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.

颗粒材料粘滑现象及其物理机制的试验研究

颗粒材料系统在剪切过程中存在应力突变的情况,为了探究颗粒材料在剪切过程中的宏观力学响应与其细观参数的内在联系,通过室内直剪试验,研究了颗粒材料系统在受压剪作用下的粘滑(stick-slip)行为。将玻璃微珠作为颗粒材料进行了不同正应力下的直剪试验,并引入率态摩擦模型(RSF)对试验结果进行了定量分析,通过强度阶跃试验得到了率态摩擦模型相关参数。试验结果表明:(1)不同正应力下的粘滑曲线变化趋势基本相同,并呈现周期性的规律,但粘滑导致的应力降和周期随正应力的减小而减小;(2)在施加的压力范围内,通过计算得到其刚度比κ均小于1,且κ随正应力的增大而减小,这说明该颗粒材料满足失稳判据,试验现象与理论预测相符。成果为研究地震发生机理提供了思路,据此可推测断层的粘滑失稳及地震发生是由于断层面的滑移速度瞬时改变引起的,κ值越小其峰值粘滑速率越大,同时产生的应力降和粘滑周期越大。

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。

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.

数值模拟静态应力扰动下的断层失稳:结果分析兼与Dieterich模型和Coulomb模型的对比

基于大量岩石力学实验,Dieterich和其他研究者(Dieterich,1978;Ruina,1983)首先提出了描述岩石摩擦过程的速率-状态摩擦定律(R-S摩擦定律).如今R-S摩擦定律已成为研究地震成核等地震演化机制的有效手段.Dieterich(1992,1994)最早提出了描述受静态剪应力扰动后断层失稳时间提前或推后的余震触发机制的解析模型.现在Dieterich模型已经成为解释余震随时间衰减规律的Omori定律等地震观测现象的有力工具.与之相对应,广泛使用的Coulomb应力失稳模型也可以给出断层受到静态剪应力扰动后,断层失稳时间的提前和推后量.Dieterich模型和Coulomb应力失稳模型基于不同的物理方法,所以在进行地震危险性评估时,二者均有各自的局限性.本文利用R-S摩擦定律控制的1-D弹簧-滑块模型,模拟计算了理论地震循环以及在不同静态剪切应力扰动下,失稳时间的提前和推后量的变化情况,然后将计算得到的时间提前和推后量分别与Dieterich模型和Coulomb模型的相应计算结果进行了定量化对比和差异性分析,并给出了相应的解释.数值模拟结果显示,对于R-S摩擦定律在参数不变的条件下,断层模型失稳时间的提前和推后量的大小强烈依赖于静态剪应力扰动的大小和作用时间,而且绝对值相同的正、负向静态剪应力扰动造成的失稳时间的提前和推后量的变化情况并不完全一致.在震后松弛/滑移阶段和闭锁阶段,时间提前和推后量是常数,且随静态剪应力扰动绝对值的增大而增大,两者的比值接近于1.0,这与Dieterich模型和Coulomb模型的结果是一致的,相应的差值小于两模型结果的10%.而在自加速阶段,模拟计算结果则存在与Dieterich模型和Coulomb模型结果不同的特征.首先,在自加速阶段模拟计算结果均偏离Coulomb模型,而且时间提前和推后量的比值小于1.0,相异于Coulomb模型的论断.不过当受到正向静态剪应力扰动后,Dieterich模型的结果和模拟计算结果是一致的,最大相差量不超过Dieterich模型结果的7%,可接近0.对于负向静态剪应力扰动,当其绝对值较小时,Dieterich模型的结果很接近模拟计算结果,相差量不超过该结果的14%.但对于绝对值较大的情况,模拟计算结果远大于Dieterich模型的结果,最大可达Dieterich模型结果的35倍,这是由于负向静态剪应力扰动后使得Ω=δ·θ/dc1的条件不再成立,进而使得Dieterich模型不再成立.总的来说,与模拟计算相比Dieterich模型可以很好地描述1-D断层受扰后失稳时间提前和推后量的变化情况,并且可以体现出正、负静态剪切应力扰动后失稳时间提前量和推后量变化的差异性,而Coulomb模型则不能完整地给出受到静态剪应力扰动后断层失稳时间提前或推后的估计值.

