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本文利用边界积分方程方法,以基于三角形网格的全空间格林函数及离散积分核计算为基础,进行了最常见的弯折断层的破裂传播过程模拟.为了去除边界积分方程方法中格林函数计算存在的高度奇异性,研究采用分部积分等方法对动力学方程进行了重整化和离散化处理.地震力学过程可以被视为断层由静摩擦转为动摩擦的过程,对于震源破裂过程的动力学模拟,摩擦准则起着重要作用,本研究采用常用的滑动弱化摩擦准则.计算引入Courant-Friedrich-Lewy比值来表达场点的影响,并控制计算的收敛性和稳定性.通过与典型算例的比对,检验了方法的正确性和有效性.地震破裂能否穿越断层弯折部位继续传播是震源动力学研究的重要内容,基于此,本文建立了多种理论弯折断层模型,模拟了断层弯折对地震破裂传播的控制作用,并通过改变断层周边初始应力场、断层弯折角度大小以及滑动弱化距离大小等来分析各个因素对破裂传播的影响.模拟结果表明:断层面上初始破裂区域内外的应力越高,破裂越容易越过断层弯折部位继续传播;初始破裂区域半径越大,或滑动弱化距离越小,破裂也越容易发生,并越过弯折部位继续传播.同样的初始条件,断层弯折角度越大,断层弯折作为障碍体,对破裂传播的阻碍作用越显著.小的弯折角,其破裂传播过程与平面断层差别不明显,基本仍以椭圆方式对称向两侧传播. 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况下其断层上的最终位错相等,即所有不同破裂情况下产生的地震矩震级保持不变,都为MW=7.0.计算结果显示:总体上,破裂传播的速度越快,PGA的幅值越大并且高值区分布的范围也越广,其地震灾害会越严重;超剪切破裂相对于亚剪切破裂会加剧地震灾害.但是,当破裂速度正好等于介质的剪切波速度时,断层面附近PGA峰值最大,断层附近的地震灾害最为严重.此外,研究中还发现,当破裂传播速度等于√2倍剪切波速度时(该速度称为Eshelby速度),不产生剪切马赫波;这与超剪切破裂产生剪切马赫波的普遍现象不一致;但此时PGA并没有大幅度减小,其震害也不会有显著改变.因此,本研究对于深入认识地震震源过程、地震动效应以及灾害评估有着重要的科学意义及实用价值. 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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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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地震破裂能否穿越断层阶区（stepover）引发更大震级的地震是震源动力学研究的重要内容.本文利用不连续变形体接触力学的动态有限单元方法,模拟断层阶区对地震破裂传播的控制作用.通过改变断层周边初始应力场、断层面上的摩擦本构关系以及断层阶区的间距大小来分析各个因素对破裂传播的影响,并定量分析产生这些影响的力学机制.模拟结果表明：断层面上的摩擦系数减小或断层周边区域内的初始剪应力增大,都将增加断层破裂跳跃阶区传播的可能性;此外,若断层阶区间距越小,断层破裂也越容易跳跃阶区传播.计算结果还显示：断层上的摩擦系数大、初始剪应力小、断层阶区间隔大,那么此阶区所在之处将可能是断层破裂的终止位置;相反,当断层面上的摩擦系数较小、初始剪应力较大、断层阶区间隔较小,破裂就容易穿越阶区而出现较大的地震.同时,从模拟结果可以看出,在发震断层破裂停止后,应力将继续向四周传播;当应力积累达到破裂极限时,触发断层阶区中的另一断层产生破裂,因此在破裂跳跃断层阶区的过程中存在一个时间延迟.最后,破裂能否跳跃断层阶区,可以利用库仑应力在空间的分布进行合理的解释. 相似文献
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断层的自发破裂及其产生的地震波场是地震学研究的重要内容.断层几何形态和自发破裂过程中的动力学参数不同,往往会导致不同的震源破裂过程,进而对地震波场产生显著的影响.本文基于不同几何形态的断层上的自发破裂过程,通过计算研究其产生的地震波场的特征.针对弯折和分叉的断层系统,我们考察了初始成核区位置以及超剪切破裂对于地震波场的... 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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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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用新LDDA(Lagrangian DiscontinuousDeformation Analysis)方法模拟了唐山地震断层的破裂、错动和应力释放的整个动力过程．模拟结果表明,唐山地震的震源滑动过程在发震断层上各处不一样．近场位移受断层的曲率影响,断层凹侧的位移大于断层凸侧的位移．滑动过冲现象在震中处最大,并向断层两端衰减．我们发现,唐山地震断层的破裂速度和应力降与断层上的初始剪应力大小有关．唐山发震断层的最大动态、准静态位错量和剪应力降均发生在中间部位,分别是7.1 m、6.2 m和8.1 MPa、5.4 MPa,发震断层的平均准静态位错量和剪应力降分别为4.5 m和3.3 MPa,断层破裂的传播速度从震中向东南和西北方向分别为3.08 km/s和1.18 km/s． 相似文献
