3-D finite element modeling for evolution of stress field and interaction among strong earthquakes in Sichuan-Yuannan region

Based on the latest achievement about activities of geological structure, a 3-D finite-element model containing four layers of upper crust, lower crust (two layers) and upper mantle is established in the paper. By repeated tests and revisions, the boundary conditions of the model are determined. And then the background stress field, the stress field caused by fault creep and the stress field triggered by strong earthquake in Sichuan-Yunnan region, as well as their dynamic variations are calculated. The results indicate that the latter earthquake often occurs in the area with positive Coulomb rupture stress change associated with the former one, the former earthquake has a triggering effect on the latter one to a certain extent, and strong earthquake often occur in groups under the background of high stress, which is of great significance for distinguishing seismic anomalies, as well as for improving the level of earthquake prediction. Foundation item: State Key Basic Research Project (G1998040702) and Key Project of State Science and Technology during the tenth Five-year Plan (2001BA601B02-01-03).     

川滇地区应力场演化与强震间相互作用的三维有限元模拟

针对川滇地区，在大量搜集、总结前人资料和结果的基础上，建立了包括上地壳、下地壳(两层)、上地幔等4层结构的三维有限元模型. 通过反复调试，确定了其边界条件，并且计算了川滇地区背景应力场、断层蠕动产生的应力场和强震触发的应力场，以及它们的动态变化. 结果表明:后续地震大多发生在前面地震引发的库仑破裂应力正值区，前一地震对后续地震有一定的触发作用，强震是在较高的应力背景下成组发生的. 这对判断、识别地震异常，提高地震预测水平有着很大的意义.      

A new finite element model in studying earthquake triggering and continuous evolution of stress field

In this paper, a new finite element model (FEM) in consideration of regional stress field and an earthquake triggering factor C are proposed for studying earthquake triggering and stress field evolution in an earthquake sequence. The factor C is defined as a ratio between the shear stress and the frictional strength on a slip surface, and it can be used to tell if earthquake is triggered or not. The new FEM and the factor C are used to study the aftershock triggering of the 1976 Tangshan earthquake sequence. The results indicate that the effects of the stress field and the heterogeneity of the Tangshan earthquake fault zone on the aftershock triggering are very important. The aftershocks fallen in the earthquake triggering regions predicted by the new FEM are more than those fallen in the regions of ΔCFS⩾0 predicted by seismic dislocation theory. Supported by National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 40474013 and 40821062)     

应力场演化与强震间相互作用的有限元模拟研究

针对川滇地区,在大量搜集前人资料和结果的基础上,建立了包括上地壳、中地壳、下地壳、上地幔等4层结构的三维有限元模型。通过反复调试,确定了其边界条件。然后计算了川滇地区背景应力场、断层蠕动产生的应力场和强震触发的应力场,以及它们的动态变化。结果表明后续地震大多发生在前面地震引发的库仑破裂应力正值区,前一地震对后续地震有一定的触发作用,强震是在较高的应力背景下成组发生的。这对判断、识别地震异常,提高地震预测水平有着很大的意义。     

中国大陆现代构造应力场与强震活动

依据应力性状和力源特征,中国大陆现代构造应力场可划分为四级应力区.它们分别是2个一级应力区、4个二级应力区、5个三级应力区和26个四级应力区.通过分析中国大陆现代构造应力分区与强震活动之问的关系,初步获得以下结论:①构造应力作用强烈和复杂的地区是强震频发的地区;②应力区边界是强震集中发生的地带;③应力方向、应力结构类型...     

Simulation of near-fault bedrock strong ground-motion field by explicit finite element method

Based on presumed active fault and corresponding model, this paper predicted the near-fault ground motion filed of a scenario earthquake （Mw=6 3/4 ） in an active fault by the explicit finite element method in combination with the source time function with improved transmitting artificial boundary and with high-frequency vibration contained. The results indicate that the improved artificial boundary is stable in numerical computation and the predicted strong ground motion has a consistent characteristic with the observed motion.     

