型,提升烈度速报准确性。通过汶川地震加速度记录,提出一种快速计算震源破裂参数的方法。 假定断层为线源模型,以一定间距将断层离散化为若干子源,以震中为不动点,通过旋转获得所有断层可能的走向,通过每次移动一个子源,获得断层所有可能的破裂方式,将二者结合即可给出断层所有可能的空间分布;计算每种断层空间分布与每个台站的断层距,利用加速度记录峰值和断层距统计回归衰减关系,分析每个衰减关系的拟合残差,残差最小拟合效果最好的衰减关系所对应断层参数,能够对该次地震的地震动场有最合理的解释,也最有可能是实际地震中的断层空间分布。     

利用谱元法研究震源参数对于近断层地震动上盘效应的影响

国内外已有诸多学者基于强震记录或数值模拟方法开展了近断层地震动的上盘效应分析,并获得了初步的认识,但上盘效应随震源参数的变化规律仍有待深入探讨。本文使用运动学有限断层震源模型,运用高精度谱元法模拟逆断层破裂模式下近断层区域地震动,对比上、下盘地震动差异进而分析近断层地震动上盘效应。通过改变单一震源参数,研究断层上界埋深、震级大小以及断层倾角对地震动上盘效应的影响规律。研究结果表明：（1）使用运动学有限断层震源的谱元法数值模拟可以较好地反映近断层上盘效应;（2）上盘效应随测点到断层上界在地表投影的水平距离Rx的增加先增大后减小,最终趋于稳定。（3）上盘效应随断层上界埋深的增加先增大后减小,且随着断层上界埋深的增加,上盘效应峰值区会向远离断层破裂迹线的方向扩展。（4）上盘效应受矩震级影响较小,但总体随矩震级的增大而增大;上盘效应峰值区到断层破裂迹线的距离不随矩震级的变化而变化。（5）随着断层倾角的增加,上盘效应先增大后减小,当断层倾角为45°时上盘效应最为明显;随着断层倾角增加,上盘效应峰值区会向远离断层破裂迹线的方向扩展;当断层倾角为90°时不存在上盘效应。     

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.     

芦山地震地震动上下盘效应研究

2013年4月20日的芦山7.0级地震是继2008年5月12日汶川8.0级特大地震之后,发生在龙门山断裂带上的又一次大震级逆冲型地震.与汶川地震相比,芦山地震的发震断层没有地表出露,断层的滑动角更大,其逆冲性质更强烈.本文挑选了芦山地震中断层距小于200km的45条强震动记录,基于地震动衰减关系进行统计分析,对比了上盘和下盘台站地震动参数相对于衰减关系的对数残差.结果表明：芦山地震的上下盘效应明显,近断层上盘地震动的高频成分要高于同断层距的下盘;上盘地震动衰减要明显快于下盘.地震动衰减关系用简单的一个距离参数很难描述近场断层尺寸效应的影响,也很难模拟地震动上下盘效应.因此,在近场强地面运动模拟中,应多考虑有限断层模型,以模拟断层的尺寸效应.     

基于动力学震源模型的三维沉积盆地直下型断层地震动模拟

沉积盆地与近断层地震共同作用会增加地震破坏的风险水平,尤其是盆地下方直下型断层发震情况。采用动力学震源模型刻画断层破裂发震过程,开展沉积盆地直下型断层谱元法地震动模拟研究,探讨不同断层面初始剪应力和成核区位置下三维沉积盆地地表响应规律。研究结果表明,断层面应力降对盆地地表地震动的影响显著,在断层面强度一定的情况下,随着初始剪应力的增大,即应力降增大,盆地地表峰值响应增大,原因在于应力降的改变影响了断层破裂释放能量,进而引起断层破裂速度改变,最终导致盆地地表响应发生变化;改变断层面成核区位置会对盆地内部地震动分布规律产生影响,当成核区位置从断层中间向断层左侧移动时,盆地左侧地震动逐渐减小,而右侧地震动逐渐增大,最终表现为盆地右侧地震动显著高于盆地左侧,原因在于改变成核区位置后,导致近断层地震动的方向性效应发生变化。     

Seismological asperities from the point of view of dynamic rupture modeling: the 2007 Mw6.6 Chuetsu-Oki,Japan, earthquake

We study the ground motion simulations based on three finite-source models for the 2007 Mw6.6 Niigata Chuetsu-oki, Japan, earthquake in order to discuss the performance of the input ground motion estimations for the near-field seismic hazard analysis. The three models include a kinematic source inverted from the regional accelerations, a dynamic source on a planar fault with three asperities inferred from the very-near-field ground motion particle motions, and another dynamic source model with conjugate fault segments. The ground motions are calculated for an available 3D geological model using a finite-difference method. For the comparison, we apply a goodness-of-fit score to the ground motion parameters at different stations, including the nearest one that is almost directly above the ruptured fault segments. The dynamic rupture models show good performance. We find that seismologically inferred earthquake asperities on a single fault plane can be expressed with two conjugate segments. The rupture transfer from one segment to another can generate a significant radiation; this could be interpreted as an asperity projected onto a single fault plane. This example illustrates the importance of the fault geometry that has to be taken into account when estimating the very-near-field ground motion.