弯折断层系统上超剪切破裂传播的产生条件

断层的破裂速度是描述地震震源过程的重要物理量.如果震源破裂的传播速度超过剪切波速,将会对地震波场产生影响,造成更大的破坏性.超剪切破裂的产生受多种因素影响,断层的几何形状是因素之一.本文针对弯折断层的情况,采用三维空间非结构化网格的边界积分方法计算参数空间中的破裂相图,从中分析超剪切破裂的产生条件.以15°、25°和40°为例,得到了不同断层弯折角度的破裂相图.在本文的初始应力设置下,通过对不同的无量纲化临界滑动弱化位移Dc和初始剪应力Te参数组合的结果进行交叉对比发现,对于弯折面处于压缩区的断层模型,不可持续传播的自发停止破裂的发生条件与弯折角无关.而对于可持续传播破裂,其在平面断层的传播速度也不受弯折角影响;在弯折部分,随弯折角度增大,破裂传播速度越小,正应力越大,破裂强度越大,破裂越难以越过弯折交界线继续传播（如40°）.对比三个不同弯折角的相图,弯折角越小,越容易发生超剪切破裂,即发生超剪切的参数空间越大.同时,随着初始剪应力的增大,超剪切不仅可以发生在弯折面上,甚至在平面部分就可以发生.总体而言,Dc较小、Te较大时,破裂传播速度更大,更容易形成超剪切破裂.另外,因克服弯折交界处的正应力而产生的错位延迟效应也与弯折角度正相关.     

基于非结构化网格的边界积分方程方法的断层自发破裂模拟

地震自发破裂模拟是震源动力学研究的重要内容,了解复杂的断层动力学破裂过程对深入认识震源特征和解释运动学反演结果具有重要意义.基于边界积分方程方法的破裂模拟已经被广泛使用,大多采用的是平面断层模型的结构化网格划分.由于实际的断层往往具有较为复杂的几何特征,为了更为灵活地刻画断层几何复杂性,我们建立断层模型的三角形网格离散方案,通过精确的解析解形式来计算断层各个单元之间的应力格林函数,联立滑动弱化摩擦准则和非奇异边界积分方程,对断层的自发破裂过程进行了模拟.在简单的平面断层模型下,将计算结果与前人的结果进行了对比,验证了方法的正确性与有效性.对于几种常见的复杂断层模型,例如弯折、阶跃、含障碍体断层等,我们模拟了其破裂过程并对计算结果进行了比较与分析.模拟结果表明,非结构化网格划分的边界积分方程方法能够很好地模拟平面矩形断层或由其组成的规则断层,同时也能成功地模拟具有复杂几何形状的不规则断层上的动力学破裂过程.本研究的结果显示了边界积分方程方法在模拟复杂断层系统的动力学破裂问题上具有较广阔的应用前景.

     

震源动力学破裂过程数值模拟研究

首先阐述了震源动力学过程研究的重要意义, 在此基础上, 研究了复杂的断层几何形态及介质模型对动力学破裂过程的影响, 并对常用的有限元方法、 离散元方法、 有限差分方法和边界积分方程方法等进行了相应介绍. 讨论了这些数值模拟方法各自的优缺点, 建议在方法的选择上应视具体问题及计算的精度而定. 最后对动力学数值模拟的关键部分, 滑动摩擦准则进行了论述. 常用的滑动摩擦准则有滑动弱化准则、 速率弱化准则和速率-状态依赖摩擦准则. 在单纯考虑某个地震的动力学破裂传播过程时, 滑动弱化准则较为常用, 其中滑动弱化距离的选取至关重要. 但若考虑整个地震循环, 速率-状态依赖摩擦准则更为合适.      

基于时间域半空间Green函数建立的边界积分方程及其在动态破裂模拟中的应用

研究地震断层的自发破裂传播可以为通过震源过程了解地球介质应力状态提供理论基础,有助于理解震源破裂的机理和规律,在震源动力学研究中具有重要的地位.边界积分方程方法是研究地震断层破裂传播问题的常用方法之一,在处理复杂断层系统方面具有优势.本文从半无限空间Green函数的时间域积分形式解出发,推导出离散化的边界积分方程积分核,并将其分别应用到平面断层和弯折断层两种断层模型的动力学破裂过程的模拟中.模拟结果表明,当破裂传播到自由表面处时,会产生反射震相,反射震相与直达震相的耦合效应会导致自由表面处的破裂传播速率明显加快,同时这种耦合效应也可以促进破裂在断层弯折部位的传播.对于断层有一定埋深的情况,自由表面对破裂过程的影响较小,因而自由表面的效应仅在断层直接与地表相交或者断层上沿距离地表很近时需要纳入考虑范围.本文将自由表面的影响加入到断层的自发破裂传播研究中,有助于更真实地了解复杂断层系统中的动力学破裂过程.