利用应力加载速率变化与地震活动性模型探讨2013年吉林前郭震群成因的力学机制

理解震群的成因机制是地震科学的重要挑战.本文基于速率-状态摩擦定律,利用Dieterich断层失稳模型探讨了流体运移、慢滑移和震群触发三者之间的关系,研究结果表明:(1)断层内部或周边流体流动所导致的孔隙压力升高可诱发断层发生慢滑或非地震滑移,慢滑或非地震滑移可使区域内临近断层上库仑应力加载速率升高,进而导致震群产生;(2)基于Dieterich地震活动性模型所给出的慢滑或非地震滑移触发的震群的地震发生率表达式可定量描述时间域内震群发生率上升、平稳以及快速下降的过程;(3)活动断层可能在震群期间重复失稳.针对2013年前郭震群的分析表明,前郭震群序列的产生与序列中b值(古登堡-里克特定律)的降低可能同整个震源区域内库仑应力加载速率的突然上升相关,而孔隙压力上升所诱发的断层慢滑或非地震滑移则可能为导致该区域内库仑应力加载速率上升的关键原因之一.

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.

摩擦生热对断层演化过程的影响:Ruina-和Chester-Higgs-模型的对比分析

利用速率-状态摩擦定律(Rate-and State-Dependent Friction Law:简称RSF定律),结合McKenzie-Brune摩擦生热模型,本文分别从Ruina提出的RSF定律和Chester-Higgs提出的RSF定律出发,通过一维弹簧-滑块模型,采用四阶变步长的Dormand-Prince算法,对断层演化过程进行了数值模拟,探讨了摩擦生热对断层演化进程的影响.模拟结果显示,与Ruina-模型相比,Chester-Higgs-模型在断层高速滑动时存有更大的摩擦强度,表明摩擦生热对断层具有一定的强化作用,且同临界滑移距离的取值相关.而且,Chester-Higgs-模型在失稳时的断层面温度远远低于Ruina-模型,表明摩擦生热在断层演化过程中能抑制断层面温度的剧烈升高,且正应力和临界滑移距离越大,两种模型的温差越为明显,而断层的刚度和尺度则对温度的影响很小.模拟两种模型周期演化过程的结果表明,在相同的初始条件下,Chester-Higgs-模型给出的断层失稳周期明显比Ruina-模型更短,说明摩擦生热对断层自身演化最显著的影响是较大地缩短了地震重复发生周期.当断层进入周期性演化后,Chester-Higgs-模型给出的摩擦强度大于Ruina-模型,且对第一次非周期性失稳的摩擦强度和剩余应力的继承性更好.另外,由ChesterHiggs-模型给出的静态应力降远小于Ruina-模型给出的结果,所对应的单个事件的滑移量也小于Ruina-模型.

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)。

基于率态模型的颗粒材料剪切强度理论

颗粒材料在工程中非常普遍,发展精确的颗粒材料强度理论是其得以应用的基础和关键.本文基于颗粒接触微观模型,考虑剪应变由接触颗粒的滑移和颗粒自身旋转共同作用的结果,建立了剪切带上的应变分量关系.结合经典的摩擦率态模型,以能量原理为基础,构建了颗粒材料剪切强度的耦合演化模型,该模型可用于分析颗粒材料系统的内摩擦系数随剪切变形的全过程演化状态.为了验证所得模型的合理性,使用平均粒径为0.15 mm的规则球状玻璃珠分别进行了等竖向压力变剪切速率和等剪切速率变竖向压力的直剪实验.实验结果表明,颗粒材料系统内摩擦系数随剪切位移的变化规律与本文推导的理论模型预测完全一致,从而验证了本文所提出模型的合理性.通过进一步对模型参数进行详细分析,研究了剪切速率和竖向压力对模型参数及材料强度的影响.结果表明,颗粒材料系统的剪切强度并非严格遵守库仑强度理论,剪胀角对剪切强度会产生明显的影响;颗粒材料竖向应力的增大会使其在剪切破坏前经历更大的变形,提高颗粒材料系统的韧性.本文提出的模型可以综合考虑更多的强度影响因素,提高了模型的准确性,进一步丰富了颗粒材料强度分析理论.