远场地震波辐射能计算以及对近断层地面运动的约束

从圆盘断层模型出发,根据地震波能量表象定理推导出了滑移弱化过程中远场S-波辐射能量表达式,并同已有的动力学模型作了比较.结果表明,得到的模型能量值或视应力的取值强烈地依赖于断层上的动态、静态应力降和破裂传播速度,而破裂速度则对应了断层带模型中断层破坏过程所耗散的能量.动摩擦应力上调和应力下调力学机制在能量求解中得到了充分考虑,弥补了D-模型和M-模型的不足.结合近断层滑移所作的功或应变能的释放,得到了近场能量辐射的一般表达式,并讨论了其物理意义以及对近断层强地面运动预测的潜在意义.采用近场地震波辐射能量同加权滑移速率的关系,给出了估算近断层质点运动速度的近似解,由此计算了2008年5月12日MW7.9中国汶川地震和1999年9月21日的MS7.6中国台湾集集地震的加权滑移速率,结果同早期Brune模型给出的瞬态解和近断层台站的真实记录相似.需要强调的是,所得能量解可应用于对未来强地面运动预测新的物理约束参数.如果对真实地震远场能量求解达到相当的精度,则对未来强地面运动模拟中包括地震矩、静态和动态应力降在内的物理参数选取就可以给出一个合理的估计.     

MS8.0汶川地震断层的应力状态以及对余震危险性的影响

利用中国地震局在汶川地震前后对四川盆地以及龙门山断裂进行的水压致裂绝对应力测量数据,近断层强震记录,以及由美国USGS公布的包括地震矩、地震波能量等在内的远场震源参数解,从简单断层模型出发,应用地震能量分配原理和库仑摩擦准则,初步估算和判断了2008年MS8.0汶川地震断层破裂过程和震源参数,以及滑移弱化模型下应力变化(静态应力降的大小)对断层内部余震强度的影响.结果表明,对主震而言,地震辐射效率和地震效率上限值分别约为36%和14%,平均滑移弱化距离Dc约为0.5 m,破裂能约为1.29×1016J, 松弛功约为1.13×1016 J.主断层内所贮存的粘弹性松弛功的大小与主震的地震波辐射能相当,假设主震在应变能变化中的松弛功全部用于一个余震的触发,且主断层上的余震发生与主震一样遵从相同的断层破裂机制:即能量分配准则,那么汶川地震余震释放的全部能量相当于一个MS6.9级的地震.由此可推断汶川地震主断层上不会发生MS6.9级以上的余震,而主震后更多较小震级的余震可能持续几十年甚至上百年.     

昆仑山口西8．1级地震的应力触发作用及对周边断层的影响

采用可变滑动震源模型,计算Ms8．1昆仑山口西地震产生的库仑破裂应力变化,解释余震的空间分布特征。以此为基础,分析了此次大地震在周边断层上产生的应力变化及其对地震活动性的影响。结果表明,两个模型和两种方法计算得到的应力变化均呈现相似的分布特征。应力增加区与后续地震活动的对应关系,反映昆仑山口西地震对后续地震活动的触发效应。玛尼断裂带和东昆仑断裂带受应力变化影响最明显。     

最小能量准则用于1995年河北沙城ML 4.1地震序列破裂性质的探讨

运用变分原理,我们得到了最小地震波辐射能量约束准则并用于研究震源的物理过程.通过研究1995年ML4.1河北沙城地震序列主震和余震的动力学过程,可知主震和余震震源的动态破裂过程明显不同;ML4.1主震的破裂速度与瑞利波速相近,约为剪切波速度的0.89倍;而28个余震的破裂速度远远小于剪切波速度,大约是剪切波速度的0.05到0.55倍.根据裂纹扩展模型,计算得到其余震的地震波辐射效率多在10%以下,这也说明了余震的地震效率较低.我们认为余震震源的动态破裂过程应与断层内部新生裂纹的扩展有关,而非简单的岩体间的相对滑动.余震震源的动态破裂传播与破裂能占主导地位的小地震有关.这些小震所带来的破裂能也导致了断层的进一步扩展.在对该地震序列的研究中,我们发现主震与余震的震源破裂过程在能量分配上有着本质的区别.因此当地震断层尺度相当小时,破裂能的贡献不能忽略,它的大小将显著地影响地震波辐射能的大小.     

