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基于速率-状态摩擦定律研究剪切应力扰动对地震断层演化的影响

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地球物理学报 2022年第6期65卷 2153-2166页

作者：高雅琪史保平中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049 中国地震局第一监测中心天津300180

本文从Nagata提出的与应力变化率有关的速率-状态摩擦定律出发,结合1D弹簧-滑块模型,采用Runge-Kutta算法,对静态应力扰动和周期性应力扰动下的断层演化过程进行了数值模拟,探讨了应力扰动对断层演化进程和断层失稳机制的影响.研究结果... 详细信息

本文从Nagata提出的与应力变化率有关的速率-状态摩擦定律出发,结合1D弹簧-滑块模型,采用Runge-Kutta算法,对静态应力扰动和周期性应力扰动下的断层演化过程进行了数值模拟,探讨了应力扰动对断层演化进程和断层失稳机制的影响.研究结果显示,与无扰动情形相比,正向静态扰动使断层失稳时刻提早,且时间提前量与扰动量的指数成正比;负向静态扰动使断层失稳时刻推后,且时间推迟量正比于扰动量.在周期性扰动下,断层失稳的发生总早于无扰动情形,且扰动幅值越大,失稳提前量越大;但是,扰动频率对失稳时刻没有明显的影响.这也进一步表明,地震应力波总是会导致断层失稳提前发生.同时,对于相同的扰动量,正向静态扰动下的失稳时间提前量比周期性扰动情形更大.周期演化过程的数值模拟结果表明,当远场加载速率给定且为常量时,若无应力扰动,则断层演化过程具有确定的周期性;但在周期性应力扰动下,断层失稳时间间隔出现明显的非周期性,断层在时间域上的演化变得更为复杂.

关键词： Nagata模型 1D弹簧-滑块模型应力扰动断层演化特征失稳时间

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

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地球物理学报 2016年第2期59卷 593-605页

作者：解孟雨史保平中国科学院大学北京100049

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... 详细信息

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.

关键词：速率-状态摩擦定律静态剪应力扰动 Coulomb应力失稳模型 Dieterich模型失稳时间提前量失稳时间推后量

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

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地球物理学报 2020年第6期63卷 2297-2310页

作者：高雅琪史保平地球与行星科学学院中国科学院大学北京100049

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.

关键词： Ruina-模型 Chester-Higgs-模型 McKenzie-Brune摩擦生热模型一维弹簧-滑块模型摩擦生热速率和状态相依赖的摩擦

基于Dieterich地震发生率模型分析前震成因的力学机制

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地球物理学报 2020年第9期63卷 3355-3369页

作者：尚园程史保平中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049

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... 详细信息

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.

关键词：速率-状态摩擦定律 Dieterich模型前震 b值台湾花莲地震

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

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地球物理学报 2022年第1期65卷 26-36页

作者：尚园程史保平中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049

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... 详细信息

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.

关键词：速率-状态摩擦定律 Dieterich模型震群慢滑移流体运移 2013年前郭震群

断层演化过程中的周期和非周期地震滑移及非地震滑移——一维断层模型分析

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地震学报 2016年第4期38卷 590-608,658页

作者：解孟雨史保平中国科学院大学地球科学学院中国北京100049

本文首先根据Dieterich和Ruina提出的含速率和状态的摩擦定律(Dieterich-Ruina定律),基于一维弹簧-滑块模型推导了地震复发周期的解析表达式,然后将该近似解与数值模拟结果以及Barbot等的相关研究进行了对比分析.此外,本文还利用数值模... 详细信息

本文首先根据Dieterich和Ruina提出的含速率和状态的摩擦定律(Dieterich-Ruina定律),基于一维弹簧-滑块模型推导了地震复发周期的解析表达式,然后将该近似解与数值模拟结果以及Barbot等的相关研究进行了对比分析.此外,本文还利用数值模拟与理论分析研究了断层周期和非周期演化的力学成因机制以及非地震滑移形成的另类力学机制,并讨论了一维弹簧-滑块模型的优点及其局限性.结果表明:1震后滑移和自加速/成核阶段的持续时间在整个演化过程中不能被忽略;2在修正后的复发周期模型中,复发周期的长短除了与断层特征尺度、作用于断层面上的有效正应力和远场加载速率相关外,还受Dieterich-Ruina定律中摩擦参数的取值以及临界滑移距离的影响;3当给定各个物理参数和几何参数时,目前所得到的解析近似解可以很好地估计地震的复发周期,其相对误差可小于5%;4在断层演化过程中,施加剪切应力加载会产生非周期的地震滑移,而在自加速/成核阶段后期或震后滑移阶段早期,施加较大的剪切应力加载,则会出现非地震滑移.

