三维地震断层模型的动态破裂模拟

Modeling dynamic rupture in a 3D earthquake fault model

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,就是允许应用一般的摩擦模型,包括滑动弱化模型和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,来研究数值方法的性质。这些性质中能被我们的方法很好模拟的有:金弹性波相互作用、摩擦不稳定性、源于有限斑点的破裂起始问题、次声速和超声速自发破裂增长以及由停止相或与速率有关的摩擦引起的愈合等。我们用这种方法模拟了沿一任意加载的平面断层自发破裂的传播问题,破裂从圆盘形和矩形断层上的局部凹凸体开始。破裂锋的形状近似椭圆,而且在平面内牵引力降的方向被系统地拉长。拉长是由一个强烈的剪应力峰导致的,它先于平面内破裂方向上的破裂移动。在高初始应力水平时,破裂锋变得不稳定,并在平面内剪切方向上跃变至超剪切波速度状态。另一个有趣的结果是,由于存在速率弱化摩擦出现了相对窄的破裂锋。“厚断层”边界条件的解用滑动弱化距离(D_0)标度,当D_0以2T_u/u×△x标度且大于4时,解是稳定和可重复的。最后,标量和矢量摩擦边界条件的比较表明,预应力方向的滑动占优势,滑动速率方向的最大偏差发生在破裂锋和断层边缘附近。