共轭断层系统的非线性有限元模拟与震群模型讨论

采用断层摩擦接触的非线性有限元模拟方法,对单断层与交叉断层2种断层模型分别进行数值模拟计算对比,结合中国大陆双震或震群型地震孕育发生的构造条件对共轭断层系统的孕震与发震机理进行了讨论与分析。断面滑动摩擦机制较好地解释了共轭断层由闭锁状态进入发生地震的滑动状态的过程,共轭断层系统会交替地发生失稳事件,验证了2组共轭断层系统构成的地震模型的滑动习性。其数值模拟与讨论分析结果可为共轭断层发育区的地震监测预报提供科学依据。     

速率-状态依赖摩擦定律引入连续-非连续方法的检验及断层倾角的影响

断层黏滑是一种摩擦失稳,能够诱发地震、矿震等诸多地质灾害.目前,断层黏滑(包括断层亚失稳)研究,主要集中在实验方面和基于连续方法或非连续方法的数值模拟方面.为了弥补连续方法和非连续方法各自的不足,一些兼具二者优势的连续-非连续方法应运而生.为了检验引入速率-状态依赖摩擦定律的自主开发的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法的正确性并探究断层倾角对断层黏滑的影响,首先,模拟了滑块-底板模型的滑动-保持-滑动实验;然后,模拟了双轴压缩岩样的断层倾角的影响,重点考察了断层黏滑过程中亚失稳阶段摩擦系数的演化规律.研究发现,随着断层倾角的增大,岩样上表面平均差应力的绝对值-时步数目曲线的锯齿形由规则向不规则变化;初次黏滑发生时的时步数目、平均应力降、平均黏滑周期和平均峰值应力均减小.当断层处于黏滑前阶段时,断层面各处的摩擦系数和剪应力相差较小.当断层进入亚失稳阶段后,断层面上摩擦系数的平均值下降速度加快,这可作为断层进入亚失稳阶段的特征之一.引入速率-状态依赖摩擦定律后的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法的断层黏滑结果能与现有结果（例如,断层黏滑实验结果）基本吻合,但更加丰富,这在一定程度上...     

川滇地区断层相互作用的地震活动证据及有限元模拟

对川滇地区主要活动断裂地震活动性的分析表明 ,该区主要活动断裂间存在地震活动的相关性 :1)强震活跃期沿着鲜水河断裂、小江断裂、红河断裂、龙陵 -澜沧断裂及NE向的龙门山 -瑞丽断裂依次迁移 ;2 )鲜水河断裂与龙陵 -澜沧断裂不仅在强震活动上 ,而且在b值变化上存在较强的相关性 ,是平行断裂在区域应力场作用下相互作用的结果 ;3)龙门山 -瑞丽断裂与上述川滇地区其它近NW向断裂间存在地震交替活动的现象 ;4 )龙门山 -瑞丽断裂的地震具有分段活动的特征 ,是断块差异活动的体现。有限元分析显示 ,上述断层相互作用现象是块体非均匀运动过程中应力场调整的反映 ,是块体运动的结果。研究表明川滇地区主要断层地震活动间存在 3种相互作用的现象 ,即块体边界迁移型、旋向相反平行断层交替型和交叉断层交替型     

大尺度断层活动性数值模拟及地震学类比

本文建立了大尺度断层（100～1000 km）的二维模型,利用ANSYS有限元软件平台,采用接触模式,模拟了百年时间尺度走滑断层的位错运动.结果表明,不同的断层力学参数,特别在断层强度非均匀分布的状态下,断层位错运动存在明显的非均匀时、空分布的特征.然而,不同模型的断层位错运动还显示出一些共同的特征,即断层位错运动表现为闭锁期、准静态预滑期和瞬间滑动,以及与之相应的应力（应变）的积累、调整和释放等等.这些结果也与实验室内小尺度的岩石物理实验相类似.与此同时,模拟结果与实际地震活动表现出的重复性和准周期特征较为相似.模拟发现,对于参数分布较为复杂的断层模型,其数值模拟提示的地震过程相对复杂得多.对于一个近尺度近1000 km,在接触面上设置了两个剪切强度相对较大区域的断层模型而言,模拟对应地震活动显示,其模拟地震断层位错分段发生,其高强度的区域基本控制了断层的地震位错运动.整个断层的模拟地震位错呈现出了地震触发、震中迁移、大震重复等与实际地震活动性相似的特征.     