最小能量准则用于1995年河北沙城ML 4.1地震序列破裂性质的探讨

运用变分原理,我们得到了最小地震波辐射能量约束准则并用于研究震源的物理过程.通过研究1995年M_L4.1河北沙城地震序列主震和余震的动力学过程,可知主震和余震震源的动态破裂过程明显不同;M_L4.1主震的破裂速度与瑞利波速相近,约为剪切波速度的0.89倍;而28个余震的破裂速度远远小于剪切波速度,大约是剪切波速度的0.05到0.55倍.根据裂纹扩展模型,计算得到其余震的地震波辐射效率多在10％以下,这也说明了余震的地震效率较低.我们认为余震震源的动态破裂过程应与断层内部新生裂纹的扩展有关,而非简单的岩体间的相对滑动.余震震源的动态破裂传播与破裂能占主导地位的小地震有关.这些小震所带来的破裂能也导致了断层的进一步扩展.在对该地震序列的研究中,我们发现主震与余震的震源破裂过程在能量分配上有着本质的区别.因此当地震断层尺度相当小时,破裂能的贡献不能忽略,它的大小将显著地影响地震波辐射能的大小.     

利用断层围陷波研究昆仑山口西8.1级地震破裂面

利用横跨地表破裂带的小点距的地震测线, 对2001年11月14日昆仑山口西8.1级地震进行了断层围陷波的观测实验. 经过数字滤波和频谱分析等技术, 由地震记录图中分离出了断层围陷波. 资料处理结果表明： ① 无论是人工地震震源还是天然地震震源, 只要位于断层带内或紧靠断层带, 均能激发断层围陷波; ② 断层围陷波的能量主要集中于断层带内, 其振幅随测点与断层带距离的增加而急剧衰减; ③ 断层围陷波的优势频率与断层的宽度及断层带内介质的速度有关, 断层带越宽, 或断层带内部介质速度越低, 则观测到的断层围陷波的优势频率越低; ④ 断层围陷波存在着频散现象; ⑤ 根据昆仑山口西地震测线断层围陷波的观测结果, 可推断该处破裂面宽度为300 m左右, 远远大于地表破裂带的宽度.     

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.     

2001年昆仑山口西MS8.1地震对周围断层的应力影响数值分析

大地震的发生往往会引起周围区域形变场和应力场变化,且对临近断层上的应力状态也有影响.2001年11月4日,昆仑山口西发生了半个世纪以来中国最大的M_S8.1级地震.本文基于已有的滑动模型,建立了三维含地形高程的横向不均匀性椭球型地球有限元模型,采用等效体力方法,分析了此次M_S8.1地震产生的全球同震位移和应力场变化.与解析方法相比,该模型考虑了地形、Moho面起伏和地球介质横向不均匀性;与一般的有限元数值模拟相比,该模型考虑了地球曲率和椭率,合理地规避了有限块体模型假定边界位移为零所引入的误差.计算得出同震位移与GPS观测数据可以很好地吻合.据库仑破裂应力准则和震源参数,计算得出昆仑山口西M_S8.1地震的发生造成了汶川、芦山、改则和当雄地震的发震断层上库仑应力增加,对这些地震的发生起促进作用;而造成玉树和德令哈地震发震断层上的库仑应力变化为负值,在一定程度上抑制了这些断层的地震活动性.此外,计算结果显示地球地形高程、介质非均匀性和椭率对昆仑山口西M_S8.1地震同震变化计算有一定的影响,其中地形和椭率造成的同震位移场相对误差约10%.

