基于速率-状态摩擦定律的地震二维准动力学数值模拟:浅层正应力变化对断层演化的影响

本文基于结合速率-状态摩擦定律(RSF)的二维准动力学数值模型,以半空间垂直走滑断层为研究对象,通过比较两种正应力随深度变化模型的模拟结果,研究了浅层正应力变化对断层演化参数、地震孕育过程、震后滑移传播等方面的影响.结果显示,我们的数值模型在给定模型参数和约束条件下,能够完整模拟出地震周期中震间、震前、同震以及震后多个特征阶段.常数正应力模型下,动态破裂在浅层速率强化区停止,而在浅层变化正应力模型下动态破裂可以传播至自由表面,导致浅层更高的最大滑移速率和同震滑移量.两种模型下的地震矩、地震周期、平均应力降和震后滑移传播等差别不明显.两种滑移模型的傅氏振幅谱与理论K-2模型傅氏振幅谱均符合较好,且浅层变化正应力模型下的拐角波数值高于常数正应力模型,说明两种模型均符合地震同震滑移模型的运动学特征,并且浅层变化正应力模型下最终应该产生高于常数正应力模型的高频强地面运动水平.我们认为选用不同的模型参数对最终结果存在显著影响,应当根据具体问题来选择模型参数,这样才能在保证结果准确前提下有效提高计算效率.

论速率-状态破裂模型和库仑破裂模型

考察了库仑破裂应力模型和速率一状态摩擦模型的预测效果。我们研究由于阶跃应力扰动(即地震引起的静态应力增加)以恒定速率在时刻t_0时叠加到“背景”应力(如构造加载)上而引起的破裂时间的变化△t(时间提前)。△t的可预测性就意味着地震活动速率r(t)/r_0的可预测性,t_0是取决于构造应力的一恒定速率,地震活动速率可用地震目录来检验。符合余震序列一般特性的r(t)/r_0模型必须能预测出符合大森定律的地震活动性衰减速率,序列的持续时间长度应少于主震轮回周期时间长度的百分之几,并能直接返回到背景活动速率。库仑模型要求一个断层在加载期间保持为闭锁状态,破裂瞬时发生,△t与t_0无关。这些特性意味着地震活动速率会出现瞬时的无限增长,而持续时间为零。对不同的状态演变规则所作的r(t)/r_0的数值计算表明,在主震发震时刻非常接近于破裂状态的断层上会发生余震,这些断层特性必定是“库仑式”的,从而使滑动演变规则可被排除。实际余震的数量特征可以制约速率一状态本构关系的参数:a也许会低于实验值,刚度也许会高,正应力也许会低于静岩压力。我们同时对库仑模型和速率一状态模型作了理论上的比较。当本构关系参量a相对于参量b减少时,速率-状态模型的断层特性就更接近于“库仑式”。这是因为滑动开始是减速的,表明断层接触状态初始是愈合的。当参量。数值较小时,减速更为明显,则断层表现为更加接近于闭锁状态。即使当速率-状态模型的△t具有库仑式特性时,它的大小也仍然可能差一常数,常数大小与b有关。在这种情况下,速率-状态模型的特性类似于一个修正的库仑破坏模型,即弱化使破裂应力临界值降低,从而增加了时间的提前量。与非库仑式响应的偏离也与加载速率、弹性刚度、初始条件以及状态演变规则的假设等有关。

速率-状态依赖摩擦定律引入连续-非连续方法的检验及断层倾角的影响

断层黏滑是一种摩擦失稳,能够诱发地震、矿震等诸多地质灾害.目前,断层黏滑(包括断层亚失稳)研究,主要集中在实验方面和基于连续方法或非连续方法的数值模拟方面.为了弥补连续方法和非连续方法各自的不足,一些兼具二者优势的连续-非连续方法应运而生.为了检验引入速率-状态依赖摩擦定律的自主开发的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法的正确性并探究断层倾角对断层黏滑的影响,首先,模拟了滑块-底板模型的滑动-保持-滑动实验;然后,模拟了双轴压缩岩样的断层倾角的影响,重点考察了断层黏滑过程中亚失稳阶段摩擦系数的演化规律.研究发现,随着断层倾角的增大,岩样上表面平均差应力的绝对值-时步数目曲线的锯齿形由规则向不规则变化;初次黏滑发生时的时步数目、平均应力降、平均黏滑周期和平均峰值应力均减小.当断层处于黏滑前阶段时,断层面各处的摩擦系数和剪应力相差较小.当断层进入亚失稳阶段后,断层面上摩擦系数的平均值下降速度加快,这可作为断层进入亚失稳阶段的特征之一.引入速率-状态依赖摩擦定律后的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法的断层黏滑结果能与现有结果(例如,断层黏滑实验结果)基本吻合,但更加丰富,这在一定程度上体现了数值模拟研究的优越性.

