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由于2010年玉树地震(Ms=7.1)产生了超剪切地震破裂,所以地震灾害特别严重.国内外地球科学家对该地震产生超剪切破裂过程的物理机制一直非常关注,但至今没有给出满意的解答.为此,文中根据玉树地震发震断层的实际几何构建有限单元数值模型,模型中的断层由2个断层段构成,它们之间有约10°的夹角,形成断层拐折.模拟结果表明,玉树地震的破裂由2个子事件组成;当破裂在震源所在的断层上成核后,先在第一个断层段上传播,其速度为亚剪切波速度;当破裂一旦越过断层拐折,在第二个断层段上传播时,破裂速度就立即转变为超剪切波速度.计算结果显示,当断层发生超剪切破裂时,断层上的位错幅度、破裂产生的地震波速度及加速度都会显著增大,从而造成地震灾害大大增加,这很可能是玉树地震的震害特别严重的重要原因.从模拟实验中还看到,若是模型中的断层没有发生拐折,在模型的其他参数都保持不变的情况下,破裂速度不会发生变化.但是,若初始应力场的方位与断层之间的夹角发生变化,这时断裂系统中尽管存在断层拐折,也不是一定能产生超剪切破裂.只有当初始应力方位与断层之间的夹角以及断层走向变化的偏角二者之间的关系恰到好处时,断层拐折才有可能促使断层破裂由亚剪切转化为超剪切破裂.所以,玉树地震之所以能产生超剪切地震破裂,恰恰是发震断层几何与初始应力场方位之间的关系达到某种"最佳状态"的结果.这也可能是天然地震中超剪切破裂事件稀少的原因之一.因此,研究超剪切地震破裂过程的动力学机制,对于深入研究地震震源过程、地震灾害评估等有着非常重要的科学意义. 相似文献
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地震是断层的自发破裂动力学过程。数值模拟断层的自发破裂动力学过程对于认识地震的力学本质、减轻地震灾害等有着重要的科学意义及应用价值。本文首先对经典的滑移弱化摩擦关系进行了改进,然后对断层的破裂过程进行动态数值模拟。模拟结果表明,利用改进后的摩擦关系能够产生脉冲型(pulse-like)破裂模式。断层自发破裂过程受初始应力场及摩擦关系影响,若初始应力场中的剪应力水平较低或滑移弱化摩擦本构关系中的动摩擦系数较大,则容易产生脉冲型破裂;反之,则容易产生裂纹型(crack-like)破裂。另外,为了研究双材料(bimaterial)断层破裂对强地面运动的影响,我们采用正则化的速率-状态相关摩擦本构关系计算了破裂沿着双材料断层传播的二维有限元模型。模拟结果表明,双材料机制对地震破裂过程以及断层周边区域的强地面运动有显著影响。由断层破裂辐射出的地震波导致的强地面运动在整个空间上的分布是不对称的,其不对称性会随着断层两侧材料差异程度的增加而增加。断层破裂能否跨越断层阶区(stepover)继续传播,从而引发更大震级的地震,地震时断层是否发生超剪切破裂导致地震灾害加剧,都是震源动力学研究的重要内容。本文利用有限单元方法模拟断层阶区对地震破裂传播的控制作用以及对产生超剪切地震破裂的促进作用。研究结果表明:断层面上的摩擦系数减小、断层周边区域内初始剪应力增大以及较小的阶区间距等,都将增加断层破裂跳跃阶区传播的可能性;此外,这些物理因素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为在次级断层上的超剪切波速度。结合以上在概念模型中对断层自发破裂过程的模拟研究结果,我们根据汶川地震和玉树地震发震断层的实际几何情况分别构建有限单元数值模型,研究了汶川地震单侧破裂过程的动力学机制以及玉树地震产生超剪切破裂过程的动力学机制。2008年汶川大地震的破裂过程极其复杂,向东北方向的破裂距离长达300 km,而向西南方向的破裂长度很小,呈现出单侧破裂的主要特征。文中模拟并分析了汶川地震的破裂过程,结果表明:龙门山断裂带两侧的物性差异是造成汶川大地震单侧传播的决定性因素。由于2010年玉树地震(Ms=7.1)产生了超剪切地震破裂,所以地震灾害特别严重。文中在模拟并分析玉树地震的破裂过程后认为:玉树地震发震断层走向与初始主应力方向之间的关系断层破裂是亚剪切转化为超剪切破裂的可能原因。 相似文献
