断层系统摩擦动力学行为的有限元模拟分析

绝大多数大地震发生在先存断层构造上,被广泛认为是一种断层摩擦失稳行为.研究断层上的摩擦动力学行为对地震数值预报具有重要意义.本文围绕地震断层动力学行为,首先回顾了断层摩擦动力学有限元模拟相关的进展,尤其是有限元模拟过程中断层摩擦行为的处理方法,重点分析比较了不同时间积分方案在有限元模拟计算中的差异,探讨了传统有限元方法在模拟断层摩擦失稳非线性的收敛性等难题.考虑到相关差异及问题,本文主要简明介绍了基于R-minimum策略自适应地控制时间步长方案及其有限元计算算法和相关软件,其兼顾了静态隐式与动态显式的优点,将不稳定的隐式迭代计算转变为显式计算;同时利用库仑摩擦定律及速率和状态相关的摩擦本构方程,通过节点-点任意接触单元模拟变形体之间的三维非线性接触摩擦动力学行为,并小结了相关的成功应用实例.此外,为了构建刻画复杂断层形态的有限元网格模型,本文在总结了相关有限元网格生成算法基础上,举例说明了我们最近发展的基于图像的复杂断层约束下非连续四边形和六面体网格的生成方法.最后以此为例,对生成的复杂断层系统模型进行了有限元数值模拟分析.

     

共轭发震构造间相互作用的有限元分析

本文根据震源组合模式,利用有限元方法模拟计算,研究了共轭发震构造间的相互作用,结果如下:(1)当共轭断层的内角为压区且断层交汇区存在一定尺度的调整单元时,只有一条断层发震,另一条断层并不发震。(2)当共轭断层的内角为拉区且断层交汇区无调整单元或调整单元足够小时,由于两条共轭断层联通而发生一次大地震。(3)当共轭断层的交汇区的内角为拉区且断层交汇区有适当尺度的调整单元时,所发生的地震一般为双主震型,即两条断层均发震。其交汇区调整单元愈小,二次主震的间隔时间愈短。此外,本文还计算和讨论了调整单元尺度与初始破裂区位置的关系。     

三维地震断层模型的动态破裂模拟

提出了一种研究三维动态破裂的４阶交错网格有限差分法。该方法使用了一种适于断层的边界条件,就是允许应用生般的摩擦模型,包括滑动弱化模型与速率有关的模型等。因为交错网格法可确定不同网格点上的应力和质点速度,这里我们采用厚度为２排网格的断层带以保持模型的对称性。在迫使断层上剪切牵引力两个分量在断层带内是对称的情况下,计算了断层带边界点之间的滑动。通过将我们的模拟与已知三维地震破裂特性的比较,来研究数值方     

川滇地区断层相互作用的地震活动证据及有限元模拟

对川滇地区主要活动断裂地震活动性的分析表明 ,该区主要活动断裂间存在地震活动的相关性 :1)强震活跃期沿着鲜水河断裂、小江断裂、红河断裂、龙陵 -澜沧断裂及NE向的龙门山 -瑞丽断裂依次迁移 ;2 )鲜水河断裂与龙陵 -澜沧断裂不仅在强震活动上 ,而且在b值变化上存在较强的相关性 ,是平行断裂在区域应力场作用下相互作用的结果 ;3)龙门山 -瑞丽断裂与上述川滇地区其它近NW向断裂间存在地震交替活动的现象 ;4 )龙门山 -瑞丽断裂的地震具有分段活动的特征 ,是断块差异活动的体现。有限元分析显示 ,上述断层相互作用现象是块体非均匀运动过程中应力场调整的反映 ,是块体运动的结果。研究表明川滇地区主要断层地震活动间存在 3种相互作用的现象 ,即块体边界迁移型、旋向相反平行断层交替型和交叉断层交替型     

断层上的地震成核过程与前兆模拟研究

为了把握断层上地震的前兆规律,对连续介质中断层面上的地震成核过程进行了数值模拟研究。摩擦采用了速率及状态依赖怀本构关系,并考虑了正应力变化的影响。结果表明,在成核的后期阶段：①最大位移速率单调加速增加;②滑动热点（最大滑动速率处）在后期阶段开始自发性迁移,且在空间上③当最大滑动速率达到可以明显探测的量级时（高于加载速率一个数量级以上）,倒刘时间为２０小时或更长一些,这时的速率变化可作为临震预测标志     

