中国大陆及其邻区地震活动的数值模型研究

利用有限元数值模拟方法,结合中国大陆及周边实际板块边界条件、实际介质参数,模拟给出了各单元的应力增长速率,并将其应用于根据细胞自动机原理提出的一种更接近实际的改进的细胞自动机模型中．初步给出了与实际地震类似的地震活动时空反复演化图象,并将模拟给出的地震能量释放结果与实际地震活动做了对比．认为该模型较以往模型无论在模拟地震活动特点上,还是与实际情况的对比上都有一定的优势,是一种更接近实际的模型．      

中国强震前兆地震活动图像机理的三维数值模拟研究

建立了含有母体岩石、硬包体和随机分布的小裂纹的三维有限元模型，计算了包体和各层实体中的应力分布. 利用最高应力破裂准则、释放破裂单元刚度生与死的方法，模拟强震前岩石的破裂和小震的空间分布特征. 结果表明，文中三种模型都显示出强震前在孕震体即包体附近出现了高应力集中单元. 它们是形成小震空区、条带和地震空间丛集图像的基础. 随机裂纹的存在，有利于在孕震体（包体）外的裂纹端部应力集中，先发生小震，形成包围孕震包体的前兆地震活动图像，而包体中的应力逐渐增加，为发生强震提供了条件. 包体的形状和几何位置是影响强震前兆地震活动图像形态的重要因素. 引入材料的黏弹性，导致了其中应力随时间迅速减小和弹性层某些部位应力随时间的增加. 但在本文设定的构造模型框架和介质参数下，下层黏弹性的存在对上层母体的应力随时间的增加影响不大.     

浙北及邻近地区应力场数值模拟与地震危险区预测

根据构造地质学、地震地质学的考察和观测结果,结合构造单元、地震活动分区和研究区位置确定计算模型的范围,选定一个构造骨架,确定计算模型的边界形状和几何参数。然后参考地震震源机制解结果和新构造运动特征,选定模型边界条件,参考岩石力学实验结果,确定模型的物理参数,最后利用线弹性二维有限元程度计算了各节点位移、各单元应力应变及应变能增量。通过分析应用应场和应变能增量划分出２个地震危险区。     