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断层的几何形态是地震破裂传播过程的控制因素之一，从而影响着地震的危险性.Y型分叉断层是断层的多种复杂几何形态当中常见的一种，研究断层的分叉特征对震源破裂传播的影响，对于深入认识复杂几何形态断层的动力学特征具有重要意义.本文利用边界积分方程方法，模拟了612个分叉面，通过改变分叉断层面的分叉角度来分析断层分叉对传播的影响，并定量分析了分叉面之间以及主断层对分叉面的应力作用机制.模拟结果表明：分叉断层的一个断层分叉的破裂，既受到主断层作用的影响，也受到该断层另一分叉的作用的影响，是两者共同作用的结果.其中，主断层的作用基本上只与该断层分叉与主断层延长面的夹角有关，而与该断层另一分叉关系不大；该断层另一分叉的作用主要与两个断层分叉的夹角有关，但同时也要考虑其破裂状况.对于破裂以超剪切速度到达断层分叉处的情况，主断层对于大角度和小角度分叉的破裂促进作用较强，而对中等角度分叉的破裂促进作用较弱；该断层另一分叉对破裂的作用随着两个断层分叉之间夹角的增加，由强烈的抑制转为促进. 相似文献
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2013年4月20日在四川芦山发生了M S7.0地震,震源运动学反演结果给出了此次地震的破裂过程和同震滑动分布.为了更好地理解造成芦山地震破裂过程的力学原因,本文综合野外地质调查、余震定位、深地震反射剖面等结果,构建芦山地震铲型断层模型,以震源运动学反演结果为约束,将震源参数与震源附近的构造应力场结合,建立断层面上滑动量和牵引力的时空分布关系,通过试错法给定震源动力学计算参数模拟芦山地震破裂传播的可能情况,进而分析讨论不同动力学计算参数对芦山地震破裂过程和同震滑动分布的影响.结果显示,初始应力是决定断层是否发生错动的关键;临界滑动弱化位移D c对破裂滑动速率有着很大的影响;成核区半径和初始应力主要影响破裂成核的快慢;局部不均匀破裂强度主要影响破裂行为和断层最终滑动量分布.利用边界积分方程法可以有效计算芦山地震铲型断层模型的动力学破裂过程,再现此次地震的主要特征.通过探究动力学参数对破裂过程影响,可解释运动学反演结果所揭示的破裂特征的力学原因,对于深入了解地震震源过程的物理本质和预测未来可能发生的地震的主要特征有着重要的参考意义. 相似文献
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Interaction of a Dynamic Rupture on a Fault Plane with Short Frictionless Fault Branches 总被引：1，自引：0，他引：1
Ronald L. Biegel Charles G. Sammis Ares J. Rosakis 《Pure and Applied Geophysics》2007,164(10):1881-1904
Spontaneous bilateral mode II shear ruptures were nucleated on faults in photoelastic Homalite plates loaded in uniaxial compression.
Rupture velocities were measured and the interaction between the rupture front and short fault branches was observed using
high-speed digital photography. Fault branches were formed by machining slits of varying lengths that intersected the fault
plane over a range of angles. These branches were frictionless because they did not close under static loading prior to shear
rupture nucleation. Three types of behavior were observed. First, the velocity of both rupture fronts was unaffected when
the fault branches were oriented 45° to the main slip surface and the length of the branches were less than or equal to ~0.75
R0* (where R0* is the slip-weakening distance in the limit of low rupture speed and an infinitely long slip-pulse). Second, rupture propagation
stopped at the branch on the compressive side of the rupture tip but was unaffected by the branch on the tensile side when
the branches were ~1.5 R0* in length and remained oriented 45° to the principle slip surface. Third, branches on the tensile side of the rupture tip
nucleated tensile ``wing tip' extensions when the branches were oriented at 70° to the interface. Third, when the branches
were oriented at 70° to the interface, branches on the tensile side of the rupture tip nucleated tensile ``wing-crack' extensions.