采用不同摩擦定律动态模拟断层阶跃

众所周知,断层阶跃在某些情况下可使破裂贯通,而在另外的一些情况下则可能使破裂终止。然而,不同摩擦定律公式对跨越破裂的影响尚未得到广泛的探讨。本研究采用二维动态有限元方法探讨张性和压性两种环境下不同摩擦参数如何影响破裂跨越阶跃的能力。我们比较了线性滑动弱化摩擦和三种速率—状态依从摩擦:衰变定律、滑动定律、强速率弱化滑动定律。我们发现,对于相同有效滑动弱化距离的摩擦参数,该摩擦定律的函数形式可对最大跨越距离有显著影响。将摩擦定律调整为具有等效破裂能量时,我们发现这种摩擦定律的函数形式对跨越破裂的影响次之。最后,我们发现采用特定参数时,一旦破裂在次断层段重新起始,跨越阶跃系统的破裂延迟可导致先前未曾见到的超剪切转换模式,即使初始应力场阻碍这种转换也如此。对复杂几何形态如断层阶跃采用多种摩擦定律进行研究可有助于更好地认识和理解破裂性质对模型及统计分析中采用的摩擦定律类型的依赖性。

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.

断层相互作用与地震触发机制研究回顾与展望

断层相互作用与地震触发关系研究是震源物理学领域的热点问题,能够帮助认识强震的孕育过程与物理机理,在地震危险性分析与预测研究中也有良好的应用前景.前人的综述文章从应力触发的基本原理、方法、适用性及多个震例研究的角度,提供了详细的阐述,然而从地震活动性分析这一角度对地震触发的介绍并不详尽,也未对这两个角度的结合和互补提供进一步的探讨.本文从物理模型和统计模型两个角度,综述了过去几十年针对断层相互作用和地震触发机制研究的成果与进展;通过介绍速率-状态摩擦律,展现这一科学问题的内在统一性,并对目前存在的问题和未来的可能研究方向进行了梳理和展望.从物理模型角度,着重分析了断层相互作用来源的几个重要机制:静态应力触发、动态应力触发和黏弹性应力触发,以及计算的基本原理和方法.在统计模型方面,介绍了地震活动性分析的基本原理和方法,重点分析了ETAS模型和b值在断层相互作用和地震触发机制中的应用.从两个模型结合的角度,指出两者互相验证的统一内涵以及速率-状态摩擦律的基本原理和方法.分析指出通过库仑应力计算和ETAS模型这两种不同的角度,可以综合研究多断层或地震之间的应力相互作用,并提供交叉验证,增加结果的可靠性;应用速率-状态摩擦律可以回溯性地研究地震序列的发生过程,为认识地震触发关系和断层相互作用提供了新的视角.

岩石的摩擦特性与地震断层运动论

本文评述了岩石摩擦研究及其在地震震源研究中的应用.当前的岩石摩擦研究已经认识到由静摩擦变成动摩擦时其摩擦阻力减少的比率是有限的.很多岩石的摩擦状况已用滑动距离和/或与滑动速率有关的本构关系进行了描述.许多研究工作已经表明,表面粗糙程度在摩擦规律中起重要作用,并已指出,断层粗糙度可能是诸如临界衰减滑动位移和剪切破裂的视破裂能量等与体积大小有关的物理参量的一个来源.地震断裂的数值模型是用一个摩擦本构定律来表达的.这些模型不仅可以模拟地震的强运动,而且也可以模拟地震的前兆清动.这些结果对滑动的不稳定性给出了一个较好的解释,也导致了对于地震发生过程的更深刻了解.

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.

地震动态应力触发研究进展

本文从以下几方面阐述了近几年来地震动态应力触发的研究进展:地震动态应力触发问题的提出;地震动态应力触发存在的证据(包括地震频度图中探寻被触发震群和独立地震、数字滤波后新发现的被触发地震和形变仪器记录的同震变化和应力阶跃等);地震动态触发的研究现状和机理等。还提出了目前动态应力触发研究中存在的问题,并对其近期的发展进行了展望。

