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应用非均匀性对地震周期和地震破裂速度影响的数值模拟

翁辉辉  
【摘要】:弹性回跳理论目前被认为是构造地震发生的主要机制。所谓的弹性回跳理论是:断层两边岩石在构造应力的作用下发生形变,应力和应变能逐渐累积,当应力达到一定程度就会造成断层的突然活动,导致地震发生,应变能也得到突然释放。野外地质调查和岩石物理实验都显示,地震的这种过程可以简化为断层的粘滑行为。而且断层的这种粘滑可以用滑移弱化摩擦准则或一个与速率和状态相关的摩擦准则来表示。研究也发现,地震发生时,断层面的破裂速度可能会出现超剪切现象。而超剪切破裂可能会在水平方向上产生扩张的平面S波以及马赫波,这些波会显著地加强断层破裂方向上的地面震动以及破坏力,即有着更强的能量辐射。地震断层的粘滑行为以及断层面的破裂过程与周围地质环境密切相关,如断层的应力扰动或孔隙压变化可能会影响地震的周期以及地震的大小(长时间尺度,年)、也有可能阻碍断层的破裂或触发超剪切破裂(短时间尺度,秒)。深刻认识周围环境变化对断层滑动和破裂过程的影响,对进一步理解地震的物理过程以及防震减灾工作都具有重要的理论和现实意义。本文意欲通过建立物理模型的方法,研究周围环境应力变化对断层粘滑行为以及断层面的破裂过程的影响。具体来说,就是利用有限元方法以及滑移弱化摩擦准则,通过模拟断层应力加载的过程来认识断层的滑动规律、并探索断层的动态破裂过程,以期能加深对地震物理过程的理解,并为防震减灾提供一些有价值的科学依据。首先,建立一个二维走滑断层数值模型,并结合断层滑移弱化摩擦准则对断层长期滑动规律以及应力扰动对其影响进行了研究;然后,以日本2011年Tohoku Mw9.0地震为具体实例,建立一个二维曲线断层数值模型,并且利用高精度的形变观测来约束模型;最后,在二维平面走滑断层中,研究局部有效正应力增加的障碍体(barrier)对超剪切破裂的触发作用。主要结果如下:(1)数值计算结果表明,在均匀应力分布情况下,平面断层滑动显示出典型的特征地震规律,断层面上的应力扰动对断层滑动规律产生影响,压应力增加明显延迟地震的发生时间,并增加地震释放的能量。应力扰动发生在地震破裂临界区时的影响比在震前滑移区时的影响显著。当发生在地震滑移区时,若应力扰动足够大,则压应力增大会造成地震发生时部分动力断层被暂时锁住,使得地震释放的能量变小,但可增加后续地震的能量;而压应力减小则可导致地震规律产生更加复杂的变化,会即时触发地震。如果应力扰动发生在一个地震周期的早期,则触发的地震较小,但可导致随后的地震提前发生;如果应力扰动发生在一个地震周期的后期,则会触发大地震。当应力扰动位于震前滑移区或破裂临界区时,小的扰动也可能产生类似的效果。应力扰动产生越晚,这种影响也越明显。应力扰动发生在破裂临界区的影响最明显。应力扰动的影响一般主要集中在应力发生扰动后的1-2个地震周期内。后续地震基本恢复无应力扰动时的特征地震规律。(2)数值模拟计算结果显示,模型在1000年间的6次大地震表现出特征重复地震的规律。模型的数值结果与地表同震GPS位移、震间GPS速度分布都具有较好的一致性。此外,模型结果也显示了在两次大地震中间会发生一次小地震。其中大地震的重复周期约为161年、单位破裂长度地震大小约为1.13 x 1020N m/km、小地震的地震矩约为5.62×1018Nm/km.进一步的计算结果表明,模型地幔楔的岩石圈和软流圈的粘性大小对震间GPS速度场产生显著影响。地幔楔的岩石圈和软流圈的粘性存在参数折中。如果软流圈粘性从1020 Pa s减小为2.5×1019 Pa s,为得到与观测基本相符的震间GPS速度分布,模型地幔楔岩石圈的粘性需从1020 Pa s增加到2.5×1020 Pa s。数值计算也显示,在一个地震周期内,模型空间重力变化值和地面点重力变化值基本上随时间均匀变化,在大陆一侧距海沟100km处分别可达-366 μgal和667μgal,但在陆地上变化较小,最大变化处约距海沟200 km,变化数值约为159 μgal和-77μgal;速度场的变化主要发生在震后约5年的时间内,此后基本保持稳定增加。(3)模拟结果证实,障碍体不仅会减缓或者阻止地震破裂的传播,但是同样也可能触发超剪切破裂。研究结果表明,超剪切破裂出现在一个参数区域内,这个区域介于两条直线边界之间。而如果障碍体的宽度位于下边界的下方,那么地震破裂能够克服这个障碍体,并且保持亚剪切破裂速度传播。如果障碍体的宽度位于上边界的上方,则障碍体始终能够阻止地震破裂的传播。此外,本文结果还表明,这种由障碍体触发产生的超剪切破裂传播可能最终会减速至亚剪切,这个过程依赖于障碍体的宽度以及位置。随着障碍体的宽度从下边界增加至上边界,障碍体导致的主破裂速度减量逐渐增加,并且超剪切破裂传播持续的距离也随之增加。这些结果表明断层上的障碍体可能并没有阻止地震破裂传播,反而可能触发超剪切破裂转变。而这种超剪切破裂转变对于近场强地面运动以及地震破坏力具有非常重要的影响。


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