巴颜喀拉块体东南缘应力演化及鲁甸地震自发破裂模拟研究

巴颜喀拉块体活动导致的昆仑—汶川地震系列,是目前中国大陆唯一一组7级以上地震序列,未来几年该块体仍是发生7级地震的主体地区。巴颜喀拉块体东缘从走滑运动向逆冲运动转换的构造动力学性质使得活动块体两个相邻边界带存在大地震序列的关联性。研究表明近期逐渐加速的块体东边界强震序列是北边界强震活动的响应,巴颜喀拉块体南边界的鲜水河断裂带同样以左旋走滑的方式向东边界挤压,但巴颜喀拉块体东南缘地震呈现以下两个特点,一是强震大都发生在巴颜喀拉块体东边界断裂带,东边界强震序列呈现加速状态;二是南边界鲜水河断裂带在1973年炉霍7.6级地震后,已有40多年没有发生7级以上地震,鲜有6.5级以上强震,在此次地震序列中表现出一种大震缺失的状态。因此,巴颜喀拉块体东南缘主要断裂带的地震危险性值得关注和研究。同震库仑破裂应力及震后粘弹性松弛在解释余震序列分布,分析强震序列相互作用关系及未来地震危险性分析等方面发挥了重要的作用。比如汶川地震之后,一些研究者利用弹性位错模型计算了汶川地震的同震库仑破裂应力变化,并对龙门山区域未来的地震危险性进行了估计。一些研究者分别计算了汶川地震和芦山地震后周边断层的同震库仑应力变化,以及汶川地震和芦山地震引起的同震和震后粘弹性松弛应力场变化,得到了汶川地震可能有效地促进了芦山地震的发生的结论。在应力演化过程中,震间构造应力加载对强震危险性的作用也非常重要,目前比较流行的计算这部分应力积累的做法是采用"负位错"的理论进行计算,这一方法虽然简洁,但假设了断层是完全闭锁的,可能会造成一定误差。本文拟以巴颜喀拉块体区域构造活动作为三维有限元模型的边界约束,综合研究区域介质速度、密度结构最新反演结果计算介质的弹性材料参数,从初始应力场出发模拟在构造应力和重力作用下的现今背景应力场,计算强震序列引起的区域内断裂带震前、震间、震后的应力演化,获得更为准确可靠的应力场结果。利用速率-状态关系计算库仑应力变化对研究区域背景地震发生率的影响,利用泊松概率过程计算研究区域在汶川地震和芦山地震震后未来10年6级以上强震的发震概率及研究区域主要断裂带的6级以上强震发震概率。除以上述准动力学的方法研究巴颜喀拉块体东南缘应力演化及地震危险性,本文还以鲁甸地震为例,研究鲁甸地震从成核区开始破裂,然后扩展直至终止的自发破裂动力学过程,探索影响地震自发破裂位错的主要因素。研究内容:(1)建立巴颜喀拉块体东南缘三维粘弹性有限元模型。(2)模拟巴颜喀拉块体东南缘主要断裂带上1900年以来7级以上强震序列的应力演化过程,并对强震序列对芦山地震的触发作用进行了研究,对比库仑应力场及等效应力场演化结果与背景地震活动的关系。(3)应用速率-状态关系研究库仑破裂应力对汶川地震、芦山地震震后研究区域的地震发生率的影响,应用泊松过程给出研究区域主要断层未来的强震发生概率。(4)应用可以描述断层摩擦机制的FAULTS有限元软件对芦山地震断层错动方式,初始破裂点进行了模拟,研究了汶川地震后,断层强度的变化对芦山地震的影响。(5)应用曲线有限差分方法建立鲁甸地震非平面断层自发破裂模型,模拟鲁甸地震在包谷垴—小河断裂上的自发破裂过程,分析影响鲁甸地震自发破裂过程的主要因素。本文的创新点:(1)以三维速度、密度反演结果建立能反映更真实地下介质的三维粘弹性有限元模型;(2)从初始应力场出发,进行数十万年的应力场演化模拟直至获得与现今构造应力场更为吻合的背景应力场用于地震序列模拟;(3)采用泊松概率模型计算地震发生概率时直接基于三维粘弹性有限元模型得到的库仑应力结果,充分考虑了同震、震间和震后效应的影响。同时,在考虑背景地震发生率时采用了更全面完整的地震目录,这可能使得对未来地震危险性的估计更准;(4)对鲁甸地震自发破裂过程进行了动力学模拟,将震间应力积累过程与同震地震破裂过程的模拟结合起来。     

伪三维有限元地震活动模型及其在华北地区的应用

对伪三维地震活动模型做了进一步研究，主要是对无预设破裂方向的单元，引入应力摩尔圆方法来判定破裂发生的时间。该方法首先在一个简单的理论模型上加以应用，给出了一些计算结果，以检验所提方法的可行性。在此基础上，将这个模型应用到华北地区，得到了一些初步计算结果。这些研究结果为将地震活动的理论模型应用到实际地震活动中，提供了一种可能的研究途径。     

1900年以来巴颜喀拉块体应力演化与周缘强震关系的数值模拟研究

以巴颜喀拉块体为研究对象,考虑区域地质构造差异,主要活动断裂带,活动块体和边界断裂带的划分结果,引入深部三维速度结构,建立能反映地表起伏和岩石圈分层结构的青藏高原地区三维黏弹性有限元模型.以地壳水平运动速率观测值和最大主压应力方向测量值为约束条件重建研究区现今构造背景应力场.在此基础上模拟了自1900年以来巴颜喀拉块体周缘的7级以上强震序列,从库仑破裂应力角度研究了应力演化与强震的关系、强震之间的相互作用关系以及长期构造加载对强震的影响.研究结果表明,巴颜喀拉块体周缘强震的发生可能与震源区总应力的增加有关.2008年汶川地震导致龙门山断裂带南段应力增加,表明汶川地震对2013年芦山地震有促进作用.鲜水河断裂带上的7级以上强震序列对发生在邻近龙门山断裂带上的2008年汶川地震和2013年芦山地震有延迟作用.     