基于Dieterich地震发生率模型分析前震成因的力学机制

前震是地震前兆观测中的一个重要物理量,前震的研究对地震预测的发展尤为重要,前震序列的典型特征包括加速发生的小震与古登堡-里克特定律(Gutenberg-Richter Law)中的b值变小.本文在Dieterich提出的地震发生率模型的基础上,探讨前震发生的力学成因机制及前震-主震-余震时域演化特征.模型分析结果表明,前震震源区断层及其断层周边剪应力加载速率的变化可能是前震发生及地震发生率变化的一个关键原因.由于前震震源区次级断层之间剪应力加载速率受来自主震成核过程中断层自加速滑移的影响升高,从而可导致这些次级断裂的加速失稳,即加速前震的发生.当震源区内由前震所产生的静态应力扰动不可忽略时,应力扰动和主震成核的共同作用也可对后续前震发生率产生影响.当正向应力扰动出现时,后续的前震序列的地震发生率会出现陡增,随后其地震发生率逐渐下降.而当负向应力扰动出现时,地震发生率会出现陡降,然后再次逐渐上升.基于Kostrov模型,本文得到了剪应力加载速率与古登堡-里克特定律中b值的关系式,结果表明前震序列中b值的减小与前震区内的剪应力加载速率的上升有关.

从弹簧滑块模型看骤热效应对地震周期的影响

1研究背景地震周期模拟对理解地震预报有重要意义。不同于概率分布对应的余震泊松模型,从摩擦准则出发,基于动力学破裂模拟可以从物理角度分析地震破裂的周期过程。Dieterich(1979)通过岩石摩擦实验提出的速率-状态摩擦准则,包含高速破裂时的应力弱化和低速时的应力恢复过程,被后续学者广泛应用在地震同震破裂动力学和地震周期模拟过程研究(Rice,1983)。

基于应力变化的余震预测研究综述

本文综述了近期基于应力变化的余震预测研究进展。从静态库仑应力触发角度对余震活动进行研究主要有两方面内容:一是集中于对主震触发余震机制的讨论;二是通过库仑应力变化分布区域与实际余震空间分布区域进行定性对比分析,并认为库仑应力变化为正的区域有利于余震的发生,而这正是余震活动与应力变化高度相关的重要证据。基于应力变化的余震预测研究的一项重要内容是建立在速率-状态依从摩擦定律基础之上的余震活动率研究,即将余震活动作为一系列独立的成核事件,从断层滑动触发地震的角度出发,结合静态库仑应力计算得到余震活动率,进而得到余震数量。余震活动是与断层面上的剪切应力变化相关联的,余震活动率受应力扰动幅度、应力加载速率、断层基本物理特性及背景地震活动率等的影响。考虑到"余震激发余震"的特点,ETAS模型与静态库仑应力变化相结合的研究方法提供了一条统计学与物理学方法(应力变化)相结合、能更完整地刻画余震活动特征的可能途径。

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.

2021年玛多MS7.4地震导致的周边地区库仑应力加载及地震活动性变化

2021年5月22日在青海玛多县附近发生MS7.4地震,由于其所在的巴颜喀拉块体地震活动非常强烈,因此有必要对玛多地震对周边区域地震危险性的影响进行深入研究.文章基于库仑破裂准则,计算了玛多地震在周边区域及主要断层上引起的同震库仑应力变化;并结合断层构造应力加载速率,评估了库仑应力变化对断层应力积累过程的影响.进一步,通过对地震目录除丛,得到反映构造作用加载的背景地震目录.同时,以断层滑移速率为约束,确定与断层性质相关的参数.在此基础上,结合库仑应力变化和速率-状态摩擦本构关系,计算了未来十年研究区的地震发生率分布.结果显示,玛多地震提升了清水河断裂西北段(最大0.02MPa)、昆仑山口-江错断裂两侧(最大0.01MPa)和玛多-甘德断裂西北段(平均~0.09MPa)的应力积累水平,未来这些地区地震活动性可能显著增强,地震危险性增加;昆仑山口-江错断裂东端至玛沁-玛曲地震空区的库仑应力明显增强(最大0.67MPa),其地震危险性尤其值得关注;鄂拉山南端、东昆仑断裂玛多以西段和达日断裂西北段的地震危险性因库仑应力卸载而降低.总体上,研究区未来十年发生6级以上地震的概率约为59%,相比于震前提高了约一倍.

本构参数对断层成核周期影响的模拟研究

基于描述断层摩擦滑动的速率-状态依赖性摩擦定律,采用数值模拟法检验了相关本构参数对断层成核失稳周期的影响.模拟结果表明,a-b的值对于断层成核失稳是一个比较敏感的参数,不仅决定了黏滑成核是否发生,还对滑移的量级产生一定的影响;临界滑移距离L值不仅决定断层是否会产生黏滑,还决定了断层成核是否有具有稳定的周期,也是一个临界滑移位移量,是断层的固有性质;成核尺度d主要影响断层的成核周期和滑移量的大小.