断层摩擦的过山车现象

在地震中,摩擦对断层行为的生成、传播和消减过程起到了关键性控制作用.实验室测试了多种滑动速率下的摩擦行为.结果表明,摩擦在地震中的演化比我们假想的要复杂得多.     

断层上的地震成核过程与前兆模拟研究

为了把握断层上地震的前兆规律,对连续介质中断层面上的地震成核过程进行了数值模拟研究。摩擦采用了速率及状态依赖怀本构关系,并考虑了正应力变化的影响。结果表明,在成核的后期阶段：①最大位移速率单调加速增加;②滑动热点（最大滑动速率处）在后期阶段开始自发性迁移,且在空间上③当最大滑动速率达到可以明显探测的量级时（高于加载速率一个数量级以上）,倒刘时间为２０小时或更长一些,这时的速率变化可作为临震预测标志     

基于速率-状态摩擦定律的地震二维准动力学数值模拟:浅层正应力变化对断层演化的影响

本文基于结合速率-状态摩擦定律(RSF)的二维准动力学数值模型, 以半空间垂直走滑断层为研究对象, 通过比较两种正应力随深度变化模型的模拟结果, 研究了浅层正应力变化对断层演化参数、地震孕育过程、震后滑移传播等方面的影响.结果显示, 我们的数值模型在给定模型参数和约束条件下, 能够完整模拟出地震周期中震间、震前、同震以及震后多个特征阶段.常数正应力模型下, 动态破裂在浅层速率强化区停止, 而在浅层变化正应力模型下动态破裂可以传播至自由表面, 导致浅层更高的最大滑移速率和同震滑移量.两种模型下的地震矩、地震周期、平均应力降和震后滑移传播等差别不明显.两种滑移模型的傅氏振幅谱与理论K^-2模型傅氏振幅谱均符合较好, 且浅层变化正应力模型下的拐角波数值高于常数正应力模型, 说明两种模型均符合地震同震滑移模型的运动学特征, 并且浅层变化正应力模型下最终应该产生高于常数正应力模型的高频强地面运动水平.我们认为选用不同的模型参数对最终结果存在显著影响, 应当根据具体问题来选择模型参数, 这样才能在保证结果准确前提下有效提高计算效率.

     

浅层断层对场地地震动影响的有限元分析

应用动接触理论模拟断层的滑移问题,用有限元方法计算浅层断层对场地地震动的影响．计算结果表明,在地表断层出露的周围地区,断层下盘地表地震动放大效应较大,断层上盘地表地震动放大作用有明显的降低．这一结果说明,在有浅层断层的场地建设重大工程时需要考虑断层对地震动的影响．     

岩石摩擦滑动失稳前断层区的波速变化

对岩石摩擦滑动失稳前断层区的波速变化进行了实验研究，实验表明，岩石摩擦滑动失稳前沿断层一侧的测线上观测不到测速变化，沿着跨断层的测线可观测到波速下降的前兆，因此，尝试用波速异常预断层带粘膜型地震时，选择测线应跨断层。     

三维地震断层动力破裂的显式并行有限元解法

本文在近场波动有限元的基础上,根据断层动力破裂的摩擦模型,详细地推导出了断层面节点在破裂的不同时刻的计算公式,提出了一种模拟断层动力破裂的显式并行有限元方法,利用此方法,可以模拟断层的破裂过程、地表破裂及由此产生的地面运动。     

断层自发破裂动力过程的有限单元法模拟

断层自发破裂动力过程的研究对于认识地震过程及减轻地震灾害有着重要的科学意义.为合理地模拟断层的自发破裂过程,本文首先对经典的滑移弱化摩擦关系进行了改进,然后利用有限单元方法对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,而经典的滑移弱化摩擦关系不能产生这种破裂形态.模拟结果还显示,断层自发破裂过程受初始应力场及摩擦关系影响,当初始应力场中剪应力水平较低时,容易产生脉冲型破裂;但当初始剪应力较高时,会产生裂纹型（crack-like）破裂.这个现象与在实验室里进行的岩石破裂实验结果是一致的.在相同的初始应力情况下,若滑移弱化摩擦本构关系中的动摩擦系数较大,断层将易于产生脉冲型破裂;若动摩擦系数较小,将倾向于产生裂纹型破裂.此外,本文也采用速率弱化摩擦关系对断层自发破裂过程进行了模拟,结果发现,在初始场及其他条件不变时,如果摩擦关系中的b-a值较小,容易产生脉冲型破裂;如果b-a值较大,会产生裂纹型破裂.     

