断层阶区对产生超剪切地震破裂的促进作用

地震时若断层发生超剪切破裂,地震灾害会显著加剧.因此研究超剪切破裂的形成机理有着非常重要的科学意义.本文利用动力有限单元方法,模拟断层破裂从初始断层跳跃传播到另一条平行的次级断层(断层阶区)时破裂速度的变化情况,并分析断层阶区几何特征等物理参数对产生超剪切地震破裂的促进作用.计算结果表明,断层阶区的诸多物理因素(如:重叠长度、相隔距离以及摩擦系数等)都会对破裂的传播速度产生影响.在一定条件下,破裂传播速度会由在初始断层上的亚剪切波速度,转换为在次级断层上的超剪切波速度.在破裂速度转换过程中,断层间隔起着重要作用,当断层阶区中两断层垂直间隔距离小到一定程度时,破裂跳跃阶区后,破裂速度不会发生变化.所以对于分段断层(可视为一种特殊的断层阶区),由于其断层垂直间隔为0,也就不会出现破裂速度变化的现象,模拟结果对此也进行了证实.然而,若断层间隔太大,当其距离超过一定的限度后,破裂通常无法跨越断层阶区继续传播,而是终止在初始断层上.模拟结果还表明,初始断层与次级断层之间的重叠距离也十分重要,只有当断层阶区中两平行断层之间的重叠部分达到一定长度后,断层的破裂速度才有可能发生转换.此外,计算结果显示,破裂过程中断层面上的应力变化可能是破裂传播速度发生转换的直接原因.最后,模拟还发现,当破裂跨越断层阶区发生速度转换时,破裂需要停顿一定的时间,以便积聚足够的能量来实现破裂速度的增快.

为什么自然界中超剪切破裂的地震是如此之少?

超剪切破裂的地震由于比同震级的亚剪切地震造成更为严重的地震灾害,因而受到广泛重视.可是,自然界中超剪切破裂的地震数量极其稀少;到目前为止,全球只是发现了十几个超剪切破裂的震例.那么是哪些因素造成了超剪切破裂地震是如此之少?这个科学问题,至今未见前人有系统的分析和研究;为此,本文利用有限单元的计算方法,对触发产生超剪切破裂的几种常见力学因素进行定量分析.有限元模拟结果显示,地表作为触发产生超剪切破裂效率最高的因素,但当地表附近具有沉积层、未固结的断层泥等松软介质时,地表附近断层介质是由速度强化的摩擦本构关系所控制,此时亚剪切破裂无法转换为超剪切破裂,近地表的这层薄薄的摩擦速度强化层会有效抑制超剪切破裂的发生.此外,模拟结果还表明,断层上的障碍体、反凹凸体、断层阶区虽然可以促使亚剪切破裂转换为超剪切破裂,但在转化过程中,由于破裂出现时间上的停顿,这样整个断层上的破裂速度就被平均为亚剪切破裂,即远场地震台站接收的地震信息很可能无法辨别局部超剪切破裂的发生.若要产生一个目前可以识别的超剪切破裂地震事件,其条件十分苛刻,通常需要断层的长度足够长,断层几何要足够平直,初始应力水平要足够高,地表的摩擦速度强化层厚度要足够薄,近场要有足够多的地震台站,等.由此可见,上述这些因素导致了自然界中可以辨别的超剪切破裂地震非常稀少.本研究有助于我们深入理解超剪切破裂发生的力学机制,有助于我们更好地评估地震灾害.