2001年昆仑山口西MS8.1地震自发破裂过程数值模拟研究

2001年11月14日,青藏高原的东昆仑断裂带发生昆仑山口西MS8.1地震,现场考察和破裂过程反演结果表明这是一次破裂过程非常复杂的走滑地震事件.研究这次地震的自发破裂过程,对于认识大陆型特大地震的发生机理具有重要意义.本文利用曲线网格有限差分法对2001年昆仑山口西MS8.1地震的动力学破裂过程进行研究.首先建立能反映这次地震主要特征的三维非平面断层模型,并以地质考察、以及根据GPS和InSAR观测数据、远场地震记录得到的反演结果为约束,通过数值模拟重现了这次地震破裂过程的主要特征.在此基础上,进一步讨论了背景应力场、断层几何、摩擦系数对断层面滑移量分布、震源时间函数、破裂传播速度的影响.研究结果表明,昆仑山口西MS8.1地震发展成为具有超长破裂尺度的大型地震的重要原因可能是:青藏高原最大水平主压应力方向沿东向的顺时针旋转特征和断层面较低的动摩擦系数.并且沿昆仑山口西地震断层面的动摩擦系数可能是非均匀的,由此产生了沿断层走向复杂变化的应力降,从而导致超剪切破裂的发生,并控制了断层面滑移量分布.

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.