大尺度断层活动数值模拟及地震学研究

论文摘要

人类已经步入了二十一世纪,但是世纪之初苏门答腊地震引起的印度洋海啸和四川汶川大地震给我们再一次的警示,地震灾害仍然是人类面临的重大灾害之一。虽然很多地震学家对地震预测进行了大量的工作,但是地震预测和预报现今仍然不是很成功。其中有多方面的原因,其中一个原因是对孕震和地震活动性认识不足,理论模型还不够完善。所以地震活动性的研究迫在眉睫,本文对断层的地震活动性进行了数值模拟,希望通过模拟,得到地震活动性的一些规律。本文使用的数值模拟方法是有限元法,由于断层的活动是大尺度和长时间的事件,因此使用准静态的模拟方式近似处理,断层间的作用是借助于有限元中的接触碰撞算法和接触单元来实现的。对平直断层和几何弯曲断层分别进行了数值模拟,并进行了对比。模拟结果显示,断层在发生地震之前有一个预滑过程,这一现象和岩石实验的结果是一致的。几何弯曲断层的模拟结果显示了明显的“特征地震”现象,地震呈现准周期的重复发生。平直断层和几何弯曲断层的活动性差异较大,弯曲断层造成了断层应力分布的强烈不均匀,断层弯曲一方面抑制了中小地震的破裂,另一方面也孕育了大震的发生;弯曲断层主震前往往有明显的前震,而平直断层主震前前震不明显,这也是和断层的应力分布均匀与否直接相关的。模拟给出的地震活动是特征地震类型,所以地震频度一震级在大震级处偏离经验公式G-R公式。这些模拟结果对进一步进行地震活动性模拟具有启发意义,为地震危险性分析提供了很好的参考价值。G—R公式是人们对某区域或全球发生的大量地震进行统计得出的经验公式,文中介绍了现今对此公式的物理机制解释。近来,有些学者在进行断层活动性研究时,发现了不同于G—R规律的另一个地震活动模型——“特征地震”模型。本文列举了其中一些典型的实例。为了解释G—R模型和特征地震模型之间的矛盾,给出了一些数值模拟实验的结果。这些研究的结论是这样的:单个成熟断层的活动性符合特征地震模型,而对于比较广阔的断层区域,断层活动符合G—R公式。为了解释特征地震的物理机制,引用kostrov震源破裂动力学理论,本文进行了一些推广,并结合数值模拟结果进行了分析和解释。本文的最后,对2001年昆仑山8.1级大地震的位错进行了模拟。不同于位错反演,本模拟是建立在一给定的构造应力作用下,建立了昆仑山破裂断层的有限元模型,断层处仍然运用接触单元来模拟断层摩擦和碰撞。根据破裂动力学理论,断层位错的大小与断层处的应力释放有密切关系。以往的模拟都是人为地给定断层处的应力分布和摩擦破裂极限,而与以往的模拟不同,本模型断层应力分布是在构造应力和断层的相互作用下自然给出的,这更接近于实际断层的情况。经过多次参数的调整,最后的结果与SPOT卫星得出的位错分布符合得很好。有一点值得一提,从本模型的结果看,断层在库赛湖段某处有一个低位错量,是由于断层在构造应力下的拉张形变造成应力释放偏低导致的,和Klinger等人的结果不同,他们认为此处的低位错量是因为分支断层的影响所致。但是我们认为,即使不考虑分支断层的影响,断层在构造应力和摩擦作用下的局部形变也导致了断层应力分布的不均匀,甚至出现了局部的拉张区域,这个因素也是不能忽略的。此外,通过改变模型中的一些参数,对各种参数对断层位错的影响也进行了讨论。本模型中运用的方法能够给出不同形态断层在不同的构造应力下的变形和应力分布格局,模拟结果也指出由于构造应力和摩擦作用造成断层变形导致的断层上非均匀的应力分布在地震模拟中（包括地震破裂动力学模拟）是不可忽视的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 引言
• 1.1 地震预测及其意义
• 1.2 与地震学相关的岩石实验研究
• 1.3 震源物理和地震活动性
• 1.4 本文研究内容
• 1.5 小结
• 第二章 断层摩擦和有限元中的摩擦碰撞问题
• 2.1 岩石及断层的摩擦
• 2.2 岩石摩擦的实验室研究
• 2.3 岩石的粘滑和稳滑
• 2.4 摩擦准则
• 2.5 有限单元法介绍及其非线性解法
• 2.6 接触和碰撞问题及其算法
• 2.7 ANSYS有限元软件介绍和说明
• 2.8 小结
• 第三章 平直断层活动性的数值模拟和地震学类比
• 3.1 引言
• 3.2 模型及其结果分析
• 3.3 二维复杂断层位错过程的地震活动性类比
• 3.4 小结
• 第四章 几何弯曲断层活动性的数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 模型假设和摩擦本构关系
• 4.3 模型及其加载
• 4.4 模拟结果和分析
• 4.5 小结
• 第五章 特征地震及其机制分析
• 5.1 地震活动的G——R规律
• 5.2 特征地震现象
• 5.3 数值模拟实验结果
• 5.4 特征位错的物理机制
• 5.5 小结
• 第六章 2001年昆仑山8.1级地震断层静态位错的二维数值模拟
• 6.1 构造应力背景和历史地震
• 6.2 2001年昆仑山8.1级地震断层的测
• 6.3 昆仑山8.1级地震的水平位错分
• 6.4 昆仑山8.1级地震是特征地震的证据
• 6.5 2001年昆仑山8.1级地震静力学位错的数值模
• 6.6 模拟结果及分析
• 6.7 小结
• 第七章 总结和展望
• 7.1 结论和讨论
• 7.2 未来的展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间已发表的论文
• 准备中的论文