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横向非均匀黏性对走滑断层地震循环影响的三维数值模拟

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横向非均匀黏性对走滑断层地震循环影响的三维数值模拟

作者：翟鹏中国科学技术大学

学位级别：硕士

大地测量观测显示走滑断层两侧的震间形变率往往是非对称的,通常可以用断层两侧块体的黏度差异来解释。另外,许多走滑断层大地震的震后形变反演结果也显示,断层两侧岩石圈下地壳或上地幔的有效黏度往往会有数量级上的差别。这种断层两... 详细信息

大地测量观测显示走滑断层两侧的震间形变率往往是非对称的,通常可以用断层两侧块体的黏度差异来解释。另外,许多走滑断层大地震的震后形变反演结果也显示,断层两侧岩石圈下地壳或上地幔的有效黏度往往会有数量级上的差别。这种断层两侧黏性结构的差别会影响介质的应力传递效率和断层面上的应力积累效率,最终对地震循环过程产生重要影响。目前,有关断层两侧有效黏度的差异对地震循环过程影响的研究还不充分。首先,我们构建了三维的横向均匀走滑断层有限元模型,综合滑移弱化摩擦定律和幂律流变黏弹性本构关系,通过施加远场板块加载速度,成功模拟了自发的地震循环过程。我们的模拟结果与前人的二维模型的模拟结果基本一致,黏弹性模型深部的断层两侧形成了明显的塑性剪切带,有效阻碍了同震位错的深部扩展。然后,将断层两侧的物质设置为不同的地温梯度控制的幂律流变性质,构建了横向非均匀黏弹性地震循环模型。我们分析了所有模型的地震复发间隔、断层面库伦应力积累、模型内部应力和应变状态、地表形变以及重力异常的基本特征。断层两侧黏性结构的差异造成了震间非对称的地表形变速度,且随着黏性差异的增加,震间地表形变速率的差异逐渐增加。断层任意一侧的低黏度会导致地震复发间隔增加。低黏度一方面会导致孕震区在震间末期的库伦应力积累速率减小,另一方面导致同震破裂所需的临界库伦应力值增加,两者的综合效应使得地震复发间隔和地震震级略微增加。断层两侧黏性结构的差异也会产生非对称的震间重力异常,未来或许可以通过重力观测结果反演岩石圈黏性结构。

关键词：有限元模型摩擦定律横向黏性差异幂律流变地震循环

横向非均匀黏性对走滑断层地震循环影响的三维数值模拟

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地震地磁观测与研究 2022年第S01期43卷 256-258页

作者：翟鹏黄金水中国科学技术大学地球和空间科学学院合肥230026 安徽蒙城地球物理国家野外科学观测研究站安徽233500

1研究背景构造地震的发生可描述为构造断层的粘滑行为,是构造断层经过长时间的应力加载后产生的摩擦失稳现象。这种粘滑行为可以用实验得到的摩擦定律来表示,如摩擦弱化准则、速率状态准则等。粘滑行为的数学描述,为地震过程的数值模拟... 详细信息

1研究背景构造地震的发生可描述为构造断层的粘滑行为,是构造断层经过长时间的应力加载后产生的摩擦失稳现象。这种粘滑行为可以用实验得到的摩擦定律来表示,如摩擦弱化准则、速率状态准则等。粘滑行为的数学描述,为地震过程的数值模拟带来了可能。地震循环的数值模拟可以定量描述断层粘滑过程、应力应变的累积与释放过程、地震的复发周期、震间和同震形变等(如翁辉辉等,2016;Allison and Dunham,2018)。

关键词：横向黏性变化地震循环震间形变摩擦定律有限元模型

青藏高原东北缘断层系统的大地震迁移概率及断层滑动速度的分段特征

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地球物理学报 2019年第5期62卷 1663-1679页

作者：孙云强罗纲尹力石耀霖中国科学院计算地球动力学重点实验室中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049 武汉大学测绘学院武汉430079

青藏高原东北缘是青藏高原隆升、生长及变形前缘.区域地震活动频繁,且地震在其主要断层带之间时空迁移.为了研究区域大地震在主要断层带之间的迁移规律与概率,以及主要断层带大地震破裂的时空分布特征,本文建立了青藏高原东北缘地区的... 详细信息

青藏高原东北缘是青藏高原隆升、生长及变形前缘.区域地震活动频繁,且地震在其主要断层带之间时空迁移.为了研究区域大地震在主要断层带之间的迁移规律与概率,以及主要断层带大地震破裂的时空分布特征,本文建立了青藏高原东北缘地区的三维黏弹塑性有限元模型,模拟了区域断层系统的地震循环,得到了人工合成的万年时间尺度的地震目录.根据模拟的地震目录,并结合古地震数据,计算分析了大地震(MW≥7)在研究区各个主要断层带之间的迁移概率,探讨了黏度、高程、统计时间长度等因素对大地震在各主要断层带之间的迁移概率和大地震在各主要断层带上的发生概率的影响,并且初步调查了海原断层带和香山天景山断层带的大地震破裂时空分布特征.研究结果显示:继区域最近两次大地震(1920年海原断层带上的M8.5海原大地震和1927年香山天景山断层带上的M8古浪大地震)之后,下一次大地震(MW≥7)发生在海原断层上的概率最大,约为51%～81%;其次是在香山天景山断层上,概率约为9%～37%.模型结果显示,不同的青藏高原中下地壳上地幔黏度大小,对大地震在各个断层带之间的迁移规律和迁移概率的影响较小;而研究区的高程载荷对地震迁移则有显著的影响:高程载荷易于使得海原断层地震活动减弱及香山天景山断层的地震活动增强.研究结果也显示了青藏高原东北缘地区主要断层带的地震活动与断层滑动速率分布的分段性显著;大地震在断层带上的破裂位置并不固定,呈现不均匀性;并暗示了断层几何形状对地震活动、断层滑动速率分布与大地震破裂位置的控制作用.

关键词：青藏高原东北缘黏弹塑性有限元模型地震循环地震迁移海原断层香山天景山断层

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

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黏弹地球地震变形理论研究进展和展望

地球与行星物理论评 2021年第1期52卷 11-26页

作者：唐河孙文科中国科学院大学计算地球动力学重点实验室北京100049

自Love(1911)研究了自重球体的弹性变形后,基于不同的黏弹性地球模型,许多科学家都对地震变形问题进行了深入研究,主要发展了基于半无限空间和球形地球模型的黏弹地球地震变形理论.地震变形问题通常经积分变换、基函数展开等技术处理后... 详细信息

自Love(1911)研究了自重球体的弹性变形后,基于不同的黏弹性地球模型,许多科学家都对地震变形问题进行了深入研究,主要发展了基于半无限空间和球形地球模型的黏弹地球地震变形理论.地震变形问题通常经积分变换、基函数展开等技术处理后,简化为求解满足特定震源和地表边界条件的常微分方程组问题.针对这一独特的数学物理边值问题,本文以全解析、半解析和数值积分解等求解形式概述了近几十年发展的基于规则几何形态地球模型的黏弹地球地震变形理论,并讨论了各种方法的特点.此外,针对三维地球模型,本文也简单回顾了目前的研究进展和存在问题.总之,本文综述了过去半个多世纪以来的黏弹地球地震变形理论的发展历史、研究现状和最新进展,并讨论目前存在的问题和未来的发展趋势.

关键词：地震循环同震—震后变形黏弹性边值问题位错理论