黏弹应力松弛及余滑作用下余震衰减主要影响因素的数值模拟研究

发布时间：2020-04-02 02:42

【摘要】：震后趋势判定和强余震预测是震后抢险救灾、次生灾害预防和灾后重建过程中政府和社会公众最为关心的问题之一,其科学基础是对地震序列统计特征及余震活动机理的深入了解和认识。本论文考虑主震破裂面不均匀性、应力加载及余震间应力相互作用,构建表征余震活动过程的物理概念模型,进而通过数值模拟方法,模拟复杂的余震活动过程。通过G-R关系及修改的大森公式,检测模拟输出与实际余震活动统计特征的吻合程度,以此作为进一步调整、优化模型参数的依据。在结果稳定性检验的基础上,开展余震活动主要影响因素研究,探究典型震例余震活动时间演化差异的可能影响因素。假定主震破裂面上残余凹凸体的破裂导致余震。残余凹凸体在空间上随机分布,尺度上符合自相似的分形分布,初始相对失稳强度符合对数正态分布,由此生成一组具有N个残余凹凸体的数据集合。以岩石圈下部黏弹介质震后应力松弛或以速率强化区余滑过程作为导致残余凹凸体破裂的直接动力输入,以库仑破裂准则为失稳判据,每个凹凸体的失稳相当于1次地震事件,考虑凹凸体失稳对周边区域的应力加载,在不同的介质环境、残余凹凸体分布状况、力学加载条件及破裂准则条件下,模拟余震序列发生过程,生成包含时、空、强三要素的人工“余震”序列目录。在应力松弛、余滑以及应力松弛和余滑共同作用三种不同的应力加载条件下,分别随机模拟100次7.0级主震所导致的余震活动,结果显示:(1)单纯应力松弛作用条件下,修改的大森公式p值略低于天然地震序列的平均统计结果,但总体上已显现出实际余震活动的统计特征,表明应力松弛应是余震活动的最主要动力来源之一,尤其是震后长时期的余震衰减活动;(2)单纯余滑作用下,模拟序列计算的余震活动G-R关系b值、大森公式p值与实际余震活动统计特征相符合,但余震活动持续时间较短,因而余滑作用可能在震后早期发挥重要作用,但若需模拟较长时间的余震活动,后期应有持续时间更长的应力加载;(3)应力松弛与余滑共同作用条件下,模拟所得余震序列G-R关系b值、大森公式p值符合实际余震活动的平均统计特征,且余震时序衰减、地震不均匀丛集等特征与天然余震活动类似。因而,在序列衰减初期,余滑加载可能起到主导作用,随震后离逝时间的增加,应力松弛可能发挥更重要作用。依据模拟结果,震后应力松弛和余滑的联合作用,是主震后余震活动的最主要动力来源。基于上述三种不同的应力加载方式,分别探讨应力松弛过程初始应力、黏弹介质弹性模量、黏滞系数以及与余滑作用相关的速率强化区域厚度、弹性模量、区域构造滑动速率、流变参数、主震破裂对速率强化区的应力扰动及残余凹凸体分形维数等主震破裂面介质及力学因素对余震活动的影响。模拟结果表明:除分形维数外,各种因素对余震活动持续时间、衰减快慢均有影响,其中黏滞系数、速率强化区域厚度、滑动速率对余震活动持续时间影响作用最为明显;黏滞系数、速率强化区域厚度、滑动速率、流变参数及主震对速率强化区应力扰动强弱对余震衰减快慢具有控制作用,其余因素影响作用相对较弱。分形维数决定了残余凹凸体数据集合中大小残余凹凸体的比例关系,模拟产生的余震是按照设定规则在其中的抽样,因而分形维数与序列余震大小地震的G-R关系有关;从模拟结果看,应力松弛过程初始应力大小及主震对速率强化区域的应力扰动强弱对序列大小地震比例有一定影响,其余诸因素影响作用不甚明显。以1976年唐山7.8级地震、2001年昆仑山口西8.1级地震、2008年汶川8.0级地震为例,基于本文理论研究成果及三次地震的实际观测资料,探讨主要控制因素对余震活动的影响,力图揭示三次地震在余震活动持续时间和衰减快慢方面表现出巨大差异的可能原因。唐山7.8级和昆仑山口8.1级地震震级相近、主震震源机制相似(均为走滑型地震),然而其余震活动却差别巨大。定性分析和数值模拟结果显示,唐山余震活动持续时间较长、序列衰减较慢可能源于孕震区速率强化区域较厚、长期滑动速率缓慢(0.12~4mm/a)、下地壳黏滞性较强(黏滞系数较高,~1.0×10~(19)Pa·s)、主震应力降较低(1.2~4MPa)等因素的影响;而在昆仑山口西地震及附近区域,由于区域下地壳低密度物质上涌造成中地壳出现规模不等、相互不连通、厚度较薄的速率强化区域,并且该区域构造加载速率较快(10~12mm/a)、黏滞性较弱而流动性较强(黏滞系数低,~5.00×10~(17)Pa·s)、主震应力降较高(~18MPa)等诸因素,可能是导致昆仑山口西地震余震持续时间短、序列衰减快的主要原因。汶川8.0级地震与唐山、昆仑山口西两次地震主震震级亦相近,但彼此间余震活动存在较大差异。从余震活动影响因素角度考虑,龙门山断裂带相对缓慢的滑动速率(1~2mm/a)及震源区明显增加的中下地壳厚度(10~20km),可能是控制汶川余震活动持续时间长和衰减缓慢的重要因素;相对较高的主震应力降(6~18MPa)是汶川地震震后短时间内余震序列快速衰减的主要影响因素之一。以汶川地震实际研究结果为模型参数,余震活动的统计关系作为约束条件,模拟汶川地震序列活动,可得:汶川地区岩石圈下部黏滞系数在6.0×10~(18)-7.0×10~(19)Pa·s之间、余滑过程流变参数在0.58-0.64之间较为合理。
【图文】：

示意图,凸体,上凹,相互作用

1984；Das et al，2003）。凹凸体强度与其尺度及断层粗糙程度有关（Candela et al，2011；Fang et al，2013），以凹凸体沿滑动方向的纵横比H/L表征断层粗糙程度（图1.1），不同标度手标本及野外断层的实际测量结果显示，H与L之间具有幂律的标度关系（参见Brodsky et al，2016）。使断层面两侧相互滑过所需的弹性应变与H/L正相关，当应变超过弹性极限时，断层失稳，凹凸体被“铲平”（Brodsky et al，2016；Marone et al，2016）。图 1.1 断层接触面上凹凸体相互作用示意图（Brodsky et al

破裂模型,自相似,破裂面,断层

Herrero et al，1994；Tumarkin et al，1994；Mai et al，2002；Hainzl et al，2010），这些模型考虑应力为断层面上空间位置的自相似随机函数，具有标度无关的断层强度分布，子事件分维由断层强度或应力降标度关系所控制（图1.2左）。由于这些模型能够产生与实际地震类似的典型震源频谱特征（图1.2右），因而是对
【学位授予单位】：中国地震局地质研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P315

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