     

计算断层自发破裂过程的离散网格划分研究

离散化网格的空间步长选取在各种数值算法中都是一个很受关注的问题,在全空间均匀介质模型和简单离散化方案下,利用边界积分方程方法研究在自发破裂求解过程中动力学参数组合Dc和Te (Dc为临界滑动弱化位移,Te为有效的断层破裂面上的初始应力)对计算网格划分的影响,初步得到了Dc和Te参数空间中的有效计算网格的选取规律,对合理、有效地运用边界积分方程方法计算地震震源的破裂过程具有重要的指导意义.      

断层自发破裂传播的数值模拟:速率状态摩擦定律本构参数的影响

地震往往受控于滑动面的摩擦性质,这种摩擦性质可以由速率状态摩擦定律较好地描述.速率状态摩擦定律中的本构参数a和b与动态摩擦系数相关,从而影响着同震位移与剪切应力的时空演化.本文在前人工作的基础上,采用三维边界积分方程法模拟速率状态摩擦定律控制下均匀全空间中平面断层的自发破裂传播过程,并详细讨论了a和b对滑动速率、剪切应力和破裂传播速度的影响.数值结果表明a和b的不同取值将导致不同的破裂行为,b－a的值越大,断层越不稳定,这种不稳定性有利于裂纹的产生与扩展.但滑动速率的时空分布不只依赖b－a,而且还与a和b的具体取值有关,断层面上滑动速率峰值与剪切破裂强度均随着a的减小而增大,随着b的增大而增大.相关结果有助于加深对断层自发破裂传播的认识.     

断层几何形态和自发破裂的动力学参数对地震波场的影响

断层的自发破裂及其产生的地震波场是地震学研究的重要内容.断层几何形态和自发破裂过程中的动力学参数不同,往往会导致不同的震源破裂过程,进而对地震波场产生显著的影响.本文基于不同几何形态的断层上的自发破裂过程,通过计算研究其产生的地震波场的特征.针对弯折和分叉的断层系统,我们考察了初始成核区位置以及超剪切破裂对于地震波场的影响.结果显示,对于弯折断层,随着弯折角的增大,地震波场的峰值分布沿着弯折方向产生变化,过大的弯折角会对地震波场起抑制作用;在断层上破裂距离越长,积累的能量越大,引起的地震波场峰值也越大.对于分叉断层,角度更小的分支面具有更大的破裂优势,破裂强度更大,会引起更大的地震波场峰值.超剪切破裂将使得地震波场振幅更大,激发高频成分,在波形上能观察到明显的脉冲,同时增大永久位移.通过研究动力学破裂产生的地震波场的行为,有助于增进对地震波场特征产生原因的认识,为进一步的动力学参数反演奠定了基础.

     

断层阶区对震源破裂传播过程的控制作用研究

地震破裂能否穿越断层阶区（stepover）引发更大震级的地震是震源动力学研究的重要内容.本文利用不连续变形体接触力学的动态有限单元方法,模拟断层阶区对地震破裂传播的控制作用.通过改变断层周边初始应力场、断层面上的摩擦本构关系以及断层阶区的间距大小来分析各个因素对破裂传播的影响,并定量分析产生这些影响的力学机制.模拟结果表明：断层面上的摩擦系数减小或断层周边区域内的初始剪应力增大,都将增加断层破裂跳跃阶区传播的可能性;此外,若断层阶区间距越小,断层破裂也越容易跳跃阶区传播.计算结果还显示：断层上的摩擦系数大、初始剪应力小、断层阶区间隔大,那么此阶区所在之处将可能是断层破裂的终止位置;相反,当断层面上的摩擦系数较小、初始剪应力较大、断层阶区间隔较小,破裂就容易穿越阶区而出现较大的地震.同时,从模拟结果可以看出,在发震断层破裂停止后,应力将继续向四周传播;当应力积累达到破裂极限时,触发断层阶区中的另一断层产生破裂,因此在破裂跳跃断层阶区的过程中存在一个时间延迟.最后,破裂能否跳跃断层阶区,可以利用库仑应力在空间的分布进行合理的解释.     

