巴颜喀拉块体东南缘应力演化及鲁甸地震自发破裂模拟研究

摘要

巴颜喀拉块体活动导致的昆仑-汶川地震系列，是目前中国大陆唯一一组7级以上地震序列，未来几年该块体仍是发生7级地震的主体地区。巴颜喀拉块体东缘从走滑运动向逆冲运动转换的构造动力学性质使得活动块体两个相邻边界带存在大地震序列的关联性，研究表明近期逐渐加速的块体东边界强震序列是北边界强震活动的响应，巴颜喀拉块体南边界的鲜水河断裂带同样以左旋走滑的方式向东边界挤压，但巴颜喀拉块体东南缘地震呈现以下两个特点，一是强震大都发生在巴颜喀拉块体东边界断裂带，东边界强震序列呈现加速状态;二是南边界鲜水河断裂带在1973年炉霍7.6级地震后，已有40多年没有发生7级以上地震，鲜有6.5级以上强震，在此次地震序列中表现出一种大震缺失的状态，因此，巴颜喀拉块体东南缘主要断裂带的地震危险性值得关注和研究。 同震库仑破裂应力及震后粘弹性松弛在解释余震序列分布，分析强震序列相互作用关系及未来地震危险性等方面发挥了重要的作用。比如汶川地震之后，一些研究者利用弹性位错模型计算了汶川地震的同震库仑破裂应力变化，并对龙门山区域未来的地震危险性进行了估计。一些研究者分别计算了汶川地震和芦山地震后周边断层的同震库仑应力变化，以及汶川地震和芦山地震引起的同震和震后粘弹性松弛应力场变化，得到了汶川地震可能有效地促进了芦山地震的发生的结论。在应力演化过程中，震间构造应力加载对强震危险性的作用也非常重要，计算这部分应力积累目前比较流行的做法是采用“负位错”的理论进行计算，这一方法虽然简洁，但假设了断层是完全闭锁的，可能会造成一定误差。 本文拟以巴颜喀拉块体区域构造活动作为三维有限元模型的边界约束，综合研究区域介质速度、密度结构最新反演结果计算介质的弹性材料参数，从初始应力场出发模拟在构造应力和重力作用下的现今背景应力场，计算强震序列引起的区域内断裂带震前、震间、震后的应力演化，获得更为准确可靠的应力场结果。利用速率-状态关系计算库仑应力变化对研究区域背景地震发生率的改变，利用泊松概率过程计算研究区域在汶川地震和芦山地震震后未来10年6级以上强震的地震概率及研究区域主要断裂带的6级以上强震发震概率。除以上述准动力学的方法研究巴颜喀拉块体东南缘应力演化及地震危险性，本文还以鲁甸地震为例，研究鲁甸地震从成核区开始破裂，然后扩展直至终止的自发破裂动力学过程，探索影响地震自发破裂位错的主要因素。 研究内容:(1)建立巴颜喀拉块体东南缘三维粘弹性有限元模型。(2)模拟巴颜喀拉块体东南缘主要断裂带上1900年以来7级以上强震序列的应力演化过程，并对强震序列对芦山地震的触发作用进行了研究，对比库仑应力场及等效应力场演化结果与背景地震活动的关系。(3)应用速率-状态关系研究库仑破裂应力对汶川地震、芦山地震震后研究区域的地震发生率的影响，应用泊松过程给出研究区域主要断层未来强震发生概率。(4)应用可以描述断层摩擦机制的FAULTS有限元软件对芦山地震断层错动方式，初始破裂点进行了模拟，研究了汶川地震后，断层强度的变化对芦山地震的影响。(5)应用曲线有限差分方法建立鲁甸地震非平面断层自发破裂模型，模拟鲁甸地震在包谷垴-小河断裂上的自发破裂过程，分析影响鲁甸地震自发破裂过程的主要因素。 本文的创新点:(1)以三维速度、密度反演结果建立能反映更真实地下介质的三维粘弹性有限元模型;(2)从初始应力场出发，进行数十万年的应力场演化模拟直至获得与现今构造应力场更为吻合的背景应力场用于地震序列模拟;(3)采用泊松概率模型计算地震发生概率时直接基于三维粘弹性有限元模型得到的库仑应力结果，充分考虑了同震、震间和震后效应的影响。同时，在考虑背景地震发生率时采用了更全面完整的地震目录，这可能使得对未来地震危险性的估计更准;(4)对鲁甸地震自发破裂过程进行了动力学模拟，将震间应力积累过程与同震地震破裂过程的模拟结合起来。