大尺度断层活动性数值模拟及地震学类比

本文建立了大尺度断层（100～1000 km）的二维模型,利用ANSYS有限元软件平台,采用接触模式,模拟了百年时间尺度走滑断层的位错运动.结果表明,不同的断层力学参数,特别在断层强度非均匀分布的状态下,断层位错运动存在明显的非均匀时、空分布的特征.然而,不同模型的断层位错运动还显示出一些共同的特征,即断层位错运动表现为闭锁期、准静态预滑期和瞬间滑动,以及与之相应的应力（应变）的积累、调整和释放等等.这些结果也与实验室内小尺度的岩石物理实验相类似.与此同时,模拟结果与实际地震活动表现出的重复性和准周期特征较为相似.模拟发现,对于参数分布较为复杂的断层模型,其数值模拟提示的地震过程相对复杂得多.对于一个近尺度近1000 km,在接触面上设置了两个剪切强度相对较大区域的断层模型而言,模拟对应地震活动显示,其模拟地震断层位错分段发生,其高强度的区域基本控制了断层的地震位错运动.整个断层的模拟地震位错呈现出了地震触发、震中迁移、大震重复等与实际地震活动性相似的特征.     

三维地震断层动力破裂的显式并行有限元解法

本文在近场波动有限元的基础上,根据断层动力破裂的摩擦模型,详细地推导出了断层面节点在破裂的不同时刻的计算公式,提出了一种模拟断层动力破裂的显式并行有限元方法,利用此方法,可以模拟断层的破裂过程、地表破裂及由此产生的地面运动。     

粘弹性有限元与弹簧滑块耦合模型——断层与地块相互作用的数值模拟

建立了粘弹性有限元方法和弹簧滑块的耦合模型,模拟了缓慢的大尺度地壳构造运动转化为急剧的小尺度断层失稳的时间过程,展示了地壳块体系统在板块边界作用下的相对运动,断层分配了主要的变形,导致了应力的积累,通过弹簧滑块模型模拟出服从Gutenberg-Richter定律的地震序列。断层摩擦强度的不均匀性控制了地震的发生以及块体的应力状态,地震破裂过程由成核点开始向两端扩展,伴随有应力的触发、应力释放和应力再分配的过程。断层的破裂事件释放了地壳块体的部分应力,靠近断层的地块应力受到局部破裂段的影响,而远离断层的地块应力状态受到断层整体地震活动的控制。     

震群活动和地震预报综述

研究震群和大地震的关系、用前兆震群预报未来地震的发生,是世界范围内比较活跃的课题之一。文章例举了震群的一些指标以说明前兆性震群的预报意义,并从大范围的众多震群活动阐述大震前震群活动的一些特征。根据震群的分布可确定未来大震的发生地点,并解释不同类型震群的力学成因。     

震群时空演化成因与强震预报

以综合震源模式为基础,研究了强震发生前震群的时空演化特征和强震的位置预报,由震 生时间与外因的相关性探讨了大震的逼近程度,整个研讨围绕我国的某些震例进行。研究结果表明,物理模式对理解震群的成因,进行地震预报有要的指导意义。     

前兆震群和S波偏振

海城地震前的小震群活动构成了显著的前兆震群, 并在预报这次地震中起到了一定的作用.其他许多中国的大地震象海城地震一样, 也有类似的前兆震群.我们利用 S 波资料研究这些前兆震群的初步结果表明, 它们的 S 波偏振性质是相当稳定的.     

关于发震断层与静止断层交遇的讨论

发震断层在其传播过程中与静止断层的交遇是地震时带有普遍性的现象,本文把交遇问题分为四种基本类型;建立各自相应的力学模型;通过物理力学分析和数学模拟,并结合地震实例讨论了各类交遇可能产生的后果: 1.发震断层终止于交遇处。2.发震断层被静止断层所截,而后,交遇区域发生强余震。3.发震断层穿越静止断层向前传播,而后,可能发生共轭地震。这些讨论可能对预测未来大震的震级及强余震的发生有一定的意义。     

NUMERICAL SIMULATION OF DEFORMATION MOVEMENT AND STRESS ACCUMULATION IN LONGMENSHAN AND ITS ADJACENT FAULTS BEFORE WENCHUAN EARTHQUAKE

