巖石圈介質(zhì)結(jié)構(gòu)的不均勻性對地震同震、震后位移影響的三維數(shù)值模擬.pdf

1、地震同震位移場的模擬受很多參數(shù)控制，從震源角度看：諸如斷層的幾何結(jié)構(gòu)，傾角的大小，位錯的分布等；從介質(zhì)結(jié)構(gòu)角度看：如半空間均勻模型、橫向分層以及縱向分層介質(zhì)模型；從彈性參數(shù)角度看：如拉梅常數(shù)，彈性模量以及泊松比等。定量的分析這些參數(shù)對地震同震位移的影響有助于我們根據(jù)地震破裂過程了解地震造成的地表形變特征或利用觀測的形變資料識別斷層的活動特征。在粘彈性松弛的震后形變理論中，震后形變則受控于同震形變和介質(zhì)的粘性結(jié)構(gòu)。探討各種粘性結(jié)構(gòu)介質(zhì)中震

2、后位移場的特征，有助于我們利用震后形變資料研究巖石的粘性。
　　 本文首先回顧了同震形變、震后形變理論研究的背景。然后介紹了有限元方法的基本理論。在此基礎(chǔ)之上，定量探討了介質(zhì)的不均勻性對地震同震、震后位移場的影響。最后分別以大陸內(nèi)部和俯沖區(qū)域發(fā)生的逆沖大地震：汶川地震、日本地震為例，構(gòu)建符合當(dāng)?shù)匕l(fā)震區(qū)域的介質(zhì)結(jié)構(gòu)，在觀測資料的約束下，定量的模擬介質(zhì)的不均勻性對地震同震位移以及震后位移的影響。論文主要包括以下內(nèi)容：
　　

3、(Ⅰ)介質(zhì)的不均勻性和斷層傾角對同震位移場的影響
　　 影響同震位移分布的主要因素包括斷層的滑動分布、斷層的幾何參數(shù)以及介質(zhì)的彈性參數(shù)。本項研究主要利用三維有限元數(shù)值模擬的方法，定量研究介質(zhì)不均勻性和斷層傾角變化對同震位移場的影響。而滑動分布則選用簡單的有限矩形走滑、逆沖或正斷層滑動。數(shù)值模擬顯示：(1)在均勻及縱向分層介質(zhì)模型中，對于垂直走滑斷層地震，水平位移場分量與介質(zhì)的泊松比呈較弱負(fù)相關(guān)，垂直位移場與介質(zhì)的泊松比呈正相關(guān)，

4、水平位移場與剪切模量呈正相關(guān)，垂直位移場與剪切模量呈負(fù)相關(guān)；(2)模型介質(zhì)的橫向變化對同震位移場具有較大影響，剪切模量的橫向變化對地震的位移場影響最大，斷層左側(cè)塊體地震位移場與左側(cè)塊體介質(zhì)的剪切量呈負(fù)相關(guān)，在垂直走滑斷層地震中，斷層右側(cè)塊體彈性參數(shù)不變、左側(cè)塊體剪切模量減半可使左側(cè)塊體的最大垂直位移分量幅度增大55.6％；(3)傾角對同震位移場有重要影響，在斷層附近，傾角對位移場有主要的控制作用，對于高傾角逆沖斷層(60～90度)，上盤

5、斷層附近區(qū)域的水平位移場出現(xiàn)反向區(qū)，反向區(qū)域的范圍隨傾角的增大而增大，當(dāng)傾角為90度時，上盤水平位移場全部反向；斷層傾角增大時，在斷層附近下盤的水平位移場增大幅度較大。
　　 (Ⅱ)介質(zhì)粘彈性結(jié)構(gòu)的不均勻性對震后位移場的影響
　　 在粘彈性松弛震后形變理論中，介質(zhì)的粘彈性結(jié)構(gòu)在震后位移場的特征中起著重要的控制作用，傳統(tǒng)的半解析解無法考慮介質(zhì)粘性的橫向差異。我們構(gòu)建簡單的走滑斷層地震，采用有限元的數(shù)值方法，定量的分析不同的

6、粘彈性介質(zhì)及粘性結(jié)構(gòu)不均勻介質(zhì)中地震震后形變的特征。數(shù)值模擬顯示：(1)麥克斯韋介質(zhì)在模擬地震震后形變中存在不協(xié)調(diào)問題，當(dāng)粘性較低(如1018Pa.s)時，粘彈性松弛會很快達到平衡，無法模擬時間跨度較長的震后形變，當(dāng)粘性較高時，震后位移隨時間成線性增大，不符合一般觀測的震后位移呈指數(shù)變化特點，采用廣義麥克斯韋體介質(zhì)，能較好的改善這一問題；(2)縱向分層(果凍三明治模型、奶油焦糖布丁模型)的粘彈性介質(zhì)模型中，震后位移隨時間松弛趨勢與半空間

7、均勻介質(zhì)中的震后位移松弛趨勢一致。相對于上地幔，下地殼的粘性對震后位移場的影響較大，在相同時間內(nèi)，較弱的下地殼模型要比較弱的上地幔模型中震后位移松弛幅度大；(3)在橫向不均勻的粘彈性模型中，粘性相對較強的塊體中斷層附近震后位移分量呈現(xiàn)與同震位移運動方向相反的特點，在相同的時間內(nèi)粘性較弱的塊體中震后位移量大于粘性較強塊體中的震后位移。(4)斷層一側(cè)塊體含有粘性較弱的流動通道時，其震后位移的松弛特點與下地殼上地幔粘性橫向不均勻模型中的震后位

