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各向异性介质对地震破裂过程的影响以及华北地区地震活动性研究

张群伟  
【摘要】:断层两侧介质物理性质对震源破裂过程产生重要影响,而地球介质的各向异性十分普遍,但对于断层两侧材料的各向异性对断层破裂动力学过程有何影响,目前还不甚了解;特别是对这一现象的研究至今在全世界未见相关报道。为此,研究中利用有限单元计算方法,对当断层两侧介质存在各向异性时,断层的破裂行为进行模拟分析。计算结果表明,断层两侧材料的各向异性对于断层破裂动力学过程有着非常重要的作用,并且材料性质与破裂之间的关系非常复杂。对于正交各向异性材料,当断层两侧各向异性材料主方向上的杨氏模量不同时,特别是当平行于断层走向的材料其一侧杨氏模量显著大于另一侧时,断层出现不对称的双侧破裂,成核中心一侧的位错显著大于另外一侧,破裂长度也是一侧显著大于另一侧(亦称单侧破裂)。沿着断层走向的材料主轴方向上的杨氏模量对于破裂过程的影响大于垂直于断层走向的杨氏模量,但随着各向异性材料主轴方位的变化,这种影响也发生相应地变化。模拟结果还表明材料主轴方向的变化对破裂过程的影响也很显著。此外,通过模拟还发现,若断层两侧材料为相同的各向异性介质时(即断层两侧为同样的各向异性材料),则不会影响断层破裂的空间对称性分布;当其中一侧的各向异性材质主轴方位发生变化时,断层破裂的空间对称性会受到一定程度的影响,但其影响很小;可是,随着正交各向异性材料剪切模量的增加,断层破裂会被终止,无法产生特大地震。可见,本研究对于深入认识震源动力学过程以及地震灾害的预测与评估等有重要的科学意义及实用价值。此外,考虑到华北地区活断层层丰富、强震频发,所处地理位置又十分特殊。为此,文中根据弹性位错理论和分层岩石圈模型,计算了自1820年以来华北地区中强地震(MS≥6.0)引起的同震及震后介质粘弹性松弛产生的库仑应力变化。计算结果显示,自1888年渤海湾地震发生以来的24个地震中,共有19个落在了库仑应力变化的正值区域,触发率高达79%;计算结果进一步表明,宁河-新乡地震带的滦具-乐亭断裂、潘庄西断裂、东明-成武断裂、郓城断裂、隆尧断裂;郯庐地震带的营口-潍坊断裂,首都圈地区夏垫断裂、黄庄-高丽营断裂带上的库仑应力变化增加,其地震发生的风险相对较高,仍需要进一步的深入研究。


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