考虑地形起伏和障碍体破裂的汶川地震强地面运动数值模拟

2008年5月12日四川汶川地区发生M_W7.9地震,震中位置103.4°E,31.06°N.这次地震造成了以汶川、映秀为中心及其周边地域建筑物的严重破坏和人员的重大伤亡,且因为高山等地形复杂区域抢险救灾的艰巨性,为及时救援造成很大干扰.为更好理解地形因素对于强地面数值模拟结果的影响,建立了包含地形起伏影响及去除地形影响的两类模型.同时,依据震源破裂过程运动学反演结果,建立了包含障碍体破裂过程的震源滑动模型,实现断层分段、空间倾角以及滑移角的动态设定.基于动力学的地震动模拟方法,通过对地震波传播过程的数值计算和后处理分析,模拟由地震激发的区域强地面运动过程.结果显示：（1）强震动台站的断层距对地形效应具有放大或抑制作用,距离断层破裂带越近,地形效应越明显,反之,距离越远,则地形效应越微弱;（2）因为地形高差与障碍体的影响,地震造成的峰值可能出现在震中区域之外;（3）考虑地形影响模型的地表峰值速度（PGV）区域位于汶川与北川附近;而未考虑地形影响模型的PGV区域位于灌县—江油断层的后半段,处清平、安县附近;对汶川地震近实时强地面运动波场的模拟、峰值图谱的圈定及未来大地震强地面运动特征的预测都有重要指示意义.     

基于伪谱和有限差分混合方法的兰州盆地强地面运动二维数值模拟

利用伪谱和有限差分混合方法对兰州盆地进行二维强地面运动模拟.假设3个不同的震源深度5、10、20 km的同一地震下,以一个5层的二维剖面作为模型,以此来研究地震波传播过程并分析复杂的二维非均质路径效应,以及局部地下速度构造对强地面运动振幅加乘的影响,从而了解路径效应对强地面运动最大峰值位移的影响程度.研究结果显示:伪谱和有限差分混合方法模拟地震波场结合了有限差分法和伪谱法的优点,弥补了二者的不足,能较好地处理介质不连续面的计算,同时保证了和伪谱法相当的计算精度.通过地震波场模拟可知沉积盆地的强地面运动较基岩相比具有放大效应,震源深度的不同对兰州盆地垂直分量地面最大峰值位移影响较大,在震源深度为5 km时最小,为0.06 cm;震源深度10 km时在水平剖面30～55 km范围内峰值位移最大,达到0.14 cm;但对水平分量的峰值位移影响较小.     

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.     

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.     

1975年海城MS7.3地震强地面运动模拟

地震强地面运动预测对工程的抗震设计,地震危害性分析以及减轻特定地区可能发生的大地震所造成的灾害具有重要的作用.本文根据辽宁省海城地区的地质资料和发生于1975年2月4日辽宁省海城市的M_S7.3地震资料,分别构造了海城地区的地下速度结构和海城地震的震源模型,并且使用可以准确描述地形起伏的曲线网格有限差分方法计算了海城地震的波场传播过程.通过对计算得到的波场快照、合成理论地震图以及地震烈度的分析表明：（1）震源模型、地下的速度结构和地形起伏对海城地震的波场传播模拟具有重要的影响,它们所产生的近断层效应、方向性效应和盆地效应明显;（2）通过计算得到的海城地震的理论烈度分布与通过震后调查得到的烈度分布大体符合,验证了本文所构造的震源模型和速度结构的合理性.     

基于动摩擦应力下调滑移弱化机制，利用地表破裂同震位移约束2001年昆仑山口西MS8.1地震破裂传播速度

利用2001年昆仑山口西MS8.1地震现场观测所提供的地表破裂同震位移数据,使用简单滑移弱化破裂模型,估算了发震主断层上的破裂传播速度. 该模型中考虑了断层破裂时动摩擦过程中应力上调和下调机制对地震波辐射能量分配的影响. 对比Bouchon和Valleacute;e有关昆仑山口西地震主断层破裂传播速度超过剪切波速度,甚至达到P波速度的结果, 采用动摩擦应力下调时的滑移弱化模型 (分数应力降模型),结果表明,伴随较高的地震波辐射效率,主断层的平均破裂传播速度等于或小于瑞利波速度,这与许力生和陈运泰的体波反演结果,以及陈学忠震源应力场估算的结果是一致的. 最后,联系到由地表破裂现象所反映出的断层力学特征,如与视应力相关的分数应力降 (动摩擦应力下调), 基于滑移弱化模型, 讨论了可能的震源破裂机制.      