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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. 相似文献
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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. 相似文献
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基于曲线网格有限差分方法研究了垂直走滑断层在不同山体地形情况下的动力学破裂传播,分析并讨论了局部山体地形对断层破裂过程及相应地面地震动的影响,得到了各模型断层面的动力学破裂过程及相应的地表峰值速度特征。研究结果表明,山体地形尺度（山体高度及底部延展距离等）对断层动力学破裂过程影响较大,进而影响到相应的地面地震动分布。当山体地形处于自由地表上亚剪切向超剪切转换的位置附近时,山体地形会阻碍断层面上自由地表超剪切的产生。一般而言,对于具有一定埋深的断层,当山体地形底部延展距离一定时,山体高度越高,其对自由地表超剪切的阻碍程度越大;当山体高度一定时,地形底部延展距离越大,越会阻碍自由地表超剪切的产生,这种破裂过程的变化会导致相应地面地震动呈现不同特征的分布。此外,还探讨了断层破裂过程及相应地震动对成核区外初始剪切应力变化的响应,结果显示,当初始剪切应力较高时,高应力降引起的超剪切破裂会对断层破裂及相应的地震动分布起主导作用。 相似文献
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2001年昆仑山地震是一次不寻常的事件，产生了400km长的地表破裂。这次事件的区域宽频带记录提供了精确观测地震期间断层破裂速度的机会，对于认识地震危险性和理解地震物理具有重要意义。我们得到破裂在长为400km的地震断层上传播的平均速度为3．7～3．9km／s，超过了地壳脆性部分的剪切波速。破裂以亚瑞雷波速开始，以后增大到超剪切波速，经过100km的传播之后可能达到5km／s。 相似文献
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近年来,通过计算库仑破裂应力变化研究地震触发及断层的相互作用,进而估计地震灾害已经成为国际上研究的热点.研究中,为考察库仑模型触发地震的效果,计算时往往要改变模型参数进行检验,特别是让有效摩擦系数从0.0到0.8之间变化.许多研究人员的计算结果表明,库仑破裂应力随着摩擦系数的增加而增大,即断层上摩擦系数的增大可以导致触发地震能力的提高.这显然与我们的常识相违背:摩擦总是阻碍断层滑动、抑制地震发生的,即断层面上的摩擦越大,地震越是难以被触发.文中通过对库仑破裂应力的计算公式进行详细分析后发现,之所以出现摩擦越大,地震越容易被触发的现象,其原因是研究者在计算中没有考虑在构造应力作用的环境里,摩擦系数本身的变化所带来的附加库仑应力变化.若某个地震使一个位于地下15km的典型断层面上的正应力增加2 MPa,如果只考虑静岩压力,当摩擦系数从0.3增大到0.4后,传统库仑破裂应力变化为0.8 MPa;而综合库仑应力变化则大约为-39.2 MPa.所以,若从整体上来分析断层在地震位错及摩擦系数变化所造成的综合库仑应力改变,就不可能出现库仑应力随摩擦系数增加而增加的不正常现象.由此可见,今后在利用库仑模型研究地震触发问题时,应综合考虑构造应力场及摩擦系数本身变化所带来的库仑应力变化. 相似文献
