局部山体地形对断层动力学破裂过程的影响研究

基于曲线网格有限差分方法研究了垂直走滑断层在不同山体地形情况下的动力学破裂传播,分析并讨论了局部山体地形对断层破裂过程及相应地面地震动的影响,得到了各模型断层面的动力学破裂过程及相应的地表峰值速度特征。研究结果表明,山体地形尺度（山体高度及底部延展距离等）对断层动力学破裂过程影响较大,进而影响到相应的地面地震动分布。当山体地形处于自由地表上亚剪切向超剪切转换的位置附近时,山体地形会阻碍断层面上自由地表超剪切的产生。一般而言,对于具有一定埋深的断层,当山体地形底部延展距离一定时,山体高度越高,其对自由地表超剪切的阻碍程度越大;当山体高度一定时,地形底部延展距离越大,越会阻碍自由地表超剪切的产生,这种破裂过程的变化会导致相应地面地震动呈现不同特征的分布。此外,还探讨了断层破裂过程及相应地震动对成核区外初始剪切应力变化的响应,结果显示,当初始剪切应力较高时,高应力降引起的超剪切破裂会对断层破裂及相应的地震动分布起主导作用。      

2010年玉树超剪切破裂地震破裂过程反演

为探讨玉树地震是否为超剪切破裂事件,利用Yagi的方法重新进行了此次地震震源破裂过程的反演。通过给定不同的破裂速度进行对比,发现当破裂速度为4.7km/s时,理论与实际观测结果拟合残差最小,且反演结果更符合实际。另据P波高频辐射能量包络反演,破裂传播速度在4.7～5.8km/s范围内,而该地区的剪切波速度则为3.0～3.6km/s,从而证明了此次地震超剪切破裂现象的存在。反演结果表明,此次地震在玉树段的NW和SE段形成了19和31km的地表破裂,而震中所在的中段由于隆宝湖拉分盆地的存在,造成了15km的未破裂区。超剪切破裂是造成SE段玉树县城遭受严重破坏的原因之一。     

考虑震源破裂过程的青海玉树地震震动图研究

为了在缺少实时台站数据的情况下,研究震后地表地震动分布,本文尝试通过对震源做出某些约束,以提高震动图的精度.由于青海玉树地震的发震断层近似直立(倾向83°),震源破裂过程在时间和空间上呈明显的分区特征,分别考虑了地表破裂的线源发生模型和主震震级分解方法,用考虑了场地效应的震动图快速生成方法生成震动图.将两种方法生成的震动图与调查烈度比较.结果表明,基于震源破裂过程对主震震级进行分解,综合考虑各子事件生成震动图的方法,对震后的应急决策和灾情的快速评估是可行的.     

单侧破裂震源对地震动空间相关性影响的远场分析

将震源简化为有一定破裂长度的线状断层,定量研究了单侧破裂震源对地震动空间相关性的影响．依据波谱随空间坐标的展开式,得到了描述地震动场相关性的表达式．在远场假定下,给出了理论解析公式,并依据地震动Fourier谱随空间坐标的展开条件,得到了计算地震动场孔径的理论公式．最后,以一次地震为例,给出了孔径随震中距、方位角、频率变化的三维图象．     

山地与平原地形对地震动影响的对比分析

山地和平原地形在破坏性地震中对震害和地震动有很大影响,不同地形对地震动有不同的地形效应。为研究山地和平原地形对地震动的影响规律,基于集集地震后续M L6.6余震的强震观测记录,对位于不同地形且与震中位于同一直线上的四个强震台记录处理计算,从波形特征、频谱分析、加速度反应谱计算、与规范谱比较等方面进行对比分析,完成长周期地震动反应谱分布的计算。研究表明,山地地形对地震动的高频成分有地形放大效应,沉积平原对地震动的低频长周期部分有放大作用,并且长周期反应谱的峰值区域始终位于沉积平原中部。平原上强震记录产生的长周期放大系数谱已超出规范谱,沉积平原上长周期建筑的抗震设防应引起重视。     

断层破裂速度对地震动及其地震灾害影响的有限单元法模拟

断层破裂传播速度通常会影响强地面运动加速度的空间分布及地震的灾害程度,但究竟是如何影响的,目前未见全面的定量分析.为此,本研究设断层破裂速度从小到大发生改变(从亚剪切波速度到超剪切破裂速度),同时利用有限元方法计算在不同破裂传播速度的情况下,破裂产生的地震动及强地面运动峰值加速度(PGA)的空间分布,计算时保持在所有情况下其断层上的最终位错相等,即所有不同破裂情况下产生的地震矩震级保持不变,都为MW=7.0.计算结果显示：总体上,破裂传播的速度越快,PGA的幅值越大并且高值区分布的范围也越广,其地震灾害会越严重;超剪切破裂相对于亚剪切破裂会加剧地震灾害.但是,当破裂速度正好等于介质的剪切波速度时,断层面附近PGA峰值最大,断层附近的地震灾害最为严重.此外,研究中还发现,当破裂传播速度等于倍剪切波速度时(该速度称为Eshelby速度),不产生剪切马赫波;这与超剪切破裂产生剪切马赫波的普遍现象不一致;但此时PGA并没有大幅度减小,其震害也不会有显著改变.因此,本研究对于深入认识地震震源过程、地震动效应以及灾害评估有着重要的科学意义及实用价值.     

