非均匀走滑断层滑动弱化不稳定性的有限元分析(英文)

本文研究了有限长度的垂直走滑断层的滑动弱化不稳定性。我们假定断层强度在其深度方向是均匀的,但在走滑方向是不均匀的,即存在一个低强度段。使用有限元素法研究了理论位移场、应力场和应变场随远场位移的演变情况。此时,断层位移和磨擦应力并不是预先给定而是在求解过程中同时确定的。通过计算结果的分析,我们比较了理论位移场、应变场以及断层上的磨擦应力分布在稳定和不稳定滑动情况的差别,并且研究了峰值应力非均匀空间分布的影响。     

含有单-粗糙面的走滑断层的滑动弱化不稳定性h

本文研究了有限长度含有单一粗糙面的垂直走滑断层的滑动弱化不稳定性.我们假定断层强度在其深度方向是均匀的,而在走滑方向是不均匀的,即存在一个高强度段.并假定断层上的粗糙段及断层上的其它部分具有相同类型的本构律,只是峰值应力不同.断层周围的地壳材料用上、下表面应力自由的弹性平板来模拟.我们用有限元方法研究了理论位移场、应力场和应变场随远场位移的演变情况.此时,断层位移和摩擦应力并不是预先给定的,而是在求解过程中同时确定的.根据计算结果,我们比较了理论位移场及断层上摩擦应力分布在稳定和不稳定滑动情况时的差别.并与内部含有低强度段的走滑断层的场合做了比较.      

2013年MS7.0芦山地震的动力学破裂过程及其影响因素

2013年4月20日在四川芦山发生了M S7.0地震,震源运动学反演结果给出了此次地震的破裂过程和同震滑动分布.为了更好地理解造成芦山地震破裂过程的力学原因,本文综合野外地质调查、余震定位、深地震反射剖面等结果,构建芦山地震铲型断层模型,以震源运动学反演结果为约束,将震源参数与震源附近的构造应力场结合,建立断层面上滑动量和牵引力的时空分布关系,通过试错法给定震源动力学计算参数模拟芦山地震破裂传播的可能情况,进而分析讨论不同动力学计算参数对芦山地震破裂过程和同震滑动分布的影响.结果显示,初始应力是决定断层是否发生错动的关键;临界滑动弱化位移D c对破裂滑动速率有着很大的影响;成核区半径和初始应力主要影响破裂成核的快慢;局部不均匀破裂强度主要影响破裂行为和断层最终滑动量分布.利用边界积分方程法可以有效计算芦山地震铲型断层模型的动力学破裂过程,再现此次地震的主要特征.通过探究动力学参数对破裂过程影响,可解释运动学反演结果所揭示的破裂特征的力学原因,对于深入了解地震震源过程的物理本质和预测未来可能发生的地震的主要特征有着重要的参考意义.     

断层地震孕育和发生的不稳定性模型

在以前的工作中,考虑直立走滑型断层地震,假设断层面微元破裂强度遵循Weibull概率分布,由细观力学方法推导出断层面的宏观本构关系是一个非线性函数,表现为弹性-软化塑性特征,在此基础上用稳定性理论研究了地震稳定性问题.而实际断层大多是倾斜的,为此,本文首先建立了由围岩和倾斜断层构成的平面地震力学模型,采用宏观的断层载荷-变形的全过程曲线,详细讨论了倾斜断层地震的不稳定性问题.结果表明,远场一旦施加位移,断层也同时错动,这可能与实际情况不符合.为了更好的模拟断层的初始能量累计过程,进一步对断层本构模型进行改进.考虑断层面破裂强度,采用Coulomb破裂准则,则断层表现为刚塑性本构关系,只有当断层面剪应力达到一个临界值时,断层才开始错动.研究表明,对于倾斜断层地震,与直立走滑型断层地震一样,系统刚度比β(围岩切线刚度与断层刚度最大值之比)是决定地震失稳的重要参数,只有当β1时才会出现地震失稳,且伴随应力突跳和围岩应变能释放.当β≥1时,仅仅是断层无震滑动,不会发生地震.在远场应施以位移形式边界条件,以致地震失稳发生在平衡路径的位移转向点并伴有应力突跳.     