We explain these observations using a model in which the initial uniaxial load produces stress concentrations at the tips
of the branches, which perturb the initial stress field on the rupture plane. These stress perturbations affect both the resolved
shear stress driving the rupture and the fault-normal stress that controls the fault strength, and together they explain the
observed changes in rupture speed. 相似文献
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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. 相似文献
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The 10 January 2018 MW7.5 Swan island, Honduras earthquake occurred on the Swan island fault, which is a transform plate boundary between the North American and Caribbean plates. Here we back-project the rupture process of the earthquake using dense seismic stations in Alaska, and find that the earthquake ruptured at least three faults (three stages) for a duration of ~40 s. The rupture speed for the longest fault (stage 3) is as fast as 5 km/s, which is much faster than the local shear wave velocity of ~4 km/s. Supershear rupture was incidentally observed on long and straight strike-slip faults. This study shows a supershear rupture that occured on a strike-slip fault with moderate length, implying that supershear rupture might commonly occur on large strike-slip earthquakes. The common occurrence of supershear rupture on strike-slip earthquakes will challenge present understanding of crack physics, as well as strong ground motion evaluation in earthquake engineering. 相似文献
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本文收集使用紫坪铺水库台网记录到的汶川地震主震P波波形资料,利用P波反投影叠加法获取了2008年5月12日汶川M_W7.9地震起始破裂的时空演化过程.通过分析本次大地震起始破裂阶段(0～1s)破裂点在三维空间内的分布特征,确定了本次大地震起始破裂位置及起始破裂断层几何结构模型.得到以下结果:汶川地震起始破裂点位于31.013±0.002°N、103.392±0.002°E,震源深度为8.2±0.4km,发震时刻为2008年5月12日14∶27∶58.80±0.4.汶川地震起始破裂的最佳断层面走向为NE48°,倾向NW35°,起始阶段破裂的深度范围为地下7.5～9km. 相似文献
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2012年4月11日苏门答腊北部附近海域发生MW=8.6地震，国际上采用不同数据获得了该地震的断层滑动模型，但断层走滑性质存在较大差异.卫星重力GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）观测覆盖震中区域，可以提供很好的断层参数估计约束.本文采用GRACE月重力场模型数据提取了此次地震同震重力和重力梯度变化，表明了北向分量的优越性.并与断层模型理论计算结果进行了比较，分析了Txx（北-北向重力梯度）分量对断层参数的敏感性，以及基于粒子群算法以及Okubo位错模型反演了该地震断层参数.结果表明GRACE观测到的同震重力梯度变化在空间形态分布上与断层模型模拟结果符合较好，但振幅差异较大.重力和重力梯度的北向分量可以很好地压制条带误差，其中gN（北向重力变化）和Txx的误差最小，其次是Txz（北-上向重力梯度），误差最大和对条带误差抑制效果最差的是Txy（北-东向重力梯度）.Txx对断层的深度不敏感，对其余断层参数较敏感.基于GRACE反演得到的断层的走向角为113.63°，倾角为89.99°，滑移角为175.26°，平均滑移量为28.18 m，相应的矩震为8.71级，且此次地震的走滑性质为右旋走滑. 相似文献
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Eiichi Fukuyama Shiqing Xu Futoshi Yamashita Kazuo Mizoguchi 《Journal of Seismology》2016,20(4):1207-1215
We investigated the shear strain field ahead of a supershear rupture. The strain array data along the sliding fault surfaces were obtained during the large-scale biaxial friction experiments at the National Research Institute for Earth Science and Disaster Resilience. These friction experiments were done using a pair of meter-scale metagabbro rock specimens whose simulated fault area was 1.5 m?×?0.1 m. A 2.6-MPa normal stress was applied with loading velocity of 0.1 mm/s. Near-fault strain was measured by 32 two-component semiconductor strain gauges installed at an interval of 50 mm and 10 mm off the fault and recorded at an interval of 1 MHz. Many stick-slip events were observed in the experiments. We chose ten unilateral rupture events that propagated with supershear rupture velocity without preceding foreshocks. Focusing on the rupture front, stress concentration was observed and sharp stress drop occurred immediately inside the ruptured area. The temporal variation of strain array data is converted to the spatial variation of strain assuming a constant rupture velocity. We picked up the peak strain and zero-crossing strain locations to measure the cohesive zone length. By compiling the stick-slip event data, the cohesive zone length is about 50 mm although it scattered among the events. We could not see any systematic variation at the location but some dependence on the rupture velocity. The cohesive zone length decreases as the rupture velocity increases, especially larger than \( \sqrt{2} \) times the shear wave velocity. This feature is consistent with the theoretical prediction. 相似文献