In order to reveal the deformation and cumulative stress state in Longmenshan and its adjacent faults before Wenchuan earthquake,a 3D viscoelastic finite element model,which includes Longmenshan,Longriba,Minjiang and Huya faults is built in this paper.Using the GPS measurement results of 1999-2004 as the boundary constraints,the deformation and movement of Longmenshan fault zone and its adjacent zones before Wenchuan earthquake are simulated.The conclusions are drawn in this paper as follows:First,velocity component parallel to Longmenshan Fault is mainly absorbed by Longriba Fault and velocity component perpendicular to the Longmenshan Fault is mainly absorbed by itself.Because of the barrier effect of Minjiang and Huya faults on the north section of Longmenshan Fault,the compression rate in the northern part of Longmenshan Fault is lower than that in the southern part.Second,extending from SW to NE direction along Longmenshan Fault,the angle between the main compressive stress and the direction of the fault changes gradually from the nearly vertical to 45 degrees. Compressive stress and shear stress accumulation rate is high in southwest segment of Longmenshan Fault and compressive stress is greater;the stress accumulation rate is low and the compressive stress is close to shear stress in the northeast segment of the fault.This is coincident with the fact that small and medium-sized earthquakes occurred frequently and seismic activity is strong in the southwest of the fault,and that there are only occasional small earthquakes and the seismic activity is weak in the northeast of the fault.It is also coincident with the rupture type of thrust and right-lateral strike-slip of the Wenchuan earthquake and thrust of the Lushan earthquake.Third,assuming that the same type and magnitude of earthquake requires the same amount of stress accumulation,the rupture of Minjiang Fault,the southern segment of Longmenshan Fault and the Huya Fault are mainly of thrust movement and the earthquake recurrence period of the three faults increases gradually.In the northern segment of Longriba Fault and Longmenshan Fault,earthquake rupture is of thrusting and right-lateral strike-slip. The earthquake recurrence period of former is shorter than the latter.In the southern segment of Longriba Fault,earthquake rupture is purely of right-lateral strike-slip,it is possible that the earthquake recurrence period on the fault is the shortest in the study region.     

发震构造类型与震型预测

本文讨论了发震构造类型与其所发生的地震的类型之间的关系,认为弧形构造的地震类型主要为主余震型和主震—强余震型;平直构造为主震—弱余震型;拐折形构造为续发性大震型;当构造间交角区为拉应力区时,共轭形构造一般为双震型;破碎形构造为震群型。另外,本文还讨论了震源端部构造条件对震形的影响。作者认为震源端部构造一般起调整作用,其能否为地震时断层的错动提供足够的让位条件,决定了其发震类型的差别。在本文中作者还讨论了不同发震构造的地理环境与最大地震强度的关系及今后需要进一步研究的一些问题。     

地震序列性质与断层分维研究

本文引入地震断层的自扩展破裂模式,用以解释地震序列的特征并计算地震断层的分维数。由自扩展破裂模式,本文导出地震断层的分维数为D=ln(1+Abln q/1+q)/ln q/1+q,其中q为余震区长度与主震的破裂尺度之比,A=2.1。在q≥1时,D=Ab,这与Aki的公式b=D/2是一致的。     

地震灾场的模拟与模拟控制问题研究（Ⅰ）地震灾场模拟

本文将离散事件系统仿真的方法引入到地震工程研究之中．在论述地震灾场模拟与离散事件系统仿真的共性与差异的基础上，以城市地震次生火灾的发生与扑救过程为背景，发展了场、时域复合仿真模型，提出了城市地震灾场的综合模拟算法．实例研究表明，本文建议的地震灾场模拟算法可以揭示复合型工程系统地震反应的一系列特征参数。     

2006年文安及1967、1973年河间地震与邢台地震群子序列的对比

2006年7月4日河北文安5.1级地震属于孤立型地震,无法根据地震序列提取更多信息,故将该地震与1967年3月27日河间6.3级地震、1973年12月31日河间5.3级地震合并作为一个整体,与邢台地区部分地震作对比分析。由此总结出文安及附近地区地震的活动特点:①呈NNE和NWW共轭分布;②各次地震的时间间隔大幅增长;③余震频度逐渐降低,衰减逐渐加快;④类型向孤立型地震过渡;⑤宏观烈度均比估算烈度低1度左右;⑥震源机制趋于一致。     

海南东方震群的前兆异常及序列特征

系统地分析了总结了海南东方震群的前兆异常和序列特征，以为海南今后的地震预报提供参考。