断层破裂传播速度与破坏性地震的烈度分布——浅源地震的断层不均匀性与短周期波动的多普勒效应

地震的等震线不仅反映了地震的大小,而且也反映了地震断层过程的类型和破裂速度.单侧破裂的断层过程呈现出蛋型的等震线,而双侧破裂的断层过程呈现出椭圆的等震线,等震线的长轴与短轴之比对于破裂传播速度十分敏感.本研究利用理论等震线与观测结果相比较的方法,确定了1964年日本新地震、1983年日本海中部地震、1975年中国海城地震和1976年中国唐山地震的破裂传播速度、断层类型以及断层走向.得到的断层破裂速度是剪切波的0.7——0.9倍.这些值比用长周期地震波所确定的要稍大.产生这种差异的原因是:对烈度起主要影响的短周期地震波强烈地依赖于小尺度的断层不均匀破裂过程,以及局部的破裂传播的开始和终止;而由长周期波所得到的破裂速度却反映了在整个断层上破裂传播的平均过程.根据等震线图所得出的断层类型及断层走向与其它独立方法的结果相一致.这意味着本方法可以应用于推断某些历史地震的断层类型、破裂传播速度及破裂传播方向.      

断层破裂传播速度与破坏性地震的烈度分布——浅源地震的断层不均匀性与短周期波动的多普勒效应

地震的等震线不仅反映了地震的大小,而且也反映了地震断层过程的类型和破裂速度.单侧破裂的断层过程呈现出蛋型的等震线,而双侧破裂的断层过程呈现出椭圆的等震线,等震线的长轴与短轴之比对于破裂传播速度十分敏感.本研究利用理论等震线与观测结果相比较的方法,确定了1964年日本新地震、1983年日本海中部地震、1975年中国海城地震和1976年中国唐山地震的破裂传播速度、断层类型以及断层走向.得到的断层破裂速度是剪切波的0.7—0.9倍.这些值比用长周期地震波所确定的要稍大.产生这种差异的原因是:对烈度起主要影响的短周期地震波强烈地依赖于小尺度的断层不均匀破裂过程,以及局部的破裂传播的开始和终止;而由长周期波所得到的破裂速度却反映了在整个断层上破裂传播的平均过程.根据等震线图所得出的断层类型及断层走向与其它独立方法的结果相一致.这意味着本方法可以应用于推断某些历史地震的断层类型、破裂传播速度及破裂传播方向.     

芦山4.20地震破裂过程及其致灾特征初步分析

采用全球地震台网的远震地震波数据快速反演了2013年4月20日雅安芦山地震(芦山4.20地震)的破裂过程,在震后3小时得到并发布了相关测定结果.结果显示这次地震的震级约M_W6.8,包括两次破裂子事件,但都发生在断层面上震源(破裂起始点)附近,整个地震没有表现出明显的破裂方向性.雅安芦山地震的破裂没有大规模出露地表,主要地震灾害集中在断层上盘,位于芦山县和宝兴县一带.     

近震源破裂过程反演研究--Ⅱ.9.21中国台湾集集地震破裂过程的近场反演

根据非线性规划研究的最新成果所设计的一种全新的震源破裂过程的反演方法, 用近场地震波观测资料反演了1999年9月21日发生在中国台湾省集集Mw7.6地震震源破裂过程.为了使反演中设置的断层模型与集集地震实际破裂面尽可能一致, 以尽可能减小由于断层模型设置的不确定性对震源破裂过程反演结果的影响, 设立的断层模型为与集集地震造成的主要地表破裂尽可能拟合的弯曲面模型.反演结果显示: (1) 集集地震震源的破裂大体持续了32 s, 其中主要破裂发生在第6～27 s间, 破裂主要集中发生在断层北段向东拐弯处.(2) 震源破裂以逆冲为主, 平均滑动角为64.5°, 与USGS, Harvard及CWB(台湾中央气象局)的结果相当.标量地震矩为7.76×1020牛顿米, 稍大于USGS和Harvard反演的标量地震矩.(3) 集集地震震源的破裂存在清晰的成核过程, 成核过程经历6 s后, 地震矩释放明显加速.起始破裂从断层南段开始, 10 s后破裂主要集中在断层北段发生.最后将反演结果与震后GPS观测结果进行了对照分析, 并对反演结果的科学意义进行了讨论.     