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断层破裂传播速度通常会影响强地面运动加速度的空间分布及地震的灾害程度,但究竟是如何影响的,目前未见全面的定量分析.为此,本研究设断层破裂速度从小到大发生改变(从亚剪切波速度到超剪切破裂速度),同时利用有限元方法计算在不同破裂传播速度的情况下,破裂产生的地震动及强地面运动峰值加速度(PGA)的空间分布,计算时保持在所有情... 相似文献
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利用三维动态模型研究了断层阶跃对近源地震动的影响。使用有限元法模拟了两个平行走滑断层的破裂、滑动和地震动,这两个断层间有宽度不同的不相连的重叠阶跃。我们将该系统模拟为拉张和压缩的两种阶跃,并将所得结果与单个平面断层的结果进行了比较。我们发现,总的来说,与长平面断层相比,沿断层迹线出现的阶跃降低了最大地震动。是压缩阶跃还是拉张阶跃显示出更高的地震动,整体上取决于两个断层段间距的宽度。当断层嵌于均匀材料中时,就有第一断层段的末端地震动降低的区域。我们还对导致超剪切和亚剪切破裂速度的应力场以及这些情况内的不同应力降进行了实验。我们发现,虽然发生任意震动的地区整体上在超剪切和亚剪切破裂这两种情况之间并没有很大差异,但亚剪切破裂产生了比超剪切破裂更强的震动,而超剪切破裂产生最大值的区域比亚剪切区域大。最后,我们对沿断层及其附近的实际材料,如拉张阶跃中的沉积盆地、断层附近的破坏区和整个模型区域基岩顶部的软岩层,进行了实验。这些构造改变了均匀情况下地震动的模式;地震动峰值在双材料情况下取决于研究材料。本文研究结果或许对几何形状复杂的断层上未来地震的地震动预测有意义。 相似文献
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利用三维动态模型研究了断层阶跃对近源地震动的影响。使用有限元法模拟了两个平行走滑断层的破裂、滑动和地震动,这两个断层间有宽度不同的不相连的重叠阶跃。我们将该系统模拟为拉张和压缩的两种阶跃,并将所得结果与单个平面断层的结果进行了比较。我们发现,总的来说,与长平面断层相比,沿断层迹线出现的阶跃降低了最大地震动。是压缩阶跃还是拉张阶跃显示出更高的地震动,整体上取决于两个断层段间距的宽度。当断层嵌于均匀材料中时,就有第一断层段的末端地震动降低的区域。我们还对导致超剪切和亚剪切破裂速度的应力场以及这些情况内的不同应力降进行了实验。我们发现,虽然发生任意震动的地区整体上在超剪切和亚剪切破裂这两种情况之间并没有很大差异,但亚剪切破裂产生了比超剪切破裂更强的震动,而超剪切破裂产生最大值的区域比亚剪切区域大。最后,我们对沿断层及其附近的实际材料,如拉张阶跃中的沉积盆地、断层附近的破坏区和整个模型区域基岩顶部的软岩层,进行了实验。这些构造改变了均匀情况下地震动的模式;地震动峰值在双材料情况下取决于研究材料。本文研究结果或许对几何形状复杂的断层上未来地震的地震动预测有意义。 相似文献
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华北地区700年来地壳应力场演化与地震的关系研究 总被引：20，自引：2，他引：20
目前地震断层相互作用问题已引起地震学家的广泛关注。许多研究表明一条断层的破裂可以影响附近其他断层趋于破裂的进程，两条断层间的确切作用取决于它们的相对位置、破裂机制、错动量和介质力学性质。本研究给出了华北地区700年来由于长期构造加载及地震断层错动导致的累积库仑破裂应力变化(ACCFS)的演化过程。长期构造加载场由GPS观测得到的地壳平均应变率场给出。关于历史地震断层破裂参数的估算，根据的是华北地区有现代仪器记录的大震资料归算地震烈度与断层破裂长度、震级和地震矩的统计关系；根据地质调查得到的地震断层走向、倾角以及本地区的构造应力场方向估计滑动角。考虑粘弹性成层介质地壳模型，计算长期构造加载和地震形变(同震及震后介质粘弹性驰豫变形)造成的累积应力场变化。