论非均匀断层滑动弱化速率的标定

尝试用二维断层模型来描述断层在不稳定开始时滑动弱化速率的定标律。断层由一系列受滑动摩擦力作用变弱的片区组成，这些片区被牢固的障碍体所分隔。第一组断层包含不同尺度总滑动长度相同的片区的平均分布，而第二组断层由各种分形康托尔集合组成。破裂的整体活动性质由指数增长率λ来描述。对无限均匀的断层，系数λ由摩擦定律的弱化速率控制。在非均匀断层系中我们估算每一个断层的弱化速率，因为一个断层系的指数增长率λ与均匀断层是一致的。利用这种均匀断层的破裂过程，我们根据不同尺度均匀性断层和给定的系数λ来计算弱片区上的弱化速率。对于大尺度的破裂，弱化速率与尺度无关，长片区的开始过程类似于无限断层的破裂情况。本文考虑的是小尺度和所有不同几何形状的破裂，弱化速率记为α=β0^*／a，其中a为破裂尺度或者单个断层长度的一半，β0^*≈1．158。本文计算了滑动弱化距离Dc的值，在此基础上讨论了计算结果的物理含义，并给出了这个参数与尺度相关的可能解释。     

断层地震孕育和发生的不稳定性模型

在以前的工作中,考虑直立走滑型断层地震,假设断层面微元破裂强度遵循Weibull概率分布,由细观力学方法推导出断层面的宏观本构关系是一个非线性函数,表现为弹性-软化塑性特征,在此基础上用稳定性理论研究了地震稳定性问题.而实际断层大多是倾斜的,为此,本文首先建立了由围岩和倾斜断层构成的平面地震力学模型,采用宏观的断层载荷-变形的全过程曲线,详细讨论了倾斜断层地震的不稳定性问题.结果表明,远场一旦施加位移,断层也同时错动,这可能与实际情况不符合.为了更好的模拟断层的初始能量累计过程,进一步对断层本构模型进行改进.考虑断层面破裂强度,采用Coulomb破裂准则,则断层表现为刚塑性本构关系,只有当断层面剪应力达到一个临界值时,断层才开始错动.研究表明,对于倾斜断层地震,与直立走滑型断层地震一样,系统刚度比β（围岩切线刚度与断层刚度最大值之比）是决定地震失稳的重要参数,只有当β<1时才会出现地震失稳,且伴随应力突跳和围岩应变能释放.当β≥1时,仅仅是断层无震滑动,不会发生地震.在远场应施以位移形式边界条件,以致地震失稳发生在平衡路径的位移转向点并伴有应力突跳.     

汶川地震失稳机制的数值模拟研究

考虑断层的软化特性,建立垂直于龙门山断裂带并包含四川盆地和川西高原在内的汶川地震不稳定性地震力学模型.采用有限元方法计算得到了描述整个岩石力学系统稳定性状态和过程的平衡路径曲线.在此基础上,采用稳定性理论研究了汶川地震从孕育到发生的过程,讨论了断层倾角和断层材料参数对地震失稳的影响.数值模拟结果显示,系统只存在稳定的断层无震滑动和不稳定的地震失稳2种状态.断层倾角、初始内摩擦系数、初始黏聚力和强度曲线形状参数的增加会导致系统趋向不稳定的地震失稳状态.而强度曲线胖度参数的增加有助于系统进入稳定的断层缓慢无震滑动状态.地震失稳前,在平衡路径曲线的应力峰值点和失稳点之间,断层错动加速,应变能开始释放并且应力开始减小,是失稳的前兆.最后在失稳点发生应力突跳,地震发生,其间伴随应变能的急剧释放、应力降和断层突然错动.无论是稳定的断层无震滑动还是不稳定的地震失稳,系统重新进入应力和应变能增加状态后应力和应变能的增速由远场加载速度、岩石力学系统的结构和围岩材料属性决定,与断层软化特性参数无关.     

均匀和非均匀断层滑动失稳成核过程的实验研究

基于均匀和非均匀断层摩擦滑动中应变、断层位移的实验测量结果,分析了粘滑失稳的成核过程。研究表明,在加载点速度恒定的条件下,均匀断层上粘滑的成核过程具有微弱的滑动弱化特征,断层上较小尺度“弱段”的存在使得粘滑成核过程中滑动弱化现象更明显,而较大尺度“弱段”的存在则改变了粘滑的成核过程,表现出局部加速滑动——断层带上剪应力快速增加的特征,更符合速率-状态摩擦定律。断层闭锁期间,剪应力的增加引起断层附近的横向弹性膨胀,这种弹性膨胀在失稳时的回跳引起断层面上正应力的瞬时增加,从而成为使断层迅速闭锁、强度恢复的重要因素。     