     

1997年以来巴颜喀拉块体周缘强震之间的黏弹性触发研究

本文利用考虑黏弹性地壳结构和精确震源参数的震后形变模型,计算了玛尼、昆仑山口西、汶川地震所形成的同震和震后形变场的变化过程与特征,结果显示玛尼地震的震后形变场有利于昆仑山口西地震的能量积累,玛尼地震与昆仑山口西地震的震后形变场对汶川地震的作用不明显,而这三次地震总的震后形变场在玉树断裂带附近形成了一个明显带有左旋性质的形变,有助于玉树地震的发生.将计算出的应力值投影到断层的滑动方向上,得到了这些地震震前的库仑应力变化过程,结果显示玛尼地震对昆仑山口西地震的库仑应力值呈现一个从负转正的过程;玛尼地震和昆仑山口西地震对汶川地震的库仑应力改变量较小;这三次强震对玉树地震的库仑应力作用为0.012 MPa左右,大于地震触发的阈值0.01 MPa.最后利用断层应力积累与滑动速率的关系,计算出断层应力的年积累量,得到这些地震之间的影响值相对于年积累量的大小,结果表明仅昆仑山口西地震对玉树地震的影响在1年左右,其他地震之间的影响都很微小.由此我们认为即便是考虑地壳的黏弹性应力作用,对于较远的断层来说影响也较弱,自身的能量积累是短时间内地块边界带上较远距离强震连发的决定性因素.     

实际地形对2010年玉树MS7.1地震动力学破裂过程及地震动特征的影响

基于震源动力学模型,采用曲线网格有限差分法模拟了水平自由地表及实际地形条件下2010年玉树MS7.1地震的震源破裂过程及相应的地面地震动,获取了断层面上的破裂传播过程、最终滑移量分布及峰值地面速度分布,讨论了实际地形对玉树地震破裂过程及相应地震动的影响.基于本文设定的动力学模型,模拟结果显示:断层面上的高应力降是玉树地...     

Constraints on rupture speed of the 2001 M S 8.1 West Kunlun Mountain Pass earthquake by co-seismic surface rupture slip displacements based on the slip-weakening mechanism with frictional undershoot involved

With co-seismic surface rupture slip displacements provided by the field observation for the 2001 MS8.1 West Kunlun Mountain Pass earthquake, this paper estimates the rupture speed on the main faulting segment with a long straight fault trace on the surface based on a simple slip-weakening rupture model, in which the frictional overshoot or undershoot are involved in consideration of energy partition during the earthquake faulting. In contrast to the study of Bouchon and Vallée, in which the rupture propagation along the main fault could exceed the local shear-wave speed, perhaps reach the P-wave speed on a certain section of fault, our results show that, under a slip-weakening assumption combined with a frictional undershoot (partial stress drop model), average rupture speed should be equal to or less than the Rayleigh wave speed with a high seismic radiation efficiency, which is consistent with the result derived by waveform inversion and the result estimated from source stress field. Associated with the surface rupture mechanism, such as partial stress drop (frictional undershoot) associated with the apparent stress, an alternative rupture mechanism based on the slip-weakening model has also been discussed.     

Constraints on rupture speed of the 2001 <Emphasis Type="Italic">M</Emphasis><Subscript>S</Subscript> 8.1 West Kunlun Mountain Pass earthquake by co-seismic surface rupture slip displacements based on the slip-weakening mechanism with frictional undershoot involved

With co-seismic surface rupture slip displacements provided by the field observation for the 2001 M_S8.1 West Kunlun Mountain Pass earthquake, this paper estimates the rupture speed on the main faulting segment with a long straight fault trace on the surface based on a simple slip-weakening rupture model, in which the frictional overshoot or undershoot are involved in consideration of energy partition during the earthquake faulting. In contrast to the study of Bouchon and Vallée, in which the rupture propagation along the main fault could exceed the local shear-wave speed, perhaps reach the P-wave speed on a certain section of fault, our results show that, under a slip-weakening assumption combined with a frictional undershoot (partial stress drop model), average rupture speed should be equal to or less than the Rayleigh wave speed with a high seismic radiation efficiency, which is consistent with the result derived by waveform inversion and the result estimated from source stress field. Associated with the surface rupture mechanism, such as partial stress drop (frictional undershoot) associated with the apparent stress, an alternative rupture mechanism based on the slip-weakening model has also been discussed.     