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。     

不同摩擦本构关系对断层自发破裂动力学过程的影响

地震是断层的摩擦失稳过程.摩擦本构关系对断层的破裂成核、破裂传播、破裂速度、能量释放、破裂终止等起着至关重要的控制作用.为了比较不同摩擦关系在断层自发破裂动力学过程中的影响,文中引入目前应用最为广泛的4种典型摩擦本构关系,它们分别是：滑移弱化摩擦关系,速率弱化摩擦关系,以及速率-状态相依摩擦关系中的老化定律和滑动定律.研究中利用有限单元方法对上述4种摩擦关系控制的断层自发破裂过程分别进行模拟计算,模拟结果显示：当模型参数相同时,不同摩擦关系模拟的破裂行为总体上具有一致性,都可以产生亚剪切破裂或超剪切破裂,并且破裂传播速度的大小与摩擦本构关系的类型无关.此外,它们之间还存在着较大的差异：（1）速率弱化摩擦关系可以模拟脉冲型破裂;而其他3个摩擦关系只能模拟裂纹性破裂.（2）不同摩擦关系模拟的超剪切破裂转换长度不同,速率-状态相关摩擦关系的老化定律相比其他摩擦关系需要更大的转换长度才能实现亚剪切破裂转变为超剪切破裂;而速率弱化的摩擦关系的超剪切转换长度可以为0,即不需要转换距离就直接产生超剪切破裂.（3）速率弱化摩擦关系模拟的破裂速度自成核后很快就达到稳定值;而其他类型摩擦关系模拟的破裂传播则要经历由缓慢破裂到逐渐加速直至达到稳定破裂的过程.值得特别指出的是,本文所使用的4种摩擦关系都不能完整地反映实际大地震破裂过程的摩擦属性,需要进一步深入研究.     

Effect of the time-weakening friction law during the nucleation process

Based on dynamic rupture simulations on a planar fault in a homogeneous half-space, we investigated the nucleation processes using the time-weakening friction law. Both the characteristic time and the rupture speed in the nucleation asperity play an important role in determining rupture behaviors on a fault plane following the time-weakening friction law, with which rupture starts from a single point in the nucleation asperity and propagates at a given speed toward the boundary of the nucleation area. Rupture with a small characteristic time or a large rupture speed in the nucleation asperity propagates earlier from the hypocenter. Rupture following the slip-weakening friction law requires a smaller radius of nucleation patch to have similar rupture front contours of the time-weakening friction law. Even if the rupture velocity in the nucleation patch of the time-weakening friction law increases to infinity, the peak slip rate in the nucleation asperity is smaller than that of the slip-weakening law. The peak ground velocity distributions of ruptures following the two friction laws are also compared.     

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.     

2011年M_W9.0东日本大地震动力学破裂过程的数值模拟

力学上,地震可以看作在应力场作用下由于断层带介质的突然损伤或软化导致的断层带失稳事件.本文基于这个地震动力学模型,利用一种可以模拟断层大位错的有限元方法,研究了2011年MW9.0东日本大地震(Tohoku-Oki)的动力学破裂过程.比较了无障碍体和具有不同刚度障碍体的断层带模型产生的断层位移、位错和应力降.主要结果表明,障碍体的存在并不明显地改变障碍体区域的初始构造应力场.对有障碍体情形,准静态结果显示断层上盘最大逆冲位移和最大剪切位错分别为51m和58m,均发生在海底表面海沟处,与无障碍体的结果(最大剪切位错约55m)相比差别不大;下盘最大倾向位移(-10m)并不与上盘最大值出现在同一位置,而是在障碍体处.障碍体处剪应力降(约11 MPa)大于周围非障碍体区域.障碍体处正应力降的最大值约为3 MPa.模拟结果似乎不支持海山是导致本次地震异乎寻常大位错的原因,而倾向于断层带剪切刚度在地震过程中极度损伤或软化.     

Monte Carlo Inversion of DInSAR Data for Dislocation Modeling: Application to the 1997 Umbria-Marche Seismic Sequence (Central Italy)

— The study of surface deformation due to seismic activity is often made using dislocations with uniform slip and simple geometries. A better modeling of coseismic and postseismic surface displacements can be obtained by using dislocations with variable slip and nonregular shapes. This is consistent with the asperity model of fault surfaces, assuming a friction distribution on faults made of locked zones with much higher friction than surrounding zones. In this paper we consider the 1997–1998 Colfiorito seismic sequence. The coseismic surface displacements in the Colfiorito zone are used in order to infer the slip distribution on the fault surface at different stages of the sequence. The displacement field has been modeled varying the slip distribution on the fault, and comparing the deformation observed by SAR and GPS techniques with model results. The slip distribution is calculated by Monte Carlo simulations on a normal fault with the dip angle equal to 40°. A good approximation is obtained by using square asperity units of 1.5×1.5 km². In the first stage, we employed a simplified model with uniform slip, in which each asperity unit is allowed to slip a constant amount or not to slip at all, and in the second stage, we evaluate the slip distribution in the dislocation area determined by the Monte Carlo inversion: in this case we allow unit cells to undergo different values of slip in order to refine the initial dislocation model. The results show that the 1997 seismic events of the sequence can be modeled by irregular dislocations, obtaining a good fit to the DInSAR and GPS observations. The model also confirms the results of previous studies by a different methodology, defining the distribution of asperities on the fault plane using the fault geometry, the geodetic data and the seismic moment of the 1997–1998 Colfiorito seismic sequence. Furthermore, the analysis of 1997 aftershocks in the seismogenic region shows a strong correlation between most events and the asperity distribution, which can be considered as an independent test of the validity of the model.     