断层走滑不均匀性对地面变形的影响

根据塞积群理论导出了走滑断层两端点固定时位移场随位置的不均匀分布解析表示关系,分析和讨论了断层上不同位置的位移场分布特征, 采用新导出的断层滑动不均匀分布公式对地面的水平位移场和垂直位移场进行了数值模拟计算,并与传统的Okada 位错模型在理论和计算结果上进行了对比分析.理论和计算结果分析表明：断层滑动不均匀分布公式是Okada位错模型在一定条件下理论上的扩展,而Okada位错模型是走滑不均匀公式的零阶近似;断层滑动不均匀分布公式与Okada 位错模型计算的地面位移场在走滑方向、垂直于断层走向和垂直于地面方向的近场变形差异最大在50%至65%之间,而最小差异在1%以内.     

地震不稳定性的一个简单模型

基于断层面强度的非均匀性,将断层面的宏观破裂过程看作是断面局部微元的破裂累积过程,假设断层局部微元强度遵循Weibull概率分布,从统计力学角度推导出了宏观的断层载荷.变形的全过程本构关系.采用一维地震力学模型,以远场位移a为控制变量,用稳定性理论研究了地震不稳定性问题.研究表明,系统刚度比(围岩刚度与断层刚度之比)β是影响地震发生的重要参数,只有当β<1时才会出现地震失稳,且应力突跳发生在平衡路径曲线的位移转向点,并给出了地震过程的3个重要参数(地震后断层半错距、地震应力降和释放的弹性能)的表达式.当β≥1时,不会发生地震,仅是缓慢的断层滑动,属于无震滑动.     

地球扁率在地质历史上的变化下限

为研究地球形状的长期变化,将地球假设为弹性椭球体,根据弹性动力学理论导出地球的扁率下限公式,扁率与地球的平均密度ρ、引力加速度g、自转角速度ω、平均半径R、弹性模量E、泊松比v相关.将新星云假说下地质历史时期半径、质量和角速度变化值代入公式计算出各地质历史时期地球扁率值,作为地球扁率变化值的下限值.地球的扁率自地球形成以来总体变化趋势是在减小.     

A 27‐point scheme for a 3D frequency‐domain scalar wave equation based on an average‐derivative method

Based on an average‐derivative method and optimization techniques, a 27‐point scheme for a 3D frequency‐domain scalar wave equation is developed. Compared to the rotated‐coordinate approach, the average‐derivative optimal method is not only concise but also applies to equal and unequal directional sampling intervals. The resulting 27‐point scheme uses a 27‐point operator to approximate spatial derivatives and the mass acceleration term. The coefficients are determined by minimizing phase velocity dispersion errors and the resultant optimal coefficients depend on ratios of directional sampling intervals. Compared to the classical 7‐point scheme, the number of grid points per shortest wavelength is reduced from approximately 13 to approximately 4 by this 27‐point optimal scheme for equal directional sampling intervals and unequal directional sampling intervals as well. Two numerical examples are presented to demonstrate the theoretical analysis. The average‐derivative algorithm is also extended to a 3D frequency‐domain viscous scalar wave equation.     

地震序列的特征震级研究

在研究各类地震序列震级一频度客观分布的基础上,我们对45个地震序列的特征震级M0的普遍特征及差别作了进一步研究。结果,为地震预报探讨了一种可能的方法一用特怔震级M0≥2．0（或平均震级M≥2．1）作为地震预报的一个前兆性指标。同时还发现,当序列中主要事件超过7级以后,M0和M均限定在很小的震级域内变化。     

四川活断层分段与强震危险性概率预测

本文主要根据断层的几何结构、活动强度与断层上最大地震破裂长度等对四川境内几主要活断层的晚第四纪，特别是全新世以来的活动性进行了分段，并采用概率复发模型对各活动段在未来３０年内强震的复发概率进行了预测。     

首都圈平均波速比分析

首都圈数字地震台网覆盖京、津和河北中部,其中自2002年5月—2003年12新记录1级以上地震1186个,台站记录的纵、横波到时差约2~25 s。选取被5个以上台站所记录到的地震,震中位于网内或者网缘附近,计算其平均波速比。分析认为:(1)通过HYPODD修订震源位置,绝大多数震源深度在8~10 km,平均波速比所反映的是地壳上层的状态。(2)无论是从较长的时间尺度还是从较大的空间范围来看,平均波速比值都是非常稳定的。(3)平均波速比的可靠性有赖于较多的台站数目,以满足拟合精度的要求。少数台站的测定结果往往伴随较大的误差,单一地震的平均波速比值大幅度的涨落,不宜表征地壳介质性质的改变。     