青海玉树地震(M_s=7.1)产生超剪切破裂过程的动力学机制研究

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.国内外地球科学家对该地震产生超剪切破裂过程的物理机制一直非常关注,但至今没有给出满意的解答.为此,文中根据玉树地震发震断层的实际几何构建有限单元数值模型,模型中的断层由2个断层段构成,它们之间有约10°的夹角,形成断层拐折.模拟结果表明,玉树地震的破裂由2个子事件组成;当破裂在震源所在的断层上成核后,先在第一个断层段上传播,其速度为亚剪切波速度;当破裂一旦越过断层拐折,在第二个断层段上传播时,破裂速度就立即转变为超剪切波速度.计算结果显示,当断层发生超剪切破裂时,断层上的位错幅度、破裂产生的地震波速度及加速度都会显著增大,从而造成地震灾害大大增加,这很可能是玉树地震的震害特别严重的重要原因.从模拟实验中还看到,若是模型中的断层没有发生拐折,在模型的其他参数都保持不变的情况下,破裂速度不会发生变化.但是,若初始应力场的方位与断层之间的夹角发生变化,这时断裂系统中尽管存在断层拐折,也不是一定能产生超剪切破裂.只有当初始应力方位与断层之间的夹角以及断层走向变化的偏角二者之间的关系恰到好处时,断层拐折才有可能促使断层破裂由亚剪切转化为超剪切破裂.所以,玉树地震之所以能产生超剪切地震破裂,恰恰是发震断层几何与初始应力场方位之间的关系达到某种"最佳状态"的结果.这也可能是天然地震中超剪切破裂事件稀少的原因之一.因此,研究超剪切地震破裂过程的动力学机制,对于深入研究地震震源过程、地震灾害评估等有着非常重要的科学意义.     

局部山体地形对强地面运动的影响研究

基于曲线网格有限差分方法研究了地震波在不同坡度的山体地形及水平地表模型中的传播,得到了各模型速度波形及地表峰值速度特征,从地形自身特征及震源特征两方面出发讨论了地形效应：一是相同的震源模型下地形坡度、形状对地震动的影响;二是同一山体模型下地震动对不同震源机制的点源以及相对复杂的有限断层的响应.主要结论如下：（1）一般情况下,地形放大效应在坡度较大的地方比较明显,并随着坡度的增加而增大,但在某些特定情况下,放大效应与坡度并不满足正相关,且这种情况的发生与震源性质无关,可能仅受地形形态自身的影响;（2）对于不同的震源机制,地面运动各分量受地形影响程度不同,总体上水平分量受地形影响程度更大;（3）震源机制和震源激发的波的频率会影响放大效应最大值出现的位置,放大效应最大值不一定出现在山顶处,有可能会出现在起伏地形的震源对侧,出现位置可能与波的相互作用有关;（4）有限断层模型下,地面运动特征相对更为复杂,地形效应不仅受断层模型几何特征的影响,同时断层破裂过程对其也有着重要的影响.

     

2010年青海玉树MS7.1级地震地表破裂带和形变特征分析

通过对SPOT卫星影像上地表破裂的目视解译,以及对ALOS PALSAR卫星数据进行D-InSAR形变提取和分析,结合地震活动性、震源机制、活动构造等资料,确定了发震断层空间分布、断层性质和同震形变场分布特征.结果显示,玉树地震发生在甘孜—玉树断裂带上,总体走向约为300°,断层近乎直立.根据相干性强弱将Ⅰ区地表破裂划分为三段:北段长22 km,中段长5 km,南段长6 km,破裂带总长度约33 km.Ⅱ区内非相干带长约10 km.同震形变场分布在78 km×55 km范围内,主震所在的形变Ⅰ区断层两侧视线向相对位错约为0.78 m,转换成水平位错约为1.5 m;余震所在的Ⅱ区形变相对较小.     