从应力演化角度讨论龙门山区域7级强震序列对芦山地震的影响

计算包括同震静态库仑破裂应力变化以及震后黏滞松弛引起的应力变化等,可以更好地解释余震分布、地震序列等地震观测结果。在芦山地震之前,从1900年以来龙门山区域发生了4次7级以上地震,分析这几次地震的同震应力变化以及震后黏弹性松弛对芦山地震的产生的影响,芦山地震以后区域断裂带上的应力伴随强震如何演化,芦山地震与汶川地震的破裂空段呈现何种应力状态,探讨这些问题可能会为了解芦山地震震源处震前的应力状态及该区域未来地震风险评估提供一定的依据。文中采用有限元数值模拟方法,根据地质构造、速度、密度结构深部反演结果以及GPS及应力观测资料等,建立龙门山地区三维黏弹性有限元模型进行研究。模拟结果显示:龙门山断裂带南段及鲜水河断裂带的库仑应力年变化速率在研究区域中相对更高,这与研究区域的地震活动性一致。芦山地震的前4次地震,除叠溪地震外,康定、松潘、汶川等3次地震在芦山地震震中位置产生的同震库仑破裂应力变化大于0,表明这3次地震可能促进了芦山地震的发生,汶川地震的同震库仑破裂应力超过了0.01MPa,同震触发效应十分显著。震间的黏弹性松弛对芦山震源处起加载作用,从1900年以来这种持续的加载作用也超过0.01MPa,因此在模拟应力演化的时候,介质的黏弹性松弛效应不能被忽略。从库仑破裂应力的角度计算龙门山区域断层的应力演化,可以发现龙门山断裂带上汶川地震和芦山地震破裂的空段,在芦山地震之后仍然属于相对应力水平较高的区域。     

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.     

1966年邢台地震引起的华北地区应力场动态演化过程的三维粘弹性模拟

利用三维粘弹性有限元模型，首先研究了1966年3月22日邢台7.2级地震所引起的库仑破裂应力的震时变化，以及百年时间尺度流变效应的动态演化图象及其特征，然后模拟了自该地震开始，经过1976年7月28日唐山7.8级地震，直到1980年的15年间，两次7级以上强地震对华北地区应力场的震时扰动作用及其引起的１年时间尺度的库仑破裂应力的动态变化速率，探讨了一次强地震对潜在的下一次强地震可能的加速触发作用．      

川滇地块东边界中南段构造应力分布特征与历史强震活动关系的数值模拟

本文以构造应力场观测结果、 岩石圈流变特性为约束, 采用摩擦接触单元反映断裂带空间分段特征, 以最接近真实地下环境的非线性黏弹性材料为模型的本构关系, 建立包括安宁河—则木河—小江断裂带的三维有限元模型, 模拟在速度边界条件和重力势能等动力因素共同作用下的断裂带应力分布特性. 研究结果表明, 模拟得到的断裂带现今构造应力场与地震活动有明显的对应关系, 应力比较集中的区域, 如石棉、 西昌、 巧家、 东川附近, 极有可能是未来的地震危险区域.      

Numerical simulation of the crustal stress field by using data of deep geophysical exploration in the northern part of North China

ＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｒｕｓｔａｌｓｔｒｅｓｆｉｅｌｄｂｙｕｓｉｎｇｄａｔａｏｆｄｅｐｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｎｏｒｔｈｅｒｎｐａｒｔｏｆＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＣＨＡＮＧＱＵＡＮＬＩＵ（刘...     

The effect of pore fluid on seismicity: a computer model

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｅｆｅｃｔｏｆｈｉｇｈｐｏｒｅｐｒｅｓｕｒｅｗｉｔｈｉｎａｆａｕｌｔｗａｓｆｉｒｓｔｐｒｏｐｏｓｅｄｂｙｔｈｅＡｍｅｒｉｃａｎｓｃｉｅｎｔｉｓｔｓｗｈｅｎｔｈｅｙｓｔｕｄｉｅｄｏｎｔｈｅｓｔｒｅｓｉ...     

Study on seismic numerical model on the Chinese mainland and its vicinity

IntroductionSeismicprocessisextremelycomplicatedjustashasbeenprovedbytheeallhquakepredictionpractice.Thecomplexityofseismicprocessmainlydisplaystheinhomogeneityofseismicspace-timedistribution.Therearealotoffactorscausingthecomplexity,includingthemediumofseismicsource,themechanicalprocessofseismicsource,mutualeffectofgroupseismicactivity,andsoon.Studyontheseismicactivitylawstillremainsinalowlevel,especiallyintheaspectofseismicoccurrenceprocess.Manyscholarstrytostudytheseismicactivebehavioringr…     

地壳介质非均匀性对华北地区强震活动的影响

华北地区是我国地震灾害最频繁的地区之一,该区域的强震空间分布可能与地壳介质的不均匀性有关.本文建立了华北地区岩石圈三维Maxwell模型,并尝试采用剪切波分裂参数为新的约束条件,对区域地壳运动场和应力应变场进行了模拟,探讨地壳介质不均匀性与区域地震活动的关系.研究结果表明:外部动力源控制了华北地区整体的地壳运动方式,地...     