Slip Rate and Strong Earthquake Dislocation along the Moxi—Mianning Segment of the Xianshuihe Anighe Fault Zone

The results from interpretation of the aerophotos and in-situ seismogeological researches show that there are some obvious late-Quaternary activities along the Moxi-Mianning segment of the Xianshuihe-Anninghe fault zone, with the characteristics of sinistral-slip movement accompanied by some significant vertical slip components. Since late-Quaternary, the average horizontal slip rate of the segment at the south of Moxi along the Xianshuihe fault is 6.0～9.9mm/a and 4.7～5.3mm/a along the segment at the north of Mianning of the Anninghe fault. The results from the investigation of coseismic dislocation and ground rupture show that the ground rupture caused by 1876 Kangding-Luding earthquake with M 7 3/ 4 can extend to the south of Tianwan. The segment at the north of Mianning of the Anninghe fault has a background for producing M7.5 earthquake and the geological record of the last strong earthquake must be the proofs of the 1327 earthquake with M>6.0 with poor historical records.     

应用多台法测定华北地区地壳的平均波速比

将华北地区(N37.7°～41.7°, E114°～120°)按1°×1°分成24个区, 采用单事件多台站观测方法计算了21个区的波速比平均值, 并给出各自的相关系数。 结果显示, 在平面分布上波速比与岩性、 温度、 应变有着一定的联系。 文中还对多台法的二套公式作了进一步研究, 阐述了它们来源的理论差异, 计算结果验证了它们随时间的变化趋势是一致的。 所采用的数据量越大, 两者的计算结果吻合得越好。     

Research on the ShakeMap System with Consideration of Site Effects

In accordance with the principle of similarity in geology and topography,the V3S0(the average shear-velocity down to a 30m depth below the surface) approximation of sites is acquired by correlation between V3S0 and slopes after calculating the maximum slope of topography using the 30-sec Chinese Mainland DEM(Digital Elevation Model) data set.Site-amplification factors are then quantified with V3S0 and applied to the ShakeMap system developed by this study to revise ground-motion amplitudes on bedrock estimated from empirical relationships.Finally,the distribution of ground motion parameters on the surface is obtained.This article also introduces the calculation process,calculation models of the ShakeMap systems and related software systems.In conclusion,certain examples indicate that the ShakeMap system is feasible in the Chinese Mainland.     

An alternative approach for the Istanbul earthquake early warning system

Two recent catastrophic earthquakes that struck the Marmara Region on 17 August 1999 (M_w=7.4) and 12 November 1999 (M_w=7.2) caused major concern about future earthquake occurrences in Istanbul and the Marmara Region. As a result of the preparations for an expected earthquake may occur around Istanbul region, an earthquake early warning system has been established in 2002 with a simple and robust algorithm, based on the exceedance of specified thresholds of time domain amplitudes and the cumulative absolute velocity (CAV) levels (Erdik et al., 2003 [1]). In order to improve the capability of Istanbul earthquake early warning system (IEEWS) for giving early warning of a damaging earthquake in the Marmara Region, we explored an alternative approach with the use of a period parameter (τ_c) and a high-pass filtered vertical displacement amplitude parameter (Pd) from the initial 3 s of the P waveforms as proposed by Kanamori (2005) [2] and Wu and Kanamori (2005) 3 and 4. The empirical relationships both between τ_c and moment magnitude (M_w), and between Pd and peak ground velocity (PGV) for the Marmara Region are presented. These relationships can be used to detect a damaging earthquake within seconds after the arrival of P waves, and can provide on-site warning in the Marmara Region.     

一个能产生分形结构的地震活动性模型

本文提出了一个模拟地震活动性的层次结构模型，它所产生的地震活动性是分形的。根据该模型本文导出了Ｇｕｔｅｎｂｅｒｇ－Ｒｉｃｈｔｅｒ统计关系式，并建立了分维数Ｄ与ｂ值间的定量关系。同时还导出了不同震级地震间的平均震中距公式，该公式表明分形几何学在地震预报中有实际应用价值。