2022年1月8日青海门源MS6.9地震强地面运动模拟及烈度分布估计

2022年1月8日青海省海北藏族自治州门源回族自治县发生M_S6.9地震。门源地震序列的重定位结果认为门源地区还存在一定的应力积累,未来该地区具有发生强震的可能。本文结合震源区地形数据、三维速度结构,根据门源地震震源破裂过程的初步结果,采用曲线网格有限差分方法模拟了门源地震的波场传播过程,得到烈度分布。结果表明:沿平行断层走向方向的地震动衰减明显小于垂直断层走向方向;门源地震的最大烈度为Ⅷ度,位于震源破裂起始点附近区域,理论烈度与野外调查的地震烈度分布基本一致;受强地面运动方向性效应和起伏地表的影响,地震灾害主要沿发震断层的WNW方向和ESE方向集中分布。      

2017年米林6.9级地震震源区速度结构与余震重定位

利用西藏自治区林芝地区的固定地震台站与南迦巴瓦流动测震台站在2017年11月18日至2017年11月24日记录到的430个余震的直达波走时数据反演得到了震源区的三维P波速度、S波速度结构,并利用三维速度结构对余震进行了重定位.成像结果显示,米林地震震源区在0~5km深度内存在低地震波速度异常;在5~15km深度内,存在高地震波速度异常,该高速异常致使震源区西南侧的地震波速度高于东北侧.重定位结果中,余震呈条带状以NW-SE走向展布,震源深度具有西南方向深、东北方向浅的特征.主震位于11km深度处、高地震波速异常体顶部,余震主要分布在高地震波速度与低地震波速度过渡的区域.对成像结果的分析表明,震源区浅部的低速异常具有低泊松比的特性,与富石英的沉积变质杂岩体-东久杂岩单元的岩性特征有关;深部的速度结构特征则可能反映了发震断层上盘地震波速度高,下盘地震波速度低的介质特性.余震重定位结果与成像结果联合表明:此次地震发震断层从11km深度处,东久杂岩体下方的高地震波速度异常顶部开始破裂,继而在5~15km深度内发生后续破裂,后续破裂的发生区域正处于喜马拉雅构造单元与冈底斯构造单元接触的形变区内.此外,根据地震波速度计算的泊松比反映了震源区持续的低泊松比特征,暗示此次地震与流体活动并无直接关系.     

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4...     

断层滑动速度的研究

以往得到的断层滑动速度函数要么是通过理论研究获得的,要么是计算的结果与地壳介质等因素有关.由于目前人们对地壳介质和震源机制研究的局限性,使得计算结果的准确性不高.在系统提出用多普勒效应计算断层滑动速度函数的基础上,以汶川地震余震为例计算了地震断层的滑动速度函数.结果表明,滑动速度函数具有迅速上升,相对缓慢下降的特点,与Hisada的研究结果一致,也与岩石破裂实验结果一致.用多普勒效应计算断层断层滑动速度函数的结果与地壳介质和震源机制无关,应该是一种有前途的计算地震断层滑动速度的方法.     