近震源破裂过程反演研究

根据非线性规划研究的最新成果所设计的一种全新的震源破裂过程的反演方法, 用近场地震波观测资料反演了1999年9月21日发生在中国台湾省集集Mw7.6地震震源破裂过程. 为了使反演中设置的断层模型与集集地震实际破裂面尽可能一致, 以尽可能减小由于断层模型设置的不确定性对震源破裂过程反演结果的影响, 设立的断层模型为与集集地震造成的主要地表破裂尽可能拟合的弯曲面模型. 反演结果显示: (1) 集集地震震源的破裂大体持续了32 s, 其中主要破裂发生在第6~27 s间, 破裂主要集中发生在断层北段向东拐弯处. (2) 震源破裂以逆冲为主, 平均滑动角为64.5°, 与USGS, Harvard及CWB(台湾中央气象局)的结果相当. 标量地震矩为7.76×10²⁰牛顿米, 稍大于USGS和Harvard反演的标量地震矩. (3) 集集地震震源的破裂存在清晰的成核过程, 成核过程经历6 s后, 地震矩释放明显加速. 起始破裂从断层南段开始, 10 s后破裂主要集中在断层北段发生. 最后将反演结果与震后GPS观测结果进行了对照分析, 并对反演结果的科学意义进行了讨论.     

1999年台湾集集地震震源破裂过程

使用GPS同震位移资料和远场P波记录,研究了1999年台湾集集地震震源破裂过程．根据地质构造和余震分布引入了一个由弯曲断层面构造的三段“铲状”断层模型．在使用静态GPS位移资料反演集集地震的断层破裂滑动分布时,由于集集地震断层北部近地表破裂的复杂性,在位错模型中考虑拉张分量对地表同震位移的贡献,可更好地同时拟合GPS观测资料的水平和垂向分量．而纯剪切位错弹性半空间模型和分层地壳模型都无法同时拟合水平和垂向GPS观测资料．在此基础上,同时使用静力学同震位移资料和远场地震波形记录,反演集集地震的震源破裂过程．结果表明,一种垂直于断层面的“挤压性”(负)拉张分量几乎集中分布于地震断层的浅部和北部转折处,而这一带地表破裂远较没有(负)拉张分量出现的南部断层复杂．“冒起构造”的数字模拟表明,这种在集集地震破裂转折处及北部断裂带广为出现的典型破裂造成的地表位移可以用具有负拉张分量(挤压)的逆冲断层更好地模拟．而这种负拉张分量(挤压)的分布正是地震破裂性质和几何复杂性的综合反映,震源破裂过程也显示北部转折处破裂在空间和时间上的复杂性.高滑区域与余震分布表现为负相关.     

1979年加州凯奥蒂湖地震序列震源机制分析:美国加州地震比中国大陆地震破裂过程简单的证据

本文详细分析了1979年美国加利福尼亚凯奥蒂湖地震序列在时间和空间之中发展的非常有序的过程.对凯奥蒂湖地震序列,在三种情况下分别做出34次地震的断层面解.分析了美国地质调查局观测报告中地震初动的可信性.论证了伯克利加利福尼亚大学的地壳模型与美国地质调查局的地壳模型对于求断层面解的等效性.与唐山地震序列相比,凯奥蒂湖地震序列表现出4个主要特点:1.震中分布呈规则的狭长条带,与断层的关系密切;2.断层面解中出现的矛盾初动少;3.断层面解之间的一致性好;4.断层面解随时间没有明显的变化.这些都表明,凯奥蒂湖地震序列比唐山地震序列特征简单,前者基本上是沿卡拉维拉斯断层发生的面破裂,而后者却是在一定震源区中发生的体破裂.唐山地震序列的特征在中国大陆是有代表性的.若凯奥蒂湖地震序列的这些特点,在加州也具有代表性,则这两个地震序列的差别,可以作为美国加州地震比中国大陆地震发生环境和发生过程都简单的一个证据.     

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。     

1979年加州凯奥蒂湖地震序列震源机制分析:美国加州地震比中国大陆地震破裂过程简单的证据

本文详细分析了1979年美国加利福尼亚凯奥蒂湖地震序列在时间和空间之中发展的非常有序的过程.对凯奥蒂湖地震序列,在三种情况下分别做出34次地震的断层面解.分析了美国地质调查局观测报告中地震初动的可信性.论证了伯克利加利福尼亚大学的地壳模型与美国地质调查局的地壳模型对于求断层面解的等效性.与唐山地震序列相比,凯奥蒂湖地震序列表现出4个主要特点:1.震中分布呈规则的狭长条带,与断层的关系密切;2.断层面解中出现的矛盾初动少;3.断层面解之间的一致性好;4.断层面解随时间没有明显的变化.这些都表明,凯奥蒂湖地震序列比唐山地震序列特征简单,前者基本上是沿卡拉维拉斯断层发生的面破裂,而后者却是在一定震源区中发生的体破裂.唐山地震序列的特征在中国大陆是有代表性的.若凯奥蒂湖地震序列的这些特点,在加州也具有代表性,则这两个地震序列的差别,可以作为美国加州地震比中国大陆地震发生环境和发生过程都简单的一个证据.     

