基于动力学震源模型的三维沉积盆地直下型断层地震动模拟

沉积盆地与近断层地震共同作用会增加地震破坏的风险水平,尤其是盆地下方直下型断层发震情况。采用动力学震源模型刻画断层破裂发震过程,开展沉积盆地直下型断层谱元法地震动模拟研究,探讨不同断层面初始剪应力和成核区位置下三维沉积盆地地表响应规律。研究结果表明,断层面应力降对盆地地表地震动的影响显著,在断层面强度一定的情况下,随着初始剪应力的增大,即应力降增大,盆地地表峰值响应增大,原因在于应力降的改变影响了断层破裂释放能量,进而引起断层破裂速度改变,最终导致盆地地表响应发生变化;改变断层面成核区位置会对盆地内部地震动分布规律产生影响,当成核区位置从断层中间向断层左侧移动时,盆地左侧地震动逐渐减小,而右侧地震动逐渐增大,最终表现为盆地右侧地震动显著高于盆地左侧,原因在于改变成核区位置后,导致近断层地震动的方向性效应发生变化。

河北文安MS5.1地震前首都圈及邻区震源动力学参数时空变化特征

本文根据近震源条件下,由北京数字遥测地震台网观测到的波形资料,利用Brune模式,得到了2002年1月至2006年6月期间首都圈及邻近地区989次ML≥2.0地震的震源谱,测定了它们的拐角频率和零频幅值。通过相关计算公式,得到了破裂半径、地震矩、地震能量、应力降、视应力等震源动力学参数。分析了这些动力学参数的标度关系以及在2006年7月4日河北文安MS5.1地震前的时空变化特征。结果表明,文安MS5.1地震前,视应力、应力降、地震能量与破裂半径比等出现了相对高值集中区,这些高值集中区主要分布在华北平原带上;从时间变化曲线可以看出,文安MS5.1地震前华北平原带上视应力、应力降、地震能量与破裂半径比等参数都表现出了明显的升高变化过程,而拐角频率则显示出趋势性下降变化特征。这可能与文安MS5.1地震前华北平原带上应力的增强过程有关。

2007年云南泞洱M_S6.4地震前滇西南地区震源动力学参数时空变化特征

本文根据在近震源条件下,利用Brune模式,由昆明数字遥测地震台网观测到的波形资料,测定了2005年1月至2007年5月期间滇西南地区98次ML≥2.5地震的震源动力学参数,分析了在2007年6月3日云南泞洱MS6.4地震前视应力和拐角频率的时空变化特征。泞洱MS6.4地震前,较高视应力(2.5×105 Pa以上)主要分布在红河断裂与无量山断裂之间,较低视应力(2.5×105 Pa以下)在空间的分布则显得较为分散、随机。较低的拐角频率(1.5Hz以下)集中分布在泞洱地震震中东北部的红河断裂与无量山断裂之间,随着频率的增大,分布范围逐渐向西南扩展,直到整个区域,较高的拐角频率(3.5Hz以上)则集中分布在泞洱地震震中西南部的区域内。从视应力和拐角频率的时间变化曲线看,泞洱MS6.4地震前滇西南地区视应力表现出了明显的升高变化过程;含ML3.6以上地震的拐角频率随时间的变化呈下降—上升—下降的复杂过程,ML<3.6地震的拐角频率呈趋势下降过程。

震源动力学破裂过程数值模拟研究

首先阐述了震源动力学过程研究的重要意义,在此基础上,研究了复杂的断层几何形态及介质模型对动力学破裂过程的影响,并对常用的有限元方法、离散元方法、有限差分方法和边界积分方程方法等进行了相应介绍.讨论了这些数值模拟方法各自的优缺点,建议在方法的选择上应视具体问题及计算的精度而定.最后对动力学数值模拟的关键部分,滑动摩擦准则进行了论述.常用的滑动摩擦准则有滑动弱化准则、速率弱化准则和速率-状态依赖摩擦准则.在单纯考虑某个地震的动力学破裂传播过程时,滑动弱化准则较为常用,其中滑动弱化距离的选取至关重要.但若考虑整个地震循环,速率-状态依赖摩擦准则更为合适.