将累积应力场变化投影到后续地震断层面和滑动方向上得到△CCFS，并研究其对后续地震发生的触发作用。对1303年以来华北地区发生的49个M≥6．5地震研究结果表明：ACCFS对48个后续地震中的38个有触发作用，触发率达到79．2％。应用当今累积应力场变化于华北地区1303年-2003年发生的M≥5地震，我们发现触发率达到75．5％，于1976年以来发生的M≥5地震触发率达82．1％。未被触发的地震中有些是发生在断层破裂区附近的余震，很可能是由于历史地震破裂参量估计的误差落入影区中，若排除这些影响，触发率会更高。研究表明ACCFS与发生的后续地震有很好的相关性。当前ACCFS显著上升的地区包括渤海及其邻域地区、西秦岭北缘断裂带、张家口-渤海地震带西端和太原盆地，其地震危险性应引起重视。 相似文献
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本文认真分析了地震破裂期间热迁移和流体流动对断层面热、水文学和力学响应的影响。采用数学模拟方法解释热、流体压力和应力场的耦合。结果表明,在地震期间,破裂面受热而达到孔隙流体热膨胀所需要的温度,热膨胀可抵消因流体流动产生的流体损失率和因孔隙膨胀产生的流体容积变化。这种条件一旦确立,孔隙流体增压和剪切强度迅速降低到足以将孔隙流体的热增压维持在岩石静压力值附近。如果初始流体压力是静水压力,那么破裂面上达到的最终温度将随深度而增加,这是因为达到接近岩石静压力值以前能够发生比较大的温度上升。热增压的速率主要取决于周围多孔介质的水力学特点、断层面的摩擦系数和滑动速度。如果渗透率超过10(-15)米~2,或多孔介质的压缩率超过10(-8)/帕,那么热增压起重大作用以前断层面上可能会发生摩擦熔融。如果摩擦系数低于10(-1);并且滑动速度低于10(-2)米/秒,那么在地震期间断层面上的热增压或摩擦熔融是否能引起断层动力剪切强度的降低尚不能确定。 相似文献
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利用2001年昆仑山口西MS8.1地震现场观测所提供的地表破裂同震位移数据,使用简单滑移弱化破裂模型,估算了发震主断层上的破裂传播速度. 该模型中考虑了断层破裂时动摩擦过程中应力上调和下调机制对地震波辐射能量分配的影响. 对比Bouchon和Valleacute;e有关昆仑山口西地震主断层破裂传播速度超过剪切波速度,甚至达到P波速度的结果, 采用动摩擦应力下调时的滑移弱化模型 (分数应力降模型),结果表明,伴随较高的地震波辐射效率,主断层的平均破裂传播速度等于或小于瑞利波速度,这与许力生和陈运泰的体波反演结果,以及陈学忠震源应力场估算的结果是一致的. 最后,联系到由地表破裂现象所反映出的断层力学特征,如与视应力相关的分数应力降 (动摩擦应力下调), 基于滑移弱化模型, 讨论了可能的震源破裂机制. 相似文献
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研究震源力学模型的一个新方向是用动态扩展的剪切裂纹模拟地震破裂过程。本文利用裂端有塑性区薄层且断层面上有摩擦力的平面剪切裂纹错动模式来表示地震破裂过程,对运动方程和边界条件进行拉氏变换和傅氏变换,利用维纳-霍普（Wiener-Hopf）方法和卡格尼阿（Cagniard）方法得到了断层面上的位移和应力表达式。根据裂端附近的能量平衡条件,计算了地震破裂的平均速度和塑性区尺度,还讨论了断层面上的位错分布函数,并对某些前震地震波高频成分增多的现象提出了解释。在本文假定的参数条件下,地震破裂的平均速度c=0.72β,β是介质的剪切波速。塑性区尺度约为地震新断层总长度（包括塑性区）的12％。按本文的结果,由于破裂速度的增加,前震的震波初动半周期减小的异常幅度不会超过39％。 相似文献