1997年以来巴颜喀拉块体周缘强震之间的黏弹性触发研究

2021年5月22日在青海玛多发生M_W7.4地震,为了探究玛多地震的不同滑动模型对周围地区及断层应力的加卸载作用,本文首先以GNSS数据为约束,结合中国地震局地质研究所公布的玛多地震同震滑动模型（模型A）断层面几何结构反演获得同震滑动模型（模型C）,再分别利用模型A、模型B（USGS）、模型C计算玛多地震对周围地区及断层的应力加卸载作用。结果显示：① 模型C矩震级为M_W7.46,最大滑动量为3.39 m,主体破裂位于0—10 km深度范围,整体破裂东侧大于西侧,滑动分布相对于模型A也更加均匀平滑,反演效果较好;② 不同模型计算的应力分布基本相同,沿破裂段同震库仑应力加载区域面积随着深度的增加而增加,且在发震断裂带西端、东端分别各有两处明显的库仑应力加载区域,在昆仑山口—江错断裂东、西段、甘孜—玉树断裂、东昆仑断裂东段、玛多—甘德断裂、清水河断裂中、西段、达日断裂西段均产生了明显的应力加载,但模型B计算结果有所差异,昆仑山口—江错断裂中段处于应力卸载状态,震后10年断层应力状态变化不大,但清水河断裂东段在震后应力调整中卸载作用较为明显,地震危险性降低;③ 为了探究强震对玛多地震的影响,本文分别计算了2008年汶川地震以后巴颜喀拉地块M≥7.0强震同震及震后效应对玛多地震的应力加卸载,结果表明所有强震均对玛多地震有应力加载作用,但累积库仑应力并未超过触发阈值。

     

华北地区库仑应力演化与强震活动关系

采用更加符合长期变形和震后短期变形的Burgers流变模型,模拟了华北地区1303年以来6.5级以上地震引起的同震和震后库仑应力演化.结合华北地区历史地震期幕活动特征,分析了不同活跃期之间、同一活跃期内不同地震之间的库仑应力加卸载效应.结果表明：华北地区不同活跃期的强震主体活动区受控于历史强震的库仑应力加载作用;每个活跃期内强震活动主体区在空间上的迁移与该活跃期内首个7.5级以上地震的触发作用有关;华北地区每个活跃期内强震活动在时间上表现出的"平静期—活跃警告期—高潮期—剩余释放期"应该是区域动力加载过程的一种表现.岩石圈流变松弛效应引起的库仑应力变化对华北地区强震活动时空演化有显著的促进作用.本研究讨论了库仑应力变化在华北地区历史地震活动时空演化过程中可能扮演的角色,为探索华北地区强震活动空间迁移和韵律特征蕴含的构造动力学过程,以及与之相关的地震危险性判定提供参考依据.     

华北地区库仑应力演化与强震活动关系

采用更加符合长期变形和震后短期变形的Burgers流变模型,模拟了华北地区1303年以来6.5级以上地震引起的同震和震后库仑应力演化.结合华北地区历史地震期幕活动特征,分析了不同活跃期之间、同一活跃期内不同地震之间的库仑应力加卸载效应.结果表明：华北地区不同活跃期的强震主体活动区受控于历史强震的库仑应力加载作用;每个活跃期内强震活动主体区在空间上的迁移与该活跃期内首个7.5级以上地震的触发作用有关;华北地区每个活跃期内强震活动在时间上表现出的"平静期—活跃警告期—高潮期—剩余释放期"应该是区域动力加载过程的一种表现.岩石圈流变松弛效应引起的库仑应力变化对华北地区强震活动时空演化有显著的促进作用.本研究讨论了库仑应力变化在华北地区历史地震活动时空演化过程中可能扮演的角色,为探索华北地区强震活动空间迁移和韵律特征蕴含的构造动力学过程,以及与之相关的地震危险性判定提供参考依据.     