改进的特征量方法及其在震源动力学模拟中的应用

基于曲线网格有限差分方法,针对震源动力学模型中的边界条件的问题,本文提出了一种改进的特征量方法,即将牵引力镜像方法和特征量方法相结合,在保守形式的方程中通过镜像操作完成单边导数的计算,然后有约束地调整边界处的速度和应力值,以此保证满足模型中的边界条件.改进的特征量方法可用于处理曲线网格当中一般的边界条件,从而也可用于构建曲线网格有限差分法的分裂节点模型.我们将改进的特征量方法分别用于自由表面和断层面,并分别与前人计算结果进行了比较.计算结果表明,在相同的网格划分的情况下,改进的特征量方法能够得到与其他方法相似的计算结果,但改进方法的异常震荡更小,从而证明了本文提出的改进的特征量方法用于曲线网格有限差分法分裂节点模型的可行性.

基于有限断层动力学模型的逆断层—三维层状沉积盆地地震动模拟

近断层效应使得沉积盆地对地震动放大效应更为复杂。本文针对逆断层发震下三维层状沉积盆地地震反应,基于波动谱元法,采用有限断层动力学模型,模拟断层动力破裂、地壳层地震波传播和层状沉积盆地对地震波散射全过程。在此基础上,对比分析了层状和均质沉积盆地对近断层地震动放大效应的影响,讨论了不同断层倾角下层状沉积盆地地震动加速度特性。结果表明:层状沉积盆地PGA空间分布与均质沉积盆地存在较大差异,由于近断层效应和盆地效应,层状沉积盆地地表局部范围竖向PGA大于水平向PGA;90°断层倾角下层状沉积盆地地表地震动放大范围与60°断层倾角结果明显不同,主要集中在盆地中心区域和断层附近,且幅值远小于60°断层倾角下结果;沿断层走向,盆地内地表地震动加速度峰值对应时刻较盆地外延后。

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震出现超剪切破裂传播现象的主要原因;计算区域的实际地形阻碍了由自由地表引起的超剪切破裂的产生,对断层面滑移量的分布特征及滑动速率影响较大,进而在一定程度上降低了地震动峰值,同时对地震动的分布特征产生影响,且地震动平行断层面的水平分量相对受影响更大。

局部山体地形对断层动力学破裂过程的影响研究

基于曲线网格有限差分方法研究了垂直走滑断层在不同山体地形情况下的动力学破裂传播,分析并讨论了局部山体地形对断层破裂过程及相应地面地震动的影响,得到了各模型断层面的动力学破裂过程及相应的地表峰值速度特征。研究结果表明,山体地形尺度(山体高度及底部延展距离等)对断层动力学破裂过程影响较大,进而影响到相应的地面地震动分布。当山体地形处于自由地表上亚剪切向超剪切转换的位置附近时,山体地形会阻碍断层面上自由地表超剪切的产生。一般而言,对于具有一定埋深的断层,当山体地形底部延展距离一定时,山体高度越高,其对自由地表超剪切的阻碍程度越大;当山体高度一定时,地形底部延展距离越大,越会阻碍自由地表超剪切的产生,这种破裂过程的变化会导致相应地面地震动呈现不同特征的分布。此外,还探讨了断层破裂过程及相应地震动对成核区外初始剪切应力变化的响应,结果显示,当初始剪切应力较高时,高应力降引起的超剪切破裂会对断层破裂及相应的地震动分布起主导作用。

江西九江—瑞昌地震序列特征、震源机制和断层破裂过程分析

本文根据重新定位、震源机制、地震矩张量、断层规模等结果估算了主震断层面的面积、应力降、地震波释放能量等震源动力学参数。结合震源区附近地震地质、断裂带分布、初步探讨了九江—瑞昌地震所处的地震活动带、与构造断裂带的关系,并描述了断层破裂过程的时空特征。

米林地震的断层破裂过程及近断层地震动特性研究

为了从应力角度揭示2017年西藏米林Ms6.9地震的断层破裂过程,获取该次地震的地震动近断层特性,基于动力学震源模型,以有限断层运动学震源模型反演结果为约束,通过试错法给定震源动力学计算参数,采用谱元法(SPECFEM3D程序)进行了2017年米林Ms6.9地震的单、双断层模式震源破裂过程模拟,对比分析了断层模式对震源破裂过程的影响,分析了模拟地震动的近断层效应。结果表明:构建的动力学震源模型可以很好地再现米林地震的破裂特征;地表地震动具有显著的上盘效应和集中性效应;诱发断层会抑制孕震断层的破裂发展,会局部促进地表地震动的发展,但在整个地震事件中作用有限。

