断层上的摩擦本构关系研究

导出了描述断层滑移的一种新摩擦本构关系。该摩擦关系采用2个参数来分别描述滑移强化和弱化过程。与现有的摩擦关系相比．更能反映断层滑移的机理。该摩擦关系还将断层法向压力的变化偶合进去。使采用该关系能更好的计算倾向断层的滑移运动。

不同摩擦本构关系对断层自发破裂动力学过程的影响

地震是断层的摩擦失稳过程.摩擦本构关系对断层的破裂成核、破裂传播、破裂速度、能量释放、破裂终止等起着至关重要的控制作用.为了比较不同摩擦关系在断层自发破裂动力学过程中的影响,文中引入目前应用最为广泛的4种典型摩擦本构关系,它们分别是:滑移弱化摩擦关系,速率弱化摩擦关系,以及速率-状态相依摩擦关系中的老化定律和滑动定律.研究中利用有限单元方法对上述4种摩擦关系控制的断层自发破裂过程分别进行模拟计算,模拟结果显示:当模型参数相同时,不同摩擦关系模拟的破裂行为总体上具有一致性,都可以产生亚剪切破裂或超剪切破裂,并且破裂传播速度的大小与摩擦本构关系的类型无关.此外,它们之间还存在着较大的差异:(1)速率弱化摩擦关系可以模拟脉冲型破裂;而其他3个摩擦关系只能模拟裂纹性破裂.(2)不同摩擦关系模拟的超剪切破裂转换长度不同,速率-状态相关摩擦关系的老化定律相比其他摩擦关系需要更大的转换长度才能实现亚剪切破裂转变为超剪切破裂;而速率弱化的摩擦关系的超剪切转换长度可以为0,即不需要转换距离就直接产生超剪切破裂.(3)速率弱化摩擦关系模拟的破裂速度自成核后很快就达到稳定值;而其他类型摩擦关系模拟的破裂传播则要经历由缓慢破裂到逐渐加速直至达到稳定破裂的过程.值得特别指出的是,本文所使用的4种摩擦关系都不能完整地反映实际大地震破裂过程的摩擦属性,需要进一步深入研究.

速度与状态依赖性摩擦本构关系下双滑块系统的相互作用

研究了具有速度和状态依赖性摩擦本构关系条件下双滑块系统的活动规律。在不同耦合刚度条件下考虑了强和弱两种非均匀性的影响。结果表明,系统的演化规律主要受耦合刚度控制,在强耦合条件下(例如k_c/k_(imax)>～1),滑动的模式简单,且表现为周期性粘滑,即两个滑块一起滑动。在具有强非均匀性的系统中,滑块问的中度耦合(k_c/k_(imax)=0.4)条件会导致双周期运动,更复杂的运动发生在弱耦合条件下(k_c/k_(imax)=0.2)具有强非均匀性的系统中,在强非均匀条件下,很弱的耦合会引起混沌式滑动的出现。在强非均匀性和耦合刚度k_c=5k_(imax)的情况下,没有发现混沌式的滑动模式,与Huang和Turcotte采用简单动/静摩擦定律得出的结果形成了鲜明对照。系统的模拟结果表明,在更贴近摩擦物理的速度及状态依赖性摩擦本构关系框架下,只有很弱的耦合才能导致整个系统的复杂活动模式。

龙门山断裂带断层岩在水热条件下的摩擦滑动特性实验研究

为了探索断层岩石在断层带不同温度和压力条件下其摩擦强度和摩擦滑动稳定性对于断层活动性的影响，我们采集了龙门山断裂带地震发生区段出露的自然断层泥样品和后山断裂带韧性剪切带中的富含层状硅酸盐矿物的糜棱岩样品进行了水热条件下的摩擦滑动实验研究。我们根据自然断层泥样品的XRD分析结果选取了5种具有不同矿物组合及含量的自然断层泥样品并在50MPa的初始围压和25℃～150℃的温度条件下进行了摩擦滑动实验。

M_s8.0汶川地震对M_s7.0芦山地震成核失稳的影响Mw

依据速率-状态依赖性摩擦本构关系,并结合中下地壳和上地幔的黏弹性松弛效应,以震后库仑破裂应力变化和同震动态库仑破裂应力变化的计算为基础,模拟了两种应力变化对芦山地震断层的失稳发震时间的影响,研究了2008年Ms8.0汶川地震与2013年Ms7.0芦山地震之间的触发关系.计算得到,汶川地震在芦山地震震源断层面上产生的动态应力变化的峰值为0.127 MPa;此外,经过近5年中下地壳和上地幔的黏弹性松弛效应,芦山地震震源断层面上受到的震后应力变化值为0.025 MPa.结果表明,芦山地震的震源断层在应力积累逐渐接近临界状态的某一特定时期内,受到了汶川地震产生的动态应力变化、静态应力变化以及黏弹性松弛效应造成应力变化的共同触发作用,且动态应力的延迟触发作用可能更为显著.最后对芦山地震之后研究区域的应力变化场进行了初步探讨.