目录

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摘要

第1章绪论

1．1巴颜喀拉块体东南缘应力演化及地震危险性研究意义

1．2研究现状与进展

1．2．1地震应力演化研究进展与现状

1．2．2应力调整与地震发生概率研究进展与现状

1．2．3断层自发破裂模拟研究进展与现状

1．3应力演化及地震危险性研究中一些问题及本文研究方法

1．4研究内容和方案

1．4．1应力演化及强震发生概率研究方案

1．4．2地震自发破裂研究方案

1．4．3本文研究内容安排

1．5本文主要创新点

第2章地球动力学模拟方法介绍

2．1．1基本方程

2．1．2 Maxwell模型本构关系

2．1．3 FAULTS模型本构关系

2．2有限元方法

2．2．1有限元方法的原理

2．1．2弹性力学的有限元方法

2．3曲线有限差分方法

2．3．1弹性动力学方程在曲线坐标系的表示形式

2．3．2曲线网格有限差分格式

2．4应力演化及断层错动方式模拟过程中一些问题的处理

2．4．1断层的处理

2．4．2模拟地震的发生

2．5断层自发破裂模拟中一些问题的处理

2．5．1断层描述

2．5．2摩擦准则

2．5．3断层格点描述

2．6库仑破裂应力计算

2．6．1计算原理

2．6．2计算方法

2．7小结

第3章巴颜喀拉块体东南缘7级强震序列应力演化对芦山地震的影响

3．1计算模型

3．1．1模型参数

3．1．2模型可靠性检验

3．1．2强震参数

3．2计算结果

3．2．1强震序列库仑破裂应力同震变化对芦山地震的影响

3．2．2库仑破裂应力年变化速率

3．2．3芦山地震震源处的应力演化

3．2．4芦山地震与汶川地震破裂空段应力状态分析

3．2．5演化应力场与地震活动的关系

3．3讨论与结论

3．3．1讨论

3．3．2结论

第4章基于应力变化和背景地震活动分析强震发生概率

4．1 地震发生概率理论模型

4．1．1速率-状态摩擦本构关系

4．1．2 Dieterich地震发生概率模型

4．1．3断层摩擦本构参数与应力扰动持续时间确定

4．1．4强震发生概率模型

4．2汶川地震后地震发生率及强震发生概率

4．3芦山地震后地震发生率及强震发生概率

4．3．1应力扰动持续时间确定

4．3．2强震发生概率

4．4本章结论

第5章芦山Ms7．0地震断层破裂方式的数值模拟

5．1．1龙门山断裂带几何模型

5．1．2模型的底部边界

5．1．3模型的介质参数

5．1．4位移边界条件

5．2流变强度差异对地壳运动速率的影响

5．3芦山Ms7．0级地震断层初始破裂点和断层错动方式的数值模拟

5．4讨论与结论

第6章鲁甸地震自发破裂模拟

6．1模型

6．1．1计算环境配置

6．1．2断层结构

6．1．3应力状态与动力学参数

6．1．4速度结构

6．2 自发破裂模拟结果

6．3鲁甸地震自发破裂影响因素讨论

6．3．1断层几何的影响

6．3．2背景应力场的影响

6．3．3滑动摩擦系数的影响

6．3．4等效平面断层

6．4本章结论

第7章结论与展望

7．1结论

7．2工作展望

参考文献

致谢

作者简历