近断层沉积盆地强地震动谱元模拟

近断层强地震动特性与远场地震动特性具有显著差别。关于近断层沉积盆地地震响应规律,目前尚未厘清。为此利用基于有限断层假定的动力学震源模型,采用谱元法,详细研究了不同沉积内外介质波速比、走滑断层倾角下近断层沉积盆地地表的地震动时程和峰值变化规律。计算结果表明:近断层沉积盆地对地震动幅值具有显著的放大作用,在盆地内部,地震动持时明显延长以及空间分布更为复杂,同时出现多次长周期速度脉冲。断层倾角变化对地震动有着显著影响,在30°~90°范围内,整体上看:随倾角增大,盆地内部峰值加速度和峰值速度逐渐减小,而位移峰值受倾角的影响相对要小。另外,随近断层沉积盆地内部介质波速降低,盆地内部地表的地震加速度和速度会明显增大。

山东地区地震视应力时空变化特征研究

本文使用山东地区中小地震的地震数字波形资料,基于Brune圆盘模型得到了2001年1月至2011年7月206个ML≥2.0地震的辐射能量、地震矩、视应力等震源动力学参数。震源参数标度关系分析结果显示,视应力呈现随地震矩增加而增加的趋势,但在视应力较低的2008年9月至2011年3月ML≤2.8震级段,视应力和地震矩之间没有趋势性关系。视应力时空变化特征分析结果表明,山东地区2004年至2007年应力水平明显升高,视应力高值主要集中于安丘—昌邑、莒县—郯城、聊城—兰考断裂、胶东半岛等地区,2009年后处于应力较低水平,但2011年3月开始有升高现象,值得继续关注。

晋冀鲁豫交界地区中小地震视应力特征研究

利用邯郸测震台网记录的2005—2016年晋冀鲁豫交界地区的地震波形资料,采用近震Brune模型,结合遗传算法反演计算了302次2.0≤M_L<4.3中小地震的视应力值,得到晋冀鲁豫交界地区视应力取值范围为0.01~3.26 MPa,平均为0.535 MPa,讨论了震源参数之间的标度关系,分区分析了晋冀鲁豫交界地区的时序变化特征和中强地震前视应力时空变化特征,结果表明:晋冀鲁豫交界地区多地出现显著的视应力高值异常,地震多发生于视应力高值异常区域及其附近地区,通过分析具体震例发现绝大多数地震发生前均出现视应力高值异常,视应力高值异常对中强地震空间位置预测有一定的指示作用,可以作为晋冀鲁豫交界地区地震危险性判断依据。

特征地震现象和机制分析

本文介绍了断层活动的一种重要现象——特征地震现象.特征地震是指某些断层长期活动过程中,重复发生的多次大地震往往表现出相似的破裂长度、位错分布、和震级大小,而有些活动断层在多次地震中表现出局部的相似.对断层地震活动的统计分析中,有两种模型,一种就是为大家熟知的G-R经验公式,还有一种就是特征地震模型.到底哪一种模型能够代表断层的活动,用哪一种模型进行地震危险性分析较为合理?南加州断层历史地震的统计资料和一些数值模拟分析的结果表明对于一条成熟的单个断层,用特征地震模型进行解释是更为合理的,而对包含多条断层的较为广阔的地域,断层活动应该仍用G-R公式进行分析.文章的后面对特征地震的机制进行了分析,特别地,我们认为断层的位错分布主要是由断层破裂面处地震前后的应力降决定的.所以对成熟断层而言,断层上发生的多次重复地震由于地震孕育的条件相似,导致断层活动中表现出特征地震这种现象.

1999年台湾集集大地震强地面运动的模拟

利用有限断层模型对1999年台湾集集大地震所产生的近场强地面运动进行了数值模拟,尝试了将具有明确物理意义的震源动力模型的研究结果应用于描述震源过程。计算结果显示,基岩台或接近工程基岩台的计算模拟记录同观测记录符合得很好。进一步研究表明,当综合考虑场地效应对地震动影响时,模拟计算结果得到了明显的改善,同实际观测记录更为相符。本文的研究结果说明,为了科学合理地预测大地震所产生的强地面运动,应综合考虑影响地震所产生的地面运动的"三要素",即:震源过程、传播路径及场地效应。

晋冀蒙交界地区中小地震视应力时空分布特征

选取晋冀蒙交界地区固定和临时测震台网记录的2014—2016年地震波形资料,采用近震Brune模型,结合遗传算法,反演计算298次ML≥2.0中小地震视应力值,分析震源参数之间的标度关系,并按照震中分区,分析不同地区视应力时序变化特征及不同震级区间视应力空间分布特征,发现该区多处存在视应力高值现象,地震多发生于视应力高值异常及附近地区,与断裂带有一定对应关系。