川滇地区强震序列库仑破裂应力加卸载效应的数值模拟

通过建立较精细的川滇地区三维有限元模型,数值模拟了川滇地区主要活动断裂的强震活动对于其他活动断裂潜在强震孕育进程的库仑破裂应力加卸载效应.模拟结果显示在川滇地区主要活动断裂带的几何学展布形态和运动学性质的构造背景之上,川滇地区强震活动相互影响的主要特征是活动断裂面库仑破裂应力变化大多处于增大状态.其中,金沙江断裂带、小江断裂带、楚雄—建水断裂带、鲜水河断裂带和安宁河断裂带上的强震所产生的加载作用比较强,而丽江—小金河断裂带和腾冲—澜沧断裂带则较弱.1981~2000年川滇地区M≥6.5地震序列的模拟结果显示,后续地震全部位于已发生地震所引起的库仑破裂应力增大区之内.数值模拟结果显示,在川滇地区,一个强震发生之后,发震断层本身强烈卸载的同时,库仑破裂应力的加载效应在其他主要活动断裂带潜在强震孕育进程中占据了主导地位,强震活动之间相互作用的主要效应是应力加载,已发生的强震加速了下一个强震的孕育进程,进而导致一系列地震的发生,直至整个区域所积累的应变能处于较低水平之后,区域地震活动进入一个新的平静期.     

川滇地区强震序列库仑破裂应力加卸载效应的数值模似

通过建立较精细的川滇地区三维有限元模型,数值模拟了川滇地区主要活动断裂的强震活动对于其他活动断裂潜在强震孕育进程的库仑破裂应力加卸载效应.模拟结果显示在川滇地区主要活动断裂带的几何学展布形态和运动学性质的构造背景之上,川滇地区强震活动相互影响的主要特征是活动断裂面库仑破裂应力变化大多处于增大状态.其中,金沙江断裂带、小江断裂带、楚雄—建水断裂带、鲜水河断裂带和安宁河断裂带上的强震所产生的加载作用比较强,而丽江—小金河断裂带和腾冲—澜沧断裂带则较弱.1981～2000年川滇地区M≥6.5地震序列的模拟结果显示,后续地震全部位于已发生地震所引起的库仑破裂应力增大区之内.数值模拟结果显示,在川滇地区,一个强震发生之后,发震断层本身强烈卸载的同时,库仑破裂应力的加载效应在其他主要活动断裂带潜在强震孕育进程中占据了主导地位,强震活动之间相互作用的主要效应是应力加载,已发生的强震加速了下一个强震的孕育进程,进而导致一系列地震的发生,直至整个区域所积累的应变能处于较低水平之后,区域地震活动进入一个新的平静期.     

Evolution of 3D tectonic stress field and fault movement in North China

IntroductionThe research on stress field interior the Earth is an either relative old or young branch of geoscience. Early in the 20th century, in order to learn the state of inner stress field, a few scholars had used simple ideal model to analyze big scale tectonic conformations and activities according to tide, gravity, rotation and inner thermal materials. So far, lots of problems on the state of the Earth stress field have not been solved completely yet. The origin of stress field, the d…     

A 3D finite element modeling on the relationship between crustal stress and earthquake activity in Liaoning and its vicinity

IntroductionTectonic earthquakes are the consequence of localized stress concentration. A basic way of learning the process of earthquake preparation and occurrence is to study the distribution and evolution of the tectonic stress.Since the 1980s a series of achievements in Earth stress research have been announced in the world (e.g., Zoback, 1992). In last two decades many researches on crustal tectonic stress have been carried on in China, including earthquake focal mechanism analyses, in-…     