Fast inversion of rupture process of the 14 April 2010 Yushu,Qinghai, earthquake

Four results of the rupture process of 14 April 2010 Yushu, Qinghai, earthquake, obtained by inverting the broadband seismic data of Global Seismographic Network (GSN) based on the inversion method of earthquake rupture process, were compared and discussed. It is found that the Yushu earthquake has several basic characteristics as follows: ① There exist two principal sub-events which correspond to two slip-concentrated patches being located near the hypocenter and to the southeast of the epicenter. The rupture of the slip-concentrated patch to the southeast of the epicenter broke though the ground surface; ② The peak slip and peak slip-rate are about 2.1 m and 1.1 m/s, respectively, indicating that the Yushu earthquake is an event with large slip-rate on the fault plane; ③ Overall the Yushu earthquake is a unilateral rupture event with the rupture mainly propagating southeastward. The strong focusing of the seismic energy in the southeast of the epicenter due to the "seismic Doppler effect" reasonably accounts for the tremendous damage in the Yushu city.     

2013年四川芦山MS7.0地震近断层强地面运动模拟及烈度分布估计

2013年4月20日在我国四川省发生了芦山M_S7.0地震,地震给当地群众的生命财产安全带来了巨大的损失,其中最严重的破坏发生在震中附近的芦山、宝兴等地区.根据地震发生的快速反演结果,及发震断层面上滑动位移的分布情况,构建有限断层模型,对近断层区域的强地面运动进行初步计算,并基于强地面运动的模拟结果给出震区烈度分布的初步估计.模拟结果显示：模拟烈度图显示极震区的烈度在IX级左右,VI级烈度影响范围大致为16000 km²,该结果与中国地震局于4月27日给出的震区实测烈度图一致程度较高.强烈地震发生后,基于近断层强地面运动模拟计算的结果,可以给出相对合理的地震烈度分布情况估计,对震区震情判定及救灾工作具备较高的现实意义.     

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...     

2008年汶川大地震中北川地区极重震害的物理机制研究

2008年汶川特大地震中北川地区受灾特别严重,而该地区远离汶川主震震中超过100多千米.尽管汶川地震发生已近10年,但这种不正常现象一直困扰着地学工作者,至今没有给出合理的解答.为此,本文利用有限单元方法模拟汶川地震的主要发震断裂带（即：映秀—北川断层）的自发破裂动力学过程.模型中,几乎平直的映秀—北川断裂带在高川地区发生拐折,形成高川右弯.模拟结果显示,破裂沿着映秀—北川断裂带向东北方向前行,当破裂前端到达高川右弯时,破裂形态发生剧烈变化,破裂传播速度由亚剪切破裂突然转化为超剪切破裂.与断层阶区促进超剪切破裂明显不同的是,这种超剪切破裂形态的转化不需要时间停顿.由于超剪切地震破裂的产生,破裂辐射的地震波发生相长干涉,形成马赫波,地震动被大大放大.计算给出的强地面运动峰值加速度在北川地区不仅数值高,而且高值区分布范围广,造成了北川地区的震害特别严重.模拟结果还表明,若高川右弯不存在（即映秀—北川断层面为平直）,则北川地区的断层不会形成超剪切破裂;如果高川右弯附近断层的不连续程度较大,则破裂会被终止;这些情况下,北川地区的震害都没有那么严重.所以,高川右弯的几何形状对于超剪切破裂的形成起着决定性作用,也是造成远离震中的北川地区震害特别严重的主要原因.因此,分析发震断层几何对于研究震源动力学过程及震害评估等有着非常重要的科学意义和实际应用价值.     

2010年4月14日青海玉树地震震动图

在2010年4月14日07时49分(北京时间)青海省玉树藏族自治州玉树县(33.2°N,96.6°E)7.1级地震发生后,综合考虑震中地区的地质构造背景、活动断裂分布、震源机制结果、震源破裂过程、我国西部的地震动参数经验衰减关系及局部场地效应的影响,用考虑场地效应的震动图快速生成方法,在震后约2小时后得到玉树地震震中地区的震动图,并提供给相关部门使用.结果表明,此次地震的地震烈度特征预测如下:①烈度的展布方向NW-SE向,与玉树断裂的走向一致;②极震区的烈度为Ⅸ度,面积约为300km2;③烈度Ⅸ度区主要位于震中东南方向沿断裂走向近40km和西北方向沿断裂走向15km之间的区域;④Ⅸ度区的西北端由于局部场地条件的影响,其烈度由基岩参考面的Ⅸ度区降为土层上的Ⅷ度区;⑤Ⅷ度区面积约为3000km2;⑥Ⅶ度区的面积约为8000km2;⑦Ⅵ度区面积约为24000km2.     