江西九江(瑞昌)5·7级地震的地震地质构造环境与发震构造之研究

九江(瑞昌)地处华南地震区中北部,毗邻华北地震区郯城—庐江地震带南段,属于长江中下游地震带中段。其大地构造单元为下杨子准地台的台坳。中新生代时期为沉降带,具有大陆地壳三层速度结构,厚度在31-34公里之间变化,平均速度6.29公里/秒。该地区处在湖口—南昌重力梯度带西北侧,上地幔斜坡带,和九江—瑞昌负磁场异常带。本文通过对本地区新构造运动分区,断裂构造活动性,史今地震活动基本特点和5.7级地震震前地震活动条带(空区)、地震序列精确定位、地震烈度分布、震源动力学参数反演、地表变形现象、建筑物破坏特征等综合研究,认为这次5.7级地震是发生在九江—靖安地震断裂带西侧的铜鼓—武宁断裂北段破裂空区。其发震断层呈NNE向,倾向SE,倾角60°,断层破裂长度11-13公里,震源深度约10公里,为倾滑正断层。这是受华北地区郯城—庐江断块向南挤压、碰撞,导致地壳产生拉分伸长张扭性破裂,应属于新生性地震断层活动产物。它表明在华南板内少震、弱震地区在华北块体向南滑动和菲律宾海板块向北西挤压应力场交迭作用下能够导致华南块体内部产生断块差异升降运动加剧,从而使第四纪断层伸展破裂而孕育新生性中—强地震,尤其往往在台湾岛弧板缘活动带相对平静期阶段,板内块断则处于活动状态,存在由内陆向海域发展趋势。

断层自发破裂传播的数值模拟:速率状态摩擦定律本构参数的影响

地震往往受控于滑动面的摩擦性质,这种摩擦性质可以由速率状态摩擦定律较好地描述.速率状态摩擦定律中的本构参数a和b与动态摩擦系数相关,从而影响着同震位移与剪切应力的时空演化.本文在前人工作的基础上,采用三维边界积分方程法模拟速率状态摩擦定律控制下均匀全空间中平面断层的自发破裂传播过程,并详细讨论了a和b对滑动速率、剪切应力和破裂传播速度的影响.数值结果表明a和b的不同取值将导致不同的破裂行为,b-a的值越大,断层越不稳定,这种不稳定性有利于裂纹的产生与扩展.但滑动速率的时空分布不只依赖b-a,而且还与a和b的具体取值有关,断层面上滑动速率峰值与剪切破裂强度均随着a的减小而增大,随着b的增大而增大.相关结果有助于加深对断层自发破裂传播的认识.

角度对于Y型分叉断层自发破裂传播过程的影响

断层的几何形态是地震破裂传播过程的控制因素之一,从而影响着地震的危险性.Y型分叉断层是断层的多种复杂几何形态当中常见的一种,研究断层的分叉特征对震源破裂传播的影响,对于深入认识复杂几何形态断层的动力学特征具有重要意义.本文利用边界积分方程方法,模拟了612个分叉面,通过改变分叉断层面的分叉角度来分析断层分叉对传播的影响,并定量分析了分叉面之间以及主断层对分叉面的应力作用机制.模拟结果表明:分叉断层的一个断层分叉的破裂,既受到主断层作用的影响,也受到该断层另一分叉的作用的影响,是两者共同作用的结果.其中,主断层的作用基本上只与该断层分叉与主断层延长面的夹角有关,而与该断层另一分叉关系不大;该断层另一分叉的作用主要与两个断层分叉的夹角有关,但同时也要考虑其破裂状况.对于破裂以超剪切速度到达断层分叉处的情况,主断层对于大角度和小角度分叉的破裂促进作用较强,而对中等角度分叉的破裂促进作用较弱;该断层另一分叉对破裂的作用随着两个断层分叉之间夹角的增加,由强烈的抑制转为促进.

计算断层自发破裂过程的离散网格划分研究

离散化网格的空间步长选取在各种数值算法中都是一个很受关注的问题,在全空间均匀介质模型和简单离散化方案下,利用边界积分方程方法研究在自发破裂求解过程中动力学参数组合Dc和Te(Dc为临界滑动弱化位移,Te为有效的断层破裂面上的初始应力)对计算网格划分的影响,初步得到了Dc和Te参数空间中的有效计算网格的选取规律,对合理、有效地运用边界积分方程方法计算地震震源的破裂过程具有重要的指导意义.