1976年盐源—宁蒗地震序列的破裂特征

使用地震活动图象和震源机制资料的构造分析方法，研究盐源－宁蒗地震序列的破裂特征。结果认为：６．７级地震破裂面是北北东向左旋走滑断层，５．６级６．４级地震破裂面是两条北西西向右旋走滑断层，构成以北北东向断为主干的共轭破裂组合，该序列受弥渡－木里地壳深部活动断裂带控制。     

基于动摩擦应力下调滑移弱化机制，利用地表破裂同震位移约束2001年昆仑山口西MS8.1地震破裂传播速度

利用2001年昆仑山口西MS8.1地震现场观测所提供的地表破裂同震位移数据,使用简单滑移弱化破裂模型,估算了发震主断层上的破裂传播速度. 该模型中考虑了断层破裂时动摩擦过程中应力上调和下调机制对地震波辐射能量分配的影响. 对比Bouchon和Valleacute;e有关昆仑山口西地震主断层破裂传播速度超过剪切波速度,甚至达到P波速度的结果, 采用动摩擦应力下调时的滑移弱化模型 (分数应力降模型),结果表明,伴随较高的地震波辐射效率,主断层的平均破裂传播速度等于或小于瑞利波速度,这与许力生和陈运泰的体波反演结果,以及陈学忠震源应力场估算的结果是一致的. 最后,联系到由地表破裂现象所反映出的断层力学特征,如与视应力相关的分数应力降 (动摩擦应力下调), 基于滑移弱化模型, 讨论了可能的震源破裂机制.      

抚松M_L5.0级地震断层破裂参数的测定

本文根据地震波传播过程中的多谱勒效应,利用拐角频率的方位变化,用最小二乘法反演了抚松ML5.0级地震的破裂参数。结果表明,这次地震的断层破裂方向为226°,与震源机制解WS向节面、余震分布和震中附近的断层走向基本一致。地震马赫数为0.62,破裂长度为2.82km,破裂自北东向西南方向传播。     

东昆仑活动断裂带大地震之间的黏弹性应力触发研究

对青藏高原北部东昆仑破裂带大地震之间的应力转移和断层相互作用进行研究. 考虑1937年以来沿此破裂带发生的5个M≥7的地震：1937年M7.5花石峡地震，1963年MS7.1都兰地震，1973年MS7.3玛尼地震，1997年MW7.5玛尼地震和2001年MW7.8可可西里地震，模拟了黏弹性成层介质中地震断层错动产生的应力演化过程，并计算了在后续地震破裂面上产生的库仑破裂应力变化. 结果表明，前面4个地震均造成2001年可可西里地震断层面上库仑破裂应力的增加，并且中地壳和下地壳的黏弹性松弛效应使得库仑破裂应力场随着时间的推移而逐渐加强. 在计算过程中定量估计了可可西里地震发生时前面4个地震同震形变和黏弹性松弛导致可可西里地震破裂面上库仑破裂应力变化之间的比值，发现前3个地震由黏弹性松弛造成的变化远远大于同震形变所造成的变化. 可可西里地震之后应力场的模拟表明东昆仑断层中段的东大滩－西大滩断层段（位于可可西里地震破裂以东及都兰地震以西）的库仑破裂应力显著增加，变化值达0.05～0.1 MPa，预示这一地区地震危险性的增加.     