2010年青海玉树MS7.1级地震地表破裂带和形变特征分析

通过对SPOT卫星影像上地表破裂的目视解译,以及对ALOS PALSAR卫星数据进行D-InSAR形变提取和分析,结合地震活动性、震源机制、活动构造等资料,确定了发震断层空间分布、断层性质和同震形变场分布特征.结果显示,玉树地震发生在甘孜—玉树断裂带上,总体走向约为300°,断层近乎直立.根据相干性强弱将Ⅰ区地表破裂划分为三段:北段长22 km,中段长5 km,南段长6 km,破裂带总长度约33 km.Ⅱ区内非相干带长约10 km.同震形变场分布在78 km×55 km范围内,主震所在的形变Ⅰ区断层两侧视线向相对位错约为0.78 m,转换成水平位错约为1.5 m;余震所在的Ⅱ区形变相对较小.     

2010年青海玉树Ms7.1地震近断层地面运动估计

2010年4月14日在我国青海省玉树藏族自治州发生了M_s7.1级地震.地震给当地群众的生命财产带来巨大损失,其中最严重的破坏发生在震中东南的玉树县城.我们利用反演远场地震波形得到的震源破裂模型和Crust2.0提供的当地的地壳模型,计算了近断层地面运动（速度场和位移场）,再现了地震发生时当地的地面运动图像.根据这个图像,震源的单侧破裂过程导致了明显的多普勒效应.地震波自震中向四周扩散开去,但沿着断层向东南方向传播的地震波的幅度更大、波峰更密.玉树县城恰好位于地面静态位移较大的区域,也位于较强烈的位移波和速度波穿越的地带.与实际的地面运动相比,虽然我们的计算还不够精确,但无容置疑,破裂过程导致的多普勒效应是玉树县城遭受严重破坏的主要原因.     

断层破裂方式对银川盆地强地面运动的影响

银川盆地是受断层控制的断陷性盆地,边缘和内部发育了多条断裂带,特别是其内部晚更新世-全新世活动的银川隐伏断层可能对银川市的建设规划和抗震设防影响较大.为了研究银川隐伏断层活动对银川盆地强地面运动特征的影响,本文以银川隐伏活动断层作为目标断层,模拟了断层发生Mw6.5特征地震时,在单侧破裂和双侧破裂两种方式下,银川盆地的强地面运动分布特征.分析结果表明在两种破裂方式下,盆地内强地面运动表现出不同形态的地震条带状分布特征和上盘效应;同时受到银川盆地边缘断裂"西陡东缓"构造特征的影响,地表强地震动分布和断层附近观测点的时程也呈现出独特的盆地边界反射作用.在单侧破裂和双侧破裂两种模式下,近场强地面运动集中区总体上呈现北强南弱的现象,银川市及附近的芦花台等地区是强地面运动分布的主要区域.     

复杂地形条件对强地震动特征的影响

基于甘肃文县获得的汶川地震强余震记录分析和FLAC3D软件模拟场地地震反应的方法研究了地形条件对地震动的影响.首先结合文县流动地震台强余震记录,分析了文县山包场地的地震动分布特征;其次对该山包进行了地形测量、地震勘探和土样采取,根据实测资料建立了FLAC3D三维场地数值模型,采用实际基岩记录输入,研究了山包不同部位地震动的分布特征.研究表明:数值计算与观测的结果在一定频段范围内有较好一致性;其时域峰值加速度放大比接近,反应谱谱比结果放大趋势一致,1 ～10Hz的地震动放大最明显;FLAC3D软件能够有效地模拟三维场地的地震反应.     

2010年4月14日玉树MS7.1地震对余震的触发研究

研究了2010年4月14日青海玉树7.1级地震产生的静态库仑破裂应力变化对余震及区域地震活动空间分布的影响.在考虑震源区附近区域构造应力场的基础上,由震源区构造应力和主震破裂产生的应力叠加,计算得到最容易破裂的余震断层面,进而计算玉树主震在上述余震断层面上产生的库仑破裂静态应力变化.结果表明,库仑应力变化图像与余震分布较为吻合,说明玉树主震对大部分余震有触发作用.利用相同方法计算了玉树主震对周边更大范围内地震的应力触发影响,发现大部分区域地震活动空间分布与库仑应力变化图像基本一致,中小地震大多发生在正向触发区域,但量值较小.对余震断层面与主震完全一致的情形进行了同样的计算,与前述方法计算结果的对比显示,考虑区域应力场的计算方式所得库仑破裂应力变化图像,能够更好地与余震及区域中小地震空间分布图像相吻合.     