A Rupture Model for the 1999 Chi-Chi Earthquake from Inversion of Teleseismic Data Using the Hybrid Homomorphic Deconvolution Method

This study investigates the kinematics of the rupture process of the M _L 7.3 Chi–Chi, Taiwan, earthquake on September 21, 1999. By applying the proposed hybrid homomorphic deconvolution method to deconvolve teleseismic broadband P-wave displacement recordings of the earthquake, this study derives the apparent source time functions (ASTFs) at ten stations located around the epicenter. To further characterize the fault, the kinematic history of the rupture was inverted from ASTFs using a genetic algorithm, coupled with nonlinear iterative technique. The calculated ASFTs reveal that the total rupture event lasted for approximately 27 s. Static slip distribution images indicate that most slip occurred at shallower portions of the fault plane, especially 20–55 km north of the epicenter. The maximum slip reached 20 m at 45 km north of the epicenter, and the average slip throughout the observed rupture area was approximately 2 m. Large asperities on the fault appeared at 25–35 km and 40–50 km north of the hypocenter, and coincided with relatively high rupture velocity. This suggests that the earthquake’s energy may have been released quickly. The rupture velocity decreased upon encountering an asperity, and increased again after passing the asperity. This implies that the rupture required more time to overcome the resistances of the asperities. The maximum rupture velocity was 3.8 km/s, while the average rupture velocity was approximately 2.2 km/s. The rise time distribution suggests that larger slip amplitudes generally correspond to shorter rise times on the subfaults.     

2018年印尼帕卢MW7.5地震——一次超剪切破裂事件

利用反投影方法,使用日本密集台网Hi-net远场垂直分量568条P波资料对2018年9月28日印尼帕卢M_W7.5地震震源破裂过程进行成像,结果显示此次地震的能量释放比较集中,主要集中在10~20 s之间.破裂有两个集中区,破裂峰值分别位于12 s和19 s,最大能量释放区域位于震中南侧约0~50 km内,另一破裂集中区覆盖了帕卢市及周边区域.破裂主要向南侧延展,破裂总长度至少100 km,平均破裂速度约4.1 km·s^-1,属于一次超剪切破裂事件.     

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2220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...     

反投影全球子台网P波记录研究2010年4月14日玉树地震破裂过程

我们运用反投影远震P波研究了2010年4月14日玉树地震的破裂过程.通过台站响应函数对从IRIS下载的经过波形筛选的206个震中距在30°～95°间的台站进行选取.29个能够得到最好台站响应函数且波形相似度高的台站的记录被用于最终的反投影研究.在研究中我们运用4阶方根叠加法和2 s窗长、1 s滑动的滑动窗对总时长为10...     

2011年新西兰Mw6.1地震震源过程及强地面运动特征初步分析

2011年2月21日新西兰南岛发生M_w6.1地震,震中位置43.58°S,172.70°E,震源深度约5.0 km,发震断层为新西兰第三大城市克赖斯特彻奇(Christchurch)南约9 km一条近东西走向的未知隐伏断层,为逆冲断层机制.地震已经造成163人遇难,Christchurch城内多处建筑物严重损毁,距震中约1 km的Heathcote Valley Primary School (HVSC)台站强地面运动峰值加速度(PGA)高达2.0g.针对新西兰M_w6.1地震近场强地面运动偏高这一现象,利用HVSC台站的强震观测记录,计算地震震源谱参数,应用Brune圆盘模型估算其近场强地面运动的理论值,并建立动态复合震源模型进行模拟计算.研究结果表明,新西兰M_w6.1地震近断层强地面运动偏高的主要原因为复杂震源破裂过程中有效应力降(动态应力降,Δσ_d)过高造成的.未来工作中,需要加强对可能发生的、距离城市较近的中小型地震的重视,防止地震对城市的加强型破坏.