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。     

中国北天山褶皱逆冲带2016年MW6.0呼图壁地震—盲逆冲和上覆褶皱地震

2016年呼图壁M W6.0地震发生在中国天山褶皱逆冲带北部。然而,由于震级小、震源深且无地表破裂,2016年呼图壁地震的同震断层破裂模型和地震构造至今仍然未知。本文研究表明,2016年呼图壁地震发生在一个深地壳(15~20km)盲逆冲断层上,且深部盲逆冲断层的破裂触发了浅层上覆褶皱的运动。本文使用Sentinel-1A/1B卫星观测的升轨和降轨干涉合成孔径雷达(InSAR)数据反演构建了2016年呼图壁地震的发震构造。研究发现,单个断层不能很好地拟合Sentinel-1升轨和降轨数据观测到的InSAR形变场。基于InSAR观测大地测量数据,研究发现沿齐古背斜发育的一个沿深度方向倾角变化的小断层也在呼图壁地震中发生了破裂,增加了上述小断层后,模型反演残差显著降低。整体而言,2016年呼图壁地震发生在一条走向264.4°、倾角28.8°的地壳深部盲断层上,显著的断层滑移位于地表以下13~18km深度处,峰值滑移量约10.0cm。触发的浅层地壳断层弯曲褶皱具有铲形的断层几何形状,其破裂以逆冲运动为主。浅层褶皱结构上由主震产生的静态库仑应力变化为负,表明对于呼图壁地震浅层断层破裂,动态库仑应力可能比静态库仑应力在触发浅层断层破裂中起着更重要的作用。最后,研究结果表明,深震源的中强地震有可能引发该地区浅层上覆断层弯曲褶皱的破裂。     

地震的能量收支与地震效率

引言地震是地球内部主要由板块运动产生的构造应力作用下而出现的一种破裂过程。在地震过程中,断层上的应力以复杂的形式变化,储存于地球内部的势能(应变能和重力能)以地震波形式释放出来。释放的地震波能量与势能的比值就是地震效率,由地震     

1966年以来华北地区一系列七级大震破裂过程的数值模拟

用非连续变形分析方法(DDA+FEM)数值模拟，在华北地区各地块相互制约的块体系统环境中，地块边界断层上发生1966年邢台地震、 1969年渤海地震、 1975年海城地震、 1976年唐山地震等不同类型破裂模式大震的破裂过程. 数值模拟结果给出每个大震释放的主应力场，最大剪应力变化等值线图，地震前后位移变化矢量图，发震断层滑移随时间变化以及走滑错距和应力降等震源参数. 这些结果与地震的震源机制，用地震波资料研究得到的震源参数,宏观等震线,地表观测的水平位移矢量图基本一致. 其中1969年渤海地震正交破裂模式的结果与宏观等震线及小震分布图像更接近. 1976年唐山地震复杂震源模式与该震早期余震分布图像更相符. 表明用DDA+FEM方法进行数值模拟研究，能较好地模拟地震破裂过程.     

华北地区地震活断层的震级-破裂长度、破裂面积的经验关系

为了建立适用于华北地区地震活断层的地震震级-震源破裂尺度经验关系,从1965年以来华北发生的地震中,系统整理出已由地震波谱、地形变、余震分布等方法获得和发表的震源破裂尺度参数,包括破裂长度L、破裂下倾宽度W以及破裂面积A(A=L×W),同时还基于余震分布重新确定出部分地震的破裂尺度参数。针对来源于不同方法的破裂尺度参数的不确定性及其主要影响因素,提出通过进一步分析和鉴别来确定出可靠参数的8条原则。依据这些原则的综合分析,共获得34次地震的可靠破裂长度以及其中20次的破裂面积。震源机制解反映这些地震破裂以走滑型占绝大多数。我们进一步采用最小二乘法,分别建立起华北地区的面波震级MS-破裂长度L的回归关系式MS=3·821+1·860lg(L)以及面波震级MS-断层破裂面积A的回归关系式MS=4·134+0·954lg(A)。与已有同类关系式的比较分析表明:文中新建的2个关系式可较好地适用于华北以及首都圈地区的走滑型地震活断层的潜在地震强度评价     

强震破裂面上的不均匀体及其在地震危险性分析中的应用研究

正不均匀体的概念最初是在地震学中为了解释地震波的高频辐射成份提出来的,用来反映断层面上应力明显高于周围的部分。由不均匀体的研究引入的非均匀地震破裂模式,能较好地解释地震波中的复杂成份、主震前破裂的成因以及主破裂之后的应力集中,因此,不均匀体被认为是断层面上破裂的起始器、阻力器和集中器。根据不均匀体在地震破裂运动过程中发挥的作用,可分为凹凸体和障碍体2大类进行研究。凹凸体可理解为震前断层面上存在的     

云南地区断层垂向活动特征研究

正灾害性地震一般发生在上地壳内的薄弱带即断层上,是在长期构造加载作用下地壳介质发生变形、失稳、破裂的结果,断层作为地壳形变的薄弱地带,强地震的孕育及发生往往伴随着显著的断层变化,跨断层测量作为断层形变监测的有效手段,能够直接反映场地所控制断层段落的运动变化过程。文章以云南地区跨断层场地水准为主要研究对象,通过计算断层年均形变