由宽频带辐射能量目录和地震矩目录给出的视应力及其地震学意义

对NEIC宽频带地震辐射能量目录和哈佛矩心矩张量（CMT）目录的比较，给出了关于视应力的一些可能是有意义的结果，尽管目前的结果误差仍很大，可靠性也是有限的，但这种比较所提供的线索却颇值得注意，视应力的计算给出关于地震断层面上非线性动摩擦函数的线索，能量／地震矩之比随地震大小的变化表明，在BK模型框架下，对于走滑型地城,依赖于滑动速度的摩擦似乎占主要地位，而对于非走滑型地震，依赖于位移的摩擦似乎占主要地位，主震和余震的能量／地震矩之比的比较表明，对于走滑型地震，余震的视应力平均地说来低于主震的视应力，而对于非直滑型地震，余震的视应力即有高于主震的也有低于主震的，这对于障碍体和凹凸模式的讨论及模型中地震破裂停止条件的设置可能具有一定的参考意义。     

不同摩擦本构关系对断层自发破裂动力学过程的影响

地震是断层的摩擦失稳过程.摩擦本构关系对断层的破裂成核、破裂传播、破裂速度、能量释放、破裂终止等起着至关重要的控制作用.为了比较不同摩擦关系在断层自发破裂动力学过程中的影响,文中引入目前应用最为广泛的4种典型摩擦本构关系,它们分别是：滑移弱化摩擦关系,速率弱化摩擦关系,以及速率-状态相依摩擦关系中的老化定律和滑动定律.研究中利用有限单元方法对上述4种摩擦关系控制的断层自发破裂过程分别进行模拟计算,模拟结果显示：当模型参数相同时,不同摩擦关系模拟的破裂行为总体上具有一致性,都可以产生亚剪切破裂或超剪切破裂,并且破裂传播速度的大小与摩擦本构关系的类型无关.此外,它们之间还存在着较大的差异：（1）速率弱化摩擦关系可以模拟脉冲型破裂;而其他3个摩擦关系只能模拟裂纹性破裂.（2）不同摩擦关系模拟的超剪切破裂转换长度不同,速率-状态相关摩擦关系的老化定律相比其他摩擦关系需要更大的转换长度才能实现亚剪切破裂转变为超剪切破裂;而速率弱化的摩擦关系的超剪切转换长度可以为0,即不需要转换距离就直接产生超剪切破裂.（3）速率弱化摩擦关系模拟的破裂速度自成核后很快就达到稳定值;而其他类型摩擦关系模拟的破裂传播则要经历由缓慢破裂到逐渐加速直至达到稳定破裂的过程.值得特别指出的是,本文所使用的4种摩擦关系都不能完整地反映实际大地震破裂过程的摩擦属性,需要进一步深入研究.

     

Recipe for Predicting Strong Ground Motion from Crustal Earthquake Scenarios

We developed a recipe for predicting strong ground motions based on a characterization of the source model for future crustal earthquakes. From recent developments of waveform inversion of strong motion data used to estimate the rupture process, we have inferred that strong ground motion is primarily related to the slip heterogeneity inside the source rather than average slip in the entire rupture area. Asperities are characterized as regions that have large slip relative to the average slip on the rupture area. The asperity areas, as well as the total rupture area, scale with seismic moment. We determined that the areas of strong motion generation approximately coincide with the asperity areas. Based on the scaling relationships, the deductive source model for the prediction of strong ground motions is characterized by three kinds of parameters: outer, inner, and extra fault parameters. The outer fault parameters are defined as entire rupture area and total seismic moment. The inner fault parameters are defined as slip heterogeneity inside the source, area of asperities, and stress drop on each asperity based on the multiple-asperity model. The pattern of rupture nucleation and termination are the extra fault parameters that are related to geomorphology of active faults. We have examined the validity of the earthquake sources constructed by our recipe by comparing simulated and observed ground motions from recent inland crustal earthquakes, such as the 1995 Kobe and 2005 Fukuoka earthquakes.