中、强震前应力场动态演变特征综合分析

使用由地震记录 P波初至波符号求取的小震综合机制解资料 ,分析研究了华北地区 4次中强地震前震源区及其附近小震应力场的动态变化。结合前人的有关研究成果 ,综合归纳了中、强地震前震源区及附近应力场的动态演变特征 ,并尝试给出了小震综合机制解参数预报地震的判据指标。     

某正倾滑断层引起的近断层强地面运动的有限元数值模拟

本文使用与文献[1]相同的数值模拟方法,预测了某城市设定矩震级为MW=6.75的活断层产生的近断层强地面运动。主要定性计算结果是:正倾滑断层(倾角δ=75°)产生的近断层强地面运动也不同程度地存在上盘效应、F ling Step效应、速度大脉冲效应和竖向效应。表明本文采用的震源模型和计算方法可以实际应用于预测城市近断层强地面运动影响场。     

Dynamic variation of ambient shear stress field before and after three strong earthquakes in Yunnan

IntroductionThecrustaltectonicmovementisacomplicatedevolutionprocesswithtimeandspace.Spatially,themovementofcrustaltectoniciscloselyrelatedtotheinter-movementandinteractionofmulti-leveledcrustalblocksinacertainregionandtheirborderfaults.Temporally,themovementiscloselyrelatedtothatofmulti-leveledcrustalblocksandtimesequencedevelopmentofinteraction.Anearthquakeoccurrenceistheresultofsuddenruptureofcrustmediaundertheactionoftectonicstressfield,isalsoacomplicatedprocessinnercrust.Duetotheobviousi…     

Kinematic source model for simulation of near-fault ground motion field using explicit finite element method

1 Introduction The prediction of broadband near-fault ground motion is an important aspect of seismic risk analysis, and is essential for the evaluation of urban seismic safety. Many methodologies are used to model the near-fault ground motions, such as the Green function method, ?nite element (FE) / ?nite difference (FD) method and a hybrid method (Aagaard, 1999; Oprsal and Zahradnik, 2002; Oprsal et al., 2003 a and b). In the hybrid method, the FE / FD method is used to model the low fr…     

鲜水河断裂带库仑应力演化与强震间关系

以鲜水河断裂带为研究区,首先验证了该断裂带上1893年以来M6.7以上地震的相互触发作用,然后采用更符合实际的分层黏弹介质模型研究强震震后黏滞松弛引起的库仑应力变化对后续地震的影响,并基于负位错理论计算鲜水河断裂带10个断层段的震间长期构造加载作用引起的断层上的应力积累.在此基础上,讨论同震、震后、震间效应引起的累积库仑应力变化与区域强震活动的关系,给出断层上库仑应力随时间的演化.结果表明,鲜水河断裂带上1893年以来发生的7次强震均在其前面一系列强震及构造应力加载的驱使下发生,同震、震后、震间三方面效应均引起了鲜水河断裂带不可忽略的库仑应力变化.对断层上的库仑应力状态的研究,可进一步为揭示地震的发生规律、找寻危险断层段提供线索.     

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.     

可控源电磁场三维自适应矢量有限元正演模拟

本文实现了可控源电磁（CSEM）场三维自适应矢量有限元正演算法,该算法采用非结构四面体单元进行三维网格剖分,能够真实模拟地形起伏和复杂电性异常体.采用一次场和二次场分离的方式计算电磁场响应,能够有效解决有限元模拟中的源点奇异性,提高场源附近电磁场数值精度,其中一次场利用CSEM一维正演算法解析求得,二次场采用矢量有限元方法求得.并利用基于后验误差估计的自适应网格细化算法指导网格细化,以减少人为设计网格导致的误差.通过一维和三维模型的数值模拟,验证了本文算法的有效性：一维模型有限元解与解析解吻合得很好,电磁场振幅相对误差在1%左右,相位差整体小于1°;三维模型有限元解与有限体积解吻合得也很好.模拟了一个含三维倾斜板状异常体的可控源电磁响应,表明了本文算法模拟复杂地电结构电磁场的能力和有效性.