基坑桩地震冲击下的受力分析模型仿真

当前利用改进动力Winkler模型分析基坑桩地震冲击下的受力情况,不能预防应力波的反射作用,导致其分析结果具有不全面、准确性低的缺点。本论述提出有限元数值模拟的基坑桩地震冲击下的受力分析模型,通过基坑桩小应变模型描述不同应力状态下基坑桩模量的变化,采用有限元数值模拟方法结合基坑桩小应变模型对基坑桩有限元模型进行塑造。在约束基坑桩有限元模型边界条件时,模型选择黏性阻尼器的吸收边界,使模型边界上的应力波不会遭到折射,避免运算结果出现误差。利用Newmark方法对基坑桩有限元模型进行动力时程分析,实现基坑桩在不同应力状态下的受力分析。实验结果证明:所提模型能够有效、准确的对地震冲击下的基坑应力分布、基坑桩身弯曲度、变形位移以及桩体水平位移差值对比等进行全面的分析。     

天山造山带及邻区孕震应力场及断裂带活动性特征的数值实验分析

天山造山带构造环境复杂,活动断裂带和强震分布广泛,且主要分布于阿尔泰山、天山、西昆仑—帕米尔弧形构造带上,尤以天山地区最为集中.迄今为止,天山造山带地区的主要断裂带的活动特征与孕震应力场特征之间的动力学机理尚未有清晰的认识.本文以GPS等实际观测数据为约束,建立有限元数值模型,计算了研究区域地壳形变、应力/应变积累速率、弹性应变能密度以及库仑应力变化率等关键因素.模拟计算结果显示地表速度场与研究区域实际GPS观测值基本一致,且主要断裂带上弹性应变能密度分布与实际地震活动性也基本吻合,验证了数值模型和结果的可靠性.结合最新的观测和数值模拟结果分析发现,研究区的断层和地震活动性主要受控于近南北向的主压应力,与主要观测特征相一致.同时,帕米尔高原北部边界带—塔什库尔干断裂（TKF）、天山造山带南边界的东侧—迈丹断裂（MDF）、兴地断裂（XDF）库仑应力增大明显,在未来强震发生的可能性较高,应予密切关注.     

Implementation of a second‐order paraxial boundary condition for a water‐saturated layered half‐space in plane strain

A half‐space finite element and a transmitting boundary are developed for a water‐saturated layered half‐space using a paraxial boundary condition. The exact dynamic stiffness of a half‐space in plane strain is derived and a second‐order paraxial approximation of the stiffness is obtained. A half‐space finite element and a transmitting boundary are then formulated. The development is verified by comparison of the dynamic stiffness of impermeable and permeable rigid strip foundations with other published results. The advantage of using the paraxial boundary condition in comparison with the rigid boundary condition is examined. It is shown that the paraxial boundary condition offers significant gain and the resulting half‐space finite element and transmitting boundary can represent the effects of a water‐saturated layered half‐space with good accuracy and efficiency. In addition, the numerical method described herein maintains the strengths and advantages of the finite element method and can be easily applied to demanding problems of soil–structure interaction in a water‐saturated layered half‐space. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

Three dimensional tectonic stress field in North China

IntroductionThecrusttectonicstressfieldisoneofthekeyproblemsofgeodynamics,itsmaincontentsareaprobingintospatialdistributionanddynamicevaluationofcrusttectonicstressfield,thentracingtheevolutionprocessofcrusttectonicmovement,learningcontemporarycrusttectoniceventanditsmechanism,thuspredictingthefuturedevelopmentlawoftectonicmovement.Intheendof1970s,aseriesofpaperswerepublishedattheinternationalconferenceonMagnitudeofDeviatoricStressesintheEarth'SCrustandUppermostMantle.Theygavethebriefoutlin…     

徐淮地区煤矿井筒破裂原因初探

本用震源力学理论和方法研究了徐淮地区从１９７０年以来构造应力场的方向和强度的时空变化过程。结果表明：以唐山地震为分界线，本区的应力场Ｐ轴取向由震前平均６１．８°变为震后平均７７．７°。如果将本区以宿北断裂为界分为南区和北区两个部分，则北区的Ｐ轴取向从６８．１°变７１．２°，而南区的Ｐ轴取向由６２．５°变到８３．６°，南区的变化明显于北区。