则木河断裂带大箐断层枢纽运动的有限元数值模拟研究

变形局部化问题和地震成核问题,是构造变形机制与大地震研究中极其重要的问题.对走滑断裂的运动和走滑型地震而言,断裂枢纽运动是断裂带上变形局部化和地震成核孕育的条件,认识这一运动过程和机制是了解走滑断裂上地震孕育、发生机制的关键之一.本文在前人工作的基础上,以则木河左旋走滑断裂大箐断层为例,测量了大箐断层大箐梁子断头沟台地-五道箐盆地之间的构造和地貌变形,揭示了大箐走滑断层枢纽运动构造和地貌四象限分布的特点,并且在定量分析其枢纽运动的基础上,利用数值模拟方法,模拟了断裂的枢纽运动,结果表明,走滑断裂的枢纽运动表现出典型的掀斜特征,随着断层面倾角的减小,枢纽运动程度加深;随着断层面闭锁区面积的增大,枢纽运动明显受阻;发现在闭锁区及其附近存在一个应力集中区使得应力由外向内一直处于积累状态,反映了地震的成核过程.     

斜拉桥的动力特性分析与试验研究

以吉林市临江门大桥为工程背景,进行了现场的脉动试验,采用大型有限元分析软件ANSYS,建立了该桥的三维空间有限元模型,并对其进行了动力特性分析,数值计算结果与动态试验结果比较吻合,说明了该有限元模型能够分析出该桥的动力特性,可为同类型的独塔双索面斜拉桥的动力特性分析提供参考.     

青藏高原东北缘断层系统的大地震迁移概率及断层滑动速度的分段特征

青藏高原东北缘是青藏高原隆升、生长及变形前缘.区域地震活动频繁,且地震在其主要断层带之间时空迁移.为了研究区域大地震在主要断层带之间的迁移规律与概率,以及主要断层带大地震破裂的时空分布特征,本文建立了青藏高原东北缘地区的三维黏弹塑性有限元模型,模拟了区域断层系统的地震循环,得到了人工合成的万年时间尺度的地震目录.根据模拟的地震目录,并结合古地震数据,计算分析了大地震（M_W ≥ 7）在研究区各个主要断层带之间的迁移概率,探讨了黏度、高程、统计时间长度等因素对大地震在各主要断层带之间的迁移概率和大地震在各主要断层带上的发生概率的影响,并且初步调查了海原断层带和香山天景山断层带的大地震破裂时空分布特征.研究结果显示：继区域最近两次大地震（1920年海原断层带上的M8.5海原大地震和1927年香山天景山断层带上的M8古浪大地震）之后,下一次大地震（M_W ≥ 7）发生在海原断层上的概率最大,约为51%~81%;其次是在香山天景山断层上,概率约为9%~37%.模型结果显示,不同的青藏高原中下地壳上地幔黏度大小,对大地震在各个断层带之间的迁移规律和迁移概率的影响较小;而研究区的高程载荷对地震迁移则有显著的影响：高程载荷易于使得海原断层地震活动减弱及香山天景山断层的地震活动增强.研究结果也显示了青藏高原东北缘地区主要断层带的地震活动与断层滑动速率分布的分段性显著;大地震在断层带上的破裂位置并不固定,呈现不均匀性;并暗示了断层几何形状对地震活动、断层滑动速率分布与大地震破裂位置的控制作用.

     

High-velocity frictional behavior of Longmenshan fault gouge from Hongkou outcrop and its implications for dynamic weakening of fault during the 2008 Wenchuan earthquake

High-velocity friction experiments were conducted on clayey fault gouge collected from Hongkou outcrop of Beichuan fault,located at the southwestern part of Longmenshan fault system that caused the disastrous 2008 Wenchuan earthquake.The ultimate purpose of this study is to reproduce this earthquake by modeling based on measured frictional properties.Dry gouge of about 1 mm in thickness was deformed dry at slip rates of 0.01 to 1.3 m/s and at normal stresses of 0.61 to 3.04 MPa,using a rotary-shear high-...     