关键词：含速率和状态的摩擦定律地震循环地震复发周期非地震滑移

汶川地震同震过程中断层间的相互作用及子事件触发

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地震地质 2015年第2期37卷 357-373页

作者：刘博研史保平中国地震局地壳应力研究所地壳动力学重点实验室北京100085 中国科学院大学北京100049

2008年5月12日四川省汶川县发生了MS8.0地震,造成了重大人员伤亡和经济、财产损失。主震发生时,龙门山前山断层从都江堰北部开始错动,且一直破裂到地表。文中利用映秀-北川断裂和灌县-江油断裂2条断层模型,着重研究和深入探讨了灌县-江... 详细信息

2008年5月12日四川省汶川县发生了MS8.0地震,造成了重大人员伤亡和经济、财产损失。主震发生时,龙门山前山断层从都江堰北部开始错动,且一直破裂到地表。文中利用映秀-北川断裂和灌县-江油断裂2条断层模型,着重研究和深入探讨了灌县-江油断裂的触发机制以及错动时间。基于滑移速率和状态相依赖的摩擦定律,推导出在剪切应力变化率是否为0的2种前提条件下的地震触发新破裂的时间延迟,并将结果用于研究汶川地震是否为同震触发的时间过程上。通过与绵竹清平和汶川卧龙台站的三分量强地面运动观测资料计算出的时间延迟对比,得到了比较一致的结果,发现汶川地震中映秀-北川断裂和灌县-江油断裂并不是同时错动的,而是映秀-北川破裂产生的动态地震波(应力波)触发了灌县-江油断裂,并造成了几秒到十几秒的触发延迟。

关键词：汶川地震地震触发滑移速率和状态相依赖的摩擦定律时间延迟

1976年唐山M_S7.8地震余震序列持续时间及对地震危险性分析的意义

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地震学报 2012年第4期34卷 494-508,580页

作者：仲秋史保平中国科学院研究生院地球科学学院中国北京100049

1976年7月28日唐山MS7.8大地震对唐山及其周边地区造成了重大的人员伤亡和财产损失.主震之后约15小时滦县又发生了MS7.1地震;同年11月15日宁河也发生了MS6.9地震.唐山MS7.8主震后的余震一直持续至今,使该区域至今保持了与主震前相比具... 详细信息

1976年7月28日唐山MS7.8大地震对唐山及其周边地区造成了重大的人员伤亡和财产损失.主震之后约15小时滦县又发生了MS7.1地震;同年11月15日宁河也发生了MS6.9地震.唐山MS7.8主震后的余震一直持续至今,使该区域至今保持了与主震前相比具有较高的地震活动性.如何估计余震的持续时间,并进一步将余震从主震目录中去除,一直是地震学中所关注的问题.该文通过对数线性回归和理论计算,从不同角度求取并讨论了1976年唐山MS7.8大地震的余震持续时间.结果表明,由对数线性回归计算得到的余震持续时间约为80a.而基于Dieterich的余震触发理论所得到的余震持续时间则与区域剪应力变化率有关.区域剪应力变化率可有几种不同方法求得:①根据剪应力变化率和静态应力降Δτe及地震回复周期tr之间的关系求取应力变化率,该方法所得到的余震持续时间约为70—100a;②Ziv和Rubin对Dieterich的方法进行了修正,给出了通过远场加载速率和断层宽度求取应力变化率,该方法得到的余震持续时间约为80a;③由背景场地震活动性求取远场剪应力速率,可以得到该地区二维分布式的余震持续时间,此方法得到的研究区域内余震持续时间为130—160a.综上,唐山地区余震持续时间约为70—140a,据此,该地区现今所发生的地震仍为MS7.8唐山地震所触发的余震.

关键词： 1976唐山地震余震持续时间地震触发剪应力变化率

基于经验模型和物理模型研究2013 M_S7.0芦山地震余震序列

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地球物理学报 2015年第6期58卷 1919-1930页

作者：米琦申文豪史保平中国科学院大学地球科学学院北京100049 中国地震局地壳应力研究所北京100085

基于中国地震台网中心2013 MS7.0芦山地震余震数据我们首先确定了余震空间分布范围并根据G-R关系计算了主震后半小时内的完备震级Mc=3.5,并且得到了ML≥3.5和ML≥3.0的地震在2001年至芦山地震前的背景场地震发生率.通过Omori-Ustu经验... 详细信息

基于中国地震台网中心2013 MS7.0芦山地震余震数据我们首先确定了余震空间分布范围并根据G-R关系计算了主震后半小时内的完备震级Mc=3.5,并且得到了ML≥3.5和ML≥3.0的地震在2001年至芦山地震前的背景场地震发生率.通过Omori-Ustu经验定律和两种Dieterich模型对芦山地震余震发生率的拟合,我们发现阶梯型Dieterich模型只能模拟p=1的情况,从而造成了模拟曲线与观测数据的差别;前人研究表明震后滑移同样是产生余震的原因,如果假设余震序列由主震静态剪应力Δτ和震后滑移共同作用所产生,我们数值模拟得到的对数型Dieterich模型能够较好地推断余震发生率R随时间t增加而衰减的趋势,能够从物理机制上解释MS7.0芦山地震余震序列衰减指数大于1这一现象.通过对数型Dieterich模型的拟合并结合Andrews的方法,我们还得到MS7.0芦山地震Aσ约为0.155 MPa,ta约为8.4年,这一值与前人研究结果十分接近.

关键词：余震衰减芦山地震 Dieterich模型震后滑移