A simplified method for simulation of strong ground motion using finite rupture model of the earthquake source

We present a simplified method to simulate strong ground motion for a realistic representation of a finite earthquake source burried in a layered earth. This method is based on the stochastic simulation method of Boore (Boore, D. M., 1983, Bull. Seism. Soc. Am. 73, 1865–1894) and the Empirical Greens Function (EFG) method of Irikura (Irikura, K., 1986, Proceedings of the 7th Japan Earthquake symposium, pp. 151–156). The rupture responsible for an earthquake is represented by several subfaults. The geometry of subfaults and their number is decided by the similarity relationships. For simulation of ground motion using the stochastic simulation technique we used the shapping window based on the kinetic source model of the rupture plane. The shaping window deepens on the geometry of the earthquake source and the propagation characteristics of the energy released by various subfaults. The division of large fault into small subfaults and the method for accounting their contribution at the surface is identical to the EGF. The shapping window has been modified to take into account the effect of the transmission of energy released form the finite fault at various boundaries of the layered earth model above the source. In the present method we have applied the correction factor to adjust slip time function of small and large earthquakes. The correction factor is used to simulate strong motion records having basic spectral shape of ² source model in broad frequency range. To test this method we have used the strong motion data of the Geiyo earthquake of 24th March 2001, Japan recorded by KiK network. The source of this earthquake is modelled by a simple rectangular rupture of size 24 × 15 km, burried at a depth of 31 km in a multilayered earth model. This rupture plane is divided into 16 rectangular subfaults of size 6.0 × 3.75 km each. Strong motion records at eight selected near-field stations were simulated and compared with the observed records in terms of the acceleration and velocity records and their response spectrum. The comparison confirms the suitability of proposed rupture model responsible for this earthquake and the efficacy of the approach in predicting the strong motion scenario of earthquakes in the subduction zone. Using the same rupture model of the Geiyo earthquake, we compared the simulated records from our and the EGF techniques at one near-field station. The comparison shows that this technique gives records which matches in a wide frequency range and that too from simple and easily accessible parameters of burried rupture.     

1976年M_S7.8唐山地震断层动态破裂及近断层强地面运动特征

采用美国南加州地震委员会(SCEC)Steven Day博士提供的三维有限差分断层瞬态破裂动力学模型(3D-FDM),以1976年唐山M_S7.8地震为例,从简化的断层双侧破裂模式出发,对该地震发震断层的动态破裂过程及近断层地表运动特征进行了仿真模拟和计算.研究区域为围绕发震断层200 km×140 km×40 km(深度)的长方形块体组成,模拟计算的空间分辨率和时间分辨率分别为200 m和0.012 s,形成的空间网格节点数为1051×701×201.在DELL小型上作站上,我们实现了对源程序的移植和并行计算.同时,通过引进计算机可视化技术,对模拟数据进行了3D/4D解释分析.另外,在对源程序修改过程中,实现了对京津唐地区三维地壳速度结构的嵌入,在一定程度上增强了对地震波传播以及地面运动模拟的真实性,并讨论了地震破裂的方向性对近断层地表运动的影响.最后根据初步研究结果结合京津唐地区活动断层构造特征,对唐山M_S7.8级主震后随之而来的1976滦县M_S7.1级余震及宁河M_S6.9级余震的动态触发机制提出了新的解释.由于受主震破裂方向性作用的影响,使得主震对后续两个较大余震产生的动态应力变化的峰值在断层的走滑方向上较大,为2～3 MPa,在逆冲方向上较小,为0.1～0.2 MPa.即唐山主震的发生使得其周边的应力场有一个瞬态的应力调整,唐山主震对后续余震的发生有促发作用.     

青海玉树MS7.1级地震发震应力场与非稳定发震机理的模拟

分析了玉树地区的地应力场、速度场.在此基础上,对青海玉树2010.4.14 MS7.1级地震发震机理进行了数值模拟.将围岩看成弹性体,断层看成具有应变软化特性的弹塑性体,断层和围岩组成统一的地质介质系统.在地应力、孔隙压力及边界位移的作用下,应力逐渐积累,当达到断层的摩擦破坏强度时,断层产生位移软化,断层突然滑动,能量突然释放,应力突然下降,形成地震.根据这一过程,对玉树地震进行了模拟.玉树7.1级地震是在印度板块向北推挤,青藏高原向东南侧向挤压,在玉树地区形成主压应力为北东东方向的水平应力场,使甘孜—玉树断裂带产生左旋走滑错动形成的.模拟结果给出了应力降、能量释放量、断层走滑和垂直错动量、地表变形,地震复发周期、应力积累速度等重要参数,模拟结果与野外调查资料具有较好的一致性.     

青海玉树7.1级地震异常及其思考

玉树7.1级地震前,青海南部—西藏东部大范围区域存在6级、5级及ML4级地震空区,主震前130 min发生了4.7级直接前震。2009年11月以来,青海境内又显现多项较为突出的前兆观测异常。总结认为这些异常应属玉树7.1级地震异常。尤其是多震级档地震空区配套出现,表明该区应力处于逐级闭锁状态,对大震孕育区域有很好的指示意义,可作为今后大震跟踪的重要依据。