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2008年汶川特大地震中北川地区受灾特别严重,而该地区远离汶川主震震中超过100多千米.尽管汶川地震发生已近10年,但这种不正常现象一直困扰着地学工作者,至今没有给出合理的解答.为此,本文利用有限单元方法模拟汶川地震的主要发震断裂带（即：映秀—北川断层）的自发破裂动力学过程.模型中,几乎平直的映秀—北川断裂带在高川地区发生拐折,形成高川右弯.模拟结果显示,破裂沿着映秀—北川断裂带向东北方向前行,当破裂前端到达高川右弯时,破裂形态发生剧烈变化,破裂传播速度由亚剪切破裂突然转化为超剪切破裂.与断层阶区促进超剪切破裂明显不同的是,这种超剪切破裂形态的转化不需要时间停顿.由于超剪切地震破裂的产生,破裂辐射的地震波发生相长干涉,形成马赫波,地震动被大大放大.计算给出的强地面运动峰值加速度在北川地区不仅数值高,而且高值区分布范围广,造成了北川地区的震害特别严重.模拟结果还表明,若高川右弯不存在（即映秀—北川断层面为平直）,则北川地区的断层不会形成超剪切破裂;如果高川右弯附近断层的不连续程度较大,则破裂会被终止;这些情况下,北川地区的震害都没有那么严重.所以,高川右弯的几何形状对于超剪切破裂的形成起着决定性作用,也是造成远离震中的北川地区震害特别严重的主要原因.因此,分析发震断层几何对于研究震源动力学过程及震害评估等有着非常重要的科学意义和实际应用价值. 相似文献
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计算机仿真模拟设定地震断层动态破裂传播和近断层强地表运动响应的结果表明， 对于特征地震而言，近断层附近的地表运动特征与断层破裂传播的方向性有着强烈的依赖关系. 当场地（观测点）至断层的距离给定时，正向于破裂传播方向的场地（场地A）的地表质点运动（位移、速度、加速度），远远大于震中附近（场地B）和反向于破裂传播方向的场地（场地C）的地表质点运动，而且沿断层垂直分量所辐射的SH波的传播起到了主导作用. 对应于场地A，B和C，统计分析结果表明，峰值加速度的几何平均值之比为2.15:1.5:1， 而且各自的均方差分别为0.12, 0.11和0.13. 如果将所得的研究结果应用于概率地震危险性分析中，对于较低的年超越频度，近断层附近的地表峰值加速度的估算值可下降15%~30%. 因此，考虑到断层破裂传播方向性对地表运动的影响，区域衰减曲线的回归分析模型应该给予恰当的修正. 相似文献
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基于有限断层震源、且使用动力学拐角频率的地震动随机模拟方法预测玉树地震近断层的加速度场.首先,基于有限断层震源建模方法建立该次地震的震源模型;然后,基于上述地震动模拟方法预测玉树地震近断层191个节点的加速度时程.在此基础上,取每个结点的加速度峰值绘制该次地震的近断层加速度场.结果表明:(1)近断层加速度场主要受震源破裂过程和断层面上滑动分布的影响.断层面上凹凸体投影到地表的区域附近,加速度峰值最大,也是震害最严重的区域;(2)对于走滑地震,断层沿线附近的场地并非均会发生破裂方向性效应;发生破裂方向性效应的场地与凹凸体在断层面上的位置有关. 相似文献
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北京时间2014年8月3日16时30分,云南省鲁甸县发生了MS 6.5地震,本次地震的发震构造为包谷垴-小河断裂。野外调查发现,王家坡不稳定斜坡上的地表破裂在整个破裂带中比较具有代表性,其地表破裂带整体走向N45°W-N50°W,并且由剪切破裂、张剪切破裂、压剪切破裂、张性破裂以及鼓包等典型地表破裂组成。其中左、右地表破裂边界与发震断层的出露位置一致,由断层错动造成;而部分地表破裂与断层的位置不重合,其成因分为2种,一种是发震断层导致的一些次级地表破裂,另一种是地震引发的滑坡后缘破裂。地表破裂类型和基本组合特征显示出王家坡潜在不稳定斜坡上的地表破裂带具有左旋走滑的性质。 相似文献