8、移松弛特征相同。
　　 (Ⅲ)汶川Ms8.0地震的同震、震后位移場
　　 汶川Ms8.0地震發(fā)震區(qū)域的介質(zhì)背景以及斷層破裂滑動分布比較復(fù)雜，我們采用有限元算法，分別利用由Ji and Hayes以及Nishimuru and Yaji給出的滑動分布模型，參考地震波反演給出的發(fā)震區(qū)域的介質(zhì)參數(shù)，計算汶川地震的同震位移場，比較斷層滑動分布對地震同震位移場的影響，并將地表同震位移場的計算值與GPS觀測值對比。此外參考CRUST

9、2.0構(gòu)建汶川地震局部區(qū)域的縱向分層介質(zhì)模型，比較介質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異對汶川地震同震位移場的影響。在震后位移場的模擬中，分別構(gòu)建粘性橫向均勻、橫向分層的廣義麥克斯韋體粘彈介質(zhì)模型，探討粘性差異介質(zhì)結(jié)構(gòu)中震后位移場的特征，并與觀測到的汶川地震的震后位移場做比較，從粘彈性松弛理論的角度對汶川地震的震后位移場進行一個定性的分析。數(shù)值結(jié)果顯示：(1)斷層附近兩側(cè)的水平位移場呈現(xiàn)明顯的相向運動，隨著離斷層距離的增大，位移場逐漸衰減。破裂區(qū)的南部以斷層的

10、逆沖運動為主，北部區(qū)域以右旋走滑為主，在較遠(yuǎn)范圍內(nèi)計算結(jié)果與GPS及InSAR觀測值符合較好；(2)介質(zhì)的彈性參數(shù)對同震位移場同樣有一定的影響，相對于采用發(fā)震區(qū)域的Crust2.0介質(zhì)結(jié)構(gòu)，采用地震波反演的介質(zhì)結(jié)構(gòu)在斷層附近引起的位移分量差異約10％，但是由于地震波給出的介質(zhì)參數(shù)中，青藏高原的上地殼剪切模量相對四川盆地較強，即使考慮到介質(zhì)的橫向差異無益改善斷層附近的位移場的計算值與觀測值的差異。(3)斷層的滑動分布對同震位移場有顯著的影

11、響，采用Ji and Hayes和Nishimuru and Yaji給出的滑動模型計算所得同震位移場在水平方向以及垂直方向都有較大的差異，這表明有必要采用地震波數(shù)據(jù)和形變觀測位移數(shù)據(jù)，比如GPS和InSAR觀測的數(shù)據(jù)聯(lián)合反演以獲取更合適的滑動分布；(4)震后數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用粘性橫向差異的粘彈性模型計算的汶川地震的震后位移場特征與GPS觀測的震后形變特征大體一致，震后位移隨時間呈指數(shù)變化，斷層兩側(cè)震后位移幅度不一致，粘性較弱上盤震后

12、位移松弛幅度要大于粘性較強的下盤位移松弛幅度。斷層兩側(cè)塊體的粘性差異越大，震后位移松弛幅度差異越大；(5)在考慮粘性橫向差異的模型中，在以逆沖為主區(qū)域的斷層附近震后水平位移呈現(xiàn)反向，我們認(rèn)為，龍門山斷層兩側(cè)粘性橫向差異可能是導(dǎo)致基于GPS觀測到的汶川地震斷層附近震后位移場反向的原因。
　　 (Ⅳ)2011 Mw9.0 Honshu地震的同震位移場
　　 2011年Mw9.0 Honshu地震為發(fā)生在俯沖帶區(qū)域的低傾角逆沖

13、大地震，俯沖帶兩側(cè)介質(zhì)存在顯著的橫向差異，震后很多研究機構(gòu)基于地震波反演給出了日本地震的滑動分布，在反演的結(jié)果中，斷層的幾何參數(shù)以及最大滑動分布差異比較大。本章將參考地震反演給出的日本地震發(fā)震區(qū)域介質(zhì)結(jié)構(gòu)，分別計算了不同的滑動分布產(chǎn)生的同震位移場。并將計算結(jié)果與GPS測定的日本同震位移場進行對比，選取符合較好的滑動分布模型。為研究日本2011 Mw9.0 Honshu地震的震后形變機制以及探討震后的應(yīng)力變化提供一個較好的約束。此外，參考

14、Crust2.0模型，構(gòu)建縱向均勻介質(zhì)模型，比較介質(zhì)的差異對日本地震同震位移場的影響。數(shù)值模擬顯示：
　　 (1)日本地震的水平位移場以斷層為中心，兩側(cè)位移相向運動，上盤位移遠(yuǎn)大于下盤位移。地表垂直位移場在斷層區(qū)域呈現(xiàn)隆起，隆起兩側(cè)沉降。呈現(xiàn)典型的低傾角逆沖斷層大地震的特征。
　　 (2)地表同震位移隨斷層的距離呈指數(shù)衰減，在斷層附近，相對于Wei et al(2011)給出的滑動分布計算結(jié)果，采用Shao et al(