鲜水河断裂的几何形态对地震发生的影响

本文整理分析了鲜水河断裂的几何特征以及从1327年有记录以来6级以上历史地震的断层破裂位置和长度。选用速率和状态依赖性摩擦本构关系代表断裂区域物理性质,构建了鲜水河断裂3D物理模型模拟强震周期性。模拟结果与历史地震的发震有较好的一致性,主要表现在:1模拟结果在第二次地震周期之后,明显出现分段现象与鲜水河断裂分段的几何特征较为一致;2断裂北西端结构较为简单,地震发震情况也偏单一,在7级以上地震发震之前有6级以上地震的发生,此类现象与模拟结果一致;3断裂中段结构复杂,不仅存在分段还有轻度弯曲,模拟结果显示中段地震逐渐减小,破裂长度逐步缩短,并且出现级联破裂现象与历史地震较为吻合;43D模拟结果中,地震破裂区域起始与终止位置大都发生在断层转折的区域,特别是在乾宁和康定两处断层出现弯曲的位置,这与鲜水河断裂历史地震发震情况十分相似。

龙门山断层地震周期及其动力学过程模拟研究

在断层面上引入速率-状态相依摩擦本构关系、考虑铲形逆冲断层几何结构特征、断层下盘和上盘中下地壳及上地幔为黏弹性介质、上盘上地壳为弹塑性介质,本文用二维有限元动力学模型模拟了龙门山断层上大震准周期复发行为、分析了断层上地震孕育位置、地震周期不同阶段的应力/应变场演化特征.不同于近垂直走滑断层上的地震周期行为,大陆铲形逆冲断层上的构造应力的积累和释放过程更复杂、有其独特性.我们得到如下认识:(1)铲形逆冲断层上的地震复发是准周期行为.(2)龙门山断层最大库仑应力位于断层17~20km深处,应力长期积累和同震释放都在此深度最大,说明地震会在此处孕育、发动.(3)在断层破裂的深部和浅部,同震滑动大小和构造应力释放大小并非同步,而是差异悬殊.(4)地震仅部分释放区域积累的应变能,断层上盘上地壳顶部和底部的褶皱、破裂等永久变形形式也是释放应变能的重要形式.(5)应变能密度增量的演化图像分为:震间、同震、震后期,清晰反应了龙门山断层附近的地震动力学过程.(6)地震发生除释放能量外,同时也对近断层的中地壳和断层底部有很大的应变能加载;这些加载,在震后期可能通过震后滑移、余震或中下地壳乃至上地幔的驰豫形变用几十年时间释放.以上对大陆内铲形逆冲断层上变形特征的了解,有助于我们在其地震周期行为中评估地震危险性.

潮汐应力对2007年M_s6.4宁洱地震震源断层成核失稳过程的影响

在潮汐库仑破裂应力计算和相关性检验的基础上,采用速率-状态依赖性摩擦本构关系,进行潮汐应力对宁洱地震震源断层成核失稳过程影响的数值模拟研究,并讨论潮汐正应力和潮汐剪应力在潮汐应力触发中的作用,以及应力的振幅和周期振荡性对潮汐触发的影响.结果发现,宁洱地震与潮汐应力之间存在潮汐触发相关性.宁洱地震震源断层的成核过程存在一个转变周期,当潮汐应力周期接近和大于转变周期时,潮汐应力的周期性将直接影响潮汐触发作用的效果.潮汐应力振幅值的增加也有助于潮汐应力对断层地震成核失稳过程的影响,正应力和剪应力振幅值的影响效果差别不大,但是潮汐剪应力比正应力能更迅速的起到潮汐触发作用.潮汐应力触发地震的过程中,主要是正值的潮汐正应力和剪应力对地震起到触发作用,而负值的潮汐应力对断层的影响小于正值的潮汐应力,断层对负的潮汐应力不敏感.

人工地震目录研究进展

基于地震目录的统计分析及由此衍生的地震复发周期与地震预测概率分析一直是地震活动性研究的重要部分,而人类有仪器记录的地震活动历史极其有限,因此采用其他方法建立人工地震目录进而研究地震活动特征与规律具有一定的理论意义.本文系统阐述了弹簧-滑块模型、细胞自动机模型、断层系统地震活动模型、有限元-滑块耦合模型、有限元模型等几种人工地震目录研究的理论模型与方法进展;归纳总结了不同模型在实现地震孕育、发生时不可忽视的关键问题:摩擦本构关系,并详细阐述了摩擦本构关系的进展及其区别;最后对有限元数值模拟人工地震目录研究时存在的问题及需要的进一步改进做了探讨.