Bounding of near-fault ground motion based on radiated seismic energy with a consideration of fault frictional mechanisms

The energy radiated as seismic waves strongly depends on the fault rupture process associated with rupture speed and dynamic frictional mechanisms involved in the fault slip motion.Following McGarr and Fletcher approach,we derived a physics-based relationship of the weighted average fault slip velocity vs apparent stress,rupture speed and static stress drop based on a dynamic circular fault model.The resultant function can be approximately used to bound near-fault ground motion and seismic energy associated with near-fault coseismic deformation.Fault frictional overshoot and undershoot mechanisms governed by a simple slip-weakening constitutive relation are included in our consideration by using dynamic rupture models named as M-and D-models and proposed by Madariaga(1976) and Boatwright.We applied the above function to the 2008 great Wenchuan earthquake and the 1999 Jiji(Chi-Chi) earthquake to infer the near-fault ground motion called slip weighted average particle velocity and obtained that such model-dependent prediction of weighted average ground velocities is consistent to the results derived from the near-fault strong motion observations.Moreover,we compared our results with the results by McGarr and Fletcher approach,and we found that the values of the weighted average particle velocities we obtained for these two earthquakes are generally smaller and closer to the values by direct integration of strong motion recordings of the near-fault particle velocity waveform data.In other words,if this result comes to be true,it would be a straightforward way used to constrain the near-fault ground motion or to estimate source parameters such as rupture speed,static and dynamic stress drops.     

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.     

Variation of stress during the rupture process of the 1995 M_L=4.1 Shacheng, Hebei, China, earthquake sequence

Introduction An earthquake could be caused by the failure of focal material or fast slip on the pre-existed faults under the tectonic stress based on the understanding of the occurrence process of earth-quakes in which the stress change could play a key role. Therefore to examine the stress change is beneficial to understanding the physic process actually occurring in the source region deeply. The apparent stress is defined as the product of seismic efficiency and the average stress on the foc…     

2013年芦山MS7.0地震震源参数特征 及近断层强地面运动初步估计

2013年4月20日在我国四川省雅安市芦山县发生了M_S7.0地震, 破坏最严重的宝兴、 芦山等极震区烈度达到Ⅷ—Ⅸ度. 该文针对芦山M_S7.0地震震源参数的特征, 结合相关经验关系, 对本次地震的震源特征进行了初步分析. 结果表明, 芦山M_S7.0地震为断层动态摩擦过程中的应力下调模式. 进一步应用Brune圆盘模型对芦山M_S7.0地震近场强地面运动的理论值进行估算, 并基于加速度和速度的估算结果计算极震区的最大烈度, 约为Ⅷ—X度, 与实测的极震区最大烈度Ⅸ度较为接近. 选取宝兴和芦山为特征计算点, 构建动态复合震源模型, 对近断层区域内宝兴和芦山两个特征点进行了模拟计算. 模拟结果显示, 近断层区域强地面运动呈现持续时间短、 高频成分多等特征.      

2010年墨西哥Baja MW7.2地震与中国玉树MW6.9地震强地震动特征的对比研究

2010年4月4日墨西哥Baja地区发生MW7.2地震,2人遇难; 同年4月14日中国青海省南部玉树地区发生MW6.9地震,截至2010年4月25日,已造成2 220人遇难．有报道指出,玉树地震矩震级小于Baja地震,人员伤亡却远大于后者,主要原因在于玉树地区抗震设防标准低、建筑物抗震性能差．地震造成破坏程度的大小并非仅仅取决于矩震级的大小,而同时与其释放的地震波辐射能及发震后造成的强地面运动的大小有关. 玉树地震释放的地震波辐射能约相当于Baja地震的10倍,目前玉树地震尚无实测的强震记录．针对玉树地震和Baja地震建立动态复合震源模型,分别模拟基岩上及浅层速度结构（V30,地下30 m平均剪切波速）下近断层区域的强地面运动．结果表明,基岩上及V30下玉树地震近断层区域强地面运动整体约相当于Baja地震的2倍．因此,玉树地震造成发震区域内建筑物损毁程度及人员伤亡情况均严重于Baja地震,重要原因之一在于其地震波辐射能大,且强地面运动较强．本文中所应用的动态复合震源模型,在地震矩守恒和地震波辐射能守恒的条件约束下,可以作为地震发生后补充强地面运动数据的有效手段之一。