Finite element simulation of deformation and stress changes of Kalpin-Kemin fault system in the Southwest Tianshan Orogenic Belt

Science China Earth Sciences - Under the shadow of the far-field effect of the India-Eurasia collision, the Tianshan orogenic belt underwent tectonic re-activation in the Cenozoic, accompanied by...     

Internal structures and high-velocity frictional properties of Longmenshan fault zone at Shenxigou activated during the 2008 Wenchuan earthquake

This paper reports internal structures of a wide fault zone at Shenxigou, Dujiangyan, Sichuan province, China, and high-velocity frictional properties of the fault gouge collected near the coseismic slip zone during the 2008 Wenchuan earthquake. Vertical offset and horizontal displacement at the trench site were 2.8 m (NW side up) and 4.8 m (right-lateral), respectively. The fault zone formed in Triassic sandstone, siltstone, and shale about 500 m away from the Yingxiu-Beichuan fault, a major fault in the Longmenshan fault system. A trench survey across the coseismic fault, and observations of outcrops and drill cores down to a depth of 57 m revealed that the fault zone consists of fault gouge and fault breccia of about 0.5 and 250–300 m in widths, respectively, and that the fault strikes N62°E and dips 68° to NW. Quaternary conglomerates were recovered beneath the fault in the drilling, so that the fault moved at least 55 m along the coseismic slip zone, experiencing about 18 events of similar sizes. The fault core is composed of grayish gouge (GG) and blackish gouge (BG) with very complex slip-zone structures. BG contains low-crystalline graphite of about 30 %. High-velocity friction experiments were conducted at normal stresses of 0.6–2.1 MPa and slip rates of 0.1–2.1 m/s. Both GG and BG exhibit dramatic slip weakening at constant high slip rates that can be described as an exponential decay from peak friction coefficient μ _p to steady-state friction coefficient μ _ss over a slip-weakening distance D _c. Deformation of GG and BG is characterized by overlapped slip-zone structures and development of sharp slickenside surfaces, respectively. Comparison of our data with those reported for other outcrops indicates that the high-velocity frictional properties of the Longmenshan fault zones are quite uniform and the high-velocity weakening must have promoted dynamic rupture propagation during the Wenchuan earthquake.     

Poroelasticity: Finite element modelling of anomalous tilt and pore pressure caused by pumping in a sedimentary half space with fault

Extraction of groundwater or hydrocarbons causes pore pressure gradients and soil deformation due to poroelastic coupling. Recent studies show that high-resolution engineering tiltmeters installed at shallow depth between 2 and 10 m resolve this deformation. Models using poroelasticity can describe the relationship between fluid extraction, pore pressure gradients and induced tilt for homogeneous and layered sedimentary half spaces. Faults intersecting a stack of sedimentary layers, for example in the Lower-Rhine-Embayment, are of fundamental impact to the groundwater flow system of an area. However, the fault’s hydromechanical effect on pump induced tilt and the pore pressure regime is still poorly investigated. We chose a comparatively simple approach to quantify anomalous pump induced tilt and pore pressure observed near a fault and close to the surface in a sedimentary subsoil. A PC-based Finite Element software is used to model poroelastic deformation, i.e. modelling vertical tilt and excess pore pressure in response to fluid extraction through a singular well. We compare numerical solutions for models with and without faults and show that a fault can modify symmetry and amplitude of the deformation field by more than a magnitude. We conclude that tilt and pore pressure measurements also at shallow depth can thus be biased by large subsurface structures like faults. Vice versa, these measurements may provide means to quantify hydromechanical effects caused by subsurface structures. However, depending on the geological setting, i.e. if pathways are established by a fault, the anomaly caused by the fault can also be small and hard to detect. Therefore, faults and geological structures like material boundaries have to be considered in poroelastic models carefully. For tilt surveys with a limited number of instruments in geologically well constrained areas these models allow the preselection of potential positions for tiltmeters where prominent field anomalies are expected.